CN104618007A - 一种同步卫星tcp协议分段连接优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法。在发送端与接收端两侧分别设立卫星协议网关，将TCP连接分为发送端—地面链路—协议网关、协议网关—卫星链路—协议网关、协议网关—地面链路—接收端三部分。其中地面链路采用TCP标准协议，卫星链路采用专属TCP协议。专属TCP协议采用TCP协议ACK欺骗、数据包差错控制、反向链路带宽控制实现TCP连接优化并对地面链路TCP协议透明。本发明充分考虑了卫星链路长时延、高误码率及信道带宽不对称的特点，设立协议网关使卫星链路专属TCP协议对地面TCP协议透明，减少硬件改造成本，提高卫星通信***的带宽利用率，减少卫星链路对TCP协议的不利影响。

Description

一种同步卫星TCP协议分段连接优化方法

技术领域

本发明涉及空间通信技术领域，尤其涉及一种同步卫星TCP协议分段连接优化方法。

背景技术

卫星通信是指利用卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球地面站之间进行通信。利用卫星通信作为中继传输媒体具有以下的优势：卫星通信的波束覆盖范围广，通信距离远；通信性能稳定、可靠；***建设迅速、简便。

互联网技术及相关产业目前正处于迅猛发展的态势，随着终端用户数量的急剧增加，新兴业务的不断涌现，以及互联网产业覆盖范围的迅速扩大，互联网技术及产业的发展正面临新的机遇和挑战。

在互联网数据传输技术中广泛应用的TCP协议(TransmissionControl Protocol传输控制协议)，是面向连接的传输层协议，向上层应用提供可靠、稳定的数据传输。在卫星通信***中使用TCP协议可以解决现有互联网发展过程中遇到的问题，同时减少用户地面站接入的软、硬件改造成本，使卫星通信***与地面通信***具有更好的兼容性。因此利用卫星通信***承载互联网技术具有很大的优势，但设计和实现基于卫星的互联网网络技术面临许多挑战，其中主要的问题就是TCP协议的应用问题。TCP协议的设计初衷是在有线信道上提供稳定、可靠的服务，而卫星信道具有长时延(同步卫星往返时延约500ms)、高误码率(约10^-3)及信道不对称(下行带宽远大于上行带宽)等特性，如果将TCP协议直接应用于卫星通信，将会很大程度上限制TCP协议的性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，以提高卫星通信***中TCP协议的性能。

一种同步卫星TCP协议分段连接优化方法，具体包括：

S1、同步卫星通信***的发送端—发送网关，发送网关—接收网关，接收网关—接收端之间采用三次握手机制分别建立TCP连接；

S2、建立TCP连接后，地面链路部分(发送端—发送网关、接收网关—接收端)采用标准TCP协议传输数据。卫星链路部分(发送网关—接收网关)的协议网关对接收到的数据报文进行处理并基于卫星链路专有TCP协议进行数据发送与接收；

S3、数据传输结束后，步骤S1所述的已建立TCP连接的三部分分别释放TCP连接，等待下一次发送端发出TCP连接请求。

进一步地，所述TCP连接建立、传输及释放阶段，卫星中继转发器均采用透明转发方式，以节省星上资源。

进一步地，同步卫星通信***针对通信信道参数不同将不同物理链路分割成不同的传输段，包括发送端—发送网关、发送网关—卫星中继转发—接收网关、接收网关—接收端三部分。

进一步地，所述三次握手建立TCP阶段，发送网关、卫星中继转发、接收网关对报文数据不作处理，采用透明转发报文的方式，以增强连接的稳定性。

进一步地，在协议网关将接收到的数据报文去掉头部，加上卫星链路TCP专属协议的报文头部，目的是压缩头部，提高数据包在卫星链路上的传输效率。

进一步地，在所述协议网关设立数据缓存区，将发送端或接收端的TCP数据包存储到缓存区中，确保数据在未确认之前保留副本，以备重传。

进一步地，卫星链路专有TCP协议针对卫星链路长时延、高误码率及不对称带宽特性作出大幅度优化改进，包括欺骗ACK、数据包差错控制、反向链路带宽控制等。

进一步地，所述ACK欺骗方式包括：考虑到在一定周期T内，可以认为卫星信道参数保持恒定。在一定时间周期T内，发送端协议网关在接收到数据报文后，向接收端协议网关发送信道探测报文，在预定时间内收到反馈可证明信道状态良好，则向发送端发送ACK信号，同时在周期T内发送端协议网关在接收到数据报文后直接向发送端主机发送ACK确认信息，以提高传输效率；若在预定时间内未收到反馈信息，则认为当前卫星信道状态不佳，应减慢TCP数据报文的传输，避免进一步恶化信道。

进一步地，所述卫星链路在发收两端间为单跳链路，链路中不存在拥塞，故数据在卫星链路上必按顺序传输，不会失序。

进一步地，所述数据包差错控制方法包括卫星协议网关提供一种否定重传机制(NACK)，如果接收协议网关收到的数据包分组号之间出现间隔，则可以认定数据包的丢失是由误码而不是拥塞引发的，接收协议网关可以立即发送NACK，请求重传丢失的报文。

进一步地，所述反向链路带宽控制包括在接收协议网关设计一种定时确认机制，在接收协议网关接收到一定数量的ACK报文后向发送协议网关发送自己的ACK报文，使发送网关清除已确认数据包，释放缓存。降低反向卫星链路ACK报文速率。

进一步地，所述TCP传输数据结束释放连接阶段，发送网关、卫星中继转发、接收网关对报文数据不作处理，采用透明转发的方式，以增强连接的稳定性，确保连接及时释放。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种同步卫星TCP协议分段连接优化方法，通过在卫星接收端、发送端两侧地面站设立协议网关，将TCP协议分段连接，地面收发端与协议网关采用地面TCP协议进行通信，协议网关之间采用卫星链路专属TCP协议进行通信。专属TCP协议采用类UDP协议(User Datagram Protocol,用户数据包协议)的报文格式，以提高通信数据在有限带宽的卫星链路中的传输效率。同时，专属TCP协议针对卫星链路长时延、高误码率及不对称带宽特性做出优化改进，包括：欺骗ACK、数据包差错控制、反向链路带宽控制。TCP连接的建立和释放阶段协议网关不对数据包进行更改，采取透明转发的方式以增强连接稳定性；为节省星上资源，卫星中继全程采用透明转发的方式。因此，本发明提供的TCP协议分段连接优化方法通过在收发两端设立协议网关将通信链路分成地面链路和卫星链路两部分，并针对卫星链路特性对TCP协议进行大幅度改进优化，同时在数据传输过程中考虑卫星信道状态，减小用户接收到的数据的误码率，综合提升卫星通信***通信质量，提升***性能。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为本发明所述卫星TCP协议网关协议结构示意图；

图3为本发明所述欺骗ACK方式流程示意图；

图4为本发明所述反向链路带宽控制结构示意图；

图5为本发明实施例中的同步卫星TCP协议分段连接优化***场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所述同步卫星TCP协议分段连接优化方法，步骤流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、同步卫星通信***的发送端—发送网关，发送网关—接收网关，接收网关—接收端之间采用三次握手机制分别建立TCP连接。卫星TCP协议网关协议结构示意图如图2所示。

步骤S2、建立TCP连接后，地面链路部分(发送端—发送网关、接收网关—接收端)采用标准TCP协议传输数据。卫星链路部分(发送网关—接收网关)的协议网关对接收到的数据报文进行处理并基于卫星链路专有TCP协议进行数据发送与接收。

步骤S3、数据传输结束后，步骤S1所述的已建立TCP连接的三部分分别释放TCP连接，等待下一次发送端发出TCP连接请求。

通过上述步骤，地面收发端与协议网关采用地面标准TCP协议进行通信，协议网关之间采用卫星链路专属TCP协议进行通信。专属TCP协议采用类UDP协议的报文格式，以提高通信数据在有限带宽的卫星链路中的传输效率。同时，专属TCP协议针对卫星链路长时延、高误码率及不对称带宽特性做出优化改进，包括：欺骗ACK、数据包差错控制、反向链路带宽控制。TCP连接的建立和释放阶段协议网关不对数据包进行更改，采取透明转发的方式以增强连接稳定性；为节省星上资源。卫星中继全程采用透明转发的方式。因此，本发明提供的TCP协议分段连接优化方法通过在收发两端设立协议网关将通信链路分成地面链路和卫星链路两部分，并针对卫星链路特性对TCP协议进行大幅度改进优化，同时在数据传输过程中考虑卫星信道状态，减小用户接收到的数据的误码率，综合提升卫星通信***通信质量，提升***性能。

优选地，由于地面发收端分别与地面站协议网关通信，并不直接与卫星中继转发接触，使卫星中继对地面收发端透明，减少了地面链路改造成本，同时协议网关之间采用专属TCP协议通信，可以进一步提高传输效率。

卫星链路专属TCP协议就是在通过探测报文检测出当前信道状况后，通过在发端协议网关对数据报文头部进行压缩，以提高卫星链路上数据报文的传输效率，同时根据卫星信道状况调整数据报文传输方式，正确区分丢失数据报文的原因，可以避免进一步恶化信道，提高***带宽利用率。

卫星链路专属TCP协议还包括：欺骗ACK，数据包差错控制，反向链路带宽控制等。

欺骗ACK方式流程示意图如图3所示。ACK欺骗方式包括：在一定时间周期T内，发送端协议网关在接收到数据报文后，向接收端协议网关发送信道探测报文，在预定时间内收到反馈可证明信道状态良好，则向发送端发送ACK信号，同时在周期T内发送端协议网关在接收到数据报文后直接向发送端主机发送ACK确认信息，以提高传输效率；若在预定时间内未收到反馈信息，则认为当前卫星信道状态不佳，应减慢TCP数据报文的传输，避免进一步恶化信道。

本方法中卫星链路为单跳链路，链路中不存在拥塞，数据报文在链路上必定按照顺序传输，不会失序。协议网关在该条件下在数据包差错控制方法中提出一种否定重传机制，如果接收协议网关收到的数据包分组号之间出现间隔，则接收协议网关可以立即发送NACK，请求重传丢失的报文。

反向链路带宽控制结构示意图如图4所示。反向链路带宽控制包括：在接收协议网关设计一种定时确认机制，在接收协议网关接收到一定数量的ACK报文后向发送协议网关发送自己的ACK报文，使发送网关清除已确认数据包，释放缓存。降低反向卫星链路ACK报文速率。减少不对称带宽对TCP协议的影响，提供数据传输效率。

下面给出本发明的一个实施例。

本实施例提供了一种同步卫星TCP协议分段连接优化***，该***的场景组成示意图如图5所示，包括：发送端、发送端协议网关、卫星中继、接收端协议网关和接收端。

发送端需要与接收端经过卫星进行通信时，在发送端和接收端分别搭设协议网关。同步卫星通信***的发送端—发送网关，发送网关—接收网关，接收网关—接收端之间采用三次握手机制建立TCP连接。发送网关与接收网关对连接数据采用透明转发方式，不进行数据处理，以增强连接的稳定性。本实施列设定周期为N，探测周期为t。在进入该周期后，发送端协议网关发送ACK探测信号，如果在探测周期t内接收到ACK信号，则认为该周期N内信道环境良好。发送端发送数据报文，发送端协议网关发送ACK信号，令N＝N-1。如果在时间t内接收不到ACK应答信号，则减慢发端发送速率进入慢启动方式发送数据报文，并N＝N-1。发端发送完一个数据报文后，接收端检测收到分组数据包号是否出现间隔。如果无间隔，则以欺骗ACK的方式按上述方式发送下一个数据报文直到N＝0。如果出现间隔，则发送NACK，重传丢失报文。当N＝0时，该周期结束，收端协议网关向发端协议网关发送自拟ACK报文，并检测数据传输是否结束。如果没有结束，则进入下一个周期按上述过程继续进行数据传输。如果数据传输结束则收发两端释放TCP连接，结束数据传输过程。

本实施例提供了一种同步卫星TCP协议分段连接优化方法，通过在卫星接收端、发送端两侧地面站设立协议网关，将TCP协议分段连接，地面收发端与协议网关采用地面TCP协议进行通信，协议网关之间采用卫星链路专属TCP协议进行通信。专属TCP协议采用类UDP协议(User Datagram Protocol,用户数据包协议)的报文格式，以提高通信数据在有限带宽的卫星链路中的传输效率。同时，专属TCP协议针对卫星链路长时延、高误码率及不对称带宽特性做出优化改进，包括：欺骗ACK、数据包差错控制、反向链路带宽控制。TCP连接的建立和释放阶段协议网关不对数据包进行更改，采取透明转发的方式以增强连接稳定性；为节省星上资源。卫星中继全程采用透明转发的方式。因此，本发明提供的TCP协议分段连接优化方法通过在收发两端设立协议网关将通信链路分成地面链路和卫星链路两部分，并针对卫星链路特性对TCP协议进行大幅度改进优化，同时在数据传输过程中考虑卫星信道状态，减小用户接收到的数据的误码率，综合提升卫星通信***通信质量，提升***性能。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，所述方法具体包括：

S1、同步卫星通信***的发送端—发送网关，发送网关—接收网关，接收网关—接收端之间采用三次握手机制分别建立TCP连接；

S2、建立TCP连接后，地面链路部分的发送端—发送网关、接收网关—接收端采用标准TCP协议传输数据。卫星链路部分发送网关—接收网关的协议网关对接收到的数据报文进行处理，并基于卫星链路专有TCP协议进行数据发送与接收；

S3、数据传输结束后，步骤S1所述已建立TCP连接的三部分释放TCP连接，等待下一次发送端发出TCP连接请求。

2.根据权利要求1所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，所述TCP连接建立阶段，发送网关与接收网关对连接数据均采用透明转发方式，不进行数据处理，以增强连接的稳定性；卫星中继全程采用透明转发的方式，以节省星上资源。

3.根据权利要求1所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，所述协议网关对数据处理的过程包括数据缓存区管理，去掉标准TCP协议数据包报文头部，加上卫星链路专属TCP协议数据包报文头部，以压缩头部提高数据包在卫星链路上的传输效率。

4.根据权利要求3所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，在所述协议网关设立数据缓存区，将发送端或接收端的TCP数据包存储到缓存区中，确保数据在未确认之前保留副本，以备重传。

5.根据权利要求1所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，所述卫星链路专有TCP协议包括：欺骗ACK、数据包差错控制、反向链路带宽控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，所述欺骗ACK方法包括：在一定周期T内认为卫星信道参数保持恒定；建立TCP连接后，发端协议网关向收端协议网关发送探测报文；如果发端协议网关在预设时限内收到反馈确认报文，认为在该周期内卫星信道良好，适宜发送TCP数据报文；在周期T内，卫星发端协议网关收到发送端发送的数据包后，直接向发送端发送ACK确认信息；发送端在收到ACK确认信息后，认为之前发送的数据包已经到达接收端主机，继续发送数据。

7.根据权利要求5所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，所述欺骗ACK方法包括：进入所述周期T后，如果发端协议网关在预设时限内未收到反馈确认报文，采用标准TCP确认机制，发端协议网关每接收到一个ACK信号后发送下一数据报文。

8.根据权利要求5所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，所述数据包差错控制方法包括：卫星协议网关提供一种否定重传机制NACK，数据收发端之间只有一条卫星链路，数据包在链路上的传输不会失序；如果接收协议网关收到的数据包分组号之间出现间隔，说明数据包的丢失是由误码而不是拥塞引发的，接收协议网关立即发送NACK，请求重传丢失的报文。

9.根据权利要求5所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，所述反向链路带宽控制方法包括：在接收协议网关设计一种定时确认机制，在接收协议网关接收到一定数量的ACK报文后，向发送协议网关发送卫星链路专属TCP协议下的ACK报文，使发送网关清除已确认数据包，释放缓存。

10.根据权利要求1所述的一种基于分段连接机制的同步卫星TCP协议优化方法，其特征在于，步骤S3所述TCP连接的释放采用标准方式，发送网关与接收网关对数据采用透明转发方式，不进行任何数据处理。