利用对地静止轨道卫星扩展因特网

利用对地静止轨道卫星扩展因特网（李昌猷） 摘要介绍了利用卫星链路接入因特网的优缺点，说明了因特网的TCP/ip协议在卫星条件下使用并 不 是最合适，并简要介绍了解决办法。 关键词 IP over Satellite多播 环回时间 窗口尺寸 1 利用卫星链路接入因特网的优点 （1）避免拥塞，旁路瓶颈 因特网的急剧发展，使网络中信息流通的拥塞程度加重。在国际间，因特网的连接按指数律 增 长。因特网内容的80％存在于美国的计算机网络中。因此，国际间的国特网业务是极不对称的，典 型比值在4：1－8：1之间，而且随着万维网多媒体业务的激增，这个比值还可能增大。在链路上 进 行点击，向远方的服务器查询资料，其信息量是以byte计的；反之，当所查询的图形网页、文件 或 音频／视频信息流由远端发送给查询者及其浏览器时，其信息量将以kbyte甚至Mbyte计。大信息 流 的增长十分容易使网络拥塞，形成瓶颈。 网络层次和连接次数的增加也是引发瓶颈的一个重要因素。在因特网上，一个典型的数据 包， 从源头到达目的地，要通过许多路由来传送。每个万维网超链路（Webhyperlink）点击加上随后 的 网页下载，据统计，所通过的全部路由总数平均多达18个。数据传输通过的路由层次多，不仅容易 使用路拥塞，而且每次连接都需要付出成本和处理时间。 利用对地静止轨道（GEO）卫星可以最大限度地旁路地面基础结构中易于拥塞的路由，尽可能 地减少通过的网络层次。 （2）卫星链路利于IP多播 传统的因特网应用，诸如网际浏览和电子函件，都是在一个发进器和一个接收器之间运作。 在 现代因特网的应用中，往往是一个内容要求同时发送给一组接收者，当前，同一信息需要同时传送 给多个地址的业务大约占固特网总业务量的30％。 为了避免这些新应用促发的网络拥塞，要求团特网在业务处理方面发展新的技术，IP多播 （multi－casting）就是其新发展的技术之一。在传统的地面网络中，这种多播的信息是通过路 由器构成的所谓传递树传送的。这种传输协议较晚时才加进IPV4中，目前网上许多路由器还不能 支持。还有一种称为隧道（tunneling）的技术能把特定的局部地区连接起来进行多址播发。因 此， 在地面网络上能同时参加多址播发的接收站址数量仍然受到一定的限制。 相比之下，利用 GEO卫星进行多址播发业务则既便利又效率高。只要是在卫星覆盖范围之 内， 任何地址都可以使用适当调谐的接收设备接收卫星数据。如果建立起星际链路，则可能将同一信 息数据传往全球。现代接收卫星下行线的小型天线和接收机都相当便宜，一个WAN可以很快地利用 卫星系统扩大，而所需费用仅为利用地面线路时的投资的很小一部分。 （3）其它用途和优点 利用GEO卫星连接和扩展因特网，除旁路拥塞和便于多播外，还有其它许多优点和用途。 *一些发展中国家或地区，包括某些边远乡村、矿区、海岛等，目前还没有或缺少良好的地面 通信基础设施。在这些国家和地区，卫星链路能并且有的已在充当接入因特网的主角。这种情况 还会持续下去，因为在这些地区建设卫星链路较之建设地面链路既方便又便宜。 *某些发达国家或地区，即使其他面基础设施已十分充足，而且带宽也足够使用，利用卫星链 路作为其地面系统的补充或应急备用必然是需要的。 *许多因特网用户受限于当地ISP提供的话音等级拨号接入方式，这些线路的带宽只能达到 56kbit／S。要想使用更快的数据速率，费用会非常高。利用价廉的卫星小站，直接装在用户屋 顶，提高数据速率十分方便。 *拨号人同常会遇到什音，因为ISP为厂降低投资，其调制解调器库大都不够大。其结果是， 有些用户担心上网不易，往往占着线路不肯轻易下网，从而增大因特网拥塞可能性。如果在因特 网与ISP或大社团客房之间，建立经济可靠的卫星链路，则大客户可将节省下来的投资改用于购 置更多的拨号链路调制解调器。 *卫星河为ISP提供直接的数据传输基础结构。传输可以是双向不对称的，也可以是单向（前 向用户查询信息去地面链路，反向的大信息量传输走卫星链路）。卫星链路的传输速率改变方便， 一般可以从128kbit／s或256kbit／s开始，必要时再加倍。 2 TCP对卫星传输的影响 （1）TCP/IP 各个ISP接入因特网的人口，并在各网络交换中心彼此连接起来，网络交换中心又常称为网 络接人点。各个运营NAP的管理机构，分别向所接入的ISP收取费用。国特网采用包交换接人，把 文件信息分成相当小的小段来传输，使数据流运行处于最佳化。典型网络由通信链路和路由器组 成。每个信息包都按照装人其内的目的地址在网上寻找路由。同时，通过路由协议使信息包内的 信息表一一直保持最新，从而信息包可以准确到达目的地。路由器利用因特网协议（IP）十分成 功地传送信息包。有时信息、包可能丢失或无限期的延迟，这个问题由TCP解决。TCP是一个用在 文件查询者与发送文件的服务器之间的端到端的协议。TCP采用确认包的办法重发丢失的或出现 差错的信息包。TCP还有使信息包在日的终端重新排序的机制。 在TCP流量控制中使用了一个称为窗口尺寸（window size）的参数。流量控制的目的是保证 发端的计算机不致于发送过快以致收端计算机无法接应。窗口尺寸规范发端，在它得到收端发回 许可它发送更多比特的许叶信号之前，可以发出的最大比特数量。许可信号内装在TCP确认包之 中。 TCP采用了一种“慢启动”机制，限制文件开始发送时的传输速率。传输开始时，先发送一 个信息包，待收到确认信息后，发送两个信息包。继而加倍发送信息包的数量，直到受到窗口尺 寸或信息容量的限制为止。慢启动降低了传送新文件时使网络中的电路的路由器一时不知所措的 可能性。但是，文件越小，有效通过量越小。 TCP用于光缆或路径比较短的低损耗电缆构成的地面链路时，效果良好，而用于时延长、BER 高的卫星链路，则数据的有效通过量会受到很大影响。 （2）GEO卫星键路的特点 GEO卫星单向传输时间在230－270ms之间，大大增加了数据传输的环回时延（round triP detay）。环回时延指的是由发端向收端发出信息包，经过收端对信息包处理后送回确认信息包， 直到发端处理完确认信息包所经历的全部时间。GEO卫星链路的环回时延大约比地面链路上的WAN 传输大一个数量级。 卫星链路传输损耗大，易受天气影响，也容易受干扰，因此其比特差错率（BER）远较地面 链路为高。BER高时信息包将频繁重传，势必大大降低信道的有效通过量。如果采用双向卫星链 路传输，前向（查询）信道也会受到影响。 卫星链路传输环回时延长、BER高，这将影响到TCP结构的一些基础问题，包括避免拥塞的算 法、数据确认的机投影和窗口尺寸的限制等。 （3）TCP制约卫星传输 为了避免网络可能因拥塞而瘫痪，TCP假定所有数据丢失都缘于拥塞，从而用降低传输速率 的办法来处理。然而，在卫星链路上，TCP会把其长环回时间和比特差错误解为拥塞，从而采取 不适当的处理办法。同样，TCP的“慢启动”算法用在卫星链路上时，每次新的连接都会强加一 个过分长的启动时间。显然，这些避免拥塞的机制不太适合于点对点的卫星链路。 TCP所用的简单渐进式的数据确认制不能很好地适用于等待时间长或带宽高度不对称的情况。 为了提供可靠的数据传输，TCP接收机恒定地对接收到的数据向发送端回送确认信息。如果有一 个信息包丢失或受损，TCP将从第一个丢失的信息包开始重传所有的数据。这种机制用在环回时 间长、差错率高的卫星网络上效果不好。再则恒定的确认信息流还会浪费宝贵的前向查询信道 带宽。如果查询信道带宽窄，回送的确认信息还有可能该系统出现瓶颈。 TCP利用滑动窗口机制来限制数据的流量。当窗口占满时，发送端在收到新的确认信号之前 暂停发送。在卫星网络上，确认信号回来得迟缓，TCP的窗口尺寸一般按最大吞吐速率作出硬限 制。为了充分利用无差错链路，所需的最小窗口尺寸（即带宽与时延之积）为一100kbit/s（就 TI卫星链路而言）和675kbit／S（对10Mbit／S卫星链路而言）。如果有比特差错，还需进一步 增大窗口尺寸。但是，大多数TCP实际使用的最大窗口尺寸限定为64kbit/s；而许多普通的卫作 系统则使用仅8kbit/s的窄窗口，这就大大限制了卫星链路的最大吞吐速率。 （4）克服卫星传输不适应TCP的方法 为了解决时延长的卫星链路对TCP不适应的问题，许多卫星供应商采用了一种称为电子欺骗 （SPooling）的技术，用来防止时间等待或避免重发信息包。目前，有一些厂家生产了一些用 于卫星链路一的网关设备，在克服卫星点时延不适应TCP的问题方面，取得良好效果。 3 后记 大量利用GEO卫星链路接人因特网主干网始于90年代中期。一些卫星公司提供双向卫星链路； 另有一些卫星公司提供单向反向卫星链路。当然，因特网已成为信息产业中的一个热点，因此 许多GEO卫星公司和IP over Satellite服务公司热心于开发此项业务的势头不减。近来，国际 卫星组织（Intelsat）正在为中国电信（China Telecm）建立一条直接因特网主干网的卫星双 向链路，使用的卫星是 Intelsat 177°E的702号星，前向链路8Mbit/s，反向链路45Mbit/s， 租期5年。 Teledesic等 LEO星座以及GEO和MEO卫星相结合的宽带大空因特阿将在以后几年内陆续出 现， 它们的技术经济性能目前还难以预测。那时的因特网会是什么样子也很难设想。 地面上的因特网还在急剧发展，现有的GEO卫星系统可以其高速率、高效率、多址播发的特 点助上一臂之力。 摘自《电信工程技术与标准化》