TCP-HORUS：基于独立包丢失率与延迟判据的动态分拆TCP性能优化研究

《IEICE Transactions on Communications》：TCP-HORUS: A dynamic splitting TCP utilizing packet loss rate and latency

为解决高丢包率、高延迟无线链路（如卫星通信）导致的TCP吞吐量显著下降问题，研究人员开展名为TCP-HORUS的动态分拆TCP技术研究。该方法通过独立评估包丢失率（Packet Loss Rate）和延迟（Latency）参数，实现中继设备的智能部署。实验表明，在混合链路环境中TCP-HORUS比传统TCP-DOPPEL+提升吞吐量最高达20.6%，为动态网络环境下的传输控制提供了新思路。

　　

随着无线通信技术的快速发展，卫星通信等具有高丢包率和高延迟特性的无线链路在当代网络中的占比显著提升。传统基于端到端（End-to-End, E2E）原则的TCP通信协议在面对此类链路时，由于重传控制机制效率低下，会导致吞吐量严重下降。尽管已有研究提出通过动态分拆TCP连接以优化性能，但现有方法如TCP-DOPPEL+使用包丢失率与延迟的乘积作为分拆阈值，存在参数测量偏差时难以实现最优中继设备部署的问题。

为此，广岛市大学的研究团队在《IEICE Transactions on Communications》上发表了题为“TCP-HORUS: A Dynamic Splitting TCP Utilizing Packet Loss Rate and Latency”的论文，提出一种新型动态分拆TCP方法——TCP-HORUS。该方法创新性地将包丢失率和延迟作为独立判据，通过动态调整分拆设备位置，显著提升了混合链路环境下的传输效率。实验结果表明，在带宽为1024 Mbps的9跳路径中，TCP-HORUS比TCP-DOPPEL+的吞吐量最高提升20.6%，且在无线链路位置动态变化的环境中表现稳定。

研究团队通过三个核心技术模块实现TCP-HORUS的智能分拆功能：“基于包丢失率与延迟的动态分拆功能”“包丢失率估计功能”和“延迟估计功能”。包丢失率估计通过捕获预设数量数据包的序列号，基于未观测重传包数量计算丢失率（公式1）；延迟估计则利用通知包的往返时间（Round-Trip Time, RTT）的一半作为链路延迟值（公式2）。所有中继设备周期性地激活测量功能，当任一参数超过预设阈值时自动转换为分拆设备。

4.2.1 第一实验前半段结果

通过Mininet虚拟网络环境对比E2E、固定分拆、TCP-DOPPEL+、TCP-HORUS和全分拆方法的吞吐量。实验前半段设置L₂和L₄为高丢包链路（丢包率0.10%，延迟10 ms）。TCP-HORUS的平均吞吐量较固定分拆（R₃和R₆作为分拆设备）提升26.0%，较TCP-DOPPEL+提升20.6%。其箱线图显示数据分布集中高位，表明性能稳定。

4.2.2 第一实验后半段结果

后半段将高丢包链路调整为L₅和L₇。TCP-HORUS吞吐量仍优于固定分拆（提升17.6%）和TCP-DOPPEL+（提升5.16%），但差异缩小。原因是分拆设备靠近目的端时反馈环长度接近E2E，限制了性能提升空间。

4.2.3 整体实验结果

全程统计显示TCP-HORUS平均吞吐量较固定分拆提升22.4%，较TCP-DOPPEL+提升13.8%。性能优势主要来源于前半段实验，证明其对网络状态变化的适应能力更强。

4.2.4 不规则链路布局实验

在随机分布高丢包链路的环境中，TCP-HORUS的中位数吞吐量显著高于TCP-DOPPEL+。原因是其独立参数判据避免了因包丢失率测量误差导致的分拆失效问题。全分拆方法虽吞吐量最高（较HORUS高7.6%），但平均CPU占用率达30%（HORUS仅为7.6%），资源效率劣势明显。

讨论

研究指出，实际网络中高延迟常伴随高丢包率，但缓冲区溢出等场景可能导致高丢包低延迟的特殊情况。TCP-HORUS的独立参数判据可覆盖此类边缘场景。此外，实验显示当超过半数链路为高丢包时，HORUS的CPU占用率（13%）仍显著低于全分拆方法（32%），证明其在吞吐量与资源开销间取得良好平衡。

结论表明，TCP-HORUS通过独立评估包丢失率与延迟，实现了动态网络环境下分拆设备的精准部署。该方法为混合链路TCP优化提供了新范式，未来工作将聚焦于时间同步协议的集成与HORUS兼容设备的自动识别机制开发。