华中科技大学
硕士学位论文
卫星通信中基于带宽估计的TCP传输控制算法研究
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：通信与信息系统
指导教师：***
20080531
华中科技大学硕士学位论文
摘要
卫星通信在军事和民用方面都发挥着日益重要的作用，提高卫星通信中传输层协议的性能是目前国内外正
在研究的重要课题。传统TCP协议虽然为有线网络通信提供了可靠的端到端数据传输，但在长时延、高误码的卫星通信环境中，TCP并不能获得较高的传输性能。为了提高卫星链路中数据传输的吞吐量和带宽利用率，必须针对卫星通信的环境特点对现有的传输控制算法作出改进。
本文首先详细分析了TCP协议规范，描述了卫星链路的特点，指出TCP应用于卫星通信时存在的问题。接着介绍了一些适合卫星通信的改进的传输层协议，并对它们的原理进行了阐述。带宽估计算法能改善传输协议在卫星通信中的性能，当发送端检测到数据包丢失时不盲目减小拥塞窗口，而是根据带宽估计值来设置拥塞窗口及慢启动门限值，能较好地解决卫星链路高误码带来的问题。由于受到突发数据、延迟确认、确认压缩等因素的影响，传统带宽估计算法存在着估计值偏高的问题，本文在此基础上提出了卫星通信中基于带宽估计的TCP传输控制算法BE-TCP （Bandwidth Estimation based Transmission Control Protocol），该算法改进了带宽采样值的计算方法，取得了更准确的带宽估计值，并使用了一种新的更新门限值的方法。
在对BE-TCP算法的吞吐量和带宽估计准确性进行理论分析之后，我们使用NS2仿真工具对BE-TCP的传输性能和带宽估计的准确性进行了仿真，理论分析和仿真结果均显示BE-TCP能准确地估计链路可用带宽，改善了TCP在卫星通信中的传输性能。
关键词：卫星通信传输控制协议带宽估计NS2
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Abstract
Satellite communication plays a more and more significant role in both military and civil affairs. Improving the performace of transport protocol in satellite communication is a hot topic both at home and abroad currently. Although traditional TCP protocol prviodes reliable end-to-end data transmission in wired network communication, it fails to acquire equivalent high performance due to the characteristics of satellite radio link such as long delay, high bit error rate (BER), etc. Aimming at enhancing the throughput and bandwidth utilization of data transmission in satellite link, an improvement of the existing transmis-sion control protocol is necessary.
The dissertation gives a detailed analysis of TCP specification and its disadvantages in satellite communicaton firstly. Then some enhanced transport protocols suitable for satel-lite communication are introduced. Bandwidth estimation algorithm can improve the transmission performance of satellite communicaton and alleviate the problem incurred from high BER. It sets the sizes of congestion window and slow start threshold according to estimated bandwidth, avoiding shrinking them blindly on the occurrence of packet loss. Based on the fact that traditional bandwidth estimation algorithm, which
is affected by factors like data burst, delayed ACK, ACK compression, etc. is inclined to overestimate the available bandwidth, this thesis puts forward an algorithm called Bandwidth Estima-tion based Transmission Control Protocol(BE-TCP). BE-TCP estimates the available bandwidth more accurately and utilizes a novel method to update the value of ssthresh.
Theoretical analysis and NS2 simulation of BE-TCP are carried out and both results indicate that BE-TCP achieves a more accurate bandwidth estimation and an improved performance of TCP in satellite communication.
Keywords:  Satellite communication; Transmission Control Protocol;
Bandwidth Esitimation; NS2
独创性声明
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tcp ip协议简要分析论文学位论文作者签名：指导教师签名：
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1  绪论
1.1  本文研究背景
随着卫星通信在军事和民用方面的作用日益重要，国际上对卫星通信中传输控制技术的研究逐渐深入，我国在这一领域也展开了相关研究。本文以国家863项目（一期编号2006AA0135，二期编号2007AA0821）为依托，对卫星通信中传输控制协议进行了研究和性能改进工作。
传统地面网络传输控制协议TCP是在短时延、低误码的环境下设计运行的，并在过去20多年的有线传输中取得了巨大的成功。由于卫星无线链路固有的长时延、高误码、信道带宽不对称等特性[1][2][3]，使卫星数据传输面临着一些特殊的挑战。如果将TCP协议直接照搬于卫星通信，传输性能会受到诸多限制。例如，较大的传输时延会降低拥塞窗口增加的速度，在慢启动阶段，发送端必须等待一个往返时延RTT （Round Trip Time）收到对方确认信息ACK（ACKnowledgement）后才能发出新的数据包；高误码的卫星链路导致大量数据包因出错而丢失，但TCP无法正确区分数据包丢失的原因是网络拥塞还是数据包本身出错，仍然一味按照拥塞的处理方式减小拥塞窗口，错误地降低传输数据率，使传输效率变低；另外，卫星信道前向和反向信道带宽的不对称性造成ACK包丢失和压缩，影响了数据包的正常确认[3][7]。
卫星无线链路所具有的长时延、高误码率、信道带宽不对称等特性，使TCP协议很难在卫星通信中体现出其优势，因此，需要针对卫星链路的特点，对传输层协议作一定改进和优化，更好地利用卫星链路进行高效的数据传输。
针对高误码对丢包响应方式的影响，本文使用了在发送端进行链路带宽估计的方法，无论当前网络出现拥塞丢包还是误码丢包，都会根据估计的带宽值，合理调整拥塞窗口和门限值，来确定正确的发送速率。
1.2  本文研究现状
国内外学者目前已经提出了多种适合卫星通信的解决方案，主要包括：链路层解

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