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d v b sin t e r n e t 接入系统中t o p 性能研究 摘要 ：d v b 标准采用m p e g 一2 的传输流小包传送压缩的图像、声音或数据， 使得可以在电视信道上实现i p 数据的传送。基于d v b s 的电视卫星系统 具有覆盖面积大，可广播高速数据流直接到户等优点。d v b si n t e m e t 接入 系统采用不对称的网络配置，它用d v b s 作为下行信道，慢速地面网络作 为回传信道实现i n t e m e t 接入。用户可利用小口径接收天线，高速下载 i n t e m e t 上的大容量信息。这种接入方式为减轻地面网络的拥塞另辟了一条 高速的空中链路。旷 目前国内利用d v b s 开展i n t e m e t 接入业务才刚刚起步，关于d v b s i n t e m e t 接入系统的研究还十分有限。本文对d v b si n t e m e t 接入系统作了 ， 一些初步的研究。 第一，本文简要地回顾了关于d v b si n t e r n e t 接入系统的发展和研究， 介绍了d v b si n t e m e t 接入系统的结构、路由配置及系统协议栈。同时对 d v b s 接入网的特征进行了分析，引入了分析所采用的理想模型。 第二，本文对造成d v b si n t e m e t 接入网环境中t c p 连接性能下降的 慢速回传信道上的a c k 拥塞进行了分析同时简要介绍了一些已报道的用 于提高此网络环境中t c p 连接性能的技术。 第三，本文对下行信道上i p 分组到m p e g 2 t s 小包的几种封装方式进 f 行了比较。并针对d v b s 接入网上、下行链路分离的特点，采用i p i n i p 隧道机制实现上行链路中i p 分组的传输并给出了在l i n u x 平台上i p i n i p 上海交通大学硕上学位论文 隧道的实现。 ? ， 第四，本文通过数学分析和仿真实验相结合的方法分别对d v b s 接入 i 、 网环境下的t c p 连接慢启动阶段和拥塞避免阶段的性能进行了的研究在 、 关于慢启动阶段的性能分析中，首先本文对前向链路上的缓存容量的设置 要求进行了讨论，指出在d v b s 接入网环境中当前向链路上缓存容量比时 延带宽积小时也不会导致分组早期丢失。本文还指出通过选择最佳a c k 过 滤门限可以提高t c p 连接在此阶段的吞吐量。在关于拥塞避免阶段的性能 分析中，本文在不考虑随机性分组丢失的情况下以平均吞吐量为性能指标， 比较了两个普遍使用的t c p 实现t c p t a h o e 及t c p r e n o 在d v b s 接入网 环境中的性能，得出在d v b s 接入网环境中t c p r e n o 性能不如t c p t a h o e 的结论。同时通过分析和仿真本文还得出当前向链路上缓存容量大于孔( k 是网络的不对称因子) 个数据分组大小时，在反向链路上缓存中对a c k 过 滤时采用一种新的排队策略以替代掉尾排队策略可以提高t c p t a h o e 在拥 塞避免阶段的平均吞吐量。最后，本文还在考虑存在随机性分组丢失的情 况下，给出了影响平均吞吐量的分组随机丢失率门限的估算式，同时给出 ，。 了平均吞吐量受分组随机丢失率影响的仿真结果。矿 关键字：d v b s ，i n t e m e t 接入，多协议封装，t c p ，不对称网络 上 一圭塑茎堕查兰望主兰望丝兰 s t u d y0 nt c p p e r f o r m a n c ei nd v b s i n t e r n e t a c c e s ss y s t e m a b s t r a c t d v bs t a n d a r d s a d a p t m p e g 一2 t r a n s p o r t s t r e a m p a c k e t s f o rt h e t r a n s m i s s i o no f c o m p r e s s e dv i d e o ，a u d i oa n dd a t a w h i c hm a k e si tp o s s i b l et o t r a n s m i ti pt r a f f i cv i at e l e v i s i o nc h a n n e l d v b s s a t e l l i t eo f f e r s m a n y a d v a n t a g e s ，e s p e c i a l l yi nw i d eg e o g r a p h i cc o v e r a g e ，b r o a d c a s tc a p a b i l i t y , a n d “d i r e c t - t o h o m e ”f e a t u r e d v b si n t e r n e ta c c e s s s y s t e mi s a na s y m m e t r i c a l n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ，u s i n go n eo rm o r ec h a n n e l so nad v b ss a t e l l i t ea st h e f o r w a r dl i n ka n dt e r r e s t r i a ll o w s p e e dn e t w o r ka st h er e v e r s el i n k w h i c ha l l o w s s u b s c r i b e r sd o w n l o a di n t e r a c tt r a f f i cu s i n gl o wc o s ts a t e l l i t ed i s h t h i sa c c e s s m o d e p r o v i d e s u sa l la p p r o a c ht oa l l e v i a t et e r r e s t r i a ln e t w o r k c o n g e s t i o n i nc h i n a u s i n gd v b b a s e ds a t e l l i t ef o ri n t e r a c ta c c e s si ss t i l l i ni t si n f a n c y , a n dt h er e s e a r c hi nt h ea r e ao fd v b si n t e r n e ta c c e s ss y s t e mi sl i m i t e d t h i s p a p e r c a r r i e ds o m e e l e m e n t a r y r e s e a r c hi nt h i sa r e a f i r s t l y , i nt h i sp a p e rt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hi nd v b si n t e r n e t a c c e s ss y s t e mi sr e v i e w e db r i e f l ya n dt h ea r c h i t e c t u r e ，r o u t i n gc o n f i g u r a t i o na n d p r o t o c o ls t a c ko f d v b s i n t e r n e ta c c e s ss y s t e mi si n t r o d u c e d t h e ni t sf e a t u r e s a r ei l l u s t r a t e da n da ni d e a lm o d e lu s e df o ra n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ni sp r e s e n t e d s e c o n d l y , a c kc o n g e s t i o ni ns l o w s p e e dr e v e r s ec h a n n e lr e s u l t i n gi nt h e p o o rp e r f o r m a n c e o ft c pp r o t o c o li nd v b si n t e r n e ta c c e s sn e t w o r ki s i l l u s t r a t e da n ds o m er e p o r t e dt e c h n i q u e st oi m p r o v et c pp e r f o r m a n c ei n 山i s n e t w o r ke n v i r o n m e n t a la r ep r e s e n t e d t h i r d l y , i nt h i sp a p e r , i pp a c k e te n c a p s u l a t i o nf o ri pp a c k e tt r a n s m i s s i o n v i at e l e v i s i o nc h a r m e li s d i s c u s s e d a c c o r d i n gt o t h ef e a t u r e so fs e p a r a t e d f c ，r w a r da n db a c k w a r dl i n k s i p i n i p t u n n e l i n g m e c h a n i s mf o ri p p a c k e t t r a n s p o r t a t i o no nb a c k w a r dl i n ki se m p l o y e da n dr e a l i z e do n l i n u x p l a t f o r m f o u r t h l y , t c pp e r f o r m a n c ei ns l o ws t a r tp h a s ea n dc o n g e s t i o na v o i d a n c e p h a s e o nd v b sa c c e s sn e t w o r ki ss t u d i e d r e s p e c t i v e l yb y m e a n so f m a t h e m a t i c a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n s i ns l o ws t a r t p h a s e w ee x a m i n em e r e q u i r e m e n t sf o rf o r w a r db u f f e rs i z et op r e v e n tf r o me a r l yp a c k e tl o s si ns l o w s t a r tp h a s e ，a n dp o i n to u tt h a te a r l yp a c k e tl o s sw o n tt a k ep l a c ee v e nt h o u g ht h e t 上海交通大学硕士学位论文 f o r w a r db u f f e rs i z ei sl e s st h a nt h ed e l a y b a n d w i d t hp r o d u c ti nd v b sa c c e s s s y s t e m f u r t h e r m o r ew e i n d i c a t et h a tt c p t h r o u g h p u ti ns l o ws t a r tp h a s ec a nb e i m p r o v e db ys e l e c t i n go p t i m a la c kf i l t e r i n gt h r e s h o l d i nc o n g e s t i o na v o i d a n c e p h a s e w ec o m p a r et h ep e r f o r m a n c e so ft c p t a l l o ea n dt c p r e n oo nd v b s a c c e s sn e t w o r kw i t h o u tp a c k e tr a n d o ml o s sa n dd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft c p - r e n oi sn o ta sg o o da st h a to ft c p 眺o e m o r e o v e rw e i n d i c a t et h et h r o u g h p u to ft c p t r 山o ei nc o n g e s t i o na v o i d a n c ep h a s ec a nb e i m p r o v e db yu s i n gan e wq u e u ep o l i c y , i n s t e a do fd r o p t a i lq u e u ep o l i c y , f o r a c k f i l t e r i n gi nr e v e r s eb u f f e ro nc o n d i t i o nt h a tt h ef o r w a r db u f f e rs i z ei sm o r e t h a n3 k p a c k e t si nw h i c hki st h ea s y m m e t r i cf a c t o ro fd v b sa c c e s sn e t w o r k f i n a l l y , e s t i m a t i o n f o r p a c k e t r a n d o ml o s s p r o b a b i l i t y t h a td e c r e a s e st h e t h r o u g h p u t o ft c pc o n n e c t i o ni so b t a i n e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e p r e s e n t e d k e yw o r d s ：d v b - s ，i n t e m e ta c c e s s ，m u l t i - p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ，t c p , a s y m m e t r i c n e t w o r k 2 上海交通大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 宽带i p 通信是2 1 世纪一个极其重要的技术发展方向，这种技术的广泛应用会对人 类社会的信息交流方式、生活和工作方式乃至思维和各种行为方式产生难以估量的影 响。事实上，当代社会所有的信息从文字、语音、图象到视频信号都可以复用在一起， 转换成i p 数据流形式，在各种宽带通信网上传输，包括今后的各种网络高速数据通信、 会议电视、可视电话、信用卡交易与客户服务、股票市场即时报价与股市分析等，甚至 高清晰度电视h d t v 广播也可以在宽带i p 通信网上实现。随着这种宽带i p 通信的发展， 人们积极研究各种宽带接入技术，如a d s l 、c a b l em o d e m 等等。本文要研究的基于d v b s 实现宽带i n t e r n e t 接入也是近年来国际上发展迅速的一种接入方式。 卫星宽带接入，指的是通过卫星直接传送语音、数据、图象和视频信号到户，是目 前卫星应用的热门课题。现各国提出的卫星宽带通信系统多达上百个，这些系统主要是 用于多种地面网络通信系统和i n t e m e t 高速接入，利用卫星为全球提供大跨度、大范围、 远距离的电视和数据广播、定点式数据通信及移动通信业务。具有大范围覆盖和长距离 传输优势的卫星和i n t e r n e t 的结合将使卫星宽带通信网成为全球信息高速公路的重要组 成部分。 从1 9 9 3 年9 月“d v b 项目”的提出到目前为止，在全世界d v b 已经变成数字电 视及数据广播的同义词了。d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准采用m p e g - - 2 传输 流小包作为“数据容器”传送压缩的图像、声音或数据，提供了一套完整的、适用于卫 星( d v b s ) 、电缆( d v b c ) 和地面( d v b n 等传输媒介的数字电视广播系统规范。这使 得可以在数字电视广播信道上传输数据业务，能够实现数据业务和电视业务集成。这场 数字革命不仅为广播电视带来了质的变化，而且在数据广播和借助其它上行信道实现交 互式业务方面也受到世界各国的重视，展开了激烈的竞争，继欧洲的d v b 、美国的a s t c 和日本的i s d b 三大电视广播标准之后又积极制定推出各自的数据广播及交互式业务标 准( 如d v b 的数据广播规范、d v b 交互业务的网络无关协议( d v b n i p ) 、双向有 t 上 上海交通大学硕士学位论文 线电视网d v b - - r c 及d v b - - r c t ( p s t n i s d n ) 标准等等) 。目前，d v b 在数据广 播交互式业务标准的制定和批准时间上处于领先地位。 d v b 数据广播及交互式业务标准的制订推动了卫星宽带接八技术的研究，它与 t c p 、u d p f l p 等网络传输协议紧密结合，使得基于d v b - - s 实现高速i n t e m e t 接入成为 可能，为卫星宽带多媒体业务开辟了一个新的市场。 在d v b s 标准公布之后，几乎所有的卫星直播数字电视均采用该标准。我国也选 用了d v b - s 标准，我国广播电视卫星直播方案已经通过论证，6 年内可发展6 0 0 0 万用 户，建成全球用户晟多的卫星直播系统，带动年产值2 0 0 亿元以上的新兴产业，并使1 亿偏远地区人口收看电视节目。直接广播卫星( d b s ) 处于静止地球轨道，根据i t u 的规划，分配给中国3 个直接广播卫星轨道位置( 6 2 。e ，8 0 。e ，9 2 。e ) ，它们可以覆盖 中国整个领土：直接广播卫星辐射功率大，覆盖区域内e i r p 值高。在基于d v b s 标准 的直播电视卫星( 简称d b s ) 系统中，3 3 m h z 带宽的转发器能够支持3 8 m b i f f s 的最大 数据速率，可支持传送高速数据流直接到户。由于此系统用户端接收机价格较低，且能 够实现数据业务和电视业务集成，相比其它卫星数据传输方案更具吸引力。 目前因特网上开展的大多数业务有一个显著的特点：用户接收和发送数据量具有不 对称性，用户接收的远大于发送的数据量。而在传统的交互式通信模式中，上下行信道 一般都是对称的，即接收和发送的信道带宽相同，信息往返传输都是在一种物理链路上 实现。这对于非对称模式的数据通信是不太台适的。一方面上行带宽会浪费，另一方面 下行负荷过重，容易发生拥塞。在卫星通信中，由于卫星地面站的发送设备价格非常昂 贵，如果采用卫星双向站来实现交互，对普通用户来说是难以接受的。 本文研究的d v b s 的因特网按入系统基于非对称传输的概念，改变了传统的交 互模式，上、下行线路通过两种不同的物理链路分别作为上下行信道来实现交互通信， 即下行采用d v b s 卫星信道传输数据，而上行采用慢速的地面网络向因特网服务器 提出服务请求，节省了成本和带宽。用户只要在p c 机上加上一个d v b 接收卡或在电 视接收机上配置一个机顶盒就可实现这种传输。这种接入系统的核心是把d v b m p e g 一2 技术与t c p i p 协议有效结合起来，将地面现有通信网和空中d v b 卫星通信系统连 接组网。它不仅提供了一点对多点的、覆盖全球的、超大容量、高度灵活、经济快捷、 上海交通犬学硕士学位论文 安全可靠的服务，而且也极大地推动了全球网络化的进程。 1 2 目前关于d v b s 因特网接入系统的应用和研究 l 从1 9 9 5 年开始使用的d v b s 广播只是对单路或多路视频、音频信号进行m p e g 一2 编码压缩、节目流和传送流复用、q p s k 调制、上变频到c 波段、k u 波段发射上星 及相反过程的d v b s 接收。对于含有条件接收技术的系统而言，系统中增设了p e s 流或t s 流的加密解密和密钥管理、控制功能。到了1 9 9 8 年，利用卫星开展多媒体业 务成为卫星应用的国际热点，欧洲通信卫星组织e u t e l s a t 于1 9 9 5 年从事研究开发， 1 9 9 7 年提出d v b m p e g - - 2 技术和t c p i p 协议相结合的规范，1 9 9 8 年1 0 月成功发射 热鸟4 号和5 号卫星，成为全球第一个具有星上m p e g 一2 处理能力，用于开展多节目 数字电视和多媒体业务的智能卫星系统。这种卫星系统其基站系统由d v b 服务商 ( i s p ) 、卫星关口站( i p 网关) 和d v b 广播系统组成。d v b 服务商可提供i n t e m e t 服 务，i p 数据通过i p 网关进入d v b 复用及发射系统，终端用户只需要一个小天线和带 有卫星d v b 接收卡的p c 机或p c 局域网，这种p c 或网络用户可以通过地面网络( 以 电话线路m o d e m 连接最流行) 接入基站【1 】，【2 。 从1 9 9 8 年8 月以来，在越来越多的静止轨道卫星系统上( 如c y b e r s t a r 、e u r o s k y w a y 、 s p o t c a s t 等) 出现由i n t e m e t 业务提供商( i s p ) 提供的多达数十个d v b 宽带数据广播 频道。在国内，由广州卫星通信局租用中卫一号首次提供i n t e r n e t 高速接入、数据包投 递、多媒体广播、网络广播等服务的d i r e c p c 正属此类。 目前，开发用户终端设备的公司也越来越多，这些用户终端设备除能接收、解调、 解密、解压缩m p e g 一2 视、音频信号，还能接收i p 数据，即同时支持电视业务和i n t e r n e t 数据业务。 虽然d v b s 因特网接入系统己进入实用阶段，但其中涉及到的很多技术尚在研 究之中。研究的热点之一是如何改善d v b s 接入网环境中t c p 的性能。这是因为传 统的t c p 协议运彳亍于双向对称链路的网络环境，而d v b s 接入系统具有时延带宽积 大及上、下行链路分离且带宽不对称等特点。其中上、下行链路带宽不对称这一特点使 t 上海交通大学硕士学位论文 得下行的卫星链路不能得以充分利用。关于改善不对称网络环境中t c p 的性能的研究 已有很多文献报道 3 ，4 ，5 ，6 ，7 】，提出了很多技术方案。这些技术可分为两类。 类是在t c p 层采用的技术，即通过修改端主机上的t c p 实现来提高t c p 性能。如延时 确认( d e l a y e da c k s ) 【8 、修改的延时确认( m o d i f i e dd e l a y e da c k s ) 9 、a c k 拥塞控制 ( a c c ) 1 0 ，1 l 】、t c p 发送适配( t c ps e n da d a p t a t i o n ) 1 1 】等技术。另一类是在瓶颈链 路的链路层上实现的解决方案。如报头压缩( h e a d e r c o m p r e s s i o n ) 【1 2 j 、a c k 过滤( a c k f i l t e n n g ) 【l l ，1 3 ，1 4 ，1 5 等。这些技术总的思想是试图使上行链路上流过的数据量尽 量和上行链路的传送速率相匹配。 1 3 本文的内容安排 在本文的第二章中介绍了基于d v b s 的因特网接入系统的组成、路由配置及系 统协议栈，本文研究重点是协议栈的链路层和传输层。在第三章对下行信道上i p 分组 到m p e g 2 - - t s 小包的封装方式进行了详细的分析，此封装是主站中卫星网关的主要功 能。在第三章我们还针对d v b s 接入网上、下行链路分离的特点，采用隧道机制实 现上行链路中l p 分组的传输并给出了在l i n u x 平台上i p i n i p 隧道的实现。 在第四章、第五章及第六章主要研究基于d v b s 的t c p 的性能问题。其中在第 四章分析了基于d v b s 的t c p 性能下降的原因及目前已提出的一些改进技术，其中 有些涉及到对主机t c p 实现的修改，还有一些是在链路层使用的技术。在第五章和第 六章通过数学分析和仿真实验相结合的方法对d v b s 接入网环境下的t c p 性能进行 了深入的研究。其中在第五章研究了t c p 连接在慢启动阶段的性能，这对短文件的传 输尤其重要，并提出通过选择最佳a c k 过滤门限提高此阶段的t c p 性能并给出了a c k 最佳过滤门限的计算式。在第六章研究了在拥塞避免阶段t c p 的性能。此阶段的性能 与大文件的传输有关。首先在不考虑分组随机丢失的情况下以平均吞吐量为性能指标， 我们比较了t c p t a h o e 及t c p r e n o 两个常用版本在d v b - - s 接入网环境中的性能， 得出尽管t c p r e n o 是比t c p t a h o e 更新的版本，但在d v b s 接入网环境中其性 能不如t c p t a h o e 的结论。本文还提出了当前向链路上缓存容量较大时，在反向链路 上缓存中对a c k 进行过滤时采用一种所谓换尾排队策略以替代掉尾排队策略，可以提 4 c 上海交通大学硕士学位论文 高t c p t a h o e 在拥塞避免阶段的平均吞吐量。然后又在考虑存在分组随机丢失的情况 下，给出了影响平均吞吐量的分组随机丢失率门限的估算式，同时给出了平均吞吐量受 分组随机丢失率影响的仿真结果。 上海交通大学硕士学位论文 第二章d v b s 因特网接入系统的结构和配置 本章介绍了d v b s 因特网接入系统的结构，分析了在上、下行信道中l p 分组的 路由和网关中的路由配置并给出了在上、下行方向的协议栈。 2 1 d v b s 因特网接入系统的结构 基于d v b - - s 实现因特网接入的系统组成如图2 1 所示。目前d v b s 只支持单 图2 - 1d g b s 因特网接入系统 f i g 2 1 d v b si n t e r n e ta c c e s ss y s t e m 向广播业务，为了使其支持因特网接入，需要在主站和用户之间引入上行信道。考虑成 本因素，常选择p s t n 作为上行信道。除此还需在主站中引入一网关，网关负责经过卫 星链路的业务量和来自回传链路数据的路由，以及完成数据链路控制、数据封装、信道 分配等功能。i p 分组经网关封装后，经加扰器、复用器、调制器，发送至卫星信道。 用户装置由接收天线、机顶盒( s t b ) 、p c 机等组成，执行解调、解扰、解复用、i p 分 组重组及内部寻路功能。在主站和用户装置中还必须增加一些功能使主站和用户能够通 过地面链路建立连接。 6 t 上海交通火学硕士学位论文 2 2 会话建立和路由配置 d v b s 接入网结构中，下行数据和上行数据经由分离的信道传输。经下行链路( 卫 星链路) 传输的数据由网关完成i p 分组至m p e g 2 传输流( t s ) 小包的封装，i p 分组 是作为专用数据类型封装在m p e g 一2t s 小包中传输的。运载因特网业务数据的 m p e g - 2 t s 流和传送电视节目的m p e g 一2t s 流在主站经复用、调制后送到卫星信道。 m p e g - 2 t s 流的复用和解复用见图2 2 所示。针对不同的应用需求，d v b 标准规定了 数据管道、数据流、多协议封装、数据传送带等几种数据传送方式 1 6 。常采用d v b r e a s s e m b l i n g 图2 - 2m p e g 一2 的复用和解复用 f i g 2 2 m p e g - 2 m u l t i p l e x e ra n dd e m u l t i p l e x e r 多协议封装( d v b m p e ) 方式把i p 分组封装在一系列m p e g 2t s 小包中。t s 小包 中含有p i d 字段以区分复用的传输流中的每个基本流，来自因特网服务器的i p 分组是 以某些p i d 值标识的基本流的形式广播给所有用户的。所以发送站要把标识因特网业务 的p i d 和标识系统信息( 如p a t 表、p m t 表等) 的p i d 传送给用户端。 用户装置由接收天线、机顶盒( s t b ) 、p c 机等组成，执行解调、解扰、解复用、 从m p e g 一2t s 小包中重组i p 分组。用户端生成的请求和确认i p 分组经i p i n i p 封装后 通过地面网络传送至网关。经网关拆封后再路由至因特网主机。在发送站和用户装置中 还必须增加一些功能使发送站和用户能够通过地面链路建立连接。 由于当前的路由协议是基于网络的链路是双向的假设，即如果节点a 在某一接口收 到来自节点b 的路由信息，则节点a 的路由软件认为经同样的接口节点b 是可达的， 反之如节点a 不能在某一接口收到来自节点b 的路由信息，则节点a 的路由软件认为 不能经同样的接口到达节点b 。所以当发送站不能在单向的卫星链路接口上收到来自接 7 竺 ：耋| 螬 p 陋絮一 型 匕晦交通大学硕士学位论文 收站的路由信息时，即认为接收站经卫星链路是不可达的。因而在此网络结构中不能支 持运行当前的路由执议以实现动态路由【1 7 ，1 8 】。由于a r p 协议同样基于双向链路的假 设，因而发送i p 分组所需要的链路层的目的地址( 即目的m a c 地址) 也不能通过运 行a r p 协议取得。简单的解决方案就是采用所谓静态路由方法，在发送站中手工配置 每个接收站的i p 地址列表及接收站的i p 地址到m a c 地址的映射。 静态路由配置在会话建立阶段完成。每个用户通过已经建立连接的地面信道把用户 的标识以及s t b 的m a c 地址发送给发送站，由发送站管理。发送站给每个用户分配一 个临时i p 地址及用于标识因特网业务的p i d ，然后发送站在一个地址转换表中登记每 个用户的路由信息。路由信息包括用户的标识、s t b 的m a c 地址、临时i p 地址及有 关p i d 值。然后发送站通过地面信道把临时i p 地址和有关p i d 值发送给用户，用户保 存它们一直到本次会话结束。会话建立后，用户就可通过p s t n 直接接入因特网主机。 会话由用户端发起，并通过和主站协商建立。每个用户通过已经建立连接的地面信 道请求主站分配用于传送因特网业务的d v b s 信道( 通常是单播信道) ，请求的信息 中包括s t b 的m a c 地址以及用户的标识。s t b 的m a c 地址在用户购买时已经确定， 由主站管理。主站给每个用户分配一个临时i p 地址及用于传送因特网数据的p i d ，然 后主站在一个地址转换表中登记每个用户的路由信息。路由信息包括用户的标识、s t b 的m a c 地址、临时i p 地址及用于传送i p 数据的p i d 。然后主站通过地面信道把临时 i p 地址和传送i p 数据的p i d 发送给用户，用户保存它们一直到本次会话结束。会话建 立后，用户就可通过p s t n 直接接入因特网主机。 2 3d v b s 因特网接入系统协议栈 d v b s 接入系统的上行及下行协议栈如图2 3 、图2 4 所示。上行链路层采用 p p p 协议，下行链路层采用d v b 多协议封装规范( d v b - - m p e ) ，网关完成协议转换。 在下行协议栈的物理层采用d v b 标准关于d v b s 的信道编码和调制方案 1 9 】。信道 编码和调制由卫星信道适配器完成，m p e g - - t s 流复用器的输出经卫星信道适配器形 成一定的发送帧结构，并进行信道编码和调制。帧的组织基于m p e g - - 2 t s 小包。每个 m p e g - - 2 t s 小包长为1 8 8 字节，包括1 个同步字节( 即4 7 h e x ) 。通过将截短的r s ( 2 0 4 ， 上海交通大学硕士学位论文 1 8 8 ，t = 8 ) 码加到各个已随机化的传输小包上，产生一个带有误码防护的小包，随后将 深度为1 2 的卷积交织加到此带有误码防护的小包上，得到一个经交织的帧。每帧长2 0 4 字节。d v b s 系统信道编码采用卷积码及r s 码的级联。内码采用卷积码，可根据给 定的业务或码率选择最合适的级别的误码纠正，使之对给定的卫星转发器性能最佳。系 统允许的编码效率为1 2 、2 3 、3 4 、5 6 和7 8 。 s e r v e r 图2 3 系统上行协议栈 f i g 2 - 3u p s t r e a mp r o t o e o s t a c k s e r v e rci e n t a p p l i c a t i o n a p p l i c a t i o n s a t e l l i t eg a t e w a y t c pu d p t c p u d p i pk气一 i p d v bm p e d v bm p e e t h e r n e t m p e g 2 1s m p e g 2 一t s e t h e m e t e n c o d i n ga n d d e c o d i n ga n d m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n i n t e r r t e t s a t e 】i i t ec h a n n e 图2 4 系统下行协议栈 f i g 2 4 d o w n s t r e a mp r o t o c o ls t a c k d v b s 系统采用q p s k 调制，在调制之前，i 和q 信号应被升余弦均方根滤波， 滚降系数取为0 3 5 。 d v b s 系统中采用的前向纠错( f e c ) 技术将提供一个“准无错”( q u a s i e r r o rf r e e ) 的信道质量，也就是每个传输小时内未纠正的误码不能多于1 个，相应于在m p e g 一2 解复用的输入处的误码率为l o 舢1 0 _ 1 。 在下行协议栈的链路层涉及到i p 分组到m p e g - - 2 t s 小包的封装，这一部分将在 第三章中详细介绍。 9 上海交通大学硕士学位论文 传输层协议可以使用u d p 、t c p 。t c p 基于a c k 确认实现差错恢复和流量控制。 用于实现可靠的数据传输，如w e b 浏览、文件传输( f t p ) 、远程登录( t e l n e t ) 等。本 文的主要内容( 第四章、第五章和第六章) 是研究在d v b s 接入网环境中t c p 的性 能。u d p 协议主要用于实现多播传输，本文没有涉及这方面的研究。 2 4 本章小结 本章介绍了一种以p s t n 作为回传信道的d v b s 因特网接入系统的结构，分析了 在上、下行信道中i p 分组的路由。由于当前的路由协议和a r p 协议是基于双向链路的， 在d v b s 接入网环境中不能正常运行，本章介绍了简单的静态路由配置方法。本章 虽后给出了在上、下行方向的协议栈。 0 t 上海交通大学硕士学位论文 第三章下行链路和回传链路上i p 分组的封装 在互联网内，如果客户端向服务器请求某种服务，则服务内容经同样网络环境传递 给用户。可在基于d v b s 的因特网接入系统中，下行信道和上行信道分别处于不同 的网络环境，i p 分组是经d v b s 广播信道传送给用户端。d y b 标准采用m p e g 一2 系统层的传输流语法对数字音频、视频和数据信号进行打包和复用，使得可在m p e g - - 2 t s 流中分配一定的时隙以传输i p 分组数据。这就涉及到如何以m p e g 一2 标准为基 础来封装i p 分组。针对不同的应用需求，d v b 标准规定了数据管道( d a t ap i p i n g ) 、数 据流( d a t as t r e a m i n g ) 、多协议封装( m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ) 等几种数据传送方式 1 6 。本章首先对这几种封装方式进行了分析和比较。接着本章针对d v b - - s 的因特 网接入系统上、下行信道分离的特点，为了使上行的i p 分组能通过上行链路i s p 的准 入过滤( i n g r e s sf i l t e r i n g ) 2 0 ，2 1 ，采用了i p i n - i p 隧道 2 2 机制并给出该隧道在l i n u x 平台上的实现。 3 1 下行链路上i p 分组的封装 - 3 1 1l i po v e r m p e g - 2 的封装方式 lt s 小包的结构 2 3 d v b 标准采用m p e g 一2 系统层的传输流( t s ) 小包作为基本的“数据容器”。t s 小包具有固定长度1 8 8 字节，通常它由4 字节的包头和1 8 4 字节的有效负荷组成。有时 在有效负荷中插入一段适配区域( a d a p t a t i o nf i e l d ) ，用- l = 李b 充长度不完整的传输流，放 置解码时钟( p c r ) 。 4 字节的包头由同步字段( s y n c _ b y t e ) 、载荷开始指示字段( p a y l o a du n i ts t a r t i n d i c a t o r 、p i d 字段等八个字段组成，见图3 一l 所示。同步字段是一个固定的8 个b i t 组成的域，用来标识同步信息，它的值取0 x 4 7 。解码器在读到同步字节后即找到传输 流数据包的开始位置。 载荷开始指示字段( p u s l ) 占用l b i t ，对于t s 小包装载的是p e s ( p a c k e te l e m e n t a r y 上坶交通大学硕士学位论文 s t r e a m ) 数据包还是p s i ( p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n ，节目特定信息) 表该位有不同 的含义。 当装载的是p e s 数据包时，p u s i 为“1 ”表示该t s 小包的有效载荷( p a y l o a d ) 中 含有某个p e s 数据包的起始位，p u s i 为0 表示没有任何一个p e s 数据包在此t s 小 包的有效载荷中开始。 当装载的是p s i 表时，p u s i 为“1 ”表示该t s 小包的有效载荷的第一字节为指针 域( 即p s i 表的第一个字节) 。如果t s 小包没有装载p s i 表的第一个字节，p u s i 应该 置为0 ，表示该t s 小包的有效载荷中没有p s i 表的指针域。 对于空的t s 小包，p u s i 应该置为0 。 对于t s 小包中装载的是私有数据( p r i v a t ed a t a ) 时该标志位没有定义，多协议封装 方式时给该标志位重新定义。 h e a d e r ( 4 m t )p a y l o a d ( 1 8 4 b i t ) 、 p a y l o a dl n i ta d a p tf i e l d c o n t j i l l l ic v s y n c h ( 8 b l t ) t e lc 1 b i t )p i d ( 1 3 b i t ) s t a r t ( 1 b il 】p r i r i t y ( 1 b il 】c t r l ( 2 b i t )c t r l ( 2 b il ) c o u n t e r ( 4 b n 】 图3 1 m p e g 一2t s 流小包结构 f i g 3 - 1 m p e g - 2t s p a c k e ts t r u c t u r e p i d 字段1 3 b i t 长，是标识t s 小包性质的重要字段，p i d 实际上定义了一个虚拟的 广播信道。对t s 小包有效负荷中所传送的不同类型数据( 视频、音频、特定数据、系 统信息等) ，对应着不同的p i d 值。 提供系统信息的p s i 表也经打包后传输，这些表对应着专门预留的p i d 值。如节目 相关表( p r o g r a ma s s o c i a t i o nt a b l e ) 的p i d 值为0 x 0 0 0 0 ，有条件接入表( c o n d i t i o n a l a c c e s s l a b