普通TCP是为“短时延、高可靠、低误码”的地面网络设计的，而卫星TCP则必须在一个“长时延、高带宽、高误码”的链路上运行。
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为了在恶劣的卫星链路环境下有效工作,卫星TCP必须对普通TCP进行大量的修改和优化。
下面我们从几个关键维度进行详细对比：
核心问题：链路特性的巨大差异
这是所有区别的根源,我们先来看一下两种链路的典型参数：
| 特性 | 普通TCP (如以太网、4G/5G) | 卫星TCP (如VSAT, Starlink) |
|---|---|---|
| 物理媒介 | 光纤、双绞线、无线电（短距离） | 无线电（长距离，穿过大气层） |
| 传播时延 | 极低 (毫秒级, ms) | 极高 (数百毫秒到秒级, geostationary orbit ~540ms RTT) |
| 带宽时延积 | 低 | 极高 (高带宽 + 高时延) |
| 误码率 | 极低 (10^-9 到 10^-12) | 相对较高 (10^-6 到 10^-8，受天气影响) |
| 连接稳定性 | 相对稳定 | 可能存在间歇性中断、切换、拥塞 |
正是这些差异，导致普通TCP在卫星链路上会“水土不服”。
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普通TCP在卫星链路上的“水土不服”
普通TCP的三大核心机制——慢启动、拥塞控制、快速重传——在卫星链路上会失效或效率极低。
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慢启动 的灾难
- 原理：TCP连接开始时，发送方以一个很小的拥塞窗口（如1个MSS）开始发送，每收到一个ACK，窗口就翻倍，指数级增长,直到达到一个阈值或检测到丢包。
- 在卫星链路的问题：卫星链路的RTT非常高（例如540ms），慢启动需要经过多个RTT才能将窗口撑满，要填满一个1Gbps、RTT为540ms的管道（BDP约67.5MB），慢启动需要花费几十秒甚至更长时间，导致连接建立初期速率极低,用户体验极差。
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拥塞控制 的误判
- 原理：TCP通过检测丢包（超时或收到重复ACK）来判断网络发生了拥塞,并立即降低发送速率。
- 在卫星链路的问题：
- 误报：卫星链路的高误码率会导致数据包损坏和丢失，这不是因为网络拥塞，而是物理信号问题，但TCP无法区分，会误以为是“网络拥塞”，于是错误地降低发送速率,导致吞吐量严重下降。
- 超时重传：由于RTT高，一个超时计时器需要设置得非常长（例如至少2*RTT），一旦发生超时，TCP会认为网络极度拥塞，将拥塞窗口直接降为1，然后重新开始慢启动，这个过程会浪费整个BDP的数据量，造成巨大的吞吐量“悬崖式下跌”。
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快速重传 的效率低下
（图片来源网络，侵删）- 原理：如果发送方收到3个或以上的重复ACK，就立即重传丢失的包,而不必等待超时。
- 在卫星链路的问题：由于高时延，发送方需要更长的时间才能积累到3个重复ACK，在这段时间里，管道几乎是空的,传输效率大大降低。
卫星TCP技术的解决方案与改进
为了解决上述问题，卫星TCP技术主要分为两大类：链路层优化和端到端协议优化。
链路层优化 (最常见、最有效的方法)
这是目前商业卫星互联网（如Viasat, Hughes, Starlink）的主流方案。核心思想是“把问题在TCP协议栈的下面解决掉”。
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工作原理：
- 在用户终端和地面关口站之间，使用一个私有协议（如DVB-S2X, SCPC）进行数据传输。
- 这个私有协议层包含了前向纠错 和链路层ARQ。
- FEC：在发送时加入冗余纠错码，即使部分数据包损坏，接收端也能通过冗余信息直接恢复，而无需重传,这大大降低了TCP层看到的误码率。
- 链路层ARQ：如果FEC无法修复损坏的包，链路层协议会自己请求重传这个损坏的包,完全对TCP层透明。
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对TCP的影响：
- TCP层几乎看不到任何丢包，因为所有错误都在链路层被“修复”了。
- 这样，TCP的拥塞控制就不会被误触发，可以工作在“无丢包”的理想状态。
- 发送方可以持续地以最大窗口大小发送数据,吞吐量接近链路的理论带宽。
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代表技术：TCP over Satellite with FEC and Link-layer ARQ，这是Starlink等低轨卫星系统能够实现高速率、低延迟体验的关键。
端到端协议优化
这类方法试图修改TCP协议本身，使其适应卫星环境，由于需要修改两端（客户端和服务器）的协议栈，实现和部署非常困难,因此主要用于研究或特定场景。
- 主要改进方向：
- 增大初始拥塞窗口：跳过慢启动的初始阶段，直接用一个较大的窗口开始传输,减少达到满速所需的时间。
- 修改超时重传机制：基于更精确的往返时间测量来设置超时计时器,避免过早或过晚的重传。
- 区分丢包原因：尝试通过其他信号（如ECN）或算法来判断丢包是因拥塞还是误码,并采取不同的应对策略。
- 协议扩展：如TCP Westwood, Bic-TCP, Hybla等,都是针对高BDP和高时延场景设计的TCP变种。
总结对比表
| 特性 | 普通TCP | 卫星TCP (链路层优化方案) | 卫星TCP (端到端优化方案) |
|---|---|---|---|
| 设计目标 | 适应地面局域网和城域网 | 适应长时延、高误码的卫星链路 | 适应长时延、高误码的卫星链路 |
| 核心机制 | 慢启动、拥塞控制、快速重传 | FEC + 链路层ARQ，对TCP透明 | 修改TCP算法（如窗口增长、超时） |
| 对丢包的处理 | 视为网络拥塞，降低发送速率 | 在链路层修复或重传，TCP层无感知 | 尝试区分拥塞和误码，针对性处理 |
| 吞吐量表现 | 在卫星链路上极低且不稳定 | 高且稳定，接近物理带宽 | 有所提升，但仍受限于端到端修改 |
| 部署复杂度 | 低，是标准协议 | 高，需要专用硬件和网关 | 极高，需要修改所有终端和服务器 |
| 典型应用 | 互联网、企业内网 | 商业卫星互联网 (Viasat, Hughes, Starlink) | 学术研究、军事通信等特定领域 |
卫星TCP技术并非一个单一的协议，而是一套为克服卫星链路固有缺陷而生的解决方案体系。
- 普通TCP 是一个“天真”的协议,它假设网络是友好且可靠的。
- 卫星TCP技术 则是一个“务实”的体系，它认识到物理链路的残酷性，并选择通过链路层优化（FEC+ARQ）这种最高效、最透明的方式来“欺骗”TCP，让它以为自己在一条完美的线路上运行,从而实现高性能。
当我们谈论现代卫星互联网的低延迟和高速度时，其背后真正的功臣是高效的链路层技术,它巧妙地绕开了TCP协议的固有缺陷。
