衛星通信上的QoS分析

衛星通信上的QoS分析

衛星鏈路由于其固有的特點(長時延，非對稱環境)對QoS(QualityofService)提出新的要求和挑戰，本文首先對兩種QoS策略進行討論，然后對其在衛星鏈路上的性能及以后研究的方向進行了討論。

??? 關鍵詞衛星通信區分服務資源預留協議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，所以其單向傳輸時延在230-270ms之間，往返時延(roundtrIPdelay)長達540ms，約比地面鏈路上WAN的等待時間(latency)大一個數量級。衛星鏈路的長時延增大了TCP端到端的時延，導致確認信息的延緩。這種緩慢的反饋會減弱流量控制，降低了避免擁塞的性能，并會影響吞吐量。這樣就會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，從而引起網絡的擁塞[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媒質(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TCP是一個使用分組丟失來控制傳輸行為的丟失敏感協議，它無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，對這兩種都無法確認，而被解釋成網絡擁塞的標志。當接收到一個損壞的數據包，即使沒有擁塞發生，窗口的大小隨即變為原來的一半，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性。從衛星到地面的前向鏈路遠大于反向鏈路?？梢灾?，多個終端通過共享窄帶上行鏈路實現與衛星的連接，這就可能導致擁塞。在大多數時間里上行鏈路傳輸的是純粹的ACK．而TCP是“selfclocking”：即。源端在接收到對應已發數據的ACK之后發送新的數據，這樣源端發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流速率控制著下行鏈路的吞吐量。在非對稱行鏈路上會出現下列問題：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，這也會導致吞吐量的降低。

??? 不對稱比率(返回路徑容量與前向路徑容量之比)大于ACK包尺寸于數據包尺寸之比時,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。這時會出現擁塞情況，造成ACK的延遲和導致不必要的重傳。

??? 2、服務質量QoS(QualityofService)

??? 現有的互聯網所提供的是“盡量做好”best-effort的服務在這種服務模型下所有的業務流被“一視同仁”地公平地競爭網絡資源。網絡只需盡快的完成服務，而對業務的可靠性、延遲等不能提供任何保證，隨著IP技術和網絡的發展，IP網正在從當初單純傳送數據向可傳送數據、語音、活動/靜止圖像的多媒體網絡轉變。我們可以把傳輸的業務分成兩類：實時業務和非實時業務。實時業務是指需要端到端的服務保證，對資源的持續要求較高的媒體流傳輸業務。這些業務對帶寬、延遲、延遲抖動都有特殊要求。主要包括語音、視頻傳輸等；非實時業務是指那些對傳輸時延要求較低、只需盡量將數據包發送到目的地的業務，內容包括Email、Ftp、Web瀏覽等。

??? 我們關注的就是這些業務在衛星通信網傳輸之前，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提供端到端的服務質量和保證。它無法創造帶寬，只是根據需求和網絡狀況來管理帶寬。具體可以量化為傳輸延遲、抖動、丟包率、帶寬要求、吞吐量、業務可用性等指標。為了解決QoS問題，IETF提出了下面幾種服務模型和機制：集成服務和資源預留協議(IntServ/RSVP)、區分服務(DiffServ)、和多協議標簽交換(Multiprotocollabelswitching，MPLS)，本文主要討論資源預留協議和區分服務在衛星鏈路上的應用。

??? 2.1資源預留協議(Resourcereservationprotocol)

??? Intserv/RSVP服務模型在RFC1633中進行了定義,其基本思想就是在傳送數據之前，根據業務的QoS需求進行網絡資源預留，從而為該數據流提供端到端的QoS保證，資源預留協議是核心部分。它是一種信令協議，用來通知網絡節點預留資源，如果資源預留失敗，RSVP協議會向主機返回拒絕消息。使用RSVP信令建立數據發送路徑為業務流預留資源的過程為：在傳輸數據之前，發送端先向接收端發送一個對所傳輸業務流業務描述的PATH消息，它包括了數據包的目的地址和業務特征和和業務規格(所需的帶寬上下限、延遲、抖動等)。PATH消息在網絡連接的每個路由器上依次傳送。這樣就建立了一個路徑軟狀態。當接收端接收到一個PATH消息后，它將根據業務特點和QoS來計算出所需的資源，并且沿相反路徑發送一個資源預留請求RESV消息，中間路由器在接受到RESV消息后，調用程序來決定是否接收該業務流。如果接受，就會分配相應的帶寬和緩沖空間并記錄該流的相關狀態消息，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，它向接收端發回一個ACK。則在整個鏈路上逐點建立了業務流的資源預留軟狀態(softstate)。

??? 2.2區分服務(differentiatedservices)

??? 區分服務的思想就是將用戶的數據流按照服務質量要求來劃分等級，在網絡出現擁塞的時候，級別高的數據流在排隊和占用資源時后擁有更高的優先權[3]。

??? 實際上，區分服務提供了一種在一個子網絡域內實施QoS的框架結構。當業務流到達域的邊界路由器時，邊界節點根據用戶的流規格、和用戶與Internet服務供應商簽訂的服務等級協定SLA(service1evelagreement)對到達的業務流進行分類、整形、標記、聚合為不同的流聚集。將流聚集信息寫在IP包頭中的區分服務標記域中(DSfield)即：DSCP(differ code point)。每種DSCP對應一種“逐跳行為”(Per-hop-behavior，PHB)，這里的PHB本質上是一種相對優先級機制，其描述單個節點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(Expedited forwarding)、確保型轉發(assured forwarding)、缺省型BE(best effort)、兼容ip優先級的類選擇型CS(Class selector)。

??? 核心路由器在調度IP包時以流聚集為服務對象。根據IP包頭的DSCP，具有相同的DSCP的業務流組成宏流。核心路由器中保存簡單的DSCP和PHB機制。不同的DSCP提供不同的轉發服務質量。

??? 目前,區分服務提供下面幾種服務類型：

??? 1)獎賞服務(Premiumservice，Ps)，為用戶提供低延時、低丟失率及保證帶寬的端到端或者是網絡邊界到邊界的傳輸服務。這種“三低一保證”服務承諾使得用戶可以享受類似專線的服務質量，因此獎賞服務也稱為“虛擬專線”服務，這是目前所定義的服務級別最高的區分服務種類。

??? 2)確保服務AS(assuredservice)，其出發點是無論是否擁塞，都能保證用戶占有預約的最低限量的帶寬；其著眼點是帶寬和丟包率，而不太注重延遲和抖動。只要采用簡單的標記和丟棄機制就能實現IPQoS，實現機制簡單。

??? 3、對衛星鏈路的QoS分析

??? 3.1長延時問題

??? 在衛星鏈路上的長延時會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協議，通過我們上面介紹的工作原理可以發現，在傳輸業務流之前，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。這無疑增加了用戶的等待時間。大大增加了短時流在衛星網絡中的傳播時間，降低了網絡的他吞吐量；而在區分服務模型中，我們可以通過設置ISP和用戶之間的服務等級協定SLA。通過對某些特定的業務(實時業務)設置相對高的優先級。通過在衛星邊界路由器的數據包的整形和相對高的優先級。我們可以優化實時業務在長時延鏈路的傳輸性能。

??? 3.2帶寬不對稱

??? 在衛星鏈路上帶寬的不對稱，反向鏈路的延時和擁塞影響ACK的正確傳輸，如果采用RSVP協議，可能使情況變得更糟，因為在網絡中每一個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、舊業務的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帶來的煩惱。

??? 在使用區分服務的情況下，我們可以賦予ACK更高的優先級。這樣，他可以在其余的業務流之前傳送，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問題。但是我們可以在鏈路層采用更加強有力的前向糾錯方案，這樣就會使可用帶寬減小，我們知道與RSVP協議相比。區分服務占有的網絡資源相對較少，這使得我們傾向使用區分服務協議。

??? 另外，在衛星鏈路上采用資源預留協議就必須提供更高的帶寬。如果過多用戶都要求資源預留，這將大大增加路由器的負擔，因為狀態信息隨業務流數量增長而增長，沿途的路由器要為每個數據流都維持一個“軟狀態”，而路由器的存儲容量有限，可以保存軟狀態信息是由限的。而區分服務只在內部節點進行簡單的調度轉發，流狀態信息的保存和流監控的實現等只在邊界節點進行。并且其服務對象使流聚集而非單個流。還有，我們可以動態和靈活的對業務流進行分類和整形。所以我們可以得出結論，區分服務能夠在衛星鏈路充分利用帶寬，提供相對較好的服務質量保證。

??? 下面我們研究區分服務的確保服務類型。它通常采用RED隊列管理機制[2]。RED機制通過隨即丟棄數據分組?？刂破骄犃虚L度，避免網絡擁塞與全網同步重發。能夠有效的減輕緩沖溢出從而增加衛星吞吐量；RIO是RED的改進算法：邊界路由器監視每個進入網絡的用戶數據流，根據它們的服務規格對包進行標識，預約帶寬以內的標為IN(inprofile)，超出的標為OUT(outprofile)。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行標記，丟包優先級基于該標記。

??? 可以知道，我們可以根據用戶要求提供的服務質量。對某些業務流(如實時業務、需要連續或交互的業務流)設置較高的優先級。從而保證該業務流的傳輸。這樣。在衛星鏈路上。我們能夠為所有的應用程序設定服務次序。西安電子科技大學孫恩昌博士的碩士畢業論文的CRED算法就是典型的區分服務模型算法，其思想可以概括為，區分不同的業務(TCP、UDP)，區分不同業務的不同階段(TCP的慢啟動和擁塞避免階段)或帶寬波動程度(UDP業務)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業務，CRED的平均吞吐量明顯高于FRED和RED的，而對于音頻、視頻等多媒體業務，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通過對業務置不同優先級，能夠保證衛星鏈路上較好的傳輸TCP業務，并且音頻、視頻業務也能夠得到較好的傳輸。

??? 4、結論

??? 在本文中，我們首先介紹了網絡QoS保證中常見的兩種措施：RSVP(資源預留協議)和DiffServ（區分服務)的詳細概念，并且分析了各自在衛星系統上的優劣之處。我們注意到，在RSVP架構下，所有的信息流經過的節點都需要對每一個信息流保持一個狀態，并且作監控和管理。這將造成延展性(scaling)問題。

??? 區分服務在開始預算了幾種服務，將封包分類一起聚集處理，提供相同的品質保證，將復雜的流量調節功能放在網絡邊界的路由器里。這樣加快了網絡傳輸的速度。

??? 結合衛星網絡的固有特點，作者通過詳細的分析，認為區分服務更加適合在衛星網絡中提供較為優質的QoS。

??? 參考文獻

??? 1J.Touch，S.Ostermann，D.Glover，et.al.“OngoingTCPResearch Related to Satellites”，RFC 2760，IETF，February 2000

??? 2姜明.浙江大學Internet主動式隊列管理機制綜述文章來源：賽迪網2002年11月08日S.Blake，D.Black，M.Carlson，E.Davies，Z.Wang，andW．Weiss，“An Architecture for Differentiated Services，”RFC2475，Dicembre 1998.