卫星传输的INTERNET

发布: 2010-10-20 00:52 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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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》