[发明专利]一种针对空间数据通信的拥塞控制算法

说明书

本发明公开了一种针对空间数据通信的拥塞控制算法，通过状态机的方式将拥塞控制过程分成四个状态：快速启动阶段、拥塞避免阶段、状态稳定阶段和快速恢复阶段。算法采用扩张计时器和等待计时器的双计时模式，针对拥塞控制过程的不同状态，进行可变窗口设计；针对快速恢复阶段，提出快速恢复曲线。本发明能够改善传统TCP慢启动的过程对于传输速率的影响，克服了丢包后恢复窗口慢恢复的缺点，算法在传输过程中维护了大的发送窗口，能有效提升卫星链路的带宽的利用率和数据传输的实时性，改善通信性能。

技术领域

本发明涉及网络技术领域，特别是指一种针对空间数据通信的拥塞控制算法。

背景技术

近年来，国内自然灾害频发，为了提高电力通信网络抵御自然灾害的能力，满足灾害及突发事件情况下的通信需求，应急通信应运而生。应急通信主要用于电力光缆受到严重破坏时的电力调度业务。在各类应急通信方式中，电力卫星应急通信具有其它通信方式无法比拟的灵活、稳定、抗灾能力强等优势，已经逐渐成为通信技术的重要发展方向。

然而在卫星链路中使用传统的传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)时，卫星链路固有的长时延、高误码、高时延带宽积等缺陷，会导致TCP协议的通信性能严重下降，数据传输实时性较差：

一方面，在传统TCP协议的慢开始阶段，TCP的拥塞窗口(congestion window，cwnd)会根据链路的往返时延(Round-Trip Time，RTT)周期性的倍增，直至达到慢开始门限后进入拥塞避免状态。然而卫星链路中的RTT很大，使得cwnd倍增的速度大幅降低，TCP协议需要在慢开始阶段滞留较长时间后，才能进入拥塞避免状态；

另一方面，卫星链路的高误码率会使得网络的丢包率显著提高，而传统的TCP协议对于丢包的处理方式是将cwnd设置为最小且回退到慢开始状态，导致TCP协议很可能在链路带宽利用率并不高的情况下大幅缩小发送窗口。

综上所述，在卫星链路中使用传统TCP协议会造成带宽资源的极大浪费，从而导致通信性能的严重下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种针对空间数据通信的拥塞控制算法，通过状态机的方式将拥塞控制过程分成四个阶段：快速启动阶段、拥塞避免阶段、状态稳定阶段和快速恢复阶段。算法采用扩张计时器和等待计时器的双计时模式，通过设计不同阶段的窗口变化，克服了传统TCP慢启动的缺点，克服了丢包后恢复窗口需再次慢开始的缺点，同时在传输过程中维护了较高的发送窗口。

本实施例中，通过在发送方加入扩张计时器和等待计时器，每个计时器内统计发送窗口的滑动情况，设计计时器与窗口滑动关系探测网络链路情况，并设计窗口扩张因子α；

所述窗口滑动变化，指接收方接收到数据后，会返回一个ACK报文通过确认号告诉发送方已经完全接收上一轮发送的数据，可以发送下一轮数据。由于TCP协议需要维护可靠传输，已发送的数据需要保存在发送窗口中，直到被接收方确认收到后才从发送窗口清除，即窗口滑动。

所述计时器分为扩张计时器TimeStamp1和等待计时器TimeStamp2，其中等待计时器设置为1个RTT的时长，用于检测在单个RTT内数据是否能够被完全接收；扩张计时器设置为1/N个RTT的时长(N为整数，取值视具体链路类型而定)，用于将RTT分解成多个细小的发送轮次，增加发送速率。同时根据RTT与cwnd计算时延带宽积(Bandwidth-Delay Product，BDP)，对照标准时延带宽积来增大或减小窗口扩张因子。

所述窗口滑动因子α，为本实施例中拥塞控制的关键参数，通过窗口滑动因子动态调整发送窗口大小，实现空间数据传输的性能提升。窗口滑动因子α在本方案的不同阶段具有不同的计算方式，后续实施例对此具体说明。

附图说明