利用對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星擴(kuò)展因特網(wǎng)

利用對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星擴(kuò)展因特網(wǎng)（李昌猷）
摘要介紹了利用衛(wèi)星鏈路接入因特網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)明了因特網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星條件下使用并
不
是最合適，并簡(jiǎn)要介紹了解決辦法。
關(guān)鍵詞  IP over Satellite多播  環(huán)回時(shí)間  窗口尺寸
1  利用衛(wèi)星鏈路接入因特網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)
（1）避免擁塞，旁路瓶頸
    因特網(wǎng)的急劇發(fā)展，使網(wǎng)絡(luò)中信息流通的擁塞程度加重。在國(guó)際間，因特網(wǎng)的連接按指數(shù)律
增
長(zhǎng)。因特網(wǎng)內(nèi)容的80％存在于美國(guó)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。因此，國(guó)際間的國(guó)特網(wǎng)業(yè)務(wù)是極不對(duì)稱的，典
型比值在4：1－8：1之間，而且隨著萬(wàn)維網(wǎng)多媒體業(yè)務(wù)的激增，這個(gè)比值還可能增大。在鏈路上
進(jìn)
行點(diǎn)擊，向遠(yuǎn)方的服務(wù)器查詢資料，其信息量是以byte計(jì)的；反之，當(dāng)所查詢的圖形網(wǎng)頁(yè)、文件
或
音頻／視頻信息流由遠(yuǎn)端發(fā)送給查詢者及其瀏覽器時(shí)，其信息量將以kbyte甚至Mbyte計(jì)。大信息
流
的增長(zhǎng)十分容易使網(wǎng)絡(luò)擁塞，形成瓶頸。
    網(wǎng)絡(luò)層次和連接次數(shù)的增加也是引發(fā)瓶頸的一個(gè)重要因素。在因特網(wǎng)上，一個(gè)典型的數(shù)據(jù)
包，
從源頭到達(dá)目的地，要通過(guò)許多路由來(lái)傳送。每個(gè)萬(wàn)維網(wǎng)超鏈路（Webhyperlink）點(diǎn)擊加上隨后
的
網(wǎng)頁(yè)下載，據(jù)統(tǒng)計(jì)，所通過(guò)的全部路由總數(shù)平均多達(dá)18個(gè)。數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)的路由層次多，不僅容易
使用路擁塞，而且每次連接都需要付出成本和處理時(shí)間。
    利用對(duì)地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星可以最大限度地旁路地面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中易于擁塞的路由，盡可能
地減少通過(guò)的網(wǎng)絡(luò)層次。
（2）衛(wèi)星鏈路利于IP多播
    傳統(tǒng)的因特網(wǎng)應(yīng)用，諸如網(wǎng)際瀏覽和電子函件，都是在一個(gè)發(fā)進(jìn)器和一個(gè)接收器之間運(yùn)作。
在
現(xiàn)代因特網(wǎng)的應(yīng)用中，往往是一個(gè)內(nèi)容要求同時(shí)發(fā)送給一組接收者，當(dāng)前，同一信息需要同時(shí)傳送
給多個(gè)地址的業(yè)務(wù)大約占固特網(wǎng)總業(yè)務(wù)量的30％。
    為了避免這些新應(yīng)用促發(fā)的網(wǎng)絡(luò)擁塞，要求團(tuán)特網(wǎng)在業(yè)務(wù)處理方面發(fā)展新的技術(shù)，IP多播
（multi－casting）就是其新發(fā)展的技術(shù)之一。在傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)中，這種多播的信息是通過(guò)路
由器構(gòu)成的所謂傳遞樹(shù)傳送的。這種傳輸協(xié)議較晚時(shí)才加進(jìn)IPV4中，目前網(wǎng)上許多路由器還不能
支持。還有一種稱為隧道（tunneling）的技術(shù)能把特定的局部地區(qū)連接起來(lái)進(jìn)行多址播發(fā)。因
此，
在地面網(wǎng)絡(luò)上能同時(shí)參加多址播發(fā)的接收站址數(shù)量仍然受到一定的限制。
    相比之下，利用 GEO衛(wèi)星進(jìn)行多址播發(fā)業(yè)務(wù)則既便利又效率高。只要是在衛(wèi)星覆蓋范圍之
內(nèi)，
任何地址都可以使用適當(dāng)調(diào)諧的接收設(shè)備接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。如果建立起星際鏈路，則可能將同一信
息數(shù)據(jù)傳往全球�，F(xiàn)代接收衛(wèi)星下行線的小型天線和接收機(jī)都相當(dāng)便宜，一個(gè)WAN可以很快地利用
衛(wèi)星系統(tǒng)擴(kuò)大，而所需費(fèi)用僅為利用地面線路時(shí)的投資的很小一部分。
（3）其它用途和優(yōu)點(diǎn)
    利用GEO衛(wèi)星連接和擴(kuò)展因特網(wǎng)，除旁路擁塞和便于多播外，還有其它許多優(yōu)點(diǎn)和用途。
    *一些發(fā)展中國(guó)家或地區(qū)，包括某些邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)村、礦區(qū)、海島等，目前還沒(méi)有或缺少良好的地面
通信基礎(chǔ)設(shè)施。在這些國(guó)家和地區(qū)，衛(wèi)星鏈路能并且有的已在充當(dāng)接入因特網(wǎng)的主角。這種情況
還會(huì)持續(xù)下去，因?yàn)樵谶@些地區(qū)建設(shè)衛(wèi)星鏈路較之建設(shè)地面鏈路既方便又便宜。
    *某些發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)，即使其他面基礎(chǔ)設(shè)施已十分充足，而且?guī)�寬也足夠使用，利用衛(wèi)星鏈
路作為其地面系統(tǒng)的補(bǔ)充或應(yīng)急備用必然是需要的。
    *許多因特網(wǎng)用戶受限于當(dāng)?shù)豂SP提供的話音等級(jí)撥號(hào)接入方式，這些線路的帶寬只能達(dá)到
56kbit／S。要想使用更快的數(shù)據(jù)速率，費(fèi)用會(huì)非常高。利用價(jià)廉的衛(wèi)星小站，直接裝在用戶屋
頂，提高數(shù)據(jù)速率十分方便。
    *撥號(hào)人同常會(huì)遇到什音，因?yàn)镮SP為廠降低投資，其調(diào)制解調(diào)器庫(kù)大都不夠大。其結(jié)果是，
有些用戶擔(dān)心上網(wǎng)不易，往往占著線路不肯輕易下網(wǎng)，從而增大因特網(wǎng)擁塞可能性。如果在因特
網(wǎng)與ISP或大社團(tuán)客房之間，建立經(jīng)濟(jì)可靠的衛(wèi)星鏈路，則大客戶可將節(jié)省下來(lái)的投資改用于購(gòu)
置更多的撥號(hào)鏈路調(diào)制解調(diào)器。
    *衛(wèi)星河為ISP提供直接的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。傳輸可以是雙向不對(duì)稱的，也可以是單向（前
向用戶查詢信息去地面鏈路，反向的大信息量傳輸走衛(wèi)星鏈路）。衛(wèi)星鏈路的傳輸速率改變方便，
一般可以從128kbit／s或256kbit／s開(kāi)始，必要時(shí)再加倍。
2  TCP對(duì)衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊?br />（1）TCP/IP
    各個(gè)ISP接入因特網(wǎng)的人口，并在各網(wǎng)絡(luò)交換中心彼此連接起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)交換中心又常稱為網(wǎng)
絡(luò)接人點(diǎn)。各個(gè)運(yùn)營(yíng)NAP的管理機(jī)構(gòu)，分別向所接入的ISP收取費(fèi)用。國(guó)特網(wǎng)采用包交換接人，把
文件信息分成相當(dāng)小的小段來(lái)傳輸，使數(shù)據(jù)流運(yùn)行處于最佳化。典型網(wǎng)絡(luò)由通信鏈路和路由器組
成。每個(gè)信息包都按照裝人其內(nèi)的目的地址在網(wǎng)上尋找路由。同時(shí)，通過(guò)路由協(xié)議使信息包內(nèi)的
信息表一一直保持最新，從而信息包可以準(zhǔn)確到達(dá)目的地。路由器利用因特網(wǎng)協(xié)議（IP）十分成
功地傳送信息包。有時(shí)信息、包可能丟失或無(wú)限期的延遲，這個(gè)問(wèn)題由TCP解決。TCP是一個(gè)用在
文件查詢者與發(fā)送文件的服務(wù)器之間的端到端的協(xié)議。TCP采用確認(rèn)包的辦法重發(fā)丟失的或出現(xiàn)
差錯(cuò)的信息包。TCP還有使信息包在日的終端重新排序的機(jī)制。
    在TCP流量控制中使用了一個(gè)稱為窗口尺寸（window size）的參數(shù)。流量控制的目的是保證
發(fā)端的計(jì)算機(jī)不致于發(fā)送過(guò)快以致收端計(jì)算機(jī)無(wú)法接應(yīng)。窗口尺寸規(guī)范發(fā)端，在它得到收端發(fā)回
許可它發(fā)送更多比特的許葉信號(hào)之前，可以發(fā)出的最大比特?cái)?shù)量。許可信號(hào)內(nèi)裝在TCP確認(rèn)包之
中。
    TCP采用了一種“慢啟動(dòng)”機(jī)制，限制文件開(kāi)始發(fā)送時(shí)的傳輸速率。傳輸開(kāi)始時(shí)，先發(fā)送一
個(gè)信息包，待收到確認(rèn)信息后，發(fā)送兩個(gè)信息包。繼而加倍發(fā)送信息包的數(shù)量，直到受到窗口尺
寸或信息容量的限制為止。慢啟動(dòng)降低了傳送新文件時(shí)使網(wǎng)絡(luò)中的電路的路由器一時(shí)不知所措的
可能性。但是，文件越小，有效通過(guò)量越小。
    TCP用于光纜或路徑比較短的低損耗電纜構(gòu)成的地面鏈路時(shí)，效果良好，而用于時(shí)延長(zhǎng)、BER
高的衛(wèi)星鏈路，則數(shù)據(jù)的有效通過(guò)量會(huì)受到很大影響。
（2）GEO衛(wèi)星鍵路的特點(diǎn)
    GEO衛(wèi)星單向傳輸時(shí)間在230－270ms之間，大大增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)回時(shí)延（round triP 
detay）。環(huán)回時(shí)延指的是由發(fā)端向收端發(fā)出信息包，經(jīng)過(guò)收端對(duì)信息包處理后送回確認(rèn)信息包，
直到發(fā)端處理完確認(rèn)信息包所經(jīng)歷的全部時(shí)間。GEO衛(wèi)星鏈路的環(huán)回時(shí)延大約比地面鏈路上的WAN
傳輸大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
    衛(wèi)星鏈路傳輸損耗大，易受天氣影響，也容易受干擾，因此其比特差錯(cuò)率（BER）遠(yuǎn)較地面
鏈路為高。BER高時(shí)信息包將頻繁重傳，勢(shì)必大大降低信道的有效通過(guò)量。如果采用雙向衛(wèi)星鏈
路傳輸，前向（查詢）信道也會(huì)受到影響。
    衛(wèi)星鏈路傳輸環(huán)回時(shí)延長(zhǎng)、BER高，這將影響到TCP結(jié)構(gòu)的一些基礎(chǔ)問(wèn)題，包括避免擁塞的算
法、數(shù)據(jù)確認(rèn)的機(jī)投影和窗口尺寸的限制等。
（3）TCP制約衛(wèi)星傳輸
    為了避免網(wǎng)絡(luò)可能因擁塞而癱瘓，TCP假定所有數(shù)據(jù)丟失都緣于擁塞，從而用降低傳輸速率
的辦法來(lái)處理。然而，在衛(wèi)星鏈路上，TCP會(huì)把其長(zhǎng)環(huán)回時(shí)間和比特差錯(cuò)誤解為擁塞，從而采取
不適當(dāng)?shù)奶幚磙k法。同樣，TCP的“慢啟動(dòng)”算法用在衛(wèi)星鏈路上時(shí)，每次新的連接都會(huì)強(qiáng)加一
個(gè)過(guò)分長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間。顯然，這些避免擁塞的機(jī)制不太適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的衛(wèi)星鏈路。
    TCP所用的簡(jiǎn)單漸進(jìn)式的數(shù)據(jù)確認(rèn)制不能很好地適用于等待時(shí)間長(zhǎng)或帶寬高度不對(duì)稱的情況。
為了提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，TCP接收機(jī)恒定地對(duì)接收到的數(shù)據(jù)向發(fā)送端回送確認(rèn)信息。如果有一
個(gè)信息包丟失或受損，TCP將從第一個(gè)丟失的信息包開(kāi)始重傳所有的數(shù)據(jù)。這種機(jī)制用在環(huán)回時(shí)
間長(zhǎng)、差錯(cuò)率高的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上效果不好。再則恒定的確認(rèn)信息流還會(huì)浪費(fèi)寶貴的前向查詢信道
帶寬。如果查詢信道帶寬窄，回送的確認(rèn)信息還有可能該系統(tǒng)出現(xiàn)瓶頸。
    TCP利用滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)限制數(shù)據(jù)的流量。當(dāng)窗口占滿時(shí)，發(fā)送端在收到新的確認(rèn)信號(hào)之前
暫停發(fā)送。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上，確認(rèn)信號(hào)回來(lái)得遲緩，TCP的窗口尺寸一般按最大吞吐速率作出硬限
制。為了充分利用無(wú)差錯(cuò)鏈路，所需的最小窗口尺寸（即帶寬與時(shí)延之積）為一100kbit/s（就
TI衛(wèi)星鏈路而言）和675kbit／S（對(duì)10Mbit／S衛(wèi)星鏈路而言）。如果有比特差錯(cuò)，還需進(jìn)一步
增大窗口尺寸。但是，大多數(shù)TCP實(shí)際使用的最大窗口尺寸限定為64kbit/s；而許多普通的衛(wèi)作
系統(tǒng)則使用僅8kbit/s的窄窗口，這就大大限制了衛(wèi)星鏈路的最大吞吐速率。
（4）克服衛(wèi)星傳輸不適應(yīng)TCP的方法
    為了解決時(shí)延長(zhǎng)的衛(wèi)星鏈路對(duì)TCP不適應(yīng)的問(wèn)題，許多衛(wèi)星供應(yīng)商采用了一種稱為電子欺騙
（SPooling）的技術(shù)，用來(lái)防止時(shí)間等待或避免重發(fā)信息包。目前，有一些廠家生產(chǎn)了一些用
于衛(wèi)星鏈路一的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在克服衛(wèi)星點(diǎn)時(shí)延不適應(yīng)TCP的問(wèn)題方面，取得良好效果。
3  后記
    大量利用GEO衛(wèi)星鏈路接人因特網(wǎng)主干網(wǎng)始于90年代中期。一些衛(wèi)星公司提供雙向衛(wèi)星鏈路；
另有一些衛(wèi)星公司提供單向反向衛(wèi)星鏈路。當(dāng)然，因特網(wǎng)已成為信息產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)熱點(diǎn)，因此
許多GEO衛(wèi)星公司和IP over Satellite服務(wù)公司熱心于開(kāi)發(fā)此項(xiàng)業(yè)務(wù)的勢(shì)頭不減。近來(lái)，國(guó)際
衛(wèi)星組織（Intelsat）正在為中國(guó)電信（China  Telecm）建立一條直接因特網(wǎng)主干網(wǎng)的衛(wèi)星雙
向鏈路，使用的衛(wèi)星是 Intelsat 177°E的702號(hào)星，前向鏈路8Mbit/s，反向鏈路45Mbit/s，
租期5年。
    Teledesic等 LEO星座以及GEO和MEO衛(wèi)星相結(jié)合的寬帶大空因特阿將在以后幾年內(nèi)陸續(xù)出
現(xiàn)，
它們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能目前還難以預(yù)測(cè)。那時(shí)的因特網(wǎng)會(huì)是什么樣子也很難設(shè)想。
    地面上的因特網(wǎng)還在急劇發(fā)展，現(xiàn)有的GEO衛(wèi)星系統(tǒng)可以其高速率、高效率、多址播發(fā)的特
點(diǎn)助上一臂之力。

摘自《電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化》