卫星宽带通信系统资料讲解
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第六章 卫星宽带通信系统
1
第六章概要
▪ 6.1 系统体系结构 ▪ 6.2 卫星网络中的TCP协议
2
6.1 系统体系结构
▪ 交互式卫星宽带接入系统
直接接入用户
LAN
用户群
用户站
系统 信关站
ISP
Internet骨干网
3
6.1系统体系结构 续1
▪ 非对称式卫星宽带接入系统
高速前向链路
地面网络 低速反向链路
号空间能够允许的最大传输速率仅为286 Mb/s
13
6.2 卫星网络中的TCP协议 续8
▪ TCP的吞吐量问题：TCP传输窗口
➢ 发送窗口的用途是允许TCP接收端控制发送端的发 送数据量
➢ 标准的TCP窗口大小不超过64KB，因为TCP包头中 的窗口尺寸域的大小为16bit，这将TCP的有效带宽 限制为216字节除以路径的往返程延时RTT
16
6.2 卫星网络中的TCP协议 续11
▪ TCP在卫星网络中的问题：长延时
➢ TCP发送端根据接收端的确认来进行速率调整、拥 塞避免和差错回复
➢ 慢启动时间
tS SR T T (1 lo g 2B R T T/l) 每 报 文 段 确 认 tS SR T T (1 lo g 1 .5B R T T/l) 延 迟 确 认
➢ 对于采用GEO卫星的具有长延时的链路，使得最大 的传输速率不超过1Mb/s
14
6.2 卫星网络中的TCP协议 续9
▪ TCP的吞吐量问题： 慢启动
➢ TCP协议采用慢启动算法来探测传输路径的有效带 宽资源
➢ 在高速网络中，慢启动算法存在两方面的问题： ✓传输速度的增加可能需要较长的时间 ✓数据包的丢失被解释为拥塞指示
是 超时？
否
是
接收到n个
重复确认
8
6.2 卫星网络中的TCP协议 续3
▪ TCP拥塞控制算法
70 60
ssthresh
timeout
50
CWND（KB）
40
timeout
30
ssthresh
20 10
ssthresh
00
5
10 15
20
25
30
35
9
RTT
6.2 卫星网络中的TCP协议 续4
▪ TCP差错控制
6
6.2 卫星网络中的TCP协议 续1
▪ TCP流控：滑动窗口机制
接收端公告窗口 可用窗口
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 •••••• 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
7
6.2 卫星网络中的TCP协议 续2
▪ TCP拥塞控制算法
慢启动
拥塞避免
快速恢复 快速重传
➢ 是TCP/IP协议簇中主要的传输协议 ➢ 在IP协议提供的不可靠数据报传输服务的基础上，
提供可靠的端对端比特流传输服务
➢ 为提供可靠的传输服务，TCP协议还完成流控和拥 塞控制，以保证发端的传输数据速率与接收端的接 收能力、以及网络中传输路径带宽的一致性
➢ 一个链路中可能存在多个性问题
16-bit Urgent Pointer
TCP Options
Data
11
6.2 卫星网络中的TCP协议 续6
▪ TCP的吞吐量问题
➢ TCP吞吐量决定了大多数应用能够以多快的速率通 过网络进行数据传输
➢ 没有正式的TCP性能标准，专家通常期望：当发送 较大的数据报(以减小TCP和IP包头的开销)时，一 个TCP连接能够充分利用有效的路径带宽(有效性)， 并能够和其它用户分享带宽资源(公平性)
LEO (RTT=50 ms)
0.18
0.35
0.55 0.28
MEO (RTT=250 ms)
1.49
2.32
3.31 2.37
GEO (RTT=550 ms)
3.91
5.73
7.91 6.29
B= 10Mbps
0.56
3.79
9.41
B= 155Mbps
0.90
5.48
13.13
18
6.2 卫星网络中的TCP协议 续13
➢ 差错控制是可靠传输协议的主要组成部分，包括差 错检测和差错恢复
➢ TCP协议采用确认包、计时器和重传来实现差错控 制
➢ 滑动窗口机制与流控、拥塞控制和差错控制存在密 切的联系，因此容易受到网络中的包差错和由拥塞 导致的包丢失的影响
10
6.2 卫星网络中的TCP协议 续5
▪ TCP包头
Source Port
(a)
系统 信关站
ISP
Internet骨干网
高速前向链路 低速反向链路
(b)
系统 信关站
ISP
Internet骨干网
4
6.1系统体系结构 续2
▪ 卫星宽带骨干传输系统
系统 信关站
系统 信关站
ISP
Internet骨干网
ISP
Internet骨干网
5
6.2 卫星网络中的TCP协议
▪ TCP协议特性
15
6.2 卫星网络中的TCP协议 续10
▪ 卫星TCP
➢ TCP协议最初是针对有线网络设计的，传输延时和 误码率都很低
➢ 因此，确认机制被用于端对端的流控、拥塞控制和 误差控制
➢ 假设所有的报文段的丢失都是有网络拥塞造成的。 因此，在每收到一个报文段丢失的指示后，发送端 都会降低其发送速率。在报文段的丢失是由链路差 错引起的情况下，会导致不必要的吞吐率降低
▪ TCP在卫星网络中的问题：大带宽延时积
Destination Port
32-bit Sequence Number
32-bit Acknowledgment Number
4-bit Header Length
Reserved (6 bits)
Connection Falgs
16-bit Windows Size
16-bit TCP Checksum
式中，B为比特速率，RTT为往返程延时，l是以比 特为单位计量平均包长度
17
6.2 卫星网络中的TCP协议 续12
▪ TCP在卫星网络中的问题：长延时
➢ LEO、MEO和GEO卫星的慢启动持续时间
tSS（s）
卫星类型
每报文段确认
延迟确认
B=
B=
B=
B=
1Mbps 10Mbps 155Mbps 1Mbps
12
6.2 卫星网络中的TCP协议 续7
▪ TCP的吞吐量问题：TCP序号
➢ TCP协议通过为每个发送字节分配一个唯一的序号， 来跟踪传输中的所有数据
➢ 接收端通过发送确认(ACK)包来确认接收到的数据， 确认包指示接收接收端已经收到的最大字节序号
➢ TCP协议采用一个32比特的环回式序号空间 ➢ IP数据报的最大生存期为2分钟，因此32比特的序
1
第六章概要
▪ 6.1 系统体系结构 ▪ 6.2 卫星网络中的TCP协议
2
6.1 系统体系结构
▪ 交互式卫星宽带接入系统
直接接入用户
LAN
用户群
用户站
系统 信关站
ISP
Internet骨干网
3
6.1系统体系结构 续1
▪ 非对称式卫星宽带接入系统
高速前向链路
地面网络 低速反向链路
号空间能够允许的最大传输速率仅为286 Mb/s
13
6.2 卫星网络中的TCP协议 续8
▪ TCP的吞吐量问题：TCP传输窗口
➢ 发送窗口的用途是允许TCP接收端控制发送端的发 送数据量
➢ 标准的TCP窗口大小不超过64KB，因为TCP包头中 的窗口尺寸域的大小为16bit，这将TCP的有效带宽 限制为216字节除以路径的往返程延时RTT
16
6.2 卫星网络中的TCP协议 续11
▪ TCP在卫星网络中的问题：长延时
➢ TCP发送端根据接收端的确认来进行速率调整、拥 塞避免和差错回复
➢ 慢启动时间
tS SR T T (1 lo g 2B R T T/l) 每 报 文 段 确 认 tS SR T T (1 lo g 1 .5B R T T/l) 延 迟 确 认
➢ 对于采用GEO卫星的具有长延时的链路，使得最大 的传输速率不超过1Mb/s
14
6.2 卫星网络中的TCP协议 续9
▪ TCP的吞吐量问题： 慢启动
➢ TCP协议采用慢启动算法来探测传输路径的有效带 宽资源
➢ 在高速网络中，慢启动算法存在两方面的问题： ✓传输速度的增加可能需要较长的时间 ✓数据包的丢失被解释为拥塞指示
是 超时？
否
是
接收到n个
重复确认
8
6.2 卫星网络中的TCP协议 续3
▪ TCP拥塞控制算法
70 60
ssthresh
timeout
50
CWND（KB）
40
timeout
30
ssthresh
20 10
ssthresh
00
5
10 15
20
25
30
35
9
RTT
6.2 卫星网络中的TCP协议 续4
▪ TCP差错控制
6
6.2 卫星网络中的TCP协议 续1
▪ TCP流控：滑动窗口机制
接收端公告窗口 可用窗口
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 •••••• 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
7
6.2 卫星网络中的TCP协议 续2
▪ TCP拥塞控制算法
慢启动
拥塞避免
快速恢复 快速重传
➢ 是TCP/IP协议簇中主要的传输协议 ➢ 在IP协议提供的不可靠数据报传输服务的基础上，
提供可靠的端对端比特流传输服务
➢ 为提供可靠的传输服务，TCP协议还完成流控和拥 塞控制，以保证发端的传输数据速率与接收端的接 收能力、以及网络中传输路径带宽的一致性
➢ 一个链路中可能存在多个性问题
16-bit Urgent Pointer
TCP Options
Data
11
6.2 卫星网络中的TCP协议 续6
▪ TCP的吞吐量问题
➢ TCP吞吐量决定了大多数应用能够以多快的速率通 过网络进行数据传输
➢ 没有正式的TCP性能标准，专家通常期望：当发送 较大的数据报(以减小TCP和IP包头的开销)时，一 个TCP连接能够充分利用有效的路径带宽(有效性)， 并能够和其它用户分享带宽资源(公平性)
LEO (RTT=50 ms)
0.18
0.35
0.55 0.28
MEO (RTT=250 ms)
1.49
2.32
3.31 2.37
GEO (RTT=550 ms)
3.91
5.73
7.91 6.29
B= 10Mbps
0.56
3.79
9.41
B= 155Mbps
0.90
5.48
13.13
18
6.2 卫星网络中的TCP协议 续13
➢ 差错控制是可靠传输协议的主要组成部分，包括差 错检测和差错恢复
➢ TCP协议采用确认包、计时器和重传来实现差错控 制
➢ 滑动窗口机制与流控、拥塞控制和差错控制存在密 切的联系，因此容易受到网络中的包差错和由拥塞 导致的包丢失的影响
10
6.2 卫星网络中的TCP协议 续5
▪ TCP包头
Source Port
(a)
系统 信关站
ISP
Internet骨干网
高速前向链路 低速反向链路
(b)
系统 信关站
ISP
Internet骨干网
4
6.1系统体系结构 续2
▪ 卫星宽带骨干传输系统
系统 信关站
系统 信关站
ISP
Internet骨干网
ISP
Internet骨干网
5
6.2 卫星网络中的TCP协议
▪ TCP协议特性
15
6.2 卫星网络中的TCP协议 续10
▪ 卫星TCP
➢ TCP协议最初是针对有线网络设计的，传输延时和 误码率都很低
➢ 因此，确认机制被用于端对端的流控、拥塞控制和 误差控制
➢ 假设所有的报文段的丢失都是有网络拥塞造成的。 因此，在每收到一个报文段丢失的指示后，发送端 都会降低其发送速率。在报文段的丢失是由链路差 错引起的情况下，会导致不必要的吞吐率降低
▪ TCP在卫星网络中的问题：大带宽延时积
Destination Port
32-bit Sequence Number
32-bit Acknowledgment Number
4-bit Header Length
Reserved (6 bits)
Connection Falgs
16-bit Windows Size
16-bit TCP Checksum
式中，B为比特速率，RTT为往返程延时，l是以比 特为单位计量平均包长度
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6.2 卫星网络中的TCP协议 续12
▪ TCP在卫星网络中的问题：长延时
➢ LEO、MEO和GEO卫星的慢启动持续时间
tSS（s）
卫星类型
每报文段确认
延迟确认
B=
B=
B=
B=
1Mbps 10Mbps 155Mbps 1Mbps
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6.2 卫星网络中的TCP协议 续7
▪ TCP的吞吐量问题：TCP序号
➢ TCP协议通过为每个发送字节分配一个唯一的序号， 来跟踪传输中的所有数据
➢ 接收端通过发送确认(ACK)包来确认接收到的数据， 确认包指示接收接收端已经收到的最大字节序号
➢ TCP协议采用一个32比特的环回式序号空间 ➢ IP数据报的最大生存期为2分钟，因此32比特的序