2020年第4期
162网络与信息安全
信息技术与信息化
浅析航天测控网络TCP 传输协议分析研究
宋  涛* SONG Tao
摘　要                  航天测控网络属于特殊形式的网络系统，
和不同的计算机网络以及移动网络相比，航天测控网络对网速、容量的要求更大，也容易发生网络拥塞等问题。为更好地服务航天事业，就需要优化测控网络传输，以下本文就从TCP 传输协议的角度入手，对其在航天测控网络中的应用展开探讨，旨在提高传输效果，有效改善拥塞问题。
关键词                  航天测控网络；TCP 传输协议；拥塞
doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2020.04.054
* 91550部队 辽宁大连 116023
0  引言
航天测控网络是衡量一个国家航天事业发展水平的主要指标，对网络运行的稳定性有很高的要求，既要具有较高的测算精度，也要实现画面、语音、视频、文字的传输。测控中心需要结合每个测控站传输来的信号，对航天器发送相关操作指令，从而避免航天器误操作，并对每个航天器的运行状态进行系统化监督，一旦航天器发生故障，可为故障的处理和维修提供真实有效的参数。但就我国目前航天测控网络的发展现状而言，网络拥塞问题依然存在，严重了我国行业事业的发展。基于此，开展航天测控网络TCP 传输协议的研究就显得尤为重要。
1  TCP 协议及其结构
TCP 协议是航天测控网络持续、稳定、可靠运行的关键协议，通过IP 和TCP 协议的相互应用，组成TCP/IP 协议栈，从而为各项数据和信息的传输提供途径。在航天测控网络和普通网络中TCP 协议都有
非常广泛的应用，主要原因是TCP 协议在不同信道、底层协议中进行良好运行，其主要结构组成如图1所示：
图1  TCP 的主要结构构成
从图1中可以清楚看出航天测控网络TCP 协议主由四个层次共同组成，包括：应用层、传输层、互连网络层、网络接口层等。
应用层的主要作用为负责的SMTP、FIP、Telnet 等传输。传输层的主要作用为提供了一个数据传输服务，可将TCP 和UDP 等传输到下一层，并保证下一层可以安全接收。
网连网络层的主要作用为提供一个数据封包传输的功能，保证每个数据在传输到目的地之前，无法提取和获得，保证数据传输的安全性。
网络接口层主要作用为对和航天测控网络连接媒体进行管理，并定义使用网络的规范和标准，确保各项数据得以顺利传输。
2  TCP 传输协议在航天测控网络中的应用
在航天测控网络中应用TCP 传输协议的主要作用是缓解网络拥塞问题，确保航空调度数据能及时发出或
者及时反馈， 从而保证每个航天器都能安全、稳定运行。引发网络拥塞的主要原因是在航天测控网络中同时传输的数据包数目过大，航天测控网络中转发节点现有资源无法满足具体传输的要求。如果情况严重甚至会导致整个航天测控网络被死锁，需要网络重新复位才能正常运行。通过TCP 传输协议，可有效解决航天测控网络拥塞问题，保证各项数据和信息能快速传递，为达到这一效果，可同时从以下几个方面入手：2.1  构建基于源端算法的TCP 协议拥塞控制
常用的源端算法有Tahoe、Reno 等，在控制拥塞过程中，多以丢包为主要标志，比如：Vegas 协议是实现TCP 协议高效运行的关键，同时也是其主要组成部分，是一种根据RTT 的长度变换，来调整发送端发送速率的协议。也是目前解决
网络振荡，提升航天测控网络宽带利用率最直接有效的方法。如SCPS-TP 远端算法控制，就属于一种典型的数据包可靠传输端，并且可对传输速率进行全面控制，从而避免了网络拥
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塞。但此种方法也存在一定的弊端，比如：在进行空间通信时产生的延误比较大，同时误比特率也比较
高，容易引发数据丢失或者通信间断等问题。通过TCP 传输协议可对航天测控网络窗口大小进行科学合理的调整，而并非一味地加大窗口。RTT 和窗口尺寸CW 计算δ如下公式。
Base RTT RTT CW RTT
δ−=
⋅                        （1）
通过Vegas 可以航天测控网络的拥塞问题进行提前预测，并根据预测的结果合理调整窗口大小，在具体应用过程中，可把不丢包和拥塞相互独立开来。但如果发现数据包丢失，则立即减小窗口，重新传输丢失发生丢失的数据包。在TCP 协议上可进行如下拓展：
第一，在航天测控网络运行中，可通过降低TCP 握手信号的方法，提升数据传输的速率。
第二，可适当扩大TPC 窗口尺寸，进而更好地适应航天测控网络延时要求。
第三，充分发挥TCP 传输协议往返时延测量的功能。2.2  源端算法和节点算法的结合
源算法和节点算法两者的结合，也是降低航天测控网络拥塞的主要方法，和单独的源端算法相比，结合
算法主要是通过路由器来实现网络剩余宽度的估算，并未给源端发送提供更加真实有效的数据。但在具体应用过程中，却会增加路由器的负担，因此，通常通过两个层相互结合的方法控制航天测控网络拥塞问题，如：把XCP 协议拓展到ECN 中就可以实现对整个航天测控网络的运行情况全面监测，及时分析网络拥塞问题，及时调整和解决。在具体应用过程中，可降低路由器的负担，可在路由器中加入拥塞控制器和公平控制器，实现对航天测控网络中宽度的合理分配，主要计算公式如下：
q
s
d αφα⋅=⋅
（2）
此公式中，φ表示目前航天测控网络中的可用带宽；α表示目前航天测控网络中空闲带宽的余量，而此公式中的s 则表示目前尚存的空闲宽带；β表示TCP 协议在运行过程中，清孔队列所需的宽带；Q 表示的是目前宽带运行中的队列；d 表示控制器计算周期。2.3  TCP 协议的RED 算法
RED 属于一种典型的队列管理算法，在航天测控网络中应用基于TCP 传输协议的RED 算法，可通过监测路由器网络拥塞问题来解决对航天测控网络的运行进行系统化监测和控制。主要的应用机理为：对丢
弃的数据进行分组处理，对合理调整整个队列的长度，在满足航天测控相关信息和数据高效传输的基础上，避免发生网络拥塞问题，最大限度上保证传输的公平性。基本思想为：队列长度越长，在航天测控网络中传输的数据也就更加容易发生丢失问题。把avg 和两个门限值进行对比分析，如果传输信息的队列长度低于最小值，
则不进行数据分组标记出来。但如果队列长度超过最大值时，就必须进行数据分组标记出来。再通知源节点降低发送速率。保证队列长度的平均值时刻低于允许传送的最大值。如果平均长度小于最大值，大于最小值，则要通过Pa 进行标记，然后再进行分组处理。Pa 指的是TCP 协议在传输过程中整个队列的长度函数。而航天测控网络在运行过程中，分组丢弃的概率和传输中宽带的占比呈现正相关。主要原因是在此网络中，数据传输的量比较大。分组丢弃的总数量也比较大，无论采取何种方式，都很难保证公平性，是目前RED 算法中存在的主要问题和缺陷。而丢弃概率，则决定了航天测控网络拥塞分组的丢弃频度。
RED 算法的特性决定了其自身也或多或少存在一定的问题，比如：RED 性能的优劣，由预先设置参数的最大值和最小值共同决定，在应用时，需要先权衡TCP 传输协议吞吐量延迟之间的关系，从而得到最佳的参数。此外，通过RED 也无法准确估计拥塞的严重性，主要原因是TCP 传输协议中的队列长度，增加或者减少的速度非常快，RED 通常无法做出及时有效地反映。另外RED 还存在一定的公平性问题，丢弃概率在一定的前提下，TCP 传输协议的发送概率和RTT 成反比，但在很多情况下，都采用了相
同的丢弃概率，从而引起了不公平问题。为解决RED 的存在的这些问题，对RED 的运行方式进行了一些了改进，但每次改进的内容存和主题存在一定的差异，通常只考虑了单个变量问题，主要体现在以下几个方面：
当一个数据包达到TCP 传输协议时，其流标识就能自动加到列表中来，此时列表中count 的数值为0，当列表达到饱和状态时，则立即进行如下工作，当数据包到TCP 传输协议时，会和列表中的内容或者数值进行对比，如果“击中”则表明该数据包的流和“僵尸”相互匹配，此时count 的数值为1。如果没有击中，则以概率p 重新写“僵尸”中流描述。
BLUE。BLUE 属于中管理算法，主要作用是通过链路空闲事件来对航天测控网络拥塞问题进行管理，BLUE 主要对标记完成的数据的包进行标记，如果在运行过程中受到队列溢出到一些数据包丢失，则BLUE 会自动增加pmark，如果链路空闲，在自动减少pmark，主要算法编写流程图如图2
所示：
图2  TCP 算法的BLUE 算法示意图
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3  结语
综上所述，本文结合理论理实践，分析了航天测控网络TCP 传输协议，分析结果表明，目前中国的航天测控网的运行质量有待提升，影响了中国航天事业的发展，随着Inter -net 的发展，把Internet 接入到航天测控网是提高中国航天测控网覆盖率的有效途径。现行Internet 中使用的传输控制协议就是TCP，可借助网络技术接入到航天测控网中，从而提高测控网的控制效率。
参考文献：
[1]王哲，金翼然，王开志.卫星测控与数据管理系统设计[J].
信息技术, 2017,41(8):149-151.
[2]刘洪, 伊鹏, 胡宇翔. 基于动态优先级的数据中心网络闲时感知TCP 协议[J]. 计算机应用研究, 2018(1):190-194.[3]陈杰, 谢显中, 黄倩, 等. 无线车载网络中一种基于跨层优化的网络编码TCP 协议[J]. 计算机科学, 2019, 46(02):97-103.[4]张江, 孙治, 段梦军, 等. 基于ICMP 、UDP 、TCP 协议的分布式IP 级拓扑探测方法[J]. 通信技术, 2018, 51(11):123-127.
[5]张绍凤, 罗佳伟, 姜胜明. 基于实际开发平台的Semi-TCP 与ARQ 协议的联合实现[J]. 现代计算机(专业版), 2018, No.616(16):74-77.
（收稿日期：2020-03-01  修回日期：2020-03-23）
一种基于部分覆盖的无线传感器网络节点
休眠唤醒方法
张  超*  赵清艳  李良钰
ZHANG Chao  ZHAO Qing-yan  LI Liang-yu
摘　要              本文针对无线传感器网络中主动休眠节点的唤醒方法存在网络寿命短，同步精度差的缺点，提出了一种基
于部分覆盖的主动休眠节点唤醒方法。该方法先对网络节点的时钟偏移和通讯时延进行测量，通过同步算法对网络节点进行精确同步。然后根据数据的收发情况判断节点状态，如果数据收发失败，则在网络中存在主动休眠节点，需要周期性地将唤醒分组发送到对应的节点，以实现休眠节点的唤醒。仿真实验结果表明，该方法能够唤醒无线传感器网络中的主动休眠节点，具有较长的网络生存期和较高的同步精度。
关键词                  无线传感器网络；主动休眠；节点唤醒；网络生存期
doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2020.04.055
* 中山职业技术学院 广东中山 528400
0  引言
无线传感器网络通常是由大量传感器节点组成的无线通信自组织网络。它通过多跳传输节点数据信息给汇聚节点或用户，广泛应用于军事、环境、空间探索等领域tcp ip协议分析及应用
[1]
。基于同
步通讯的无线传感器网络要求节点时钟同步，而网络中的每个节点都有自己的本地时钟，如果不同传感器节点的晶振频率发生偏差，将导致在一定时间内实现同步的节点发生偏差。因此，有必要提高同步精度，使传感器节点能够同步休眠或唤醒，从而起到节能的作用
[2]
。近年来，无线传感器网络的
同步问题引起了众多学者的关注，并产生了大量的研究成果，但在实际应用中仍存在较大的误差[3]。
1  相关工作
在网络技术飞速发展的时代，人们对无线传感器网络的要求越来越高。目前，无线传感器网络中主动休眠节点唤醒方法的研究主要有以下几个方面：
孙泽华等在参考文献[4]中提出了一种基于网络覆盖的主动休眠节点唤醒方法。该方法不仅可以降低网络能耗，而且可以保证无线传感器网络的监测覆盖率，但该方法存在同步精度差的问题。张昱等在文献[5]中提出了一种主动休眠节点的低功耗唤醒方法。该方法利用大量的无线传感器节点来监测和采集数据，
大大降低了传感器节点的功耗，但这种方法过于简单，存在网络寿命短的问题。刁鹏飞等在文献[6]中提出了基于多目标算法的无线传感器网络主动休眠节点唤

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