卫星通信与Internet

2019-11-03 18:33:30

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供稿：网友

　　清华大学工程系　龙飞　曹志刚　　编者按：经过卫星链路传输Internet业务正日益增加。目前卫星链路主要应用在Internet骨干网和接入网等方面。本文按照从链路层到传输层的分类方法，介绍了当前的一些主要的解决方案，并介绍了一些即将投入使用的下一代卫星宽带多媒体网络。文章内容丰富，但篇幅较长，本刊拟分三期连载，以飨读者。

　　在即将过去的20世纪里，恐怕没有什么能像Internet一样以不可思议的速度迅猛发展。而且这种发展趋势将在下个世纪初延续下去。有人甚至提出了Internet的“摩尔定律”：每六个月就能翻一番。据统计全球Internet用户约为3亿。而据CNNIC（中国互联网络信息中心）的2000年7月的统计，目前我国上网的计算机达到650万台，网民人数达到1690万。网站约有27289个，国际线路总带宽1234M。这些数字还在不断增加。

　　随着Internet的飞速发展，Internet使用的基本协议ip由于其简便性和易扩展性，也越来越被肯定和推广。以至于目前通信网络的发展出现了向IP靠拢的趋势，经常谈到的说法是“Everything over IP”和“IP over Everthing”，试图在所有的通信网络上使用IP协议。本文主要讨论的就是“IP over Satellite”－在卫星信道上传输Interent业务。

　　本文的结构如下：第一部分介绍卫星通信在Internet骨干网和接入网中的应用情况和一些已经投入使用的卫星Internet通信系统。第二部分析了TCP/IP协议的特点以及在卫星信道上传输效率低的原因，然后介绍了从链路层到传输层的各种解决方案和非标准TCP解决方案。第三部分简单介绍了即将投入使用的下一代卫星宽带多媒体网络。

　　一、卫星通信在Internet中的应用

　　卫星通信作为人类使用的一种重要的通信方式，在Internet的推广中发挥了不小的作用。与地面通信系统相比，卫星通信系统虽然有费用昂贵，延时较长等缺点，但也具有这样一些优点：覆盖面面广；传输速率较高，具有极佳的广播性能；传输不受地理条件的限制；组网灵活，网络建设速度快。

　　因此作为地面网络的补充，卫星通信对于地面网络不能到达的不发达地区（比如我国的边远地区、西部地区）来说是一种有效的通信方式，可以将Internet延伸到更广阔的范围。另外作为通信网络骨干网的通信方式，可以绕开地面电路的“瓶颈”。目前各国的ISP都面临着高额的光纤专线费用，采用卫星链路供公司或住宅用户访问Internet的业务较为经济。

　　1.在Internet骨干网的应用

　　Internet发源于美国，目前大部分的内容都存储在美国的服务器上。ISP们为了和Internet骨干网建立直接的连接，普遍采用了使用各个国际卫星通信组织的卫星链路连接到美国的方式。有数据指出，全球现在已经有11％的ISP依赖卫星信道。据统计，1999年Intelsat已经有15％的频道资源用于Internet业务，在亚洲的卫星下行Internet业务从1998年底的300Mbps增加到了1999年第一季度的600Mbps。1999年Intelsat还建立了南美洲第一条155Mbps的卫星Internet下行链路，从美国通往巴西、从巴西到美国的上行链路为34Mbps。表1是99年6月Intelsat在各地的Internet业务量统计。

　表2　Intelsat在各地的Internet业务统计（1999年6月）

北美－澳大利亚	复合4×45Mbps
北美－新西兰	不对称3×45:6Mbps
北美－中国	不对称2×45:8Mbps
北美－中国香港	复合5×45Mbps
北美－韩国	复合2×45Mbps 16QAM
北美－马来西亚	双工45Mbps
北美－新加坡	复合45Mbps
北美－中国台北	不对称2×45:8Mbps
北美－泰国	不对称4:2Mbps
太平洋群岛	共5Mbps

　　从表中可以看出，很多地区使用了不对称的卫星链路，这是因为Internet需求是不对称的。统计表明，约有80％的Internet业务是来自用户的Web浏览，该浏览采用TCP协议的HTTP（文本传递协议）。目前，在用户数不断增长的亚洲，许多Web内容来自美国。从美国发出的分组数据业务约是发入的4倍到8倍，因此亚洲的ISP需要来自美国的更多带宽，而去美国的路由则相对少得多。对于这种不平衡的Internet业务模式，亚洲的ISP在租用双工光纤线路时，有一个方面的业务就不会满载。这样，ISP要么购买小容量的线路，这样会发生拥塞；要么租用大容量的双向链路，但由于只有一个方向充分地利用，因而不经济。所以如何下载的频宽及速率尽量地大，而使用户“请求”信道的频宽尽量地少，始终是ISP关心的问题。当前卫星公司推出的不对称线路方案可使ISP根据其业务需求租用所需转发器的容量，广泛地受到ISP的欢迎。卫星Internet市场中的不对称卫星连接，其下行和上行业务量的比值约为8：1。

　　PanAmsat作为另一个重要的卫星组织，在提供Internet带宽方面当然不会甘居人后。它目前拥有21颗卫星，到1999年为止已经向澳大利亚、日本、韩国、新西兰、印尼、蒙古及我国台湾等提供了350Mbps的带宽。Newskies是一家跨国公司，目前拥有5颗卫星。Newskies提供的Ipsys服务使用DVB（数字视频广播）和SCPC（单路单载波）技术，为ISP提供到欧洲骨干网的直接连接。

　　中国目前有十大互联网，共有1234M之多的国际带宽，其中大部分使用的是卫星链路。CERNET（中国教育和科研计算机网）是由国家投资建设的第一个全国范围的计算机学术网络。目前的主干网速率部分已经达到155Mbps和2Gbps，1999年已经通达包括中国大陆31个省会在内的80余个城市，联网的大学和科研单位超过550个，用户达到220万人。CERNET的国际接口今年增加了到加拿大的45/8M的卫星信道，在国内使用了鑫诺的一个54MHz的转发器。拉萨、乌鲁木齐、银川、大连、长春、哈尔滨、沈阳和城市等城市都是通过卫星连接CERNET主干网的。

　　CHINANET（中国公用计算机互联网）是中国电信经营的中国公用Internet，是中国的Internet骨干网。目前CHINANET已经覆盖全国31个省市、自冶区，在北京、上海、广州三地建有高速出口带宽达711Mbps，其中大部分是通过国际通信卫星传输的。中国电信从1996年1月开始采用2Mbps国际卫星组织的卫星电路接入Internet。1998年底，开通了第一条非对称的，发8Mbps、收45Mbps的Internet卫星电路。到目前为止，已开通从2Mbps到45Mbps不同速率的卫星Internet电路20多条，总带宽约为250Mbps。

　　2.在Internet接入网中的应用

　　由于卫星通信本身的特点，它在大区域稀路由、无缝隙移动通信方面有其他通信方式无法比拟的优势。可以实现用户在任何时间、任何地点高速地从互联网获得信息。据统计，到1999年全球使用卫星Internet接入的用户达到300万。有人估计，到2005年卫星接入将占有美国10％的高速Internet接入市场，用户人数将达到300万。

　　目前国际、国内都有很多公司提供了卫星Internet接入业务。比如美国休斯公司开发的DirePC，它是休斯公司和美国马里兰大学共同开发的。现在，AOL（美国在线）也和休斯合作推广DirecPC这个产品。据统计，2000年全球使用业务的用户人数达到20万，其中美国用户人数为10万。并且在亚洲市场也有很大收获，据说在2001年日本的用户将达到100万。DierPC使用了IPIP隧道、“欺骗”（Spoofing）核心和选择连接等技术，与Internet连接的速度最高达到400kbps。它的客户端使用调制解调器连接卫星ISP，而且支持常用的TCP/IP软件。

　　另外在日本NTT（日本电信电话株式会社）推出了一种名为Megawave的业务。Megawave提供了基于卫星的本地环路业务，它采用标准的拨号Modem供用户接入到Internet，或把Internet与Intranet相连接。Megawave的多媒体业务综合了视频（MPEG-1或2）、音频及数据，采用45cm天线及组合在路由器里的接收器，可广泛用于公司局域网；居民用户可以通过电视机顶盒与之相连接，从而能通过卫星高速获得大量的数据文件和精致的图形Web内容。

　　美国的Tachyon公司利用卫星提供双向互联网服务-Tach.yon.net。在欧洲，Tach.yon公司利用欧洲电信2A卫星提供从爱尔兰到俄罗斯广大区域的卫星互联网服务；而在北美，Tach.yon的卫星互联网服务可覆盖从加拿大至波多黎各的广大区域。2000年底，Tach.yon公司把这一服务扩展至南美、东欧和澳大利亚。至2001年，Tach.yon计划实现在全球任何一点均可提供上网服务的目标。

　　Gilat是一家国际公司，它和Microsoft、Echostar等合作推出了一个名为StarBand的互联网接入服务。这个服务使用的是双向VSAT，能够提供下行40Mbps，上行153.6Kbps、上行56-100kbps的速率。目前使用了GE4卫星上的8个转发器，每个转发器可供两万个用户使用，到2002年初将增加到20-25个转发器。

　　二、TCP/IP协议在卫星通信中遇到的问题及解决方案

　　1.卫星信道和TCP/IP协议的特点

　　卫星信道具有以下特点：

　　（1）独特的覆盖能力和极佳的广播性能，卫星系统的无缝覆盖能力是任何其它通信系统都无可比拟的。三颗同步卫星能够覆盖除两极以外的全部地球。卫星通信系统不受地形地域的影响。它是能够提供可靠的、陆、空三维移动通信的唯一手段。

　　（2）构建广域网络的灵活性：利用卫星通信系统的广播特性、高功率密谋和灵活的多波速能力，以及未来的星上交换处理技术，可以拓扑结构复杂的广域网。

　　（3）可靠的抗灾性：地面有线通信系统都会受到洪震等自然灾害的影响，同时也容易被人为破坏。卫星系统在地面信道备份及应急通信方面的作用也相当重要。

　　（4）相当长的延时：同步卫星距离地面36000公里，信号从地面到卫星回到地面所需时间约为540ms。即使是低轨道卫星，信号一上一下的传输时间也在几十毫秒以上。

　　卫星信道的以上特点，使得它对于地面条件恶劣的偏远地区、西部通信不发达地区来说是一种重要而不可替代的通信方式。在大面积稀路由地区和移动无缝接入网络方面也有很好的应用前景。

　　TCP/IP协议是地面网中广泛采用的一种协议。它具有以下特点：

　　（1）应用范围广：TCP/IP是因特网的基本协议，它的应用不受传输速率和时延限制，能很好地适用于多种地面网；

　　（2）可靠的传输性能：TCP协议通过确认重传机制保证数据传输可靠的传输；

　　（3）支持广播发送方式；

　　（4）具有可扩展性。

　　因此在卫星链路中采用TCP/IP协议既有可行性，又使得卫星网能够与地面网，尤其是Internet网方便地互联，为天地互通提供了可能。

　　2 卫星信道上的TCP/IP性能分析

　　由于卫星信道具有长延时的特点，TCP/IP协议在卫星信道上实现时会遇到以下一些主要问题：

　　*信道的传输速率受限（对单用户而言）。

　　*TCP协议拥塞控制和流量恢复策略的性能降低。

　　下面分别加以说明。

　　（1）信道的传输速率受限

　　TCP协议使用确认应答方式进行数据传输，所以数据的传输性能不仅取决于信道传输速率，还与确认应答所需的往返时延有关。TCP协议中传输速率与数据往返时延（RTT-Round Trip Time数据从发送到接收到确认应答信息所经历时间）对传输性能的影响是通过数据管道来描述的。根据IAB（Internet活动委员会）制定的标准RFC1072（Request for comment 1072）中的定义：

　　数据管道＝传输速率×数据往返时延

　　数据管道的大小表明了传输中未被确认的总数据量。管道越大，对数据丢失的反应越慢，对拥塞越不敏感。数据管道中任何一个数据包的丢失都可能造成数据的大量重传，对流量产生灾难性的影响，这也就是TCP协议中的“管道效应”。信道速率超过105Gbits的数据管道一般称为“长粗管道（long,fat pipe）”。通过同步卫星信道，从发送端发出数据到接收端收到数据所需的单跳时延是270ms，它的传输延时远远大于地面信道的传输延时。目前卫星信道的传输速率可以到达64Mbps，甚至更高，这样卫星数据管道大小为64Mbps×560ms=35.84Mbps，已经到达10⁷bits的数量级。因此，卫星信道是一种典型的长粗管道。

　　“管道效应”的一个主要表现是TCP/IP协议的最大数据吞吐量（即最大传输速率）受到限制。按照TCP/IP协议的滑动窗口控制策略，最大传输带宽与信道的RTT和接收窗口有关。这可以从下面的公式得到：

　　最大数据吞吐量＝最大接收窗口/RTT

　　在TCP协议中最大接收宣传品窗口为64k字节，因此最大数据吞吐量取决全确认往返时延。同步卫星信道的双跳时延是560ms，因而，理论上，卫星信道中的最大数据吞吐量约为0.94Mbps。这也就是说，即使卫星信道的发送速率超过0.94Mbps，它实际的最大传输速率也被限制在0.94Mbps。

　　2）TCP协议拥塞控制和流量恢复策略的性能降低

　　“管道效应”的另一个表现是TCP协议拥塞控制和流量恢复策略性能降低。TCP协议的拥塞控制采用的是拥塞避免算法和慢启动算法相结合的机制。

　　1）慢启动算法

　　为了保证在开始一个新的连接或是拥塞结束后网络数据流量不会增加过快，TCP协议采用慢启动算法进行流量恢复。慢启动算法的具体策略是：

　　*在建立连接时设置慢启动门限（slow start threshold--sstrhresh）的初始值

　　*在开始新的连接或拥塞结束后，拥塞窗口的初始值为1（表示一个基本数据包）

　　*拥塞窗口按指数增加，即每连续正确发送了N个数据饭后中拥塞窗口值为2N，直到窗口增大到慢启动门限，按照上述慢启动算法，恢复到慢启动门限所需要的时间是：

　　slow start time=RTT×log₂W_t

　　其中RTT是传输往返时延，W_t是慢启动门限。

　　按照网络统计平均每个基本数据包长是512字节，慢启动门限初始值一般为64k字节，因为慢启动门限初始值（最大允许接收窗口，故在卫星信道中：）

　　最大接收窗口恢复时间≥560ms*(64*10³/512)=3.92s

　　在慢启动结束后，TCP连接进入拥塞规避阶段，使用拥塞避免算法。

　　2）拥塞避免算法的具体策略是：

　　*发现已发生拥塞就立即将允许发送窗口减半（但是允许发送窗口至少有2个基本数据包长）。如果拥塞是通过超时判定的，就将拥塞窗口值设为1。

　　*每收到一个确认应答就按照以下表达式增大拥塞窗口：

　　拥塞窗口增加量＝基本数据包×（基本数据包长/cwnd）

　　按照上述拥塞避免算法，拥塞窗口的增加是线性的，在长延时信道中恢复到最大发送窗口需要的时间很长。举例说明，假设网络最大拥塞窗口是128个数据包，如果发生数据包丢失，拥塞窗口减为64，在卫星信道中要想恢复到最大发送窗口，就必须连续正确接收到64个数据包，所需要的恢复时间是：64×560ms=35.84s，这在地面网中是难以接受的。

　　前面分别介绍了拥塞避免和慢启动算法。这两种算法在TCP拥塞控制策略中是配合使用的。

　　综上所述，为了提高卫星信道的吞吐量，提高传输性能和信道利用率，就必须对TCP协议进行改进。

摘自《卫星通信广播电视》2001.1-2

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