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[摘 要]本文针对卫星信道的时延、带宽的不对称性、拥塞策略等因素给TCp/IP数据传输可能造成的影响，简要描述了用于实现TCP/IP高效传输的通信协议XIP，详细介绍了基地数据传输网建设中所采用的美国Mentat公司SkyX协议加速器的功能，并得出可以使用卫通信道以TCP/IP方式传输测控数据的结论。
[关键字]卫星通信 TCP/IP SkyX协议加速器 XTP
1 引言
随着通信技术的飞速发展，传统的低速数据传输将逐步被采用TCP/IP协议实现的数据高速远程传输所淘汰。但是，在利用卫星通信信道来进行数据传输时，由于卫星通信的一些特殊性，TCP/IP传输应用于卫星通信环境时出现了一些在地面系统应用中并不存在的问题，这些问题严重影响了TCP/IP的传输性能。
2 卫星数据通信中影响TCP/IP传输性能的几个因素
TCP/IP通过卫星信道传输的传输性能明显下降，这主要体现在数据传输的速率很难接近信道标定速率，带宽的利用率低，从而影响数据传输的实时性，这对本来分配的带宽就较窄的卫星通信信道的影响是非常大的。因此，如果期望利用TCP/IP传输数据，那么，改善卫星通信中TCP/LP的传输性能的需求是非常迫切的。以下几个因素是造成卫通信道利用率降低的主要原因。
2.1 噪声的影响
在无线技术中，噪音是一个突出而不可避免的问题。根据TCP/IP的定义，每一个丢失的数据包都意味着网络拥塞，为了减轻拥塞，发送端通常采用减小窗口尺寸的算法来改变传输率，但这种方法并不能解决由噪声引起的误码问题，反而会降低整个网络的吞吐量。
目前用于解决信道恶化问题的方法多是通过在无线信道中增加诸如前向纠错(FEC)码等冗余码来改善信道质量，而这不可避免地会增加信号带宽和处理的复杂度。但是这种处理是必要的。卫星信道的误码率如果能调整到10-7，就基本能满足传输要求了。
2.2 时延的影晌
较长的时延不会对数据传输的内容有所影响，但是它在很大程度上对网络的性能产生有害的影响。如果发送方在它认为应该收到ACK(确认信息)的时间内没有收到ACK，就会认为数据已经丢失而重传这些其实可能已经传送到目的地的数据报。而在卫星传输过程中，长时延是很正常的。例如，典型的同步轨道卫星的时延将高达540ms，这必然影响到TCP/IP的性能。
时延对TCP/IP传输性能影响的另一个例子就是对传输策略的影响。在标准TCPaP中，控制策略中的主要方法是慢启动和拥塞避免。为了避免通信在开始阶段就出现拥塞，TCP/IP采取了慢启动的方法。慢启动的功能是发送方逐渐增加发送数据进入网络的速率。
2.3 不对称带宽的影响
TCP/IP通信的本质是对称的，一个方向是数据流，另一个方向是ACK信息。而在卫星网络中带宽是不对称的，一个传输方向有较高的数据传输率，而另一个方向的链路由于受到天线尺寸和发射功率的限制而导致数据传输率较低。例如，目前在测控通信网中应用的VSAT系统中，下行通道是由多个卫星小站复用的。这种状况也会对TCP/IP的性能有所冲击。
2.4 窗口尺寸的限制
TCP/P的接收窗口尺寸尤其重要，因为它与RTT(环路时间)一起决定了网络的吞吐量。
最大吞吐量=TCP/IP的窗口尺寸/RTF
(2)
因为TCP/IP的标准窗口尺寸是64kbyte(表示窗口长度的选项为16bit)，所以，地球同步轨道卫星的最大吞吐量应该是：
最大吞吐量=64kbyte/540ms=l18,518byte/s=948,148bit/s(3)
因此，卫星通信的最大吞吐量被限制在0.94Mbit/s，尽管卫星可以提供2Mbids的带宽，但由于窗口的限制，实际的带宽利用率最大还达不到50％。
3 卫星通信中提高TCP/IP数据传输的实现
为了改善基于卫星信道的TCP/IP传输性能，IETF提出了以下五方面建议。为了确保兼容性，IETF建议这些新的应用在TCP/IP数据报头的初始字段来实现。这些建议主要有：
(1)路径最大发送单元发现(RFCll91)；
(2)窗口尺寸的缩放(RFC 1323)；
(3)选择性确认(RFC 2018)；
(4)时间戳(RFC 1323)；
(5)快速恢复与快速重传(RFC 2581)。
这些建议主要是针对高带宽时延积(信道能够处理的最大的比特数)的卫通信道提出的，用以解决卫星通信中提高信道的利用率问题，测控通信领域主要关注其中的窗口尺寸调整、快速重传与快速恢复算法以及选择性确认。
当前，实现卫通信道中传输TCP/IP数据的方式主要是引入协议网关和在通信终端使用虚拟目的终端。
虚拟目的终端是由卫星节点代替目的终端向发送终端发回各种应答信息，包括窗口尺寸、拥塞控制信息以及确认信息等。由于卫星信道的较长时延和较差的信道质量，数据报在缓存器中的时间会较长，这种方式要求卫星节点有足够大的缓存空间给予支持。
而协议网关的作用是将一个TCP/IP连接分割成三个独立的连接：在发送端和协议网关之间建立一个TCP/IP连接；在两个协议网关之间采用适合卫星通信的协议进行通信；而在接收端和协议网关之间又是一个TCP/IP连接。
使用协议网关提高卫星通信中TCP/IP传输的效率是目前实际应用中较成熟的方法，本文将针对实际使用情况着重介绍使用XTP技术的SkyX协议加速器。
4 SkyX协议加速器初探
目前，在建设基于卫通信道传输的数据网时，通常会采用美国Mentat公司的SkyX协议加速器，将skyx协议加速器加装于卫星设备的两侧，把整个端到端的连接分为三段：在面向客户端和服务器端的连接中，采用通用的TCP/IP协议，而在卫星段的传输过程中，使用XTP协议。这样在最大限度的优化协议的同时，又保持了与TCP/IP的兼容，对所有的主机和终端都完全透明，不用作任何优化与修改。同时，XTP协议在设计之初，就考虑到了卫星通信系统的网络拓扑结构，分别支持点到点、星状及网状网通信，涵盖了绝大多数卫星通信系统的网络拓扑结构。
影响SkyX性能的因素很多，包括链路的带宽、延迟、不对称性和误码率，还有同时连接数、数据的可压缩性等，不同的应用软件对其也具有一定的影响。
没有使用SkyX时，大多数操作系统使用的TCP的窗口尺寸为8KB，吞吐量在100Kbps左右。在TCP窗口尺寸为32K时，吞吐量在440Kbps。使用SkyX时，吞吐量和带宽成线性增长。
在10MHz带宽、标准误码率的卫星链路条件下测试，TCP随着RTF的增加。吞吐量会迅速下降，而SkyX则没有变化。
如果卫星链路带宽10Mm，TCP窗口尺寸1MB。在误码率极低的情况下，TCP只能到1.5 Mbps的吞吐量，当误码率是1xl0-5时吞吐量降到了0.03 Mbps，而此时SkyX依然能达到2.7 Mbps。
5 小结
我们应当看到，本文所列举的实验是在模拟环境和理想的实际环境(终端到终端，无外接设备)中进行的，信道质量可以得到保证，而在实际的数据传输网中通过卫通信道进行测控数据的传输，将不可避免地存在突发错误等未知的影响，并且实际的测控通信网中还会增加其他的通信设备及其他限制，那么这种条件下的测控数据传输的实时性能否同样满足，还有待进一步对测控数据通信的深入研究与实验验证。
[关键字]卫星通信 TCP/IP SkyX协议加速器 XTP
1 引言
随着通信技术的飞速发展，传统的低速数据传输将逐步被采用TCP/IP协议实现的数据高速远程传输所淘汰。但是，在利用卫星通信信道来进行数据传输时，由于卫星通信的一些特殊性，TCP/IP传输应用于卫星通信环境时出现了一些在地面系统应用中并不存在的问题，这些问题严重影响了TCP/IP的传输性能。
2 卫星数据通信中影响TCP/IP传输性能的几个因素
TCP/IP通过卫星信道传输的传输性能明显下降，这主要体现在数据传输的速率很难接近信道标定速率，带宽的利用率低，从而影响数据传输的实时性，这对本来分配的带宽就较窄的卫星通信信道的影响是非常大的。因此，如果期望利用TCP/IP传输数据，那么，改善卫星通信中TCP/LP的传输性能的需求是非常迫切的。以下几个因素是造成卫通信道利用率降低的主要原因。
2.1 噪声的影响
在无线技术中，噪音是一个突出而不可避免的问题。根据TCP/IP的定义，每一个丢失的数据包都意味着网络拥塞，为了减轻拥塞，发送端通常采用减小窗口尺寸的算法来改变传输率，但这种方法并不能解决由噪声引起的误码问题，反而会降低整个网络的吞吐量。
目前用于解决信道恶化问题的方法多是通过在无线信道中增加诸如前向纠错(FEC)码等冗余码来改善信道质量，而这不可避免地会增加信号带宽和处理的复杂度。但是这种处理是必要的。卫星信道的误码率如果能调整到10-7，就基本能满足传输要求了。
2.2 时延的影晌
较长的时延不会对数据传输的内容有所影响，但是它在很大程度上对网络的性能产生有害的影响。如果发送方在它认为应该收到ACK(确认信息)的时间内没有收到ACK，就会认为数据已经丢失而重传这些其实可能已经传送到目的地的数据报。而在卫星传输过程中，长时延是很正常的。例如，典型的同步轨道卫星的时延将高达540ms，这必然影响到TCP/IP的性能。
时延对TCP/IP传输性能影响的另一个例子就是对传输策略的影响。在标准TCPaP中，控制策略中的主要方法是慢启动和拥塞避免。为了避免通信在开始阶段就出现拥塞，TCP/IP采取了慢启动的方法。慢启动的功能是发送方逐渐增加发送数据进入网络的速率。
2.3 不对称带宽的影响
TCP/IP通信的本质是对称的，一个方向是数据流，另一个方向是ACK信息。而在卫星网络中带宽是不对称的，一个传输方向有较高的数据传输率，而另一个方向的链路由于受到天线尺寸和发射功率的限制而导致数据传输率较低。例如，目前在测控通信网中应用的VSAT系统中，下行通道是由多个卫星小站复用的。这种状况也会对TCP/IP的性能有所冲击。
2.4 窗口尺寸的限制
TCP/P的接收窗口尺寸尤其重要，因为它与RTT(环路时间)一起决定了网络的吞吐量。
最大吞吐量=TCP/IP的窗口尺寸/RTF
(2)
因为TCP/IP的标准窗口尺寸是64kbyte(表示窗口长度的选项为16bit)，所以，地球同步轨道卫星的最大吞吐量应该是：
最大吞吐量=64kbyte/540ms=l18,518byte/s=948,148bit/s(3)
因此，卫星通信的最大吞吐量被限制在0.94Mbit/s，尽管卫星可以提供2Mbids的带宽，但由于窗口的限制，实际的带宽利用率最大还达不到50％。
3 卫星通信中提高TCP/IP数据传输的实现
为了改善基于卫星信道的TCP/IP传输性能，IETF提出了以下五方面建议。为了确保兼容性，IETF建议这些新的应用在TCP/IP数据报头的初始字段来实现。这些建议主要有：
(1)路径最大发送单元发现(RFCll91)；
(2)窗口尺寸的缩放(RFC 1323)；
(3)选择性确认(RFC 2018)；
(4)时间戳(RFC 1323)；
(5)快速恢复与快速重传(RFC 2581)。
这些建议主要是针对高带宽时延积(信道能够处理的最大的比特数)的卫通信道提出的，用以解决卫星通信中提高信道的利用率问题，测控通信领域主要关注其中的窗口尺寸调整、快速重传与快速恢复算法以及选择性确认。
当前，实现卫通信道中传输TCP/IP数据的方式主要是引入协议网关和在通信终端使用虚拟目的终端。
虚拟目的终端是由卫星节点代替目的终端向发送终端发回各种应答信息，包括窗口尺寸、拥塞控制信息以及确认信息等。由于卫星信道的较长时延和较差的信道质量，数据报在缓存器中的时间会较长，这种方式要求卫星节点有足够大的缓存空间给予支持。
而协议网关的作用是将一个TCP/IP连接分割成三个独立的连接：在发送端和协议网关之间建立一个TCP/IP连接；在两个协议网关之间采用适合卫星通信的协议进行通信；而在接收端和协议网关之间又是一个TCP/IP连接。
使用协议网关提高卫星通信中TCP/IP传输的效率是目前实际应用中较成熟的方法，本文将针对实际使用情况着重介绍使用XTP技术的SkyX协议加速器。
4 SkyX协议加速器初探
目前，在建设基于卫通信道传输的数据网时，通常会采用美国Mentat公司的SkyX协议加速器，将skyx协议加速器加装于卫星设备的两侧，把整个端到端的连接分为三段：在面向客户端和服务器端的连接中，采用通用的TCP/IP协议，而在卫星段的传输过程中，使用XTP协议。这样在最大限度的优化协议的同时，又保持了与TCP/IP的兼容，对所有的主机和终端都完全透明，不用作任何优化与修改。同时，XTP协议在设计之初，就考虑到了卫星通信系统的网络拓扑结构，分别支持点到点、星状及网状网通信，涵盖了绝大多数卫星通信系统的网络拓扑结构。
影响SkyX性能的因素很多，包括链路的带宽、延迟、不对称性和误码率，还有同时连接数、数据的可压缩性等，不同的应用软件对其也具有一定的影响。
没有使用SkyX时，大多数操作系统使用的TCP的窗口尺寸为8KB，吞吐量在100Kbps左右。在TCP窗口尺寸为32K时，吞吐量在440Kbps。使用SkyX时，吞吐量和带宽成线性增长。
在10MHz带宽、标准误码率的卫星链路条件下测试，TCP随着RTF的增加。吞吐量会迅速下降，而SkyX则没有变化。
如果卫星链路带宽10Mm，TCP窗口尺寸1MB。在误码率极低的情况下，TCP只能到1.5 Mbps的吞吐量，当误码率是1xl0-5时吞吐量降到了0.03 Mbps，而此时SkyX依然能达到2.7 Mbps。
5 小结
我们应当看到，本文所列举的实验是在模拟环境和理想的实际环境(终端到终端，无外接设备)中进行的，信道质量可以得到保证，而在实际的数据传输网中通过卫通信道进行测控数据的传输，将不可避免地存在突发错误等未知的影响，并且实际的测控通信网中还会增加其他的通信设备及其他限制，那么这种条件下的测控数据传输的实时性能否同样满足，还有待进一步对测控数据通信的深入研究与实验验证。