卫星通信与Internet的一些主要的解决方案

  随着Internet的飞速发展,Internet使用的基本协议IP由于其简便性和易扩展性,也越来越被肯定和推广。以至于目前通信网络的发展出现了向IP靠拢的趋势,经常谈到的说法是“Everything over IP”和“IP over Everthing”,试图在所有的通信网络上使用IP协议。本文主要讨论的就是“IP over Satellite”-在卫星信道上传输Interent业务。
  
  本文的结构如下:第一部分介绍卫星通信在Internet骨干网和接入网中的应用情况和一些已经投入使用的卫星Internet通信系统。第二部分析了TCP/IP协议的特点以及在卫星信道上传输效率低的原因,然后介绍了从链路层到传输层的各种解决方案和非标准TCP解决方案。第三部分简单介绍了即将投入使用的下一代卫星宽带多媒体网络。
  
  一、卫星通信在Internet中的应用
  卫星通信作为人类使用的一种重要的通信方式,在Internet的推广中发挥了不小的作用。与地面通信系统相比,卫星通信系统虽然有费用昂贵,延时较长等缺点,但也具有这样一些优点:覆盖面面广;传输速率较高,具有极佳的广播性能;传输不受地理条件的限制;组网灵活,网络建设速度快。
  
  因此作为地面网络的补充,卫星通信对于地面网络不能到达的不发达地区(比如我国的边远地区、西部地区)来说是一种有效的通信方式,可以将Internet延伸到更广阔的范围。另外作为通信网络骨干网的通信方式,可以绕开地面电路的“瓶颈”。目前各国的ISP都面临着高额的光纤专线费用,采用卫星链路供公司或住宅用户访问Internet的业务较为经济。
  
  1.在Internet骨干网的应用
  
  Internet发源于美国,目前大部分的内容都存储在美国的服务器上。ISP们为了和Internet骨干网建立直接的连接,普遍采用了使用各个国际卫星通信组织的卫星链路连接到美国的方式。有数据指出,全球现在已经有11%的ISP依赖卫星信道。据统计,1999年Intelsat已经有15%的频道资源用于Internet业务,在亚洲的卫星下行Internet业务从1998年底的300Mbps增加到了1999年第一季度的600Mbps。1999年Intelsat还建立了南美洲第一条155Mbps的卫星Internet下行链路,从美国通往巴西、从巴西到美国的上行链路为34Mbps。表1是99年6月Intelsat在各地的Internet业务量统计。
  
  表2 Intelsat在各地的Internet业务统计(1999年6月)
  
  北美-澳大利亚 复合4×45Mbps
  北美-新西兰 不对称3×45:6Mbps
  北美-中国 不对称2×45:8Mbps
  北美-中国香港 复合5×45Mbps
  北美-韩国 复合2×45Mbps 16QAM
  北美-马来西亚 双工45Mbps
  北美-新加坡 复合45Mbps
  北美-中国台北 不对称2×45:8Mbps
  北美-泰国 不对称4:2Mbps
  太平洋群岛 共5Mbps
  从表中可以看出,很多地区使用了不对称的卫星链路,这是因为Internet需求是不对称的。统计表明,约有80%的Internet业务是来自用户的Web浏览,该浏览采用TCP协议的HTTP(文本传递协议)。目前,在用户数不断增长的亚洲,许多Web内容来自美国。从美国发出的分组数据业务约是发入的4倍到8倍,因此亚洲的ISP需要来自美国的更多带宽,而去美国的路由则相对少得多。对于这种不平衡的Internet业务模式,亚洲的ISP在租用双工光纤线路时,有一个方面的业务就不会满载。这样,ISP要么购买小容量的线路,这样会发生拥塞;要么租用大容量的双向链路,但由于只有一个方向充分地利用,因而不经济。所以如何下载的频宽及速率尽量地大,而使用户“请求”信道的频宽尽量地少,始终是ISP关心的问题。当前卫星公司推出的不对称线路方案可使ISP根据其业务需求租用所需转发器的容量,广泛地受到ISP的欢迎。卫星Internet市场中的不对称卫星连接,其下行和上行业务量的比值约为8:1。
  
  PanAmsat作为另一个重要的卫星组织,在提供Internet带宽方面当然不会甘居人后。它目前拥有21颗卫星,到1999年为止已经向澳大利亚、日本、韩国、新西兰、印尼、蒙古及我国台湾等提供了350Mbps的带宽。Newskies是一家跨国公司,目前拥有5颗卫星。Newskies提供的Ipsys服务使用DVB(数字视频广播)和SCPC(单路单载波)技术,为ISP提供到欧洲骨干网的直接连接。
  
  中国目前有十大互联网,共有1234M之多的国际带宽,其中大部分使用的是卫星链路。CERNET(中国教育和科研计算机网)是由国家投资建设的第一个全国范围的计算机学术网络。目前的主干网速率部分已经达到155Mbps和2Gbps,1999年已经通达包括中国大陆31个省会在内的80余个城市,联网的大学和科研单位超过550个,用户达到220万人。CERNET的国际接口今年增加了到加拿大的45/8M的卫星信道,在国内使用了鑫诺的一个54MHz的转发器。拉萨、乌鲁木齐、银川、大连、长春、哈尔滨、沈阳和城市等城市都是通过卫星连接CERNET主干网的。
  
  CHINANET(中国公用计算机互联网)是中国电信经营的中国公用Internet,是中国的Internet骨干网。目前CHINANET已经覆盖全国31个省市、自冶区,在北京、上海、广州三地建有高速出口带宽达711Mbps,其中大部分是通过国际通信卫星传输的。中国电信从1996年1月开始采用2Mbps国际卫星组织的卫星电路接入Internet。1998年底,开通了第一条非对称的,发8Mbps、收45Mbps的Internet卫星电路。到目前为止,已开通从2Mbps到45Mbps不同速率的卫星Internet电路20多条,总带宽约为250Mbps。
  
  2.在Internet接入网中的应用
  
  由于卫星通信本身的特点,它在大区域稀路由、无缝隙移动通信方面有其他通信方式无法比拟的优势。可以实现用户在任何时间、任何地点高速地从互联网获得信息。据统计,到1999年全球使用卫星Internet接入的用户达到300万。有人估计,到2005年卫星接入将占有美国10%的高速Internet接入市场,用户人数将达到300万。
  
  目前国际、国内都有很多公司提供了卫星Internet接入业务。比如美国休斯公司开发的DirePC,它是休斯公司和美国马里兰大学共同开发的。现在,AOL(美国在线)也和休斯合作推广DirecPC这个产品。据统计,2000年全球使用业务的用户人数达到20万,其中美国用户人数为10万。并且在亚洲市场也有很大收获,据说在2001年日本的用户将达到100万。DierPC使用了IPIP隧道、“欺骗”(Spoofing)核心和选择连接等技术,与Internet连接的速度最高达到400kbps。它的客户端使用调制解调器连接卫星ISP,而且支持常用的TCP/IP软件。
  
  另外在日本NTT(日本电信电话株式会社)推出了一种名为Megawave的业务。Megawave提供了基于卫星的本地环路业务,它采用标准的拨号Modem供用户接入到Internet,或把Internet与Intranet相连接。Megawave的多媒体业务综合了视频(MPEG-1或2)、音频及数据,采用45cm天线及组合在路由器里的接收器,可广泛用于公司局域网;居民用户可以通过电视机顶盒与之相连接,从而能通过卫星高速获得大量的数据文件和精致的图形Web内容。
  
  美国的Tachyon公司利用卫星提供双向互联网服务-Tach.yon.net。在欧洲,Tach.yon公司利用欧洲电信2A卫星提供从爱尔兰到俄罗斯广大区域的卫星互联网服务;而在北美,Tach.yon的卫星互联网服务可覆盖从加拿大至波多黎各的广大区域。2000年底,Tach.yon公司把这一服务扩展至南美、东欧和澳大利亚。至2001年,Tach.yon计划实现在全球任何一点均可提供上网服务的目标。
  
  Gilat是一家国际公司,它和Microsoft、Echostar等合作推出了一个名为StarBand的互联网接入服务。这个服务使用的是双向VSAT,能够提供下行40Mbps,上行153.6Kbps、上行56-100kbps的速率。目前使用了GE4卫星上的8个转发器,每个转发器可供两万个用户使用,到2002年初将增加到20-25个转发器。
  
  二、TCP/IP协议在卫星通信中遇到的问题及解决方案
  1.卫星信道和TCP/IP协议的特点
  
  卫星信道具有以下特点:
  
  (1)独特的覆盖能力和极佳的广播性能,卫星系统的无缝覆盖能力是任何其它通信系统都无可比拟的。三颗同步卫星能够覆盖除两极以外的全部地球。卫星通信系统不受地形地域的影响。它是能够提供可靠的、陆、空三维移动通信的唯一手段。
  
  (2)构建广域网络的灵活性:利用卫星通信系统的广播特性、高功率密谋和灵活的多波速能力,以及未来的星上交换处理技术,可以拓扑结构复杂的广域网。
  
  (3)可靠的抗灾性:地面有线通信系统都会受到洪震等自然灾害的影响,同时也容易被人为破坏。卫星系统在地面信道备份及应急通信方面的作用也相当重要。
  
  (4)相当长的延时:同步卫星距离地面36000公里,信号从地面到卫星回到地面所需时间约为540ms。即使是低轨道卫星,信号一上一下的传输时间也在几十毫秒以上。
  
  卫星信道的以上特点,使得它对于地面条件恶劣的偏远地区、西部通信不发达地区来说是一种重要而不可替代的通信方式。在大面积稀路由地区和移动无缝接入网络方面也有很好的应用前景。
  
  TCP/IP协议是地面网中广泛采用的一种协议。它具有以下特点:
  
  (1)应用范围广:TCP/IP是因特网的基本协议,它的应用不受传输速率和时延限制,能很好地适用于多种地面网;
  
  (2)可靠的传输性能:TCP协议通过确认重传机制保证数据传输可靠的传输;
  
  (3)支持广播发送方式;
  
  (4)具有可扩展性。
  
  因此在卫星链路中采用TCP/IP协议既有可行性,又使得卫星网能够与地面网,尤其是Internet网方便地互联,为天地互通提供了可能。
  
  2 卫星信道上的TCP/IP性能分析
  
  由于卫星信道具有长延时的特点,TCP/IP协议在卫星信道上实现时会遇到以下一些主要问题:
  
  *信道的传输速率受限(对单用户而言)。
  
  *TCP协议拥塞控制和流