宽带卫星通信卫星宽带通信系统
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4
卫星宽带通信系统结构
卫星宽带通信系统的主要功能
►为用户或用户群提供Internet骨干网络的高速接入 ► 作为骨干传输网络，连接不同地理区域的Internet网络营运商
► 为了独立于地面网络，多数卫星宽带通信系统将使用微波或 激光星际链路实现系统的卫星互联，构成空间骨干传输网络
► 由于卫星链路的传输损耗大，在高传输速率情况下，要求用 户使用具有较大口径的接收和发射天线。因此，短时间内卫 星宽带系统将无法支持手持终端的移动中高速通信。
► 如果连续收到3个或3个以上的重复确认，就认为是 一个报文段丢失了，此时无需等待定时器的溢出，立 即重传丢失的数据报文段，这就是快速重传算法 ► 快速重传之后，接下来执行的不是慢启动算法而是 拥塞避免算法，这就是快速恢复算法
18
卫星TCP技术 续10
慢启动-拥塞避免算法中CWND变化示意图
70
12
卫星TCP技术 续4
慢启动算法
► 是在一个新建立或恢复的TCP连接上发起数据流的方法 ► 当1个TCP连接建立后，CWND被初始化为1个最大报文段长 度MSS，发送一个最大报文段长度的数据；在收到确认信号， CWND增加为2个最大报文段长度大小；当两个报文段得到确 认后，CWND增加为4个最大报文段长度大小，以此类推。当 CWND增大到SSTHRESH时，慢启动结束，进入拥塞避免阶段 ► 慢启动过程中，CWND的大小按指数增长
••••••
发出并已确认
发出但未确认
可立即发送
窗口滑动前无法发送
10
卫星TCP技术 续2
拥塞控制机制
► TCP拥塞控制策略是在20世 纪80年代后期由Van Jacobson 提出 ► TCP的拥塞控制机制随TCP 协议版本的不同而不同，在目 前常见的TCP-Reno中，拥塞 控制机制由慢启动算法、拥塞 避免算法、快速重传和快速恢 复算法构成
► 对于接收端，由于不知道一个重复确认是由一个丢失的报文 段引起的，还是由于仅仅出现了几个报文段的重新排序，因 此需要等待少量重复确认到来 ► 假如只是一些报文段的重新排序，则在重新排序的报文段被 处理并产生一个新的确认之前，只可能产生1 ~ 2个重复确认
17
卫星TCP技术 续9
重复确认机制下的拥塞控制
► 使用滑动窗口协议来实现端对端流量控制 ► 使用慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复算法来完成拥 塞控制 ► 使用确认信息包、定时器和重传机制来实现差错控制
9
卫星TCP技术 续1
滑动窗口协议
► 接收端公告窗口即是发送滑动窗口，是接收端通告 发送端的窗口大小数值
接收端公告窗口 可用窗口 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
卫星宽带通信系统
2
引言
随着人类社会对信息需求的不断增长，对 Internet网络依赖性的不断提高，Internet业务 和宽带综合业务已经逐步取代传统的低速话音 和数据通信，成为通信网络中的主要业务
Internet业务和宽带综合业务也自然地成为了卫 星通信当前迅速发展的应用领域
3
引言
续1
15
卫星TCP技术 续7
超时机制下的拥塞控制
► 发送端在发送报文段后启动重传定时器，如果定时 器溢出时还没有收到确认，发送端就重传该数据报文 段，并将SSTHRESH重新设置为当前CWND值的一半， 重启慢启动过程
16
卫星TCP技术 续8
重复确认机制下的拥塞控制
► 接收端在接收到失序的报文段后，将立即产生一个重复确认 DACK
快速恢复
慢启动
拥塞避免
超时？ 快速重传 是 否 接收到n个 重复确认
是
11
卫星TCP技术 续3
拥塞控制机制
► 拥塞控制中，TCP发送端维护3个状态变量：拥塞窗口 CWND、接收端公告窗口RWND和慢启动门限SSTHRESH
► CWND用于保证发送端不会使得网络超载
► RWND用于保证发送端不会使得接收缓冲器溢出 ► TCP发送端可以发送的数据量是CWND和RWND的最小值 ► CWND、 RWND和SSTHRESH的均是以字节为单位计量， SSTHRESH一般在TCP连接建立时初始化为65535字节
Internet骨干网
7
卫星宽带通信系统结构 续3
卫星宽带骨干传输系统结构
系统 信关站 ISP
系统 信关站 ISP
Internet骨干网
Internet骨干网
8
卫星TCP技术
TCP协议概况
► 面向连接的、端对端、进程对进程的可靠传输协议，为用户 提供字节流传输服务
► 基于不可靠的IP服务来提供可靠的数据传输，采用了端对端 流量控制、拥塞控制和差错控制机制来保证服务的可靠性
5
卫星宽带通信系统结构 续1
交互式卫星宽带接入系统结构
直接接入用户 系统 信关站 用户站 ISP
LAN
用户群
Internet骨干网
6
卫星宽带通信系统结构 续2
非对称卫星宽带接入系统结构
高速前向链路 系统 信关站 ISP
高速前向链路 系统 信关站 ISP
低速反向链路
地面网络 低速反向链路
Internet骨干网 (a) (b)
13
卫星TCP技术 续5
拥塞避免算法
► 在拥塞避免阶段，发送端的CWND在每个往返程时 间RTT内增加一个最大报文段长度，因此CWND按线 性规律增长
14
卫星TCP技术 续6
报文段丢失的指示机制
► 当网络拥塞发生时，就会丢失报文段 ► 有两种报文段丢失的指示方法：发生超时和接收到重复确认 （DACK） ► 超时机制是发送端主观判断网络拥塞的方法，而重复确认则 是发送端根据接收端的指示判断报文段丢失的方法 ► 超时和重复确认所引起的拥塞控制行为是完全不一样的
超时
60Fra Baidu bibliotek
临界值
拥塞窗口CWND（KB）
50 40 30 20 10 0 0 5 10
临界值 临界值 超时
15 20 25 归一化时间（RTT）
30
35
19
卫星TCP技术 续11
卫星网络中TCP存在的问题
西欧卫星转发器数目的供求情况
转发器需求量 1995 业务 传统语音和数据 Internet中继 Internet接入 电视和视频 177 0 0 527 1997 223 0 0.4 528 1999 298 17.1 9.9 585 2004 204 147 13 964 2009 163 200 143 1207
卫星宽带通信系统结构
卫星宽带通信系统的主要功能
►为用户或用户群提供Internet骨干网络的高速接入 ► 作为骨干传输网络，连接不同地理区域的Internet网络营运商
► 为了独立于地面网络，多数卫星宽带通信系统将使用微波或 激光星际链路实现系统的卫星互联，构成空间骨干传输网络
► 由于卫星链路的传输损耗大，在高传输速率情况下，要求用 户使用具有较大口径的接收和发射天线。因此，短时间内卫 星宽带系统将无法支持手持终端的移动中高速通信。
► 如果连续收到3个或3个以上的重复确认，就认为是 一个报文段丢失了，此时无需等待定时器的溢出，立 即重传丢失的数据报文段，这就是快速重传算法 ► 快速重传之后，接下来执行的不是慢启动算法而是 拥塞避免算法，这就是快速恢复算法
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卫星TCP技术 续10
慢启动-拥塞避免算法中CWND变化示意图
70
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卫星TCP技术 续4
慢启动算法
► 是在一个新建立或恢复的TCP连接上发起数据流的方法 ► 当1个TCP连接建立后，CWND被初始化为1个最大报文段长 度MSS，发送一个最大报文段长度的数据；在收到确认信号， CWND增加为2个最大报文段长度大小；当两个报文段得到确 认后，CWND增加为4个最大报文段长度大小，以此类推。当 CWND增大到SSTHRESH时，慢启动结束，进入拥塞避免阶段 ► 慢启动过程中，CWND的大小按指数增长
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发出并已确认
发出但未确认
可立即发送
窗口滑动前无法发送
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卫星TCP技术 续2
拥塞控制机制
► TCP拥塞控制策略是在20世 纪80年代后期由Van Jacobson 提出 ► TCP的拥塞控制机制随TCP 协议版本的不同而不同，在目 前常见的TCP-Reno中，拥塞 控制机制由慢启动算法、拥塞 避免算法、快速重传和快速恢 复算法构成
► 对于接收端，由于不知道一个重复确认是由一个丢失的报文 段引起的，还是由于仅仅出现了几个报文段的重新排序，因 此需要等待少量重复确认到来 ► 假如只是一些报文段的重新排序，则在重新排序的报文段被 处理并产生一个新的确认之前，只可能产生1 ~ 2个重复确认
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卫星TCP技术 续9
重复确认机制下的拥塞控制
► 使用滑动窗口协议来实现端对端流量控制 ► 使用慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复算法来完成拥 塞控制 ► 使用确认信息包、定时器和重传机制来实现差错控制
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卫星TCP技术 续1
滑动窗口协议
► 接收端公告窗口即是发送滑动窗口，是接收端通告 发送端的窗口大小数值
接收端公告窗口 可用窗口 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
卫星宽带通信系统
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引言
随着人类社会对信息需求的不断增长，对 Internet网络依赖性的不断提高，Internet业务 和宽带综合业务已经逐步取代传统的低速话音 和数据通信，成为通信网络中的主要业务
Internet业务和宽带综合业务也自然地成为了卫 星通信当前迅速发展的应用领域
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引言
续1
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卫星TCP技术 续7
超时机制下的拥塞控制
► 发送端在发送报文段后启动重传定时器，如果定时 器溢出时还没有收到确认，发送端就重传该数据报文 段，并将SSTHRESH重新设置为当前CWND值的一半， 重启慢启动过程
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卫星TCP技术 续8
重复确认机制下的拥塞控制
► 接收端在接收到失序的报文段后，将立即产生一个重复确认 DACK
快速恢复
慢启动
拥塞避免
超时？ 快速重传 是 否 接收到n个 重复确认
是
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卫星TCP技术 续3
拥塞控制机制
► 拥塞控制中，TCP发送端维护3个状态变量：拥塞窗口 CWND、接收端公告窗口RWND和慢启动门限SSTHRESH
► CWND用于保证发送端不会使得网络超载
► RWND用于保证发送端不会使得接收缓冲器溢出 ► TCP发送端可以发送的数据量是CWND和RWND的最小值 ► CWND、 RWND和SSTHRESH的均是以字节为单位计量， SSTHRESH一般在TCP连接建立时初始化为65535字节
Internet骨干网
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卫星宽带通信系统结构 续3
卫星宽带骨干传输系统结构
系统 信关站 ISP
系统 信关站 ISP
Internet骨干网
Internet骨干网
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卫星TCP技术
TCP协议概况
► 面向连接的、端对端、进程对进程的可靠传输协议，为用户 提供字节流传输服务
► 基于不可靠的IP服务来提供可靠的数据传输，采用了端对端 流量控制、拥塞控制和差错控制机制来保证服务的可靠性
5
卫星宽带通信系统结构 续1
交互式卫星宽带接入系统结构
直接接入用户 系统 信关站 用户站 ISP
LAN
用户群
Internet骨干网
6
卫星宽带通信系统结构 续2
非对称卫星宽带接入系统结构
高速前向链路 系统 信关站 ISP
高速前向链路 系统 信关站 ISP
低速反向链路
地面网络 低速反向链路
Internet骨干网 (a) (b)
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卫星TCP技术 续5
拥塞避免算法
► 在拥塞避免阶段，发送端的CWND在每个往返程时 间RTT内增加一个最大报文段长度，因此CWND按线 性规律增长
14
卫星TCP技术 续6
报文段丢失的指示机制
► 当网络拥塞发生时，就会丢失报文段 ► 有两种报文段丢失的指示方法：发生超时和接收到重复确认 （DACK） ► 超时机制是发送端主观判断网络拥塞的方法，而重复确认则 是发送端根据接收端的指示判断报文段丢失的方法 ► 超时和重复确认所引起的拥塞控制行为是完全不一样的
超时
60Fra Baidu bibliotek
临界值
拥塞窗口CWND（KB）
50 40 30 20 10 0 0 5 10
临界值 临界值 超时
15 20 25 归一化时间（RTT）
30
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卫星TCP技术 续11
卫星网络中TCP存在的问题
西欧卫星转发器数目的供求情况
转发器需求量 1995 业务 传统语音和数据 Internet中继 Internet接入 电视和视频 177 0 0 527 1997 223 0 0.4 528 1999 298 17.1 9.9 585 2004 204 147 13 964 2009 163 200 143 1207