О. И. Лагутенко
Рост ресурсов глобальной сети Интернет и увеличение их популярности привели к появлению множества новых технологий для решения проблемы “последней мили”. К ним относится и спутниковая связь. Системы спутниковой связи обеспечивают глобальное покрытие территории Земли, обладают естественными возможностями широковещания, предоставляют пользователям полосу пропускания спутникового ретранслятора по требованию и поддерживают их мобильность. Сочетание всех этих характеристик делает спутниковую связь перспективным кандидатом на роль транспорта, обеспечивающего широкополосный интегрированный доступ к ресурсам Интернет. В настоящей статье проводится обзор направлений и проблем интеграции систем спутниковой связи с глобальной сетью Интернет.
Оборудование спутника во многом определяет функциональные возможности системы связи на его основе. Однажды запущенный, он не может быть модернизирован или отремонтирован, следовательно, его бортовое оборудование должно быть максимально простым и надежным. По этой причине большинство спутников связи до сих пор представляют собой простые ретрансляторы сигналов без какой-либо обработки (сигналов или информации) на борту. В противном случае могут осуществляться демодуляция/модуляция и декодирование/кодирование сигналов, коммутация лучей, а также коммутация и маршрутизация передаваемых данных. В понятие обработки на борту входит и организация межспутниковой линии связи (Intersatellite Link - ISL), соединяющей два спутника между собой (далее, говоря об этих спутниках, мы не будем уточнять, что именно они обрабатывают). Широкое применение межспутниковых линий связи позволяет построить полностью автономную и полносвязную спутниковую сеть.
Возможность использования нескольких типов орбит, разных способов обработки на борту и межспутниковых линий связи объективно приводит к разнообразию вариантов организации доступа к ресурсам Интернет. Спутниковая сеть может функционировать как высокоскоростная магистральная сеть и как сеть высокоскоростного доступа или совмещать обе эти функции. Применение систем спутниковой связи в роли магистральной сети имеет давнюю историю. Идея же использования спутниковой связи для решения проблемы “последней мили” является относительно новой. Типовой вариант доступа в Интернет на основе спутников без обработки на борту представлен на рис. 1. Спутники могут находиться на геостационарной, средневысотной или низкой орбите. Спутниковая сеть подключается к наземному сегменту.
Интернет через земные станции, оборудованные специальными шлюзами. Такой вариант доступа можно использовать как для организации резервного соединения с Интернет (для пользователя А), так и для создания единственного канала доступа в Сеть (для пользователя Б). Однако сети связи на основе спутников с прямой ретрансляцией имеют массу недостатков, таких, как низкая спектральная эффективность, эффект накопления ошибок и ряд других.
Реализация функций обработки на борту, использование межспутниковых линий связи по-зволяет создать “небесную сеть”, которая представляет собой комбинацию магистральной сети и сети доступа (рис. 2). Одним из примеров такой архитектуры станет система Teledesic, которая будет состоять из 288 низкоорбитальных спутников, связанных между собой межспутниковыми линиями. Подобная полносвязная сеть может обеспечить высокую гибкость в перераспределении передаваемых потоков информации.
Два описанных варианта организации доступа в Интернет предполагают применение приемо передающих спутниковых терминалов. Несмотря на успехи в производстве приемопередающих, высокоскоростных и малогабаритных терминалов класса USAT (Ultra Small Aperture Terminal) с диаметром антенн менее 0,6 м, они не подходят для массового использования по причине их высокой стоимости. В связи с этим, а также учитывая асимметричность трафика пользователей Интернет, получил распространение третий вариант доступа на основе спутников прямого телевизионного вещания (Direct Broadcast Satellites - DBS). В этом случае используются только приемные спутниковые терминалы, принимающие высокоскоростной поток данных со спутника. Обратный канал организуется с помощью доступных наземных средств связи со значительно более низкой скоростью передачи данных (рис. 3). Примером терминального оборудования для такого варианта доступа является система DirecPC фирмы Hughes. Подобное оборудование может быть применено и для решения корпоративных задач, таких, как организация коллективного доступа в Интернет, объединение локальных сетей удаленных подразделений и др. Организация доступа на основе DBS-спутников существенно отличается от других вариантов спутникового доступа и требует решения ряда новых задач, например организации однонаправленной (unidirectional) маршрутизации.
Рассмотрим технические особенности современных и перспективных спутниковых систем связи, которые нужно учитывать при организации доставки трафика Интернет. К самым важным особенностям относятся поддерживаемые протоколы множественного доступа к ресурсу спутника связи, алгоритмы маршрутизации IP-пакетов, методы повышения эффективности работы транспортного протокола TCP.
Протокол множественного доступа (Multiple Access Control - MAC) определяет набор правил управления передачей трафика от множества распределенных терминалов через общий спутниковый канал (моноканал) и играет главную роль в достижении высоких рабочих характеристик всей системой спутниковой связи. Разумеется, речь идет о системах, реализующих первые два варианта организации доступа в Интернет (см. рис. 1 и 2). Протоколы множественного доступа относятся ко второму уровню модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interworking) и оказывают существенное влияние на работоспособность высокоуровневых протоколов и средств обеспечения требуемого качества обслуживания (Quality of Service - QoS) трафика.
Эффективность работы протоколов множественного доступа зависит как от характеристик среды передачи, так и от особенностей передаваемого трафика. Большая задержка распространения сигналов в спутниковых системах связи, особенно с геостационарными спутниками, делает невозможным применение MAC-протоколов, разработанных для наземных проводных и беспроводных локальных сетей (таких, как протокол CSMA). Кроме того, низкая энергетика спутниковых каналов, наличие в них резких затуханий и замираний сигнала контрастируют с условиями передачи данных в наземных системах связи. Интернет-трафик по своей природе является импульсным. В то же время обеспечение требуемого качества обслуживания пока ограничено применением механизма “наибольшего усилия” (best-effort) для трафика различной природы. Таким образом, перспективные протоколы множественного доступа должны поддерживать приоритезацию различных классов трафика. Например, приоритет трафика реального времени, как правило, должен быть выше, чем приоритет трафика, не относящегося к этому классу.
Хороший протокол множественного доступа для спутниковой сети должен быть простым в реализации, надежным и гибким (для обеспечения возможности реконфигурации сети) в работе. Он также должен обеспечивать высокую эффективность использования ресурса спутникового моноканала, стабильность параметров организуемых логических каналов, вносить минимальную избыточность и задержку.
В зависимости от способа распределения пропускной способности спутникового моноканала между терминалами все системы спутниковой связи можно разделить на три группы: с фиксированным распределением, со случайным доступом и с распределением по требованию.
Фиксированное распределение может быть осуществлено по частоте, времени или коду сигнала. На перечисленных способах распределения основаны наиболее известные базовые протоколы множественного доступа - FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) и CDMA (Code Division Multiple Access). Согласно FDMA и TDMA, каждому терминалу выделяется отдельный канал. Это исключает состязания за общий канальный ресурс и хорошо подходит для обеспечения QoS. Однако в этом случае очень неэффективно используется ресурс спутника. Из-за плохой гибкости и расширяемости такие схемы доступа пригодны лишь для небольших сетей со стабильными параметрами трафика. Протокол FDMA первым нашел применение в спутниковых сетях. Позже благодаря отсутствию нелинейных искажений и более высокой эффективности использования мощности спутникового ретранслятора более широкое распространение получил протокол TDMA. В системах CDMA каждому терминалу выделяется уникальная кодовая последовательность, с помощью которой расширяется спектр его сигнала. Если кодовые последовательности ортогональны, то все другие сигналы выступают в качестве аддитивного шума и могут быть эффективно ослаблены на приемной стороне. С точки зрения масштабирования сети с протоколом CDMA являются самыми простыми из перечисленных.
Случайный доступ наиболее предпочтителен для сетей с большим числом малогабаритных (VSAT, USAT) низкоскоростных терминалов, генерирующих пульсирующий трафик. Число терминалов в таких сетях может достигать сотен и тысяч единиц. Согласно протоколам случайного доступа (Aloha и его вариации), каждый терминал передает свои данные независимо от других, в результате чего могут иметь место коллизии пакетов. Повторные передачи после коллизий способствуют увеличению средней задержки передачи пакетов и ее дисперсии, а также снижают эффективность использования спутникового моноканала на уровне всей сети.
Распределение по требованию. Хотя случайный доступ лучше подходит для сетей с большим числом терминалов, он не гарантирует QoS. Протоколы, относящиеся к классу DAMA (Demand Assignment Multiple Access), пытаются разрешить это противоречие путем организации динамического распределения пропускной способности ретранслятора в зависимости от требований пользователей. Запросы последних на выделение части ресурса спутникового ретранслятора должны быть переданы до начала передачи пользовательских данных. Как правило, запросы передаются в режиме случайного доступа. После успешного резервирования запрошенного ресурса передача пользовательских данных происходит в бесконфликтном режиме - FDMA или TDMA.
Резервирование может быть реализовано в распределенном или централизованном режиме.
В последнем случае центральный контроллер может быть расположен либо на ЗС, либо на спутнике с обработкой на борту. Если контроллер расположен на Земле, то минимальная задержка обслуживания запроса будет не меньше, чем время двухскачковой передачи сигнала. Размещая контроллер на спутнике, эту задержку можно сократить вдвое. Более эффективным является распределенное управление, согласно которому каждый терминал принимает решение для своей передачи на основе полученной из широковещательного спутникового канала запросной информации от других терминалов. Вводимая распределенным режимом работы информационная избыточность достаточно мала, а минимальная задержка доставки запроса на ресурс соответствует односкачковой задержке передачи сигнала.
Резервирование может быть явное или неявное. В первом случае оно реализуется путем передачи специальных служебных сигналов в выделенном канале резервирования. Каждая станция передает по каналу резервирования короткий запрос, определяющий необходимый ей ресурс, как правило, это число временныўх окон (slots) TDMA. Доступ к каналу резервирования осуществляется на основе фиксированного распределения, например TDMA, или по случайному методу, такому, как Aloha. Пользовательские данные передаются по информационному каналу только после его успешного резервирования.
При неявном резервировании специальные резервирующие сообщения не используются. Успешно переданные пользовательские данные в определенном временноўм окне означают его резервирование в последующих кадрах. Освободившееся окно в кадре рассматривается как признак окончания передачи данных и может быть зарезервировано заинтересованными станциями в следующем кадре. Такая схема подходит для передачи относительно стабильного трафика, такого, как голос или видео. Например, в соответствии с протоколом R-Aloha первый пакет используется для неявного резервирования и передается в свободном окне по протоколу S-Aloha.
Известные протоколы PODA (Priority-Oriented Demand Assignment) и FODA (FIFO Ordered Demand Assignment) комбинируют явные и неявные запросы. Каждый кадр TDMA протокола PODA состоит из управляющего субкадра (части кадра) и субкадра данных с гибкой границей. Явные запросы передаются в режиме состязания в управляющем субкадре по протоколу S-Aloha, в то время как в качестве неявных запросов выступают успешно переданные пакеты данных. В соответствии с протоколом FODA субкадр данных, в свою очередь, делится на субкадр, используемый в режиме коммутации каналов для передачи потоковых данных, и субкадр, используемый в режиме коммутации пакетов для передачи дэйтаграмм. При этом организуются три очереди запросов на обслуживание с различными (в порядке убывания) приоритетами: для потоковых данных, для короткого интерактивного пакетного трафика, для большеразмерного пакетного трафика (передача больших файлов).
Предложен ряд способов распределения оставшегося не зарезервированным ресурса в ответ на требования пользователей. Согласно протоколу CFDAMA (Combined Free/Demand Assignment Multiple Access), распределение происходит в соответствии с круговой (“карусельной”) или другой определенной стратегией, а согласно протоколу CRRMA (Combined Random Reservation Multiple Access), оставшийся ресурс используется в режиме случайного доступа. В этом режиме пульсирующий интерактивный трафик может быть передан по незарезервированным каналам без задержки, обусловленной передачей требований. В гибридной схеме RRR (Round Robin Reservation) число станций должно быть меньше или равно числу временных окон кадра. За каждой станцией закрепляется выделенный канал, а оставшиеся или неиспользуемые каналы доступны по круговому принципу и протоколу S-Aloha.
Каждый из рассмотренных протоколов может оказаться оптимальным для определенной сети с конкретным сочетанием числа малоразмерных терминалов, шлюзовых станций и параметров передаваемого трафика.
Маршрутизация трафика особенно сложна и важна в сетях спутниковой связи на основе низкоорбитальных спутников с межспутниковыми линиями связи. Главная сложность ее связана с высокой динамичностью таких сетей, обусловленной быстрым перемещением спутников относительно друг друга и относительно Земли. В результате популярные протоколы маршрутизации, реализованные в наземных сетях, здесь абсолютно не приемлемы. Для таких сетей спутниковой связи предложено два основных алгоритма маршрутизации - DT-DVTR (Discrete-Time Dynamic Virtual Topology Routing) и VN (Virtual Node).
Алгоритм DT-DVTR основан на периодическом характере изменений в орбитальной группировке. Вся шкала времени делится на интервалы стационарности, определяемые таким образом, что топология меняется только в начале и конце интервалов, оставаясь постоянной до начала следующего интервала. На длительности каждого такого интервала можно решать задачу статической маршрутизации уже известными методами. Результатом ее решения для каждого интервала является соответствующая таблица маршрутизации. Набор таблиц маршрутизации для всех возможных интервалов стационарности хранится на борту каждого спутника и каждая из них используется в соответствующем интервале. При таком подходе вместо проведения сложных вычислений в реальном масштабе времени спутник должен хранить многочисленные таблицы маршрутизации, а значит, обладать бортовой памятью большого объема. Для уменьшения требуемого объема памяти возможна организация обмена таблицами между соседними спутниками.
Главная идея алгоритма VN состоит в том, чтобы спрятать от протокола маршрутизации топологические изменения. Для этого вводится виртуальная топология, которая является суперпозицией виртуальных узлов и физической топологии орбитальной группировки. В течение определенного периода времени каждый виртуальный узел представляет собой определенный физический спутник, находящийся в заданной области. Пока он остается в ней, виртуальная топология считается неизменной. Как только спутник покидает ее, виртуальный узел соотносится с другим спутником, который вошел в эту область. Первый спутник передает второму всю необходимую для работы данного виртуального узла информацию. Задача маршрутизации решается уже над виртуальной топологией, и при передаче трафика протоколу маршрутизации не нужно отслеживать динамику орбитальной группировки.
На основе двух базовых алгоритмов разработано несколько конкретных схем переноса IP-пакетов через низкоорбитальную сеть. Как правило, они основаны на алгоритме VN. В ряде коммерческих спутниковых сетей (включая проект сети Teledesic) используются собственные технологии маршрутизации, ориентированные на учет особенностей орбитальной группировки. Однако во всех этих решениях остается ряд проблем, связанных с практической реализацией алгоритмов маршрутизации, особенно при требовании обеспечения QoS.
Для коммутации трафика внутри сети в относительно большом числе проектов (Cyberstar, Astrolink, Spaceway, Skyway) предполагается применение технологии ATM в качестве базовой.
В частности, существует ATM-версия алгоритма DT-DVTR, согласно которой каждая пара соседних спутников сгруппирована в виртуальный путь VPC (Virtual Path Connection), и бортовой процессор работает уже исходя из меток этого VPC. При этом предполагается применение специфичных для спутниковой сети протоколов сигнализации и передачи данных канального уровня. Предложенный модифицированный пакет S-ATM имеет меньшую избыточность без изменения размера ячейки (53 октета). Для адаптации подобных сетей к поддержке сервисов Интернет может быть использована технология передачи IP-трафика поверх ATM (IP over ATM).
Разработчики, производители и операторы спутниковых сетей делают все возможное, чтобы в их сетях были реализованы наиболее эффективные протоколы маршрутизации. В то же время детали реализации спутниковой сети должны быть скрыты от наземной сети Интернет. Для изоляции специфичных сетей широко используется концепция автономной системы AS (Autonomous System). Согласно ей, для маршрутизации трафика между AS применяются несколько стандартных протоколов, в то время как внутри каждой AS для передачи трафика может быть задействован свой собственный уникальный протокол маршрутизации.
Спутниковую сеть можно считать отдельной автономной системой Интернет с рядом граничных шлюзов BG (Border Gateway), реализующих внешний протокол маршрутизации BGP (Border Gateway Protocol), который принят в наземных автономных системах Интернет. Входной граничный шлюз определяет выходной граничный шлюз для каждого пакета, передаваемого через спутниковую AS. При необходимости входной и выходной шлюзы осуществляют инкапсуляцию/декапсуляцию пакетов и преобразование адресов. Граничные шлюзы можно реализовать как на борту, так и в составе ЗС. В первом случае требования к вычислительным ресурсам и энергетике спутника могут оказаться чрезмерными.
При организации доступа в Интернет через системы прямого вещания (см. рис. 3) возникает проблема обеспечения однонаправленной маршрутизации, которая не может быть решена традиционными протоколами маршрутизации, рассчитанными на дуплексные каналы связи. Не считая нетривиальной настройки статической схемы маршрутизации, возможно два направления решения данной проблемы - путем модификации протоколов маршрутизации и с помощью тунеллирования трафика. В рамках IETF организована рабочая группа UDLR (Unidirectional Link Routing) для разработки соответствующего протокола.
Модифицированный протокол должен позволять маршрутизатору-приемнику (с приемной стороны однонаправленного канала) идентифицировать маршрутизатор-передатчик (с передающей стороны однонаправленного канала) всякий раз, когда получает от него обновленную служебную информацию. Кроме того, маршрутизатор-приемник периодически должен сам отправлять свои служебные сообщения всем маршрутизаторам-передатчикам через наземные обратные каналы связи. Когда маршрутизатор-передатчик получает маршрутизирующую информацию, он обновляет соответствующую запись в своей таблице маршрутизации. Эта идея использована рабочей группой UDLR для модификации таких распространенных протоколов, как RIP, OSPF и DVMRP.
С помощью тунеллирования трафика предпринимается попытка скрыть от процесса маршрутизации асимметричность используемых каналов. Между системой прямого вещания и терминалом пользователя посредством процедур инкапсуляции/декапсуляции эмулируется виртуальная двунаправленная линия. Она-то и является туннелем, через который передаются пакеты, предназначенные для передачи информации от пользователя к системе DBS. В конце туннеля на стороне пользователя пакеты сначала инкапсулируются, а потом обрабатываются протоколом маршрутизации, направляющим их через реальный обратный наземный канал. Пакеты, прибывающие на сторону системы прямого вещания, перехватываются и декапсулируются, а затем обрабатываются протоколом маршрутизации, для которого они выглядят так, как-будто прибыли по двунаправленному каналу.
Рассмотренные схемы модификации и тунеллирования являются достаточно простыми и могут быть быстро реализованы. Однако они разработаны применительно к однонаправленным каналам типа точка-точка, хотя по природе своей спутниковые системы относятся к широковещательным (типа точка - много точек). Разработка и оптимизация решений для такой сетевой архитектуры требует дальнейшего изучения.
В качестве транспортных протоколов Интернет широкое применение нашли протоколы TCP и UDP. Однако их эффективность в спутниковых каналах резко снижается по причине имеющихся значительных задержек и высокого уровня канальных ошибок. Для управления скоростью передачи и обеспечения надежности доставки в протоколе TCP используется механизм положительной обратной связи. Большая задержка, присущая спутниковым каналам, увеличивает круговую задержку TCP и приводит к задержкам в получении подтверждений. Медленная обратная связь ограничивает функциональность механизмов управления скоростью передачи и предотвращения перегрузок, что в результате снижает эффективность работы протокола. Дополнительная проблема связана со значительными флуктуациями круговой задержки RTT (Round-Trip Time), которые особенно велики в низкоорбитальных спутниковых сетях. Флуктуации задержки RTT ведут к неправильно установленным тайм-аутам и ошибочным повторным передачам.
На этапе медленного старта протокол TCP увеличивает скорость передачи по экспоненциальному закону, но все же этого оказывается недостаточно, чтобы задействовать имеющуюся пропускную способность спутникового канала. Одно из предложений по модификации протокола состоит в увеличении начального размера окна. Протокол TCP позволяет устанавливать максимальный размер окна 64 Кбайт, которому соответствует максимальная скорость передачи 64 Кбайт/RTT. В результате пропускная способность спутникового канала не будет полностью задействована. Для устранения этого недостатка размер окна необходимо увеличивать. Ряд опций масштабирования окна TCP определены в документе IETF RFC1323.
Для спутниковых каналов связи характерен высокий уровень ошибок, обусловленных наличием помех, замираний, затенений и затухания сигнала на осадках. Хотя современные методы модуляции и канального помехоустойчивого кодирования (Forward Error Correction - FEC) значительно снижают уровень ошибок BER (Bit Error Rate), он часто остается неприемлемым для многих приложений. Однако протокол TCP “считает”, что все потери передаваемых данных происходят только из-за перегрузок в сети. Как только обнаруживается потеря пакета, в целях борьбы с перегрузкой протокол TCP уменьшает размер окна в два раза, хотя на самом деле никакой перегрузки и не было. Специально разработанный альтернативный протокол SCPS-TP (Space Communication Protocol Standards-Transport Protocol) предусматривает меры по определению причин потери пакетов и разную реакцию на них. Асимметричность спутниковых каналов тоже вносит свою лепту в снижение эффективности TCP. Асимметричные спутниковые каналы имеют место не только в системах прямого вещания, но и в сетях VSAT, где наземные терминалы часто принимают значительно более высокоскоростные потоки данных, чем способны передать. Ограниченная пропускная способность обратного канала приводит к запаздыванию получения давно ожидаемых подтверждений.
Другая внутренняя проблема TCP - это специфика разделения канального ресурса между соединениями с разными значениями RTT: соединению с большим значением RTT несправедливо достается меньшая часть пропускной способности физического канала.
Рабочая группа IETF, занимающаяся модификацией протокола TCP для спутниковых сетей, разработала ряд рекомендаций, улучшающих его эффективность:
Последние два направления не относятся непосредственно к транспортному уровню, однако способствуют повышению эффективности его работы. Расширения TCP могут преодолеть ряд ограничений стандартной версии протокола, к которым, однако, не относятся такие проблемы, как большая круговая задержка и асимметричность используемого канала. Один из путей облегчения влияния большой задержки - разделение ТСР-соединения на две или более части.
Существуют три варианта разделения ТСР-соединения в спутниковой линии:
Спутниковый транспортный протокол (Satellite Transport Protocol - STP) разработан специально для варианта разделения исходного TCP-соединения и выполнения функций управления трафиком в спутниковой сети. STP основан на протоколе SSCOP (Service Specific Connection-Oriented Protocol). Обратный трафик минимизирован в нем следующим образом. Передатчик периодически запрашивает приемник на предмет успешного приема, а в случае потери пакетов приемник уведомляет передатчик, посылая ему отрицательное селективное подтверждение. Таким образом реализуется гибридный механизм управления потоком. Протокол STP хорошо подходит для асимметричных каналов, так как в обратном направлении его служебный трафик имеет небольшой объем. Однако он тоже не различает причин потери пакетов и не устраняет влияние RTT на эффективность работы протокола TCP.
За рамками данной статьи остаются еще проблемы, которые необходимо решить при организации эффективной передачи IP-трафика в спутниковых сетях. Это обеспечение требуемого качества обслуживания в спутнике вой ТРсети (IP QoS), а также организация управления трафиком и предотвращение перегрузок.