我国自主宽带卫星通信系统通信加速技术的设计和应用
我国自主宽带卫星通信系统通信加速技术的设
计和应用
摘要：卫星网与 IP 网的结合是当今卫星通信领域最热门的话题之一。由于卫星信道具有高误
码率、长时延以及上下行链路的非对称性等，导致卫星 IP 网络通信效率的降低。在简要介绍
了目前主流的 TCP 加速技术的基础上，重点研究海事卫星第四代通信网络系统以及海事四代系
统采用的通信加速方案，并应用国产 BGAN 终端进行了 TCP 通信性能实验和验证。实验结果
表明，使用 TCP 加速算法能大大提高卫星通信效率。该研究结果为我国自主宽带卫星通信系统
通信加速技术的设计和应用提供了参考。
关键词：TCP; Inmarsat; TCP 加速； TCP PEP;
Abstract:The combination of satellite network with IP network is one of the most popular topics in the
field of satellite communication, and the satellite channel has characteristics of high error rate, long
delay and uplink/downlink asymmetry, which lead to the decrease of IP satellite network
communication efficiency. This paper briefly introduces the current mainstream TCP acceleration
technology, and the research is focused on the communication acceleration program adopted by the 4
th-generation maritime satellite communication network system and maritime 4 th-generation system.
The domestic BGAN terminal is applied to TCP communication performance test and verification, and
the experimental results indicate that the TCP acceleration algorithm can improve satellite
communication efficiency, the research results can provide certain reference for China's design and
application of independent broadband satellite communication system acceleration technology.
Keyword:TCP; Inmarsat; TCP accelerator; TCP PEP;
0 引言
近年来，随着卫星通信技术和 Internet 网络技术的飞速发展，卫星网与 IP 网的结合成为当今卫
星通信领域最热门的话题之一。由于 TCP 协议主要是针对低误码率、短时延地面网络设计的，
采用应答确认、慢启动和重传等机制，能够较好地适应地面网络环境。然而，在中低速的卫星
链路上进行数据业务的 TCP 传输时，由于卫星信道具有误码率高、时延长以及收发信道非对称
性等特点，导致 TCP 协议运行效率的降低，特别是卫星信道长时延的特点对 TCP 协议性能的
影响最为明显，它将导致卫星信道利用率非常低，无法充分利用卫星信道的有效带宽。如何在
兼容现有卫星通信系统的情况下充分发挥 TCP/IP 协议在卫星通信网络中的优势，以期最大限
度地发挥系统性能已经成为卫星通信系统中急需解决的问题。
Inmarsat 卫星系统是目前国际上应用最广的卫星通信系统，是全球业务发展最快、技术最先
进、可靠性最高的卫星移动通信系统，全面提供海事、航空、陆地移动卫星通信和信息服
务。Inmarsat 卫星通信系统目前已发展到第五代，海事卫星从第四代 BGAN 系统开始基于 IP 技
术传输，海事卫星第四代宽带通信按 3GPP 技术体制设计，实现了强大的 IP 数据交换功能，海
事卫星第四代卫星系统是 IP 技术与卫星通信技术结合的典范。本文将重点研究 TCP 通信加速
技术以及 TCP 通信加速技术在海事卫星系统的应用，并应用国产 BGAN 终端进行了实验和验
证。实验结果表明，使用 TCP 加速算法，卫星通信效率大大提高。
1 TCP 通信加速关键技术
目前主流的 TCP 通信加速关键技术主要可以分为以下三类：底层解决方案、端到端解决方案和
分割 TCP 连接解决方案。
1.1 底层解决方案
底层解决方案采用一种对传输层透明的方法，在底层链路中进行检测和纠错，不用触发 TCP 协
议中的丢失恢复机制，减少了相应数据的丢失。
现有差错控制技术主要分为前向纠错（Forward Error Correction,FEC）技术和自动重传请求
（Automatic Repeat-reQuest,ARQ）协议。在 ARQ 中，采用接收方请求发送方重传出错的数据
报文来恢复出错的报文，接收方通过 CRC 校验判断数据报文是否出错。在 FEC 中，通过连同
数据发送冗余信息进行错误恢复，使数据接收端能够检测和纠正错误。对于 TCP 机制，卫星信
道固有的高误码率、长时延特性会降低 ARQ 差错控制机制的性能：因出错被丢弃的数据再次
传输增加了卫星信道带宽资源的消耗，发送端将数据被丢弃理解为网络拥塞导致传输速率降
低，反向链路上的确认报文丢失会导致已成功接收到的报文超时重传。因此，具有高冗余度的
FEC 方法能够减少数据重传次数，提高卫星信道资源利用率，在卫星通信系统中得到了广泛的
使用。
1.2 端到端的解决方案
现有端到端的解决方案，主要有以下几种方法：
（1）增大初始窗口。TCP 慢启动算法中初始窗口很小，使慢启动时间较长。一种缩短慢启动
所需时间的有效方法是在慢启动时采用一个较大的拥塞窗口（cwnd）初始值，以便发送端在第
一个往返时间内可以发送更多的报文段，触发更多的确认报文，使得拥塞窗口（cwnd）的增加
更快，从而提高慢启动阶段的网络带宽利用率。
（2）字节计数。字节计数是一种 TCP 确认计算方式。在标准 TCP 确认计算方式中，发送端每
接收到一个确认（ACK）报文，拥塞窗口（cwnd）就会以最大报文段长度为单位加1;在字节计
数方式中，拥塞窗口（cwnd）的增加数量是由确认（ACK）报文所覆盖的此前未确认的字节
数目决定的。通常情况下确认（ACK）报文所覆盖的未确认的字节数远大于确认（ACK）报文
数，这就使得字节计数方式中拥塞窗口（cwnd）增加速度更快，慢启动所需时间相应减少。
（3）慢启动后的延时确认。延时确认方式中，接收端不会对每一个接收到的 TCP 数据报文进
行确认，而是在收到第二个完整的报文时才发送确认。在慢启动过程中TCP 发送端根据接收到
的确认（ACK）数目来增加拥塞窗口（cwnd），延时确认将接收端发出的确认（ACK）数减
少了一半，因此发送端拥塞窗口（cwnd）大小增加的速度也相应降低了。慢启动后的延时确认
技术，就是在慢启动过程中不使用延时确认，慢启动后才使用延时确认，这样在TCP 连接需要
通过增加拥塞窗口（cwnd）大小加速时提供了足够多的确认（ACK）减少了慢启动时间，而
在慢启动后TCP 连接稳定时减少确认（ACK）数目以节约网络资源。
（4）选择确认。TCP 协议中的累积确认对接收到的报文是这样处理的：如果接收到的报文位
于接收窗口的最左边，则予以确认，如果不位于接收窗口的最左边，则不予确认。卫星信道的
误码率比地面信道高，发生多个报文丢失的概率更大，将使 TCP 连接丢失基于确认的时钟，从
而降低 TCP 性能。选择确认是一种纠正发生多个报文丢失时的 TCP 处理技术，接收端通过告
诉发送端所有成功接收的数据序列号，可以使发送端只需重传那些确实丢失了的数据，从而提
高TCP 传输的性能。
（5）显式拥塞通告（Explicit Congestion Notification,ECN）。在检测到网络拥塞时，显式拥塞
通告机制把IP 包头中定义的1 bit ECN 设置为1来通知终端节点网络出现拥塞。收到拥塞通告
后，终端节点相应地减少其传输速率，因此可以避免 TCP 连接出现严重的拥塞现象，减少大量
不必要的报文丢失重传。
1.3 分割 TCP 连接的解决方案
分割 TCP 连接是在网关处对具有高度不同特性的链路或链路群进行分离，该方法增加了网络实
现的复杂性，但却简化了用户终端和服务器使用的协议，目前主要有以下几种方法：
（1）TCP 欺骗（spoofing）。TCP 欺骗技术主要用来解决卫星链路的长时延特点引起的发送端
TCP 慢启动时间较长的问题。TCP 欺骗的工作原理是在卫星网络中引入一个分割 TCP 连接的
网关，将长时延链路分离出来。在 TCP 报文从源端发送出去后，目的端还没有收到数据和返回
确认（ACK）报文之前，网关作为虚拟的目的端立即在本地网络产生一个欺骗确认（ACK）报
文，并把欺骗确认（ACK）报文发送给源端，使得源端认为到目的端的传输时延很短，当真正
的确认（ACK）被接收时在本地网络网关处予以拦截，防止报文重复确认。通过欺骗减少源端
摘要：
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我国自主宽带卫星通信系统通信加速技术的设计和应用摘要：卫星网与IP网的结合是当今卫星通信领域最热门的话题之一。由于卫星信道具有高误码率、长时延以及上下行链路的非对称性等，导致卫星IP网络通信效率的降低。在简要介绍了目前主流的TCP加速技术的基础上，重点研究海事卫星第四代通信网络系统以及海事四代系统采用的通信加速方案，并应用国产BGAN终端行了TCP通信性能实验和验证。实验结果表明，使用TCP加速算法能大大提高卫星通信效率。该研究结果为我国自主宽带卫星通信系统通信加速技术的设计和应用提供了参考。 关键词：TCP;Inmarsat;TCP加速；TCPPEP;Abstract:Thecombinat...
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作者：闻远设计
分类：课程设计课件资料
价格：免费
属性：5 页
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格式：DOCX
时间：2023-05-25
