利用IDBS和多點(diǎn)廣播WEB緩存的衛(wèi)星Internet業(yè)務(wù)

余智
1　交互式數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（IDBS）結(jié)構(gòu)


　　IDBS代表一種不對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它利用數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（DBS）的一個(gè)或多個(gè)信道（如前向鏈路），把大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艋�站（終端用戶），并通過獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)（如電話撥號(hào)）、低速網(wǎng)絡(luò)（如分組無線電）或衛(wèi)星反向鏈路接入Internet，再與服務(wù)器相連。這就與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成了鮮明對(duì)比，這種網(wǎng)絡(luò)接入主要采用一種平衡模式實(shí)現(xiàn)，并假設(shè)流入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量在數(shù)量級(jí)別上與從網(wǎng)絡(luò)流向終端用戶的數(shù)據(jù)量相當(dāng)。該模型正隨著諸如非對(duì)稱數(shù)字用戶線（ADSL）等新技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的引入而快速變化。用戶接收的數(shù)據(jù)比發(fā)送的數(shù)據(jù)要多得多，所以信息流會(huì)變得非常不平衡。因此，利用獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)站流量（前向鏈路）和出站傳輸（反向鏈路）的非對(duì)稱、不平衡的網(wǎng)絡(luò)接入是終端用戶接入的一個(gè)可行的替代方案。


　　隨著用于前向鏈路的DBS系統(tǒng)的出現(xiàn)，在Ku頻帶轉(zhuǎn)發(fā)器上，基于MPEG-2的數(shù)字電視技術(shù)能提供最高36mb/s的速率，并最終在Ka頻帶上達(dá)到155mb/s。為機(jī)頂盒（STB）開發(fā)的組件也正用于實(shí)現(xiàn)直接插入PC機(jī)總線的集成化接收機(jī)/解碼器（IRD）。這種高速前向鏈路和低速反向鏈路的結(jié)合已用于IDBS系統(tǒng)。







　　圖1示出通過各自網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)通信進(jìn)行路由的IDBS結(jié)構(gòu)。在上行線路中，基站通過衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)，與多路復(fù)用器、調(diào)制解調(diào)器和傳輸設(shè)備相連。在用戶基站，信號(hào)被送入RF低噪聲模塊，然后進(jìn)入IRD，最后通過內(nèi)部總線，數(shù)據(jù)被傳送到PC，并送入合適的協(xié)議軟件。反向信道由連接PC與基站的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由，該連接可以暫時(shí)的，也可以是永久的。用于實(shí)現(xiàn)反向信道的通信系統(tǒng)包括公共交換電話網(wǎng)（PSTN）、電話/調(diào)制解調(diào)器或綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）、同步衛(wèi)星Ku和Ka頻帶的鏈路以及分組無線網(wǎng)。另一種用于遠(yuǎn)程接入的結(jié)構(gòu)將是用于前向信道的同步衛(wèi)星和用于反向信道的低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)合。


　　除了PC機(jī)以外，用戶基站設(shè)備還包括：（1）衛(wèi)星接口單元（SIU），它用于完成所有從DBS接口接收來的數(shù)據(jù)包的幀形成、尋址以及前向傳輸功能；（2）衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)（SGW），它一端與衛(wèi)星上行線路信道接口，另一端與基站（Internet服務(wù)器）接口。SIU和SGW都硬件與軟件的結(jié)合，它們完成所有的尋址、路由和接口工作，這樣就不需要對(duì)Internet或TCP/IP協(xié)議做任何修改。


2　數(shù)字視頻廣播（DVB）


　　歐洲廣播聯(lián)盟（EBU）定義DVB系統(tǒng)是基于MPEG-2定義的面向信元的分組傳輸系統(tǒng)。從發(fā)送方到接收方之間，MPEG-2數(shù)據(jù)流以數(shù)字格式攜帶視頻、音頻和數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)內(nèi)部的信令信息也以表格方式，從節(jié)目提供方傳送到接收方。基礎(chǔ)通信信道是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器或有線電纜系統(tǒng)的廣播媒介，這與用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)（LAN）非常相似。基本通信功能由協(xié)議層1（物理層）和協(xié)議層2（數(shù)據(jù)鏈路層）提供，所有與廣播信道相連的基站都能直接從另一基站接收數(shù)據(jù)，不需要第三層協(xié)議。


　　物理層具備調(diào)制、同步和編碼功能，由EBU-DVB文件定義。數(shù)據(jù)鏈路層提供國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）/國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的13818-1點(diǎn)到點(diǎn)傳輸。這兩層并不是開放系統(tǒng)互連（OSI）模型（RM）的協(xié)議層，但代表了OSI結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）。圖2示出對(duì)MPEG-2的傳輸流（TS）、表分段和打包基本流（PES）的進(jìn)一步研究。









3　MPEG-2、DVB和協(xié)議層


　　一種相關(guān)的結(jié)構(gòu)模型是用于ITU-T定義進(jìn)行寬帶ISDN（B-ISDN）的協(xié)議參考模型（PRM）。該分層模型在用戶平面和控制平面之間有區(qū)別，它顯示了在管理平面內(nèi)額外的系統(tǒng)相關(guān)功能，管理平面又分為層管理和平面管理。


　　初看起來，異步傳輸模式（ATM）層與MPEG-2在結(jié)構(gòu)上極其相似：在物理之上，傳輸流（TS）包含固定長(zhǎng)度信元，下一層（ATM適配層）傳輸“凈荷單元”，并在信元序列中分割后重組。TS信元頭包括分組標(biāo)識(shí)（PID），用于確定虛擬廣播信道，盡管ATM虛擬電路代表點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接，但由PID標(biāo)識(shí)的TS卻代表具有點(diǎn)到多點(diǎn)特性的邏輯廣播信道。


　　用于數(shù)據(jù)凈荷傳輸?shù)淖畹蛯訁f(xié)議TS信元流。一個(gè)TS信元的完整長(zhǎng)度是188byte，其中184byte用于凈荷傳輸。為了傳輸更長(zhǎng)的凈荷，下一層協(xié)議必須能完成凈荷單元的分組和重組。在分段和PES情況下，該功能由響應(yīng)的MPEG-2實(shí)體自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。


4　業(yè)務(wù)接入點(diǎn)


　　如圖3所示，MPEG-2傳輸系統(tǒng)提供兩種傳輸數(shù)據(jù)單元的業(yè)務(wù)接入點(diǎn)（SAP）：一種用于PES分組，另一種用于表分段。另外還有TS信元層直接頂層之上的SAP，可傳輸單一信元。為了利用這種差異，用戶必須進(jìn)行分割和重組。






　　IRD必須能判定凈荷所屬的輸入信元，并把它送入正確的模塊（如處理的下一層）。這些模塊可能是PES處理器、分段處理器或用戶定義的重組模塊。對(duì)于MPEG-2來說，作此決定的信息是PID的值，它通過系統(tǒng)信息（SI）表，特別是節(jié)目映射表（PMT）進(jìn)行。


5　通過MPEG-2/DVB的IP


　　在網(wǎng)絡(luò)層，IDBS采用根據(jù)多協(xié)議封裝（MPE）標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)封裝的標(biāo)準(zhǔn)IP數(shù)據(jù)報(bào)。DVB的MPE規(guī)范利用專用部分（SAP）進(jìn)行IP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸，并利用IEEE有LAN/MAN標(biāo)準(zhǔn)之后的封裝特性，將IP數(shù)據(jù)包封裝在數(shù)據(jù)包封裝在數(shù)據(jù)包分段中。對(duì)于私有數(shù)據(jù)來說，這些分段與DSMCC分段格式一致，這種封裝利用媒體接入控制（MAC）層設(shè)備地址，該地址符合用于LAN/MAN的ISO/IEEE的標(biāo)準(zhǔn)。


　　48bit的MAC地址域包含目標(biāo)MAC地址，分布在6個(gè)8bit域中，分別為MAC地址1到MAC地址6，但以不同順序重排。MAC地址6則包含最不重要的字節(jié)。有多少字節(jié)很重要，但可以選擇，而且由廣播描述符表的值定義。MPE方案既不精確，也不高效，但目前仍在廣泛使用。


　　在IDBS系統(tǒng)中，另一種方法是把PES包作為IP數(shù)據(jù)報(bào)的容器。這是支持最多64byte長(zhǎng)的IP數(shù)據(jù)報(bào)的更直接的解決方案。在MPEG-2信元流上，它利用一個(gè)專用適配層傳輸IP數(shù)據(jù)包，該層與ATM適配層5（AAL5）解決方案類似，同時(shí)也是一個(gè)分割和重組層。由于IRD組件是為PES和分段結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)的，故這種方案也很難實(shí)現(xiàn)。


6　路由技術(shù)


　　如前所述，IDBS利用音向衛(wèi)星鏈路傳送高帶寬業(yè)務(wù)，但普通路由協(xié)議并不支持單向鏈路的連接。為了解決這個(gè)問題，可在主站內(nèi)靜態(tài)配置IP路由。然而，隨著主站數(shù)目的不斷增長(zhǎng)，靜態(tài)路由會(huì)變得越來越復(fù)雜，而且無線電發(fā)送的依賴性會(huì)導(dǎo)致路由“空洞”。這個(gè)問題中可由一個(gè)衛(wèi)星加一個(gè)“正常的”地址多跳線路來解決，更好的解決方案還在討論中。



　　對(duì)于更大的網(wǎng)絡(luò)，單向鏈路路由組定義兩種方法：（1）隧道技術(shù)：?jiǎn)蜗蛐l(wèi)星鏈路對(duì)于反向信道的缺少可由隧道技術(shù)屏蔽。換言之，在建立把路由信息送回主站的鏈路層隧道時(shí)，可不對(duì)路由協(xié)議做任何修改；（2）路由協(xié)議的修改：允許主站在單向衛(wèi)星鏈路中發(fā)送路由信息，并在另一接口以相反方向接收路由信息。反向信道的缺乏必須讓路由協(xié)議知道。目前，隧道技術(shù)正在IDBS網(wǎng)絡(luò)中使用，路由協(xié)議的修改仍在深入研究之中。



　　7　多點(diǎn)廣播傳輸



　　IDBS傳輸層包括一個(gè)限定可靠性多點(diǎn)廣播協(xié)議（RRMP），它提供向更高層實(shí)體的端到端可靠數(shù)據(jù)傳送（如圖4所示）。這種傳統(tǒng)的客戶/服務(wù)器模型不能根據(jù)復(fù)制數(shù)據(jù)流量和內(nèi)爆問題對(duì)用戶團(tuán)體進(jìn)行升級(jí)。因此，應(yīng)將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成在無連接傳輸/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和IP多點(diǎn)廣播模型上進(jìn)行工作。






　　在RRMP中，數(shù)據(jù)傳輸無需任何前向連接，以至在客戶端/服務(wù)器應(yīng)用中，可避免數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)延。利用IP多點(diǎn)廣播，一次就可把信息發(fā)送到一大組終端用戶，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬。



　　在大多數(shù)情況下，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如UDP/IP）只提供最大能力的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)包很可能由于發(fā)生擁塞或鏈路錯(cuò)誤而丟失。為了簡(jiǎn)化更高層設(shè)計(jì)，RRMP實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制機(jī)制，它不但把重點(diǎn)集中在不同的反向信道結(jié)構(gòu)，另外也集中在大規(guī)模多點(diǎn)廣播的特定問題。例如，隨著多點(diǎn)廣播組大小的不斷增長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)確認(rèn)收到（ACK）內(nèi)爆。這是因?yàn)榘l(fā)射機(jī)復(fù)雜性與接收機(jī)數(shù)目大小成比例；重發(fā)數(shù)目與組的大小成比例，時(shí)延變長(zhǎng)，當(dāng)發(fā)射機(jī)一直忙于重發(fā)（發(fā)送內(nèi)爆）時(shí)，吞吐量就會(huì)大量降低。



　　前向糾錯(cuò)（FEC）可避免衛(wèi)星多點(diǎn)廣播傳輸中反饋內(nèi)爆。它發(fā)送附加的冗余信息，使接收機(jī)在不進(jìn)行重傳的情況下，糾正一定數(shù)量的丟失數(shù)據(jù)。除了減少恢復(fù)丟失包所需的時(shí)間外，由于不需要反饋信道，F(xiàn)EC可簡(jiǎn)化發(fā)送端和接收端。這種技術(shù)非常適合于多點(diǎn)廣播應(yīng)用，因?yàn)椴煌�的丟失模型可用同一套發(fā)送數(shù)據(jù)來恢復(fù)。在傳輸層上，基于軟件的突發(fā)消除糾錯(cuò)技術(shù)，可通過控制包丟失率來增強(qiáng)吞吐量效率。



　　在有限可靠的傳輸模式下，RRMP利用FEC結(jié)合負(fù)向ACK(NAK)進(jìn)行差錯(cuò)控制。這種差錯(cuò)恢復(fù)有助于減少重傳數(shù)量。



　　8　IDBS的多點(diǎn)廣播Web緩存



　　隨著網(wǎng)上圖像、音頻和視頻內(nèi)容的頻繁出現(xiàn)，終端用戶的帶寬要求不斷增長(zhǎng)。在許多情況下，要求在短時(shí)間幀內(nèi)積累個(gè)人要求和對(duì)響應(yīng)的復(fù)用。因此，多點(diǎn)廣播發(fā)布業(yè)務(wù)與本地緩存和代理技術(shù)相結(jié)合，對(duì)多媒體領(lǐng)域的內(nèi)容提供商來說特別有吸引力。



　　目前所有Internet業(yè)務(wù)的實(shí)質(zhì)性部分是Web應(yīng)用部分�！翱拷�”Web頁面的緩存可減少網(wǎng)絡(luò)流量和響應(yīng)時(shí)間。傳統(tǒng)的緩存策略經(jīng)常利用分層代理緩存結(jié)構(gòu)，它是為陸地線路開發(fā)的，并不具備廣播/多點(diǎn)廣播代理緩存的能力。今天的代理緩存利用HTTP進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布�；�于TCP的HTTP用于長(zhǎng)時(shí)延鏈路中，特別是在傳送數(shù)據(jù)給終端用戶時(shí)，存在處理時(shí)間過長(zhǎng)和低帶寬用途等缺點(diǎn)。



　　9　簡(jiǎn)易性



　　低成本地球站的衛(wèi)星交互式多媒體平臺(tái)（SiMPLE）是同時(shí)運(yùn)行在終端用戶和廣播中心的一種代理/緩存解決方案，它利用多點(diǎn)廣播進(jìn)行交互式和透明的請(qǐng)求/回傳基于Web的內(nèi)容。根據(jù)請(qǐng)求，把Web內(nèi)容同時(shí)復(fù)制到許多地點(diǎn)，使終端用戶的緩存時(shí)刻保持更新。



　　為了避開低速的最后一英里電話線，一般方法是利用一條直接到家庭的衛(wèi)星鏈路。為了不修改IP包的路由，在寬帶上行鏈路站（BUS）使用一個(gè)代理。用戶地球站（UES）瀏覽器直接與BUS代理進(jìn)行通信，它一次打開與發(fā)信Internet服務(wù)器的第二條鏈接，以便從發(fā)信服務(wù)器獲取內(nèi)容。衛(wèi)星的固定傳輸時(shí)延大約265ms，獲得合理的傳輸速率對(duì)于TCP參數(shù)的正確調(diào)整非常必要。然而，衛(wèi)星鏈路的廣播能力及帶寬有限，而且每個(gè)TCP傳輸都建立一個(gè)連接。在連接過程中，若使用慢啟動(dòng)，就會(huì)使反應(yīng)靈敏性降低。










　　圖5示出一種用于SiMPLE系統(tǒng)的解決方案。對(duì)Web目標(biāo)的請(qǐng)求由UES運(yùn)行的本地代理處理，并被翻譯成UDP查詢，然后傳送到BUS代理，請(qǐng)求被處理后，在Internet Web服務(wù)器中，以標(biāo)準(zhǔn)方式（TCP）讀取應(yīng)答，然后通過多達(dá)回請(qǐng)求UES代理。目前，多點(diǎn)廣播傳輸已能與許多UES代理結(jié)合，而這些代理能對(duì)其各自的本地緩存進(jìn)行更新。



　　中央代理通過監(jiān)視和分析常被請(qǐng)求到的頁面，保持具有共同興趣的站點(diǎn)和頁面的列表。這些頁面的最近版本可自動(dòng)或通過操作員請(qǐng)求進(jìn)行檢索，然后通過多點(diǎn)廣播傳送至客戶站。這種技術(shù)可明顯減少時(shí)延和帶寬需求，并提高系統(tǒng)的整體效率，因?yàn)轫撁婵稍诓唤?jīng)過明確請(qǐng)求的情況下，預(yù)先發(fā)布。



　　10　結(jié)論



　　本文闡述了利用廣播衛(wèi)星系統(tǒng)與多點(diǎn)廣播協(xié)議的結(jié)合，把多媒體內(nèi)容直接發(fā)布到終端用戶�；�于Web的多媒體業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，代表了具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男聵I(yè)務(wù)領(lǐng)域。下一代工作于Ka頻帶的直接廣播衛(wèi)星將提供與光纖可比的帶寬，這將極大增強(qiáng)多點(diǎn)廣播的潛力。這些“多媒體衛(wèi)星”的快速發(fā)展，將完全溶入全球的Internet中，并直接發(fā)向終端用戶提供第二層次的高速層。



　　摘自《電信快報(bào)》2001.9