衛星網絡環境下TFRC與窗口協議的比較

江波　胡谷雨　金鳳林　吳兆峰

摘 要： 為了比較傳輸控制協議在衛星網絡環境下的性能，研究了傳統的基于窗口的協議和基于速率中使用最廣泛的TFRC（TCP Friendly Rate Control，TCP友好速率控制）協議，在衛星網絡應用環境下，通過仿真實驗比較了窗口協議與TFRC。仿真實驗表明，TFRC協議的性能要優于傳統的基于窗口的傳輸控制協議。

關鍵詞： 衛星網絡； 擁塞控制； 窗口協議； 傳輸友好速率控制

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）03-31-05

Comparison between TFRC and window-based protocols in satellite network

Jiang Bo， Hu Guyu， Jin Fenglin， Wu Zhaofeng

（PLA University of Science and Technology， Academy of Command Information System， Nanjing， Jiangsu 210007， China）

Abstract： In order to compare the performance of the transmission control protocol in satellite network environment， the traditional window-based protocols and the most widely used rate-based protocol TFRC （TCP Friendly Rate Control） are studied and applied to a satellite network environment， and through the simulation experiments compared the window-based protocols with TFRC. The simulation experiments show that the performance of TFRC protocol is better than the traditional window-based transmission control protocols.

Key words： satellite network； congestion control； window-based protocol； TFRC

0 引言

目前網絡的數據量處于持續上升階段，特別是網絡中多媒體業務流在大量的增加。如何做到在網絡中高效傳輸多媒體數據同時又不影響網絡的穩定性，是目前需要解決的問題。

網絡在世界范圍內使用，網絡需求呈多樣化，其中衛星網絡成為人們使用的一大需求。網絡中流量持續增加，特別是多媒體業務流比重增多，網絡中主要使用的TCP協議在應用到衛星網絡環境下，出現性能的下降。

對于上述問題，已有眾多學者和研究機構提出了多種傳輸多媒體的擁塞控制機制。在這些解決方案中，被認為傳輸多媒體數據最好的方案是基于速率擁塞控制機制的TFRC協議。目前TFRC已經形成相關的RFC文檔[2]。本文換個角度去分析在衛星網絡環境下存在的問題，將基于速率的擁塞控制機制與傳統的窗口協議比較，找出其存在的問題并進行分析，為下一步工作打好基礎。

1 衛星網絡環境下TCP的相關研究

1.1 TCP相關介紹及衛星網絡環境下TCP存在的問題

TCP協議被設計的時候就是考慮到了鏈路的低比特錯誤率（低于10-8），TCP數據丟失或出現差錯主要是由于網絡擁塞造成的。這些前提條件在衛星網絡中已經不成立。衛星信道所具有的特性使得其能夠降低TCP的性能，這些特性包括高傳播時延（靜止軌道衛星信道的往返時延大概在550ms左右）、高帶寬不對稱、高比特誤碼率以及由于遮擋和同移動相關的多徑衰減鏈路而產生的突發錯誤，這些特性對TCP的影響是巨大的。

1.2 針對TCP在衛星網絡環境下存在的問題，提出的部分解決方法

1.2.1 加速傳輸

TCP-Peach[8]， 在每個連接的開始，采用突發開始算法，該算法基于假的報文段。為了探測可用的帶寬，假的報文段不攜帶任何新的信息，并且以低優先級在網絡中傳輸。多個TCP連接方法[14]，采用N個TCP連接能夠從下面幾個方面提高吞吐量。性能增強代理（PEP）[17]，能夠區分衛星鏈路和陸地鏈路，且能夠在任意協議實現。對于衛星鏈路來說，PEP能夠緩解大的端到端時延和鏈路出錯所帶來的影響。

1.2.2 調整ACK的反饋

周期性ACK[6]，接收方并不對每個數據包發送確認。在RTT的基礎上，ACK以一定的速率發送。分析了協議在不同的不對稱鏈路下的性能，并確定了最佳ACK頻率。ACK的擁塞控制[14，21]，TCP接收端維持一個動態可變的延遲ACK因子d，通過改變d的值來控制ACK的發送頻率。文獻[14]和文獻[15]分別提出了AF和AR兩種機制， AF機制在瓶頸鏈路的路由器實現，用于丟棄冗余的ACKs。為了保持一個恒定的速率，AR機制在報文段離開慢的反向鏈路的路由器上實現，用于重建ACKs。

1.2.3 傳輸差錯進行區分

顯式擁塞通知（ECN）[14]。通過在IP數據包頭部設置ECN比特位，路由器能夠通知發送端中間發生的擁塞。因此發送端收到擁塞通知，發送速率就減少，否則發送速率不會發生變化。文獻[16]提出了一種發送方算法，該算法采用了固定大小的窗口，以解決衛星網絡由于隨機和突發錯誤產生的丟包。TCP Westwood[18]協議最明顯的特征是它是TCP擁塞窗口算法的發送方的改進，發送端不斷地監測ACKs的接收速率，估計當前的可用帶寬。在發送端監測到丟包或者傳輸超時的情況下，發送端用其估計值設置cwnd和ssthresh值的大小。

2 TFRC的相關介紹

TFRC為了可以和TCP流公平的競爭網絡流量，TFRC采用了TCP的流量方程，方程大概描述了TCP發送速率和時間丟失率、往返時延、數據片段大小等之間的關系。TFRC的功能模塊（如圖1所示）簡要反應發送方與接受方的功能，TFRC的工作過程分以下幾個步驟：①接收端估算丟失事件率并將其反饋給發送端；②發送端通過得到的反饋估算環回時間RTT；③發送端將丟失事件率與環回時間代入擁塞控制等式計算出當前的適當的發送速率；d.發送端依據計算出來的速率調整實際發送速率。

TFRC擁塞控制中的TCP吞吐率公式即：

具體參數意義：x為吞吐率（bytes/s）；S為數據包大小（bytes）；R為往返時間RTT（s）；p為丟包率，值在[0，1]內；t_RTO為重傳時鐘；b為TCP接收端一次確認的包數。

TFRC發送方數據包信息如下：序列號、時間戳、發送端估計的當前鏈路往返時延、發送端的當前發送速率。

TFRC接收方的反饋數據包信息如下：序列號、時間戳、時延。估計的丟失事件率、估計的接收速率。

TFRC的數據包頭部如圖2所示。

[序列號＼&時間戳＼&往返時延＼&…＼&數據＼&][序列號＼&時間戳＼&時延＼&丟失事件率＼&接收速率＼&][發送方][接收方]

圖2 TFRC的數據包頭部

3 仿真和分析

本文采用NS2進行仿真。在傳統的基于窗口的傳輸協議方面，本文采用了使用廣泛的TCP-Reno、TCP-NewReno、SACk、XCP協議，從正向鏈路、反向鏈路、傳輸時間、丟失率、突發丟失率等多個方面進行仿真，通過全面的比較，然后進行分析。

我們采用了文獻[3]網絡仿真環境，如圖3所示，在此環境中，兩個地面站通過GEO衛星傳輸用戶數據。地面站的網關復用N條數據流，其緩存大小是50個數據包。用戶和衛星站之間的鏈路大小為10Mbits/s，地面站和衛星之間雙向鏈路的容量大小分別為10Mbit/s。衛星鏈路的往返時延大小為550ms，地面鏈路的往返時延大小為10ms，報文段大小為1000bytes，窗口協議的默認擁塞窗口rwnd大小為64個報文段。

3.1 無錯誤情況下，性能的仿真

圖4所示為各協議在前向鏈路上的吞吐量。由于窗口協議受到擁塞窗口大小64的限制，所以單個連接的吞吐量最大只能約為0.898Mbit/s（計算的方法是最大傳輸數據除傳輸時間即64*1000*8/（0.57*106））。當N<10時，所有的協議的吞吐量隨著N的增大而增大，當N>10時，由于最大輸出的輸入數據速率大于輸出數據速率，地面站1開始發生擁塞，除TFRC、XCP外，其他協議的吞吐量會有所下降。

反向鏈路的帶寬如圖5所示。當N<10時，TCP等窗口協議需要的反向鏈路帶寬增長速度比TFRC快。當N>10時，TCP等窗口協議的帶寬逐漸地保持在300Kbit/s。由于TFRC是采用NACK（對錯誤的數據包發送確認）機制，反向鏈路的帶寬不會很大，所以TFRC本身對帶寬的不對稱有較好的處理。

如圖6，為了比較各協議在傳輸不同大小文件的傳輸時間，我們仿真了N=1的場景。可以看出在傳輸小文件的過程中，XCP所需時間最短，TCPs次之，TFRC最長。產生這樣的結果主要原因是TFRC的慢啟動階段速率增長的比較緩慢。從表1中可以看出在傳輸大文件時耗時是最短的，其原因在圖4的比較分析中可知TFRC的吞吐量最大。

3.2 具有隨機錯誤情況下性能的仿真

在N=1的情況下吞吐量如圖7所示，這種情況，鏈路不會發生擁塞，錯誤是丟包的惟一原因。當丟包率低于10-4的時候，基于窗口的協議可以保持在比較穩定的吞吐量，雖然TFRC的吞吐量高，但隨著錯誤率的增加，TFRC的吞吐量下降嚴重。在相同的試驗場景下，反向鏈路的帶寬如圖8所示。可以看出，TFRC反向鏈路需要的帶寬非常少，原因是TFRC采用的NACK反饋機制，同時也可以看出，TFRC反向鏈路的吞吐量與前向鏈路的吞吐量不成比例或者可以說是相互獨立。

具有隨機錯誤的鏈路上的吞吐量

具有隨機錯誤的反向鏈路上的吞吐量

為了在鏈路出現擁塞和隨機錯誤的情況下評價不同協議的性能，我們在有隨機錯誤的鏈路上設置了20個連接，圖9顯示的是前向鏈路的吞吐量。TFRC和基于窗口的協議在錯誤率低時<10-4，可以保持一定的吞吐量，當錯誤率增大>10-3，幾個協議都受到嚴重的影響。圖10與圖8不同的地方在于，圖10是在多個連接數的情況下，可以看出TFRC在反向鏈路上具有一定的優勢，即使在多個連接的和高錯誤率的情況下，反向鏈路還是保持比較低的吞吐量。

具有隨機錯誤的鏈路上的吞吐量

具有隨機鏈路錯誤的反向鏈路上的吞吐量

3.3 具有突發錯誤的情況下性能的仿真

為了仿真突發錯誤的情況，本為使用了文獻[11]所描述的模型，文獻[11]用二個狀態的馬爾科夫模型研究衛星通信系統中在突發錯誤或信號中斷情況下的鏈路。Dg和Db分別表示信道在兩個狀態中的平均持續時間。在信道較差的情況下，數據會在鏈路上丟失，而在信道好的情況下，數據就能夠到達接收端。在本文仿真中，Dg的持續時間為1000個數據包，而Db的持續時間為0-100個數據包。仿真結果如圖11到圖12所示，每幅圖是10次試驗的平均值。

具有突發錯誤的鏈路上的吞吐量

具有突發錯誤的反向鏈路上的吞吐量

為了在有擁塞和突發錯誤情況下評估各種協議的性能，我們在二個狀態的馬爾科夫錯誤模型的衛星鏈路上設置了20條連接。在圖11中，實驗表明窗口協議，隨著Db的增加，吞吐量會迅速的減少，而TFRC受到的影響比較小。

圖12顯示的是在有擁塞和突發錯誤情況下各個協議在反向鏈路上占用的帶寬的大小，從圖中可以看出，TFRC所受的影響最小。

4 總結與展望

本文將地面網絡中傳輸多媒體數據的TFRC協議應用到了衛星網絡的環境下，并通過實驗比較得出以下結論。TFRC的優勢方面有：TFRC的速率變化比較平緩適于傳輸對媒體，當網絡擁塞是可以保持一定的吞吐量，前向鏈路的帶寬比較高，反向鏈路的帶寬使用比較少，使用NACK的反饋方式反向鏈路對于鏈路錯誤的有很好的處理，對于突發錯誤有較好的處理。但TFRC在應用到衛星網絡環境下也存在多種問題，這也正是我下一步改進的地方，如：慢啟動階段速率增長比較緩慢，隨機錯誤對其性能影響比較大，和TCP一樣認為所有的丟失都是擁塞沒有丟失區分的算法。

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