卫星宽带通信系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章 卫星宽带通信系统,1,第六章概要,6.1,系统体系结构,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,2,6.1,系,统体系结构,交互式卫星宽带接入系统,3,6.1,系,统体系结构,续,1,非对称式卫星宽带接入系统,4,6.1,系,统体系结构,续,2,卫星宽带骨干传输系统,5,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,TCP,协议特性,是,TCP/IP,协议簇中主要的传输协议,在,IP,协议提供的不可靠数据报传输服务的基础上，提供可靠的端对端比特流传输服务,为提供可靠的传输服务，,TCP,协议还完成流控和拥塞控制，以保证发端的传输数据速率与接收端的接收能力、以及网络中传输路径带宽的一致性,一个链路中可能存在多个,TCP,连接，因此,TCP,协议还要完成各,TCP,连接对链路带宽的共享问题，即公平性问题,6,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,1,TCP,流控：滑动窗口机制,7,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,2,TCP,拥塞控制算法,8,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,3,TCP,拥塞控制算法,9,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,4,TCP,差错控制,差错控制是可靠传输协议的主要组成部分，包括差错检测和差错恢复,TCP,协议采用确认包、计时器和重传来实现差错控制,滑动窗口机制与流控、拥塞控制和差错控制存在密切的联系，因此容易受到网络中的包差错和由拥塞导致的包丢失的影响,10,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,5,TCP,包头,11,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,6,TCP,的吞吐量问题,TCP,吞吐量决定了大多数应用能够以多快的速率通过网络进行数据传输,没有正式的,TCP,性能标准，专家通常期望：当发送较大的数据报,(,以减小,TCP,和,IP,包头的开销,),时，一个,TCP,连接能够充分利用有效的路径带宽,(,有效性,),，并能够和其它用户分享带宽资源,(,公平性,),12,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,7,TCP,的吞吐量问题：,TCP,序号,TCP,协议通过为每个发送字节分配一个唯一的序号，来跟踪传输中的所有数据,接收端通过发送确认,(ACK),包来确认接收到的数据，确认包指示接收接收端已经收到的最大字节序号,TCP,协议采用一个,32,比特的环回式序号空间,IP,数据报的最大生存期为,2,分钟，因此,32,比特的序号空间能够允许的最大传输速率仅为,286 Mb/s,13,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,8,TCP,的吞吐量问题：,TCP,传输窗口,发送窗口的用途是允许,TCP,接收端控制发送端的发送数据量,标准的,TCP,窗口大小不超过,64KB,，因为,TCP,包头中的窗口尺寸域的大小为,16bit,，这将,TCP,的有效带宽限制为,2,16,字节除以路径的往返程延时,RTT,对于采用,GEO,卫星的具有长延时的链路，使得最大的传输速率不超过,1M,b/s,14,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,9,TCP,的吞吐量问题：,慢启动,TCP,协议采用慢启动算法来探测传输路径的有效带宽资源,在高速网络中，慢启动算法存在两方面的问题：,传输速度的增加可能需要较长的时间,数据包的丢失被解释为拥塞指示,15,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,10,卫星,TCP,TCP,协议最初是针对有线网络设计的，传输延时和误码率都很低,因此，确认机制被用于端对端的流控、拥塞控制和误差控制,假设所有的报文段的丢失都是有网络拥塞造成的。因此，在每收到一个报文段丢失的指示后，发送端都会降低其发送速率。在报文段的丢失是由链路差错引起的情况下，会导致不必要的吞吐率降低,16,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,11,TCP,在卫星网络中的问题：长延时,TCP,发送端根据接收端的确认来进行速率调整、拥塞避免和差错回复,慢启动时间,式中，,B,为比特速率，,RTT,为往返程延时，,l,是以比特为单位计量平均包长度,17,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,12,TCP,在卫星网络中的问题：长延时,LEO,、,MEO,和,GEO,卫星的慢启动持续时间,卫星类型,t,SS,（,s,）,每报文段确认,延迟确认,B,=,1Mbps,B,=,10Mbps,B,=,155Mbps,B,=,1Mbps,B,=,10Mbps,B,=,155Mbps,LEO,(,RTT=,50 ms),0.18,0.35,0.55,0.28,0.56,0.90,MEO,(,RTT=,250 ms),1.49,2.32,3.31,2.37,3.79,5.48,GEO,(,RTT=,550 ms),3.91,5.73,7.91,6.29,9.41,13.13,18,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,13,TCP,在卫星网络中的问题：大带宽延时积,一个,TCP,连接中，链路的最大有效带宽与连接的往返程时间,RTT,之积称为带宽延时积,(BDP),BDP,决定了,TCP,发送端,接收到返回的确认信息之前所能发送的最大数据量,对于卫星这样具有较大传输延时的系统，以及具有很大传输带宽的地面链路，,BDP,可能很大。这意味着,TCP,发送端和接收端需要具有在单个的传输窗口中处理大量数据的能力,19,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,14,TCP,在卫星网络中的问题：大带宽延时积,LEO,、,MEO,和,GEO,卫星的,BDP,BDP(KB),带宽,128,Kbps,244,Kbps,1,Mbps,2,Mbps,45,Mbps,155,Mbps,LEO(,RTT,=50ms),0.8,1.525,6.25,12.5,281.25,968.75,MEO(,RTT,=250ms),4,7.625,31.25,62.5,1406.25,4843.75,GEO(,RTT,=550ms),8.8,16.775,68.75,137.5,3093.75,10656.25,20,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,15,TCP,在卫星网络中的问题：大带宽延时积,在,TCP,头部中，窗口大小是一个,16,位的域段，也就是说窗口的最大值为,2,16,=64k,字节，对于延时为,580ms,的,GEO,卫星链路，系统吞吐率被限制为,64k/580ms = 903kbps,采用窗口扩展来扩大窗口会使得在单个传输窗口内出现多报文段丢失的概率大幅度增加，降低系统的性能,21,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,16,TCP,在卫星网络中的问题：高误码率,因出错而丢失的报文段必须被重传，因此增加了网络资源的消耗,因出错而丢失的报文段会导致传输速率降低，使得网络资源的利用率出现不必要的急剧下降,反向链路上的确认包丢失将会导致已经接收到的报文段的超时重传，进一步降低协议的吞吐率性能,卫星链路的差错具有突发性,(,bursty,),，而快速重传和快速恢复算法通常不能处理单个窗口内的多个错误，因此,TCP,协议的拥塞避免机制将严重限制窗口的增长,22,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,17,TCP,在卫星网络中的问题：,链路不对称性,采用慢速的反向链路可简化接收机的设计，提高其性价比，同时也节省宝贵的卫星带宽资源,当反向链路只具有有限带宽时，确认包的聚集和丢失使得确认信号流具有突发特性，带来,3,种影响,发送的数据流变得更具突发性,降低拥塞窗口的增长速度,快速恢复机制的效率降低,23,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,18,卫星,TCP,性能增强方法,端对端解决方法，包括：,TCP,增强技术：大窗口,(LW),选项，,增大初始窗口,(IIW),，字节计数,(BC),，慢启动后的延迟确认,(DAASS),，选择性确认,(SACK),，显式拥塞通告,(ECN),TCP Vegas,TCP Peach & Peach+,，,TCP Swift,基于中间件的解决方法，或性能增强代理，包括,TCP,分裂,(Splitting),和,TCP,欺骗,(spoofing),24,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,19,大窗口,(LW),选项,RFC 1323,定义了一系列窗口扩展选项，以供在包含卫星链路的具有大的带宽延时积的网络中使用,具有较大带宽延时积的网络，如,ATM,网络、,Gigabit,以太网、包交换同步光纤网络和卫星网络等，都需要大窗口的支持，因此几乎所有的商用,TCP,实现都支持该选项,25,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,20,增大初始窗口,(IIW),M.,Allman,，,S. Floyd,和,C. Partridge,，“,Increasing TCPs Initial Window,”,Internet RFC 2414,，,September 1998,慢启动开始时初始化窗口的大小增加为,3,到,4,个报文段，这样就会产生更多的确认包，缩短慢启动过程的持续时间,由于拥塞窗口能够更快地增加，系统性能得以改善，特别是在大,RTT,链路上传输小文件时性能的改善越明显,26,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,21,增大初始窗口,(IIW),初始化窗口,(,W,init,),慢启动持续时间,27,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,22,选择性确认,SACK,TCP SACK,，,IETF RFC 2018,TCP,(Tahoe/Reno),的一个重要问题是对单个传输窗口内丢失多个报文段比较敏感，这会导致连接失去其自定时特性并超时,TCP SACK,是一个数据恢复算法，接收端可以选择性地指示那些报文段是没有接收到的。 这样发端可以明确地仅重传丢失的报文段，从而大幅度减少不必要的重传,28,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,23,选择性确认,SACK,可以与已有的拥塞控制算法,(,如慢启动、拥塞避免。快速恢复和快速重传,),混合使用，如,Reno,+SACK,在长延时、中等报文段丢失率,(,低于窗口尺寸的,50,),的情况下，,TCP SACK,的性能良好,SACK,能够显著地降低超时的出现次数，与其它的非,SACK,版本相比也未表现出过度的侵略性,29,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,24,选择性确认,SACK,在不同的地面,Internet,设置条件下，采用,SACK,时平均吞吐率提高约,15,50,在链路的差错率很大的情况下，采用,TCP SACK,也不能防止大量超时的出现，,TCP,的平均吞吐率会低于,15,采用,SACK,选项时，需要对,TCP,的收发端协议栈进行大量的修改,30,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,25,慢启动后的延迟确认,DAASS,在慢启动后才使用延迟确认，这样在,TCP,连接主动增加拥塞窗口大小时提供了足够多的确认，而在,TCP,连接稳定后减少确认数目以节约网络资源,DAASS,的主要问题是如何实现：接收端必须知道发送端什么时候开始慢启动过程，从而决定是否使用延迟确认,31,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,26,显式拥塞通告,ECN,在网络开始拥塞时，显式通告机制将,IP,包头中,1,比特,ECN,域设置为,1,来通知终端节点,相应地，终端节点减小其传输速率，因此可以避免网络出现严重的拥塞现象并导致大量不必要的报文段丢失,发送端可以在重传定时器超时或接收到,3,个重复确认之前就可以收到显式的拥塞信息，因此，如果一个报文段丢失而没有拥塞指示，则该报文段的丢失就一定是有链路的差错造成的，发送端无需降低其传输速率,ECN,方法的实现要求,IP,支持,ECN,域，要求,TCP,能够获得,IP,包头中的信息，因此需要对,TCP/IP,协议栈中的部分协议进行相应的修改,32,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,27,TCP Vegas,TCP Vegas,不以包丢失作为拥塞指示，而是使用传输速率来实现拥塞控制,在每一个往返程时间，发送端基于传输窗口和测量的往返程时间来计算传输速率。计算出的速率与期望的速率相比较。期望的速率等于传输窗口除以基本往返程时间，基本往返程时间则是迄今为止测得的最小往返程时间,基本思想是：如果网络中没有拥塞，测量的速率应接近于期望的速率,33,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,28,TCP Vegas,使用了,2,个门限值来触发传输速率的增或减，依赖于信道是未充分利用或超载,TCP-Reno,在没有报文段丢失时总是增大其拥塞窗口，因此将周期性地导致包丢失和窗口大小的波动,TCP Vegas,能够减小其窗口以避免拥塞，因此在达到平衡状态后不会使得窗口大小的产生波动,发送端测得的往返程时间更多时候是由反向链路上的拥塞造成，而不是前向链路，因此,TCP Vegas,在不对称信道情况下的工作性能不理想,34,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,29,TCP Peach,35,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,30,TCP Peach,虚报文段是由发送端产生的低优先级的报文段，是最近传输的数据报文段的复制,发送端使用虚报文段来探查有效网络资源：如果,TCP,连接路径上的某个路由器发生了拥塞，它会首先丢弃携带虚报文段的,IP,分组。因此，虚报文段的传输并不会使得数据报文段的传输吞吐率下降,发送端使用,TCP,包头中,6,个保留比特位中的,1,个来区别虚报文段和数据报文段,36,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,31,TCP Peach,虚报文段的确认信号也被封装在低优先级的,IP,分组中，并使用,1,个或多个,TCP,包头中,6,个保留比特位来区别于其它数据报文段的确认信号,发送端将接收到的虚报文段的确认信号解释为网络中存在未使用的资源并相应地增加传输速率,需要对接收端的实现进行简单的修改,37,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,32,TCP Peach,突发启动,38,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,33,TCP Peach,在连接的开始阶段，发送端设置拥塞窗口,CWND,为,1,，在发送第一个数据报文段后，匀速地发送（,RWND,-1,）个虚报文段,如果网络中没有拥塞，发送端将接收到虚报文段确认信号，并利用这些确认信号增加其拥塞窗口。,在一个往返程延时,RTT,后，拥塞窗口的大小可以增长到,RWND,39,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,34,TCP Peach,高速恢复算法,40,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,35,TCP Peach,高速恢复算法取代经典的快速恢复算法，以解决链路差错引起的吞吐率降低问题,高速恢复算法将在接收到丢失数据报文段的确认信号后结束，即高速恢复算法的持续时间为一个,RTT,为了探查网络的有效资源，发送端在高速恢复阶段发送确定数目个虚报文段，这些虚报文段的确认将在丢失数据报文段的确认信号之后到达，即在拥塞避免阶段到达,41,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,36,TCP Peach,存在的问题,虚报文段没有携带任何信息，其传输增加了网络的开销,网络中所有的路由器需要支持包的优先级，使得算法的实现难度加大,TCP,peach,仅,解决了慢启动和链路层差错问题，而没有解决带宽的不对称性问题,42,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,37,TCP Swift,基于,TCP-Peach,的改进传输协议,使用迅速启动,(speedy start),和迅速恢复,(speedy recovery),算法取代了突发启动和高速恢复算法,使用未确认报文段,(Outstanding Segment),代替,TCP-Peach,中的虚报文段。,未确认报文段是随机选择的已发送未确认的报文段，它可以作为已发送报文段的替补，在已发送报文丢失时给予接收端额外的恢复能力,仿真分析表明，,TCP-Swift,在网络吞吐率性能和协议公平性方面均优于,TCP-Peach,43,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,38,空间通信协议标准传输协议,(SCPS-TP),NASA JPL,和空间数据系统咨询委员会,(CCSDS),提出并标准化的一种传输协议，针对标准的,TCP,协议在空间通信中存在的问题进行了一系列的扩展和改进，同时保持了与,IP,协议的完整互操作性,SCPS-TP,已经成为美国军用标准,(MIL-STD-2045-44000),和国际标准化组织的标准,(ISO 15893:2000),44,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,39,空间通信协议标准传输协议,采用了,时标,(Timestamp),、窗口缩放、往返程时间测量和序号重叠保护,(RFC1323),采用了基于,RFC1106,选择性否定确认,SNACK,基于,RFC1144,的包头压缩,标准,TCP,拥塞控制、低丢失拥塞控制,(Vegas),或可选的无拥塞控制,能够区别差错丢失与拥塞丢失。差错的出现可以由层间信令或管理信息查询来判断,45,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,40,卫星传输协议,STP,卫星传输协议,STP,为各种应用提供可靠的、面向字节流的数据传输服务,使用选择性否定确认,SNACK,在,STP,中，发送端周期性地要求接收端确认已成功接收的所有数据；接收端检测到的包丢失被否定确认明确地指出,46,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,41,卫星传输协议,STP,STP,操作例子,47,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,42,TCP,分裂,48,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,44,TCP,分裂,TCP,分裂法将整个通信系统分为卫星段和非卫星段两个部分，在非卫星段中采用标准的地面网络,TCP,协议，而在卫星段采用专用的卫星传输协议,逻辑上，,TCP,分裂和,TCP,欺骗没有本质的不同,现代的防火墙实现中，经常采用类似,TCP,分裂的技术,(,如序号重映射,),来增强安全性,49,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,45,TCP,欺骗,50,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,46,TCP,欺骗,信关站接收源节点的数据报文段并代替目的节点向源节点发送应答信号，使得源节点可以更快地发送数据,信关站处理接收通过卫星传送的真实确认信号，并负责完成任何丢失报文段的重传,由于非卫星段和卫星段之间的传输延时和误码性能上的差异，很容易造成数据在信关站的数据业务缓冲区中的累积，因此而形成系统瓶颈，严重影响系统性能,当卫星链路经历中断和强衰落时，发送的报文段将全部丢失，而源节点并不能察觉这样的情况并继续发送报文段，很容易造成数据业务缓冲区的溢出,TCP,欺骗无需修改终端用户的,TCP,协议栈,51,6.2,卫星网络中的,TCP,协,议,续,47,基于中间件的解决方法存在的问题,从体系结构的观点出发，基于中间件的解决方法不是明显地连接到增强代理,(,信关站,),破坏了传输协议的端对端特性,信关站为网络引入了单点故障特性，因为一个,TCP,连接的所有报文段都必须经过特定信关站的路由而没有其它可代替的路由选择,如果采用了,IP,层加密和认证协议，则信关站必须有相应的解密和认证的能力，这就要求信关站成为系统的“可信赖设施”,52,