CN102739569B - 一种用于卫星通信中的网关及其tcp性能增强的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于卫星通信中的网关及其TCP性能增强的方法，该方法包含：将位于地面的终端到宇宙空间的终端之间的整条传输路径依据传输路径特征分为若干段，所述若干段中的地面网关和空间网关之间的卫星通信链路段采用优化的TCP协议，其余若干段均采用TCP协议；其中，所述优化的TCP协议为适合在长延迟、高误码率和带宽不对称的路径上传输数据所采用的任何一种协议；所述的传输路径特征包含：延时特征、误码特征和信道对称性特征。基于该方法本发明地面网关与位于空间网关之间卫星通信链路采用SCPS-TP协议建立TP连接，进行TP数据传输；断开已经建立的TP连接。在网关的两边继续使用传统的TCP传输协议。本发明不用修改原有的设备，完全兼容TCP传输协议。

Description

一种用于卫星通信中的网关及其TCP性能增强的方法

技术领域

本发明涉及于卫星通信的技术领域中的增强TCP协议传输性能的方法，适用于基于卫星通信的TCP传输业务，具体涉及一种用于卫星通信中的网关及其TCP性能增强的方法。

背景技术

由于卫星在现代通信基础设施中发挥越来越重要的作用，卫星网与IP网的结合是当今卫星通信领域中最热门的发展趋势。但由于卫星网络所具有的长延迟、高误码率和带宽不对称等与地面网络相异的特点，使得应用于地面网络的TCP协议不能很好的运用于卫星网络中。如何提高TCP在卫星通信中的传输性能已经成为一个重要的热点。

目前的卫星通信链路中的传输层直接采用TCP协议进行端到端的数据传输将带来以下的问题：

1)长延迟的影响，TCP协议是一种基于确认的反馈机制的传输协议，通过确认信息和和重传机制来进行流量控制和可靠传输。如果在长时间内无确认信息，TCP协议就会认为数据包已经丢失，而进行重传机制。由于典型的卫星通信延时在540ms左右，这会造成TCP协议的不停的重传，引起通信链路的拥塞。

2)高误码率的影响，TCP协议中假定通信质量是良好的，误码率很低。因此在TCP协议中没有差错控制和恢复机制，这些一股是由链路层或应用层去完成。由于实际的卫星通信中有很高的误码，TCP协议又不能区分出是网络阻塞造成的数据丢失或是误码造成的数据丢失，TCP会一律认为是网络阻塞造成的，从而降低TCP的发送窗口，引起传输的带宽下降。

3)链路不对称的影响，实际的卫星通信中的带宽是不对称的，而TCP协议假定传输带宽是对称的，不对称的带宽会造成TCP传输性能的下降。

4)断续连接的影响，会引起TCP反复重启动连接、或重新传输，从而造成网络拥塞，阻碍在卫星数据传输中的应用。

基于以上原因分析，如果在卫星通信链路中采用TCP协议传输会带来很多问题。

因此，为了使现有的TCP协议传输性能增强使其更适合于卫星通信链路的的特点，目前采用的技术手段主要有以下几种：

第一种方案：针对高误码率，进行链路层进行改进，采用各种纠错编码，如前向纠错(ECC)和自动重传(ARQ)，可较好的降低误码率。但由于在链路层采用差错控制会引入数据冗余，降低带宽的使用率，而且不同的传输业务要编码方案不同，很难统一。而且需要修改用户原有的网络设备，因此这种方案在具体实现时很复杂。

第二种方案：TCP欺骗的方式，给传输源制造一个假象，使得传输源可以继续发送下一个数据包而不用等待终端的确认。主要是克服长延时对慢启动算法的影响，在链路质量比较好的网络中，可提高数据的发送率，但链路质量不好的网络不适用，特别是卫星通信网络中采用这种方式仍会受到滑动窗口大小和信道误码的影响，导致数据传输率下降。

第三种方案：对TCP协议本身进行扩展改进，如采用美国空间数据***咨询委员会专为空间通信“量身定制”了空间通信协议传输协议SCPS-TP，会引起改进的TCP协议与原有的传输协议兼容的问题，而且单单使用SCPS-TP来改进TCP传输性能会要求用户修改现有的所有网络设备，包含用户终端和网关，实现复杂，实施起来不可行。

发明内容

本发明的目的在于，为克服卫星通信链路上TCP协议的传输性能下降的问题、带宽利用率低的问题，提出一种用于卫星通信中的网关及其TCP性能增强的方法。

为实现上述目的，本发明提供一种用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，包含：将位于地面的终端到宇宙空间的终端之间的整条传输路径依据传输路径特征分为若干段，所述若干段中的地面网关和空间网关之间的卫星通信链路段采用优化的TCP协议，其余若干段均采用TCP协议。

其中，所述优化的TCP协议为适合在长延迟、高误码率和带宽不对称的路径上传输数据所采用的任何一种协议；所述的传输路径特征包含：延时特征、误码特征和信道对称性特征。延时特性，低轨卫星单向传输延时为20-25ms，中轨为110-130ms，静止轨道为250-280ms，同时还受到星间路由选择、星上处理以及缓存等因素的影响。误码特性，卫星信道的误码率大约为10-6数据级，另外各种随机因素(如星蚀和雨衰)会造成信道出现突发错误。信道不对称，由于受到天线尺寸和发射功率的限制，卫星***在前向信道和反向信道有较大的带宽不对称性。

上述技术方案中，所述地面网关和空间网关采用修改接收报文的目的IP地址和目的端口号以及发送报文的源IP地址和源端口号的方法，来建立伪传输连接，获取传输报文；其中，所述接收报文和发送报文包含：TCP报文或SCPS-TP报文。

作为一种最优的技术方案，本发明将所述地面的终端用户与位于地面网关之间设定为第一段传输路径，该段采用TCP协议；所述地面网关与位于空间的网关之间的卫星通信链路设为第二段传输路径，采用SCPS-TP协议作为优化的TCP协议；所述第二网关与位于空间的终端用户之间设为第三段传输路径，采用TCP协议。

其中，所述卫星传输路径采用SCPS-TP协议建立伪传输连接并获取传输报文的方法包含：建立连接的步骤，该步骤中所述的第二段传输路径采用SCPS-TP协议建立TP连接，并记录该连接信息；传送数据的步骤，该步骤中所述的第二段传输路径采用SCPS-TP协议进行TP数据传输；断开连接的步骤，该步骤中所述的第二段传输路径采用SCPS-TP协议断开已经建立的TP连接。

上述技术方案中，所述建立TP连接的步骤进一步包含：

步骤301：截获SYN报文的步骤，网关截获与其相连的终端发送的TCP报文，判断是否为SYN报文，如果是则进入下一步骤，如果不是则丢弃；

步骤302，存储SYN报文的步骤，对截获的SYN报文中包含的TCP连接信息进行记录存储；

步骤303：修改SYN报文的步骤，对截获的SYN报文进行地址修改，将该报文中的目的IP地址和目的端口号，修改为与发起TCP连接请求终端相连的网关的对应接口上的IP地址和服务端口号；

步骤304：所述截获SYN报文的网关或向另一与目的终端相连的网关发起SCPS-TP连接请求建立TP连接的步骤，依据步骤302记录的连接信息向连接目的终端发起SCPS-TP连接请求，与连接目的终端相连的网关之间建立TP连接；

其中，所述的两个网关分别为地面网关和空间网关。

优化的，所述步骤303之后还包含：

伪应答的步骤，用于所述的截获SYN报文的网关向连接发起终端发送连接建立的伪确认信息，完成与连接发起终端与所述的截获SYN报文的网关的TCP连接握手。

上述技术方案中，所述传输数据的步骤进一步包含：

步骤401：与数据发送终端相连的网关截获TCP报文，依据步骤302记录的连接信息，判断是否为有效的待传输的TCP数据报文，如果是则进入下一步骤，如果不是，则丢弃这个数据报文；

步骤402：修改待传输的TCP数据报文的目的IP地址和目的端口号，将目的地址和目的端口号修改为与数据发送终端相连的网关对应端口的IP地址和端口号；

步骤403：将收到的TCP数据报文转换为TP数据报文，从与数据发送终端相连的网关的另一端口向与数据报文接收终端相连的另一网关传输所述数据报文；

其中，所述的两个网关分别为地面网关和空间网关。

优化的，所述步骤402之前还包含：

判断是否存在TP连接的步骤，用于根据数据报文的目的地址和目的端口号查找记录的连接信息，判断与数据发送终端相连的网关是否有通向该目的终端和端口号的TP连接，如果有则进入所述步骤403，否则丢弃该报文。

所述步骤402之后还包含：

伪应答的步骤，用于所述的与截获数据报文的网关向数据报文发送终端发送数据已经发送到目的终端的伪确认信息。

上述技术方案中，所述断开连接的步骤进一步包含：

步骤501：截获FIN报文的步骤，网关截获断开连接发起终端发送的TCP报文，判断是否为FIN报文，如果是则进入下一步骤；

步骤502：修改FIN报文的步骤，对截获的FIN报文进行地址修改，将该报文包含的目的IP地址和目的端口号，修改为与发起TCP断开连接请求终端相连的网关的对应接口上的IP地址和服务端口号；

步骤503：所述截获FIN报文网关向已建议TP连接的另一网关发起SCPS-TP断开连接请求断开已有的TP连接的步骤，将TCP断开连接请求报文转换为SCPS-TP的FIN报文，通过与发起TCP断开连接请求终端相连的网关的另一接口向与该网关建立TP连接的另一网关发起TP断开连接的请求；

其中，所述的两个网关分别为地面网关和空间网关。

优化的，所述步骤502)之前还包含：

判断是否存在该TP连接的步骤，用于判断是否存在要断开连接的TP连接，如果有则进入所述步骤502，如果否则丢弃该FIN报文。

所述步骤503)之后还包含：

伪应答的步骤：用于向断开连接发起终端发送已经断开连接的伪确认信息。

上述技术方案中，所述的伪应答报文需修改源IP地址和源端口号为记录的目的IP地址和目的端口号。

基于以上分段的传输方法本发明还提供一种用于卫星通信中的网关，包括：用于截获TCP报文的包过滤模块和用于发送伪确认信息的伪应答模块，其特征在于，所述网关还包含：

记录模块，用于记录连接建立请求报文包含的TCP连接信息，并保存与该TCP连接一一对应建立的TP连接信息；修改模块，用于将TCP报文包含的SYN报文、FIN报文和数据报文进行目的地址和目的端口号的修改；和协议转换模块，用于将TCP连接请求转换为SCPS-TP的连接请求建立TP连接，用于将待传输的TCP数据报文转换为TP数据报文进行传输，用于将TCP断开连接的FIN报文转换为TP断开连接的请求断开已经建立的TP连接，或进行相反的协议转换。

优化的，所述网关还包含两个缓存，其中一个用于存放接收到的TCP数据报文，另一个用于存放待转换为TP报文的数据。

本发明的优点在于：

1)采用协议变换的技术，将传统的TCP协议变换为适合于卫星通信链路连接的传输协议(如SCPS-TP协议)，由协议转换网关进行透明的协议的转换。由于在两端仍采用传统的TCP协议，因此可以不必修改应用两端的原有设备，降低技术和成本风险，有利于将来应用的推广。

2)采用伪应答的方式来伪装成目的终端，使得传输数据源可以继续发送下一个数据包而不用等待目的终端的确认，提高TCP传输数据源的发送速率。

3)通过TCP分段技术克服了由于端到端全程采用SCPS-TP协议导致的工作量大等问题使该协议在具体实施时不可行的问题。采用在中间端采用SCPS-TP协议来增强TCP传输性能，可以有效的利用SCPS-TP协议的优点，充分利用卫星信道，提高传输的数据吞吐量和链路利用率。

4)本发明的网关两端完全兼容原有的TCP协议，不需要修改已有的网络设备。

附图说明

图1本发明的工作环境示意图；

图2是本发明的一种用于卫星通信中的网关及其TCP性能增强的方法包含的建立连接的步骤进一步包含的所有步骤的流程图；

图3是本发明的一种用于卫星通信中的网关及其TCP性能增强的方法包含的数据传输的步骤进一步包含的所有步骤的流程图；

图4是本发明的一种用于卫星通信中的网关及其TCP性能增强的方法包含的断开连接的步骤进一步包含的所有步骤的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

参照原理图1，卫星通信链路指地面站与通讯卫星(或空间站)之间的通信链路；假设位于地面的终端和空间的终端分别为第一终端和第二终端，与第一终端连接的网关和与第二终端相连的网关分别为第一网关和第二网关。第一终端和第一网关之间为第一段传输路径该路径传输层采用TCP传输协议，对应实际工作环境中的地面站上的终端和网关或通讯卫星(或空间站)上的终端和网关之间的传输路径；第一网关和第二网关之间的路径为第二传输路径，对应实际环境的地面站和通讯卫星(或空间站)之间的卫星通信信道；第二网关与第二终端之间的路径为第三传输路径，对应与第一传输路径相反的传输路径，即如果第一传输路径包含的终端和网关位于地面站则该处的终端和网关位于通信卫星(或空间站)上，若第一传输路径两端的终端和网关位于通信卫星(或空间站)上则该处的第二终端和第二网关位于地面站。在第二传输路径，以SCPS-TP协议或STP(Satellite Transport Protocol)协议为例说明。具体实施步骤如下：

①建立连接。

当第一终端向第二终端发起TCP连接请求，经过第一网关时，网关1通过包过滤模块在路由判断前截获SYN报文，对截获的SYN报文，记录TCP连接信息(连接的源IP地址和源端口号，及目的IP地址和目的端口号)。记录后，修改SYN报文的目的IP地址和目的端口号，修改为第一网关的接口A上的IP地址和服务端口号。把SYN包转发到第一网关上的协议转换服务程序上。由协议转换服务程序完成与第一终端的连接握手。然后由协议转换服务程序向记录的目的IP地址和目的端口号，即第二终端的IP地址和端口号，通过接口B发起SCPS-TP连接请求(或STP连接请求)。

当SCPS-TP连接请求(或STP连接请求)经过第二网关时，第二网关的包过滤模块截获SCPS-TP的SYN报文(或STP连接请求报文)，并记录SCPS-TP连接信息(或STP连接请求信息)，包括源IP地址和源端口号，以及目IP地址和目的端口号。记录后，修改SCPS-TP的SYN报文(或STP连接请求报文)的目的IP地址和目的端口号，修改为第二网关的接口B上的IP地址和服务端口号，把SCPS-TP的SYN报文(或STP连接请求报文)转发到第二网关上的协议转换服务程序上，由协议转换程序完成与网关2的握手。然后由协议转换程序向记录的目的IP地址和目的端口号，即第二终端的IP地址和端口号，通过接口A发起TCP连接请求。

②数据传输。

第一网关通过包过滤模块收到第一终端发送的TCP数据报文后，判断是否存在连接请求记录，不存在则丢弃。存在，则修改TCP数据报文的目的IP地址和目的端口号，修改为第一网关上的A端口的IP地址和服务端口号，并对收到时的TCP数据报文进行伪应答，让第一终端认为TCP数据报已经发送到第二终端上。然后，第一网关的协议转换程序把收到的TCP数据报文转换为SCPS-TP的数据报文(或STP数据报文)，通过B端口向第二终端发送。

第二网关通过包过虑模块收到第一网关发送的SCPS-TP数据报文(或STP数据报文)后，对SCPS-TP数据报文(或STP数据报文)的目的IP地址和目的端口号进行修改，修改为第二网关的B端口的IP地址和服务端口号，并对收到时的SCPS-TP数据报文(或STP数据报文)进行伪应答，让第一网关认为SCPS-TP数据报(或STP数据报文)已经发送到第二终端上。第二网关的协议转换程序把收到的SCPS-TP数据报文(或STP数据报文)转换为TCP的数据报文，通过接口A向第二终端发送。

③断开连接

第一终端向第二终端发送断开TCP连接请求，经过第一网关时，第一网关通过包过滤模块截获TCP的FIN报文，判断是否存在连接请求记录，不存在则丢弃。存在，则对TCP的FIN报文的目的IP地址和目的端口号进行修改，修改到第一网关的A端口的IP地址和服务端口号，再由协议转换程序转换为SCPS-TP的FIN报文(或STP的断开请求)，通过接口B向第二终端发起断开连接请求。

第二网关收到由第一网关发送的SCPS-TP的FIN报文(或STP的断开请求)后，对SCPS-TP的FIN报文(或STP的断开请求)的目的IP地址和目的端口号进行修改，修改为第二网关的B端口的IP地址和服务端口号，再由第二网关的协议转换程序转换为TCP的FIN报文，通过接口A向第二终端发起断开连接请求。

其中，以上描述的第一网关和第二网关的功能对等，即建立连接的步骤，传输数据的步骤及断开连接的步骤可以由第二终端经第二网关发起，具体工作流程如上。

图2、图3、图4是本发明的工作流程图。由于第一网关与第二网关的功能是对称的。流程图主要以其中一个网关为例说明，且以卫星通信链路段采用SCPS-TP协议为例。

图2的流程图中，包过滤是对输入的网络数据包进行过滤，获取TCP的报文。报文获取后，判断是否是TCP的SYN报文。连接信息管理中记录连接信息(源地址和端口号、目的地址和端口号)。地址修改完成目的地址和端口号的修改。伪应答对接收的报文进行应答。建立SCPS-TP连接，向连接信息管理中记录的目的地址和端口号发起TP连接请求。

图3的流程图中，包过滤是对输入的网络数据包进行过滤，获取TCP的报文。报文获取后，判断是否是TCP的数据报文。输入数据链和输出数据链是两个内部缓存，用于缓存报文，提高数据传输的性能。判断连接信息管理中是否存在连接信息，没有则丢弃，有则做进一步的处理。地址修改完成目的地址和端口号的修改。伪应答对接收的报文进行应答。最后转换为SCPS-TP报文进行数据传输。

图4的流程图中，包过滤是对输入的网络数据包进行过滤，获取TCP的报文。报文获取后，判断是否是TCP的FIN报文。判断连接信息管理中是否存在连接信息，没有则丢弃，有则做进一步的处理。地址修改完成目的地址和端口号的修改。伪应答对接收的报文进行应答。最后转换为SCPS-TP的FIN进行数据传输。

需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，包含：

将位于地面的终端到宇宙空间的终端之间的整条传输路径依据传输路径特征分为若干段，所述若干段中的地面网关和空间网关之间的卫星通信链路段采用优化的TCP协议，其余若干段均采用TCP协议；

其中，所述优化的TCP协议为适合在长延迟、高误码率和带宽不对称的路径上传输数据所采用的任何一种协议；所述的传输路径特征包含：延时特征、误码特征和信道对称性特征；

所述地面的终端用户与位于地面网关之间设定为第一段传输路径，该段采用TCP协议；所述地面网关与位于空间的网关之间的卫星通信链路设为第二段传输路径，采用SCPS-TP协议作为优化的TCP协议；空间网关与位于空间的终端用户之间设为第三段传输路径，采用TCP协议，

其中，所述采用SCPS-TP协议建立伪传输连接并获取传输报文的方法包含：

建立连接的步骤，该步骤中所述的第二段传输路径采用SCPS-TP协议建立TP连接，并记录该连接信息；

传送数据的步骤，该步骤中所述的第二段传输路径采用SCPS-TP协议进行TP数据传输；

断开连接的步骤，该步骤中所述的第二段传输路径采用SCPS-TP协议断开已经建立的TP连接；

所述建立TP连接的步骤进一步包含：

步骤301：截获SYN报文的步骤，网关截获与其相连的终端发送的TCP报文，判断是否为SYN报文，如果是则进入下一步骤，如果不是则丢弃；

步骤302，存储SYN报文的步骤，对截获的SYN报文中包含的TCP连接信息进行记录存储；

步骤303：修改SYN报文的步骤，对截获的SYN报文进行地址修改，将该报文中的目的IP地址和目的端口号，修改为与发起TCP连接请求终端相连的网关的对应接口上的IP地址和服务端口号；

步骤304：所述截获SYN报文的网关或向另一与目的终端相连的网关发起SCPS-TP连接请求建立TP连接的步骤，依据步骤302记录的连接信息向连接目的终端发起SCPS-TP连接请求，与连接目的终端相连的网关之间建立TP连接

其中，两个网关分别为地面网关和空间网关。

2.根据权利要求1所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述地面网关和空间网关采用修改接收报文的目的IP地址和目的端口号以及发送报文的源IP地址和源端口号的方法，来建立伪传输连接，获取传输报文；

其中，所述接收报文和发送报文包含：TCP报文或SCPS-TP报文。

3.根据权利要求1所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述步骤303之后还包含：

伪应答的步骤，用于所述的截获SYN报文的网关向连接发起终端发送连接建立的伪确认信息，完成与连接发起终端与所述的截获SYN报文的网关的TCP连接握手。

4.根据权利要求1所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述传输数据的步骤进一步包含：

步骤401：与数据发送终端相连的网关截获TCP报文，依据步骤302记录的连接信息，判断是否为有效的待传输的TCP数据报文，如果是则进入下一步骤，如果不是，则丢弃这个数据报文；

步骤402：修改待传输的TCP数据报文的目的IP地址和目的端口号，将目的地址和目的端口号修改为与数据发送终端相连的网关对应端口的IP地址和端口号；

步骤403：将收到的TCP数据报文转换为TP数据报文，从与数据发送终端相连的网关的另一端口向与数据报文接收终端相连的另一网关传输所述数据报文；

其中，两个网关分别为地面网关和空间网关。

5.根据权利要求4所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述步骤402之前还包含：

判断是否存在TP连接的步骤，用于根据数据报文的目的地址和目的端口号查找记录的连接信息，判断与数据发送终端相连的网关是否有通向该目的终端和端口号的TP连接，如果有则进入所述步骤403，否则丢弃该报文。

6.根据权利要求4所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述步骤402之后还包含：

伪应答的步骤，用于所述的截获TCP报文的网关向数据报文发送终端发送数据已经发送到目的终端的伪确认信息。

7.根据权利要求1所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述断开连接的步骤进一步包含：

步骤501：截获FIN报文的步骤，网关截获断开连接发起终端发送的TCP报文，判断是否为FIN报文，如果是则进入下一步骤；

步骤502：修改FIN报文的步骤，对截获的FIN报文进行地址修改，将该报文包含的目的IP地址和目的端口号，修改为与发起TCP断开连接请求终端相连的网关的对应接口上的IP地址和服务端口号；

步骤503：所述截获FIN报文网关向已建立TP连接的另一网关发起SCPS-TP断开连接请求断开已有的TP连接的步骤，将TCP断开连接请求报文转换为SCPS-TP的FIN报文，通过与发起TCP断开连接请求终端相连的网关的另一接口向与该网关建立TP连接的另一网关发起TP断开连接的请求；

其中，两个网关分别为地面网关和空间网关。

8.根据权利要求7所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述步骤502之前还包含：

判断是否存在该TP连接的步骤，用于判断是否存在要断开连接的TP连接，如果有则进入所述步骤502，如果否则丢弃该FIN报文。

9.根据权利要求7所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述步骤503之后还包含：

伪应答的步骤：用于向断开连接发起终端发送已经断开连接的伪确认信息。

10.根据权利要求3、6或9所述的用于卫星通信中的网关TCP性能增强的方法，其特征在于，所述的伪应答报文需修改源IP地址和源端口号为记录的目的IP地址和目的端口号。