【教学课件】第6章卫星通信网.ppt

现代通信网络,第六章卫星通信网,2,卫星网络宽带化,随着人类社会对信息需求的不断增长，对Internet网络依赖性的不断提高,Internet和宽带综合业务已经逐步取代传统的低速话音和数据业务，成为通信网络中的主要业务。西欧卫星转发器供求情况：,3,卫星宽带通信系统,主要功能：为用户或用户群提供Internet骨干网络的高速接入；作为骨干传输网络，连接不同地理区域的Internet网络。实现方式：使用微波或激光星际链路实现系统的卫星互联；构成空间骨干传输网络。应用特点：由于卫星链路的传输损耗大，在高传输速率情况下，要求用户使用具有较大口径的接收和发射天线；目前卫星宽带系统无法支持手持终端在移动中高速通信。,4,卫星宽带通信系统结构,基本功能：利用卫星通信系统覆盖范围广的特性；将广阔地理范围内离散分布的单个用户或用户群接入到Internet骨干网中。常见卫星通信系统结构：交互式卫星宽带接入系统结构非对称卫星宽带接入系统结构卫星宽带骨干传输系统结构,5,交互式接入结构,6,非对称接入结构,交互式的终端非常昂贵；不断发展的卫星技术使得用户终端的尺寸越来越小，如USAT。采用类似于电视广播卫星协议的结构。用户从网络服务器获取的数据远多于其向网络发送的数据。,7,宽带骨干传输结构,8,TCP协议概况,面向连接的、端对端、进程对进程的可靠传输协议，为用户提供字节流传输服务；基于不可靠的IP服务来提供可靠的数据传输，采用了端对端流量控制、拥塞控制和差错控制机制来保证服务的可靠性。使用滑动窗口协议来实现端对端流量控制；使用慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复算法来完成拥塞控制；使用确认信息包、定时器和重传机制来实现差错控制。,9,滑动窗口协议,接收端公告窗口：即是发送滑动窗口；接收端通告发送端的窗口大小数值。,10,拥塞控制,TCP拥塞控制策略是在20世纪80年代后期由Van Jacobson提出。拥塞控制机制随TCP协议版本的不同而不同。TCP-Reno中拥塞控制：慢启动算法拥塞避免算法快速重传算法快速恢复算法,11,拥塞控制机制,拥塞控制中，TCP发送端维护3个状态变量：拥塞窗口CWND；接收端公告窗口RWND；慢启动门限SSTHRESH；CWND、RWND和SSTHRESH的均是以字节为单位计量。变量功能：CWND用于保证发送端不会使得网络超载；RWND用于保证发送端不会使得接收缓冲器溢出；TCP发送端可以发送的数据量是CWND和RWND之中的最小值。SSTHRESH一般在TCP连接建立时初始化为65535字节。,12,慢启动算法,用途：在一个新建立或恢复的TCP连接上发起数据流；慢启动过程中，拥塞窗口CWND的大小按指数增长。算法描述：当1个TCP连接建立后，CWND被初始化为1个最大报文段长度，发送一个最大报文段长度的数据；在收到确认信号，CWND增加为2个最大报文段长度大小，发送两个最大报文段长度的数据；当两个报文段得到确认后，CWND增加为4个最大报文段长度大小；以此类推，当CWND增大到SSTHRESH时，慢启动结束，进入拥塞避免阶段。,13,拥塞避免算法,在拥塞避免阶段，发送端的CWND在每个往返程时间RTT内增加一个最大报文段长度。拥塞避免阶段，CWND按线性规律增长。当网络拥塞发生时，就会丢失报文段，有两种报文段丢失的指示方法：超时机制是发送端主观判断网络拥塞的方法；重复确认机制是发送端根据接收端的指示判断报文段丢失的方法。,14,超时机制,原理描述：发送端在发送报文段后启动重传定时器；如果定时器溢出时还没有收到确认，发送端就重传该数据报文段；将SSTHRESH重新设置为当前CWND值的一半；重启慢启动过程。,15,重复确认机制,原理描述：接收端收到失序的报文段后，立即产生一个重复确认；对于接收端，由于不知道一个重复确认是由一个丢失的报文段引起的，还是由于仅仅出现了几个报文段的重新排序，因此需要等待少量重复确认到来；假如只是一些报文段的重新排序，则在重新排序的报文段被处理并产生一个新的确认之前，只可能产生1-2个重复确认；如果连续收到3个或3个以上的重复确认，就认为是一个报文段丢失了。,16,其它算法,快速重传算法：此时无需等待定时器的溢出；立即重传丢失的数据报文段。快速恢复算法：快速重传之后；接下来执行拥塞避免算法，而不是慢启动算法。,17,CWND变化举例,18,TCP协议的问题,TCP协议最初是针对地面有线通信网络设计的，网络的延时和误码率都很低。采用确认机制来进行端对端的流量控制和拥塞控制；认为所有的报文段丢失都是由于网络拥塞造成的。TCP协议在卫星网络中性能下降的原因：卫星链路的长延时；卫星网络的大带宽延时积；卫星链路的高误码率；卫星链路的不对称性。,19,长延时的影响,在新的TCP连接建立后，收发双方都不清楚传输网络的业务负载情况。因此使用慢启动来逐步探测传输链路的有效带宽。假设发送的数据报文段的平均长度为1K字节，TCP协议的慢启动过程持续时间为：,20,大带宽延时积的影响,定义：一个TCP连接中，链路的最大有效带宽B与连接的往返程时间RTT之积。功能：说明一个TCP链路在一个RTT内的最大吞吐量。对于卫星网络，需要TCP连接的发送窗口足够大。卫星链路的带宽延时积较大，为了充分利用给定的带宽资源，必须在接收到确认信息之前发送足够多的数据到网络中。,21,高误码率的影响,地面有线传输网的差错率很低；典型的误码率值低于10-10。卫星链路的误码率通常在10-210-6之间（无纠错编码时），且具有突发性。因出错而丢失的报文段必须被重传，因此增加了网络资源的消耗；TCP发送端始终将报文段的丢失理解为网络拥塞，因而降低其传输速率，使得网络资源的利用率急剧下降；反向链路上的确认包丢失将会导致已经接收到的报文段的超时重传，进一步降低协议的吞吐率性能。,22,不对称性的影响,卫星网络中TCP的前向和反向链路在带宽上差别很大。前向链路的有效带宽远大于反向链路的带宽。主要原因：终端成本的限制，高带宽传输的发射功率和天线尺寸需求将使得终端成本大幅度提高；使用较慢的反向链路使得可以设计性价比更高的接收机，可以节约宝贵的卫星链路带宽。当反向链路只具有有限带宽时，确认包的聚集和丢失使得确认信号流具有突发特性，带来3种影响：发送的数据流变得更具突发性；降低拥塞窗口CWND的增长速度；快速恢复机制的效率降低。,23,卫星TCP技术,端对端的解决方法：保持了标准TCP协议的端对端连接特性；对标准TCP协议中一些基本参数的调整及协议的扩展。改进定时机制，采用更先进的流控和分组丢失恢复算法等。基于中间件的解决方法：违背标准TCP协议的端对端连接特性；利用性能增强代理将网络中的长延时和高差错率部分与其余部分隔离；通过在长延时和高差错率部分使用专用的协议来增强系统性能。,24,端对端的解决方法,TCP增强技术；增大初始窗口；字节计数；慢启动后的延迟确认；选择性确认；显式拥塞通告。TCP Vegas；TCP-Peach；空间通信协议标准传输协议SCPS-TP；卫星传输协议STP。,25,增大初始窗口,慢启动时间较长。慢启动算法中初始窗口很小；初始窗口仅为1个最大报文长度MSS。RFC 2414提出按下式确定初始窗口：初始窗口=min4MSS,max(2MSS,4380)增强效果：增大了CWND的初始值后；允许发送端在第一个往返程时间内发送更多的报文；触发更多的确认信号；因此使得拥塞窗口增加得更快。,26,字节计数,字节计数是一种TCP确认计算方式。在TCP协议中，通过确认指示数据是否正确接收；每收到一个确认，就表示有一些数据被正确接收；这些数据叫做这个确认所覆盖的数据。在标准TCP协议中，发送端每接收1个确认，拥塞窗口增加1个MSS。字节计数原理：拥塞窗口的增加数量是由每个确认所覆盖的先前未确认的字节数目来决定的，而不是由确认的数目决定的。字节计数分类：无限字节计数UBC、受限字节计数LBC。增强效果：字节计算的实现需要改动TCP协议栈，违反了RFC 2581建议；使拥塞窗口过快的增加；不能用于共享网络。,27,慢启动后的延迟确认,延迟确认原理：接收端不对每一个收到的报文进行确认；而是收到第2个报文才确认。延迟确认运行结果：在慢启动过程中，TCP发送端根据接收到的确认数目来增加拥塞窗口的大小；延迟确认将接收端发出的确认数目减少一半；因此拥塞窗口大小增加的速度就减慢了。增强效果：在慢启动后才使用延迟确认；在TCP连接主动增加拥塞窗口大小时提供足够的确认；在TCP连接稳定后减少确认数目以节约网络资源。,28,选择性确认,累计确认：若接收的数据不是位于接收窗口的最左边，则不确认。选择确认：一种纠正发生多个数据段丢失时的TCP处理的策略；选择确认目前已成为TCP协议扩展的一部分。增强效果：使用选择确认，接收端可以告诉发送端所有接收成功的数据段序列号；从而使发送端只重发那些确实丢失的数据段；提高了TCP传输的性能。,29,显式拥塞通告,机制原理：在网络开始拥塞时，显式通告机制将IP包头中1bit ECN域设置为1来通知终端节点；终端节点减小其传输速率。增强效果：避免网络出现严重拥塞现象并导致大量报文段的丢失；ECN要求IP支持ECN域及TCP能够获得IP包头中的信息；需要对TCP/IP协议栈中的部分协议进行相应的修改；Internet网络中所有的路由器都需要进行重新设计。,30,基于中间件的解决方法,TCP分裂法,TCP欺骗法,31,基于中间件的问题,信关站所需的缓冲区数量较大；每个连接所需缓存区数量约为卫星链路带宽时延积的2-3倍，还要加上处理所需的开销；每个有效连接大约需要200-500KB的内存。该解决方法破坏了TCP协议的端对端特性；信关站为网络引入了单点故障特性；一个TCP连接的所有报文段都经过特定信关站的路由；没有其他可替代的路由选择。要求信关站成为系统的可信赖设施。如果采用了IP层加密和认证协议；则信关站必须有相应的解密和认证的能力。,32,卫星IP技术,卫星IP技术：将各种卫星业务搭载在TCP/IP协议栈上的技术。主要技术：卫星IP QoS隧道技术异构网络互联卫星星座路由技术卫星网络组播技术,发展历程：TCP/IP协议集在卫星系统中的应用早在20世纪70年代就由SATNET作了首次试验；直到1997年人们才开始认真地研究如何用TCP/IP协议集构造完整、独立的卫星网。,33,卫星IP QoS,对于网络层，基于IP的QoS管理机制分为：差别服务DS：通过配置优先权域来区分服务质量和服务种类。资源预保留协议RSVP：依靠信令来预保留带宽来满足一定的服务质量。在宽带多媒体卫星通信网中，这些控制机制可能会因为卫星链路的一些固有特性而遭到损害。例如静止轨道卫星的长传输延迟。意大利国家电信从99年开始启动在分层卫星网络上的多媒体集成项目。主要研究视频和话音丢包率、抖动和传输率对QoS的影响，以及RSVP的作用。,34,隧道技术,定义：当一个分组A被封装为载荷在另一个分组B中携带时；分组B称为隧道分组，分组A称为原始分组；在隧道分组的信源和信宿之间的转发路径称为一条隧道。用途：用于使分组路由通过异种网络传送到接收方；在不改变现有Internet的基础上支持新的网络功能。,35,隧道技术的应用,隧道技术在宽带卫星IP网络中的应用：将孤立的地面主机通过卫星接入Internet或是与其他孤立的地面主机或网络相连接；小路由器利用隧道技术将其自身所在的局域网LAN通过卫星接入到地面Internet或与其他地面主机/网络相连。,36,异构网络互联,问题描述：一个完全支持IP路由的系统可以很好地支持IP业务；但是却不一定可以很好支持非IP业务；如ATM分组和帧中继分组；IP和ATM异种网络的互联产生了一系列问题；特别是在IP组播路由和QoS管理方面。解决方法：采用组播地址解析服务器MARS；多协议标签交换MPLS已经被证明非常适合于IP-over-ATM的状况，而且很有可能成为ITU推荐的IP-over-ATM的方案。,37,卫星星座路由技术,星座系统一般指非静止轨道卫星系统。问题描述：地面网的Internet路由协议需要在任何连接拓扑变化时交换全部网络拓扑信息；在低轨卫星系统中，拓扑信息的改变太快，不可能做到快速的更新全网信息。星座系统的拓扑结构有其自身的特点和规律：由于星座运行的有规律性，拓扑结构变化可预言性；利用回归星座时，空间段呈周期变化；卫星网络节点的数目相对固定；星座系统的路由极具动态，而又易于捕捉前后关系。,38,常用路由策略,动态虚拟拓扑路由：基本思想：利用星座拓扑的周期性和可预测性来优化路由。算法描述：将一个星座系统周期分成若干个足够短的时隙，对于每个时隙，地面可以把卫星拓扑结构看作是固定的。虚拟节点路由：基本思想：利用星座拓扑变化的规律性来屏蔽卫星的移动性；算法描述：将地球表面位置固定的一片区域作为一个固定虚拟点，每个虚拟点含有该地区内所有地面星座用户信息和有关路由信息，每个虚拟点在任何时候由覆盖其上空的一颗卫星具体担任。基于拓扑变化的策略：基本思想：随着卫星星座的不同而不同。算法描述：需要明确知道卫星拓扑的变化，要求任何两个通信主站之间有一条路径，而没有环路。,39,卫星网络组播技术,问题描述：在卫星这种具有长的传输延时的通信系统中；有效地提高信道利用率一直是努力的方向。组播（Multicast）协议：运用于具有广播能力的网络中的一种IP层协议；能够有效地提高信道利用率。发展方向：目前组播是基于无连接的；随着业务需求的变化，需要在组播应用系统中加入必要的控制来提供QoS。包括安全级别、带宽、延迟、抖动、误码率、成本等。,40,DIRECWAY卫星通信系统,41,远程教育应用系统,42,在金融业的应用,43,小结,卫星宽带通信：使用微波或激光星际链路实现系统的卫星互联，构成空间骨干传输网络。常见卫星通信系统结构：交互式卫星宽带接入系统结构；非对称卫星宽带接入系统结构；卫星宽带骨干传输系统结构。卫星TCP技术：端对端的解决方法、基于中间件的解决方法。卫星IP技术：卫星IP QoS、隧道技术、异构网络互联、卫星星座路由技术、卫星网络组播技术等。,