卫星通信导论上课课件-第7章 卫星宽带通信系统

第7章卫星宽带通信系统2大纲引言卫星宽带通信系统结构卫星TCP技术卫星IP技术国外卫星宽带通信系统概况卫星宽带通信系统实例3引言随着人类社会对信息需求的不断增长，对Internet网络依赖性的不断提高，Internet业务和宽带综合业务已经逐步取代传统的低速话音和数据通信，成为通信网络中的主要业务Internet业务和宽带综合业务也自然地成为了卫星通信当前迅速发展的应用领域4引言续1西欧卫星转发器数目的供求情况转发器需求量业务19951997199920042009传统语音和数据177223298204163Internet中继0017.1147200Internet接入00.49.913143电视和视频52752858596412075卫星宽带通信系统结构卫星宽带通信系统的主要功能►为用户或用户群提供Internet骨干网络的高速接入►作为骨干传输网络，连接不同地理区域的Internet网络营运商►为了独立于地面网络，多数卫星宽带通信系统将使用微波或激光星际链路实现系统的卫星互联，构成空间骨干传输网络►由于卫星链路的传输损耗大，在高传输速率情况下，要求用户使用具有较大口径的接收和发射天线。因此，短时间内卫星宽带系统将无法支持手持终端的移动中高速通信。6卫星宽带通信系统结构续1交互式卫星宽带接入系统结构LANInternet骨干网直接接入用户用户群用户站系统信关站ISP7卫星宽带通信系统结构续2非对称卫星宽带接入系统结构Internet骨干网系统信关站高速前向链路低速反向链路ISP(b)Internet骨干网系统信关站高速前向链路低速反向链路ISP(a)地面网络8卫星宽带通信系统结构续3卫星宽带骨干传输系统结构Internet骨干网系统信关站ISPInternet骨干网系统信关站ISP9卫星TCP技术TCP协议概况►面向连接的、端对端、进程对进程的可靠传输协议，为用户提供字节流传输服务►基于不可靠的IP服务来提供可靠的数据传输，采用了端对端流量控制、拥塞控制和差错控制机制来保证服务的可靠性►使用滑动窗口协议来实现端对端流量控制►使用慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复算法来完成拥塞控制►使用确认信息包、定时器和重传机制来实现差错控制10卫星TCP技术续1滑动窗口协议►接收端公告窗口即是发送滑动窗口，是接收端通告发送端的窗口大小数值12654378••••••11109发出并已确认发出但未确认可立即发送窗口滑动前无法发送可用窗口接收端公告窗口11卫星TCP技术续2拥塞控制机制►TCP拥塞控制策略是在20世纪80年代后期由VanJacobson提出►TCP的拥塞控制机制随TCP协议版本的不同而不同，在目前常见的TCP-Reno中，拥塞控制机制由慢启动算法、拥塞避免算法、快速重传和快速恢复算法构成慢启动拥塞避免超时？接收到n个重复确认快速重传快速恢复是是否12卫星TCP技术续3拥塞控制机制►拥塞控制中，TCP发送端维护3个状态变量：拥塞窗口CWND、接收端公告窗口RWND和慢启动门限SSTHRESH►CWND用于保证发送端不会使得网络超载►RWND用于保证发送端不会使得接收缓冲器溢出►TCP发送端可以发送的数据量是CWND和RWND的最小值►CWND、RWND和SSTHRESH的均是以字节为单位计量，SSTHRESH一般在TCP连接建立时初始化为65535字节13卫星TCP技术续4慢启动算法►是在一个新建立或恢复的TCP连接上发起数据流的方法►当1个TCP连接建立后，CWND被初始化为1个最大报文段长度MSS，发送一个最大报文段长度的数据；在收到确认信号，CWND增加为2个最大报文段长度大小；当两个报文段得到确认后，CWND增加为4个最大报文段长度大小，以此类推。当CWND增大到SSTHRESH时，慢启动结束，进入拥塞避免阶段►慢启动过程中，CWND的大小按指数增长14卫星TCP技术续5拥塞避免算法►在拥塞避免阶段，发送端的CWND在每个往返程时间RTT内增加一个最大报文段长度，因此CWND按线性规律增长15卫星TCP技术续6报文段丢失的指示机制►当网络拥塞发生时，就会丢失报文段►有两种报文段丢失的指示方法：发生超时和接收到重复确认（DACK）►超时机制是发送端主观判断网络拥塞的方法，而重复确认则是发送端根据接收端的指示判断报文段丢失的方法►超时和重复确认所引起的拥塞控制行为是完全不一样的16卫星TCP技术续7超时机制下的拥塞控制►发送端在发送报文段后启动重传定时器，如果定时器溢出时还没有收到确认，发送端就重传该数据报文段，并将SSTHRESH重新设置为当前CWND值的一半，重启慢启动过程17卫星TCP技术续8重复确认机制下的拥塞控制►接收端在接收到失序的报文段后，将立即产生一个重复确认DACK►对于接收端，由于不知道一个重复确认是由一个丢失的报文段引起的，还是由于仅仅出现了几个报文段的重新排序，因此需要等待少量重复确认到来►假如只是一些报文段的重新排序，则在重新排序的报文段被处理并产生一个新的确认之前，只可能产生1~2个重复确认18卫星TCP技术续9重复确认机制下的拥塞控制►如果连续收到3个或3个以上的重复确认，就认为是一个报文段丢失了，此时无需等待定时器的溢出，立即重传丢失的数据报文段，这就是快速重传算法►快速重传之后，接下来执行的不是慢启动算法而是拥塞避免算法，这就是快速恢复算法19卫星TCP技术续10慢启动-拥塞避免算法中CWND变化示意图拥塞窗口CWND（KB）归一化时间（RTT）05101520253035010203040506070临界值临界值临界值超时超时20卫星TCP技术续11卫星网络中TCP存在的问题►TCP协议最初是针对地面有线通信网络设计的，网络的延时和误码率都很低。因此在协议设计中，可以采用确认机制来进行端对端的流量控制和拥塞控制，并认为所有的报文段丢失都是由于网络的拥塞造成的►造成TCP协议在卫星网络中性能下降的主要原因包括：卫星链路的长延时、卫星网络的大带宽延时积、卫星链路的高差错率和卫星链路的不对称性21卫星TCP技术续12长延时对TCP协议性能的影响►在新的TCP连接建立后，收发双方都不清楚传输网络的业务负载情况，因此使用慢启动来逐步探测传输链路的有效带宽►对1个TCP连接，传输速率b约为►在TCP使用每报文段确认时传输比特速率达到B所需的时间►在TCP使用延时确认时，传输比特速率达到B所需的时间式中，l为报文段的平均长度（比特数）/bCWNDRTT2(1log/)SStRTTBRTTl1.5(1log/)SStRTTBRTTl22卫星TCP技术续13长延时对TCP协议性能的影响►假设发送的数据报文段的平均长度为1K字节，则在不同的速率B和不同的确认方式下，TCP协议的慢启动过程持续时间如下表轨道类型tSS（s）每报文段确认延迟确认B=1MbpsB=10MbpsB=155MbpsB=1MbpsB=10MbpsB=155Mbps低轨0.180.350.550.280.560.90中轨1.492.323.312.373.795.48静止轨道3.915.737.916.299.4113.1323卫星TCP技术续14长延时对TCP协议性能的影响►随着轨道高度和RTT值的增加，慢启动过程中传输速率增加的速度将降低。有很多实际的TCP应用基于小文件的传输（如HTTP协议），这些小文件的传输很可能会在慢启动过程中结束。也就是说，TCP连接很可能没有充分利用有效的网络资源24卫星TCP技术续15大带宽延时积对TCP协议性能的影响►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说明了一个TCP链路在一个RTT内的最大吞吐量►对于卫星网络，由于延时较大，因此其链路的带宽延时积较大25卫星TCP技术续16大带宽延时积对TCP协议性能的影响BDP（KB）带宽128Kbps244Kbps1Mbps2Mbps45Mbps155Mbps低轨(RTT=50ms)0.81.5256.2512.5281.25968.75中轨(RTT=250ms)47.62531.2562.51406.254843.75静止轨道(RTT=550ms)8.816.77568.75137.53093.7510656.2526卫星TCP技术续17大带宽延时积对TCP协议性能的影响►由于TCP的流量控制是通过连接双方通告自己的窗口大小来实现的►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216=65535字节，即64K字节►发送端在发送报文段的过程中，在未收到已发送报文段的确认信息之前，发送端发送的数据量不应超过该窗口的大小►对于卫星这样具有较大传输延时的系统，为了充分利用给定的带宽资源，必须在接收到确认信息之前发送足够多的数据到网络中，这就需要TCP连接的窗口足够的大27卫星TCP技术续18高差错率对TCP协议性能的影响►地面有线传输网的差错率很低，典型的误码率值低于10-10，而卫星链路的误码率通常在10-2～10-6之间（无纠错编码时）►传输差错从三个方面影响了TCP的吞吐率性能：1）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；2）TCP发送端始终将报文段的丢失理解为网络拥塞，因而降低其传输速率，使得网络资源的利用率急剧下降；3）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。28卫星TCP技术续19高差错率对TCP协议性能的影响►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►考虑到在卫星链路中使用TCP时需要更大的窗口尺寸（与延时带宽积有相同数量级），突发差错带来的负面影响就更加严重了29卫星TCP技术续20链路的不对称性对TCP协议性能的影响►卫星网络中TCP的前向和反向链路在带宽上通常有着很大的不对称性，即前向链路的有效带宽远大于反向链路的带宽►造成这种不对称性的主要原因是终端成本的限制，高带宽传输的发射功率和天线尺寸需求将使得终端成本大幅度提高►使用较慢的反向链路使得可以设计性价比更高的接收机，可以节约宝贵的卫星链路带宽►考虑到大量TCP传输的单向特性（如从网络服务器到远程主机），较慢的反向链路在很大程度上是可以接收的30卫星TCP技术续21链路的不对称性对TCP协议性能的影响►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：1）发送的数据流变得更具突发性；2）降低拥塞窗口CWND的增长速度；3）快速恢复机制的效率降低31卫星TCP技术续22改善卫星TCP性能的方法►主要的解决技术可以粗略地分为2大类1）端对端的解决方法：保持了标准TCP协议的端对端连接特性，对标准TCP协议中一些基本参数的调整及协议的扩展，改进定时机制，采用更先进的流控和分组丢失恢复算法等2）基于中间件（middleware）的解决方法：违背了标准TCP协议的端对端连接特性，其核心思想是利用性能增强代理将网络中的长延时和高差错率部分与其余部分隔离，通过在长延时和高差错率部分使用专用的协议来增强系统性能32卫星TCP技术续23TCP增强技术——增大初始窗口►慢启动算法中初始窗口很小（仅为1），使慢启动时间较长，RFC2414针对这一情况提出按下式确定初始窗口►按照这种方法，在每报文段确认时，慢启动算法中所需要的最大接收窗口恢复时间可以缩短为:其中Wmax为最大允许接收窗口，Winit为初始窗口min4,max(2,4380)MSSMSS初始窗口=2max2init(logWlogW)RTT慢启动时间33卫星TCP技术续24TCP增强技术——字节计数►字节计数是一种TCP确认计算方式。►在字节计数方式中，拥塞窗口的增加数量是由每个确认所覆盖的先前未确认的字节数目来决定的，而不是由确认的数目决定的