基于TCP/IP協(xié)議的外交互式衛(wèi)星通信

基于TCP/IP協(xié)議的外交互式衛(wèi)星通信
    摘要：目前網(wǎng)絡(luò)中興起的多媒體通信業(yè)務(wù)有一個顯著的特點，即用戶收發(fā)數(shù)據(jù)量是不
對稱的，其中接收的數(shù)據(jù)量遠大于發(fā)送的數(shù)據(jù)量。外交互式通信基于非對稱傳輸概念，上
下行傳送帶寬可以不相同，而且可以通過兩種不同的物理鏈路分別實現(xiàn)上下行交互通信。
外交互式衛(wèi)星通信就是下行利用衛(wèi)星信道。而上行采用其它反向通信設(shè)備，從而降低整個
系統(tǒng)的成本。
    為了通過衛(wèi)星提供高速有效的寬帶業(yè)務(wù)，提出了基于TCP／IP的外交互式衛(wèi)星通信模
式。這種模式中，衛(wèi)星傳輸信道的延時長特性使最大數(shù)據(jù)傳輸速率受到限制，并使TCP協(xié)
議的基本擁塞控制協(xié)議性能下降。為此人對TCP協(xié)議的改進、基于信關(guān)站的特殊策略和采
用更有效的通信模式等幾個方面講解了相應(yīng)的解決方案。最后介紹了多播協(xié)議在外交互式
衛(wèi)星邁信網(wǎng)中的應(yīng)用。
    關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信網(wǎng)  因特網(wǎng)  外交互式通信網(wǎng) TCP/IP
    未來通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目標(biāo)是使用戶可以隨時隨地應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)進行通信。衛(wèi)星通信網(wǎng)所具
有的極佳的無縫隙覆蓋能力和獨特的廣播性能，使之成為實現(xiàn)該目標(biāo)不可缺少的組成部分。
    隨著因特網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，與因特網(wǎng)互聯(lián)、為用戶提供寬帶交互式的多媒體通信就成為
衛(wèi)星通信的一個重要研究內(nèi)容�；�于TCP／IP協(xié)議建立的外交互式衛(wèi)星通信正是針對此研
究內(nèi)容提出的一種衛(wèi)星通信模式。
    一、基于TCP／IP的外交互式
        衛(wèi)星通信系統(tǒng)
    外交互式通信系統(tǒng)主要是針對目前網(wǎng)絡(luò)中一些數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸特點提出的。目前網(wǎng)絡(luò)
中興起的多媒體點播、遠程教育、遠程醫(yī)療以及WWW瀏覽等業(yè)務(wù)都有一個顯著的特點：用
戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)量具有不對稱性，用戶接收的數(shù)據(jù)量遠大于發(fā)送的數(shù)據(jù)量。例如：對圖
書館資料的查詢，用戶發(fā)出的申請信息只有幾十字節(jié)，而要接收上兆字節(jié)的數(shù)據(jù)；常用的
WWW，BBS，電子郵件等業(yè)務(wù)，接收數(shù)據(jù)量和發(fā)送數(shù)據(jù)量的比例至少在5：1左右，而常用的
文件傳輸（FTP）服務(wù)，收發(fā)數(shù)據(jù)流量的比值高達20：1以上。在傳統(tǒng)的交互式通信模式中，
上下行信道一般都是對稱的，即接收和發(fā)送的信道帶寬相同，信息往返傳輸都是在一種物
理鏈路上實現(xiàn)。這對于非對稱模式的數(shù)據(jù)通信是不太合適的。一方面，上行帶寬會浪費；
另一方面，下行負(fù)荷過重，容易發(fā)生擁塞。在衛(wèi)星通信中，由于衛(wèi)星地面站的發(fā)送設(shè)備價
格非常昂貴，如果采用衛(wèi)星雙向站來實現(xiàn)交互，對普通用戶來說是難以接受的，更增加了
實用的困難。外交互式通信則基于非對稱傳輸概念，從兩方面改變了傳統(tǒng)的交互模式。一
是上下行的傳輸帶寬可以不相等；二是可以通過兩種物理鏈路分別作為上下行信道來實現(xiàn)
交互通信。根據(jù)外交互式通信的特點，它十分適用于具有寬帶廣播信道的系統(tǒng)，例如在衛(wèi)
星廣播系統(tǒng)和有線電視系統(tǒng)中實現(xiàn)交互式通信。
    外交互式衛(wèi)星通信就是下行利用衛(wèi)星信道，而上行采用其他反向通信設(shè)備，例如：利
用電話撥號、局域網(wǎng)等技術(shù)進行反向數(shù)據(jù)通信，從而降低整個系統(tǒng)的成本。隨著全數(shù)字解
調(diào)技術(shù)的成熟和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)字傳輸?shù)乃俾试絹碓礁撸ㄒ堰_幾Mbit/S-幾
十Mbit/s），接收設(shè)備越來越簡單而且價格便宜。
    僅僅利用衛(wèi)星的高速下傳信道無法真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無差錯傳輸，也無法支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
TCP/IP協(xié)議是目前計算機網(wǎng)絡(luò)普遍采用的一種傳輸協(xié)議，如果不支持TCP／IP，各種基于該
協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如：FTP，WWW訪問，E-mail等也就無法實現(xiàn)。為了與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在通，
采用TCP/IP協(xié)議作為外交互式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸協(xié)議是必要的。TCP／IP協(xié)議通過本身的
差錯校驗和請求重傳機制保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，所以要求信道必須是雙向的。因此將現(xiàn)有
地面通信網(wǎng)或通信手段作為上行信道，可以滿足TCP／IP協(xié)議本身對信道的要求，并將高速
衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)引入網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，同時也在一定程度上解決了地面網(wǎng)數(shù)據(jù)接收信道的擁擠問題。
目前我國地面通信線路發(fā)展迅速，電話已普及到農(nóng)村，因特網(wǎng)也分布到全國大部分中小城
鎮(zhèn)，外交互式衛(wèi)星數(shù)字通信所需的地面網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成。
    總體說，外交互式衛(wèi)星通信利用了衛(wèi)星通信和地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最新成就，它使高速衛(wèi)
星傳輸系統(tǒng)與廉價、方便的地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，為解決互聯(lián)網(wǎng)的擁擠問題邁出了實質(zhì)性的
一步。只需要分配一個載波的衛(wèi)星資源，就可以同時實現(xiàn)單向廣播和外交互式衛(wèi)星通信。
系統(tǒng)中的衛(wèi)星小站既可以接收高速廣播的公眾數(shù)據(jù)，又可以同時透明地瀏覽因特網(wǎng)。
    采用外交互式衛(wèi)星通信主要具有以下幾個特點。
    1．降低用戶越的價格
    由于采用地面線路實現(xiàn)用戶小站對主站的信息發(fā)送，小站不需要功率放大器，相應(yīng)也
就不需要衛(wèi)星通信所需要的發(fā)射設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)備大大簡化，無線可使用0.7－1.2m單收天線，
安裝方便。系統(tǒng)對電源、地線、工作環(huán)境沒有特殊要求。因此外交互式多媒體通信系統(tǒng)中
的用戶站價格只有其它數(shù)據(jù)雙向站價格的10％左右。
    2．實現(xiàn)無誤碼傳輸
    在衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信過程中，由于噪聲和其它原因，誤碼是必然存在的。但在許多信息產(chǎn)
品傳輸過程中，不能容忍誤碼的存在。如壓縮軟件的傳輸，如果有一比特誤碼，收端收到
的文件在解壓后也可能根本不能使用。在一般的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中對誤碼很難恢復(fù)或恢復(fù)代
價高。而在外交互式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，小站用戶可以對接收到的信號進行校驗，發(fā)現(xiàn)出錯
后可以要求主站重發(fā)錯誤的文件或文件錯誤的部分，達到無誤傳輸。
    3．傳輸速率高
    采用外交互式衛(wèi)星通信方式可充分利用衛(wèi)星的高速下行信道，除去協(xié)議和系統(tǒng)管理信
息總的開銷，信道利用率可以做得很高。在信道不擁擠的情況下，用FTP調(diào)用主站數(shù)據(jù)的速
率可達幾Mbit/s以上，而廣播速率不受協(xié)議限制，可達全速，能充分利用信道傳輸能力。
    由于外交互式衛(wèi)星通信具有以上特點，因此在實現(xiàn)遠程教育和非實時交互遠程通信的
衛(wèi)星工程中采用這種方法具有突出的優(yōu)越性。
    二、基于TCP／IP協(xié)議的外交互式
        衛(wèi)星通信系統(tǒng)所面臨的問題
    基于TCP／IP協(xié)議的外交互式衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要面臨的問題是TCP協(xié)議在衛(wèi)星信道中的
長延時問題。
    目前外交互式衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用的信道主要是基于地球同步衛(wèi)星的通信鏈路。一般
通過同步衛(wèi)星信道，數(shù)據(jù)從發(fā)送端發(fā)出到接收端接收到所需的單跳時延是270ms，它的傳輸
延時遠遠大于地面信道的傳輸延時。
    TCP協(xié)議是基于滑動窗口和重傳策略來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無誤傳輸�；瑒哟翱趨f(xié)議允許發(fā)送端
在收到確認(rèn)應(yīng)答（ACK）之前根據(jù)當(dāng)前允許窗口的大小繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。TCP協(xié)議的基本思
想是在源端允許發(fā)送窗口不為0時發(fā)送數(shù)據(jù)包，并將其放入緩存器中，同時啟動定時器，開
始計算數(shù)據(jù)發(fā)出到收到確認(rèn)之間的往返時延（RTT）。在未超時情況下，若接收到正確接收
的確認(rèn)，源端則從緩存器中將該數(shù)據(jù)包刪除；如果定時器起時或收端請求重傳，那么重發(fā)
該數(shù)據(jù)包。衛(wèi)星傳輸信道的長延時特性使TCP協(xié)議控制策略的綜合性能受到了影響，主要表
現(xiàn)在兩個方面：最大數(shù)據(jù)傳輸速率受限和TCP協(xié)議的基本擁塞控制協(xié)議性能下降。
    1．最大數(shù)據(jù)傳輸速率受限
    TCP協(xié)議中的最大接收窗口在長延時衛(wèi)星通信網(wǎng)中成為通信瓶頸。在ICP協(xié)議中，最大
接收窗口為64K字節(jié)，同步衛(wèi)星信道的雙跳時延是560ms。在這560ms中它最大能傳輸64 K字
節(jié)，這樣衛(wèi)星信道中的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為64K×8／560＝0.94 Mbit／S。這表明，即使衛(wèi)
星信道的發(fā)送速率超過0.94Mbit/s，它實際的最大傳輸速率也被限制在0.94Mbit/s。
    2．基本擁塞和流量控制協(xié)議性能下降
    TCP協(xié)議的基本擁塞控制協(xié)議是：慢啟動（slow start）和擁塞避免（Congestion avo
idence）。在長延時的通信環(huán)境中效率很低。
    根據(jù)TCP協(xié)議，連接建立后，首先根據(jù)慢啟動算法對流量進行控制。按照慢啟動策略初
始發(fā)送窗口大小為1個基本數(shù)據(jù)包，然后按指數(shù)增大接收窗口。這樣，從開始到恢復(fù)到最大
發(fā)送窗口所需的時間為：
    慢啟動時間=RTT×1og2（max－win／MSS）其中：RTT為往返時延；max－win為TCP最大
窗口； MSS為每個數(shù)據(jù)包的長度。
    按照RTT＝0.5s，max－win=64K字節(jié)，MSS＝512字節(jié)，則侵啟動時間為3.5s。這說明在
前3.5s內(nèi)，TCP傳輸不可能達到峰值傳輸速率。這對數(shù)據(jù)量的傳輸影響很大。在實際應(yīng)用中，
當(dāng)發(fā)送窗口大于慢啟動門限窗口后，便進入了擁塞避免過程，在擁塞避免算法中，窗口的
增加速率更加緩慢，不再是慢啟動算法中的指數(shù)增加，而是呈線性增加的。一旦由于擁塞
或信道錯誤發(fā)生數(shù)據(jù)包的丟失，就會觸發(fā)擁塞避免，這時將在很長時間內(nèi)低于峰值發(fā)送速
率；如果發(fā)生了多個丟失，則需要更長的時間來達到峰值傳輸速率。
    三、相應(yīng)的解決辦法
    改進TCP協(xié)議在長延時信道中性能的策略主要有三類：針對衛(wèi)星特點對TCP協(xié)議本身進
行改進；基于衛(wèi)星信關(guān)站采用特殊的方法來提高TCP效率；采用更有效的通信模式。
    1．對TCP協(xié)議進行改進
    對TCP協(xié)議進行改進的方法主要有：
    （1）加大初始窗口
    RFC2414針對慢啟動算法中初始窗口很小（僅為1）這一情況提出：
    初始窗口=min[4×MSS，max（2×MSS，4380）] 其中：MSS代表收發(fā)雙方允許的最大數(shù)
據(jù)包長。
    按照這種方法，在慢啟動算法中所需要的最大接收窗口恢復(fù)時間可以縮短為：
    Slow start time＝Rlog2Wa-Rlog2Wi。
其中：Wa為最大允許接收窗口，Wi為初始窗口。
    （2）快速重傳和快速恢復(fù)
    增大初始窗口雖然使得窗口恢復(fù)時間縮短了，但是并沒有改變慢啟動算法和擁塞避免
算法結(jié)合的擁塞控制機制。將快速重傳和快速恢復(fù)配合使用，就是為改進擁塞避免和慢啟
動算法而提出的。當(dāng)源端收到3個相同的確認(rèn)信息時就判定發(fā)生擁塞，立即進行重發(fā)，同時
將窗口減半，慢啟動門限設(shè)置為減小后的窗口大小，擁塞控制窗口比慢啟動門限大3。當(dāng)源
端收到一個新的確認(rèn)信息后，將擁塞窗口的大小設(shè)置為慢啟動門限，同時轉(zhuǎn)入擁塞避免。
快速重傳和快速恢復(fù)可以避免單純利用超時重發(fā)引起的系統(tǒng)性能下降。但由于擁塞解除后，
發(fā)送速率的增長呈線性增加，所以在衛(wèi)星信道中還有待設(shè)計更好的擁塞控制算法。
    （3）選擇確認(rèn)SACK
    選擇確認(rèn)SACK是針對TCP協(xié)議中的累積確認(rèn)協(xié)議（Cumulative Acknowledgement）提出
的。SACK在確認(rèn)信息中告知發(fā)送方已經(jīng)正確接收到的數(shù)據(jù)包，發(fā)送方只需重發(fā)出錯包，這
就避免了不必要的數(shù)據(jù)重傳。
    2．基于信關(guān)站的特殊策略
    TCP協(xié)議采用的是端到瑞控制方式。將擁塞控制放在擁塞發(fā)生的信關(guān)站會得到更好的效
果。嚴(yán)格說，在信關(guān)站采取的策略不屬于TCP協(xié)議。由于信關(guān)站對擁塞控制具有直接性，因
此對網(wǎng)絡(luò)傳輸具有比較好的改進效果，主要的方法有：
    （1）隨機及早監(jiān)測
    當(dāng)緩存器長度超過門限時，按照一定的概率進行丟失。
    （2）明確擁塞指示
    信關(guān)站向源端發(fā)出明確的擁塞指示，源端據(jù)此指示減少擁塞窗口和侵啟動門限。
    （3） TCP欺騙法
    在確認(rèn)信息尚未到達時，信關(guān)站作為虛擬的目的節(jié)點向源端發(fā)送確認(rèn)信息使得源端可以
繼續(xù)發(fā)送下一數(shù)據(jù)包，同時信關(guān)站又作為虛擬的源端向真正的目的端發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣對源端
可以減少確認(rèn)信息的往返時延，從而提高源端的發(fā)送速率。這種方法僅適用于鏈路質(zhì)量非常
好的網(wǎng)絡(luò)，對鏈路質(zhì)量差、網(wǎng)絡(luò)和安全性要求高的業(yè)務(wù)都不適用。
    （4）延時確認(rèn)
    延時確認(rèn)是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時信關(guān)站通過對返回的確認(rèn)信號進行延時，源端在收不到確認(rèn)信
號時就會減小發(fā)送速率，以此減緩擁塞的發(fā)生。此方法在擁塞不嚴(yán)重時效果明顯，但在擁塞
嚴(yán)重時效果不很明顯。
    3．采用更有效的通信模式
    在衛(wèi)星這種具有長延時特性的通信系統(tǒng)中，有效地提高信道利用率一直是努力方向。多
播（Multicast）協(xié)議是目前運用于具有廣播能力的網(wǎng)絡(luò)中的一種IP層協(xié)議，它能夠有效地
提高信道利用率。在衛(wèi)星通信網(wǎng)中實現(xiàn)多播的可靠傳輸已經(jīng)成為一個應(yīng)用和研究的熱點。
    四、多播協(xié)議在外交互式衛(wèi)星通信
        網(wǎng)中的應(yīng)用
    在傳統(tǒng)的因特網(wǎng)中，從一臺服務(wù)器發(fā)送出的每個數(shù)據(jù)包只能傳送給一個客戶機。如果有
另外的用戶希望同時獲得這個數(shù)據(jù)包的拷貝是做不到的。解決的辦法是構(gòu)建一種具有點對多
播能力的因特網(wǎng)。多播技術(shù)是一種支持?jǐn)?shù)據(jù)廣播和用戶有權(quán)限接收，充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬的新
技術(shù)，其目的在于當(dāng)同時向許多企業(yè)或個人發(fā)送信息時，減少網(wǎng)絡(luò)中的流量，從而減少引起
網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性。
    多播協(xié)議具有以下優(yōu)點。
    1．減少信源端的數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送量
    根據(jù)多播協(xié)議，將用戶分成不同的群組，每個用戶可以同時屬于幾個不同的群組。數(shù)據(jù)
按照廣播形式在群組中發(fā)送，只有有接收權(quán)限的群組用戶才能接收到數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的單播（
Unicast）協(xié)議中，多個用戶向同一信源申請同一數(shù)據(jù)內(nèi)容時，信源需要將數(shù)據(jù)多次復(fù)制，再
—一發(fā)送出去。而通過多播協(xié)議就可以將這些用戶分成一個群組，由一個支持多播協(xié)議的路
由器將用戶的請求發(fā)出，信源端正確接收到請求后，將數(shù)據(jù)下行廣播給用戶。因此，利用多
播協(xié)議可以減少網(wǎng)絡(luò)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。對支持多播協(xié)議的路由器，只需由末端路由器將數(shù)
據(jù)發(fā)送給群組用戶，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小于點到點協(xié)議。
    2．減少對不必要數(shù)據(jù)的檢測與接收
    在傳統(tǒng)的廣播協(xié)議中，用戶必須接收和檢測所有
數(shù)據(jù)，從中選擇自己所需要的數(shù)據(jù)；而在多播協(xié)議中，
首先由路由器識別所接收到的數(shù)據(jù)是否是本群組的，
經(jīng)過路由器的過濾，單個用戶都需要檢測的數(shù)據(jù)量就
可以在一定程度上減少。
    目前網(wǎng)絡(luò)用戶對視頻點播、遠程教學(xué)等非對稱性業(yè)務(wù)（也就是上行業(yè)務(wù)量遠小于下行業(yè)
務(wù)）需求不增大，利用衛(wèi)星廣播信道為這類業(yè)務(wù)提供服務(wù)則是一種最經(jīng)濟的方式。因此在外
交互式衛(wèi)星通信系統(tǒng)中可以采用多播協(xié)議來提高信道帶寬利用率。
   五、結(jié)語
    本文對基于TCP/IP協(xié)議的外交互式衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行了詳細(xì)的介紹，并對系統(tǒng)中所面臨
的一些問題和主要的解決方案進行了分析。
    在外交互式衛(wèi)星通信中，多播協(xié)議對提高廣播信道的信道利用率十分有效。因此結(jié)合多
播傳輸方式，對TCP協(xié)議進行改進，不僅是基于TCP/IP協(xié)議外交互式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一個重
要課題，也是網(wǎng)絡(luò)通信中的一個重要研究內(nèi)容。