衛(wèi)星通信上的QoS分析

摘要　衛(wèi)星鏈路由于其固有的特點(長時延，非對稱環(huán)境)對QoS(Quality of Service)提出新的要求和挑戰(zhàn)，本文首先對兩種QoS策略進行討論，然后對其在衛(wèi)星鏈路上的性能及以后研究的方向進行了討論。

關鍵詞　衛(wèi)星通信　區(qū)分服務　資源預留協(xié)議　CRED

1、衛(wèi)星系統(tǒng)概述

　　GEO系統(tǒng)的衛(wèi)星位于地球赤道上35786km附近的地球同步赤道上，所以其單向傳輸時延在230-270ms之間，往返時延(round trip delay)長達540ms，約比地面鏈路上WAN的等待時間(latency)大一個數(shù)量級。衛(wèi)星鏈路的長時延增大了TCP端到端的時延，導致確認信息的延緩。這種緩慢的反饋會減弱流量控制，降低了避免擁塞的性能，并會影響吞吐量。這樣就會造成大量的數(shù)據(jù)包停留在衛(wèi)星通信管道上，增加了包丟失概率，從而引起網(wǎng)絡的擁塞[1]。

　　鏈路容易受到不同因素的影響(如干擾、衰落、陰影效應和雨衰)，因此會有很高的比特差錯率(BER)。大約為1O-6數(shù)量級，這遠遠高于高速有線媒質(zhì)(如光纖).高誤碼率嚴重削弱了衛(wèi)星信道可靠傳輸數(shù)據(jù)的性能，這是因為TCP是一個使用分組丟失來控制傳輸行為的丟失敏感協(xié)議，它無法區(qū)分由于傳輸錯誤造成的數(shù)據(jù)包錯誤還是由于擁塞造成的數(shù)據(jù)包丟失，對這兩種都無法確認，而被解釋成網(wǎng)絡擁塞的標志。當接收到一個損壞的數(shù)據(jù)包，即使沒有擁塞發(fā)生，窗口的大小隨即變?yōu)樵瓉淼囊话�，這就使得吞吐量大大減小。

　　許多衛(wèi)星系統(tǒng)在前向和反向數(shù)據(jù)信道間有較大的帶寬不對稱性。從衛(wèi)星到地面的前向鏈路遠大于反向鏈路�？梢灾�道，多個終端通過共享窄帶上行鏈路實現(xiàn)與衛(wèi)星的連接，這就可能導致?lián)砣�。在大多�?shù)時間里上行鏈路傳輸?shù)氖羌兇獾腁CK．而TCP是“self clocking”：即。源端在接收到對應已發(fā)數(shù)據(jù)的ACK之后發(fā)送新的數(shù)據(jù)，這樣源端發(fā)送的新數(shù)據(jù)的速率和另一端返回的ACK的速率相匹配�？梢岳斫鉃樯闲墟溌返腁CK流速率控制著下行鏈路的吞吐量。在非對稱行鏈路上會出現(xiàn)下列問題：1)由于擁塞窗口的增加依靠ACK，因此，ACK的速率越低，擁塞窗口的增加就越慢，這就降低了慢啟動和擁塞避免的性能；2)由于反向信道的限制，可能使得ACK包出現(xiàn)擁塞和丟失，這也會導致吞吐量的降低。

　　不對稱比率(返回路徑容量與前向路徑容量之比)大于ACK包尺寸于數(shù)據(jù)包尺寸之比時,反向鏈路較前向鏈路先達到容量值，從而造成擁塞,限制了前向鏈路的帶寬利用。這時會出現(xiàn)擁塞情況，造成ACK的延遲和導致不必要的重傳。

2、服務質(zhì)量QoS(Quality of Service)

　　現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)所提供的是“盡量做好”best-effort的服務在這種服務模型下所有的業(yè)務流被“一視同仁”地公平地競爭網(wǎng)絡資源。網(wǎng)絡只需盡快的完成服務，而對業(yè)務的可靠性、延遲等不能提供任何保證，隨著IP技術和網(wǎng)絡的發(fā)展，IP網(wǎng)正在從當初單純傳送數(shù)據(jù)向可傳送數(shù)據(jù)、語音、活動/靜止圖像的多媒體網(wǎng)絡轉(zhuǎn)變。我們可以把傳輸?shù)臉I(yè)務分成兩類：實時業(yè)務和非實時業(yè)務。實時業(yè)務是指需要端到端的服務保證，對資源的持續(xù)要求較高的媒體流傳輸業(yè)務。這些業(yè)務對帶寬、延遲、延遲抖動都有特殊要求。主要包括語音、視頻傳輸?shù)�；非實時業(yè)務是指那些對傳輸時延要求較低、只需盡量將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地的業(yè)務，內(nèi)容包括Email、Ftp、Web瀏覽等。

　　我們關注的就是這些業(yè)務在衛(wèi)星通信網(wǎng)傳輸之前，如何根據(jù)它們的特性將它們區(qū)分。以便區(qū)別的傳送。這就是QoS解決方案，QoS研究目標是如何有效的為用戶提供端到端的服務質(zhì)量和保證。它無法創(chuàng)造帶寬，只是根據(jù)需求和網(wǎng)絡狀況來管理帶寬。具體可以量化為傳輸延遲、抖動、丟包率、帶寬要求、吞吐量、業(yè)務可用性等指標。為了解決QoS問題，IETF提出了下面幾種服務模型和機制：集成服務和資源預留協(xié)議(IntServ/RSVP)、區(qū)分服務(DiffServ)、和多協(xié)議標簽交換(Multiprotocol label switching，MPLS)，本文主要討論資源預留協(xié)議和區(qū)分服務在衛(wèi)星鏈路上的應用。

　　2.1　資源預留協(xié)議(Resource reservation protocol)

　　Intserv/RSVP服務模型在RFC1633中進行了定義,其基本思想就是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務的QoS需求進行網(wǎng)絡資源預留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證，資源預留協(xié)議是核心部分。它是一種信令協(xié)議，用來通知網(wǎng)絡節(jié)點預留資源，如果資源預留失敗，RSVP協(xié)議會向主機返回拒絕消息。使用RSVP信令建立數(shù)據(jù)發(fā)送路徑為業(yè)務流預留資源的過程為：在傳輸數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個對所傳輸業(yè)務流業(yè)務描述的PATH消息，它包括了數(shù)據(jù)包的目的地址和業(yè)務特征和和業(yè)務規(guī)格(所需的帶寬上下限、延遲、抖動等)。PATH消息在網(wǎng)絡連接的每個路由器上依次傳送。這樣就建立了一個路徑軟狀態(tài)。當接收端接收到一個PATH消息后，它將根據(jù)業(yè)務特點和QoS來計算出所需的資源，并且沿相反路徑發(fā)送一個資源預留請求RESV消息，中間路由器在接受到RESV消息后，調(diào)用程序來決定是否接收該業(yè)務流。如果接受，就會分配相應的帶寬和緩沖空間并記錄該流的相關狀態(tài)消息，然后繼續(xù)上傳該RESV消息。如果拒絕，則向接收端返回錯誤信息使接收端終止呼叫。最后的路由器接受到RESV消息并接受該請求時，它向接收端發(fā)回一個ACK。則在整個鏈路上逐點建立了業(yè)務流的資源預留軟狀態(tài)(soft state)。

　　2.2　區(qū)分服務(differentiated services)

　　區(qū)分服務的思想就是將用戶的數(shù)據(jù)流按照服務質(zhì)量要求來劃分等級，在網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞的時候，級別高的數(shù)據(jù)流在排隊和占用資源時后擁有更高的優(yōu)先權[3]。

　　實際上，區(qū)分服務提供了一種在一個子網(wǎng)絡域內(nèi)實施QoS的框架結(jié)構(gòu)。當業(yè)務流到達域的邊界路由器時，邊界節(jié)點根據(jù)用戶的流規(guī)格、和用戶與Internet服務供應商簽訂的服務等級協(xié)定SLA(service 1evel agreement)對到達的業(yè)務流進行分類、整形、標記、聚合為不同的流聚集。將流聚集信息寫在IP包頭中的區(qū)分服務標記域中(DS field)即：DSCP(differ code point)。每種DSCP對應一種“逐跳行為”(Per-hop-behavior，PHB)，這里的PHB本質(zhì)上是一種相對優(yōu)先級機制，其描述單個節(jié)點為特定流資源分配資源的方式。目前已定義的PHB有加速性轉(zhuǎn)發(fā)(Expedited forwarding)、確保型轉(zhuǎn)發(fā)(assured forwarding)、缺省型BE(best effort)、兼容ip優(yōu)先級的類選擇型CS(Class selector)。

　　核心路由器在調(diào)度IP包時以流聚集為服務對象。根據(jù)IP包頭的DSCP，具有相同的DSCP的業(yè)務流組成宏流。核心路由器中保存簡單的DSCP和PHB機制。不同的DSCP提供不同的轉(zhuǎn)發(fā)服務質(zhì)量。

　　目前,區(qū)分服務提供下面幾種服務類型：

　　1)獎賞服務(Premium service，Ps)，為用戶提供低延時、低丟失率及保證帶寬的端到端或者是網(wǎng)絡邊界到邊界的傳輸服務。這種“三低一保證”服務承諾使得用戶可以享受類似專線的服務質(zhì)量，因此獎賞服務也稱為“虛擬專線”服務，這是目前所定義的服務級別最高的區(qū)分服務種類。

　　2)確保服務AS(assured service)，其出發(fā)點是無論是否擁塞，都能保證用戶占有預約的最低限量的帶寬；其著眼點是帶寬和丟包率，而不太注重延遲和抖動。只要采用簡單的標記和丟棄機制就能實現(xiàn)IP QoS，實現(xiàn)機制簡單。

3、對衛(wèi)星鏈路的QoS分析

　　3.1　長延時問題

　　在衛(wèi)星鏈路上的長延時會出現(xiàn)大量的未被確認的包停留在鏈路管道上，如果我們采用RSVP協(xié)議，通過我們上面介紹的工作原理可以發(fā)現(xiàn)，在傳輸業(yè)務流之前，必須建立傳輸路徑。在鏈路上傳輸PATH消息并等待收端的RESV的確認消息返回。這無疑增加了用戶的等待時間。大大增加了短時流在衛(wèi)星網(wǎng)絡中的傳播時間，降低了網(wǎng)絡的他吞吐量；而在區(qū)分服務模型中，我們可以通過設置ISP和用戶之間的服務等級協(xié)定SLA。通過對某些特定的業(yè)務(實時業(yè)務)設置相對高的優(yōu)先級。通過在衛(wèi)星邊界路由器的數(shù)據(jù)包的整形和相對高的優(yōu)先級。我們可以優(yōu)化實時業(yè)務在長時延鏈路的傳輸性能。

　　3.2　帶寬不對稱

　　在衛(wèi)星鏈路上帶寬的不對稱，反向鏈路的延時和擁塞影響ACK的正確傳輸，如果采用RSVP協(xié)議，可能使情況變得更糟，因為在網(wǎng)絡中每一個路由器的預流信息是“軟”的，必須由接收者周期的更新。這樣。現(xiàn)有RESV更新、新、舊業(yè)務的ACK在反向信道的傳輸，增加了擁塞的可能，所以，我們可以得出結(jié)論，RSVP可能加重帶寬不對稱帶來的煩惱。

　　在使用區(qū)分服務的情況下，我們可以賦予ACK更高的優(yōu)先級。這樣，他可以在其余的業(yè)務流之前傳送，保證了ACK的準確傳送。

　　3.3　誤碼率高

　　這兩種QoS解決方案都不能有效的解決這個問題。但是我們可以在鏈路層采用更加強有力的前向糾錯方案，這樣就會使可用帶寬減小，我們知道與RSVP協(xié)議相比。區(qū)分服務占有的網(wǎng)絡資源相對較少，這使得我們傾向使用區(qū)分服務協(xié)議。

　　另外，在衛(wèi)星鏈路上采用資源預留協(xié)議就必須提供更高的帶寬。如果過多用戶都要求資源預留，這將大大增加路由器的負擔，因為狀態(tài)信息隨業(yè)務流數(shù)量增長而增長，沿途的路由器要為每個數(shù)據(jù)流都維持一個“軟狀態(tài)”，而路由器的存儲容量有限，可以保存軟狀態(tài)信息是由限的。而區(qū)分服務只在內(nèi)部節(jié)點進行簡單的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)，流狀態(tài)信息的保存和流監(jiān)控的實現(xiàn)等只在邊界節(jié)點進行。并且其服務對象使流聚集而非單個流。還有，我們可以動態(tài)和靈活的對業(yè)務流進行分類和整形。所以我們可以得出結(jié)論，區(qū)分服務能夠在衛(wèi)星鏈路充分利用帶寬，提供相對較好的服務質(zhì)量保證。

　　下面我們研究區(qū)分服務的確保服務類型。它通常采用RED隊列管理機制[2]。RED機制通過隨即丟棄數(shù)據(jù)分組�？刂破骄�隊列長度，避免網(wǎng)絡擁塞與全網(wǎng)同步重發(fā)。能夠有效的減輕緩沖溢出從而增加衛(wèi)星吞吐量；RIO是RED的改進算法：邊界路由器監(jiān)視每個進入網(wǎng)絡的用戶數(shù)據(jù)流，根據(jù)它們的服務規(guī)格對包進行標識，預約帶寬以內(nèi)的標為IN(in profile)，超出的標為OUT(out profile)。在擁塞的路由器上，OUT包被丟棄的概率要大于IN包，從而在一定程度上保護IN包。WRED是CISCO公司提出的一種支持區(qū)分服務的AQM機制。與RIO一樣，WRED基本思路也是在IP包頭按照某種策略進行標記，丟包優(yōu)先級基于該標記。

　　可以知道，我們可以根據(jù)用戶要求提供的服務質(zhì)量。對某些業(yè)務流(如實時業(yè)務、需要連續(xù)或交互的業(yè)務流)設置較高的優(yōu)先級。從而保證該業(yè)務流的傳輸。這樣。在衛(wèi)星鏈路上。我們能夠為所有的應用程序設定服務次序。西安電子科技大學孫恩昌博士的碩士畢業(yè)論文的CRED算法就是典型的區(qū)分服務模型算法，其思想可以概括為，區(qū)分不同的業(yè)務(TCP、UDP)，區(qū)分不同業(yè)務的不同階段(TCP的慢啟動和擁塞避免階段)或帶寬波動程度(UDP業(yè)務)對于其給定的拓撲結(jié)構(gòu)，我們將其應用在衛(wèi)星鏈路上，獲得了極大的成功。

　　可以看出，對于TCP業(yè)務，CRED的平均吞吐量明顯高于FRED和RED的，而對于音頻、視頻等多媒體業(yè)務，CRED的平均吞吐量略高于FRED，但該兩者的吞吐量要高于RED的。對于UDP-others和UDP-large，CRED的吞吐量最低，其次是FRED，RED最高�？傊�，由以上仿真圖形可以看出，CRED通過對業(yè)務置不同優(yōu)先級，能夠保證衛(wèi)星鏈路上較好的傳輸TCP業(yè)務，并且音頻、視頻業(yè)務也能夠得到較好的傳輸。

4、結(jié)論

　　在本文中，我們首先介紹了網(wǎng)絡QoS保證中常見的兩種措施：RSVP(資源預留協(xié)議)和DiffServ（區(qū)分服務)的詳細概念，并且分析了各自在衛(wèi)星系統(tǒng)上的優(yōu)劣之處。我們注意到，在RSVP架構(gòu)下，所有的信息流經(jīng)過的節(jié)點都需要對每一個信息流保持一個狀態(tài)，并且作監(jiān)控和管理。這將造成延展性(scaling)問題。

　　區(qū)分服務在開始預算了幾種服務，將封包分類一起聚集處理，提供相同的品質(zhì)保證，將復雜的流量調(diào)節(jié)功能放在網(wǎng)絡邊界的路由器里。這樣加快了網(wǎng)絡傳輸?shù)乃俣取?br />
　　結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡的固有特點，作者通過詳細的分析，認為區(qū)分服務更加適合在衛(wèi)星網(wǎng)絡中提供較為優(yōu)質(zhì)的QoS。

　　參考文獻

　　1　J.Touch，S.Ostermann，D.Glover，et.al.“Ongoing TCP Re search Related to Satellites”，RFC 2760，IETF，F(xiàn)ebruary 2000

　　2　姜明.浙江大學Internet主動式隊列管理機制綜述 文章來源：賽迪網(wǎng)2002年11月08日 S.Blake，D.Black，M.Carlson，E.Davies，Z.Wang，and W．Weiss，“An Architecture for Differentiated Services，”RFC2475，Dicembre 1998.