利用對地靜止軌道衛(wèi)星擴展因特網(wǎng)

利用對地靜止軌道衛(wèi)星擴展因特網(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，說明了因特網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星條件下使用并
不
是最合適，并簡要介紹了解決辦法。
關鍵詞  IP over Satellite多播  環(huán)回時間  窗口尺寸
1  利用衛(wèi)星鏈路接入因特網(wǎng)的優(yōu)點
（1）避免擁塞，旁路瓶頸
    因特網(wǎng)的急劇發(fā)展，使網(wǎng)絡中信息流通的擁塞程度加重。在國際間，因特網(wǎng)的連接按指數(shù)律
增
長。因特網(wǎng)內(nèi)容的80％存在于美國的計算機網(wǎng)絡中。因此，國際間的國特網(wǎng)業(yè)務是極不對稱的，典
型比值在4：1－8：1之間，而且隨著萬維網(wǎng)多媒體業(yè)務的激增，這個比值還可能增大。在鏈路上
進
行點擊，向遠方的服務器查詢資料，其信息量是以byte計的；反之，當所查詢的圖形網(wǎng)頁、文件
或
音頻／視頻信息流由遠端發(fā)送給查詢者及其瀏覽器時，其信息量將以kbyte甚至Mbyte計。大信息
流
的增長十分容易使網(wǎng)絡擁塞，形成瓶頸。
    網(wǎng)絡層次和連接次數(shù)的增加也是引發(fā)瓶頸的一個重要因素。在因特網(wǎng)上，一個典型的數(shù)據(jù)
包，
從源頭到達目的地，要通過許多路由來傳送。每個萬維網(wǎng)超鏈路（Webhyperlink）點擊加上隨后
的
網(wǎng)頁下載，據(jù)統(tǒng)計，所通過的全部路由總數(shù)平均多達18個。數(shù)據(jù)傳輸通過的路由層次多，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間。
    利用對地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星可以最大限度地旁路地面基礎結構中易于擁塞的路由，盡可能
地減少通過的網(wǎng)絡層次。
（2）衛(wèi)星鏈路利于IP多播
    傳統(tǒng)的因特網(wǎng)應用，諸如網(wǎng)際瀏覽和電子函件，都是在一個發(fā)進器和一個接收器之間運作。
在
現(xiàn)代因特網(wǎng)的應用中，往往是一個內(nèi)容要求同時發(fā)送給一組接收者，當前，同一信息需要同時傳送
給多個地址的業(yè)務大約占固特網(wǎng)總業(yè)務量的30％。
    為了避免這些新應用促發(fā)的網(wǎng)絡擁塞，要求團特網(wǎng)在業(yè)務處理方面發(fā)展新的技術，IP多播
（multi－casting）就是其新發(fā)展的技術之一。在傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡中，這種多播的信息是通過路
由器構成的所謂傳遞樹傳送的。這種傳輸協(xié)議較晚時才加進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）的技術能把特定的局部地區(qū)連接起來進行多址播發(fā)。因
此，
在地面網(wǎng)絡上能同時參加多址播發(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)星進行多址播發(fā)業(yè)務則既便利又效率高。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調(diào)諧的接收設備接收衛(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都相當便宜，一個WAN可以很快地利用
衛(wèi)星系統(tǒng)擴大，而所需費用僅為利用地面線路時的投資的很小一部分。
（3）其它用途和優(yōu)點
    利用GEO衛(wèi)星連接和擴展因特網(wǎng)，除旁路擁塞和便于多播外，還有其它許多優(yōu)點和用途。
    *一些發(fā)展中國家或地區(qū)，包括某些邊遠鄉(xiāng)村、礦區(qū)、海島等，目前還沒有或缺少良好的地面
通信基礎設施。在這些國家和地區(qū)，衛(wèi)星鏈路能并且有的已在充當接入因特網(wǎng)的主角。這種情況
還會持續(xù)下去，因為在這些地區(qū)建設衛(wèi)星鏈路較之建設地面鏈路既方便又便宜。
    *某些發(fā)達國家或地區(qū)，即使其他面基礎設施已十分充足，而且?guī)�寬也足夠使用，利用衛(wèi)星鏈
路作為其地面系統(tǒng)的補充或應急備用必然是需要的。
    *許多因特網(wǎng)用戶受限于當?shù)豂SP提供的話音等級撥號接入方式，這些線路的帶寬只能達到
56kbit／S。要想使用更快的數(shù)據(jù)速率，費用會非常高。利用價廉的衛(wèi)星小站，直接裝在用戶屋
頂，提高數(shù)據(jù)速率十分方便。
    *撥號人同常會遇到什音，因為ISP為廠降低投資，其調(diào)制解調(diào)器庫大都不夠大。其結果是，
有些用戶擔心上網(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或大社團客房之間，建立經(jīng)濟可靠的衛(wèi)星鏈路，則大客戶可將節(jié)省下來的投資改用于購
置更多的撥號鏈路調(diào)制解調(diào)器。
    *衛(wèi)星河為ISP提供直接的數(shù)據(jù)傳輸基礎結構。傳輸可以是雙向不對稱的，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開始，必要時再加倍。
2  TCP對衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊?br />（1）TCP/IP
    各個ISP接入因特網(wǎng)的人口，并在各網(wǎng)絡交換中心彼此連接起來，網(wǎng)絡交換中心又常稱為網(wǎng)
絡接人點。各個運營NAP的管理機構，分別向所接入的ISP收取費用。國特網(wǎng)采用包交換接人，把
文件信息分成相當小的小段來傳輸，使數(shù)據(jù)流運行處于最佳化。典型網(wǎng)絡由通信鏈路和路由器組
成。每個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，通過路由協(xié)議使信息包內(nèi)的
信息表一一直保持最新，從而信息包可以準確到達目的地。路由器利用因特網(wǎng)協(xié)議（IP）十分成
功地傳送信息包。有時信息、包可能丟失或無限期的延遲，這個問題由TCP解決。TCP是一個用在
文件查詢者與發(fā)送文件的服務器之間的端到端的協(xié)議。TCP采用確認包的辦法重發(fā)丟失的或出現(xiàn)
差錯的信息包。TCP還有使信息包在日的終端重新排序的機制。
    在TCP流量控制中使用了一個稱為窗口尺寸（window size）的參數(shù)。流量控制的目的是保證
發(fā)端的計算機不致于發(fā)送過快以致收端計算機無法接應。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之前，可以發(fā)出的最大比特數(shù)量。許可信號內(nèi)裝在TCP確認包之
中。
    TCP采用了一種“慢啟動”機制，限制文件開始發(fā)送時的傳輸速率。傳輸開始時，先發(fā)送一
個信息包，待收到確認信息后，發(fā)送兩個信息包。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。慢啟動降低了傳送新文件時使網(wǎng)絡中的電路的路由器一時不知所措的
可能性。但是，文件越小，有效通過量越小。
    TCP用于光纜或路徑比較短的低損耗電纜構成的地面鏈路時，效果良好，而用于時延長、BER
高的衛(wèi)星鏈路，則數(shù)據(jù)的有效通過量會受到很大影響。
（2）GEO衛(wèi)星鍵路的特點
    GEO衛(wèi)星單向傳輸時間在230－270ms之間，大大增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)回時延（round triP 
detay）。環(huán)回時延指的是由發(fā)端向收端發(fā)出信息包，經(jīng)過收端對信息包處理后送回確認信息包，
直到發(fā)端處理完確認信息包所經(jīng)歷的全部時間。GEO衛(wèi)星鏈路的環(huán)回時延大約比地面鏈路上的WAN
傳輸大一個數(shù)量級。
    衛(wèi)星鏈路傳輸損耗大，易受天氣影響，也容易受干擾，因此其比特差錯率（BER）遠較地面
鏈路為高。BER高時信息包將頻繁重傳，勢必大大降低信道的有效通過量。如果采用雙向衛(wèi)星鏈
路傳輸，前向（查詢）信道也會受到影響。
    衛(wèi)星鏈路傳輸環(huán)回時延長、BER高，這將影響到TCP結構的一些基礎問題，包括避免擁塞的算
法、數(shù)據(jù)確認的機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
的辦法來處理。然而，在衛(wèi)星鏈路上，TCP會把其長環(huán)回時間和比特差錯誤解為擁塞，從而采取
不適當?shù)奶幚磙k法。同樣，TCP的“慢啟動”算法用在衛(wèi)星鏈路上時，每次新的連接都會強加一
個過分長的啟動時間。顯然，這些避免擁塞的機制不太適合于點對點的衛(wèi)星鏈路。
    TCP所用的簡單漸進式的數(shù)據(jù)確認制不能很好地適用于等待時間長或帶寬高度不對稱的情況。
為了提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，TCP接收機恒定地對接收到的數(shù)據(jù)向發(fā)送端回送確認信息。如果有一
個信息包丟失或受損，TCP將從第一個丟失的信息包開始重傳所有的數(shù)據(jù)。這種機制用在環(huán)回時
間長、差錯率高的衛(wèi)星網(wǎng)絡上效果不好。再則恒定的確認信息流還會浪費寶貴的前向查詢信道
帶寬。如果查詢信道帶寬窄，回送的確認信息還有可能該系統(tǒng)出現(xiàn)瓶頸。
    TCP利用滑動窗口機制來限制數(shù)據(jù)的流量。當窗口占滿時，發(fā)送端在收到新的確認信號之前
暫停發(fā)送。在衛(wèi)星網(wǎng)絡上，確認信號回來得遲緩，TCP的窗口尺寸一般按最大吞吐速率作出硬限
制。為了充分利用無差錯鏈路，所需的最小窗口尺寸（即帶寬與時延之積）為一100kbit/s（就
TI衛(wèi)星鏈路而言）和675kbit／S（對10Mbit／S衛(wèi)星鏈路而言）。如果有比特差錯，還需進一步
增大窗口尺寸。但是，大多數(shù)TCP實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TCP的方法
    為了解決時延長的衛(wèi)星鏈路對TCP不適應的問題，許多衛(wèi)星供應商采用了一種稱為電子欺騙
（SPooling）的技術，用來防止時間等待或避免重發(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)關設備，在克服衛(wèi)星點時延不適應TCP的問題方面，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。當然，因特網(wǎng)已成為信息產(chǎn)業(yè)中的一個熱點，因此
許多GEO衛(wèi)星公司和IP over Satellite服務公司熱心于開發(fā)此項業(yè)務的勢頭不減。近來，國際
衛(wèi)星組織（Intelsat）正在為中國電信（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)，
它們的技術經(jīng)濟性能目前還難以預測。那時的因特網(wǎng)會是什么樣子也很難設想。
    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
點助上一臂之力。

摘自《電信工程技術與標準化》