第章宽带卫星通信系统PPT课件.ppt

2020 3 20 1 可编辑 第8章宽带卫星通信系统 卫星通信 2020 3 20 2 可编辑 概要 8 1系统体系结构8 2卫星网络中的TCP协议 卫星通信主要基于ATM和TCP IP两种技术 2020 3 20 3 可编辑 8 1系统体系结构 交互式卫星宽带接入系统 DTH 2020 3 20 4 可编辑 8 1系统体系结构续1 非对称式卫星宽带接入系统 带宽非对称 引起TCP协议性能下降 2020 3 20 5 可编辑 8 1系统体系结构续2 卫星宽带骨干传输系统 2020 3 20 6 可编辑 8 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 卫星链路特点 长时延 高误码率 大延时带宽积 2020 3 20 7 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续1 TCP流控 滑动窗口机制 同时进行了流量控制和差错控制 2020 3 20 8 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续2 TCP拥塞控制算法 指数形式增长 线性增长 2020 3 20 9 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续3 TCP拥塞控制算法 2020 3 20 10 可编辑 8 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 不能直接使用原有TCP协议原因之一 传统的TCP协议工作在有线网络中 网络本身引起的误码率很低 因此包发生差错可以认为是拥塞造成的 降低速率是没有问题的 但是 由于信道条件恶劣 高误码率在卫星通信中非常常见 并非是因为拥塞造成的 所以盲目的降低传输速率 会使网络性能下降 传输速率始终上不去 2020 3 20 11 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续5 TCP包头 2020 3 20 12 可编辑 8 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 2020 3 20 13 可编辑 8 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286Mb s 232 2 60 8 2020 3 20 14 可编辑 8 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216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1Mb s 时延大概550ms 不能直接使用原有TCP协议原因之二 长的传播实时延 2020 3 20 15 可编辑 8 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 说到TCP协议性能好是指其公平性好 吞吐率比较高 2020 3 20 16 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续10 卫星TCPTCP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 2020 3 20 17 可编辑 8 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 卫星链路 传播时延 地面网络 发送时延 处理时延 TCP可靠性的基础 接收端应答 因此长时延会影响TCP性能 2020 3 20 18 可编辑 8 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 2020 3 20 19 可编辑 8 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 深空通信 DTN 延时容忍网络 2020 3 20 20 可编辑 8 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 2020 3 20 21 可编辑 8 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216 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 2020 3 20 22 可编辑 8 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 2020 3 20 23 可编辑 8 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 2020 3 20 24 可编辑 8 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 TCPVegasTCPPeach Peach TCPSwift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 2020 3 20 25 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续19 大窗口 LW 选项RFC1323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 2020 3 20 26 可编辑 8 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 IncreasingTCP sInitialWindow InternetRFC2414 September1998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 2020 3 20 27 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续21 增大初始窗口 IIW 初始化窗口 Winit 慢启动持续时间 2020 3 20 28 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续22 选择性确认SACKTCPSACK IETFRFC2018TCP 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TCPSACK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 2020 3 20 29 可编辑 8 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 TCPSACK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 2020 3 20 30 可编辑 8 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TCPSACK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 2020 3 20 31 可编辑 8 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 2020 3 20 32 可编辑 8 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 2020 3 20 33 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续27 TCPVegasTCPVegas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 2020 3 20 34 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续28 TCPVegas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TCPVegas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TCPVegas在不对称信道情况下的工作性能不理想 2020 3 20 35 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续29 TCPPeach 2020 3 20 36 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续30 TCPPeach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 2020 3 20 37 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续31 TCPPeach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 2020 3 20 38 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续32 TCPPeach突发启动 2020 3 20 39 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续33 TCPPeach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 2020 3 20 40 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续34 TCPPeach高速恢复算法 2020 3 20 41 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续35 TCPPeach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 2020 3 20 42 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续36 TCPPeach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TCPpeach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 2020 3 20 43 可编辑 8 2卫星网络中的TCP协议续37 TCPSwift基于TCP Peach的改进传输协议使用迅速启动 speedystart 和迅速恢复 speedyrecovery 算法取代了突发启动和高速恢复算法使用未确认报文段 OutstandingSegment 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 2020 3 20 44 可编辑 8 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 NASAJPL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 ISO15893 2000 2020 3 20 45 可编辑 8 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 类似于UDP 无拥塞控制 2020 3 20 46 可编辑 8 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 选择性否认确定 假设链路状况良好 则收到的正确包数目远大于丢包数 因此这样的机制在反向链路传输数据量减少 解决的是链路非对称性的问题 2020 3 20 47