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卫星传输的INTERNET

2/14/2005
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卫星传输的INTERNET(秦迎) 近年来,互联网的应用与日俱增,给人们的生活带来新的变革,也为卫星通信带来新 的发展空间。卫星通信的优势与网络技术有机结合,将使Internet的应用更为广泛。本文 论述了卫星通信的特点及优势、Internet的网络结构,以及卫星Internet的接入方式,并 介绍了Internet协议中所涉及提高卫星Internet效率的几个机制。 1卫星通信的特点和优势 通信卫星一般位于赤道上空36000km的同步轨道。信号从一个地面站到另一地面站需要 239.6ms,往返路径时延(RTT)为558ms,信号传输的RTT是信号发出并得到相应应答的时 延,并不只是卫星传输带来的,还包括其他因素,如网络中其他路经时延、在网关排队等 待时间等。如果路径中包括多个卫星信道,时延就会更长。由于卫星信道反馈回路时延长, TCP发端需要很长时间来确认数据包是否被正确接收。这种时延对交互式的应用极为不利。 如对TCP拥塞控制算法的应用就十分不便。 卫星信道具有噪声和带宽两个特点: (1)噪声 卫星信道的路径衰减较大,信噪比相对较低,一些频率点的信号易受而衰影响,卫星 链路的误码率一般低于10-7。现在很多卫星业务采用编码技术,使误码率进一步降低,有 望接近光纤的传输性能。 (2)带宽 无线带宽是一个有限资源,卫星频带十分有限。现在使用的卫星频带主要有C波段和Ku 波段,Ka波段也将在最近几年扩大使用。 尽管卫星通信具有噪声大、带宽窄的缺点,但更具有其本身的特点及光纤无法代替的 优越性:(1)覆盖面十分广阔;(2)无处不在,尤其是边远地区。光纤及其它传输、媒 体很难达到;(3)可以点到多点传输,达到广播的效果;(4)成本低,卫星链路的成本 与传输距离无关。同时卫星链路支持不对称传输链路,这都降低了通信成本。因此,卫星 通信已成为Internet连接一种不可缺少的手段。 2卫星Internet的接入方式 Internet通过卫星接入有两种方式:(1)网络接入点(NAP)间连接,或大型因特网 业务提供商(ISP)远程接入;(2)通过VSAT,对边远地区的小ISP提供连接。 2.1NAP间连接或大型ISP远程接入 由于目前大量网上信息都在北美,通过卫星即可直接建立与北美的高速Internet链路。 这些链路的速率可以是对称的,也可以非对称。又由于Internet上的传输大多为非对称的 (即两个方向上的业务量不一样),而卫星传输也具有这种特点,利用它可降低传输费用。 在非对称电路中,需要考虑的问题包括:Modem的时钟、路由器与Modem的接口,以及地面 线路传输。 (1)时钟 调制器端时钟有:从地面网络提取、Modem内部时钟(精度不高)和接入外部时钟 (精度较高)三种。解调器端时钟有:从地面网络提取(同调制器时钟,非对称业务除 外)、内部时钟、接入外部时钟和从卫星输入信号中提取四种。由于路由器无法提供时 钟,在无外部时钟情况下,调制器只能利用内部时钟,解调器则可利用卫星输入信号。 经实验证明,低于45Mb/s的传输是可以满足的。 (2)接口 2Mb/s以下的信息传输可用V.35、 RS-449或G703、704;对高于2Mb/ S特别是高 于6Mb/s的速率,则要使用高速率串行接口(HSSI),且传输距离最长为6m,地面站要 安装路由器。另外,由于Modem本身不产生握手信号,要用适配器来产生,这就需要数字 服务单元/信道服务单元(DSU/CSU)。DSU/CSU一端与V.35、RS-449或HSSI接口,再 与路由器相连;另一端则提供G703接口接入地面网。由于其处理信息速率固定,对于两 种不同速率的非对称传输,则需要两个DSU/CSU。 (3)地面传输 地面传输可利用PDH或SDH网络进行。 2.2通过VSAT对边远地区小ISP提供连接 VSAT终端安装简单易行,非常适于点到多点的传输方式。对于一些偏远地面线路难 以达到的点,可利用VSAT通过卫星插入Internet。而一些Internet信息传输特点更适于 点到多点的多波传达室输方式,如电视、股票、远程、教育等。 3通过卫星信道的TCP/IP 3.1低阶通道的协议改动 在低阶通道(即链路层),使用识别传输路径中最大的传输单元(MTU)和前向纠错 (FEC)两种算法来提高TCP的性能。 (1)MTU MTU主要用来确定给定网络中某一连接所用的最大分组尺寸。这个尺寸不受IP分片的 支配。信源机发出一个分组,其大小适应所连接的本地网络,并置IP分片值为不分片。 如果到某一网关时发现该包过大,该网关不是将数据包分片,而是返回一个TCMP(网间 网控制报文协议)信息包给信源,指出原分段因尺寸过大而无法传输,同时给出能通过 该网关继续传输的最大尺寸。识别传输路径中的MTU将允许TCP使用最大可能的传输尺寸, 从而减小因分片和重组带来的开销。同时,TCP的拥塞控制窗口是以段为单位的,较大分 段也使TCP信源机的拥塞控制窗口增加得快一些。 MTU的缺点在于确定网络传输允许最大尺寸的时间较长,使卫星链路的时延加剧。在 实际中,由于带宽较大,这一过程花费的时间并不多。另外,平时也可存上一些MTU的值, 必要时就可省去找出MTU的时间。 (2)FEC 在TCP协议中,一个很小的数据丢失也被认为是拥塞,并减小TCP的拥塞窗口。在卫 星链路中,拥塞窗口的增加是根据返回的确认,TCP要花费很长时间来恢复。因此,当数 据包丢失是传输错误而不是拥塞引起时,就不需要减小窗口尺寸。这一识别技术现在还 不成熟,要想使TCP运行有效,就要保障链路质量。在卫星链路中,通常使用FEC来改善 误码率。卫星通道时延长,从信源机返回认可需要的时间更长,因此TCP要花费相当长的 时间恢复一个丢包引起的拥塞。 3.2 TCP/IP协议 (1)拥塞控制 拥塞是网关数据报超载所引起的严重延迟现象,是子网能力严重不足的体现,一旦 发生拥塞,网关将抛弃数据报,导致重发。大量重发又会进一步加剧拥塞。这种恶性循 环有可能导致整个网间网无法工作,即拥塞崩溃。 TCP协议是一种面向连接的传输过程,发方每发出一个分组都需要得到收方确认。 TCP的流量控制采用滑动窗口协议,基本原理是:滑动窗口内含有一组顺序排列的报文 序号,在发送端,窗口内报文序号对应的报文可以连续发送。这些报文包括已发送但未 得到确认、未发送但可连续发送和已发送且已得到确认三种。由于本窗口中前面尚有未 确认的报文,一旦窗口前面报文得到确认,窗口向前滑动相应位,落入窗口的后续报文 又可连续发送。在接收端,窗口内的序号对应于容许接收帧。窗口前的帧是已收到且已 发回确认的帧,不容许接收;窗口后的帧要等待窗口滑动后,才能接收。为了使流控有 效、信道效率提高和避免拥塞,TCP采用慢启动、拥塞规避、快速启动和快速恢复四种 拥塞控制机制,通过调整窗口尺寸来控制流量,避免拥塞,并充分利用信道。信源机用 拥塞窗口(cwnd)和慢启动门限(ssthresh)两变量来控制流量。cwnd受信宿机通告窗 口的限制,也是发送窗口的最大极限。cwnd的增减根据网络中现有的拥塞状况而定。当 cwnd<ssthresh时,通过慢启动算法增加cwnd;当cwnh≥ssthresh时,则使用拥塞规避 的算法。ssthresh初始化为信宿机通告窗口,检测到拥塞后,才设置ssthresh值。 (2)慢启动和拥塞规避 在建立一条新链接时,为了避免拥塞时使用慢启动算法,cwnd初始化为1,ssthresh 为信宿机通告窗口。这样,强迫TCP每发一个数据段就等待相应的确认(ACK),随着每 收到一个确认,cwnd加此一直迟续到。wnd≥ssthresh减者检测到丢包现象。当cwnd≥ ssthresh时,用拥塞规避算法增加cwnd。在拥塞规避中,cwnd增长得非常缓慢,每收到 一个ACK,cwnd只增加1/cwnd。假设每发一段即收到一个ACK,cwnd在一个往返时间内 增加一段。 由于卫星通道的时延长,上述两种算法将导致信道利用率极低。例如,连接建立开 始时发一段,并等相应的ACK,至少需要500ms,慢启动所用时间严重超过地面线路情况。 拥塞规避也存在同样情况,这同样说明识别传输路径MTU的重要性。在上述两种算法中, 是确定段的数量而不是段的长度,使用较长的段可以提高TCP性能。 3.3快速重发和快速恢复 如果信源机在一给定时间内(重传超时RTO)没有收到确认,该段将重传。RTO是根 据RTT确定的。另外,超时发生后, TCP将认为网络拥塞,置ssthresh=1/2cwnd, cwnd=1,慢启动开始,直到cwnd等于原1/2cwnd,然后再使用拥塞规避算法,以检测 网络中的剩余容量。 TCP总是给序号最高的段确认,也就是X段的ACK表示≤X的段的确认。另外,若收 编的段序号不按顺序,ACK将应答给按顺序中的最高序号段。例如11段丢失,12段收到, 则信宿机再发~个10段的确认。快速重发就是利用重复确认来检测丢失数据段,若收到 3次重复,TCP就认为这个段确实丢失,不等RTO到时,就重发丢失段。快速重发后,通 过快速恢复算法调整拥塞窗口:先置ssthresh=1/2cwnd,直到cwnd等于原1/2cwnd, 最后每收到一个确认,cwnd+1,一旦cwnd允许,TCP就发送新的数据。因此检测到丢失 后,TCP将以一半的速率传输数据。一般来说,每个窗口内丢失一个数据段,可使用快 速重发。若丢失多个数据段,则要等RTO超时再进行重发,重发后将进入侵启动状态。 TCP对于拥塞的处理方式根据拥塞检测的方式而定。上述四种拥塞控制算法都需要 花费一定的时间来验证网络的传输能力,这必将引起带宽的浪费,特别是在时延长的卫 星链路中。为了避免拥塞崩溃,权衡整个网络的利弊,如何使用好这四种方法十分关键。 3.4较大的窗口尺寸 TCP的吞吐量受下列限制:吞吐量=窗口尺寸/往返时延;当最大窗口尺寸为65 535 byte时,吞吐量=65 535/560ms=117 027byte/s。因此,即使在T1的卫星链路中 (≈192kbyte/s),使用最大的窗口尺寸也将造成信道的浪费,同时还要调整缓冲区 的尺寸。 3.5选择确认(SCAK) SCAK是 TCP信宿机用于向 TCP信源机准确通告哪一个数据包没有收到,使TCP迅速 发现丢失段,以避免不必要重发的手段。 在卫星信道中,快速重发能对每个窗口丢失的一个数据进行补救,如果多段丢失, 信宿机则需要等到超时后,才能确定那个段需要重传,然后再使用慢启动重发数据, 这样做相当浪费时间。使用SCAK后,信宿机在其后第一往返时间内就可知道是哪一个 段丢失,立即进行传输,避免了慢启动带来的延时。 摘自《电信快报》