衛星通信上的QoS分析
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關(guān)鍵詞 衛星通信 區分服務(wù) 資源預留協(xié)議 CRED
1、衛星系統概述
GEO系統的衛星位于地球赤道上35786km附近的地球同步赤道上，所以其單向傳輸時(shí)延在230-270ms之間，往返時(shí)延(round trIP delay)長(cháng)達540ms，約比地面鏈路上WAN的等待時(shí)間(latency)大一個(gè)數量級。衛星鏈路的長(cháng)時(shí)延增大了TCP端到端的時(shí)延，導致確認信息的延緩。這種緩慢的反饋會(huì )減弱流量控制，降低了避免擁塞的性能，并會(huì )影響吞吐量。這樣就會(huì )造成大量的數據包停留在衛星通信管道上，增加了包丟失概率，從而引起網(wǎng)絡(luò )的擁塞[1]。
鏈路容易受到不同因素的影響(如干擾、衰落、陰影效應和雨衰)，因此會(huì )有很高的比特差錯率(BER)。大約為1O-6數量級，這遠遠高于高速有線(xiàn)媒質(zhì)(如光纖).高誤碼率嚴重削弱了衛星信道可靠傳輸數據的性能，這是因為T(mén)CP是一個(gè)使用分組丟失來(lái)控制傳輸行為的丟失敏感協(xié)議，它無(wú)法區分由于傳輸錯誤造成的數據包錯誤還是由于擁塞造成的數據包丟失，對這兩種都無(wú)法確認，而被解釋成網(wǎng)絡(luò )擁塞的標志。當接收到一個(gè)損壞的數據包，即使沒(méi)有擁塞發(fā)生，窗口的大小隨即變?yōu)樵瓉?lái)的一半，這就使得吞吐量大大減小。
許多衛星系統在前向和反向數據信道間有較大的帶寬不對稱(chēng)性。從衛星到地面的前向鏈路遠大于反向鏈路?？梢灾?，多個(gè)終端通過(guò)共享窄帶上行鏈路實(shí)現與衛星的連接，這就可能導致?lián)砣?。在大多數時(shí)間里上行鏈路傳輸的是純粹的ACK．而TCP是“self clocking”：即。源端在接收到對應已發(fā)數據的ACK之后發(fā)送新的數據，這樣源端發(fā)送的新數據的速率和另一端返回的ACK的速率相匹配?？梢岳斫鉃樯闲墟溌返腁CK流速率控制著(zhù)下行鏈路的吞吐量。在非對稱(chēng)行鏈路上會(huì )出現下列問(wèn)題：1)由于擁塞窗口的增加依靠ACK，因此，ACK的速率越低，擁塞窗口的增加就越慢，這就降低了慢啟動(dòng)和擁塞避免的性能；2)由于反向信道的限制，可能使得ACK包出現擁塞和丟失，這也會(huì )導致吞吐量的降低。
不對稱(chēng)比率(返回路徑容量與前向路徑容量之比)大于A(yíng)CK包尺寸于數據包尺寸之比時(shí),反向鏈路較前向鏈路先達到容量值，從而造成擁塞,限制了前向鏈路的帶寬利用。這時(shí)會(huì )出現擁塞情況，造成ACK的延遲和導致不必要的重傳。
2、服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)
現有的互聯(lián)網(wǎng)所提供的是“盡量做好”best-effort的服務(wù)在這種服務(wù)模型下所有的業(yè)務(wù)流被“一視同仁”地公平地競爭網(wǎng)絡(luò )資源。網(wǎng)絡(luò )只需盡快的完成服務(wù)，而對業(yè)務(wù)的可靠性、延遲等不能提供任何保證，隨著(zhù)IP技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，IP網(wǎng)正在從當初單純傳送數據向可傳送數據、語(yǔ)音、活動(dòng)/靜止圖像的多媒體網(wǎng)絡(luò )轉變。我們可以把傳輸的業(yè)務(wù)分成兩類(lèi)：實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是指需要端到端的服務(wù)保證，對資源的持續要求較高的媒體流傳輸業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)對帶寬、延遲、延遲抖動(dòng)都有特殊要求。主要包括語(yǔ)音、視頻傳輸等；非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是指那些對傳輸時(shí)延要求較低、只需盡量將數據包發(fā)送到目的地的業(yè)務(wù)，內容包括Email、Ftp、Web瀏覽等。
我們關(guān)注的就是這些業(yè)務(wù)在衛星通信網(wǎng)傳輸之前，如何根據它們的特性將它們區分。以便區別的傳送。這就是QoS解決方案，QoS研究目標是如何有效的為用戶(hù)提供端到端的服務(wù)質(zhì)量和保證。它無(wú)法創(chuàng )造帶寬，只是根據需求和網(wǎng)絡(luò )狀況來(lái)管理帶寬。具體可以量化為傳輸延遲、抖動(dòng)、丟包率、帶寬要求、吞吐量、業(yè)務(wù)可用性等指標。為了解決QoS問(wèn)題，IETF提出了下面幾種服務(wù)模型和機制：集成服務(wù)和資源預留協(xié)議(IntServ/RSVP)、區分服務(wù)(DiffServ)、和多協(xié)議標簽交換(Multiprotocol label switching，MPLS)，本文主要討論資源預留協(xié)議和區分服務(wù)在衛星鏈路上的應用。
2.1 資源預留協(xié)議(Resource reservation protocol)
Intserv/RSVP服務(wù)模型在RFC1633中進(jìn)行了定義,其基本思想就是在傳送數據之前，根據業(yè)務(wù)的QoS需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )資源預留，從而為該數據流提供端到端的QoS保證，資源預留協(xié)議是核心部分。它是一種信令協(xié)議，用來(lái)通知網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)預留資源，如果資源預留失敗，RSVP協(xié)議會(huì )向主機返回拒絕消息。使用RSVP信令建立數據發(fā)送路徑為業(yè)務(wù)流預留資源的過(guò)程為：在傳輸數據之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個(gè)對所傳輸業(yè)務(wù)流業(yè)務(wù)描述的PATH消息，它包括了數據包的目的地址和業(yè)務(wù)特征和和業(yè)務(wù)規格(所需的帶寬上下限、延遲、抖動(dòng)等)。PATH消息在網(wǎng)絡(luò )連接的每個(gè)路由器上依次傳送。這樣就建立了一個(gè)路徑軟狀態(tài)。當接收端接收到一個(gè)PATH消息后，它將根據業(yè)務(wù)特點(diǎn)和QoS來(lái)計算出所需的資源，并且沿相反路徑發(fā)送一個(gè)資源預留請求RESV消息，中間路由器在接受到RESV消息后，調用程序來(lái)決定是否接收該業(yè)務(wù)流。如果接受，就會(huì )分配相應的帶寬和緩沖空間并記錄該流的相關(guān)狀態(tài)消息，然后繼續上傳該RESV消息。如果拒絕，則向接收端返回錯誤信息使接收端終止呼叫。最后的路由器接受到RESV消息并接受該請求時(shí)，它向接收端發(fā)回一個(gè)ACK。則在整個(gè)鏈路上逐點(diǎn)建立了業(yè)務(wù)流的資源預留軟狀態(tài)(soft state)。
2.2 區分服務(wù)(differentiated services)
區分服務(wù)的思想就是將用戶(hù)的數據流按照服務(wù)質(zhì)量要求來(lái)劃分等級，在網(wǎng)絡(luò )出現擁塞的時(shí)候，級別高的數據流在排隊和占用資源時(shí)后擁有更高的優(yōu)先權[3]。
實(shí)際上，區分服務(wù)提供了一種在一個(gè)子網(wǎng)絡(luò )域內實(shí)施QoS的框架結構。當業(yè)務(wù)流到達域的邊界路由器時(shí)，邊界節點(diǎn)根據用戶(hù)的流規格、和用戶(hù)與Internet服務(wù)供應商簽訂的服務(wù)等級協(xié)定SLA(service 1evel agreement)對到達的業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類(lèi)、整形、標記、聚合為不同的流聚集。將流聚集信息寫(xiě)在IP包頭中的區分服務(wù)標記域中(DS field)即：DSCP(differ code point)。每種DSCP對應一種“逐跳行為”(Per-hop-behavior，PHB)，這里的PHB本質(zhì)上是一種相對優(yōu)先級機制，其描述單個(gè)節點(diǎn)為特定流資源分配資源的方式。目前已定義的PHB有加速性轉發(fā)(Expedited forwarding)、確保型轉發(fā)(assured forwarding)、缺省型BE(best effort)、兼容ip優(yōu)先級的類(lèi)選擇型CS(Class selector)。
核心路由器在調度IP包時(shí)以流聚集為服務(wù)對象。根據IP包頭的DSCP，具有相同的DSCP的業(yè)務(wù)流組成宏流。核心路由器中保存簡(jiǎn)單的DSCP和PHB機制。不同的DSCP提供不同的轉發(fā)服務(wù)質(zhì)量。
目前,區分服務(wù)提供下面幾種服務(wù)類(lèi)型：
1)獎賞服務(wù)(Premium service，Ps)，為用戶(hù)提供低延時(shí)、低丟失率及保證帶寬的端到端或者是網(wǎng)絡(luò )邊界到邊界的傳輸服務(wù)。這種“三低一保證”服務(wù)承諾使得用戶(hù)可以享受類(lèi)似專(zhuān)線(xiàn)的服務(wù)質(zhì)量，因此獎賞服務(wù)也稱(chēng)為“虛擬專(zhuān)線(xiàn)”服務(wù)，這是目前所定義的服務(wù)級別最高的區分服務(wù)種類(lèi)。
2)確保服務(wù)AS(assured service)，其出發(fā)點(diǎn)是無(wú)論是否擁塞，都能保證用戶(hù)占有預約的最低限量的帶寬；其著(zhù)眼點(diǎn)是帶寬和丟包率，而不太注重延遲和抖動(dòng)。只要采用簡(jiǎn)單的標記和丟棄機制就能實(shí)現IP QoS，實(shí)現機制簡(jiǎn)單。
3、對衛星鏈路的QoS分析
3.1 長(cháng)延時(shí)問(wèn)題
在衛星鏈路上的長(cháng)延時(shí)會(huì )出現大量的未被確認的包停留在鏈路管道上，如果我們采用RSVP協(xié)議，通過(guò)我們上面介紹的工作原理可以發(fā)現，在傳輸業(yè)務(wù)流之前，必須建立傳輸路徑。在鏈路上傳輸PATH消息并等待收端的RESV的確認消息返回。這無(wú)疑增加了用戶(hù)的等待時(shí)間。大大增加了短時(shí)流在衛星網(wǎng)絡(luò )中的傳播時(shí)間，降低了網(wǎng)絡(luò )的他吞吐量；而在區分服務(wù)模型中，我們可以通過(guò)設置ISP和用戶(hù)之間的服務(wù)等級協(xié)定SLA。通過(guò)對某些特定的業(yè)務(wù)(實(shí)時(shí)業(yè)務(wù))設置相對高的優(yōu)先級。通過(guò)在衛星邊界路由器的數據包的整形和相對高的優(yōu)先級。我們可以?xún)?yōu)化實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在長(cháng)時(shí)延鏈路的傳輸性能。
3.2 帶寬不對稱(chēng)
在衛星鏈路上帶寬的不對稱(chēng)，反向鏈路的延時(shí)和擁塞影響ACK的正確傳輸，如果采用RSVP協(xié)議，可能使情況變得更糟，因為在網(wǎng)絡(luò )中每一個(gè)路由器的預流信息是“軟”的，必須由接收者周期的更新。這樣?，F有RESV更新、新、舊業(yè)務(wù)的ACK在反向信道的傳輸，增加了擁塞的可能，所以，我們可以得出結論，RSVP可能加重帶寬不對稱(chēng)帶來(lái)的煩惱。
在使用區分服務(wù)的情況下，我們可以賦予ACK更高的優(yōu)先級。這樣，他可以在其余的業(yè)務(wù)流之前傳送，保證了ACK的準確傳送。
3.3 誤碼率高
這兩種QoS解決方案都不能有效的解決這個(gè)問(wèn)題。但是我們可以在鏈路層采用更加強有力的前向糾錯方案，這樣就會(huì )使可用帶寬減小，我們知道與RSVP協(xié)議相比。區分服務(wù)占有的網(wǎng)絡(luò )資源相對較少，這使得我們傾向使用區分服務(wù)協(xié)議。
另外，在衛星鏈路上采用資源預留協(xié)議就必須提供更高的帶寬。如果過(guò)多用戶(hù)都要求資源預留，這將大大增加路由器的負擔，因為狀態(tài)信息隨業(yè)務(wù)流數量增長(cháng)而增長(cháng)，沿途的路由器要為每個(gè)數據流都維持一個(gè)“軟狀態(tài)”，而路由器的存儲容量有限，可以保存軟狀態(tài)信息是由限的。而區分服務(wù)只在內部節點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的調度轉發(fā)，流狀態(tài)信息的保存和流監控的實(shí)現等只在邊界節點(diǎn)進(jìn)行。并且其服務(wù)對象使流聚集而非單個(gè)流。還有，我們可以動(dòng)態(tài)和靈活的對業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類(lèi)和整形。所以我們可以得出結論，區分服務(wù)能夠在衛星鏈路充分利用帶寬，提供相對較好的服務(wù)質(zhì)量保證。
下面我們研究區分服務(wù)的確保服務(wù)類(lèi)型。它通常采用RED隊列管理機制[2]。RED機制通過(guò)隨即丟棄數據分組?？刂破骄犃虚L(cháng)度，避免網(wǎng)絡(luò )擁塞與全網(wǎng)同步重發(fā)。能夠有效的減輕緩沖溢出從而增加衛星吞吐量；RIO是RED的改進(jìn)算法：邊界路由器監視每個(gè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)數據流，根據它們的服務(wù)規格對包進(jìn)行標識，預約帶寬以?xún)鹊臉藶镮N(in profile)，超出的標為OUT(out profile)。在擁塞的路由器上，OUT包被丟棄的概率要大于IN包，從而在一定程度上保護IN包。WRED是CISCO公司提出的一種支持區分服務(wù)的AQM機制。與RIO一樣，WRED基本思路也是在IP包頭按照某種策略進(jìn)行標記，丟包優(yōu)先級基于該標記。
可以知道，我們可以根據用戶(hù)要求提供的服務(wù)質(zhì)量。對某些業(yè)務(wù)流(如實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、需要連續或交互的業(yè)務(wù)流)設置較高的優(yōu)先級。從而保證該業(yè)務(wù)流的傳輸。這樣。在衛星鏈路上。我們能夠為所有的應用程序設定服務(wù)次序。西安電子科技大學(xué)孫恩昌博士的碩士畢業(yè)論文的CRED算法就是典型的區分服務(wù)模型算法，其思想可以概括為，區分不同的業(yè)務(wù)(TCP、UDP)，區分不同業(yè)務(wù)的不同階段(TCP的慢啟動(dòng)和擁塞避免階段)或帶寬波動(dòng)程度(UDP業(yè)務(wù))對于其給定的拓撲結構，我們將其應用在衛星鏈路上，獲得了極大的成功。
可以看出，對于TCP業(yè)務(wù)，CRED的平均吞吐量明顯高于FRED和RED的，而對于音頻、視頻等多媒體業(yè)務(wù)，CRED的平均吞吐量略高于FRED，但該兩者的吞吐量要高于RED的。對于UDP-others和UDP-large，CRED的吞吐量最低，其次是FRED，RED最高?？傊?，由以上仿真圖形可以看出，CRED通過(guò)對業(yè)務(wù)置不同優(yōu)先級，能夠保證衛星鏈路上較好的傳輸TCP業(yè)務(wù)，并且音頻、視頻業(yè)務(wù)也能夠得到較好的傳輸。
4、結論
在本文中，我們首先介紹了網(wǎng)絡(luò )QoS保證中常見(jiàn)的兩種措施：RSVP(資源預留協(xié)議)和DiffServ（區分服務(wù))的詳細概念，并且分析了各自在衛星系統上的優(yōu)劣之處。我們注意到，在RSVP架構下，所有的信息流經(jīng)過(guò)的節點(diǎn)都需要對每一個(gè)信息流保持一個(gè)狀態(tài)，并且作監控和管理。這將造成延展性(scaling)問(wèn)題。
區分服務(wù)在開(kāi)始預算了幾種服務(wù)，將封包分類(lèi)一起聚集處理，提供相同的品質(zhì)保證，將復雜的流量調節功能放在網(wǎng)絡(luò )邊界的路由器里。這樣加快了網(wǎng)絡(luò )傳輸的速度。
結合衛星網(wǎng)絡(luò )的固有特點(diǎn)，作者通過(guò)詳細的分析，認為區分服務(wù)更加適合在衛星網(wǎng)絡(luò )中提供較為優(yōu)質(zhì)的QoS。
參考文獻
1 J.Touch，S.Ostermann，D.Glover，et.al.“Ongoing TCP Re search Related to Satellites”，RFC 2760，IETF，February 2000
2 姜明.浙江大學(xué)Internet主動(dòng)式隊列管理機制綜述 文章來(lái)源：賽迪網(wǎng)2002年11月08日 S.Blake，D.Black，M.Carlson，E.Davies，Z.Wang，and W．Weiss，“An Architecture for Differentiated Services，”RFC2475，Dicembre 1998.
作者：官駿鳴 孫恩昌 何明
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