一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)TCP協(xié)議雙端代理加速方法設(shè)計(jì)

李紅衛(wèi) 蔣祖星

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510800）

1 引言

TCP協(xié)議（Transport Control Protocol）是一種端到端的、基于連接的、可靠的傳輸層控制協(xié)議。通過端到端的有序數(shù)據(jù)傳輸與反饋機(jī)制，為上層應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸保障。

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它涉及到物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層所使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接口［1］。TCP協(xié)議是保障可靠通信的關(guān)鍵部分，對(duì)于利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的兩個(gè)終端來(lái)說(shuō)，端到端通信的可靠性最終還是要由傳輸控制協(xié)議來(lái)解決。

圖1 TCP數(shù)據(jù)傳輸丟包與窗口變化示意圖

傳統(tǒng)的TCP協(xié)議是為有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，適用于差錯(cuò)率低的有線網(wǎng)絡(luò)。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通常表現(xiàn)出誤碼率高、多徑傳輸、移動(dòng)終端的頻繁移動(dòng)等特性，而戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)這些特性則體現(xiàn)的更為突出［2］，如圖1所示。這使得傳統(tǒng)的TCP協(xié)議直接用于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下時(shí)性能很差。所以如何提高TCP協(xié)議在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中的性能成為重要研究課題。

2 TCP協(xié)議傳輸速率影響因素

影響TCP傳輸速率的因素包括兩個(gè)方面：1）TCP協(xié)議所采用的算法、緩存大小等；2）網(wǎng)絡(luò)自身的狀況，包括最大傳輸速率、傳輸時(shí)延和丟包率等。

2.1 TCP協(xié)議影響

1）ACK機(jī)制

傳統(tǒng)的TCP協(xié)議采用的是積累ACK反饋機(jī)制，如果出現(xiàn)丟包，則持續(xù)反饋丟包前收到的數(shù)據(jù)的最后的序號(hào)（實(shí)際上也為丟失包的起始序號(hào)）。這導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)延的鏈路中，發(fā)送方在接收到丟包的ACK后的一個(gè)RTT的時(shí)間內(nèi)，都只能知道接收方已收到丟包前的數(shù)據(jù)。SACK（選擇確認(rèn)）通過在TCP選項(xiàng)中告知發(fā)送端已經(jīng)收到的多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)區(qū)間，以此向發(fā)送端通告丟包、亂序等網(wǎng)絡(luò)狀況的出現(xiàn)。顯然相比采用積累ACK反饋機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)丟包時(shí)，發(fā)送端能夠更及時(shí)地判斷網(wǎng)絡(luò)狀況以調(diào)整發(fā)送速率。

在許多針對(duì)衛(wèi)星鏈路的TCP傳輸優(yōu)化中，使用了SNACK技術(shù)。SNACK與SACK的作用是相似的，但是SNACK向發(fā)送端反饋傳輸序列中出現(xiàn)空洞，這與SACK正好相反。在Linux內(nèi)核中默認(rèn)開啟SACK選項(xiàng)，但還沒有SNACK模塊可被使用。在SCPS_TP的實(shí)現(xiàn)中，使用了SNACK，其與SACK的性能比較還需要進(jìn)一步探究［3］。

2）擁塞控制算法

TCP協(xié)議所采用的擁塞控制算法決定了當(dāng)傳輸序列出錯(cuò)（丟包、亂序）時(shí)，TCP的發(fā)送窗口的變化情況。傳統(tǒng)的TCP協(xié)議采用了Reno算法，該算法假設(shè)丟包皆由網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致，這在有線信道上是有效的，但是在無(wú)線信道上難以獲得良好的傳輸效率。當(dāng)前的Linux內(nèi)核默認(rèn)采用Cubic算法，該算法通過提高小窗口發(fā)送速率，盡早占用可用帶寬，同時(shí)減緩大窗口發(fā)送速率，延緩擁塞發(fā)生時(shí)間［4］。在PEPsal中推薦使用Vegas算法作為長(zhǎng)時(shí)延鏈路的TCP擁塞控制算法，Vegas算法核心在于將傳輸速率獨(dú)立于時(shí)延差異，使長(zhǎng)時(shí)延對(duì)鏈路的影響由響應(yīng)的擁塞控制參數(shù)補(bǔ)償。其他擁塞控制算法還包括Veno、Westwood、HSTCP等。

由于鏈路特性的不同，相適應(yīng)的擁塞控制算法也不同，因此應(yīng)當(dāng)針對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)來(lái)選擇合適的擁塞控制算法。

3）窗口緩存

TCP協(xié)議通過窗口緩存的大小來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。在?shù)據(jù)傳輸過程中，TCP協(xié)議通過擁塞控制算法來(lái)調(diào)整窗口的大小，同時(shí)系統(tǒng)也設(shè)置了對(duì)于窗口緩存的限制。可以通過簡(jiǎn)單計(jì)算，得出在一定網(wǎng)絡(luò)條件下，達(dá)到一定發(fā)送速率所需的窗口緩存下限。在無(wú)差錯(cuò)的鏈路中，無(wú)論采用哪種ACK機(jī)制，發(fā)送端只有收到接收端的ACK反饋才能進(jìn)行窗口移動(dòng)；假設(shè)網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)延為RTT，若期望的發(fā)送速率為S，則發(fā)送窗口只有大于S*RTT才能持續(xù)保持S的發(fā)送速率。若在鏈路中出現(xiàn)一個(gè)丟包，發(fā)送端在1/2*RTT時(shí)間之后才能進(jìn)行重傳，若采用積累ACK機(jī)制，發(fā)送端在丟包后的3/2*RTT時(shí)間才能夠獲知新的ACK反饋并進(jìn)行窗口調(diào)整。如圖2所示，此時(shí)占用發(fā)送窗口的數(shù)據(jù)量為2*RTT，因此采用積累ACK機(jī)制，出現(xiàn)丟包時(shí)，發(fā)送窗口需要至少2*RTT*S才能維持S的發(fā)送速率。若在丟包后的RTT時(shí)間內(nèi)再次丟包，則發(fā)送窗口大于2*RTT*S才能維持S的發(fā)送速率。

若改用SACK或SNACK，由于在通告丟包的同時(shí)，也對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行了確認(rèn)，發(fā)送端能夠更及時(shí)地調(diào)整發(fā)送窗口，因此，使用較小的發(fā)送窗口即可維持較高的發(fā)送速率［5］。

圖2 TCP數(shù)據(jù)傳輸丟包與窗口變化示意圖

4）其他擴(kuò)展選項(xiàng)

TCP協(xié)議的一些擴(kuò)展選項(xiàng)也有助于提高TCP傳輸效率。（1）窗口擴(kuò)大選項(xiàng)：如果要使用大于2^16Bytes的窗口，需要在連接建立時(shí)通過窗口擴(kuò)大選項(xiàng)來(lái)進(jìn)行協(xié)商。（2）時(shí)間戳選項(xiàng)：時(shí)間戳選項(xiàng)使發(fā)送端在每個(gè)報(bào)文段中放置一個(gè)時(shí)間戳值，接收方在確認(rèn)中返回這個(gè)數(shù)值，從而允許發(fā)送方為每一個(gè)收到的ACK計(jì)算RTT。對(duì)于部分擁塞控制算法，如果能夠獲得精確的RTT值，則能夠進(jìn)行更有效的擁塞控制。

2.2 網(wǎng)絡(luò)狀況影響

網(wǎng)絡(luò)狀況在此主要考慮三方面的因素：1）鏈路最大速率；2）鏈路往返時(shí)延（RTT）；3）鏈路丟包率。這三方面會(huì)對(duì)TCP連接的傳輸速率產(chǎn)生綜合性的影響。

鏈路速率和往返時(shí)延的增大都增加鏈路中數(shù)據(jù)的容量（更寬或更長(zhǎng)的管道），如2.1節(jié)所述，發(fā)送端維持發(fā)送速率所需的發(fā)送窗口緩存大小與鏈路中容納的數(shù)據(jù)量直接相關(guān)。在丟包率一定的情況下，鏈路中容納的數(shù)據(jù)報(bào)越多，也意味著單位RTT時(shí)間內(nèi)丟失的包也越多，對(duì)于采用SACK或SNACK機(jī)制的TCP連接，SACK或SNACK能夠通告的丟包數(shù)量是有限的（因?yàn)門CP首部選項(xiàng)長(zhǎng)度有限），如果RTT時(shí)間內(nèi)丟包數(shù)量超過限度，則不得不因?yàn)榘l(fā)送窗口緩存的耗盡而降低發(fā)送速率［6］。在TCP擁塞控制算法的研究中，給出了傳輸速率、傳輸時(shí)延、擁塞窗口與丟包率之間的關(guān)系。其中傳輸速率、傳輸時(shí)延、擁塞窗口之間的關(guān)系為。其中x(t)、w(t)及T(t)分別表示時(shí)間t時(shí)的傳輸速率，窗口大小和傳輸時(shí)延RTT。

由上述關(guān)系可知，在時(shí)延增大的情況下，維持相同的傳輸速率所需要擁塞窗口更大，所期望的丟包更低。

3 民用TCP加速代理

如第2節(jié)中所述，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，需要依據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置合適的TCP配置，才能獲得良好的傳輸效率。由于TCP的連接和傳輸控制過程并不依賴于上層應(yīng)用，僅需要TCP首部中的信息，因此可以在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中鏈路中插入代理節(jié)點(diǎn)，將TCP連接分為多段，在不同的網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性配置TCP參數(shù)，提高不同網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率［7］。使用TCP代理優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)還包括：1）逐段可靠保障：由于需要在代理兩側(cè)的網(wǎng)段上分別建立了TCP連接，因此在代理節(jié)點(diǎn)實(shí)際對(duì)TCP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行緩存，也即實(shí)現(xiàn)了TCP數(shù)據(jù)的逐段可靠保障；2）鏈路狀況隔離：一條連接所經(jīng)過的鏈路可能有不同的MTU，傳輸速率等，連接只能適配所有鏈路的最差情況，選擇最小的MTU和最低的傳輸速率；通過代理進(jìn)行TCP分段，能夠屏蔽不同鏈路的差異，選擇適合當(dāng)前鏈路配置進(jìn)行傳輸。

3.1 單邊代理優(yōu)化

單邊代理優(yōu)化是僅在鏈路中靠近發(fā)送端一側(cè)加入TCP代理優(yōu)化節(jié)點(diǎn)（或模塊）。通常通過配置優(yōu)化的TCP擁塞控制算法來(lái)提高發(fā)送端的TCP傳輸效率，例如在長(zhǎng)距廣域互聯(lián)網(wǎng)中使用FastTCP、ZetaTCP等模塊以提高TCP速率。PEPsal（PerformanceEnhancingProxyforSatelliteLink）是針對(duì)衛(wèi)星鏈路長(zhǎng)時(shí)延特性進(jìn)行TCP代理優(yōu)化的軟件，其設(shè)計(jì)作為可單邊插入發(fā)送側(cè)，為包含衛(wèi)星鏈路的長(zhǎng)時(shí)延側(cè)進(jìn)行TCP代理優(yōu)化的軟件。PEPsal本身僅包含建立和維系TCP連接的功能，TCP傳輸及擁塞控制依然交由Linux內(nèi)核中的TCP協(xié)議棧。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，配置TCP協(xié)議棧使用Vegas擁塞控制算法，在一定丟包率情況下能夠獲得比Cubic算法更好的TCP傳輸效率［8］。

圖3 PEPsal單邊加速部署圖

單邊代理優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)在于，配置簡(jiǎn)單，僅需要在發(fā)送端進(jìn)行配置。其劣勢(shì)在于僅能對(duì)TCP協(xié)議中的擁塞控制算法進(jìn)行修改，由于ACK機(jī)制和窗口緩存大小需要接收端配合，因此無(wú)法修改。對(duì)于廣泛使用的WindowsXP操作系統(tǒng)，其默認(rèn)僅支持基礎(chǔ)的TCP協(xié)議，如積累的ACK機(jī)制和16位的擁塞窗口，這導(dǎo)致了單邊代理無(wú)法使用SACK/SNACK機(jī)制、更大的窗口緩存以及時(shí)間戳等配置來(lái)提高TCP的傳輸效率。

3.2 雙邊代理優(yōu)化

為了克服單邊代理優(yōu)化的劣勢(shì)，在特殊鏈路的兩端，均配置TCP優(yōu)化代理，將TCP連接分為三段。在包含特殊鏈路的TCP連接段，由于兩端均使用優(yōu)化代理，因此能夠針對(duì)特殊鏈路的特性配置TCP協(xié)議，使該段的TCP傳輸效率最大化。SCPS_TP（SPACECOMMUNICATIONSPROTOCOL SPECIFICATION——TRANSPORTPROTOCOL）是針對(duì)衛(wèi)星鏈路傳輸設(shè)計(jì)的TCP代理，通過對(duì)代理兩側(cè)設(shè)置不同的TCP協(xié)議選項(xiàng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)延的衛(wèi)星鏈路進(jìn)行TCP傳輸優(yōu)化［9］。SCPS_TP與PEPsal在實(shí)現(xiàn)上的差異在于，SCPS_TP不依賴Linux內(nèi)核的協(xié)議棧進(jìn)行傳輸和擁塞控制，由程序本身進(jìn)行控制。SCPS_TP默認(rèn)使用SNACK作為可選的ACK機(jī)制，同時(shí)可對(duì)TCP協(xié)議的其他多種參數(shù)進(jìn)行配置。PEPsal設(shè)計(jì)作為單側(cè)優(yōu)化代理，但其也可作為雙端優(yōu)化代理，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)PEPsal所運(yùn)行的Linux內(nèi)核進(jìn)行優(yōu)化配置，其作為雙端代理也能獲得相比單側(cè)優(yōu)化更好的傳輸性能。

圖4 SCPS_TP雙邊加速部署圖

3.3 SCPS_TP與PEPsal比較

SCPS_TP與PEPsal最大的區(qū)別在于，SCPS_TP所有的對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)的操作均在用戶層實(shí)現(xiàn)，這使得SCPS_TP對(duì)TCP數(shù)據(jù)傳輸有更強(qiáng)的控制能力?？梢葬槍?duì)兩側(cè)鏈路配置不同的窗口緩存、擁塞控制算法以及MTU等參數(shù)，也可以對(duì)在雙端SCPS_TP內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行壓縮、加密等操作。同時(shí)由于SCPS_TP在用戶層進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)獲取，SCPS_TP也可以對(duì)部分UDP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行壓縮、聚合等優(yōu)化操作。

PEPsal依賴于Linux內(nèi)核的Netfilter模塊獲取數(shù)據(jù)報(bào)，同時(shí)依賴于Linux內(nèi)核的TCP協(xié)議棧進(jìn)行TCP連接的傳輸和擁塞控制。PEPsal的優(yōu)勢(shì)在于，能夠靈活運(yùn)用Linux內(nèi)核中的特性對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行處理［10］。例如利用Netfilter進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，可以僅對(duì)特定源IP的TCP傳輸進(jìn)行優(yōu)化；可以在Linux內(nèi)核中加載更多種的TCP擁塞控制算法，以針對(duì)不同的鏈路特性使用最合適的算法。

SCPS_TP雙端代理實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期相符合。由表1中結(jié)果項(xiàng)1、2、3比較可知，RTT增大時(shí)，需要增加窗口緩存才能維持較高的傳輸速率。由結(jié)果項(xiàng)4、5、6比較可知，在出現(xiàn)丟包時(shí)，窗口緩存需要大于2*RTT*S，才能維持較高的傳輸速率。由結(jié)果項(xiàng)4、5、7比較可知，采用SNACK能夠在每個(gè)RTT時(shí)間內(nèi)丟包2個(gè)以上也能夠維持較好的傳輸速率。

表1 SCPS_TP雙端代理實(shí)驗(yàn)測(cè)試

表2 SCPS_TP雙端代理限速2M測(cè)試

表2比較了SCPS_TP作為雙端代理且限速2Mbps情況下，不同擁塞算法、緩存和丟包率時(shí)的傳輸速率?？梢钥闯?，由于Vegas算法考慮了多競(jìng)爭(zhēng)擁塞，因此在單一代理的情況下，速率調(diào)節(jié)不如pure算法激進(jìn)；同時(shí)使用pure算法時(shí)，增大緩存能夠在丟包率提升時(shí)維持傳輸速率。

表3 PEPsal雙端代理實(shí)驗(yàn)測(cè)試

PEPsal雙端代理試驗(yàn)中主要比較了不同擁塞控制算法對(duì)傳輸速率的影響。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在無(wú)丟包的情況下，采用兩種不同的擁塞控制算法均可以獲得非常高傳輸速率，但當(dāng)出現(xiàn)丟包時(shí)，Vegas算法能夠獲得相比Cubic算法更好的傳輸速率。

表4 PEPsal雙端代理限速2M測(cè)試

4 雙端加速代理設(shè)計(jì)

4.1 應(yīng)用模式設(shè)計(jì)

戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署范圍廣，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)種類繁多，為了獲得良好的端到端TCP傳輸效果，需要考慮充分屏蔽異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的差異性，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行逐段優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)傳輸效率的優(yōu)化與提升。

圖5 TCP加速模塊的組織應(yīng)用模式

戰(zhàn)術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境兩方面的特性使得使用單邊代理加速優(yōu)化難以獲得良好的效果：1）網(wǎng)絡(luò)終端難以統(tǒng)一：戰(zhàn)術(shù)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中所使用的網(wǎng)絡(luò)終端種類繁多，每種終端的TCP協(xié)議配置可能存在差異；包括WindowsXP系統(tǒng)在內(nèi)的終端操作系統(tǒng)默認(rèn)僅對(duì)TCP的非擴(kuò)展協(xié)議提供支持，導(dǎo)致單邊代理無(wú)法使用TCP的協(xié)議擴(kuò)展來(lái)提高TCP傳輸效率。2）網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性導(dǎo)致一條連接通過不同類型的鏈路：由于戰(zhàn)術(shù)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用異構(gòu)組網(wǎng)的方式，一條TCP連接可能經(jīng)過多種不同類型的鏈路，單邊代理難以對(duì)多種不同類型的鏈路匹配最優(yōu)的擁塞控制算法，導(dǎo)致單邊代理無(wú)法獲得良好的加速效果。因此在戰(zhàn)術(shù)無(wú)線互連網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于不同類型鏈路采用雙端代理優(yōu)化才能獲得良好的鏈路適應(yīng)性，提高TCP傳輸效率。

將TCP加速代理嵌入至戰(zhàn)術(shù)無(wú)線信道兩側(cè)的通信設(shè)備，可以對(duì)經(jīng)過戰(zhàn)術(shù)無(wú)線信道的TCP數(shù)據(jù)流進(jìn)行加速處理。如圖5所示，在基站節(jié)點(diǎn)及接入節(jié)點(diǎn)同時(shí)部署通用無(wú)線鏈路TCP加速模塊，可以對(duì)經(jīng)過RAP接入網(wǎng)的從電臺(tái)網(wǎng)至骨干網(wǎng)的TCP數(shù)據(jù)流進(jìn)行加速。

4.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

TCP加速模塊的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖6所示。主要包含的子模塊及其功能有：

圖6 TCP加速代理軟件架構(gòu)

1）數(shù)據(jù)收發(fā)與業(yè)務(wù)識(shí)別模塊：需要不同的產(chǎn)品平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包收發(fā)接口，并識(shí)別接收數(shù)據(jù)包的協(xié)議及業(yè)務(wù)信息；對(duì)TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至TCP代理管理模塊進(jìn)行處理；對(duì)非TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包直接在數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；

2）TCP代理管理模塊：通過對(duì)接收到的TCP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析處理，對(duì)TCP數(shù)據(jù)流狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)；并依據(jù)TCP數(shù)據(jù)流狀態(tài)進(jìn)行欺騙ACK反饋、數(shù)據(jù)重傳、保活檢測(cè)等操作；

3）TCP雙端加速模塊：對(duì)需要發(fā)送的TCP數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、發(fā)送窗口限制及發(fā)送速率控制；改變傳統(tǒng)TCP依據(jù)擁塞窗口進(jìn)行發(fā)送速率控制導(dǎo)致對(duì)丟包敏感，無(wú)法高效利用無(wú)線信道帶寬的問題；

4）TCP斷鏈續(xù)傳模塊：檢測(cè)當(dāng)前TCP數(shù)據(jù)流的連接狀態(tài)，在電臺(tái)通信較長(zhǎng)時(shí)間不通暢時(shí)暫停數(shù)據(jù)傳輸；在電臺(tái)數(shù)據(jù)通信恢復(fù)時(shí)更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳；

5）多連接TCP動(dòng)態(tài)分配模塊：依據(jù)預(yù)配置信息或電臺(tái)上報(bào)帶寬信息，為經(jīng)過無(wú)線鏈路的TCP數(shù)據(jù)流進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配；同時(shí)對(duì)TCP的帶寬需求進(jìn)行感知，避免分配時(shí)浪費(fèi)帶寬；

6）公共適配模塊：通過對(duì)不同平臺(tái)系統(tǒng)調(diào)用API進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)TCP加速模塊的通用跨平臺(tái)可移植性。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)與突破

4.3.1 TCP協(xié)議分段代理技術(shù)

TCP協(xié)議通過端到端的可靠連接為端到端的數(shù)據(jù)傳輸提供保障。在戰(zhàn)術(shù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于端到端連接可能存在經(jīng)過多種網(wǎng)絡(luò)傳輸信道，如在骨干網(wǎng)采用衛(wèi)星、微波等信道，在接入網(wǎng)采用高速電臺(tái)等信道，在野戰(zhàn)指揮部采用以太網(wǎng)等信道，可能導(dǎo)致采用端到端的TCP協(xié)議無(wú)法針對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)信道環(huán)境進(jìn)行適配，傳輸效率較低。

圖7 TCP協(xié)議分段代理技術(shù)圖

TCP協(xié)議分段代理技術(shù)，打破了TCP的端到端連接，將不同的網(wǎng)絡(luò)信道分割開來(lái)，使得在不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠有針對(duì)性地對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸優(yōu)化，提高端到端的整體傳輸效率。TCP協(xié)議分段代理技術(shù)原理圖如圖7所示，其原理是：

TCP連接管理，檢測(cè)從鏈路上接收到的TCP數(shù)據(jù)報(bào)，分析其所屬的TCP連接會(huì)話，并依據(jù)會(huì)話狀態(tài)對(duì)TCP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行管理；

TCP反饋欺騙，TCP代理接收到帶負(fù)載的數(shù)據(jù)報(bào)后，發(fā)送欺騙ACK給源節(jié)點(diǎn)，并負(fù)責(zé)成功傳輸這些帶負(fù)載的數(shù)據(jù)報(bào)；

TCP代理刪除了從對(duì)端接收到的真實(shí)的ACK，防止源節(jié)點(diǎn)混淆。

使用TCP代理優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)還包括：1）逐段可靠保障：由于需要在代理兩側(cè)的網(wǎng)段上分別建立了TCP連接，因此在代理節(jié)點(diǎn)實(shí)際對(duì)TCP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行緩存，也即實(shí)現(xiàn)了TCP數(shù)據(jù)的逐段可靠保障；2）鏈路狀況隔離：一條連接所經(jīng)過的鏈路可能有不同的MTU，傳輸速率等，連接只能適配所有鏈路的最差情況，選擇最小的MTU和最低的傳輸速率；通過代理進(jìn)行TCP分段，能夠屏蔽不同鏈路的差異，選擇適合當(dāng)前鏈路配置進(jìn)行傳輸［11］。

4.3.2 基于TCP的雙端加速技術(shù)

傳統(tǒng)的TCP協(xié)議采用丟包信號(hào)作為擁塞控制窗口調(diào)整的信號(hào)，導(dǎo)致在較高丟包率的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下?lián)砣翱跓o(wú)法擴(kuò)大，導(dǎo)致傳輸速率較低。TCP雙端加速修改了傳統(tǒng)TCP協(xié)議的擁塞控制算法及確認(rèn)反饋機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)丟包時(shí)，TCP雙端加速與傳統(tǒng)TCP的窗口變化差別如圖8所示。其原理是：1）利用已配置的信息獲知當(dāng)前信道速率；2）由獲知的信道速率對(duì)TCP數(shù)據(jù)流發(fā)送速率進(jìn)行控制；3）由于能夠?qū)?jīng)過信道的所有TCP數(shù)據(jù)流進(jìn)行感知，合理分配經(jīng)過信道的各個(gè)TCP數(shù)據(jù)流的發(fā)送速率，以避免信道產(chǎn)生擁塞。

圖8 TCP的雙端加速技術(shù)圖

4.3.3 高效丟包感知與重傳技術(shù)

如圖9所示，TCP連接通過反饋ACK信息來(lái)保障傳輸?shù)睦鄯e可靠性。由于反饋的ACK只能表示已經(jīng)累積收到的TCP數(shù)據(jù)報(bào)，發(fā)送端無(wú)法從反饋的ACK中獲得足夠的丟包信息；因此在TCP的相關(guān)擴(kuò)展中增加了SACK及SNACK以在ACK反饋中包含丟包信息，以提高發(fā)送端對(duì)丟包的感知能力。但是SACK及SNACK對(duì)丟包的感知也具有一定的局限性，無(wú)法對(duì)重傳數(shù)據(jù)報(bào)的丟失進(jìn)行感知；由于在信道中所有數(shù)據(jù)報(bào)的丟失概率一致，因此在遭遇重傳數(shù)據(jù)報(bào)丟失時(shí)，采用SACK或SNACK進(jìn)行丟包反饋的TCP協(xié)議只能通過超時(shí)機(jī)制重傳丟失的數(shù)據(jù)報(bào)，導(dǎo)致傳輸速率降低。在本項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了高效丟包感知與重傳技術(shù)，能夠有效提高高丟包信道環(huán)境中的TCP傳輸速率。其原理如下：1）SNACK反饋，在反饋ACK中包含SNACK信息，向發(fā)送端反饋丟包信息；2）丟包空洞的掃描及定時(shí)觸發(fā)，在SNACK的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了對(duì)重傳數(shù)據(jù)報(bào)丟失的感知能力，使得發(fā)送端能夠更加及時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)重傳，避免進(jìn)入超時(shí)重傳階段導(dǎo)致傳輸速率降低［12］。

圖9 TCP的反饋ACK示意圖

4.3.4 多連接TCP動(dòng)態(tài)分配技術(shù)

在當(dāng)前方案中，所有經(jīng)過無(wú)線鏈路的TCP數(shù)據(jù)流均會(huì)先由TCP代理加速模塊進(jìn)行處理，因此可以在TCP代理加速模塊中為TCP數(shù)據(jù)流分配可用的無(wú)線鏈路帶寬，避免出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)擁塞。該技術(shù)效果如圖10所示。其原理是：1）全局帶寬分配：設(shè)置全局定時(shí)器定期生成可用帶寬令牌，為經(jīng)過無(wú)線鏈路的TCP數(shù)據(jù)流分配可用帶寬；2）TCP數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)管控：依據(jù)可配置的優(yōu)先級(jí)信息為不同優(yōu)先級(jí)的TCP數(shù)據(jù)流分配不同的帶寬；3）TCP帶寬需求感知：對(duì)TCP數(shù)據(jù)流的帶寬需求進(jìn)行感知，為帶寬需求低的TCP數(shù)據(jù)流少分配或不分配帶寬，避免帶寬浪費(fèi)［13］。

圖10 TCP帶寬分配技術(shù)效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)戰(zhàn)術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的具體特性，從TCP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)自身狀況等影響傳輸速率的因素分析，屏蔽異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的差異性，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行逐段優(yōu)化。通過將該設(shè)計(jì)以軟件模塊形式嵌入至產(chǎn)品運(yùn)行經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用驗(yàn)證，使用效果良好，數(shù)據(jù)傳輸性能得到有效提升。