专利名称：适用于集成卫星通信系统的传输控制协议连接分裂方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于临近空间平台与卫星集成通信系统的传输控制协议连接分裂方法，本发明基于临近空间平台系统实现了传输控制协议连接分裂改进，有效降低了网络拥塞，提高了空间通信网络吞吐量，在航天、航空、军事及社会经济等领域具有较好的转化应用前景，属于卫星通信技术领域。
背景技术：
卫星通信是地球上多个地球站(包括陆地、水面和大气层)利用空中人造通信卫星作为中继站而进行的无线电通信。通信卫星由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制、遥测和指令、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。临近空间平台是静止在海拔15公里到30公里之间的一个带有有效负载的空中无人教室的通信中继平台。最近研究表明了这样一种可能性，利用高空平台作业作为和直接访问卫星系统带宽服务的地面电话的一个补充或者替代。到目前为止，它已经被考虑作为卫星的有效成本替代。基于高空平台作业通信架构的卫星通常在光纤网络不可用的偏远地区提供回程链路。一个混合的临近空间平台-卫星通信系统架构中，临近空间平台可以用于直接提供移动服务，以及提供支持带宽混合服务的卫星。对一个传统的混合临近空间平台-卫星通信系统而言，传输控制协议连接吞吐量可以表示如下B = ^
RTT V 2P上式中，MSS是传输控制协议段大小，RTT是往返时延，而P是数据包的丢失概率。 这里的RTT可以按照如下公式计算RTT = 2 X (TC_HC+THC_S+TS_HS+THS_S) + τ extraNF式中，TC_HC是客户端主机与客户端临近空间平台之间考虑到了传输，传播，队列等的延时，Tre_s是客户端临近空间平台与卫星之间考虑到了传输，传播，队列等的延时，1^是卫星和服务器临近空间平台之间考虑到了传输，传播，队列等的延时，THS_S是服务器临近空间平台与服务器主机之间考虑到了传输，传播，队列等的延时，而、xteaNF是链路中额外时延，此处可以不予考虑。
发明内容
技术问题依据上述所述由于空天网络环境下，传输控制协议连接发送过程中， RTT依赖于通道发送速率，发送窗口增长过慢，导致系统吞吐量等性能较差。本发明提供了一种混合临近空间平台-卫星通信系统上的传输控制协议连接分裂方法，它采用基于临近空间平台隐藏卫星链路传播时延，伪确认数据包首部的确认标志来增快传输控制协议发送窗口增长，来解决由于无线网路环境等因素对传输控制协议连接发送过程中拥塞窗口增长过慢的问题，有效降低了网络拥塞，提高了空间通信网络吞吐量。
技术方案本方法在于提出临近空间平台系统来分裂终端之间的传输控制协议连接，临近空间平台系统会位于卫星链路上(因此所有流经卫星链路的流量都会经过临近空间平台)，目的是将主机和他们相应的临近空间平台和卫星系统之间的端到端传输控制协议连接分裂成三部分。如图1所示。传输控制协议连接建立后，客户端主机向服务器主机传送数据时，数据经过临近空间平台系统，临近空间平台系统收到数据后，立刻向客户端主机发送数据包首部的确认标志确认，并存储转发数据，而客户端主机收到数据包首部的确认标志确认后，即增加发送窗口，而不必等对方主机确认。实现了传输控制协议连接分裂，即隐藏从终端用户传输控制协议栈到卫星链路传播时延。这样在一个较小延时的路径上，数据包首部的确认标志会以一个更快的速度到来， 发送端的滑动窗口增长会更快。此外，增长的带宽利用率也是同样的原因。由于任何主机发送的数据已经确认而重传需求都直接由临近空间平台完成，终端主机从相对高卫星通道误码率中独立。这就允许终端主机的滑动窗口增长以一个更正常的速率增长，而不是因为延缓拥塞技术而减少。而且一旦发送丢包或重传，只会影响链路上的传输控制协议连接，其余部分不受影响，因此对整个系统影响较小。一、体系结构基于本发明的混合临近空间平台-卫星通信系统是由客户端主机，客户端临近空间平台系统，卫星系统，服务器端临近空间平台，服务器端主机等五大部分组成。如图所示 1。下面我们给出几个主要部分的具体说明(1)客户端主机其任务是发送连接请求及发送数据，与客户端临近空间平台系统之间有传输控制协议子连接，可根据客户端临近空间平台的确认增加传输控制协议发送窗口。(2)客户端临近空间平台系统连接客户端主机与卫星系统，分裂传输控制协议连接，负责对客户端主机请求的确认和数据的接收存储转发工作，与客户端主机之间有子连接，与服务器端临近空间平台之间有子连接，可接收服务器端主机的请求与确认，从而修改发送速率等功能。(3)卫星系统提供卫星链路，完成数据接收和发送。(4)服务器端临近空间平台系统连接服务器端主机与卫星系统，分裂传输控制协议连接，负责对服务器端主机请求的确认和数据的接收存储转发工作，与服务器端主机之间有子连接，与客户端临近空间平台之间有子连接，可接收客户端主机的请求与确认，带有两个计时器进程，满足超时重传，避免发送重复请求以及确认客户端临近空间平台工作状态等功能。(5)服务器端主机其任务是接收及确认连接请求及数据，与服务器端临近空间平台系统之间有传输控制协议子连接，可以发出重传请求。二、方法流程在混合临近空间平台-卫星通信系统上分裂传输控制协议连接，通过分裂传输控制协议隐藏卫星链路大时延，通过临近空间平台优先确认数据包首部的确认标志来增快客户端传输控制协议发送窗口，在系统运行前先进行传输控制协议三次握手连接，系统运行后的具体步骤为步骤1.首先客户端向服务器端发出连接请求握手信号1 ；步骤2.请求握手信号1达到临近空间平台-客户端后，临近空间平台-客户端将请求握手信号1转发至临近空间平台-服务器端；步骤3.临近空间平台-服务器端将请求握手信号1转发至服务器端；步骤4.服务器端接收到请求握手信号1后，服务器端向客户端发出确认数据包首部的确认标志-握手信号1，确认已收到连接请求握手信号1，并将打开连接；步骤5.确认数据包首部的确认标志-握手信号1到达临近空间平台-SERER后， 打开与服务器端的连接，并将确认数据包首部的确认标志-握手信号1转发至临近空间平台1;步骤6.临近空间平台-客户端收到确认数据包首部的确认标志握手信号1后，打开与临近空间平台-服务器端的连接，并将确认数据包首部的确认标志握手信号1转发至客户端；步骤7.客户端收到确认数据包首部的确认标志-握手信号1后，客户端打开与临近空间平台-客户端的子连接，并将确认信号数据包首部的确认标志1发给服务器端；步骤8.当客户端尝试与服务器端建立传输控制协议连接时，临近空间平台-客户端和临近空间平台-服务器端必须是在其路径上；步骤9. 一旦进入“连接建立”状态，客户端向临近空间平台-客户端发送数据，初始窗口可以设为2，这样可以在慢启动阶段更快的增长；步骤10.如果临近空间平台-客户端收到传输控制协议数据包，则保存在一个报文段中，并向客户端发送数据包确认数据包首部的确认标志；否则发出重传请求；步骤11.当客户端收到数据包首部的确认标志后，每收到一个报文段的确认，拥塞窗口增加一个报文段，直到分组注入网络的速率更合理；步骤12.收到数据包的临近空间平台-客户端将数据包传输给临近空间平台-服务器端，临近空间平台-客户端最初的传输速率是一个固定值，小于通道的有效带宽，但是可以根据数据传输进行修改和流量控制；步骤13.当临近空间平台-服务器端从临近空间平台-客户端处接收数据包，将它们放在列表中，由传输控制协议序列号来管理；临近空间平台-服务器端有一个计时器进程，定期扫描传输控制协议列表段，如果发现有缺失部分，又是由于信道损耗或传输错误造成的，就发送一个丢包重传请求到临近空间平台-客户端，此外计时器设定了一个时间，以避免发送两个相同的请求；临近空间平台-服务器端还具有进一步计时器的进程，如果它不能再固定的时间间隔内收到临近空间平台-客户端的数据包，在连接建立时，它会发送一个数据包首部的确认标志为最后收到的传输控制协议段来测试其是否仍然在工作；步骤14.在临近空间平台-客户端端启动一个固定的数据传输速率，如果它接受到临近空间平台-服务器端的重发请求时，降低发送速率；相反则增加速率至最大值；步骤15.收到数据包的临近空间平台-服务器端发送传输控制协议报文段到服务器端，使用标准传输控制协议协议；步骤16.如果服务器端没有收到传输控制协议报文段，要求临近空间平台-服务器端重传那些没有收到的报文段；步骤17.如果收到重传请求，临近空间平台-服务器端停止传输，直到服务器端确认收到请求的数据包，完成本次数据传输的全过程。有益效果本发明提出了一种适用于混合临近空间平台-卫星通信系统的传输控制协议连接方法，来解决由于无线网路环境等因素对传输控制协议连接过程中拥塞窗口增长过慢的问题。有效降低了网络拥塞，提高了空间通信网络吞吐量。传统的传输控制协议连接受制于卫星链路的长时延，吞吐量低，改进的算法将主机和他们相应的临近空间平台和卫星系统之间的端到端传输控制协议连接分裂成三部分。 通过分裂机制独立出主机和临近空间平台连接，隐藏卫星链路时延，优先确认数据包首部的确认标志，让发送窗口以更快的速度增长，从而达到降低网络拥塞，提高吞吐量的目的。因此，本发明的有益效果主要包括有效降低了网络拥塞，提高了空间通信网络吞吐量，适用于异构通信环境如无线传感网络、自组织网络等，在航天、航空、军事及社会经济等领域具有较好的转化应用前景。
图1是根据本发明的混合临近空间平台-卫星通信系统主要单元的方框图，主要由客户端主机，客户端临近空间平台系统，卫星系统，服务器端主机等五大部分组成。图2是根据本发明的传输控制协议分裂示意图。图3是基于混合临近空间平台-卫星通信系统下的传输控制协议连接分裂算法的流程图。
具体实施例方式为了方便描述，我们假定如下应用实例，如图所示系统包括一颗卫星，两个临近空间平台(临近空间平台-客户端，临近空间平台-服务器端)和两个终端主机(客户端-服务器端)。应用于整个混合临近空间平台-卫星通信系统的传输控制协议连接分裂方法，其具体步骤如下步骤1.首先客户端向服务器端发出连接请求握手信号1 ；步骤2.请求握手信号1达到临近空间平台-客户端后，临近空间平台-客户端将请求握手信号1转发至临近空间平台-服务器端；步骤3.临近空间平台-服务器端将请求握手信号1转发至服务器端；步骤4.服务器端接收到请求握手信号1后，服务器端向客户端发出确认数据包首部的确认标志握手信号1，确认已收到连接请求握手信号1，并将打开连接；步骤5.确认数据包首部的确认标志握手信号1到达临近空间平台-服务器端后， 打开与服务器端的连接，并将确认数据包首部的确认标志握手信号1转发至临近空间平台 1 ；步骤6.临近空间平台-客户端收到确认数据包首部的确认标志握手信号1后，打开与临近空间平台-服务器端的连接，并将确认数据包首部的确认标志握手信号1转发至客户端；步骤7.客户端收到确认数据包首部的确认标志握手信号1后，客户端打开与临近空间平台-客户端的子连接，并将确认信号数据包首部的确认标志1发给服务器端；步骤8.当客户端尝试与服务器端建立传输控制协议连接时，临近空间平台-客户端和临近空间平台-服务器端必须是在其路径上；步骤9. 一旦进入“连接建立”状态，客户端向临近空间平台-客户端发送数据，初始窗口可以设为2，这样可以在慢启动阶段更快的增长；步骤10.如果临近空间平台-客户端收到传输控制协议数据包，则保存在一个报文段中，并向客户端发送数据包确认数据包首部的确认标志；否则发出重传请求；步骤11.当客户端收到数据包首部的确认标志后，每收到一个报文段的确认，拥塞窗口增加一个报文段，直到分组注入网络的速率更合理；步骤12.收到数据包的临近空间平台-客户端将数据包传输给临近空间平台-服务器端，临近空间平台-客户端最初的传输速率是一个固定值，小于通道的有效带宽，但是可以根据数据传输进行修改和流量控制；步骤13.当临近空间平台-服务器端从临近空间平台-客户端处接收数据包，将它们放在列表中，由传输控制协议序列号来管理；临近空间平台-服务器端有一个计时器进程，定期扫描传输控制协议列表段，如果发现有缺失部分，又是由于信道损耗或传输错误造成的，就发送一个丢包重传请求到临近空间平台-客户端，此外计时器设定了一个时间，以避免发送两个相同的请求；临近空间平台-服务器端还具有进一步计时器的进程，如果它不能再固定的时间间隔内收到临近空间平台-客户端的数据包，在连接建立时，它会发送一个数据包首部的确认标志为最后收到的传输控制协议段来测试其是否仍然在工作；步骤14.在临近空间平台-客户端端启动一个固定的数据传输速率，如果它接受到临近空间平台-服务器端的重发请求时，降低发送速率；相反则增加速率至最大值；步骤15.收到数据包的临近空间平台-服务器端发送传输控制协议报文段到服务器端，使用标准传输控制协议协议；步骤16.如果服务器端没有收到传输控制协议报文段，要求临近空间平台-服务器端重传那些没有收到的报文段；步骤17.如果收到重传请求，临近空间平台-服务器端停止传输，直到服务器端确认收到请求的数据包，完成本次数据传输的全过程。
权利要求
1. 一种应用于集成卫星通信系统的传输控制协议连接分裂方法，其具体步骤如下 步骤1.首先客户端向服务器端发出连接请求握手信号1 ；步骤2.请求握手信号1达到临近空间平台-客户端后，临近空间平台-客户端将请求握手信号1转发至临近空间平台-服务器端；步骤3.临近空间平台-服务器端将请求握手信号1转发至服务器端； 步骤4.服务器端接收到请求握手信号1后，服务器端向客户端发出确认数据包首部的确认标志-握手信号1，确认已收到连接请求握手信号1，并将打开连接；步骤5.确认数据包首部的确认标志-握手信号1到达临近空间平台-SERER后，打开与服务器端的连接，并将确认数据包首部的确认标志-握手信号1转发至临近空间平台1 ； 步骤6.临近空间平台-客户端收到确认数据包首部的确认标志_握手信号1后，打开与临近空间平台-服务器端的连接，并将确认数据包首部的确认标志_握手信号1转发至客户端；步骤7.客户端收到确认数据包首部的确认标志-握手信号1后，客户端打开与临近空间平台-客户端的子连接，并将确认信号数据包首部的确认标志1发给服务器端；步骤8.当客户端尝试与服务器端建立传输控制协议连接时，临近空间平台-客户端和临近空间平台-服务器端必须是在其路径上；步骤9. 一旦进入“连接建立”状态，客户端向临近空间平台-客户端发送数据，初始窗口可以设为2，这样可以在慢启动阶段更快的增长；步骤10.如果临近空间平台-客户端收到传输控制协议数据包，则保存在一个报文段中，并向客户端发送数据包确认数据包首部的确认标志；否则发出重传请求；步骤11.当客户端收到数据包首部的确认标志后，每收到一个报文段的确认，拥塞窗口增加一个报文段，直到分组注入网络的速率更合理；步骤12.收到数据包的临近空间平台-客户端将数据包传输给临近空间平台-服务器端，临近空间平台-客户端最初的传输速率是一个固定值，小于通道的有效带宽，但是可以根据数据传输进行修改和流量控制；步骤13.当临近空间平台-服务器端从临近空间平台-客户端处接收数据包，将它们放在列表中，由传输控制协议序列号来管理；临近空间平台-服务器端有一个计时器进程，定期扫描传输控制协议列表段，如果发现有缺失部分，又是由于信道损耗或传输错误造成的，就发送一个丢包重传请求到临近空间平台-客户端，此外计时器设定了一个时间，以避免发送两个相同的请求；临近空间平台-服务器端还具有进一步计时器的进程，如果它不能再固定的时间间隔内收到临近空间平台-客户端的数据包，在连接建立时，它会发送一个数据包首部的确认标志为最后收到的传输控制协议段来测试其是否仍然在工作；步骤14.在临近空间平台-客户端端启动一个固定的数据传输速率，如果它接受到临近空间平台-服务器端的重发请求时，降低发送速率；相反则增加速率至最大值；步骤15.收到数据包的临近空间平台-服务器端发送传输控制协议报文段到服务器端，使用标准传输控制协议协议；步骤16.如果服务器端没有收到传输控制协议报文段，要求临近空间平台-服务器端重传那些没有收到的报文段；步骤17.如果收到重传请求，临近空间平台-服务器端停止传输，直到服务器端确认收到请求的数据包，完成本次数据传输的全过程。
全文摘要
一种应用于混合临近空间平台-卫星通信系统的传输控制协议连接分裂方法，采用临近空间平台系统来分裂终端之间的传输控制协议连接，将主机和他们相应的临近空间平台和卫星系统之间的端到端传输控制协议连接分裂成三部分。通过分裂机制独立出主机和临近空间平台连接，隐藏卫星链路时延，优先确认数据包首部的确认标志，让发送窗口以更快的速度增长，从而达到降低网络拥塞，提高吞吐量的目的。所述的混合临近空间平台-卫星通信系统至少包括客户端主机，客户端临近空间平台系统，卫星系统，服务器端临近空间平台系统，服务器端主机。通过这一系统，最终达到提高传输控制协议性能的要求。
文档编号H04L29/06GK102571781SQ20111044932
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者叶晓国, 孙力娟, 李鹏, 王汝传, 王苏丹, 肖甫, 郭剑 申请人:南京邮电大学