衛(wèi)星傳輸的INTERNET

衛(wèi)星傳輸的INTERNET（秦迎）
    近年來，互聯網的應用與日俱增，給人們的生活帶來新的變革，也為衛(wèi)星通信帶來新
的發(fā)展空間。衛(wèi)星通信的優(yōu)勢與網絡技術有機結合，將使Internet的應用更為廣泛。本文
論述了衛(wèi)星通信的特點及優(yōu)勢、Internet的網絡結構，以及衛(wèi)星Internet的接入方式，并
介紹了Internet協(xié)議中所涉及提高衛(wèi)星Internet效率的幾個機制。
1衛(wèi)星通信的特點和優(yōu)勢
    通信衛(wèi)星一般位于赤道上空36000km的同步軌道。信號從一個地面站到另一地面站需要
239.6ms，往返路徑時延（RTT）為558ms，信號傳輸的RTT是信號發(fā)出并得到相應應答的時
延，并不只是衛(wèi)星傳輸帶來的，還包括其他因素，如網絡中其他路經時延、在網關排隊等
待時間等。如果路徑中包括多個衛(wèi)星信道，時延就會更長。由于衛(wèi)星信道反饋回路時延長，
TCP發(fā)端需要很長時間來確認數據包是否被正確接收。這種時延對交互式的應用極為不利。
如對TCP擁塞控制算法的應用就十分不便。
    衛(wèi)星信道具有噪聲和帶寬兩個特點：
    （1）噪聲
    衛(wèi)星信道的路徑衰減較大，信噪比相對較低，一些頻率點的信號易受而衰影響，衛(wèi)星
鏈路的誤碼率一般低于10－7�，F在很多衛(wèi)星業(yè)務采用編碼技術，使誤碼率進一步降低，有
望接近光纖的傳輸性能。
    （2）帶寬
    無線帶寬是一個有限資源，衛(wèi)星頻帶十分有限�，F在使用的衛(wèi)星頻帶主要有C波段和Ku
波段，Ka波段也將在最近幾年擴大使用。
    盡管衛(wèi)星通信具有噪聲大、帶寬窄的缺點，但更具有其本身的特點及光纖無法代替的
優(yōu)越性：（1）覆蓋面十分廣闊；（2）無處不在，尤其是邊遠地區(qū)。光纖及其它傳輸、媒
體很難達到；（3）可以點到多點傳輸，達到廣播的效果；（4）成本低，衛(wèi)星鏈路的成本
與傳輸距離無關。同時衛(wèi)星鏈路支持不對稱傳輸鏈路，這都降低了通信成本。因此，衛(wèi)星
通信已成為Internet連接一種不可缺少的手段。
2衛(wèi)星Internet的接入方式
    Internet通過衛(wèi)星接入有兩種方式：（1）網絡接入點（NAP）間連接，或大型因特網
業(yè)務提供商（ISP）遠程接入；（2）通過VSAT，對邊遠地區(qū)的小ISP提供連接。
2.1NAP間連接或大型ISP遠程接入
    由于目前大量網上信息都在北美，通過衛(wèi)星即可直接建立與北美的高速Internet鏈路。
這些鏈路的速率可以是對稱的，也可以非對稱。又由于Internet上的傳輸大多為非對稱的
（即兩個方向上的業(yè)務量不一樣），而衛(wèi)星傳輸也具有這種特點，利用它可降低傳輸費用。
在非對稱電路中，需要考慮的問題包括：Modem的時鐘、路由器與Modem的接口，以及地面
線路傳輸。
    （1）時鐘
    調制器端時鐘有：從地面網絡提取、Modem內部時鐘（精度不高）和接入外部時鐘
（精度較高）三種。解調器端時鐘有：從地面網絡提�。ㄍ�調制器時鐘，非對稱業(yè)務除
外）、內部時鐘、接入外部時鐘和從衛(wèi)星輸入信號中提取四種。由于路由器無法提供時
鐘，在無外部時鐘情況下，調制器只能利用內部時鐘，解調器則可利用衛(wèi)星輸入信號。
經實驗證明，低于45Mb／s的傳輸是可以滿足的。
    （2）接口
    2Mb／s以下的信息傳輸可用V.35、 RS－449或G703、704；對高于2Mb／ S特別是高
于6Mb／s的速率，則要使用高速率串行接口（HSSI），且傳輸距離最長為6m，地面站要
安裝路由器。另外，由于Modem本身不產生握手信號，要用適配器來產生，這就需要數字
服務單元／信道服務單元（DSU／CSU）。DSU／CSU一端與V.35、RS－449或HSSI接口，再
與路由器相連；另一端則提供G703接口接入地面網。由于其處理信息速率固定，對于兩
種不同速率的非對稱傳輸，則需要兩個DSU／CSU。
    （3）地面?zhèn)鬏?br />    地面?zhèn)鬏斂衫�用PDH或SDH網絡進行。
2.2通過VSAT對邊遠地區(qū)小ISP提供連接
    VSAT終端安裝簡單易行，非常適于點到多點的傳輸方式。對于一些偏遠地面線路難
以達到的點，可利用VSAT通過衛(wèi)星插入Internet。而一些Internet信息傳輸特點更適于
點到多點的多波傳達室輸方式，如電視、股票、遠程、教育等。
3通過衛(wèi)星信道的TCP／IP
3.1低階通道的協(xié)議改動
    在低階通道（即鏈路層），使用識別傳輸路徑中最大的傳輸單元（MTU）和前向糾錯
（FEC）兩種算法來提高TCP的性能。
    （1）MTU
    MTU主要用來確定給定網絡中某一連接所用的最大分組尺寸。這個尺寸不受IP分片的
支配。信源機發(fā)出一個分組，其大小適應所連接的本地網絡，并置IP分片值為不分片。
如果到某一網關時發(fā)現該包過大，該網關不是將數據包分片，而是返回一個TCMP（網間
網控制報文協(xié)議）信息包給信源，指出原分段因尺寸過大而無法傳輸，同時給出能通過
該網關繼續(xù)傳輸的最大尺寸。識別傳輸路徑中的MTU將允許TCP使用最大可能的傳輸尺寸，
從而減小因分片和重組帶來的開銷。同時，TCP的擁塞控制窗口是以段為單位的，較大分
段也使TCP信源機的擁塞控制窗口增加得快一些。
    MTU的缺點在于確定網絡傳輸允許最大尺寸的時間較長，使衛(wèi)星鏈路的時延加劇。在
實際中，由于帶寬較大，這一過程花費的時間并不多。另外，平時也可存上一些MTU的值，
必要時就可省去找出MTU的時間。
    （2）FEC
    在TCP協(xié)議中，一個很小的數據丟失也被認為是擁塞，并減小TCP的擁塞窗口。在衛(wèi)
星鏈路中，擁塞窗口的增加是根據返回的確認，TCP要花費很長時間來恢復。因此，當數
據包丟失是傳輸錯誤而不是擁塞引起時，就不需要減小窗口尺寸。這一識別技術現在還
不成熟，要想使TCP運行有效，就要保障鏈路質量。在衛(wèi)星鏈路中，通常使用FEC來改善
誤碼率。衛(wèi)星通道時延長，從信源機返回認可需要的時間更長，因此TCP要花費相當長的
時間恢復一個丟包引起的擁塞。
3.2 TCP／IP協(xié)議
    （1）擁塞控制
    擁塞是網關數據報超載所引起的嚴重延遲現象，是子網能力嚴重不足的體現，一旦
發(fā)生擁塞，網關將拋棄數據報，導致重發(fā)。大量重發(fā)又會進一步加劇擁塞。這種惡性循
環(huán)有可能導致整個網間網無法工作，即擁塞崩潰。
    TCP協(xié)議是一種面向連接的傳輸過程，發(fā)方每發(fā)出一個分組都需要得到收方確認。
TCP的流量控制采用滑動窗口協(xié)議，基本原理是：滑動窗口內含有一組順序排列的報文
序號，在發(fā)送端，窗口內報文序號對應的報文可以連續(xù)發(fā)送。這些報文包括已發(fā)送但未
得到確認、未發(fā)送但可連續(xù)發(fā)送和已發(fā)送且已得到確認三種。由于本窗口中前面尚有未
確認的報文，一旦窗口前面報文得到確認，窗口向前滑動相應位，落入窗口的后續(xù)報文
又可連續(xù)發(fā)送。在接收端，窗口內的序號對應于容許接收幀。窗口前的幀是已收到且已
發(fā)回確認的幀，不容許接收；窗口后的幀要等待窗口滑動后，才能接收。為了使流控有
效、信道效率提高和避免擁塞，TCP采用慢啟動、擁塞規(guī)避、快速啟動和快速恢復四種
擁塞控制機制，通過調整窗口尺寸來控制流量，避免擁塞，并充分利用信道。信源機用
擁塞窗口（cwnd）和慢啟動門限（ssthresh）兩變量來控制流量。cwnd受信宿機通告窗
口的限制，也是發(fā)送窗口的最大極限。cwnd的增減根據網絡中現有的擁塞狀況而定。當
cwnd＜ssthresh時，通過慢啟動算法增加cwnd；當cwnh≥ssthresh時，則使用擁塞規(guī)避
的算法。ssthresh初始化為信宿機通告窗口，檢測到擁塞后，才設置ssthresh值。
    （2）慢啟動和擁塞規(guī)避
    在建立一條新鏈接時，為了避免擁塞時使用慢啟動算法，cwnd初始化為1，ssthresh
為信宿機通告窗口。這樣，強迫TCP每發(fā)一個數據段就等待相應的確認（ACK），隨著每
收到一個確認，cwnd加此一直遲續(xù)到。wnd≥ssthresh減者檢測到丟包現象。當cwnd≥
ssthresh時，用擁塞規(guī)避算法增加cwnd。在擁塞規(guī)避中，cwnd增長得非常緩慢，每收到
一個ACK，cwnd只增加1／cwnd。假設每發(fā)一段即收到一個ACK，cwnd在一個往返時間內
增加一段。
    由于衛(wèi)星通道的時延長，上述兩種算法將導致信道利用率極低。例如，連接建立開
始時發(fā)一段，并等相應的ACK，至少需要500ms，慢啟動所用時間嚴重超過地面線路情況。
擁塞規(guī)避也存在同樣情況，這同樣說明識別傳輸路徑MTU的重要性。在上述兩種算法中，
是確定段的數量而不是段的長度，使用較長的段可以提高TCP性能。
3.3快速重發(fā)和快速恢復
    如果信源機在一給定時間內（重傳超時RTO）沒有收到確認，該段將重傳。RTO是根
據RTT確定的。另外，超時發(fā)生后， TCP將認為網絡擁塞，置ssthresh＝1／2cwnd，
cwnd＝1，慢啟動開始，直到cwnd等于原1／2cwnd，然后再使用擁塞規(guī)避算法，以檢測
網絡中的剩余容量。
    TCP總是給序號最高的段確認，也就是X段的ACK表示≤X的段的確認。另外，若收
編的段序號不按順序，ACK將應答給按順序中的最高序號段。例如11段丟失，12段收到，
則信宿機再發(fā)～個10段的確認�？焖僦匕l(fā)就是利用重復確認來檢測丟失數據段，若收到
3次重復，TCP就認為這個段確實丟失，不等RTO到時，就重發(fā)丟失段�？焖僦匕l(fā)后，通
過快速恢復算法調整擁塞窗口：先置ssthresh=1／2cwnd，直到cwnd等于原1／2cwnd，
最后每收到一個確認，cwnd＋1，一旦cwnd允許，TCP就發(fā)送新的數據。因此檢測到丟失
后，TCP將以一半的速率傳輸數據。一般來說，每個窗口內丟失一個數據段，可使用快
速重發(fā)。若丟失多個數據段，則要等RTO超時再進行重發(fā)，重發(fā)后將進入侵啟動狀態(tài)。
    TCP對于擁塞的處理方式根據擁塞檢測的方式而定。上述四種擁塞控制算法都需要
花費一定的時間來驗證網絡的傳輸能力，這必將引起帶寬的浪費，特別是在時延長的衛(wèi)
星鏈路中。為了避免擁塞崩潰，權衡整個網絡的利弊，如何使用好這四種方法十分關鍵。
3.4較大的窗口尺寸
   TCP的吞吐量受下列限制：吞吐量=窗口尺寸／往返時延；當最大窗口尺寸為65 535
byte時，吞吐量=65 535／560ms＝117 027byte／s。因此，即使在T1的衛(wèi)星鏈路中
（≈192kbyte／s），使用最大的窗口尺寸也將造成信道的浪費，同時還要調整緩沖區(qū)
的尺寸。
3.5選擇確認（SCAK）
    SCAK是 TCP信宿機用于向 TCP信源機準確通告哪一個數據包沒有收到，使TCP迅速
發(fā)現丟失段，以避免不必要重發(fā)的手段。
    在衛(wèi)星信道中，快速重發(fā)能對每個窗口丟失的一個數據進行補救，如果多段丟失，
信宿機則需要等到超時后，才能確定那個段需要重傳，然后再使用慢啟動重發(fā)數據，
這樣做相當浪費時間。使用SCAK后，信宿機在其后第一往返時間內就可知道是哪一個
段丟失，立即進行傳輸，避免了慢啟動帶來的延時。


摘自《電信快報》