Trong mạng VSAT sử dụng phương pháp cấp phát theo nhu cầu, các trạm VSAT phải cạnh tranh băng thông để phát hay tải lên dữ liệu của chúng. Một số hệ thống thông tin vệ tinh băng rộng mới sử dụng phương pháp cạnh tranh băng thông dựa trên công nghệ tương tự như công nghệ chia sẻ Ethernet. Khi càng có nhiều người dùng thêm vào hệ thống thì sẽ xảy ra xung đột do có nhiều người dùng yêu cầu băng thông cùng một lúc. Khi tải tăng, điều này có thể tạo ra hiệu ứng “snowball” cho đến khi tất cả băng thông được giải phóng đủ để kiểm soát cạnh tranh. Do đó, điều quan trọng là mạng không được bị quá tải cao vì khi đó dịch vụ có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Khi một VSAT đã cạnh tranh để truy nhập, Hub sẽ cấp phát băng thông trên cùng một tần số hay kênh (TDMA) hoặc trên nhiều tần số hay kênh (MF- TDMA). Việc cấp phát băng thông này sẽ được thực hiện dựa trên một số loại thuật toán truy nhập công bằng và yêu cầu băng thông tích cực từ các trạm VSAT. Nhưng đáng tiếc là việc truy nhập này không phải luôn luôn thành công vì va chạm có thể xuất hiện khi nhiều trạm VSAT yêu cầu một kết nối và băng thông cùng một lúc, và phải tạm dừng chờ phát lại. Điều này gây ra thời gian khởi đầu chậm và thêm jitter mà nó sẽ ảnh hưởng đến các ứng dụng VoIP và Video/IP.
Hầu hết trong số các hệ thống kiểu này (các hệ thống trên cơ sở DVB/RCS) cấp phát băng thông theo các đoạn 8 hoặc 16 Kbps cho một khoảng thời gian được cấu hình trước, thường được tính bằng giây. Khi khoảng thời gian này hết, nếu VSAT đầu xa không sử dụng băng thông hoặc nếu có yêu cầu có mức ưu tiên cao hơn thì băng thông sẽ bị giải phóng và được cấp phát lại. Đáng tiếc là phương pháp cấp phát băng thông này cũng gây lãng phí và kém hiệu quả, và rất khó để tối ưu cho chất lượng tốt nhất.
Lưu lượng trên cơ sở Internet hay Web có tính chất rất đột biến. Thời gian truyền thường rất ngắn và ngẫu nhiên về bản chất. Bởi vì băng thông thường được cấp cho 1 khoảng thời gian tối thiểu cỡ vài giây, nên tất cả thời gian rỗi mà một VSAT giữ băng thông được cấp phát, nhưng lại không phát dung lượng truyền dẫn sẽ bị lãng phí.
Hệ thống của iDirect giảm thiểu thời gian kết nối bằng kỹ thuật D- TDMA (Deterministic – TDMA) do chính họ phát minh. Đó là cấp phát một lượng nhỏ băng thông dành riêng hoặc CIR (tốc độ thông tin cam kết) cho mỗi router vệ tinh, do đó một VSAT không bao giờ phải cạnh tranh để truy nhập. Nó luôn có một kết nối tới Hub. Phần băng thông dùng chung được cấp phát động cho mỗi VSAT 8 lần trong 1 giây bằng thuật toán truy nhập công bằng để ngăn chặn các trạm có mức độ sử dụng cao chiếm dụng đường truyền của các trạm khác.
Băng thông hoặc khe thời gian không bao giờ bị chiếm giữ bởi các trạm VSAT mà được cấp phát liên tục theo thời gian thực, tận dụng tối đa băng thông sẵn có và phân phối nó cho những người dùng theo thời gian thực. Hiệu quả băng thông tăng từ 10 đến 20% đối với hầu hết các hệ thống truyền thống, và đạt tới hơn 95% đối với hệ thống của iDirect.
Giải pháp của iDirect rất tốt đối với các ứng dụng VoIP và Video/IP vì một số lý do. Do có băng thông dành riêng nên các trạm VSAT không cần cạnh tranh để bắt đầu truyền, làm chủ được jitter đối với các ứng dụng nhạy cảm với jitter. Ngoài ra, băng thông được cấp phát cho một trạm VSAT được trải rộng ra toàn bộ các khung, tạo ra một luồng dữ liệu trơn tru chứ không bị giật như trong nhiều hệ thống khác. Hình 2.10 minh họa ưu điểm của cấp phát trải đều.
Hub cấp phát băng thông động cho mỗi trạm VSAT dựa trên các giới hạn tốc độ, QoS, CIR đã cấu hình và độ sâu hàng đợi hiện thời. Theo một số
cách, với tất cả các ưu điểm về chất lượng mà giải pháp này mang lại, công nghệ này có thể được xem giống như việc nâng cấp từ hub ethernet kiểu chia sẻ lên Switch Ethenet thông minh.
Hình 2.10: Cấp phát khe thời gian trải đều ra các khung
Nguyên lý cơ bản của D-TDMA được thể hiện trên hình 2.11. Đó là mỗi trạm ở xa luôn được gán một tốc độ thông tin tối thiểu hay tốc độ thông tin cam kết (CIR - Commited Information Rate), phần còn lại của băng thông sẽ được cấp phát động cho các trạm khi các trạm có nhu cầu. Do vậy D-TDMA có một số ưu điểm chính là:
Loại bỏ được va chạm xảy ra khi các trạm ở xa truy cập mạng đồng thời. Việc cấp phát khe thời gian cung cấp truyền dẫn được bảo đảm, giảm thiểu/loại bỏ phát lại, do đó tăng thông lượng.
Hình 2.11: Mạng D-TDMA của iDirect
Trong mạng lớn có nhiều sóng mang hướng vào (inroute), iDirect sử dụng kết hợp D-TDMA và MF-TDMA gọi là kỹ thuật MFD – TDMA cho phép các trạm ở xa sử dụng băng thông dùng chung một cách hiệu quả và trạm Hub có thể điều khiển luồng lưu lượng dữ liệu để “cân bằng tải” trong quá trình hoạt động bình thường của mạng. Hình 2.12 minh hoạ MF-TDMA hướng vào trong mạng của iDirect, trạm A phát các cụm của mình (màu đỏ) trên các kênh tần số khác nhau
Hub Remotes Downstream 128K – 18 M Upstream 64K – 4 M 1 2 10 n Remote-1 Remote-10 3.75 Mbps 25 kbps Remote-2 4 Mbps
Hình 2.12: MF-TDMA hướng về trong mạng hình sao của iDirect. 2.3.3. Kỹ thuật tăng tốc TCP/IP
Ta biết, trễ truyền dẫn của các hệ thống thông tin vệ tinh có ảnh hưởng đáng kể đến sự làm việc của các giao thức đã được sử dụng cho các hệ thống trên mặt đất. Giao thức TCP/IP được phát triển để truyền dẫn tin cậy. Nhưng đáng tiếc là trễ qua vệ tinh làm cho thiết bị gửi TCP/IP rất chậm hoặc kênh bị tắc nghẽn. Thiết bị gửi đợi xác nhận trong một khoảng thời gian ngắn và khi không nhận được nó quay trở về phát lại. Các nhà sản xuất thiết bị thông tin vệ tinh đã khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng các kỹ thuật tăng tốc TCP. Nhiều giải pháp vệ tinh thực hiện việc tăng tốc TCP bằng thiết bị lắp thêm bên ngoài. Và hầu hết các giải pháp mới chỉ thực hiện tăng tốc theo một chiều. Nhiều giải pháp dựa trên “việc đánh lừa” giao thức TCP. Vấn đề ở đây là không có sự quản lý đầu cuối của phiên TCP, do đó nếu một gói bị mất ở giữa một quá trình truyền một file lớn thì file phải được phát lại từ đầu. iDirect cung cấp giải pháp tăng tốc TCP hai chiều, tích hợp sẵn vào thiết bị Hub ở trạm Hub và router vệ tinh ở trạm đầu xa. Hơn nữa, việc truyền dữ liệu được bám, đệm và thỉnh thoảng xác nhận được gửi từ đầu này tới đầu kia, do
đó nếu có một lỗi xuất hiện thì chỉ có phần bị hỏng cần được phát lại. Hình 2.13 so sánh giữa phiên TCP thông thường với phiên TCP có tăng tốc của iDirect theo một chiều.
Hình 2.13: Sơ đồ tăng tốc TCP theo một hướng của iDirect.
Một vấn đề khác có liên quan đến trễ truyền dẫn đó là thiết lập phiên TCP. Điều này có thể thấy rõ khi duyệt một trang Web mà nội dung của nó có nhiều đường liên kết. Mỗi một liên kết trong đó đều phải đi qua một quá trình kết nối/ xác nhận được thực hiện một cách tuần tự và bị ảnh hưởng trực tiếp bởi trễ vệ tinh. iDirect cung cấp giải pháp tăng tốc bắt tay 3 đường cho cả 2 chiều. Giải pháp này cải thiện trả lời web hơn hẳn bằng cách loại bỏ sự cần thiết đối với các gói xác nhận đi qua đường truyền vệ tinh. Điều này làm cho việc tải các trang Web nhanh và trơn tru giống như các đường truyền trên mặt đất. Hình 2.14 minh hoạ giải pháp tăng tốc 3 đường theo 1 hướng của iDirect.
Hình 2.14: Sơ đồ tăng tốc bắt tay 3-đường theo một hướng
2.4. Các thuật toán cải thiện hiệu năng TCP/IP trong mạng VSAT
Hãng iDirect là một hãng chuyên sản xuất các thiết bị vệ tinh có những giải pháp khắc phục các nhược điểm của hệ thống thông tin vệ tinh rất độc đáo nhưng các công nghệ đó cũng là độc quyền của họ, nên không có một tài liệu nào đi sâu vào các công nghệ đó ở bên ngoài. Với đặc trưng của ngành hàng không, vấn đề giảm bới trễ đến mức tối thiểu là thiết yếu nhất. Vì vậy với công nghệ vệ tinh IP thì cải thiện tốc độ và giảm tắc nghẽn trong đường truyền là một vấn đề cần được đề cập. Sau đây ta xem xét một số yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng TCP/IP, với các thuật toán điều khiển lưu lượng và tránh tắc nghẽn trong thông tin vệ tinh IP. Từ đó ta thấy được sự cải tiến của việc tăng tốc ở thiết bị của hãng iDirect.
2.4.1. Thuật toán khởi động chậm
Khi một kết nối TCP là được thiết lập, TCP phát không truyền ngay toàn bộ những đoạn dữ liệu cần truyền. Bởi TCP phát cần phải tránh vượt qua khả năng lưu thông của mạng bằng cách chỉ truyền một ít những gói tin tại thời điểm bắt đầu và đợi nhận ACK của gói tin đó và sau đó từ từ tăng tốc độ truyền của nó. Điều này cho phép TCP nguồn thăm dò mạng để xác định lượng dải thông mà hiện thời sãn sang cho kết nối. Kỹ thuật khởi động chậm này được sủ dụng:
- Tại thời điểm bắt đầu của mỗi kết nối TCP mới
- Khi một kết nối TCP đang tồn tại và được bắt đầu lại sau một thời gian dài nhãn rỗi
- Khi một kết nối TCP đang tồn tại và được bắt đầu lại sau khi sự truyền lại kết thúc
Kết quả, Slow-Start giữ cho mạng không bị tắc nghẽn khi một phiên TCP được thiết lập.
Hình 2.15 Minh họa thao tác kỹ thuật Slow-Start TCP. Với Slow-Start bên gửi phải duy trì cửa sổ tắc nghẽn (Congestion Window (cwnd)), cửa sổ mà đánh giá số lượng lưu lượng của nó mà mạng có thể cho phép truyền mà không bị tắc nghẽn. Khi một phiên TCP được thiết lập đầu tiên, cwnd khởi tạo cỡ của một đoạn thông báo bởi host đich cuối khác của kết nối. TCP gửi có thể truyền với giá trị nhỏ nhất của một trong hai giá trị là cửa sổ khởi tạo của nó (biểu diễn dòng điều khiển áp đặt bởi nơi gửi) và cửa sổ thông báo của host đích (biểu diễn luồng điều khiên áp đặt bởi nơi nhận). Tức là:
Khi một kết nối được thiết lập, TCP nguồn khởi đầu Slow-Start bằng cách truyền một segment và đợi ACK của nó. Mỗi khi nhận thông báo trả lời ACK, TCP nguồn tăng cwnd từ 1 lên 2, và 2 segment là được gửi. Khi 2 segment đó là được báo nhận, nguồn tăng từ cwnd từ 2 lên 4 và 4 segment được gửi. tiếp tục như vậy cwnd tăng theo số mũ 2n, n=1,2,3,4….. là số lần phát, cho đến khi cửa sổ của nó vượt quá cửa sổ thông báo của máy nhận hoặc những gói tin bị thất lạc do tắc nghẽn, được thể hiện qua việc gia tăng của thời gian trễ toàn phần RTT. Đến đây, TCP phát cần biết rằng độ lớn của cửa sổ cwnd đã quá lớn và cần phải có điều chỉnh phù hợp.
Hình 2.15: Thuật toán Slow-start
Nếu có gói bị mất , Slow-Start gửi lại gói bị mất đó (hình 2.16). Kỹ thuật này được gọi là “selective repeat”. Để làm điều này máy thu phải lưu giữ một
time time Nguồn Đích Cwnd=1 Cwnd=2 Cwnd=4 Pkt0 Pkt 1,2 Pkt3,4,5,6 ACK0 ACK1 cwnd 1 ACK2
bản ghi nhận chính xác số gói tin và ACK của nó để xác định gói tin bị mất và thực hiện truyền lại.
Hình 2.16: Thuật toán khởi động chậm xử lý gói tin bị mất 2.4.2. Thuật toán tránh tắc nghẽn
Đặc trưng của hiện tượng tắc nghẽn số liệu là thời gian trễ RTT tăng. Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng giá trị RTT:
- Hiện tượng mất gói tin tại một hệ định tuyến nào đó trong mạng (do thiếu bộ nhớ nhận chẳng hạn), dẫn đến Timeout và nơi phát phải thực hiện phát lại gói số liệu bị mất
- Nơi phát nhận được nhiều lần các thông báo trả lời ACK cho biết tại trạm nhận các gói số liệu đã đến không đúng theo thứ tự phát (out-of-order). Biện pháp tránh tắc nghẽn số liệu chính là giảm lưu lượng số liệu phát vào kênh TCP được thiết lập, từ đó hạn chế được tình trạng mất gói số liệu. thuật toán Slow-Start và Congestion avoidance là những kỹ thuật điều khiển lưu lượng tránh tắc nghẽn gói tin hoạt động độc lập, song có quan hệ mật thiết với nhau và thường được cài đặt cùng nhau. Hoạt động của hai giải pháp này như sau:
Nguồn Đích Timeout của pkt 1 Pkt1 Pkt0 Pkt2 Pkt3 Pkt1 Pktn+1 Pktn+2 Pktn X
• Đặt giá trị ban đầu cwnd=1 đơn vị gói tin và ssthresh =65.535 byte, trong đó ssthresh (slow-start threshold) là ngưỡng trên của thuật toán slow- start.
• TCP không bao giờ phát nhiều hơn giá trị cửa sổ tối thiểu của cwnd và độ lớn cửa sổ thu được nơi thu thông báo trước đó: W=min {cwnd, độ lớn cửa sổ thu}
• Khi hiện tượng tắc nghẽn lõi xuất hiện, đặt giá trị cửa sổ W/2 (không nhỏ hơn 2 đơn vị gói tin) lưu giữ trong trường thresh và đặt cwnd=1 đơn vị gói tin
- Mỗi khi nhận được thông báo ACK, giá trị cwnd được tăng lên phụ thuộc vào thuật toán khởi động chậm hay thuật toán tắc nghẽn được thực hiện
- Nếu cwnd<ssthresh, thuật toán khởi động chậm được thực hiện: giá trị cwnd được tăng một đơn vị gói số liệu với mỗi thông báo ACK nhận được
- Ngược lại nếu cwnd = ssthresh, thuật toán tránh tắc tránh tắc nghẽn được thực hiện: giá trị cwnd được tăng 1/RTT (tăng tuyến tính) với mỗi ACK nhận được
Hình 2.17: Minh họa thuật toán Slow-Start và Congestion avoidance
cwnd Điểm mạng tắc nghẽn Congestion avoidance ssthresh Slow Start y y/2 -1 time
- Có thể thấy độ gia tăng giá trị cửa sổ phát trong trường hợp điều khiển tránh tắc nghẽn là tuyến tính, trong khi ở thuật toán khởi động chậm là tăng theo hàm mũ. Điều này đảm bảo tận dụng băng thông được cấp phát, tăng hiệu suất trao đổi số liệu trên kết nối TCP khi áp dụng thuật toán khởi động chậm và vẫn phòng tránh có hiệu quả khi hiện tượng tắc nghẽn gói tin xuất hiện.
2.4.3. Cải thiện thuật toán Slow-Start
Một trong những cố gắng khác nhằm cải thiện Slow-start là kỹ thuật “TCP spoofing”. Kỹ thuật này dựa trên ý tưởng là tạo cho router gần với phía kết nối vệ tinh gửi trả tín hiệu báo nhận (ACK) đối với các gói dữ liệu TCP nhằm tạo cho phía gửi có cảm giác đang tham gia vào một quá trình truyền dẫn với khoảng cách khá ngắn. Khi có tín hiệu báo nhận thực sự (ACK) từ phía thu router sẽ huỷ bỏ và router cũng chịu trách nhiệm phát lại các datagram bị lỗi.
Hình 2.18: TCP “spoofing”
Có một số vấn đề cần phải lưu ý tới khi áp dụng thuật toán này. Trước hết, router phải làm khá nhiều công việc sau khi nó gửi tín hiệu báo nhận. Nó phải có bộ đệm cho các segment dữ liệu để đề phòng trường hợp cần phải phát lại (vì phía phát có thể đã huỷ bỏ tín hiệu này), vấn đề thứ hai là cơ chế
này cần sử dụng kiểu đường truyền đối xứng: dữ liệu và các tín hiệu ACK cần truyền trên cùng đường truyền giữa các router tuy nhiên như chúng ta đã biết, đối với các dịch vụ Internet thì việc truyền bất đối xứng là phổ biến. Vấn đề thứ ba là cơ chế này có thể bị ảnh hưởng do lỗi. Khi thay đổi đường nối hoặc các router hỏng – dữ liệu có thể bị mất. Dữ liệu thậm chí có thể bị lỗi ngay