文摘

地球静止轨道(GEO)卫星网络有两个重要的影响因素:高延迟和传输错误。同样,他们会发生大规模的多次反射的物联网网络(物联网),这将影响到应用程序的5 g - 5代移动网络-物联网。在本文中,我们提出一个增强TCP传输的数据量增加的机制的TCP慢启动阶段的Hybla减轻长时间RTT的影响,包含以上TCP剧毒的完善机制,可以与随机丢包区分和拥堵。这个方案评估和与NewReno相比,Hybla,由模拟以上和剧毒,提出TCP的性能改进方案GEO卫星网络的随机包丢失。同时,增强TCP方案可以提高传输性能在未来5 g-iot异构网络延迟高、传输。

1。介绍

随着5 g时代的物联网的广泛应用,卫星网络将发挥着越来越重要的作用作为一个跨区域中继网络(1]。网络的主要传输层协议传输控制协议(TCP)提供了数据流的可靠传递交织流量控制、拥塞控制和错误控制功能。TCP协议的原始设计是用于地面有线网络,它已经被证明是非常成功的支持网络数据通信几十年了。然而,有几个因素,减少在卫星网络(TCP的性能2- - - - - -5]。首先,由于超长距离GEO卫星链接,这将不可避免地出现高数据传输的延迟现象。高长RTT强加的延迟(往返时间)将推迟执行TCP和影响其性能。卫星与长时间rtt,带宽延迟产品(BDP)可以很高,和TCP需要数据包的数量“飞行中”(即。,但不承认),这意味着TCP必须能够处理更大的数据在一个转会窗口。其次,传输错误可以存在于卫星连接由于一些不良影响(如大气条件、干扰和干扰),以及由此产生的误比特率(BER)可以低至10−7平均和10−4在最坏的情况下,比典型的地面网络。相比之下,网络拥塞造成的丢包(由于路由器缓冲区溢出),传输错误造成的丢包被称为腐败损失,在文献中随机损失,或错误的损失。显式拥塞通知(ECN) [6)提出除了IP路由器可以告知TCP发送队列溢出之前迫在眉睫的拥堵。其他因素可能影响TCP性能包括带宽不对称、变量rtt,断断续续的连接。

使用上面的卫星网络的负面特征,改善TCP吞吐量在卫星连接是一个热门的研究领域(5]。TCP的增强卫星网络可以分为三类:低级方法,端到端的方法和成绩的代理(PEP)。两个低级的方法路径最大传输单位(MTU)发现和前向纠错(FEC)。路径MTU发现是在数据链路层进行。在端到端方法中,只有发送方和接收方参与流控制和拥塞控制。傻瓜和选举委员会用于TCP变体(太浩,雷诺和NewReno) [7,8]。几点建议显示增强性能慢启动耗时较少,包括使用的初始值<我>cwnd(9,10)和关闭延迟ack机制。另一个TCP改进是使用选择性应答(袋)11]。

自地球静止轨道(GEO)卫星网络有两个重要的影响因素,高延迟和传输错误,有必要关注长RTT和高误码率的卫星网络。近年来,一些算法提出了解决卫星网络的拥塞控制问题,如TCP Hybla [12,13),拉斯维加斯14以上),剧毒(15),和韦斯特伍德16]。在规范化的RTT的帮助下,更新规则<我>cwnd取代实际的拥塞控制算法的实现相同的传输速度参考连接甚至更长时间RTT连接。

PEP方法需要一些网络的变化,主要是在中间网关。总网络TCP连接可能会分裂,可以使用不同的传输协议分割连接。TCP-Spoofing和TCP-Splitting PEP的解决方案(17,18]。此外,杜布瓦等人提出了一些建筑元素pep机制考虑卫星网络的移动性场景(19]。Pirovano加西亚总结和分析了TCP在卫星的常见的解决方案和评价方案的分裂TCP连接(20.]。虽然有前途,PEP方法本质上侵犯TCP的端到端语义,提出了几个缺点上部署,安全和隐私问题。

在本文中,我们提出一个方案的GEO卫星网络可以与随机丢包区分腐败和拥堵的损失。我们的建议结合的好处Hybla以上(处理长时间RTT)和剧毒(处理随机误差)。计划,新规则<我>cwnd使用的TCP Hybla仍缓慢开始和拥塞避免阶段减轻长时间RTT的效果。

卫星通信网络已经5 g-iots和网络基础设施的重要组成部分。无论是卫星NB-IOT(窄带物联网)网络或地面5 g-iot网络,实现所有的互连和扩大的范围5 g-iot连接通过扩大物联网的连接模式。这使得5 g-iot通信技术涵盖所有场景中,特别是在跨区域的情况。因此,提高卫星网络的传输性能改善跨区域5 g-iot性能至关重要。

部分2论文的概述相关TCP的变体。节3,我们提出了增强TCP机制。我们的建议的绩效评估和讨论部分进行了仿真4。最后,结论部分5。

2.1。TCP太浩和NewReno
2.1.1。TCP太浩

太浩的实现TCP (7)拥塞控制分为三个步骤:慢启动、拥塞避免、损失恢复算法。发送方执行添加剂拥塞窗口的增加(<我>cwnd在TCP连接的初始阶段。在第一个慢启动阶段(SS),<我>cwnd增加一个或两个初始值的最大段大小(MSS)。

的增加<我>cwnd指数在学生阶段,TCP减慢的增加<我>cwnd在CA的阶段。TCP假定拥堵存在当它检测到一个包丢失。包的损失可通过测的超时重传超时计时器(RTO)。此外,太浩集成了一个所谓的快速重新传输机制,发送方推断数据包丢失了如果三个或更多重复的ack (DU-PACKs)先后接收。当包丢失的事件已经决定,发送方执行乘法减少<我>cwnd:<我>cwnd重置一个,ssthresh设置为当前拥塞窗口的大小的一半。然后,TCP进入党卫军阶段。总之,更新规则<我>cwnd和太浩ssthresh给出如下:(1)新Ack收到:如果(<我>cwnd<<我>ssthresh)/ / SS阶段设置cwnd=<我>cwnd+1;其他的//CA阶段设置cwnd=<我>cwnd+1/<我>cwnd;(2)丢包检测(RTO超时或三个DUPACKs收到):设置ssthresh=<我>cwnd/2;<我>cwnd=1;进入学生阶段。

2.1.2。TCP NewReno

在TCP雷诺7),DUPACKs表明仍然是传输的数据。如果收到三个DUPACKs,雷诺的一半<我>cwnd(而不是将它设置为1 MSS像太浩),集<我>ssthresh到新<我>cwnd,并输入一个阶段称为快速恢复。它能避免缓慢的转播的数据传输。在快速恢复阶段,TCP雷诺重新传输丢失的数据包的信息,并等待ACK之前进入拥塞避免。总之,更新规则<我>cwnd和<我>ssthresh在雷诺的快速恢复三DUPACKs收到后给出如下:后三个DUPACKs收到:设置ssthresh=<我>cwnd/2;cwnd=<我>ssthresh+3;进入这个阶段;cwnd<我>=<我>cwnd<我>+<我>1对于每个额外的DUPACK。

如果多个数据包丢失,发送方会收到重传的数据来自接收者的确认(快速重传算法已经进入这个时候)。部分承认,TCP会导致发送者退出并迅速恢复。在这个时候,发送方必须等待超时。这直接导致传输性能下降。TCP NewReno [8)能够很好地处理这种情况,避免将缓慢的开始。

2.2。TCP Hybla

TCP Hybla [12,13)旨在消除长时间RTT的影响造成的延迟高地面线路或卫星无线链接。这是修改的动态分析拥塞窗口减少性能对RTT的依赖。首先,规范化的往返时间 定义和引用的往返时间RTT连接0。

规范化的往返时间有助于维护TCP的高性能的长时间延迟。TCP Hybla更新窗口如下: 在哪里<我>W我更新的拥塞窗口当TCP连接的发送方接收吗<我>我ack。TCP Hybla也采用一些措施来提高传输性能,如迫使袋策略,使用时间戳(21),使用锄头通道带宽估计(22,23),和实现数据包间隔技术(24]。在理论仿真和实际测试中,TCP Hybla与传统TCP相比已经大大提高。

2.3。以上TCP剧毒

以上TCP剧毒(15]是一种改进的方案解决问题的传统TCP在无线网络环境中误比特率高。它使用一种机制类似于拉斯维加斯(14]。以上TCP剧毒法官的状态网络网络中通过计算积压的数据报。如果积压数据报的大小<我>N,然后

在实际应用中,实际的=<我>cwnd/RTT,预期=<我>cwnd/BaseRTT,<我>cwnd拥塞窗口的大小。因此,<我>N也如下:

以上TCP剧毒的大小<我>N为基础来判断网络是否拥挤和设置一个阈值<我>β。当<我>N超过<我>β的数据包,它表明链接严重积压,以及连接处于拥挤状态。如果丢包发生在这个时候,采用控制机制类似于雷诺;当<我>N小于<我>β以上,TCP剧毒设置的阈值<我>β即使发送方检测包丢失,连接是正常的,包丢失决心是由其他原因引起的,和一个拥塞控制算法采用不同于雷诺。

以上TCP剧毒也使用两个阶段来实现拥塞控制的高性能。在拥塞避免阶段,没有包丢失时造成的拥堵,<我>cwnd是增加了1为每个新确认。当检测到包丢失造成的拥堵,<我>cwnd增加了1每两个新的应答。在快速重传和快速恢复,当收到3或更多的重复确认,如果<我>N<<我>β,认为网络不够拥挤,包丢失决定立即包丢失,拥堵阈值设置为4 cwnd/5、cwnd = ssthresh + 3和丢失的数据包传送;如果<我>N><我>β网络被认为是拥挤,交通拥堵阈值设置为<我>cwnd/2,<我>cwnd=<我>ssthresh+3将重新发送丢失的数据包。

3所示。建议提高TCP的机制

根据以上Hybla和剧毒的TCP性能测试,前者可以处理长期拖延造成的低效率,而后者可以处理的问题在无线通信高误比特率。充分利用他们的优势在处理TCP方案,本文提出了一种增强TCP方案适应长时间RTT的问题和高误比特率在卫星网络。

3.1。慢启动拥塞窗口

在TCP Hybla,我们第一次修改RTT的价值0。最初的RTT0值设置为25 ms。考虑到卫星网络中往返延迟的值相对较大,一般在GEO卫星网络延迟是550 ms。在TCP拥塞窗口Hybla,这将使拥塞窗口在慢启动阶段的价值太大,会影响其性能。因此,RTT的原始值0可适当增加。引用考虑集RTT的价值070 ms (25,26),的值设置为75 ms增强方案。这主要考虑传输控制协议将带来一定的延迟在处理真正的拥堵。更新后的RTT0被重置时,原更新方案仍然是维护拥塞窗口的更新。

根据上面的拥塞窗口更新规则,增强方案改进窗口更新。在传统的TCP、慢启动拥塞窗口的大小需要与阈值比较。在该方案中,不同拥塞窗口设置根据拥塞窗口和阈值的比较如下:如果(cwnd < ssthresh) / / SS阶段{如果(cwnd≤ssthresh / 4)<我>& &<我>(flightsize < rwnd / 4) / / sub-phase 1设置cwnd<我>=<我>2 W我+ 1如果(ssthresh / 4<我><<我>cwnd<我><<我>3 ssthresh flightsize / 4) & & (rwnd / 4<我><<我>3 rwnd / 4) / / su-phase 2设置cwnd<我>=<我>W<我>+<我>1如果(cwnd≤3 ssthresh / 4) / / (flightsize > 3 rwnd / 4) / / sub-phase 3设置cwnd<我>=<我>W<我>+<我>1/2}

上述t三个子阶段是根据四个因素来划分:<我>cwnd,<我>ssthresh, rwnd(接收方广告窗口),flightsize(网络)中隐而未现的字节的总数。从第一子阶段,可以看出,拥塞窗口的值是一个相对较小的值,而的值<我>rwnd和flightsize表明,网络连接中传输的数据量是在一个较低的值。此时,传输的数据量可以增加和链接的利用效率可以提高。

子阶段2,拥塞窗口的更新,其价值会逐渐增加。当拥塞窗口中间的慢启动阈值,接收数据的状态的延迟链接不能确定。因此,flightsize添加的值来判断接收的数据的状态。如果该值flightsize中间<我>rwnd,这表明网络状态可能在一个相对稳定的状态。拥塞窗口的大小不断增加TCP Hybla设置。

在过去的子阶段,拥塞窗口的值接近的阈值大小起步缓慢,或flightsize接近的价值的价值<我>rwnd。增强的方案法官可能有很多积压的网络。避免数据丢失造成的数据积压,可以适当减少拥塞窗口的附加价值。

在慢启动阶段提出的方案中,我们充分考虑不同变量的影响(<我>cwndflightsize,<我>ssthresh,<我>rwnd在拥塞窗口)。拥塞窗口的值是精制,以更好地适应不同的国家。

3.2。拥塞窗口的快速复苏

认为传统TCP超时引起的数据丢失网络中的拥塞,这对稳定的网络连接是正确的链接。卫星网络的无线链接,我们必须区分数据丢失的真正原因:交通拥堵造成的损失或随机的无线连接所造成的损失。以上数据丢失的差异在TCP剧毒不适合卫星网络。

在提高TCP的方案中,采用拥塞窗口如下:如果(N <β1)/ /随机最有可能发生的损失设置ssthresh<我>=<我>4 cwnd / 5;else if(β1≤N <β2)/ /不确定哪种损失发生设置ssthresh<我>=<我>3 cwnd / 5;其他设置ssthresh<我>=<我>2 cwnd / 5; / /拥堵最有可能发生的损失

在上面的方案,<我>β1和<我>β2分别设置为3和6。考虑到卫星网络的数据丢失仍拥堵造成的损失和随机损失,增强TCP方案改进拥塞窗口的值,和大小<我>N是一个重要的网络拥塞判断的依据。不同的价值观<我>N代表网络拥塞状况,小<我>N值表明,网络拥塞情况相对轻微,拥塞窗口的值可以更大的值。相反,积压的价值网络是高和拥堵可能会很严重。在这个时候,拥塞窗口的值小。在快速恢复阶段,不同大小的拥塞窗口值给不同的拥堵状况,这有利于调整TCP传输的数据量的时间和充分利用卫星网络的链接。

4所示。仿真结果和讨论

增强TCP计划通过仿真比较了各种安全和性能。仿真拓扑如图1。服务器与客户端通过地面网关和卫星网络。仿真参数如表所示1。


图1
网络模型。
表1
仿真参数。
4.1。性能的随机损失

在第一个模拟场景中,网关设置的缓冲区大小足以防止拥塞丢失在文件下载。吞吐量和响应时间是两个重要的指标来评估网络性能。发送请求的响应时间是时间完成响应。吞吐量是单位时间内处理任务的能力。它的单位通常是位/秒或MB /秒。它以系统资源为对象。因此,系统的性能直接影响到(理论)极限值的吞吐量。一般来说,平均响应时间越短,系统吞吐量就越大。平均响应时间越长,越小的系统吞吐量。当伯斯从10−9到10−5,图2显示四个安全和的响应时间(以上TCP NewReno,剧毒,Hybla和方案)。系统的响应时间增加而增加。在低误码率之间,四个TCP性能的方案是相似的。当误码率的增加,响应时间大幅增加,该方案显然比其他三个TCP方案。


图2
响应时间只随机损失。

高空卫星通信的无线连接很容易被干扰,如地面干扰、空间干扰,自然干扰和人为干扰,特别是在开放的卫星通信系统,透明转发器更容易受到恶意干扰。当误码率为10−5的响应时间提出方案和Hybla明显低于以上NewReno和剧毒,和我们建议的方案的响应时间略低于Hybla。因此,我们方案的响应时间是最低的在四个TCP变异时随机网络中的损失。图3显示了四个TCP变异的卫星下行吞吐量和伯斯从10−9到10−5。它可以观察到卫星网络的下行吞吐量随数量的增加而减小。当误码率变化从10−9到10−7,我们的展品可比吞吐量Hybla提出方案。吞吐量迅速降低时,误码率变化从10−7到10−5。伯斯高(10−7到10−5),我们的方案的吞吐量是略高于Hybla以上,大大高于NewReno和剧毒。从仿真结果,我们提出的方案可以提高吞吐量高误码率GEO卫星连接的范围(10−6到10−5)。


图3
吞吐量的随机损失。
4.2。性能的随机和拥堵的损失

在第二个模拟场景中,网关设置的缓冲区大小较小(37.5 k字节),这样拥挤损失可以发生在文件下载。当伯斯从10−9到10−5,图4显示四个安全和的响应时间(以上TCP NewReno,剧毒,Hybla和方案)。同样,系统的响应时间增加而增加。在低误码率之间,四个TCP性能的方案也类似。当误码率增加,该方案相对其他三个TCP计划显示了一些优势。


图4
响应时间随机和拥堵的损失。

以上的响应时间剧毒低于NewReno如果数量是10−5。Hybla的时间是最长的,通过我们的方案是最短的响应时间在四个安全和。在更高的伯斯,大数据包损失主要是由于随机损失。事实证明Hybla不能有效减少随机和拥堵的响应时间的损失。另一方面,我们的方案可以有效地提高TCP性能的随机和拥堵的损失。图5显示了卫星下行吞吐量的四个安全和对伯斯从10−9到10−5。它可以观察到卫星网络的下行吞吐量随数量的增加而减小。当误码率变化从10−9到10−5的吞吐量Hybla低于其他三个TCP变体。与更高的伯斯,我们方案的卫星链路吞吐量展览最佳性能在四个TCP变体。上述仿真结果证明我们的方案可以实现更小的下载时间和更高的吞吐量的随机和拥堵的损失。它本质上表明,我们提出的方案更新拥塞窗口以更适当的方式比NewReno以上Hybla,剧毒。在随机和冷凝损失时,误码率是10−5该方案的吞吐量是1.96倍,1.88倍,5.09倍TCP雷诺,Veno和Hybla分别。


图5
吞吐量随机和拥堵的损失。

5。结论

尽管有很多GEO卫星网络TCP性能改进的研究,很少有研究TCP长RTT和高误码率都可以处理的解决方案。本文主要关注这两个方面,结合TCP Hybla的优势在处理长以上RTT和TCP剧毒的良好的性能在处理高误码率的无线网络来处理卫星网络拥塞窗口和精炼。

在我们的方案中,拥塞窗口的更新方程Hybla仍在缓慢的启动和拥塞避免阶段减轻长时间RTT的效果。我们的方案提高Hybla RTT的修改设置0参考连接(RTT),允许增加自适应的拥塞窗口在慢启动阶段对应于不同的网络环境。此外,我们提出了以上方案改进剧毒的算法与多级分化为区分不同的数据快速恢复的损失。在仿真测试中,增强TCP方案提出了应对随机数据丢失和拥堵数据丢失比其他三个方案。网络场景只存在随机丢包和存在随机和拥堵的损失。仿真结果表明,我们提出的方案在两个网络场景中表现出更好的性能比其他三个TCP变体。该方案的缺点是,以低误码率,提高性能不是很好,没有明显的优势在吞吐量和响应时间。最后,需要指出的是,我们的方案是一个端到端的方法改善TCP性能在GEO卫星网络,只有机制的TCP发送方需要修改,和端到端TCP的语义可以维护,为大规模的实际应用有很大的价值,特别是对通信服务提供商和用户需要节省通信成本(27]。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了湖南省自然科学基金(批准号2020 jj40509),湖南省教育部门的科学研究基金(授予nos。19 b512 a446 19日和18 b420),以及中国的国家自然科学基金和澳门科学技术发展基金联合(授予号。61961160706和0066/2019 / AFJ)。