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 sau khi phía gửi phát dữ liệu nhưng router vẫn gửi ACK và do đó phía phát vẫn được báo là việc truyền dẫn đã thành công. Đây là một trong những phương pháp của hãng iDirect đang sử dụng.
Tổng kết chương 2:
Trong chương này luận văn đã nêu ra các giải pháp kỹ thuật đặc trưng được ứng dụng trong hệ thống thiết bị của iDirect để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên băng thông vệ tinh. Sau đó luận văn tập trung chủ yếu vào nghiên cứu phương pháp đa truy nhập MFD-TDMA, D-TDMA và kỹ thuật tăng tốc TCP của iDirect. Bên cạnh đó, để có cơ sở lý thuyết đánh giá công nghệ IP của hãng iDirect, tác giả đã nêu ra các thuật toán điều khiển luồng, tránh tắc nghẽn của giao thức TCP/IP từ đó đưa ra giải pháp cải tiến của hãng.
Chương 3
THIẾT KẾ MẠNG VSAT CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG VIỆT NAM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ iDIRECT
Với nhu cầu đi lại ngày càng tăng, ngành hàng không càng ngày càng phát huy vai trò to lớn trong việc vận chuyển hành khách cũng như hàng hóa. Là một loại hình phương tiện hiện đại nhất tốc độ cao nhất vì vậy đòi hỏi mức độ an toàn được đặt lên hàng đầu trong phương châm hoạt động của ngành:
“An toàn, hiệu quả, điều hòa”. Việc liên lạc điều hành bảo đảm an toàn có trách nhiệm cao nhất, cho nên vấn đề thông tin yêu cầu phải luôn thông suốt, nhanh nhất, hiệu quả cao nhất. Vì vậy, sử dụng thông tin VSAT là một trong hai phương án bắt buộc để truyền các thông tin phục vụ bay là hoàn toàn phù hợp. Hiện tại ngành hàng không đang sử dụng hệ thống thông tin VSAT dựa trên công nghệ chuyển mạch kênh với thiết bị của hãng Hughes và Comtech thuê vệ tinh Thaicom-1 với hiện tượng nghẽn mạng và trễ đường truyền là quá lớn. Hiện nay nước ta đã có vệ tinh thông tin VINASAT-1, với công nghệ tiên tiến chuyển mạch gói IP có thể đảm bảo khắc phục được vấn đề trễ đối với thoại vấn đề quan trọng nhất trong thông tin hàng không. Qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu công nghệ phục vụ cho thông tin vệ tinh tôi nhận thấy thiết bị của hãng iDirect có nhiều ưu điểm vượt trội so với các hãng khác để thiết kế mạng VSAT phục vụ cho ngành. Trong chương này luận văn tập trung vào phân tích các yêu cầu để lựa chọn cấu trúc mạng, phân tích và lựa chọn giải pháp công nghệ và thiết bị, tính toán băng thông và quỹ năng lượng từ đó lựa chọn các thiết bị ngoài trời.
3.1. Mô tả hệ thống hệ thống thông tin ngành hàng không Việt Nam
3.1.1. Hệ thống thông tin ngành hàng không Việt Nam hiện nay
Hệ thống thông tin vệ tinh cung cấp các đường truyền thoại và dữ liệugiữa ACC HCM, ACC HN, các trung tâm thành viên, trạm VHF và các sân bay lẻ.
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống thông tin vệ tinh ngành hàng không Việt Nam Mạng thông tin vệ tinh bao gồm 4 trạm mặt đất thuộc mạng DOMSAT và 10 trạm lẻ thuộc mạng VSAT giao tiếp với 2 trạm Hub thông qua vệ tinh THAICOM 1A theo mô hình mạng lai ghép hỗn hợp giữa hình sao và hình mắt lưới. Cấu hình chung cho mỗi trạm gồm có phần thiết bị vệ tinh của hãng Hughes Network System (Mỹ) hoặc của hãng NEC (Nhật) và phần thiết bị ghép kênh của hãng Scitec (Australia). Toàn bộ hệ thống với thiết bị sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh, sử dụng các thiết bị ghép kênh (Multiplexer). Với tốc độ đường truyền hạn chế.
- Mạng DOMSAT:Mạng DOMSAT có 4 trạm mặt đất được đặt tại
thành phố HCM, Đà Nẵng, Quy Nhơn, Hà Nội, sử dụng vệ tinh ThaiCom 1A, với các đặc tính kỹ thuật như sau :
• Tần số - Tần số thu là : 3,7GHz đến 4,2GHz - Tần số phát là : 5,851GHz đến 6,425GHz 256K 64K 64K 128K 64K 64K 64K 64K 256K 128K 128K 64K 64K 64K 192K Tân Sơn Nhất N1,N5(HubII) Đà Nẵng N2 Nội Bài N3 (Hub I) Cát Bi N211 Vinh N210 Vientiance N220 Mộc Châu N213 ĐiệnBiên N212 Vũng Chua N4 Phú Cát N114
Ban Mê Thuật
N112 Phú Quốc N111 CàMau N110 Phan Rang N113 Đồng Hới N214 64K
• Cấu hình mạng: mạng DOMSAT sử dụng cấu hình mạng lưới, sử dụng kỹ thuật MCPC và đa truy nhập ấn định trước PAMA.
• Hệ thống giám sát và điều khiển mạng tại Tân Sơn Nhất. RMAC giám sát và điều khiển 4 trạm mặt đất, NCS điều khiển các tham số của bộ tách ghép kênh.
- Mạng VSAT: Gồm hai mạng hình sao với hai Hub, một đặt tại Nội Bài
và một đặt tại Tân Sơn Nhất. Với dung lượng giữa các trạm Hub và trạm VSAT lẻ là nhỏ ở mức 64kbps, hai kênh thoại và hai kênh số liệu, nó có thể được mở rộng đến 128kbps.
3.1.2. Các loại thông tin trong ngành hàng không truyền qua vệ tinh. - Dữ liệu (Data): Bao gồm tín hiệu Radar giám sát, tín hiệu điện văn AFTN, thông tin về khí tượng.
- Thoại (Voice): Tín hiệu thoại VHF: liên lạc giữa mặt đất và tàu bay; tín hiệu thoại nội bộ: tổng đài nội bộ, đường thoại hotline.
- Các tín hiệu điều khiển.
3.1.3. Thực tại hệ thống thông tin VSAT ngành hàng không Việt Nam Như đã giới thiệu ở phần trên, hệ thống thiết bị VSAT của ngành hiện nay đang dùng của hãng Hughes và Comtech. Hệ thống này được đưa vào sử dụng từ năm 1995 đến nay, nên chủ yếu các thiết bị với công nghệ cũ, các thiết bị đều không còn dự phòng và rất khó khăn và tốn kém trong việc đặt hàng để thay thế khi hỏng hóc vì hiện các loại này nhà máy không còn sản xuất nữa. Một lý do nữa là mạng sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh với cấu trúc thiết bị rất phức tạp với chi phí đường truyền rất cao. Mặt khác, ngành đang thuê vệ tinh Thaicom-1 và Thaicom-5 của Thái Lan ở băng C và cũng sắp đến thời hạn làm đáo hạn hợp đồng. Hiện ngành đã có chủ trương chuyển hệ thống VSAT sang dùng công nghệ IP với vệ tinh Vinasat-1 và đã
được phê duyệt. Nhưng Vinasat-1 làm việc ở băng C mở rộng và băng Ku vì vậy thiết bị cũ cũng không còn phù hợp, yêu cầu phải thay thế toàn bộ.
3.2. So sánh mạng VSAT sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh với công nghệ chuyển mạch gói dựa trên nền IP
- Thiết bị theo công nghệ chuyển mạch kênh đã lạc hậu, nhiều hãng đã dừng sản xuất loại này, nhất là các bộ ghép kênh ở dải tần cơ sở - Multiplexer. Hiện nay các thiết bị TTVT ở giải tần cơ sở (baseband) có xu hướng chuyển sang sử dụng công nghệ IP tích hợp đa dịch vụ với chi phí rẻ hơn, cấu hình thiết bị cũng đơn giản, dễ bảo trì và thay thế.
- Công nghệ IP cho phép tổ chức kết nối các dịch vụ truyền số liệu, thoại, video,... của mạng TTVT với các mạng hạ tầng viễn thông đơn giản, thuận lợi hơn so với công nghệ chuyển mạch kênh.
- Công nghệ IP sẽ giúp tiết kiệm băng thông nhiều so với các công nghệ cũ, không yêu cầu độ dự phòng công suất (back-off) cao, do đó giúp giảm kích thước ăng ten và công suất máy phát trạm mặt đất.
- Vấn đề bảo mật thông tin có thể thực hiện ở mức luồng IP, và điều này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế chế tạo các thiết bị bảo mật (VSAT tới VSAT) của ngành cơ yếu quân đội với chi phí thấp.
Phần mô tả và sơ đồ cấu trúc mạng dưới đây, qua phân tích các phần tử mạng sử dụng IP sẽ thấy rõ hơn những ưu điểm của phương án IP đề xuất:
- Tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả truyền dẫn, giảm chi phí băng thông vệ tinh do chỉ một sóng mang được phát từ trạm HUB cho thoại, dữ liệu và thông tin video và được chia sẻ cho tất cả các trạm VSAT.
- Dữ liệu và thoại được đóng gói và đánh địa chỉ riêng rẽ với từng trạm VSAT. Nếu số lượng kênh thoại giảm và không có THHN thì băng thông sẽ được cấp phát cho truyền dữ liệu nhiều hơn. Khi đó tốc độ truyền số liệu tới trạm VSAT và tốc độ tải xuống sẽ tăng lên.
- Dữ liệu được cấp phát đảm bảo ở mức băng thông tối thiểu và thoại sẽ có ưu tiên băng thông cao hơn dữ liệu.
Ngoài ra, phương án IP còn giảm độ phức tạp của thiết bị ở HUB:
- Theo giải pháp IP, HUB chỉ phát một sóng mang và chia sẻ cho tất cả các trạm VSAT. Công suất RF ở HUB sẽ nhỏ hơn khi so sánh với giải pháp phát nhiều sóng mang từ HUB.
- Đường lên (Up-link) của HUB chỉ cần một modem điều chế duy nhất, thay vì rất nhiều modem như phương án chuyển mạch kênh. Các bộ demodulator (giải điều chế) có thể chọn loại có nhiều đầu vào sóng mang đồng thời. Một số thiết bị HUB tích hợp cao với các card demodulator có thể giảm không gian trạm HUB xuống nữa. Điều này giúp giảm số lượng thiết bị, giảm phức tạp đấu nối dây ở trạm HUB và tiêu thụ điện.
- Trạm HUB cũng sẽ không yêu cầu (hoặc rất ít) mức backoff công suất