衛(wèi)星TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

張寬
　　進(jìn)一步發(fā)展Internet業(yè)務(wù)需要增大帶寬并且要有移動性，因而衛(wèi)星網(wǎng)與IP網(wǎng)結(jié)合成了熱門話題。針對衛(wèi)星網(wǎng)的信道差錯率高，傳延長和信道不對稱性對TCP傳播性能有不良影響。本文簡單介紹了前向糾錯和自動重傳兩種鏈路差錯控制方案；著重介紹了TCP協(xié)議（包括基本TCP、選擇性確認(rèn)、非對稱性和ACK控制等幾個方面）的改進(jìn)。最近，討論了IP over衛(wèi)星和IP over衛(wèi)星ATM兩種衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 。


　　一、衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)與TCP/IP


其中基于地面的網(wǎng)絡(luò)通過互聯(lián)單元（IWU）與衛(wèi)星調(diào)帛解調(diào)器相連�；ヂ�(lián)單元可以是協(xié)議網(wǎng)關(guān)，也可以是ATM衛(wèi)星互聯(lián)單元（ASU），這些互聯(lián)單元（也很可能配置在衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器中）完成WAN協(xié)議和衛(wèi)星鏈路層協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。


　　1 衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)面臨的主要問題


　　衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)面臨的各種問題源于衛(wèi)星信道和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的各種固有性，主要有3個方面。


　�。�1）信道（差錯率）


　　衛(wèi)星信道的比特差錯率（BER）大約為10的（負(fù)6次方）數(shù)量級。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速有線傳輸媒質(zhì)（如光纖）。另外空間信道的各種隨機(jī)因素使得信道出現(xiàn)突發(fā)錯誤。噪聲相對高的衛(wèi)星鏈路大大地降低了TCP的性能。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)分擁塞丟失和鏈路惡化丟失。這時雖然網(wǎng)絡(luò)并沒有 擁塞，但較大的BER過早地觸發(fā)了窗口減少機(jī)制，雖然這時網(wǎng)絡(luò)并沒有 擁塞。此外，ACK分組的丟失使吞吐量進(jìn)一步惡化。


　�。�2）傳播時延


　　影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時延有多種，其中主要的一種是傳輸時延。多數(shù)情況下低軌系統(tǒng)單向傳輸時延是20-25ms，中軌系統(tǒng)是10-130ms，靜止軌道系統(tǒng)為250-280ms，系統(tǒng)時延還受星間路由選擇、星上處理以及緩存等因素的影響。一般而言，時延對TCP的影響體現(xiàn)在：降低TCP對分組丟失的響應(yīng)，特別是臨界發(fā)送超過缺省啟動窗口大�。▋H超過一個TCP數(shù)據(jù)段）的連接更是如此。此時用戶必須在慢啟狀態(tài)下，在第一個ACK分組收到前，等待一個完全的往返時延；衛(wèi)星時延和不斷增加的信道速度（10Mb/s或更高）還要求有效的緩存；增加的時延偏差（variance）反過來也會通過在估算中加入噪聲影響TCP定時器機(jī)制，這一偏差會過早產(chǎn)生超時或重傳，出現(xiàn)不正常的窗口大小，降低了總的帶寬效率。簡單地增加TCP定時器粒度（tranularity）在此沒有多大幫助，因為盡管較大的值可以降低錯誤超時，但帶寬利用不足也將因較長的時延而更嚴(yán)重。


　�。�3）信道不對稱


　　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，采用速度較慢的反向信道可使接收機(jī)設(shè)計更經(jīng)濟(jì)且節(jié)省了寶貴的衛(wèi)星帶寬�？紤]到大量TCP傳輸?shù)膯蜗蛱匦裕ㄈ鐝腤EB服務(wù)器到遠(yuǎn)端主機(jī)），慢速反向信道在一定程度上是可以接受的。但非對稱配置對TCP仍有顯著的影響。例如，由于ACK分組會丟失或在較大數(shù)據(jù)分組后排隊，較慢的反向信道會引起像ACK丟失和壓縮（compression）的有害影響，從而大大減少吞吐量，此外，前向和反向信道速率的較大不對稱會由于線速率估發(fā)錯誤較大而明顯加重前向緩存擁塞。


　　2 關(guān)于TCP/IP協(xié)議


　　TCP/IP是當(dāng)今進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時使用的主要協(xié)議棧。該協(xié)議棧中，TCP和IP是核心，還包括一些其他協(xié)議。TCP和IP協(xié)議分別控制著數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸和路由選擇。IP是一個為廣域網(wǎng)設(shè)計的無連接網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，它被設(shè)計為網(wǎng)間互聯(lián)協(xié)議，IP數(shù)據(jù)報可在幾乎任何鏈路層協(xié)議上的網(wǎng)關(guān)（或路由器）間傳遞。從本質(zhì)上說，IP無非是指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包從發(fā)方計算機(jī)送達(dá)收方計算機(jī)。TCP則負(fù)責(zé)確保數(shù)據(jù)在設(shè)備之間進(jìn)行端到端的可靠交付。從這個意義上說，衛(wèi)星鏈路對TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懼饕�體現(xiàn)在TCP這一層（雖說理論上講TCP不必關(guān)心IP是運行于光纖還是衛(wèi)星上，但實際上必須考慮這一點，否則可能會使TCP邏輯上正確，但實際性能極差）。


　　TCP使用基于滑動窗口的流量和擁塞控制方式，通過確認(rèn)分組流實施控制（接收方窗口通知）。TCP使用基于往返定時器（round-trip timer）自適應(yīng)時鐘來調(diào)諧重發(fā)超時。TCP為完成對數(shù)據(jù)的確認(rèn)使用了滑動窗口機(jī)制，為避免擁塞采用了稱為“慢啟動”的策略。


　　發(fā)方對丟失或損壞數(shù)據(jù)的重發(fā)，要求保留數(shù)據(jù)副本直至收到數(shù)據(jù)確認(rèn)（ACK）。為避免大量可能丟失的數(shù)據(jù)副本占用大量存儲器并浪費帶寬，TCP采用了一個滑動窗口裝置來限制傳送中的數(shù)據(jù)數(shù)量。隨著確認(rèn)的返回，TCP在前移窗口的同時，發(fā)送不斷增加的數(shù)據(jù)。一旦窗口被占滿，發(fā)方必須停止傳輸數(shù)據(jù)直至更多的確認(rèn)到達(dá)。


　　雖然TCP能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒有送達(dá)，但重新發(fā)送會進(jìn)一步加劇信道的擁塞，從而進(jìn)一步導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。為避免網(wǎng)絡(luò)因擁塞而癱瘓，TCP只能降低傳輸速率以對數(shù)據(jù)丟失做出反應(yīng)。但是從算法上講，TCP每次進(jìn)行新的連接都必須從最低的傳輸速率啟動，TCP用返回的ACK來指示提高速率，這是一個較慢的線性增加的過程。這就是所說的“慢啟動”，即發(fā)送窗口依每次往返時間遞增，以發(fā)現(xiàn)可持續(xù)的吞吐量。


　　衛(wèi)星信道對TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)有一定的影響，因為衛(wèi)星通信網(wǎng)是一個具有帶寬延遲產(chǎn)物（bandwidth-delay product）網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的基本屬性是延遲（信息從發(fā)送節(jié)點傳播到接收節(jié)點的雙向等待時間，通常稱為往返時間）和帶寬（在某段時間內(nèi)能傳輸?shù)谋忍財?shù)）。帶寬延遲產(chǎn)物指一個網(wǎng)絡(luò)或信道是這兩個屬性（如網(wǎng)絡(luò)能容納的比特數(shù)）的產(chǎn)物。在傳輸/數(shù)據(jù)鍵路層，帶寬延遲產(chǎn)物代表網(wǎng)絡(luò)上任何時刻允許的最大待確認(rèn)處理的信息數(shù)量，它占滿整個鏈路。帶寬延遲產(chǎn)物也指示出為了獲得最佳性能，最終端用戶必須擁有緩存要求的上限。


　　衛(wèi)星IP網(wǎng)需要研究的問題還有QOS、互操作和路由選擇等問題，但其影響主要體現(xiàn)在通信流量（擁塞）控制和協(xié)議帶寬效率這兩方面，因此衛(wèi)星TCP/IP傳輸研究也主要集中在這兩方面。


　　二、衛(wèi)星TCP/IP傳輸?shù)幕�本改進(jìn)


　　TCP是TCP/IP中的用于可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，TCP要求反饋以確認(rèn)數(shù)據(jù)接收成功。衛(wèi)星信道的一些固有特性（如較大時延、較高比特差錯率和帶寬不對稱等）對通過衛(wèi)星鏈路進(jìn)行TCP/IP傳輸有一定的負(fù)面影響，主要體現(xiàn)在過長的TCP超進(jìn)和重傳引起較大的帶寬浪費，此外還要考慮衛(wèi)星環(huán)境下的一些TCP特性，如窗口較小，往返定時器不精確，以及啟動窗口等問題。研究人員對提高衛(wèi)星網(wǎng)中的TCP性能提出了各種解決方案，研究涉及鏈路層差錯控制方案和協(xié)議，更完善的TCP版本等各個方面。


　　1 鏈路層改進(jìn)


　　衛(wèi)星TCP中，鏈路差錯率是一個主要考慮的方面。目前已有各種差錯控制方案可供選擇。前向糾錯（EEC）方案和自動重傳（ARQ）協(xié)議是兩個主要的差錯控制方法。前向糾錯方案中可以選擇卷積編碼和級聯(lián)編碼，一些較高級的編碼方案還同時采用比特交織技術(shù) 減小突發(fā)錯誤的影響。較好的系統(tǒng)通過采取這些差錯控制方案，BER值可超過10-7的范圍。從而使分組差錯率達(dá)到10-9以上，但是由于差錯控制方案引入了數(shù)據(jù)冗余，編碼復(fù)雜度減慢了衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的速度并降低了帶寬效率。因此不同的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)條件支持的編碼方案的范圍是不同的。系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，例如，可根據(jù)業(yè)務(wù)對時延是否敏感采用不同的編碼級數(shù)，還可使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)低消由編碼引起的帶寬效率降低。


　　自動重傳協(xié)議包括停止--等待、返回和選擇重傳等三種類型。自動重傳協(xié)議由于額外的重傳時延不適合較高的BER環(huán)境。盡管選擇重傳較另兩種自動重傳效率高些，但需要調(diào)制解調(diào)器中有較高的復(fù)雜度，TCP和選擇重傳和相互影響還有待深入研究。


　　2 TCP改進(jìn)


　�。�1）基本TCP改進(jìn)


　　TCP的一個問題是它的缺省窗口大小僅限于16bit， 這個值對于衛(wèi)星高的帶寬時延產(chǎn)物來說是不夠的。由于要求的窗口大小很容易超出最大允許的65536字節(jié)，這限制了最大吞吐量接近1Mb/s（低于T1速率）。簡單地為TCP窗口大小安排更多的比特是不可行的，因為對報頭的相應(yīng)改變會造成老版本網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的復(fù)雜化。窗口擴(kuò)縮（window scaling）選項解決了這一問題，它允許啟動時的連接協(xié)商一個比例因子，這個因子通常是2的冪，最大允許窗口達(dá)到32bit，這對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是足夠了。然而增大的窗口也會引起序列號回饒的問題，要求附加回饒保護(hù)序列號（PAWS）機(jī)制。這兩個特點對于衛(wèi)星TCP是基本的，特別對于GEO系統(tǒng)猶為如此。


　　（2）選擇性確認(rèn)改進(jìn)


　　TCP接下來的一個主要缺點是它是易受多個丟失的影響，會推動它的“自計數(shù)”屬性和超時。在長時延網(wǎng)絡(luò)中，阻止不必要的窗口減小并僅重發(fā)受損/丟失分組，有助于提高帶寬利用率，如ITU-T為衛(wèi)星制定的SSCOP協(xié)議。這類協(xié)議稱為選擇性確認(rèn)（TCP SACK），對TCP協(xié)議提出了明顯的改進(jìn)。TCPSACK是一個數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)算法，其中接收方能夠有選擇地示意哪個數(shù)據(jù)塊（數(shù)據(jù)段）沒有收到。這允許接收方僅精確地重傳這些遺漏的分組，從而有效地降低了不必要的重傳。


　　研究結(jié)果顯示TCP SACK適合于具有中等丟失率（低于窗口大小的50％）的長時延網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對于線路丟失率較嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)，在SACK基礎(chǔ)上改進(jìn)的前向ACKFACK比較合適，前向ACK進(jìn)一步地結(jié)合了擁塞控制以及數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)算法，可望提供較高的性能增益。


　�。�3）非對稱性考慮


　　信道不對稱問題的一個有效的解決辦法是確保適當(dāng)?shù)姆聪驇�寬并使用充分大的分組。否則，增加的前向緩在要求處理較大的線性速率突發(fā)錯誤。像彈出“舊的”ACK分組，甚至是操縱ACK序列號這樣更精細(xì)的ACK處理方案在這里也是有幫助的。這些方案試圖保持和退回包含較高序列號的ACK分組，整合上改進(jìn)了吞吐量。


　�。�4）ACK控制方案


　　ACK控制方案最初用于改進(jìn)在ATM上進(jìn)行TCP傳輸?shù)男阅埽�由于TCP反饋環(huán)和ATM擁塞控制兩者的時間度量差異較大（前者為幾百毫秒，后者為幾毫秒），引入ACK控制方案的目的是使兩者更好地匹配。其中有兩種方案引人注目，一種是延遲返回的ACK分組，一種是修改反回ACK分組中的接收機(jī)窗口率段。ACK控制的好年是不需修改TCP協(xié)議棧，僅發(fā)端變得復(fù)雜一些。ACK控制方案不是ATM專用的，它也很適合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。


　　三、衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)


　　IP over衛(wèi)星和IP over 衛(wèi)星ATM這兩種衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)各有特點，應(yīng)用的通信衛(wèi)星技術(shù)有所不同。


　　1 IP over衛(wèi)星


　　這里的衛(wèi)星主要指現(xiàn)階段的C或KU波段靜止軌道衛(wèi)星，可用于作為地面網(wǎng)中繼的大型衛(wèi)星關(guān)口站或VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)。這種方式主要是采用協(xié)議網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)。協(xié)議網(wǎng)絡(luò)既可以單獨的設(shè)備，也可以將功能集成到衛(wèi)星調(diào) 制解調(diào)器中，它截取來自客戶機(jī)的TCP連接，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合衛(wèi)星傳輸?shù)男l(wèi)星協(xié)議（衛(wèi)星協(xié)議是根據(jù)前面所述的針對衛(wèi)星特點對TCP的改進(jìn)），然后在衛(wèi)星線路的另一端將數(shù)據(jù)還原成TCP，以達(dá)成與服務(wù)器的通信，整個過程中，協(xié)議網(wǎng)關(guān)將端到端的TCP連接分成三個獨立的部分一是客戶機(jī)與網(wǎng)關(guān)間的遠(yuǎn)程TCP連接；二是兩個網(wǎng)關(guān)間的衛(wèi)星協(xié)議連接；三是服務(wù)器方網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間的TCP連接。


　　這一結(jié)構(gòu)采取分解端到端連接的方式，即保持了對最終用戶的全部透明，又改進(jìn)了性能�？蛻魴C(jī)和服務(wù)器不需做任何改動，TCP避免擁塞裝置可繼續(xù)保留地面連接部分，以保持地面網(wǎng)段的穩(wěn)定性。同時通過在兩個網(wǎng)關(guān)間采用大窗口大小對吞吐量的限制，避免了將分組丟失引起的傳輸超時誤認(rèn)為是擁塞所致。


　　2 IP over衛(wèi)星ATM


　　為了滿足多媒體通信業(yè)務(wù)的需求，許多寬帶衛(wèi)星計劃正在快速發(fā)展中，采用KA波段、星上處理和ATM技術(shù)是其主要特點。IP over衛(wèi)星ATM使寬帶衛(wèi)星縫傳輸Inernet業(yè)務(wù)，因而這種方式的衛(wèi)星IP網(wǎng)將更好地滿足未來人們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?br>

　　在衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星被設(shè)計為能支持幾千個地面終端。地面終端通過星上交換機(jī)建立虛擬通道，與另一個地面終端之間傳輸ATM信元，由于星上交換機(jī)有限的能力，每個地面終端能用于TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)腣C數(shù)量有限。當(dāng)路由選擇IP業(yè)務(wù)進(jìn)出ATM網(wǎng)時，這些地面終端成為IP與ATM間的邊緣設(shè)備（路由器）。這些路由器必須能夠?qū)⒍鄠�IP流聚集到單個VC中。除了流量和VC管理之外，地面終端還提供在IP和ATM網(wǎng)間擁塞控制的方法。星上ATM交換機(jī)必須在信元和VC級完成業(yè)務(wù)管理。此外，為了有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，TCP主機(jī)實現(xiàn)各種TCP流量和擁塞控制機(jī)制。IP over衛(wèi)星ATM可以利用前面討論的衛(wèi)星IP改進(jìn)和協(xié)議網(wǎng)關(guān)等技術(shù)，地面網(wǎng)中IP over ATM的一些技術(shù)也適用。


摘自《衛(wèi)星通信廣播電視》2001.6