+ Bộ thu: Anten ở Gateway thu tớn hiệu đƣờng xuống ở băng Ka rồi đổi tần xuống băng 950-1450 MHz. Sau đú Star Rx điều chế tớn hiệu, trớch cỏc khung chứa cỏc gúi BST và UDP, giao diện Star trộn cỏc đoạn gúi IP thành cỏc gúi IP sau đú chuyển tiếp ra ngoài.
+ Bộ tỏch TCP: Cỏc gúi BST đƣợc chuyển đổi thành cỏc gúi TCP, trong khi đú cỏc gúi UDP đƣợc truyền trong suốt. Tại đõy, cỏc gúi TCP và UDP đƣợc truyền và nhận trong mụi trƣờng IP.
+ Bộ định tuyến: Cỏc gúi TCP và UDP đƣợc định tuyến tới Internet.
+ Ứng dụng: Cỏc gúi TCP và UDP đƣợc phõn chia vào cỏc ứng dụng đầu cuối giống nhƣ cỏc trạm Internet..
3.2. Cỏc nhƣợc điểm trờn đƣờng truyền Internet qua vệ tinh 3.2.1. Ảnh hƣởng của trễ đƣờng truyền 3.2.1. Ảnh hƣởng của trễ đƣờng truyền
a. Thời gian truyền toàn trỡnh (RTT – Round Trip Time)[16]
RTT- là khoảng thời gian tớnh từ lỳc phỏt một segment TCP cho đến khi nhận đƣợc tớn hiệu xỏc nhận ACK, đú là thời gian khối dữ liệu đƣợc gửi từ Người
IPR FLP SI SR RF RF IDU Application SW HTTP FTP Net Meeting Client PC TCP UDP/IP TCP UDP/ IP BST UDP/ IP STAR FRAME IF IF TCP UDP/IP Internet Application Routing TCP Extraction Reception Relaying Transmission TCP Acceleration Origination
gửi TCP đến Người nhận TCP và ACK của Người nhận đƣợc gửi ngƣợc lại tới
Người gửi TCP.
Trong điều kiện khụng nghẽn, mạng truyền dẫn mặt đất cú độ trễ truyền dẫn tổng cộng RTTT cỡ 0,1s; Nếu ký hiệu RTTS là thời gian truyền súng trờn đoạn S
thỡ thời gian truyền toàn trỡnh sẽ là:
RTTmin = RTTT + 2 x RTTS (3.1) Thời gian truyền súng (trễ đƣờng truyền):
= R/c (c = 3x108 m/s) (3.2)
Trong mạng thụng tin vệ tinh địa tĩnh, khoảng cỏch từ trạm mặt đất trờn đƣờng xớch đạo tới vệ tinh khoảng 36.000km, nghĩa là R~72.000km. Khi truyền tớn hiệu từ trạm mặt đất phỏt tới trạm mặt đất thu, từ (3.2) ta cú:
~ 72x106/3x108 = 240 ms
Đối với cỏc trạm mặt đất ở biờn vựng “nhỡn thấy” của vệ tinh, R~ 2 x 41.756 km thỡ trễ là lớn nhất: ~ 279.0 ms.
Ta sẽ cú: RTTS = 2 ~ 2x279ms = 558ms.
Trong thực tế, phải tớnh cả thời gian trễ do cỏc thiết bị chuyển mạch trờn vệ tinh và trờn mặt đất gõy ra nờn giỏ trị RTTS ~ 0,7s.
Từ (3.1), ta cú: RTTmin ~ 0,1+ 0,7 = 0,8s.
Do đú, lớp TCP phải chờ tối thiểu trong khoảng thời gian này rồi mới cú thể phỏt đoạn TCP tiếp theo nờn thụng lƣợng truyền bị giảm. Điều này cũng tƣơng đƣơng với việc giảm tốc độ truyền vỡ tổng dữ liệu đang truyền qua mạng bằng RTT*B (trong đú B là băng thụng).
Lƣu lƣợng cực đại qua mạng = 64 KB/RTT.
Thời gian trễ lớn này cú tỏc động đối với tham số TTL của Khối dữ liệu.
Tuy nhiờn, độ trễ này xỏc định đƣợc và khụng thay đổi nờn ta cú thể lựa chọn giỏ trị TTL để thớch ứng với nú. Trong trƣờng hợp cú trễ xếp hàng trờn mạng mặt đất T thỡ tổng độ trễ trở thành khỏ lớn và là một giỏ trị ngẫu nhiờn. RTT càng gần tới giỏ trị TTL càng khiến cỏc gúi trở nờn dễ bị mất ngay cả khi nghẽn mạng chƣa xảy ra hoặc bờn phỏt cú thể phỏt lại khối dữ liệu trong khi nú đó đƣợc phớa thu nhận
tốt nhƣng ACK chƣa về tới Ngƣời gửi. Nhƣ vậy, hiện tƣợng nghẽn cú thể xảy ra sớm hơn. Ảnh hƣởng của thời gian trễ cú thể giảm đƣợc bằng cỏch sử dụng cỏc kờnh khụng đối xứng với đƣờng vũng lại cho ACK trờn mạng mặt đất[16].
Trƣờng hợp xảy ra mất gúi trờn đƣờng truyền (do bất kỳ lý do nào), TCP coi nhƣ mạng bị nghẽn và nú phản ứng lại bằng cỏch sử dụng thuật toỏn “Khởi đầu chậm” hoặc thuật toỏn trỏnh nghẽn, đồng thời truyền lại những gúi bị mất. Thời gian đỏp ứng của những thuật toỏn này nhạy cảm cao tới thời gian truyền toàn trỡnh RTT và việc khụi phục đầy đủ dữ liệu do mất gúi trờn một kết nối vệ tinh cú thể mất tới hàng phỳt. Điều này càng giới hạn thờm kớch thƣớc cửa sổ và lƣu lƣợng đi qua.
b. Ảnh hưởng tới cỏc thuật toỏn điều khiển tắc nghẽn[10,11,16]
Khi độ trễ lớn gõy ảnh hƣởng đến cỏc thuật toỏn điều khiển tắc nghẽn (đặc biệt là thuật toỏn khởi đầu chậm và thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn) và giảm hiệu suất sử dụng băng tần của vệ tinh.
1. Thuật toỏn khởi đầu chậm
Xột một kết nối TCP cú kớch thƣớc cửa sổ thu bằng W (gúi tin), kớch thƣớc khởi đầu của cửa sổ phỏt bằng IW (gúi tin) và thời gian truyền toàn trỡnh RTT=R(s), khi đú thời gian cần thiết để phớa phỏt hoàn thành pha khởi đầu chậm là:
Slow start time = R(log2W-log2IW) (3.3)
Trong đú: Slow start time là thời gian hoàn pha khởi đầu chậm.
Giả sử kớch thƣớc một gúi tin bằng 512 byte, kớch thƣớc cửa sổ thu nhận giỏ trị cực đại bằng 128 gúi tin, giỏ trị kớch thƣớc cửa sổ khởi đầu phớa phỏt bằng 1, độ trễ của đƣờng truyền vệ tinh R=500 ms. Theo cụng thức (3.1), ta suy ra kết nối TCP qua đƣờng truyền vệ tinh cần 3,5s để hoàn thành pha khởi đầu chậm. Trong khi đú ở cỏc hệ thống mặt đất, độ trễ vào khoảng 80ms, thời gian cần thiết của pha khởi
đầu chậm bằng 560ms. Nhƣ vậy, việc sử dụng thuật toỏn khởi đầu chậm qua vệ tinh
Hỡnh 3.3 Sự phụ thuộc của lượng byte truyền dẫn vào thời gian ở pha khởi đầu chậm
Trong đú: Đƣờng nằm trờn (đường số 1) biểu thị cho kết nối TCP qua vệ tinh, đƣờng nằm dƣới (đường số 2) biểu thị cho kết nối TCP dƣới mặt đất.
Cả hai thực nghiệm với kết nối TCP qua vệ tinh và kết nối TCP dƣới mặt đất đều khởi đầu với biến cwnd cú giỏ trị bằng 1 và sử dụng thuật toỏn khởi đầu chậm
để tăng giỏ trị cwnd. Theo đú, với khoảng thời gian cần thiết để kết nối vệ tinh đạt đƣợc kớch thƣớc cửa sổ cực đại, kết nối TCP mặt đất cú thể gửi đƣợc lƣợng dữ liệu nhiều hơn gấp 22 lần.
2. Thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn
TCP sử dụng thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn để thăm dũ khả năng tăng dung lƣợng của mạng sau khi xảy ra mất gúi tin. Cỏc kết nối TCP qua đƣờng truyền vệ tinh cần nhiều thời gian hơn để tăng cwnd so với cỏc kết nối mặt đất. Vớ dụ, khi xảy ra hiện tƣợng mất gúi tin ở một kết nối TCP với kớch thƣớc cửa sổ cực đại (128
gúi tin, mỗi gúi tin 512 byte), giỏ trị cwnd giảm xuống cũn một nửa (64 gúi tin), sau
giỏ trị của cwnd đƣợc tăng lờn 1. Nhƣ vậy, thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn cần khoảng 5,12s để tăng giỏ trị cửa sổ từ 64 lờn 128 ở cỏc mạng mặt đất và 35,84s đối với mạng vệ tinh.
Hỡnh 3.4 biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian của lƣợng số liệu đƣợc gửi bởi thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn của kết nối TCP ở cỏc mạng mặt đất và mạng vệ tinh.
Hỡnh 3.4 Sự phụ thuộc của lượng byte truyền dẫn vào thời gian ở pha trỏnh tắc nghẽn
Trong đú, đƣờng nằm trờn (đường số 1) biểu thị cho kết nối TCP qua vệ tinh, đƣờng nằm dƣới (đường số 2) biểu thị cho kết nối TCP dƣới mặt đất.
Căn cứ vào hỡnh 4.2, ta thấy với cỏc kết nối TCP dƣới mặt, đất giỏ trị của biến cwnd đạt tới giỏ trị cực đại (128 gúi tin, mỗi gúi tin kớch thước 512 byte) nhanh hơn cỏc kết nối TCP qua vệ tinh. Do đú trong cựng một thời gian, ở kết nối mặt đất, TCP cú khả năng gửi lƣợng dữ liệu nhiều hơn 9 lần so với kết nối vệ tinh.
c. Ảnh hưởng kớch thước cửa sổ
Trong những kết nối qua vệ tinh địa tĩnh, thời gian truyền toàn trỡnh RTT rất lớn dẫn đến lƣu lƣợng đi qua phụ thuộc vào kớch thƣớc cửa sổ (RTT*B). Nếu phớa TCP thu sử dụng một từ 16 bit để thụng bỏo cho TCP phỏt kớch thƣớc cửa sổ thu nú
sử dụng, thỡ kớch thƣớc lớn nhất của cửa sổ thu trong TCP tiờu chuẩn là 64KB, khi đú kờnh vệ tinh đƣợc sử dụng là quỏ rỗi. Để băng thụng hiệu dụng đạt cực đại trong mạng vệ tinh, TCP cần cú kớch thƣớc cửa sổ lớn hơn rất nhiều. Vớ dụ, trờn đƣờng vệ tinh với thời gian toàn trỡnh RTT = 0,8s và băng thụng = 1.54 Mbps, khi đú kớch thƣớc cửa sổ tối ƣu theo lý thuyết sẽ là 154 KB. Đõy là kớch thƣớc cửa sổ RTT*B cho kờnh vệ tinh hai chiều, lớn hơn nhiều so với kớch thƣớc cửa sổ cực đại 64KB trong TCP tiờu chuẩn. Để cú đƣợc cửa sổ lớn nhƣ vậy, đƣờng truyền vệ tinh địa tĩnh phải cú những cơ chế đặc biệt gọi là “cơ chế cửa sổ lớn” (TCP-LW)[10],[11].
d. Ảnh hưởng tới sự thớch nghi băng thụng
TCP thớch nghi với băng thụng mạng bằng cỏch giảm kớch thƣớc cửa sổ để trỏnh nghẽn và tăng kớch thƣớc cửa sổ khi khụng nghẽn. Tốc độ thớch nghi tỷ lệ với thời gian truyền toàn trỡnh RTT. Trong mạng vệ tinh với độ trễ truyền dẫn lớn, sự thớch nghi băng thụng diễn ra dài hơn và do đú tỏc động điều khiển nghẽn của TCP khụng đƣợc nhƣ mong muốn. Hơn nữa, sẽ mất nhiều thời gian hơn ở giai đoạn tăng tuyến tớnh để hồi phục lại kớch thƣớc cửa sổ TCP khi mất gúi, đặc biệt là nếu sử dụng TCP-LW.
3.2.2. Lỗi bớt đƣờng truyền
TCP khụng cú một cơ chế đặc biệt nào để nhận biết và xử lý riờng những gúi dữ liệu bị mất do lỗi bit, trong khi đú trờn đƣờng truyền vệ tinh khả năng lỗi bit khỏ lớn.
Trong kỹ thuật thụng tin số, chất lƣợng tớn hiệu tại điểm thu đƣợc đặc trƣng bởi tỷ số giữa năng lƣợng 1 bit thu trờn mật độ phổ tạp õm Eb/N0. Để bit thu đƣợc coi là khụng bị lỗi thỡ tỷ số này phải đạt đƣợc ở mức cần thiết nhất định, tuỳ thuộc vào kỹ thuật điều chế (PSK, QPSK...) và kỹ thuật mó hoỏ/giải mó hoỏ (mó xoắn, mó khối, giải mó viterbi, giải mó dóy) đƣợc sử dụng.
Suy hao đƣờng truyền và tạp õm là 2 yếu tố ảnh hƣởng tới tỷ số lỗi bit (BER) EB/N0. Với việc suy giảm tớn hiệu bất thƣờng và rất ngắn đó gõy nờn lỗi bớt truyền, dẫn tới khả năng mất gúi dữ liệu.
Đƣờng truyền vệ tinh cú tỷ số lỗi bit cao hơn đƣờng truyền mặt đất cho Internet. Thụng thƣờng tỷ số lỗi bit (BER) của đƣờng truyền vệ tinh khụng cú mó hoỏ kiểm soỏt lỗi vào khoảng 10-6, trong khi truyền TCP thành cụng cần giỏ trị BER là 10-8 hay thấp hơn. Hiện tƣợng mất gúi tin trong mạng cú thể xảy ra do 2 nguyờn nhõn tắc nghẽn hoặc do lỗi, tuy nhiờn TCP coi rằng nguyờn nhõn gõy nờn mọi trƣờng hợp mất gúi tin đều do tắc nghẽn do đú giảm tốc độ phỏt để trỏnh trƣờng hợp mạng bị tắc nghẽn hoàn toàn. Nhƣ vậy, nếu nguyờn nhõn của sự mất gúi là do lỗi thỡ việc giảm tốc độ phỏt của TCP là khụng cần thiết vỡ khi đú mạng vẫn cú khả năng tiếp nhận cỏc gúi tin và lóng phớ độ rộng băng tần của kờnh truyền. Điều này làm giảm thụng lƣợng hiệu dụng của kết nối, đặc biệt là trong những đƣờng truyền cú lỗi lớn nhƣ đƣờng truyền vệ tinh[7],[16].
Hầu hết cỏc giao thức mạng đƣợc thiết kế cho mụi trƣờng cỏc mạng mặt đất, nơi mà cú thể núi tỷ lệ lỗi bớt là khỏ thấp (thụng thƣờng nhỏ hơn 10-10). Trong mụi trƣờng thụng tin vệ tinh, tỷ lệ lỗi bớt cú thể cao hơn nhiều, thụng thƣờng là 10-2 đến 10-6. Điều này cú thể dẫn tới 2 vấn đề[7],[16]:
1. Gõy ra lỗi trong cỏc datagram và do đú phải truyền lại cỏc datagram. 2. TCP cho rằng việc mất cỏc datagram nhƣ là dấu hiệu của sự tắc nghẽn mạng khiến cho hiệu năng của toàn bộ hệ thống giảm.
Với tỷ số lỗi bớt lớn hơn 10-7, thụng lƣợng hiệu dụng cỏc kết nối cú kớch thƣớc cửa sổ thu giảm rừ rệt. Cỏc kết nối cửa sổ thu nhỏ ớt chịu ảnh hƣởng của lỗi hơn. Điều này đƣợc giải thớch nhƣ sau: Với cựng một xỏc suất lỗi bớt, xỏc suất xảy ra lỗi bớt ở cỏc kết nối kớch thƣớc cửa sổ lớn cao hơn so với xỏc suất xảy ra lỗi bớt ở cỏc kết nối cú kớch thƣớc cửa sổ nhỏ.
3.3. Giải phỏp khắc phục cỏc nhƣợc điểm
Cụng nghệ IP là một nền tảng tớch hợp cao, tổ hợp rất nhiều chức năng trong một hộp nhỏ, tất cả đƣợc tớch hợp và kiểm tra trong nhà mỏy, đƣợc thiết kế chế tạo hoàn hảo, linh hoạt, gồm nhiều chức năng gọi chung là Modem vệ tinh cú chức năng định tuyến, phự hợp cỏc yờu cầu điều hành mạng.
Trễ đường truyền và lỗi bit là 2 yếu tố chớnh ảnh hƣởng đến chất lƣợng IP trờn đƣờng truyền qua vệ tinh địa tĩnh[16]. Do đú, cần phải cú cỏc giải phỏp vệ tinh để đạt đƣợc mụi trƣờng trong suốt đến tận thiết bị đầu cuối tại ngƣời dựng, đú là cỏc phƣơng phỏp chuyển đổi giao thức khi truyền qua vệ tinh hoặc dựng những gateway tại mỗi đầu cuối đƣờng truyền vệ tinh. Mỗi gateway hoạt động nhƣ đại diện ở đầu cuối đối lập của đƣờng truyền TCP, tạo cho nhà khai thỏc đƣờng truyền vệ tinh đƣợc tự do sử dụng giao thức tối ƣu đƣờng truyền vệ tinh giữa cỏc cổng. Phiờn kết nối TCP kết cuối tại mỗi đầu cuối kờnh vệ tinh, ở đú đầu cuối vào IP chuyển đổi dữ liệu IP thành giao thức tối ƣu vệ tinh, đầu cuối thu IP chuyển ngƣợc lại, giao thức tối ƣu vệ tinh trở về TCP để thấy nhƣ là TCP/IP ở đầu cuối bờn kia[11].