卫星通信导论上课-第7章 卫星宽带通信系统

第七章卫星宽带通信系统、2、大纲、引言卫星宽带通信系统的结构卫星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的实例、3、引言随着人类社会信息需求的增加，对互联网的依赖性提高互联网业务和宽带综合业务已经取代了传统的低速语音和数据通信，通信网络的主要业务互联网业务和宽带综合业务也自然地成为卫星通信迅速发展的应用领域，4、引言继续1、西欧卫星中继器数的需求状况： 5、卫星宽带通信系统的结构、卫星宽带通信系统的主要功能是向用户和用户组提供互联网主干网络的高速接入作为基干传输网络，连接到不同地理区域的互联网运营商与地面网络独立，因此， 许多卫星宽带通信系统使用微波和激光星形链路实现系统的卫星互连，构成空间基干传输网络的卫星链路传输损失很大，因此在高传输速率的情况下，要求用户使用大口径接收和发射天线。 因此，卫星宽带系统不能在短时间内支持手持终端的移动中的高速通信。 6、卫星宽带通信系统的结构将继续，交互式卫星宽带接入系统的结构将继续，7、卫星宽带通信系统的结构将继续，非对称卫星宽带接入系统的结构将继续，8、卫星宽带通信系统的结构将继续， 卫星宽带主干传输系统的结构将继续，9、卫星TCP技术、TCP协议的概况将基于不可靠的IP服务而提供字节流传输服务，所述不可靠的IP服务向面向连接、端到端和过程的可信传输协议用户提供字节流传输服务采用端到端通信量控制、拥塞控制和错误控制机制，使用滑动窗口协议来确保服务可靠性，并使用慢启动、拥塞避免、快速重发和快速恢复算法来控制端到端通信量卫星TCP技术程序1，滑动窗口协议接收侧公告窗口是发送侧公告发送侧的窗口大小的数值，11，卫星TCP技术程序2，拥塞控制机构TCP拥塞控制策略是在1980年代后半期由VanJacobson根据TCP协议版本提出的在目前常见的TCP-Reno中拥塞控制机构由慢启动算法、拥塞回避算法、高速重发和高速恢复算法构成，12、卫星TCP技术后续3、拥塞控制机构拥塞控制中TCP发送侧由拥塞窗口CWND、接收侧公告窗口RWND 慢启动阈值SSTHRESHCWND为了保证发送侧不产生网络过载RWND，发送侧为了保证接收缓冲器在TCP发送侧能够发送的数据量是CWND和RWND的最小值CWND，使用慢启动阈值SSTHRESHCWND。 RWND和SSTHRESH以字节为单位被测量，SSTHRESH，通常在建立TCP连接时被初始化为65535字节，13、卫星TCP技术继续4、慢启动算法，以新建立或恢复的TCP连接来开始流的方式，1 在将CWND初始化为最大消息段长度MSS并接收到发送最大消息段长度的数据的确认信号时，当CWND确认了两个消息段长度增加成两个最大消息段长度的大小时，CWND发送4个最大消息段长度CWND增大到SSTHRESH时，在慢启动结束，进入拥塞回避阶段的慢启动过程中，CWND的大小呈指数增加，14，卫星TCP技术接下来5，拥塞回避算法在拥塞回避阶段， 由于发送方CWND在每个往返时间RTT内增加最大消息段长度，因此CWND线性地增加，而15，卫星TCP技术随后的6消息段丢失的指示机制是当网络拥塞发生时将丢失消息段发生超时和接收重复确认(DACK) ) )超时的机制是发送侧主观判断网络拥塞的方法，但重复确认中，发送侧根据接收侧的指示判断消息段丢失的方法的超时和由重复确认引起的拥塞控制行为完全不同。 16、卫星TCP技术持续7超时机制下的拥塞控制发送方在发送消息段后启动重发计时器，如果在计时器溢出时没有确认，发送方就重发该数据消息段， 将SSTHRESH复位为当前CWND值的一半以重新开始慢启动过程，17、卫星TCP技术后8、迭代确认机制中的拥塞控制接收器在接收到丢失序列的消息段后立即发生重复确认DACK，这是因为接收由于不知道是由于丢失了重复确认的消息段，还是只是出现了几个消息段的重新排序，所以需要等待很少的重复确认，如果仅通过一部分消息段的重新排序，会处理重新排序的消息段18卫星TCP技术的后续9，其中重复确认机制中的拥塞控制可以认为一个消息段在连续接收到三个或更多重复确认时丢失，在这种情况下，可以不等待计时器溢出而丢失这是一种拥塞避免算法，在高速重发算法高速重发之后，下一个执行的不是低速启动算法，而是快速恢复算法。 19、卫星TCP技术的继续10慢启动-拥塞避免算法中的CWND变化的影像，20、卫星TCP技术的继续11、卫星网络中的TCP问题TCP协议最初被设计用于地面有线通信网络，网络延迟和差错率很低因此，协议设计能够利用确认机制来进行端到端的业务控制和拥塞控制，其中，所有消息段的丢失导致卫星链路的长延迟、长延迟和因网络拥塞而导致卫星网络中TCP协议性能降低卫星链路上的高错误率与卫星链路的不对称性，21，卫星TCP技术持续12长时延对TCP协议性能的影响，其中，在新TCP连接建立之后，传输和接收双方都不知道传输网络上的业务负载状况，并且因此使用慢启动。 依次检测传输链路的有效带宽为一个TCP连接，传输速率b是在TCP确认到每个会话的情况下传输比特率达到b所需的时间左右，l是在TCP确认到延迟的情况下传输比特率达到b所需的时间形式、22、卫星TCP技术程序13，TCP协议中的慢启动过程的持续时间不同于不同于速率b的确认，其中假设要发送的数据消息段的平均长度为1K字节，这对TCP协议性能的影响如下表所示22000000000000000000000652实际的TCP应用很多使用诸如HTTP协议等基于小文件的传输，并且在慢启动期间终止这些小文件的传输的可能性很高。也就是说，TCP连接没有充分利用有效的网络资源的可能性很高。 另外24、卫星TCP技术程序15，在宽带延迟乘积影响TCP协议性能的TCP连接之中，能够将链路的最大有效带宽与连接的往返时间RTT之积称作带宽延迟乘积BDPBDP，这是因为一个TRT中的TCP链路的最大吞吐量是卫星因为延迟很大，所以链路的带宽延迟乘积变大，25、卫星TCP技术过程16、宽带延迟乘积对TCP协议性能的影响、26、卫星TCP技术过程17、宽带延迟乘积对TCP协议性能的影响， TCP的业务控制部是连接双方并通知自己的窗口大小而实现的TCP报头，其窗口大小为16比特的域段，即，窗口的最大值为216=65535字节，即64K字节的发送侧对其消息进行发送在没有接收到发送的消息段的确认信息之前，要发送的数据量不能超过其窗口大小具有叫卫星的大传输延迟的系统，并且为了利用预定带宽资源，在接收到确认信息之前必须向网络发送足够的数据27、卫星TCP技术手续18、高差错率影响TCP协议性能的地面有线传输网的差错率低，典型的差错率值低于10-10，但卫星链路的差错率通常在10-210-6之间(没有纠错码的情况下)传输差错率从三个方面来看，TCP的吞吐量因为必须重发由于错误而丢失的消息段，所以网络资源的消耗增加2)TCP发送方总是将消息段的丢失理解为网络拥塞，降低其传输速率，急剧降低网络资源的利用率3 )反向资源引起接收到的消息段的超时重发，进一步降级协议的吞吐量性能。、28、卫星TCP技术的后续19，高差错率影响TCP协议的性能的卫星链路错误是突发性的，但由于快速重发和快速恢复算法通常不能处理单个窗口内的多个错误，所以TCP协议的拥塞避免机制在卫星链路上使用TCP时认为需要更大的窗口大小(和延迟带宽相同程度)的突发错误带来的负面影响变得更严重。 29，继续卫星TCP技术20，在其中链路的不对称性影响TCP协议性能的卫星网络中的TCP的前向链路和反向链路通常具有极大的带宽不对称性。 换言之，高带宽传输的传输功率和天线大小的要求(其是前向链路的有效带宽明显大于反向链路的带宽的不对称性的主要原因)是限制终端成本，这大大提高了终端成本，并且使用了低反向链路，这是一种高成本的接收机30 .一种节省了宝贵的卫星链路带宽，能够考虑大量的TCP传输的单向特性(从网络服务器到远程主机)，并且低速的反向链路能够被大幅度接收。 如果在卫星TCP技术之后的21链路的不对称性对TCP协议性能产生影响，反向链路仅具有有限的带宽，则确认分组的聚合和丢失使确认信号流具有突发特性，并且有三种影响：1)发送的数据流变得更突发2 ) 降低拥塞窗口CWND的增长速度3 )降低高速恢复机制的效率、31、卫星TCP技术的继续22、改善卫星TCP性能的方法的主要解决技术大致分为两种：1)端到端的解决方法：维持标准TCP协议的端到端连接特性， 2 )基于中间件的解决方法：与标准TCP协议的端到端连接特性相反，采用了标准TCP协议的基本参数调整和协议扩展、改进时序机制、更先进的流控制和分组丢失恢复算法等。 其核心思想是利用性能增强代理将网络中的长延迟和高差错率部分与其馀部分隔离，通过对长延迟和高差错率部分使用专用协议来增强系统性能。 32、随着卫星TCP技术的继续，增大TCP扩展技术的初始窗口，慢启动算法的初始窗口很小(仅限于1 )，所提议的RFC2414能够增加慢启动时间。 可以将每消息段确认时慢启动算法所需的最大接收窗口恢复时间缩短为：Wmax是最大允许接收窗口，Winit是初始窗口，33，卫星TCP技术继续24，TCP扩展技术字节计数字节在字节计数方式下，拥塞窗口的增加数不是具有由确认数确定的两种字节计数的算法，而是按照确认的每个未确认字节数来确定的无限字节计数(UBC )和限制字节计数(LBC ) .34， 卫星TCP技术持续25 TCP扩展技术字节计数UBC按照每次接收到一个确认时简单地复盖确认权的未确认字节数增加拥塞窗口，LBC限制了拥塞窗口的增加，LBC与UBC相比，是大量线性增加的突发数据由于实现减少数据丢失和提高传输效率的字节计算需要改变TCP协议栈，且违反了RFC2581的提案，所以不能共享网络。、35、卫星TCP技术继续26、TCP扩展技术慢启动后的延迟确认DAASS，在慢启动中TCP发送侧根据接收确认数增加拥塞窗口的大小，延迟确认将来自接收侧的确认数减少了一半， 拥塞窗口大小增加的速度如何在TCP连接积极增加拥塞窗口大小时提供充分的确认，以使慢启动后慢使用延迟确认，而在TCP连接稳定后减少确认数节省网络资源DAASS的主要问题是如何卫星TCP技术继续27、TCP扩展技术选择性地确认SACK选择确认是用于校正在发生多个段丢失的情况下的TCP处理的策略使用选择确认，因为接收侧能够将已经成功接收到的数据段的序列号发送至发送侧， 发送方仅重传已确保丢失的数据段，提高了TCP传输的性能选择并且确认其现在是TCP协议扩展的一部分的研究显示，在卫星信道上使用SACK比标准的TCP对性能有很大改善。 因此，终端节点通过降低其传输率来避免网络上产生严重拥塞现象，由于缺少大量不必要的消息段的发送方能够在重发计时器超时、或接收三个重复确认之前接收显式拥塞信息，所以， 如果缺少一个消息段而没有拥塞指示，则该消息段的缺失一定是由于链路的错误，发送侧无需降低其传输速率，38卫星TCP技术继续29、TCP扩展技术显式拥塞通知ECNECN方法的实现请求IP是ECNECN 在39卫星TCP技术程序30中，由于TCP要求可以获得IP报头中的信息，所以需要修改TCP/IP协议栈中的一部分协议，并且必须重新设计因特网上的所有路由器以支持ECN， TCP-vegastcp-Vegas使用传输率来实现拥塞控制，而不是将分组丢失作为拥塞的指示，并且将传输率与期望速率相比较，该速率是根据所测量出的往返时间而计算传输速率的，期望速率是在传输窗口处于基本往返时间(BaseRTT ) 基本往返时间是到现在为止测定的最小往返时间，40，卫星TCP技术持续的31，TCPVegas的基本思想，网络没有拥挤的话，测定的速度应该接近预期的速度。 使用两个阈值来触发传输率的增加或减少，因为信道未被充分利用，或者过载的TCP-Reno总是增加拥塞窗口，只要消息段没有丢失即可。 周期性地导致分组丢失和窗口大小变化的TCPVegas可以减小该窗口以避免拥塞，因为在达到平衡状态后不发生窗口大小变化的发送侧测量的往返时间是由于反向链路上的拥