Mụ hỡnh đƣờng truyền TCP/IP qua vệ tinh đƣợc mụ tả trờn hỡnh 3.1. Kết nối đƣợc tớnh từ: cỏc đoạn truyền dẫn trờn mặt đất T từ Ngƣời gửi TCP qua Gateway/Router đến đoạn truyền dẫn qua vệ tinh S từ SES-1 tới SES-
2; rồi tới Ngƣời nhận TCP [7], [21].
Cỏc gúi IP xảy ra trễ do xếp hàng tại cỏc nỳt, cơ chế bỏo nhận ACK và do cơ chế truyền lại cỏc Khối dữ liệu bị mất. TCP/IP khụng cú cơ chế đặc biệt nào để phỏt hiện lỗi bớt sinh ra trờn đƣờng truyền, cũng khụng phõn biệt đƣợc sự mất gúi do lỗi bit hay do nghẽn; mà đều xử lý chung là mất gúi do nghẽn.
Hỡnh 3.1. Đƣờng kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh
Trong khi đú, đƣờng truyền qua vệ tinh địa tĩnh bị suy giảm chất lƣợng do ảnh hƣởng của xuyờn nhiễu, fading, suy hao mƣa, tạp õm lớn...mà đặc biệt cú 2 yếu tố ảnh hƣởng tới kỹ thuật truyền dẫn tớn hiệu chuyển tiếp qua vệ tinh địa tĩnh:
Đặc tớnh trễ lớn do khoảng cỏch truyền dẫn.
Khả năng chịu một tỷ lệ lỗi bit cao do cỏc yếu tố bất thƣờng trong khụng gian truyền súng tỏc động gõy ra.
Bờn cạnh đú, đƣờng truyền qua vệ tinh địa tĩnh cho phộp truyền với một tốc độ bit cao [7], [21].
3.3. Yếu tố đường truyền vệ tinh ảnh hưởng đến TCP/IP
3.3.1. 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 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 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 và 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 [21].
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 [21]:
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 thu nhỏ.
3.3.2. Tỏc động của trễ đƣờng truyền
a. Thời gian truyền toàn trỡnh (RTT – Round Trip Time) [21]
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 gửi TCP, đƣợc nhận tại Người nhận TCP và ACK 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; RTTS kớ hiệu là thời gian truyền súng trờn đoạn S thỡ thời gian truyền toàn trỡnh:
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) 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), cú: RTTmin ~ 0,1+ 0,7 = 0,8ms.
Do đú, lớp TCP phải chờ đợi 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 quỏ giang qua mạng bằng RTT*B (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 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 khi mà thực tế 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 [21].
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 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[15], [17], [21]
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
Cú 2 vấn đề cần quan tõm khi truyền trong mụi trƣờng cú độ trễ lớn nhƣ thụng tin vệ tinh:
Thứ nhất: Thuật toỏn dũ tỡm băng thụng kiểu khởi đầu chậm cú thể
mất rất nhiều thời gian để đạt tốc độ cực đại. Cụ thể: cỏc mạng vệ tinh tốc độ lờn tới hàng Gbps với RTT khoảng 0,5 giõy thỡ cần tới 29 lần RTT (nghĩa là 14,5 giõy) thỡ mới khởi tạo thành cụng. Nhƣ vậy, toàn bộ dải thụng sẽ khụng đƣợc tận dụng hết ngay và trong phần lớn thời gian băng thụng của mạng sẽ bị lóng phớ. Thậm chớ trong rất nhiều trƣờng hợp toàn bộ quỏ trỡnh truyền dữ liệu đó kết thỳc mà thuật toỏn khởi đầu chậm vẫn chƣa chấm dứt. Khi đú ngƣời sử dụng khụng cú nhu cầu sử dụng băng thụng nữa và toàn bộ thời gian truyền sẽ bị tiờu tốn bởi thuật toỏn khởi đầu chậm.
Thứ hai:Sự nhầm lẫn giữa tắc nghẽn mạng và lỗi do đƣờng truyền.
dấu hiệu của sự nghẽn mạng và do đú giảm kớch thƣớc cửa sổ phỏt khiến cho hiệu năng của toàn mạng giảm xuống.
2. Thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn
TCP sử dụng thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn tƣơng tự nhƣ thuật toỏn khởi đầu chậm để thăm dũ khả năng tăng dung lƣợng của mạng sau khi xảy ra mất gúi tin. Phớa phỏt TCP duy trỡ một cửa sổ tắc nghẽn, ƣớc lƣợng băng thụng thực tế trờn đƣờng truyền và ƣớc lƣợng này biến đổi lờn xuống trong thời gian duy trỡ kết nối. Nhỡn chung, việc tắc nghẽn đƣợc coi là xảy ra khi mất một hoặc vài datagram.
í tƣởng cơ bản của thuật toỏn ƣớc lƣợng là: Cứ mỗi một chu kỳ, phớa phỏt tăng băng thụng ƣớc lƣợng lờn một đơn vị bằng kớch thƣớc của segment cực đại. Khi phớa thu phỏt hiện ra một segment bị mất hoặc khi nhận đƣợc dấu hiệu từ mạng cho biết trờn mạng đang xảy ra hiện tƣợng tắc nghẽn, phớa phỏt sẽ giảm băng thụng ƣớc lƣợng xuống một nửa. Khi hết hiện tƣợng tắc nghẽn, thuật toỏn dũ tỡm sẽ tăng thờm một segment ứng với một chu kỳ tớn hiệu RTT.
c. Ảnh hưởng kớch thước cửa sổ
Trong những kết nối qua vệ tinh địa tĩnh, RTT lớn khiến cho 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, kờnh vệ tinh đƣợc sử dụng là quỏ rỗi. Để băng thụng hiệu dụng đạt cực đại trong mạng vệ tinh, TCP cần kớch thƣớc cửa sổ lớn hơn rất nhiều. Vớ dụ, trờn đƣờng vệ tinh với RTT = 0,8s và băng thụng = 1.54 Mbps, kớch thƣớc cửa sổ tối ƣu theo lý thuyết là 154 KB. Đõy là 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) [15], [17].
d. Ảnh hưởng tới sự thớch nghi băng thụng
TCP thớch nghi với băng thụng mạng bằng cỏch tăng kớch thƣớc cửa sổ để giảm nghẽn và giảm kớch thƣớc cửa sổ khi khụng nghẽn. Tốc độ thớch nghi tỷ lệ với 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 [15], [17].
3.4. Cỏc giải phỏp cải tiến đảm bảo truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh
Chuyển dữ liệu IP trờn đƣờng truyền vệ tinh là vấn đề rất hấp dẫn đƣợc nhiều ngƣời quan tõm, với ứng dụng IP, cỏc nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP), cỏc nhà khai thỏc vệ tinh, cỏc nhà quản lý cụng nghệ thụng tin,… cú thể đạt đƣợc lƣu thụng IP rất cao trờn mạng sơ đồ hỡnh 3.2 [7].
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 [21]. 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 dịch giao thức 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. Cuộc nối TCP kết cuối tại mỗi đầu cuối kờnh vệ tinh, ở đú đầu cuối vào IP dịch dữ liệu IP thành giao thức tối ƣu vệ tinh, đầu cuối thu IP dịch giao thức tối ƣu vệ tinh trở về TCP để thấy nhƣ là TCP/IP ở đầu cuối bờn kia [7], [17].
Hỡnh 3.2. Cuộc nối Ethernet đến Ethernet qua nền IP
Giao thức truyền tối ƣu húa trờn đƣờng truyền vệ tinh cú thể sử dụng: kớch thƣớc cửa sổ đó mở rộng; loại bỏ cỏc thuật toỏn khởi động chậm và loại trừ nghẽn. Nú cú thể sử dụng cơ chế bỏo nhận hiệu quả cao, giảm lƣu lƣợng quay lại càng nhiều càng tốt, cú thể giảm 75% lƣu lƣợng hƣớng ngƣợc. Đối với cỏc kết nối khụng đối xứng, cho phộp kờnh trở về nhỏ hơn và nhƣ vậy giảm chi phớ cho ngƣời dựng. Để điều chế tớn hiệu qua vệ tinh cú thể dựng cỏc loại mó cho phộp duy trỡ đƣờng truyền khụng lỗi nhằm sử dụng tối ƣu nguồn lực vệ tinh vớ dụ nhƣ : mó Viterbi, mó Reed Solomon, Interleaving, . . .
3.4.1. Truyền khụng đối xứng và theo một hƣớng
Cấu hỡnh Internet theo giả định truyền thống là những mạng và cỏc router đấu nối thụng qua những tuyến khụng đồng nhất, đa hƣớng và hai chiều. Theo thống kờ, trờn thực tế lƣu lƣợng Internet giữa cỏc mỏy chủ và server là khụng đối xứng: cỏc file dữ liệu lớn đƣợc những mỏy chủ tải về, cũn đƣờng yờu cầu kết nối và ACK chỉ cần lƣu lƣợng nhỏ.
Tuy thế, những nhà cung cấp dịch vụ tớnh cƣớc theo cự ly truyền IP qua mạng mặt đất bằng cỏp đồng trục, viba, cỏp quang hai chiều đối xứng; cỏc khỏch hàng trả tiền cho băng thụng cả hai hƣớng, bất chấp thực tế họ sử dụng nhƣ thế nào. Vỡ lƣu lƣợng IP quốc tế thƣờng nặng chiều đi từ U.S, nơi tập trung hầu hết những mỏy chủ; cũn dung lƣợng chiều ngƣợc lại của cỏc đƣờng mặt đất đối xứng dƣ đỏng kể. Mặt khỏc, những đƣờng qua vệ tinh địa tĩnh điều chỉnh dễ dàng cho lƣu lƣợng khụng đối xứng, băng thụng của nú đủ cho tất cả lƣu lƣợng bờn trong bỳp súng, độc lập với những luồng lƣu lƣợng điều khiển. Do đú, việc sử dụng kỹ thuật vệ tinh theo một hƣớng tăng lờn đó làm thay đổi một số quan niệm liờn quan [7], [15], [21].
a. Sử dụng giao thức TCP khụng đối xứng và theo một phớa
Việc truyền dữ liệu TCP phụ thuộc vào vũng kớn gửi dữ liệu và nhận lại cỏc ACK. Số lƣợng TCP truyền qua bị giới hạn bởi băng thụng của đƣờng gửi dữ liệu và đƣờng ACK. Cỏc ACK khụng mang dữ liệu, kớch thƣớc của nú nhỏ hơn kớch thƣớc gúi dữ liệu (kớch thƣớc một gúi dữ liệu cực đại là 576 byte bao gồm TCP + Phần mào đầu IPs). Điều này cú nghĩa là cú thể sử dụng băng thụng khụng đối xứng cho đƣờng gửi dữ liệu và đƣờng vũng lại cho ACK để tiết kiệm băng thụng. Cú hai giải phỏp cú thể tiết kiệm băng thụng đƣờng vũng lại:
- Nộn lớp kết nối: nộn phần mào đầu TCP/IP tiờu chuẩn thƣờng giảm từ 40 byte phần mào đầu TCP/IP xuống cũn 1 byte.
- Giảm số lƣợng gửi ACKs: một ACK cú thể bỏo nhận đƣợc cho nhiều khối dữ liệu.
- Cú hai phƣơng phỏp cấu hỡnh kờnh khụng đối xứng:
- Cỏc yờu cầu kết nối sẽ đƣợc gửi toàn bộ lƣu lƣợng đi qua mạng mặt đất tốc độ chậm (nhƣ Dial-up Modem) để thiết lập đƣờng truyền vệ tinh và thu lƣu lƣợng đến qua đƣờng vệ tinh tốc độ cao (kết nối theo một hƣớng).