衛(wèi)星通信上的QoS分析

　　摘要　衛(wèi)星鏈路由于其固有的特點(diǎn)(長(zhǎng)時(shí)延，非對(duì)稱環(huán)境)對(duì)QoS(Quality of Service)提出新的要求和挑戰(zhàn)，本文首先對(duì)兩種QoS策略進(jìn)行討論，然后對(duì)其在衛(wèi)星鏈路上的性能及以后研究的方向進(jìn)行了討論。

　　關(guān)鍵詞　衛(wèi)星通信　區(qū)分服務(wù)　資源預(yù)留協(xié)議　CRED

1、衛(wèi)星系統(tǒng)概述

　　GEO系統(tǒng)的衛(wèi)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(zhǎng)達(dá)540ms，約比地面鏈路上WAN的等待時(shí)間(latency)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。衛(wèi)星鏈路的長(zhǎng)時(shí)延增大了TCP端到端的時(shí)延，導(dǎo)致確認(rèn)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(shù)據(jù)包停留在衛(wèi)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(yīng)和雨衰)，因此會(huì)有很高的比特差錯(cuò)率(BER)。大約為1O-6數(shù)量級(jí)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速有線媒質(zhì)(如光纖).高誤碼率嚴(yán)重削弱了衛(wèi)星信道可靠傳輸數(shù)據(jù)的性能，這是因?yàn)門(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(qū)分由于傳輸錯(cuò)誤造成的數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤還是由于擁塞造成的數(shù)據(jù)包丟失，對(duì)這兩種都無(wú)法確認(rèn)，而被解釋成網(wǎng)絡(luò)擁塞的標(biāo)志。當(dāng)接收到一個(gè)損壞的數(shù)據(jù)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(wèi)星系統(tǒng)在前向和反向數(shù)據(jù)信道間有較大的帶寬不對(duì)稱性。從衛(wèi)星到地面的前向鏈路遠(yuǎn)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(xiàn)與衛(wèi)星的連接，這就可能導(dǎo)致?lián)砣?。在大多?shù)時(shí)間里上行鏈路傳輸?shù)氖羌兇獾腁CK．而TCP是“self clocking”：即。源端在接收到對(duì)應(yīng)已發(fā)數(shù)據(jù)的ACK之后發(fā)送新的數(shù)據(jù)，這樣源端發(fā)送的新數(shù)據(jù)的速率和另一端返回的ACK的速率相匹配。可以理解為上行鏈路的ACK流速率控制著下行鏈路的吞吐量。在非對(duì)稱行鏈路上會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)擁塞和丟失，這也會(huì)導(dǎo)致吞吐量的降低。

　　不對(duì)稱比率(返回路徑容量與前向路徑容量之比)大于ACK包尺寸于數(shù)據(jù)包尺寸之比時(shí),反向鏈路較前向鏈路先達(dá)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(xiàn)擁塞情況，造成ACK的延遲和導(dǎo)致不必要的重傳。

2、服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)

　　現(xiàn)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(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源。網(wǎng)絡(luò)只需盡快的完成服務(wù)，而對(duì)業(yè)務(wù)的可靠性、延遲等不能提供任何保證，隨著IP技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IP網(wǎng)正在從當(dāng)初單純傳送數(shù)據(jù)向可傳送數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、活動(dòng)/靜止圖像的多媒體網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。我們可以把傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)分成兩類：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(duì)資源的持續(xù)要求較高的媒體流傳輸業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)對(duì)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?shù)龋环菍?shí)時(shí)業(yè)務(wù)是指那些對(duì)傳輸時(shí)延要求較低、只需盡量將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地的業(yè)務(wù)，內(nèi)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(wèi)星通信網(wǎng)傳輸之前，如何根據(jù)它們的特性將它們區(qū)分。以便區(qū)別的傳送。這就是QoS解決方案，QoS研究目標(biāo)是如何有效的為用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量和保證。它無(wú)法創(chuàng)造帶寬，只是根據(jù)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(biāo)。為了解決QoS問(wèn)題，IETF提出了下面幾種服務(wù)模型和機(jī)制：集成服務(wù)和資源預(yù)留協(xié)議(IntServ/RSVP)、區(qū)分服務(wù)(DiffServ)、和多協(xié)議標(biāo)簽交換(Multiprotocol label switching，MPLS)，本文主要討論資源預(yù)留協(xié)議和區(qū)分服務(wù)在衛(wèi)星鏈路上的應(yīng)用。

　　2.1　資源預(yù)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(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證，資源預(yù)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(jié)點(diǎn)預(yù)留資源，如果資源預(yù)留失敗，RSVP協(xié)議會(huì)向主機(jī)返回拒絕消息。使用RSVP信令建立數(shù)據(jù)發(fā)送路徑為業(yè)務(wù)流預(yù)留資源的過(guò)程為：在傳輸數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個(gè)對(duì)所傳輸業(yè)務(wù)流業(yè)務(wù)描述的PATH消息，它包括了數(shù)據(jù)包的目的地址和業(yè)務(wù)特征和和業(yè)務(wù)規(guī)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(dāng)接收端接收到一個(gè)PATH消息后，它將根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)和QoS來(lái)計(jì)算出所需的資源，并且沿相反路徑發(fā)送一個(gè)資源預(yù)留請(qǐng)求RESV消息，中間路由器在接受到RESV消息后，調(diào)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(yīng)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(xù)上傳該RESV消息。如果拒絕，則向接收端返回錯(cuò)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(qǐng)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(yù)留軟狀態(tài)(soft state)。

　　2.2　區(qū)分服務(wù)(differentiated services)

　　區(qū)分服務(wù)的思想就是將用戶的數(shù)據(jù)流按照服務(wù)質(zhì)量要求來(lái)劃分等級(jí)，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的時(shí)候，級(jí)別高的數(shù)據(jù)流在排隊(duì)和占用資源時(shí)后擁有更高的優(yōu)先權(quán)[3]。

　　實(shí)際上，區(qū)分服務(wù)提供了一種在一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)實(shí)施QoS的框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)業(yè)務(wù)流到達(dá)域的邊界路由器時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)根據(jù)用戶的流規(guī)格、和用戶與Internet服務(wù)供應(yīng)商簽訂的服務(wù)等級(jí)協(xié)定SLA(service 1evel agreement)對(duì)到達(dá)的業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類、整形、標(biāo)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(qū)分服務(wù)標(biāo)記域中(DS field)即：DSCP(differ code point)。每種DSCP對(duì)應(yīng)一種“逐跳行為”(Per-hop-behavior，PHB)，這里的PHB本質(zhì)上是一種相對(duì)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，其描述單個(gè)節(jié)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(zhuǎn)發(fā)(Expedited forwarding)、確保型轉(zhuǎn)發(fā)(assured forwarding)、缺省型BE(best effort)、兼容ip優(yōu)先級(jí)的類選擇型CS(Class selector)。

　　核心路由器在調(diào)度IP包時(shí)以流聚集為服務(wù)對(duì)象。根據(jù)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(jī)制。不同的DSCP提供不同的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)質(zhì)量。

　　目前,區(qū)分服務(wù)提供下面幾種服務(wù)類型：

　　1)獎(jiǎng)賞服務(wù)(Premium service，Ps)，為用戶提供低延時(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)承諾使得用戶可以享受類似專線的服務(wù)質(zhì)量，因此獎(jiǎng)賞服務(wù)也稱為“虛擬專線”服務(wù)，這是目前所定義的服務(wù)級(jí)別最高的區(qū)分服務(wù)種類。

　　2)確保服務(wù)AS(assured service)，其出發(fā)點(diǎn)是無(wú)論是否擁塞，都能保證用戶占有預(yù)約的最低限量的帶寬；其著眼點(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(biāo)記和丟棄機(jī)制就能實(shí)現(xiàn)IP QoS，實(shí)現(xiàn)機(jī)制簡(jiǎn)單。

3、對(duì)衛(wèi)星鏈路的QoS分析

　　3.1　長(zhǎng)延時(shí)問(wèn)題

　　在衛(wèi)星鏈路上的長(zhǎng)延時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的未被確認(rèn)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(xiàn)，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(rèn)消息返回。這無(wú)疑增加了用戶的等待時(shí)間。大大增加了短時(shí)流在衛(wèi)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(qū)分服務(wù)模型中，我們可以通過(guò)設(shè)置ISP和用戶之間的服務(wù)等級(jí)協(xié)定SLA。通過(guò)對(duì)某些特定的業(yè)務(wù)(實(shí)時(shí)業(yè)務(wù))設(shè)置相對(duì)高的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)在衛(wèi)星邊界路由器的數(shù)據(jù)包的整形和相對(duì)高的優(yōu)先級(jí)。我們可以優(yōu)化實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在長(zhǎng)時(shí)延鏈路的傳輸性能。

　　3.2　帶寬不對(duì)稱

　　在衛(wèi)星鏈路上帶寬的不對(duì)稱，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?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)路由器的預(yù)流信息是“軟”的，必須由接收者周期的更新。這樣?，F(xiàn)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(jié)論，RSVP可能加重帶寬不對(duì)稱帶來(lái)的煩惱。

　　在使用區(qū)分服務(wù)的情況下，我們可以賦予ACK更高的優(yōu)先級(jí)。這樣，他可以在其余的業(yè)務(wù)流之前傳送，保證了ACK的準(zhǔn)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(qiáng)有力的前向糾錯(cuò)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(qū)分服務(wù)占有的網(wǎng)絡(luò)資源相對(duì)較少，這使得我們傾向使用區(qū)分服務(wù)協(xié)議。

　　另外，在衛(wèi)星鏈路上采用資源預(yù)留協(xié)議就必須提供更高的帶寬。如果過(guò)多用戶都要求資源預(yù)留，這將大大增加路由器的負(fù)擔(dān)，因?yàn)闋顟B(tài)信息隨業(yè)務(wù)流數(shù)量增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，沿途的路由器要為每個(gè)數(shù)據(jù)流都維持一個(gè)“軟狀態(tài)”，而路由器的存儲(chǔ)容量有限，可以保存軟狀態(tài)信息是由限的。而區(qū)分服務(wù)只在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)，流狀態(tài)信息的保存和流監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)等只在邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。并且其服務(wù)對(duì)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(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類和整形。所以我們可以得出結(jié)論，區(qū)分服務(wù)能夠在衛(wèi)星鏈路充分利用帶寬，提供相對(duì)較好的服務(wù)質(zhì)量保證。

　　下面我們研究區(qū)分服務(wù)的確保服務(wù)類型。它通常采用RED隊(duì)列管理機(jī)制[2]。RED機(jī)制通過(guò)隨即丟棄數(shù)據(jù)分組?？刂破骄?duì)列長(zhǎng)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(wèi)星吞吐量；RIO是RED的改進(jìn)算法：邊界路由器監(jiān)視每個(gè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)流，根據(jù)它們的服務(wù)規(guī)格對(duì)包進(jìn)行標(biāo)識(shí)，預(yù)約帶寬以內(nèi)的標(biāo)為IN(in profile)，超出的標(biāo)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(hù)IN包。WRED是CISCO公司提出的一種支持區(qū)分服務(wù)的AQM機(jī)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(biāo)記，丟包優(yōu)先級(jí)基于該標(biāo)記。

　　可以知道，我們可以根據(jù)用戶要求提供的服務(wù)質(zhì)量。對(duì)某些業(yè)務(wù)流(如實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、需要連續(xù)或交互的業(yè)務(wù)流)設(shè)置較高的優(yōu)先級(jí)。從而保證該業(yè)務(wù)流的傳輸。這樣。在衛(wèi)星鏈路上。我們能夠?yàn)樗械膽?yīng)用程序設(shè)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(qū)分服務(wù)模型算法，其思想可以概括為，區(qū)分不同的業(yè)務(wù)(TCP、UDP)，區(qū)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(duì)于其給定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們將其應(yīng)用在衛(wèi)星鏈路上，獲得了極大的成功。

　　可以看出，對(duì)于TCP業(yè)務(wù)，CRED的平均吞吐量明顯高于FRED和RED的，而對(duì)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(duì)于UDP-others和UDP-large，CRED的吞吐量最低，其次是FRED，RED最高。總之，由以上仿真圖形可以看出，CRED通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)置不同優(yōu)先級(jí)，能夠保證衛(wèi)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(jié)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(yù)留協(xié)議)和DiffServ（區(qū)分服務(wù))的詳細(xì)概念，并且分析了各自在衛(wèi)星系統(tǒng)上的優(yōu)劣之處。我們注意到，在RSVP架構(gòu)下，所有的信息流經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)都需要對(duì)每一個(gè)信息流保持一個(gè)狀態(tài)，并且作監(jiān)控和管理。這將造成延展性(scaling)問(wèn)題。

　　區(qū)分服務(wù)在開(kāi)始預(yù)算了幾種服務(wù)，將封包分類一起聚集處理，提供相同的品質(zhì)保證，將復(fù)雜的流量調(diào)節(jié)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?shù)乃俣取?br />
　　結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的固有特點(diǎn)，作者通過(guò)詳細(xì)的分析，認(rèn)為區(qū)分服務(wù)更加適合在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中提供較為優(yōu)質(zhì)的QoS。

　　參考文獻(xiàn)

　　1　J.Touch，S.Ostermann，D.Glover，et.al.“Ongoing TCP Re search Related to Satellites”，RFC 2760，IETF，F(xiàn)ebruary 2000

　　2　姜明.浙江大學(xué)Internet主動(dòng)式隊(duì)列管理機(jī)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