第七章 卫星宽带通信系统

t RTT 高速恢复 快速重传 拥塞避免
端到端解决方法之三：TCP-Peach 的改进
TCP-Peach＋： 利用跳跃启动算法（Jump Start）和急速恢复 (Quick Recovery)取代TCP-Peach中的突发启动 和高速恢复算法。 利用携带未确认信息的NIL报文段代替虚报文段
端到端解决方法之一： TCP增强技术
增大初始窗口 慢启动时间＝RTT（long2Wmax-log2Winit）
字节计数 拥塞窗口的增加数量由每个确认所覆盖的先前未确认的字节数目来 决定，而不由确认的数目决定的。这样就使得拥塞窗口的增加与己 正确传输的数据量相关而不依赖于接收端确认的间隔。 字节计数能够较快的增加拥塞窗口，减少拥塞窗口增加到卫星信道 所需的时间
链路的不对成性对TCP协议性能的影响
前向链路－TCP连接中发送端到接收端的链路；反
向链路－接收端到发送端的链路 卫星网络中，前向链路的有效带宽远大于反向链路 的带宽。 卫星链路的不对称性对TCP性能的影响：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：
优点：能够保持窗口大小平衡，并有一定抗误码 能力 缺点：在不对称信道中性能不理想

端到端解决方法之三：TCP-Peach
拥塞控制方案
突发启动 Sudden_ Start()
拥塞避免 Congestion_ Avoidance() 高速恢复 Rapid_Recovery() 超时？ 快速重传 Fast_Retransmit() 是 不是
端到端解决方法之二：TCP Vegas

基本思想：以传输速率来衡量网络中是否发生拥 塞 方法：
1. 2.
测量对应于一个窗口的数据包的往返时延RTT,计算传 输速率Vm＝CWND/RTT。 与基本传输速率Vb比较（Vb＝CWND/RTTb）： 当Vm<Vb时，有拥塞或有可能发生拥塞，减小 CWND。 当Vm≈Vb，能够达到基本速率，维持CWND不变
选择性确认（SACK）
接收端告诉发送端所有接收成功的数据段序列号，从而
使发送端只重发那些确实丢失的数据段. 已成为TCP协议扩展的一部分
显式拥塞通告（ECN） 发生拥塞时，将IP包头中1比特ECN域设置为1来通知终 端节点，终端节点减小其传输速率 可以区分报文丢失是由拥塞引起或误码引起 需要重新设计TCP/IP中部分协议，并修改INTERNET中 所有路由器
是
接收到n个 重复确认
图- TCP-Peach的拥塞控制方案
端到端解决方法之三：TCP-Peach (续1)
虚报文段 用于探查有效网络资源。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。对接收端而言，虚报文段不包 含任何新的信息。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。 突发启动算法 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，每隔时间发送（RWND -1）个虚报文段。 结果是，在一个RTT后，拥塞窗口CWND的增加很快。
7.3 卫星TCP技术
7.3.1 TCP协议概况
7.3.2 卫星网络中TCP存在的问题 7.3.3 改善卫星TCP性能的方法
7.3.1 TCP协议概况
TCP协议：IP协议之上，面向连接，可靠的端到端
数据传输协议 实现可靠传输的机制：
流量控制：滑动窗口协议
拥塞控制：包括慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢
968.75 4843.75 10656.25
低轨（RTT=50ms） 中轨（RTT=250ms） 静止轨道（RTT=550ms）
高误码率对TCP协议性能的影响
传输差错造成的丢包必须重传，因此增加网
络资源的消耗 TCP发送端将差错造成的丢包理解为拥塞， 因而降低传输速率。使网络资源利用率下降 反向链路上的确认包丢失导致已接收报文的 超时重传，降低协议的吞吐率
Sudden_Start() CWND = 1 ; τ = RTT/RWND ; send(Data_Segment) ; for (i=1 to RWND-1) wait(τ) ; send(Dummy_Segment) ; end; end.
80 TCP-Peach TCP-Reno
CWND(报文段)
复等一系列算法 差错控制：包括信息确认、超时重传等一系列方法
不同的TCP版本（TCP Reno、TCP Vegas、TCP-
Peach，SCPS-TP等）主要是拥塞控制和差错控制 方法不同
流量控制的主要方法－滑动窗口
接收端公告窗口 可用窗口 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
••••••
发送的数据流变得更具突发性；
降低拥塞窗口CWND的增长速度； 快速恢复机制的效率降低。
7.3.3改善卫星TCP性能的方法
端到端的解决方法 TCP增强技术 √ TCP Vegas √ TCP-Peach √ SCPS-TP √ STP 基于中间件的解决方法（非端到端） TCP分裂法 √ TCP欺骗法 √
拥塞控制机制
拥塞如何产生：
数据流量超过路由器的处理能力 超时重传加剧拥塞
拥塞的后果－丢包
但是丢包不一定都是由拥塞引起的
不同的TCP版本采用不同的拥塞控制机制
基本方法：控制发送方滑动窗口的大小按一定条
件变化
TCP标准拥塞控制方案（ TCP Reno ）
组成： 慢启动算法 拥塞避免算法 快速重传和快速恢 复算法
快速包交换 微波交换矩阵 基带交换 微波交换矩阵 ＋ 卫星交换时分 多址
90 23 29
M-star
Q/V
12个轨道平面，6卫星/轨道平面， 轨道高度1350公里，倾角47º
约3.6
微波链 路
64
7.2 卫星宽带通信系统结构
卫星宽带通信系统的功能： 作为接入网，为用户或用户群提供高速INTELNET接入 作为骨干传输网，连接不同地理区域运营商
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
发送端一次最多只能发送窗口内的那些数据包
只能等到窗口内的部分数据包（本例4，5，6）被确认接收
以后，才能发送窗口后边的数据包（即窗口边界向右滑动） 窗口大小在发送中允许变化 窗口可由发送方主动产生，也可由接收方公告，实际使用时 按一定算法选择
卫星通信导论
第七章 卫星宽带通信和互联网业务
内容提要




7.1 引言 √ 7.2 卫星宽带通信网络结构 √ 7.3 卫星TCP技术 √ 7.4 卫星IP技术 7.5 卫星宽带通信系统实例
7.1 引言
通信业务的增长导致通信网络的宽带化
卫星通信系统的宽带化发展
系统名称 工作频 段 Ku 系统卫星和轨道特征 20个轨道平面，4卫星/轨道平面， 1469公里轨道，53º 倾角 1个赤道平面，8颗卫星，轨道高度 15000公里； 2个倾斜轨道平面，7卫星/轨道平 面， 15000公里轨道，45º 倾角 15个轨道平面，1卫星/轨道平面， 轨道偏心率0.66， 远地点高度27300公里，63.4º 倾角 24个轨道平面，12卫星/轨道平面， 轨道高度1375公里，倾角84.7º 静止轨道，8颗卫星 静止轨道和中轨，4＋20 覆盖范围 70º 预计系统容 量* （Gb/s） 215 星际链 路 无 星上交换 投资（亿 美元） 40

表7.3 不同轨道类型、不同带宽情况下的带宽延时积
带宽 BDP（KB）
128Kbps
0.8 4 8.8
244Kbps
1.525 7.625 16.775
1Mbps
6.25 31.25 68.75
2Mbps
12.5 62.5 137.5
45Mbps
281.25 1406.25 3093.75
155Mbps
大带宽延时积对TCP协议性能的影响
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 （ BDP ） BDP说明了一个TCP链路在一个RTT内的最大吞吐量（即发端在收到返 回的确认信息前所能发送的最大数据量） ：连接容量＝带宽（速率） ×RTT 实际的发送量还受到发送窗口的限制。一般BDP>发送窗口 由于RTT较大，因此卫星链路的连接容量很大，为充分利用给定带宽资 源，应当使发端窗口足够大
表7.2 不同轨道类型、确认方式和传输速率时慢启动过程持续时间
tSS（s） 轨道类 型 低轨 中轨 静止轨 道 每报文段确认 B=1Mbp s 0.18 1.49 3.91 B=10Mb ps 0.35 2.32 5.73 B=155M bps 0.55 3.31 7.91 B=1Mbps 0.28 2.37 6.29 延迟确认 B=10Mb ps 0.56 3.79 9.41 B=155M bps 0.90 5.48 13.13
60 40 20 0 1
2
3
4
5
t(RTT)
6
7
8
端到端解决方法之三：TCP-Peach (续2)
高速恢复算法 高速恢复阶段，发送端将发送窗口设置为CWND0/2,重发丢失的数据 报文段和虚报文段，当接收到重发的数据报文段的确认信号后，高 速恢复阶段结束。
传输nDummy个虚报文段 丢失 数据 报文 段的 重传 虚报 文段 传输 #1 虚报 文段 传输 #2 重传 数据 报文 段的 确认 虚报 文段 #1的 确认 虚报 文段 #2的 确认
慢启动
拥塞避免 快速恢复 超时？ 快速重传 是 否 接收到n个 重复确认 是
算法中的三个窗口： CWND：拥塞窗口 RWND：接收方公 告窗口 SSTHRESH：慢启 动门限