衛(wèi)星傳輸?shù)腎NTERNET

衛(wèi)星傳輸?shù)腎NTERNET（秦迎）
    近年來，互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)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(shì)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將使Internet的應(yīng)用更為廣泛。本文
論述了衛(wèi)星通信的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)、Internet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(gè)機(jī)制。
1衛(wèi)星通信的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
    通信衛(wèi)星一般位于赤道上空36000km的同步軌道。信號(hào)從一個(gè)地面站到另一地面站需要
239.6ms，往返路徑時(shí)延（RTT）為558ms，信號(hào)傳輸?shù)腞TT是信號(hào)發(fā)出并得到相應(yīng)應(yīng)答的時(shí)
延，并不只是衛(wèi)星傳輸帶來的，還包括其他因素，如網(wǎng)絡(luò)中其他路經(jīng)時(shí)延、在網(wǎng)關(guān)排隊(duì)等
待時(shí)間等。如果路徑中包括多個(gè)衛(wèi)星信道，時(shí)延就會(huì)更長(zhǎng)。由于衛(wèi)星信道反饋回路時(shí)延長(zhǎng)，
TCP發(fā)端需要很長(zhǎng)時(shí)間來確認(rèn)數(shù)據(jù)包是否被正確接收。這種時(shí)延對(duì)交互式的應(yīng)用極為不利。
如對(duì)TCP擁塞控制算法的應(yīng)用就十分不便。
    衛(wèi)星信道具有噪聲和帶寬兩個(gè)特點(diǎn)：
    （1）噪聲
    衛(wèi)星信道的路徑衰減較大，信噪比相對(duì)較低，一些頻率點(diǎn)的信號(hào)易受而衰影響，衛(wèi)星
鏈路的誤碼率一般低于10－7。現(xiàn)在很多衛(wèi)星業(yè)務(wù)采用編碼技術(shù)，使誤碼率進(jìn)一步降低，有
望接近光纖的傳輸性能。
    （2）帶寬
    無(wú)線帶寬是一個(gè)有限資源，衛(wèi)星頻帶十分有限�，F(xiàn)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(kuò)大使用。
    盡管衛(wèi)星通信具有噪聲大、帶寬窄的缺點(diǎn)，但更具有其本身的特點(diǎn)及光纖無(wú)法代替的
優(yōu)越性：（1）覆蓋面十分廣闊；（2）無(wú)處不在，尤其是邊遠(yuǎn)地區(qū)。光纖及其它傳輸、媒
體很難達(dá)到；（3）可以點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸，達(dá)到廣播的效果；（4）成本低，衛(wèi)星鏈路的成本
與傳輸距離無(wú)關(guān)。同時(shí)衛(wèi)星鏈路支持不對(duì)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(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（NAP）間連接，或大型因特網(wǎng)
業(yè)務(wù)提供商（ISP）遠(yuǎn)程接入；（2）通過VSAT，對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)的小ISP提供連接。
2.1NAP間連接或大型ISP遠(yuǎn)程接入
    由于目前大量網(wǎng)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(duì)稱的，也可以非對(duì)稱。又由于Internet上的傳輸大多為非對(duì)稱的
（即兩個(gè)方向上的業(yè)務(wù)量不一樣），而衛(wèi)星傳輸也具有這種特點(diǎn)，利用它可降低傳輸費(fèi)用。
在非對(duì)稱電路中，需要考慮的問題包括：Modem的時(shí)鐘、路由器與Modem的接口，以及地面
線路傳輸。
    （1）時(shí)鐘
    調(diào)制器端時(shí)鐘有：從地面網(wǎng)絡(luò)提取、Modem內(nèi)部時(shí)鐘（精度不高）和接入外部時(shí)鐘
（精度較高）三種。解調(diào)器端時(shí)鐘有：從地面網(wǎng)絡(luò)提取（同調(diào)制器時(shí)鐘，非對(duì)稱業(yè)務(wù)除
外）、內(nèi)部時(shí)鐘、接入外部時(shí)鐘和從衛(wèi)星輸入信號(hào)中提取四種。由于路由器無(wú)法提供時(shí)
鐘，在無(wú)外部時(shí)鐘情況下，調(diào)制器只能利用內(nèi)部時(shí)鐘，解調(diào)器則可利用衛(wèi)星輸入信號(hào)。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(zhǎng)為6m，地面站要
安裝路由器。另外，由于Modem本身不產(chǎn)生握手信號(hào)，要用適配器來產(chǎn)生，這就需要數(shù)字
服務(wù)單元／信道服務(wù)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(wǎng)。由于其處理信息速率固定，對(duì)于兩
種不同速率的非對(duì)稱傳輸，則需要兩個(gè)DSU／CSU。
    （3）地面?zhèn)鬏?br />    地面?zhèn)鬏斂衫�用PDH或SDH網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。
2.2通過VSAT對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)小ISP提供連接
    VSAT終端安裝簡(jiǎn)單易行，非常適于點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸方式。對(duì)于一些偏遠(yuǎn)地面線路難
以達(dá)到的點(diǎn)，可利用VSAT通過衛(wèi)星插入Internet。而一些Internet信息傳輸特點(diǎn)更適于
點(diǎn)到多點(diǎn)的多波傳達(dá)室輸方式，如電視、股票、遠(yuǎn)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(dòng)
    在低階通道（即鏈路層），使用識(shí)別傳輸路徑中最大的傳輸單元（MTU）和前向糾錯(cuò)
（FEC）兩種算法來提高TCP的性能。
    （1）MTU
    MTU主要用來確定給定網(wǎng)絡(luò)中某一連接所用的最大分組尺寸。這個(gè)尺寸不受IP分片的
支配。信源機(jī)發(fā)出一個(gè)分組，其大小適應(yīng)所連接的本地網(wǎng)絡(luò)，并置IP分片值為不分片。
如果到某一網(wǎng)關(guān)時(shí)發(fā)現(xiàn)該包過大，該網(wǎng)關(guān)不是將數(shù)據(jù)包分片，而是返回一個(gè)TCMP（網(wǎng)間
網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議）信息包給信源，指出原分段因尺寸過大而無(wú)法傳輸，同時(shí)給出能通過
該網(wǎng)關(guān)繼續(xù)傳輸?shù)淖畲蟪叽�。識(shí)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(shí)，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(jī)的擁塞控制窗口增加得快一些。
    MTU的缺點(diǎn)在于確定網(wǎng)絡(luò)傳輸允許最大尺寸的時(shí)間較長(zhǎng)，使衛(wèi)星鏈路的時(shí)延加劇。在
實(shí)際中，由于帶寬較大，這一過程花費(fèi)的時(shí)間并不多。另外，平時(shí)也可存上一些MTU的值，
必要時(shí)就可省去找出MTU的時(shí)間。
    （2）FEC
    在TCP協(xié)議中，一個(gè)很小的數(shù)據(jù)丟失也被認(rèn)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(jù)返回的確認(rèn)，TCP要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間來恢復(fù)。因此，當(dāng)數(shù)
據(jù)包丟失是傳輸錯(cuò)誤而不是擁塞引起時(shí)，就不需要減小窗口尺寸。這一識(shí)別技術(shù)現(xiàn)在還
不成熟，要想使TCP運(yùn)行有效，就要保障鏈路質(zhì)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(shí)延長(zhǎng)，從信源機(jī)返回認(rèn)可需要的時(shí)間更長(zhǎng)，因此TCP要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的
時(shí)間恢復(fù)一個(gè)丟包引起的擁塞。
3.2 TCP／IP協(xié)議
    （1）擁塞控制
    擁塞是網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)超載所引起的嚴(yán)重延遲現(xiàn)象，是子網(wǎng)能力嚴(yán)重不足的體現(xiàn)，一旦
發(fā)生擁塞，網(wǎng)關(guān)將拋棄數(shù)據(jù)報(bào)，導(dǎo)致重發(fā)。大量重發(fā)又會(huì)進(jìn)一步加劇擁塞。這種惡性循
環(huán)有可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)間網(wǎng)無(wú)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(gè)分組都需要得到收方確認(rèn)。
TCP的流量控制采用滑動(dòng)窗口協(xié)議，基本原理是：滑動(dòng)窗口內(nèi)含有一組順序排列的報(bào)文
序號(hào)，在發(fā)送端，窗口內(nèi)報(bào)文序號(hào)對(duì)應(yīng)的報(bào)文可以連續(xù)發(fā)送。這些報(bào)文包括已發(fā)送但未
得到確認(rèn)、未發(fā)送但可連續(xù)發(fā)送和已發(fā)送且已得到確認(rèn)三種。由于本窗口中前面尚有未
確認(rèn)的報(bào)文，一旦窗口前面報(bào)文得到確認(rèn)，窗口向前滑動(dòng)相應(yīng)位，落入窗口的后續(xù)報(bào)文
又可連續(xù)發(fā)送。在接收端，窗口內(nèi)的序號(hào)對(duì)應(yīng)于容許接收幀。窗口前的幀是已收到且已
發(fā)回確認(rèn)的幀，不容許接收；窗口后的幀要等待窗口滑動(dòng)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(dòng)、擁塞規(guī)避、快速啟動(dòng)和快速恢復(fù)四種
擁塞控制機(jī)制，通過調(diào)整窗口尺寸來控制流量，避免擁塞，并充分利用信道。信源機(jī)用
擁塞窗口（cwnd）和慢啟動(dòng)門限（ssthresh）兩變量來控制流量。cwnd受信宿機(jī)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(jù)網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的擁塞狀況而定。當(dāng)
cwnd＜ssthresh時(shí)，通過慢啟動(dòng)算法增加cwnd；當(dāng)cwnh≥ssthresh時(shí)，則使用擁塞規(guī)避
的算法。ssthresh初始化為信宿機(jī)通告窗口，檢測(cè)到擁塞后，才設(shè)置ssthresh值。
    （2）慢啟動(dòng)和擁塞規(guī)避
    在建立一條新鏈接時(shí)，為了避免擁塞時(shí)使用慢啟動(dòng)算法，cwnd初始化為1，ssthresh
為信宿機(jī)通告窗口。這樣，強(qiáng)迫TCP每發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)段就等待相應(yīng)的確認(rèn)（ACK），隨著每
收到一個(gè)確認(rèn)，cwnd加此一直遲續(xù)到。wnd≥ssthresh減者檢測(cè)到丟包現(xiàn)象。當(dāng)cwnd≥
ssthresh時(shí)，用擁塞規(guī)避算法增加cwnd。在擁塞規(guī)避中，cwnd增長(zhǎng)得非常緩慢，每收到
一個(gè)ACK，cwnd只增加1／cwnd。假設(shè)每發(fā)一段即收到一個(gè)ACK，cwnd在一個(gè)往返時(shí)間內(nèi)
增加一段。
    由于衛(wèi)星通道的時(shí)延長(zhǎng)，上述兩種算法將導(dǎo)致信道利用率極低。例如，連接建立開
始時(shí)發(fā)一段，并等相應(yīng)的ACK，至少需要500ms，慢啟動(dòng)所用時(shí)間嚴(yán)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(shí)別傳輸路徑MTU的重要性。在上述兩種算法中，
是確定段的數(shù)量而不是段的長(zhǎng)度，使用較長(zhǎng)的段可以提高TCP性能。
3.3快速重發(fā)和快速恢復(fù)
    如果信源機(jī)在一給定時(shí)間內(nèi)（重傳超時(shí)RTO）沒有收到確認(rèn)，該段將重傳。RTO是根
據(jù)RTT確定的。另外，超時(shí)發(fā)生后， TCP將認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞，置ssthresh＝1／2cwnd，
cwnd＝1，慢啟動(dòng)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(cè)
網(wǎng)絡(luò)中的剩余容量。
    TCP總是給序號(hào)最高的段確認(rèn)，也就是X段的ACK表示≤X的段的確認(rèn)。另外，若收
編的段序號(hào)不按順序，ACK將應(yīng)答給按順序中的最高序號(hào)段。例如11段丟失，12段收到，
則信宿機(jī)再發(fā)～個(gè)10段的確認(rèn)�？焖僦匕l(fā)就是利用重復(fù)確認(rèn)來檢測(cè)丟失數(shù)據(jù)段，若收到
3次重復(fù)，TCP就認(rèn)為這個(gè)段確實(shí)丟失，不等RTO到時(shí)，就重發(fā)丟失段。快速重發(fā)后，通
過快速恢復(fù)算法調(diào)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(gè)確認(rèn)，cwnd＋1，一旦cwnd允許，TCP就發(fā)送新的數(shù)據(jù)。因此檢測(cè)到丟失
后，TCP將以一半的速率傳輸數(shù)據(jù)。一般來說，每個(gè)窗口內(nèi)丟失一個(gè)數(shù)據(jù)段，可使用快
速重發(fā)。若丟失多個(gè)數(shù)據(jù)段，則要等RTO超時(shí)再進(jìn)行重發(fā)，重發(fā)后將進(jìn)入侵啟動(dòng)狀態(tài)。
    TCP對(duì)于擁塞的處理方式根據(jù)擁塞檢測(cè)的方式而定。上述四種擁塞控制算法都需要
花費(fèi)一定的時(shí)間來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，這必將引起帶寬的浪費(fèi)，特別是在時(shí)延長(zhǎng)的衛(wèi)
星鏈路中。為了避免擁塞崩潰，權(quán)衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利弊，如何使用好這四種方法十分關(guān)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(shí)延；當(dāng)最大窗口尺寸為65 535
byte時(shí)，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(fèi)，同時(shí)還要調(diào)整緩沖區(qū)
的尺寸。
3.5選擇確認(rèn)（SCAK）
    SCAK是 TCP信宿機(jī)用于向 TCP信源機(jī)準(zhǔn)確通告哪一個(gè)數(shù)據(jù)包沒有收到，使TCP迅速
發(fā)現(xiàn)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(duì)每個(gè)窗口丟失的一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)救，如果多段丟失，
信宿機(jī)則需要等到超時(shí)后，才能確定那個(gè)段需要重傳，然后再使用慢啟動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)，
這樣做相當(dāng)浪費(fèi)時(shí)間。使用SCAK后，信宿機(jī)在其后第一往返時(shí)間內(nèi)就可知道是哪一個(gè)
段丟失，立即進(jìn)行傳輸，避免了慢啟動(dòng)帶來的延時(shí)。


摘自《電信快報(bào)》