卫星宽带通信系统.ppt
,第8章 卫星宽带通信系统,目录,一、概述二、卫星宽带通信系统结构三、卫星TCP技术四、卫星IP技术五、国外卫星宽带通信系统,参考文献,Zhili Sun.Satellite Networking Principle and Protocols.John Wiley Sun,Z.Evaluation of Application Performance for TCP/IP via Satellite Links.Satellite Services and the Internet,IEE Seminar on 17 Feb.2000,Page(s):4/1 4/4.,一、概述,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业务和宽带综合业务已经逐步取代传统的低速话音和数据通信，成为通信网络中的主要业务Internet业务和宽带综合业务也自然地成为了卫星通信当前迅速发展的应用领域,卫星宽带通信系统的特点及功能,特点传输速率高，如吉莱特（Gilat）公司与微软等合作推出的利用双向VSAT实现的Internet接入服务，能提供下行40Mb/s，上行153.6Kb/s的数据速率（但个人用户只能获得下行400Kb/s、上行56100Kb/s的速率）为了独立于地面网络，多数卫星宽带通信系统使用微波或激光星间链路实现卫星互连，构成空间骨干传输网络由于卫星链路的传输损耗大，在高速传输情况下，要求用户使用具有较大口径的天线。因此，短时间内卫星宽带系统将无法支持手持终端移动中的高速通信。功能为用户或用户群提供Internet骨干网的高速接入 作为骨干传输网络，连接不同地理区域的Internet网络运营商,西欧卫星转发器（36MHz）数目的供求情况,二、卫星宽带通信系统结构,交互式卫星宽带Internet 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,三、卫星TCP技术,几个概念：（1）往返延时RTT发送端从开始发送数据到它收到来自接收端的应答，所需时间为信息传输的往返延时。（2）连接容量（或带宽延时乘积）发送端在接收到返回的应答信息之前所能发送的最大数据量，它受到接收窗口(接收窗口为带宽延时乘积)的限制。连接容量=带宽RTT（3）长粗管道对于给定的最大窗口尺寸(带宽延时乘积)，大的往返延时将限制连接带宽(即传输速率)，通常把带宽延时乘积较大的数据连接称为“长粗管道”。,TCP协议特点 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,（一）TCP概述,1、滑动窗口协议 接收端公告窗口即是发送滑动窗口，是接收端通告发送端的窗口大小数值,2、拥塞控制机制 TCP拥塞控制策略是在20世纪80年代后期由Van Jacobson提出 TCP的拥塞控制机制随TCP协议版本的不同而不同，在目前常见的TCP-Reno中，拥塞控制机制由慢启动算法、拥塞避免算法、快速重传和快速恢复算法构成,图7-6 慢启动-拥塞避免算法中CWND变化示意图,3、慢启动/拥塞避免机制,例题1,按照图7-6所示的慢启动拥塞避免算法，假设TCP在一条往返延时为100ms的移动卫星链路上传输一个400KB的文件。如果TCP发送的报文段大小为1KB，则：（1）发送完该文件需要用多少RTT？（2）此次传输的有效吞吐量是多少？,解：（1）传输完400KB大小的文件，需要用RTT数为24（2）此次传输的有效吞吐量为：（4008）/（240.1）=133.3(Kbps),例题2,假设TCP在卫星通信链路上实现一个扩展：允许窗口大小远大于64KB。假设你正用这个扩展TCP在一条往返延时为100ms的1Gbps移动卫星链路上传送一个10MB的文件，而且TCP接收窗口为1MB。如果TCP发送的报文段大小为1KB，在网络无拥塞、无分组丢失的情况下：（1）当慢启动打开发送窗口达到1MB时，用了多少RTT？（2）发送该文件用了多少RTT？（3）如果发送文件的时间由所需的RTT的数量与链路延迟的乘积给出，这次传输的有效吞吐量是多少？链路带宽的利用率是多少？,解：（1）当慢启动打开发送窗口达到1MB时，所需RTT数量为：（2）按照慢启动/拥塞避免算法，发送该文件所需要的RTT数量为：35（3）这次传输的有效吞吐量为：10/（35*0.1）=2.857(MB/s)链路带宽的利用率为：（2.857*8）/1000=2.2856%,TCP在卫星通信系统种存在什么样的问题？,（二）TCP在卫星通信系统种存在的问题1、卫星通信链路传播延时较大2、卫星通信链路信息传输的误码率较高，造成数据 丢失，而这种可能被协议解释为由拥塞所引起的3、卫星网络的带宽延时乘积大4、卫星链路的非对称性,1、长延时对TCP协议性能的影响 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 对1个TCP连接，传输速率b约为 在TCP使用每报文段确认时传输比特速率达到B所需的时间 在TCP使用延时确认时，传输比特速率达到B所需的时间式中，l为报文段的平均长度（比特数）,假设发送的数据报文段的平均长度为1KB，则在不同的速率B和不同的确认方式下，TCP协议的慢启动过程持续时间如下表,RTT取值：GEO550ms，MEO250ms，LEO-50ms；延迟确认：每收到2个报文段确认一次。,2、高差错率对TCP协议性能的影响 地面有线传输网的差错率很低，典型的误码率值低于10-10，而卫星链路的误码率通常在10-210-6之间（无纠错编码时）传输差错从三个方面影响了TCP的吞吐率性能：1）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；2）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；3）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。卫星链路的差错具有突发性，而快速重传和快速恢复算法通 常不能处理单个窗口内的多个错误，因此TCP协议的拥塞避 免机制将严重限制窗口的增长,3、带宽延时积对TCP协议性能的影响 一个TCP连接中，链路的最大有效带宽与 连接的往返程时间RTT之积称为带宽延时 积BDP BDP说明了一个TCP链路在一个RTT内的最 大吞吐量,TCP的流量控制通过连接双方通告自己的窗口大小来实现 在TCP头部中，窗口大小是一个16位的域段，也就是说窗口 的最大值为216=65535字节，即64KB 发送端在发送报文段的过程中，在未收到已发送报文段的确 认信息之前，发送端发送的数据量不应超过该窗口的大小 卫星系统传输延时较大，为了充分利用带宽资源，必须在接 收到确认信息之前发送足够多的数据到网络中，这就需要 TCP连接的窗口足够大,4、链路的不对称性对TCP协议性能的影响 卫星网络中TCP的前向和反向链路在带宽上 通常有着很大的不对称性，即前向链路的有效带宽 远大于反向链路的带宽 考虑到大量TCP传输的单向特性（如从网络服务器 到远程主 机），较慢的反向链路在很大程度上是可 以接收的,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：1）发送的数据流变得更具突发性；2）降低拥塞窗口CWND的增长速度；3）快速恢复机制的效率降低,（三）改善卫星TCP性能的方法 主要的解决技术可以粗略地分为两大类1、端对端的解决方法：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 2、基于中间件（middleware）的解决方法：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,TCP增强技术增大初始窗口 慢启动算法中初始窗口很小（仅为1），使慢启动时间较长，RFC 2414针对这一情况提出按下式确定初始窗口 按照这种方法，在每报文段确认时，慢启动算法中所需要的最大接收窗口恢复时间可以缩短为:其中Wmax为最大允许接收窗口，Winit为初始窗口,1、端对端的解决方法,TCP增强技术字节计数 字节计数是一种TCP确认计算方式 在字节计数方式中，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 有两种字节计数的算法：无限字节计数（UBC）和 受限字节计数（LBC）。,UBC每接收到一个确认就简单的根据确认覆盖的未 确认字节数目来增加拥塞窗口，而LBC则限制拥塞 窗口的增加为2段 LBC与UBC相比，防止了大量线性增加的突发数 据，从而减少了数据的丢失并提高了传输效率,延迟确认是指接收端不是对每一个收到的报文段进 行确认，而是收到第2个完整的报文段时才确认 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，而延迟确认将接收端发出 的确认数目减少了一半，因此拥塞窗口大小增加的 速度就减慢了 在慢启动后才使用延迟确认，这样在TCP连接主动 增加拥塞窗口大小时提供了足够多的确认，而在 TCP连接稳定后减少确认数目以节约网络资源,TCP增强技术慢启动后的延迟确认DAASS,选择确认是一种纠正发生多个数据段丢失时的TCP 处理的策略 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 在卫星信道中使用SACK比标准的TCP在性能上有 很大改进,TCP增强技术选择性确认SACK,在网络开始拥塞时，显式通告机制将IP包头中1比 特ECN域设置为1来通知终端节点。相应地，终端 节点减小其传输速率 发送端可以在重传定时器超时或接收到3个重复确 认之前就可以收到显式的拥塞信息，因此，如果一 个报文段丢失而没有拥塞指示，则该报文段的丢失 就一定是由链路的差错造成的，发送端无需降低其 传输速率,TCP增强技术显式拥塞通告ECN,TCP Vegas：使用传输速率来实现拥塞控制TCP Peach：针对卫星网络的拥塞控制方案：突发启动和高速恢复SCPS-TP：针对标准TCP协议在空间通信系统种存在的问题进行扩展和改进STP：卫星传输协议，提供面向字节流的数据传输服务，其自动重传请求机制使用选择性否定确认,其它端对端的解决方法,基于中间件解决方案的卫星网络拓扑结构,2、基于中间件的解决方案,TCP分裂法将整个通信系统分为卫星段和非卫星段两个部 分，在非卫星段中采用标准的地面网络TCP协议，在卫星段 采用专用的卫星传输协议 位于地面的TCP信关站通过地面网络建立和维护与系统的地 面节点TCP连接，通过卫星网络建立和维护与远端信关站的 连接 在某些情况下，信关站需要完成不同版本TCP协议的转换 因为主要的改进都在信关站实现，TCP分裂法无需修改终端 用户的TCP协议栈,TCP分裂法（TCP Splitting）,TCP欺骗法中，信关站作为一个欺骗代理，接收源 节点的数据报文段并代替目的节点向源节点发送应 答信号，使得源节点可以更快地发送数据；同时，它还负责将接收的数据报文段可靠地发送到真正的 目的节点 因为主要的改动都在信关站实现，TCP欺骗法无需 修改终端用户的TCP协议栈,TCP欺骗法（TCP Spoofing）,TCP欺骗法中信关站的一种典型结构,四、卫星IP技术,卫星IP QoS隧道技术卫星星座路由技术卫星网络组播技术,从网络层来看基于IP的QoS管理机制，有两 种方法：1）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；2）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。,卫星IP QoS,隧道技术往往用于使分组路由通过异种网络传送到接收方，也常用于在不改变现有Internet的基础上支持新的网络功能,隧道（tunneling）技术,宽带卫星IP网络可能将隧道技术用在以下几个方面1）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；2）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,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 解决在ATM中进行IP组播的一个方案是采用组播地址解析服 务器，将IP组播地址映射为ATM服务器地址 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,异构网络互联,地面网的Internet路由协议，如开放式最短路径优先OSPF 和 路由信息协议RIP，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，拓扑信息的改变如此之 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：1）由于星座运行的有规律性，拓扑结构变化可预知；2）利用回归星座时，空间段呈周期变化；3）卫星网络节点的数目相对固定。因此，星座系统的路由是极具动态而又易于捕捉前后关系的,卫星星座路由技术,卫星星座路由策略 目前常用的路由策略包括：1）动态虚拟拓扑路由：其基本思想是利用星座拓扑的周期性 和可预测性来优化路由；2）虚拟节点路由：利用星座拓扑变化的规律性来屏蔽卫星的 移动性；3）基于拓扑变化的策略：需要明确知道卫星拓扑的变化。,组播（Multicast）协议是目前运用于具有广播能力的网络中 的一种IP层协议 组播技术覆盖了网络的许多领域，包括视频和远程会议、多 媒体简报、新闻发布以及远程教育等 到目前为止组播是基于无连接的，但是随着业务需求的变 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、成本等服务参数 的控制,卫星网络组播技术,五、国外卫星宽带通信系统概况,部分卫星宽带通信系统的主要参数,*信关站到用户的容量,部分卫星宽带通信系统卫星的主要参数,
