利用GEO卫星接入因特网

李昌猷（信息产业部北京邮电设计学院，北京 100035）

　　摘要： 阐述了利用对地静止轨道GEO卫星链路接入因特网的特点，介绍了目前为解决卫星链路时延长带来的问题所采用的一些方法。

　　关键词： 环回时间；窗口尺寸；多播；欺骗技术；SkyX网关

　　文章编号(Article ID)：1009-9336(2001)05-00 -

　　中图分类号(CLC number)：TN927.2

　　文献标识码(Document code)：A

　　1 前言

　　因特网上网用户数量在急剧增加，其应用范畴正在向交互式多媒体方向快速发展,为此,需要宽带传输系统予以支撑。当前，开发大容量宽带光纤网络平台并解决好最后一公里的问题，已成为IT业界研发的热点。与此同时,鉴于卫星通信具有广播特性,以及卫星链路具有建设快且费用低的优点，利用宽带卫星链路接入因特网（IP over satellite）的业务也在迅速发展中。目前，已在运营的一些GEO卫星通信系统可以提供高达45 Mbit/s的下行数据流(downstream),有的系统还可提供30 Mbit/s双向(上行和下行)数据流。一些正在发展中的天空因特网(Internet in the sky)将有可能提供速率更高的双向数据流。

　　 本文简单讨论利用GEO卫星链路接入因特网的特点和好处，并介绍了为克服GEO卫星链路时延长的困难所采取的对策。

　　2 利用GEO卫星接入因特网的特点和好处

　　在目前还没有良好的地面通信基础设施的地方，诸如边远地区、山村、海岛等，卫星通信链路可以充当接入因特网的主角。在这些地区建立卫星链路，既便宜又方便。在某些发达国家或地区，即使其地面基础设施已十分充足，且带宽足够使用，利用卫星链路作为地面系统的补充或应急备用，仍然是必要的。

　　许多因特网用户受限于当地 ISP提供的话音等级拨号接入，带宽只有56 kbit/s,要想得到更高的数据速率，费用相当可观。利用价廉的卫星VSAT装在屋顶，对提高数据速率十分方便。

　　卫星可为ISP 提供直接的数据传输基础结构，传输可以是双向对称的或不对称的。可方便地改变传输速率，一般可以从128 kbit/s或256 kbit/s开始，必要时可加倍、再加倍。

　　利用卫星链路接入，可以旁路因特网瓶颈，避免拥塞。用户在链路上进行点击，向远方服务器查寻资料，其信息量是以 Byte计算的；反之，当所查寻的图形、网页、文件或音频/视频信息流由远端发送给查寻者及其浏览器时，其信息量将以kByte（Kb）甚至Mbyte(MB)计。大信息流的增长很容易使网络拥塞，形成瓶颈。网络层次和连接次数的增加也是产生瓶颈的重要因素。据统计，每个万维网超链路（Web hyperlink）点击加上随后的网页、文件等下载，所通过的路径总数平均多达18个。路由层次多不仅容易使网络拥塞，且每次连接都须付出成本和处理时间。利用GEO卫星链路可以最大限度地旁路地面基础结构中易于拥塞的路由，并能尽可能地减少通过的网络层次。

　　在现代因特网应用中，往往是一个内容要求同时发往几个或多个接收者，这种应用一般称为多址播发或多播（multicasting）。多播业务大约占因特网总业务量的30%。地面系统多播的老办法是一个一个地重复发送，直到发完为止。这种处理方法，效率自然很低，发送短消息尚可接受，如果发送大文件，将大大浪费信道带宽和各种相关设备的处理时间。较新的多播技术是将多播信息通过路由器构成的传递树来传输。这种传输协议较晚时才加进IPv4中，目前一些网上路由器还不能支持。还有一种称为隧道 (tunneling) 的技术能把特定的局部地区联接起来进行多播。但是，在地面网络中能同时参加多播的接收者数量仍然受到 一定限制。相比之下，利用GEO 卫星进行多播则效果很好。在卫星覆盖范围内，任何地址都可以接收卫星数据。建立起卫星星际链路（ISL）系统可能将同一信息数据发往全球。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投资的很小部分。

　　3 卫星链路不适应TCP

　　因特网采用包交换技术，文件信息被分成相当小的小段来传输，使数据流运行处于最佳化。每个信息包都按照内装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直保持最新，使信息包可以准确地达到目的地。路由器利用因特网协议（IP）完成信息包传输。有时，信息包可能丢失或无限期延迟，这个问题由传输控制协议（TCP）解决。TCP是一个用在文件查询者与发送文件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，还有使信息包在目的终端重新排序的机制。等待确认信息包需要一定的时间，一般称为环回时间（round trip time），它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，并经发端处理完确认信息包所经历的全部时间。

　　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计算机不致发送过快，以至收端计算机无法接收。窗口尺寸规范发端在它得到收端返回许可它发送更多比特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采用了一种所谓慢启动机制，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，待收到确认信号后，发送两个信息包。继而陆续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。这种办法是，文件越小，有效通过量越小。

　　TCP用于时延短、BER低的光纤或路径较短损耗低的电缆等地面链路时，效果很好，而用于卫星链路，则数据有效通过量将受到很大影响。

　　卫星链路传输时延长、BER高，影响到TCP的一些基础问题，包括避免拥塞的算法、数据确认机制和窗口尺寸限制等。

　　GEO卫星单向传输时延在230~270ms之间，环回时延(round trip delay)长达540ms,约比地面链路上WAN的等待时间（latency）大一个数量级。卫星BER高，还会引起信息包频繁重传，进一步降低信道的有效通过量。如果采用双向卫星链路传输，前向（查寻）信道也将受到影响。

　　为了避免网络可能因为拥塞而瘫痪，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 会把其等待时间长和 BER 误解为拥塞，从而采取同样的办法来处理。此外，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所用的简单渐进式数据确认机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，接收机恒定地在收到数据后向发端回送确认信息。如果有一个信息包丢失或损伤，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、差错率高的卫星系统效果不佳。再者，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，回送的确认信息也有可能使系统出现瓶颈。

　　TCP利用滑动窗口机制来限制数据的流量。当窗口占满时，发端在收到新的确认信息之前暂停发送。在卫星网络上，确认信息来得迟缓，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-时延之积）为100kB （按T1卫星链路而言）和675kB（按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64kB；而许多普通工作系统则使用仅为8kB的窄窗口，这就不管数据弯管带宽的大小而大大限制了卫星链路的吞吐速率。

　　4 克服卫星链路不适应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（spoofing）技术的方法，用来防止长时间等待或避免重发信息包。其具体办法是让收端适时回送假的确认信号，使发端错认为是在等待时间短的链路上传输。例如Linkway/Link One、Direc PC、Spotbytes、Cyberstar等系统，都采用了电子欺骗技术。遗憾的是，这种方法基本上改变了TCP 通信的初衷，有可能破坏数据的传输。再者，欺骗技术不与IP保密协议IPSec兼容。下一代因特网协议 IPv6要使用的IPSec认证也不能在欺骗技术中使用。

　　另有一种解决卫星链路不适应TCP的方法是配置特殊的专用协议，局部地置换TCP,而不对TCP/IP做任何修改。例如，SkyX就是一种用在卫星链路上，透明置换TCP，适应卫星传输条件的专用协议。图1示出了用SkyX协议构成的网关接续情况。SkyX网关从卫星链路两端切断TCP连接，改换成适用于卫星传输的SkyX协议。SkyX把单一完整的TCP连接分割为三段：用户机与SkyX网关之间的一段为TCP连接，两个SkyX网关之间的卫星链路段利用SkyX协议连接，对端SkyX网关与服务器之间的一段又恢复为TCP连接。这是让卫星段使用适合卫星条件的协议，而两侧的地面段仍然使用标准的TCP。TCP防止拥塞的机制在地面接续部分仍予保留，保证所通过的网络稳定。两个SkyX网关彼此间使用控制数据，使卫星对端的网关形成源端的一个代理(proxy)，从而保持全部TCP的可靠性和端到端TCP的初衷。这种结构大大改善了数据传输的性能，而对终端用户保持完全透明，并完全与因特网的基础结构兼容。用户机或服务器都不需要改动，所有应用功能均能继续正常运行。

　　SkyX网关系统大大提高卫星接入时所有各种因特网应用的性能。在一个同时有50个Web连接的典型10Mbit/s卫星链路上测量的结果表明：当采用SkyX网关时，网络的综合通过量为7.7Mbit/s,而不用SkyX网关时，仅为2.7Mbit/s。在下载较大文件时，二者之间的差别尤其明显。当50个连接中有一个连接是传送5MB文件时，如果使用SkyX网关下载此文件，仅需15s，而不用SkyX网关则需358s。

　　5 结束语

　　目前，有些卫星公通信司提供双向宽带卫星链路，如 Linkway/LinkOne 、Spotbytes等系统；另有一些卫星通信公司仅提供宽带下行数据流（downstream），如 DirecPC 、 Skysurfer Pro等系统。这些宽带系统大多使用Ku频段，少数使用了Ka 频段。有些系统采用新技术把Hub置于卫星上，以便发展对时延敏感的业务。国际卫星组织（Intelsat）已为中国电信建立了一对直接接人因特网主干网的卫星双向链路，上行数据流(upstream)8Mbit/s,下行数据流(downstream) 45Mbit/s。利用卫星链路进行远程教学或手术示范，效果良好，受到重视。利用卫星系统建设或扩建Intranet 费时短、投资少、经常费用省，利于企业、公司、社团等机构自建WAN。

　　 今后几年内，Teledesic、Skybridge、Spaceway等采用LEO或GEO星座构成的宽带天空因特网将有可能相继出现。它们有的将使用更高的频段，提供更宽的带宽。它们的技术性能和经济效益虽然目前还难以预测，但已引起国内卫星业界特别关注。

摘自《电信建设》