Các cải tiến TCP cho đường truyền vệ tinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




Trần Đình Tùng





CÁC CẢI TIẾN TCP
CHO ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH






Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Mạng và truyền thông
Mã số: 1.01.10


LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS. Nguyễn Đình Việt







Hà Nội - 2008


4
Mục lục

Bảng thuật ngữ viết tắt 6
Danh mục các hình vẽ 8
Mở đầu 10
Chƣơng 1 - GIỚI THIỆU 13
1.1. Lịch sử phát triển và ƣu nhƣợc điểm của truyền thông vệ tinh 13
1.1.1. Lịch sử phát triển của truyền thông vệ tinh 13
1.1.2. Ƣu nhƣợc điểm của truyền thông vệ tinh 16
1.2. Một số khái niệm và kiến thức cơ bản về truyền thông vệ tinh 17
1.2.1. Các khái niệm cơ bản 17
1.2.2 Các hệ thống vệ tinh 20
1.3. Kết nối mạng qua đƣờng truyền vệ tinh 21
1.3.1 Đặc điểm của đƣờng truyền vệ tinh và các vấn đề phải giải quyết 21
1.3.2 Các giải pháp khắc phục 23
Chƣơng 2 - CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƢU LƢỢNG TRONG GIAO THỨC
TCP 26
2.1 Sự phát triển của mạng Internet 26

2.2 Kiến trúc mạng Internet 26
2.2.1 Mô hình tham chiếu ISO OSI 27
2.2.2 Mô hình TCP/IP 30
2.3. Tổng quan về giao thức TCP 31
2.3.1 Cấu trúc gói tin TCP 33
2.3.2. Cơ chế hoạt động của TCP 36
2.4. Một số thuật toán điều khiển lƣu lƣợng trong TCP 38
2.4.1. Thuật toán “Khởi động chậm” – SS (Slow Start) 38
2.4.2. Thuật toán “Tránh tắc nghẽn” – CA (Congestion Avoidance) 39
2.4.3. Thuật toán “Phát lại nhanh” – FRTX (Fast Retransmit) 41


5
2.4.4. Thuật toán “Khôi phục nhanh” – FRCV (Fast Recovery) 41
2.5. Các phiên bản của giao thức TCP 42
2.5.1. Tahoe 42
2.5.2. Reno 43
2.5.3. New-Reno 44
2.5.4. SACK TCP 45
2.6 Ƣu điểm của TCP trong mạng truyền thông 45
Chƣơng 3 - CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU SUẤT TCP TRONG MẠNG
CÓ ĐƢỜNG TRUYỀN VỆ TINH 46
3.1. Sửa lỗi phía trƣớc - FEC (Forward Error Correction) 46
3.2. TCP SACK 50
3.3. TCP HACK (HeAder ChecKsum option) 54
3.4. TCP Trunk 58
Chƣơng 4 - ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT TCP TRÊN ĐƢỜNG TRUYỀN VỆ
TINH BẰNG MÔ PHỎNG 63
4.1. Giới thiệu bộ phần mềm mô phỏng NS 63
4.2. Sử dụng phần mềm mô phỏng NS để mô phỏng đƣờng truyền vệ tinh . 63

4.2.1 Các tham số cơ bản của tổ hợp vệ tinh 64
4.2.2. Cài đặt vệ tinh và các trạm mặt đất 65
4.2.3. Kết nối vệ tinh 66
4.2.4. Hỗ trợ theo dõi 68
4.3 Đánh giá hiệu suất TCP khi hoạt động trên đƣờng truyền vệ tinh. 70
4.3.1 Vệ tinh VINASAT-1 và các tham số đặc trƣng 70
4.3.2 Cấu hình mạng mô phỏng 73
4.3.3 Các thí nghiệm mô phỏng và kết quả 74
Kết luận 82
Phƣơng hƣớng nghiên cứu tiếp theo 83
Tài liệu tham khảo 84


6
Bảng thuật ngữ viết tắt
ARPANET
Advanced Research Projects Agency Network
ARQ
Automatic Repeat reQuest
awin
advertised window
CA
Congestion Avoidance
CWND
Congestion window
FEC
Forward Error Correction
FRCV
Fast Recovery
FRTX

Fast Retransmit
FRCV
Fast Recovery
GEO
Geostationary Earth Orbit
GMB
Guaranteed Minimum Bandwidth
GSL
Ground to Satellite Link
HACK
HeAder ChecKsum option
HEO
High Elliptical Orbit
IP
Internet Protocol
ISL
Inter Satellite Link
ISN
Initial Sequence Number
ISO
International Standard Organization
LEO
Low Earth Orbit
MEO
Medium Earth Orbit


7
MSS
Maximum Segment Size

NS
Network Simulator
OSI
Open Systems Interconnection
RMSS
Receiver Maximum Segment Size
RTO
Retransmit Timeout
RTT
Round Trip Time
RWND
Receiver Window
SACK TCP
Selective ACKnowledgement TCP
SMSS
Sender Maximum Segment Size
SS
Slow Start
TCP
Transmission Control Protocol
UDP
User Datagram Protocol


8
Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1 Hệ thống vệ tinh hỗ trợ cho truyền thông di động toàn cầu 16
Hình 1.2 Các kiểu quỹ đạo vệ tinh 18
Hình 2.1 Mô hình tham chiếu OSI 7 tầng 27

Hình 2.2 Mô hình TCP/IP 30
Hình 2.3 Gói số liệu TCP với phần tiêu đề giả 33
Hình 2.4 Cấu trúc gói số liệu TCP 36
Hình 2.5 Phƣơng thức bắt tay ba bƣớc - thiết lập kết nối. 37
Hình 2.6 Phƣơng thức bắt tay ba bƣớc - kết thúc kết nối. 38
Hình 3.1 Thông lƣợng của TCP với FEC và không FEC 49
Hình 3.2 Lựa chọn cho phép SACK TCP 53
Hình 3.3 Khuôn dạng lựa chọn SACK TCP (length =n) 53
Hình 3.4 Bên gửi TCP HACK khi đóng gói dữ liệu 55
Hình 3.5 Bên nhận TCP HACK 57
Hình 3.6 Bên gửi TCP HACK khi nhận ACK 58
Hình 3.7 TCP trunk 59
Hình 3.8 Thực hiện TCP trunk 60
Hình 4.1: Cấu trúc của bộ mô phỏng NS-2 63
Hình 4.2: Các thành phần chính của mạng vệ tinh 67
Hình 4.3: Cấu trúc tập vết thông thƣờng của NS 68
Hình 4.4: Vùng phủ sóng của băng tần C 72
Hình 4.5: Vùng phủ sóng của băng tần Ku 73
Hình 4.6: Cấu hình mô phỏng 74
Hình 4.7 Hệ số sử dụng đƣờng truyền của các phiên bản TCP khác nhau, kích
thƣớc cửa sổ phát thay đổi từ 32KB tới 256 KB, đƣờng truyền không lỗi. 75


9
Hình 4.8: Độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác nhau, kích thƣớc cửa
sổ phát thay đổi từ 32KB tới 256 KB, đƣờng truyền không lỗi. 77
Hình 4.9 Hệ số sử dụng đƣờng truyền của các phiên bản TCP khác, đƣờng
truyền có lỗi (mô hình lỗi Markov) 78
Hình 4.10 Độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác, đƣờng truyền có lỗi
(mô hình lỗi Markov). 79

Hình 4.11 Thăng giáng độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác, đƣờng
truyền có lỗi (mô hình lỗi Markov) 80
Hình 4.12 Hệ số sử dụng đƣờng truyền trên đƣờng truyền T1, tọa độ vệ tinh
thay đổi từ 85
0
E tới 132
0
E, đƣờng truyền có lỗi. 81



10
Mở đầu
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã tạo tiền đề cho sự phát triển của
truyền thông vệ tinh, tới nay truyền thông vệ tinh đã đƣợc sử dụng rộng rãi và
các hệ thống vệ tinh đã trở thành một phần cơ sở hạ tầng của mạng máy tính
toàn cầu - Internet. Trên thế giới đã có rất nhiều hệ thống vệ tinh đƣợc thiết kế
và thực hiện, phục vụ cho mục đích trao đổi thông tin khắp toàn cầu. Thông tin
vệ tinh có rất nhiều các ƣu điểm nhƣ ổn định, ít bị tác động của môi trƣờng (địa
hình, động đất, phá hoại, …), diện tích phủ sóng rộng do đó cho phép nhanh
chóng liên lạc tới các vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà các hệ thống thông tin liên
lạc khác không thể với tới đƣợc.
Cùng với xu hƣớng phát triển khoa học công nghệ trên thế giới, Việt
Nam dần từng bƣớc chinh phục không gian, mà bƣớc tiến quan trọng đầu tiên là
sở hữu vệ tinh địa tĩnh VINASAT-1. VINASAT-1 không những giúp Việt Nam
chủ động hơn trong thông tin liên lạc, phục vụ thƣơng mại, an ninh, quốc phòng
mà còn khẳng định chủ quyền của Việt Nam trong không gian.
Với tốc độ tăng trƣởng kinh tế nhanh chóng của Việt Nam, cơ sở hạ tầng
nói chung trong đó có hạ tầng viễn thông phải đi trƣớc một bƣớc, đáp ứng đƣợc
nhu cầu tăng trƣởng kinh tế. Đặc điểm địa lý của Việt Nam là có bờ biển dài, có

nhiều núi non hiểm trở, có thềm lục địa rộng lớn, có rất nhiều đảo và quần đảo
cách xa đất liền. Do đó, để phát triển kinh tế và bảo vệ an ninh quốc phòng nhất
thiết phải có hệ thống thông tin liên lạc mạnh và phủ sóng rộng khắp. Hệ thống
thông tin vệ tinh sẽ đáp ứng cho chúng ta các yêu cầu đó.
Sau khi phóng và điều chỉnh vệ tinh vào quỹ đạo thích hợp, cần thiết lập
đƣờng truyền thông giữa vệ tinh với vệ tinh và giữa vệ tinh và các trạm mặt đất.
Để truyền thông tin vệ tinh, có nhiều giao thức đã đƣợc sử dụng trong đó có
giao thức TCP/IP, tuy nhiên do đặc điểm của truyền thông vệ tinh rất khác so
với truyền thông mặt đất nên cần phải cải tiến TCP/IP cho phù hợp.


11
Nội dung đầu tiên của đề tài là nghiên cứu các kiến thức nền tảng của
TCP từ đó đề ra các hƣớng nghiên cứu cải tiến. Tiếp đó, đề tài sẽ tập trung vào
nghiên cứu bằng mô phỏng mạng có đƣờng truyền vệ tinh và đánh giá hiệu suất
của TCP và các phiên bản cải tiến của TCP trên đƣờng truyền vệ tinh.
Đề tài tập trung đi sâu phân tích các thuật toán điều khiển tắc nghẽn đƣợc
cài đặt trong các phiên bản của TCP, bao gồm thuật toán “khởi động chậm”,
“tránh tắc nghẽn”, “phát lại nhanh” và “khôi phục nhanh”.
Đề tài phân tích kỹ các giải pháp có thể đƣợc sử dụng để nâng cao hiệu
suất đƣờng truyền vệ tinh bao gồm: sửa lỗi phía trƣớc (FEC - Forward Error
Correction), SACK và TCP SACK, TCP HACK (HeAder ChecKsum option)
và TCP Trunk. Sau đó, thông qua công cụ mô phỏng NS để mô phỏng quá trình
truyền thông vệ tinh nhằm chỉ ra phiên bản TCP phù hợp, kích thƣớc cửa sổ
phát tối ƣu và vị trí tốt nhất của vệ tinh so với các trạm mặt đất.
Với mục tiêu trên, chúng tôi bố trí luận văn thành 4 chƣơng:
Chương 1: Giới thiệu
Nội dung của chƣơng này là giới thiệu chung về truyền thông vệ tinh,
phân tích các đặc điểm của đƣờng truyền vệ tinh, các vấn đề phát sinh khi kết
nối qua đƣờng truyền vệ tinh.

Chương 2: Cơ chế điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Chƣơng này sau khi giới thiệu về sự phát triển của Internet, mô hình kiến
trúc TCP/IP sẽ đi sâu vào phân tích giao thức TCP, một số thuật toán điều khiển
lƣu lƣợng trong TCP và các phiên bản của giao thức TCP.
Chương 3: Các giải pháp cải thiện hiệu suất TCP trong mạng có đường
truyền vệ tinh
Trong chƣơng này đề cập tới các giải pháp hay sử dụng để nâng cao hiệu
suất đƣờng truyền vệ tinh.


12
Chương 4: Đánh giá hiệu suất TCP trên đường truyền vệ tinh bằng mô
phỏng
Trong chƣơng này, phần đầu giới thiệu về công cụ mô phỏng thƣờng
đƣợc sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng mạng, đó là NS (Network Simulator).
Sau đó thiết lập cấu hình mô phỏng và thực hiện việc mô phỏng đƣờng truyền
vệ tinh sử dụng các phiên bản TCP khác nhau.
Cuối cùng là phần kết luận và phƣơng hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề
tài.


13
Chƣơng 1 - GIỚI THIỆU
1.1. Lịch sử phát triển và ƣu nhƣợc điểm của truyền thông vệ tinh
1.1.1. Lịch sử phát triển của truyền thông vệ tinh
Ngƣời đầu tiên đã nghĩ ra vệ tinh nhân tạo dùng cho truyền thông là nhà
viết truyện khoa học giả tƣởng Arthur C. Clarke vào năm 1945. Ông đã nghiên
cứu về cách phóng các vệ tinh, quỹ đạo của chúng và nhiều khía cạnh khác cho
việc thành lập một hệ thống vệ tinh nhân tạo bao phủ thế giới. Ông cũng đề
xuất việc sử dụng 3 vệ tinh địa tĩnh (geostationary) cho một hệ thống viễn

thông, đủ để phủ sóng cho toàn bộ Trái Đất. Vệ tinh nhân tạo đầu tiên là
SPUTNIK 1 đƣợc Liên bang Xô viết phóng lên ngày 4 tháng 10 năm 1957 đã
chứng minh cho ý tƣởng của Arthur C. Clarke. Sự kiện này là một là động lực
thúc đẩy lớn lao đối với truyền thông vệ tinh của cả thế giới. Về mặt công nghệ,
SPUTNIK không thể so sánh đƣợc với các vệ tinh hiện đại ngày nay. Nó chỉ
đơn thuần phát ra các tín hiệu radio “bíp bíp” một cách đều đặn. Thế nhƣng, đó
quả thực là một bƣớc tiến to lớn của con ngƣời trong việc chinh phục không
gian. Chỉ ba năm sau vào năm 1960, vệ tinh ECHO của Mĩ trở thành vệ tinh
truyền thông thực thụ đầu tiên của nhân loại với khả năng tiếp nhận và phản hồi
lại các tín hiệu radio. Tiếp theo ECHO, vệ tinh địa tĩnh đầu tiên SYNCOM ra
đời năm 1963 với ƣu điểm lớn nhất là giữ đƣợc vị trí tƣơng đối cố định so với
mặt đất. Khả năng tuyệt vời này đặt nền tảng cho việc phủ sóng các chƣơng
trình thời sự toàn nƣớc Mĩ tại thời đó.
Sau đó, hàng loạt các vệ tinh thƣơng mại đƣợc đƣa lên quỹ đạo nhƣ
INTELSAT-1, vệ tinh nặng 68 kg này cung cấp 240 kênh điện thoại song công
tƣơng đƣơng với một kênh truyền hình. Vệ tinh INTELSAT-2 và INTELSAT-3
với số kênh thoại lên tới 1200 kênh. Tới năm 1976 ra đời của MARISAT cung
cấp dịch vụ truyền thông cho các phƣơng tiện giao thông đƣờng thủy, từ đó
ngƣời ta thấy các ăng-ten parabol bắt đầu xuất hiện trên tầu thuyền, giúp các tầu


14
thuyền có thể liên lạc thƣờng xuyên với nhau và liên lạc với đất liền trong các
hành trình khắp nơi trên thế giới. Hệ thống điện thoại vệ tinh di động đầu tiên,
INMARSAT-A, đƣợc giới thiệu vào năm 1982. Sáu năm sau là INMARSAT-C.
Đến năm 1993, các hệ thống điện thoại vệ tinh đƣợc số hóa toàn bộ.
Năm 1998 đánh dấu thế hệ truyền thông vệ tính mới với sự ra đời của các
tổ hợp vệ tinh Iridium, đây là dự án đầy tham vọng của Motorola nhằm xây
dựng một hệ thống vệ thông tin di động phủ sóng khắp toàn cầu. Ban đầu dự án
Iridium đƣợc thiết kế bao gồm 77 vệ tinh tạo thành một mạng lƣới mà khi hoàn

thành sẽ cho phép 2 điểm bất kỳ trên trái đất có thể liên lạc đƣợc với nhau. Tên
của hệ thống (Iridium) đƣợc đặt theo tên của nguyên tố thứ 77 trong bảng hệ
thống tuần hoàn, 77 vệ tinh quay quanh trái đất nhƣ 77 electron quay quanh hạt
nhân nguyên tố Iridium. Khi triển khai thực tế, vì lý do kinh tế nên số vệ tinh
đƣợc tính toán lại và chỉ còn là 66 vệ tinh, tuy nhiên tên của hệ thống vẫn đƣợc
đặt nhƣ ban đầu. Khi đƣa vào vận hành, hệ thống vệ tinh Iridium đã đƣợc coi
nhƣ một thành tựu sáng chói của khoa học kỹ thuật.
Một hệ thống vệ tinh đáng chú ý khác là hệ thống Globalstar, với 48 vệ
tinh cung cấp các kênh truyền thƣơng mại cho thấy sự phát triển thật ấn tƣợng
của truyền thông vệ tinh chỉ sau hơn 30 năm kể từ ngày ra đời.
Hiện nay, vệ tinh đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực sau:
 Nghiên cứu khoa học: Do có diện tích quan sát rộng nên vệ tinh đã đƣợc sử
dụng rộng rãi trong nghiên cứu trái đất, môi trƣờng cũng nhƣ dự báo thời
tiết. Sử dụng các công nghệ hiện đại, vệ tinh còn có khả năng nhìn sâu vào
trong lòng đất phục vụ các nghiên cứu địa chất, thăm dò tài nguyên. Ngoài
ra, với ƣu điểm không bị cản trở bởi tầng khí quyển, các vệ tinh đã tỏ ra rất
hiệu quả trong nghiên cứu thiên văn, vũ trụ.


15
 Định vị: Các hệ thống định vị và định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh đã trở nên
phổ biến với mọi ngƣời và tham gia vào nhiều mặt của đời sống, kinh tế xã
hội từ tránh tắc nghẽn giao thông, định vị trí trên đất liền, trên biển,
 Quân sự: Là một trong những ứng dụng đầu tiên mà loài ngƣời nghĩ tới. Vệ
tinh đƣợc sử dụng tham gia các nhiệm vụ trinh sát, chụp ảnh do thám, gây
nhiễu, phá hủy hạ tầng truyền thông đối phƣơng. Bên cạnh đó, thông tin liên
lạc trong quân sự sử dụng vệ tinh cũng tỏ ra an toàn hơn trƣớc sự tấn công
bằng các vũ khí thông thƣờng của kẻ thù.
 Thông tin liên lạc: Vệ tinh có điểm ƣu việt mà không một hệ thống ăng ten
hay truyền hình cáp nào có đƣợc là bán kính phủ sóng rộng lớn. Chỉ có

truyền thông vệ tinh mới phủ sóng đƣợc tới các vùng xa xôi nhƣ các hải đảo,
các vùng cực, Đối với truyền thông di động, những ƣu điểm của truyền
thông vệ tinh đƣợc đặc biệt phát huy.
 Làm đƣờng trục cho điện thoại toàn cầu: Ngay từ khi ra đời truyền thông
vệ tinh đã đóng vai trò quan trọng trong liên lạc toàn cầu, đƣờng truyền vệ
tinh có băng thông rộng, có thể truyền đƣợc rất nhiều các kênh truyền điện
thoại.
 Kết nối tới những vùng xa xôi hẻo lánh: Nhiều khu vực trên thế giới khó
có thể kéo các đƣờng truyền hữu tuyến do các nguyên nhân chủ quan (chính
trị, quân sự) cũng nhƣ khách quan (các yếu tố địa lý), khi đó đƣờng truyền
vệ tinh là lựa chọn lý tƣởng.
 Thông tin di động toàn cầu: thƣờng sử dụng vệ tinh quỹ đạo thấp vì độ trễ
nhỏ hơn so với vệ tinh địa tĩnh.


16

Hình 1.1 Hệ thống vệ tinh hỗ trợ cho truyền thông di động toàn cầu
1.1.2. Ưu nhược điểm của truyền thông vệ tinh
Ƣu điểm nổi bật của truyền thông vệ tinh là có diện tính phủ sóng rộng
lớn, có thể truyền theo phƣơng thức điểm – đa điểm (point to multipoint) tới
nhiều điểm thu khác nhau trên mặt đất. Sử dụng vệ tinh có thể đƣa các dịch vụ
phát thanh, truyền hình, thông tin liên lạc tới các vùng sâu, vùng xa của các
vùng lãnh thổ rộng lớn với chi phí thấp hơn nhiều so với việc xây dựng hàng
loạt các trạm mặt đất chuyển tiếp tín hiệu.
Tuy nhiên do khoảng cách từ vệ tinh tới trái đất lớn nên mặc dù tín hiệu
đƣợc truyền đi với vận tốc ánh sáng nhƣng tín hiệu truyền từ vệ tinh phải mất từ
hàng chục tới trên một trăm mili giây mới tới đƣợc mặt đất. Đặc điểm này tạo
ra độ trễ truyền thông lớn, ảnh hƣởng đến các dịch vụ có tính tƣơng tác và các
dịch vụ thời gian thực. Đây là yếu tố không thể khắc phục đối với việc sử dụng

các vệ tinh có quỹ đạo lớn nhƣ vệ tinh địa tĩnh.
(
(
ISDN
PSTN
GSM
User data
Mobile User
Link (MUL)
Inter Satellite Link
( ISL)
Gateway Link
(GWL)
GWL
MUL
Small cells
(spot beams)
Footprint
Base
station
gateway


17
Do vệ tinh hoạt động độc lập trong không gian, nguồn năng lƣợng cung
cấp cho vệ tinh hoạt động chỉ có thể là năng lƣợng dự trữ (nhƣ pin nhiên liệu)
hay năng lƣợng mặt trời. Các thiết bị trên vệ tinh liên tục bị bức xạ vũ trụ lại
không thể bảo trì, thay thế do đó tuổi thọ của vệ tinh tƣơng đối thấp. Hơn nữa
chi phí cho việc nghiên cứu, chế tạo vệ tinh và chi phí phóng vệ tinh rất lớn, đó
cũng là những nguyên nhân kìm hãm sự phát triển của truyền thông vệ tinh.

Cuối cùng, do tín hiệu vệ tinh phải đi qua tầng khí quyển dày đặc của trái
đất, nơi có rất nhiều hiện tƣợng thiên nhiên nhƣ mây, mƣa và sƣơng mù làm
ảnh hƣởng xấu tới chất lƣợng truyền. Truyền thông vệ tinh có tỷ suất lỗi bit cao,
dao động từ 10
-4
đến 10
-7
(so với 10
-12
khi sử dụng cáp đồng chất lƣợng cao).
1.2. Một số khái niệm và kiến thức cơ bản về truyền thông vệ tinh
1.2.1. Các khái niệm cơ bản
Vệ tinh địa tĩnh – GEO (Geostationary Earth Orbit): Là vệ tinh đƣợc phóng
lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000km so với đƣờng xích đạo, vệ tinh loại
này quay xung quanh trái đất một vòng mất 24 giờ. Do chu kỳ quay của vệ tinh
bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó và theo hƣớng Đông cùng
với hƣớng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh dƣờng nhƣ đứng yên khi quan sát
từ mặt đất, nên đƣợc gọi là vệ tinh địa tĩnh. Vệ tinh địa tĩnh có thể đảm bảo
thông tin ổn định liên tục và có nhiều ƣu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp khi sử
dụng làm vệ tinh thông tin.
Nếu ba vệ tinh địa tĩnh đƣợc đặt cách đều nhau trong mặt phẳng xích đạo
thì có thể thiết lập các đƣờng truyền thông tin liên kết các vùng trên trái đất
bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng
một mạng thông tin trên toàn thế giới.


18


Hình 1.2 Các kiểu quỹ đạo vệ tinh

Vệ tinh quỹ đạo trung bình – MEO (Medium Earth Orbit): Là vệ tinh có độ
cao từ 6000 đến 20000 km so với bề mặt trái đất, chu kỳ quay quanh quỹ đạo là
từ 5 đến 12 giờ, thời gian quan sát thấy vệ tinh tại một điểm trên trái đất từ 2
đến 4 giờ. MEO thƣờng đƣợc sử dụng trong thông tin di động hay thông tin
radio. Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu.
Vệ tinh quỹ đạo thấp – LEO (Low Earth Orbit): Là các vệ tinh có độ cao
trong khoảng từ 500 đến 1500 km so với bề mặt trái đất, chu kỳ quay quanh quỹ
đạo từ 95 đến 120 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh LEO khoảng dƣới 10
phút. Việc bố trí các vệ tinh LEO gần nhau có thuận lợi là thời gian để dữ liệu
phát đi từ một vệ tinh đến các vệ tinh lân cận là rất ngắn, do đó tác dụng tiếp
sức tƣơng hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền
hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn. Nhƣng hệ thống LEO đòi hỏi phải có
khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt địa cầu.

1000 km
10.000 km
35.768
km
GEO
(inmarsat)
MEO
(ICO)
Inner and
outer
Van Allen
belts
HEO
LEO
(Globalstar,
Indium)

19
Vệ tinh quỹ đạo Elipse – HEO (Highly Elliptical Orbit): Là vệ tinh có quỹ
đạo hình Elipse, trong đó trái đất là một trong hai tâm.
Cận điểm (Perigee): Là điểm nằm trên quỹ đạo của vệ tinh HEO gần bề mặt
trái đất nhất.
Điểm cực viễn (Apogee): Là điểm nằm trên quỹ đạo của vệ tinh HEO xa bề
mặt trái đất nhất.
Độ cao (Altitude): Là khoảng cách của vệ tinh so với bề mặt trái đất. Các vệ
tinh có quỹ đạo tròn có độ cao không đổi còn vệ tinh quỹ đạo Elipse có độ cao
thay đổi theo thời gian.
Góc nâng tối thiểu (Elevation Mask): Là góc tối thiểu giữa vệ tinh với mặt
phẳng tiếp tuyến bề mặt trái đất tại trạm mặt đất mà trạm mặt đất có thể thu
đƣợc tín hiệu vệ tinh.
Mặt phẳng quỹ đạo (Plane of Satellite Orbit): Là mặt phẳng chứa quỹ đạo
của vệ tinh.
Góc nghiêng quỹ đạo (Inclination): Là góc giữa mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh
với mặt phẳng xích đạo của trái đất.
Kênh liên vệ tinh – ISL (Inter Satellite Link): Là kênh liên lạc giữa các vệ
tinh trong không gian. Thƣờng các kênh ISL có băng thông lớn hơn rất nhiều so
với các kênh liên lạc mặt đất.
Kênh liên lạc mặt đất – GSL (Ground to Satellite Link): Là kênh liên lạc kết
nối giữa vệ tinh với trạm mặt đất.
Trạm mắt đất (Terminal): Là các thiết bị trên mặt đất kết nối với vệ tinh.
Vết chân (Foot print): Là vùng phủ sóng của vệ tinh trên bề mặt trái đất.
Chuyển giao nội mặt phẳng (Intraplane Handoff): Là quá trình trạm mặt đất
chuyển từ sử dụng một vệ tinh này sang sử dụng vệ tinh khác tiếp theo trong
cùng mặt phẳng quỹ đạo do vệ tinh trƣớc đang rời xa dẫn đến tín hiệu vệ tinh
yếu dần đi.

20
Chuyển giao khác mặt phẳng: Là quá trình một vệ tinh chuyển kết nối sang
vệ tinh khác quỹ đạo.
Tần số làm việc: Là tần số sóng radio vệ tinh thu hay phát để thực hiện trao đổi
thông tin. Tần số làm việc của vệ tinh đƣợc phân loại theo bảng dƣới đây:
Băng tần
Kênh Uplink (GHz)
Kênh Downlink (GHz)
C
3.7 – 4.2
5.925 – 6.425
Ka
11.7 – 12.2
14.0 – 14.5
Ku
17.7 – 21.7
27.5 – 30.5
LIS
1.610 – 1.625
2.483 – 2.50

1.2.2 Các hệ thống vệ tinh
Có rất nhiều hệ thống vệ tinh đã đƣợc nghiên cứu và thiết kế, tuy nhiên vì
chi phí cao nên nhiều dự án đã không đƣợc thực hiện. Dƣới đây là các hệ thống
vệ tinh tiêu biểu đã đƣợc triển khai thực tế [11].
 Một hệ thống vệ tinh đã đƣợc đƣa vào hoạt động là hệ thống Iridium, với
thiết kế ban đầu là 77 vệ tinh, hiện đang hoạt động với 66 vệ tinh. Đây là hệ
thống vệ tinh LEO thƣơng mại đầu tiên bao phủ toàn cầu. Các vệ tinh có quỹ

đạo ở độ cao 780 km so với mực nƣớc biển, trọng lƣợng của một vệ tinh là
khoảng 700 kg.
 Một đối thủ trực tiếp của Irdium là Globalstar. Hệ thống này dùng ít vệ tinh
hơn (48 vệ tinh) và mỗi vệ tinh lại có ít chức năng hơn. Điều này làm cho
các vệ tinh nhẹ hơn nhiều (khoảng 450 kg) và chi phí tổng thể toàn hệ thống
rẻ hơn. Globalstar không cung cấp các ISL và không bao phủ toàn cầu,
nhƣng lại cho ngƣời dùng băng thông lớn hơn.


21
 ICO (Intermediate Circular Orbit) là một hệ thống MEO nhƣ tên gọi của nó.
ICO cần ít vệ tinh, 10 vệ tinh cộng thêm 2 vệ tinh dự phòng, để có thể bao
phủ khắp toàn cầu. Mỗi vệ tinh bao phủ gần 30% diện tích bề mặt trái đất,
nhƣng nhờ tăng số vệ tinh lên 10 mà hệ thống có thể hoạt động với góc nâng
trung bình là 40
0
. Do các vệ tinh có cấu tạo phức tạp hơn nên chúng nặng tới
khoảng 2600 kg.
 Một dự án LEO rất tham vọng là Teledesic dự định cung cấp các kết nối vệ
tinh toàn cầu băng thông cao với chất lƣợng dịch vụ tốt. Trái ngƣợc với các
hệ thống khác, mạng vệ tinh này cơ bản không thiết kế nhằm cho truy cập
dùng điện thoại di động mà cho phép truy cập Internet toàn cầu qua vệ tinh.
Kế hoạch ban đầu năm 1990 là 840 vệ tinh và 24 dự phòng, tới năm 1997
chuyển thành 288 vệ tinh, chia thành 12 lớp với 24 vệ tinh/lớp.
1.3. Kết nối mạng qua đƣờng truyền vệ tinh
1.3.1 Đặc điểm của đường truyền vệ tinh và các vấn đề phải giải quyết
Các tính chất của đƣờng truyền ảnh hƣởng đến hiệu suất của các giao
thức giao vận bao gồm độ trễ, băng thông, tỉ lệ mất gói tin do lỗi đƣờng
truyền Khi sử dụng đƣờng truyền vệ tinh cho mạng Internet, các nhân tố trên
có sự thay đổi rõ rệt so với mạng có dây dẫn trên mặt đất.

 Độ trễ lớn: Độ trễ bao gồm ba thành phần là trễ truyền (tỉ lệ thuận với chiều
dài của đƣờng truyền), trễ xử lý và trễ hàng đợi. Trong trƣờng hợp của vệ
tinh băng rộng, trễ lớn nhất là trễ truyền (propagation delay). Đối với các kết
nối qua vệ tinh địa tĩnh, do khoảng cách lớn nên trễ đƣờng truyền một chiều
thƣờng lên tới 130ms. Độ trễ của đƣờng truyền vệ tinh có thể tăng lên nếu
sử dụng FEC, vì khi sử dụng FEC trễ xử lý sẽ tăng. Tuy nhiên sự thăng
giáng của độ trễ này đối với các vệ tinh địa tĩnh thƣờng đƣợc loại trừ bằng
cách sử dụng bộ đệm Doppler. Nhờ đó, đối với các kết nối sử dụng đƣờng
truyền vệ tinh, độ trễ giữa hai điểm gửi, nhận thƣờng khoảng 250ms (một


22
chiều) và có thể coi là không đổi. Đối với các vệ tinh quỹ đạo thấp, chúng có
quỹ đạo thấp hơn rất nhiều so với vệ tinh địa tĩnh do đó trễ truyền cũng thấp
hơn đáng kể, quỹ đạo của vệ tinh giảm 1000km thì trễ truyền sẽ giảm
khoảng 6,7ms (bằng thời gian giảm bớt khi sóng điện từ truyền ngắn hơn
1000km đi lên và 1000km đi xuống). Kết nối càng đi qua nhiều chặng vệ
tinh - trạm mặt đất thì độ trễ càng lớn.
 Bất đối xứng: Khi xây dựng các hệ thống truyền thông vệ tinh, ngƣời ta
phải tính toán kỹ về kết cấu, năng lƣợng sử dụng cho vệ tinh để có thể đạt
đƣợc hiệu suất cao trong không gian. Khác với các trạm mặt đất có thể có
công suất thu phát lớn với nguồn năng lƣợng dồi dào, các vệ tinh chỉ có các
nguồn năng lƣợng hạn chế. Do đó trong các hệ thống truyền thông vệ tinh có
thể có sự bất đối xứng giữa đƣờng lên (uplink) và đƣờng xuống (downlink)
về dải thông, độ trễ Ở các hệ thống thuần GEO hay LEO thì sự bất đối
xứng có thể là vì các lí do kinh tế.
 Tỷ suất lỗi cao: Các hệ thống vệ tinh phát triển từ những vệ tinh truyền
thông thế hệ trƣớc có tỷ suất lỗi cao gây ra bởi các chuẩn truyền thông: trung
bình là 10
-7

và 10
-4
trong trƣờng hợp xấu nhất. Nguyên nhân là do các chuẩn
trên đƣợc tối ƣu hóa cho việc truyền tín hiệu âm thanh và hình ảnh analog.
Với các kỹ thuật điều biến và mã hóa mới cùng với vệ tinh có công suất phát
cao hơn, tỷ suất lỗi thông thƣờng sẽ đạt đƣợc rất thấp (đạt tới 10
-10
) khi sử
dụng vệ tinh địa tĩnh. Đối với các hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp, tỷ suất lỗi
có thể biến động nhƣng với các công nghệ hiện đại các hệ thống này sẽ đƣợc
phát triển để đạt tới chất lƣợng truyền cũng nhƣ độ ổn định không thua kém
đƣờng truyền cáp quang. Các nguyên nhân gây lỗi là do nhiễu và suy giảm
tín hiệu truyền. Do tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ truyền trong không gian
nên thƣờng bị hấp thụ và suy yếu khi đi qua sƣơng mù, mây, và đặc biệt là
mƣa.


23
 Tắc nghẽn: Do sử dụng các tần số rất cao, băng thông sóng vô tuyến rất
rộng giữa các kênh liên vệ tinh nên hiện tƣợng tắc nghẽn hầu nhƣ chỉ xảy ra
ở chặng giữa vệ tinh và trái đất. Các kết nối này bị giới hạn bởi kênh uplink
và kênh downlink, do đó trên lý thuyết các hệ thống vệ tinh thƣờng không bị
tắc nghẽn. Tuy nhiên, cổng nối giữa mạng vệ tinh với INTERNET thì lại dễ
dàng bị tắc nghẽn.
1.3.2 Các giải pháp khắc phục
Khi kết nối mạng với đƣờng truyền vệ tinh sẽ phải giải quyết một loạt các
bất lợi nhƣ thời gian trễ khứ hồi lớn, tỷ lệ lỗi đƣờng truyền cao… Cần thực
hiện các giải pháp để hạn chế bất lợi, tăng hiệu suất sử dụng đƣờng truyền.
i. Hạn chế sự gia tăng của thời gian trễ khứ hồi (RTT)
Nhƣ đã trình bày ở trên, khoảng cách từ các trạm thu phát tín hiệu trên

mặt đất tới vệ tinh tuỳ thuộc vào quỹ đạo vệ tinh và đều rất lớn. Mặc dù
liên kết vệ tinh sử dụng tín hiệu sóng điện từ để truyền tín hiệu với tốc độ
lan truyền của ánh sáng, tuy nhiên vì khoảng cách quá lớn nên tín hiệu
phải mất thời gian dài mới tới đƣợc đích. Liên kết vệ tinh địa tĩnh có thời
gian trễ khứ hồi trung bình vào khoảng 500ms. Nói chung không có
phƣơng pháp nào làm giảm thời gian trễ truyền; tuy nhiên có thể hạn chế
sự gia tăng của thời gian khứ hồi bằng cách cố gắng làm giảm thời gian
trễ xử lý và thời gian trễ hàng đợi. Khi sử dụng TCP cho đƣờng truyền vệ
tinh, TCP sử dụng phƣơng pháp khởi động chậm (slow start) để thăm dò
mạng lúc bắt đầu khởi động kết nối. Thời gian TCP nằm trong giai đoạn
khởi động chậm tỷ lệ trực tiếp với RTT. Hơn nữa, khi gói tin bị mất thì
TCP sẽ thực hiện thuật toán điều khiển tắc nghẽn sẽ càng gia tăng RTT,
dẫn tới làm giảm thông lƣợng của kết nối TCP. Do đó phải lựa chọn
phiên bản TCP có thuật toán điều khiển tắc nghẽn phù hợp. Khi TCP phát


24
không cần chờ timeout mới phát lại các gói tin bị mất, nên hạn chế sự gia
tăng của trễ hàng đợi và trễ xử lý, nhờ đó hạn chế sự gia tăng của RTT.
ii. Sử dụng tối ƣu dải thông
Tích dải thông với độ trễ (Bandwidth-Delay Product) chính là khối dữ
liệu tối đa có thể truyền lên đƣờng truyền tại một thời điểm. Vì đƣờng
truyền vệ tinh có RTT lớn nên độ trễ đƣờng truyền có khuynh hƣớng rất
lớn. Trong giao thức có sử dụng cửa sổ nhƣ TCP, giá trị của tích dải
thông với độ trễ là giới hạn cho phép của kích thƣớc cửa sổ gửi. Để sử
dụng đƣờng truyền với hiệu suất 100%, kích thƣớc cửa sổ gửi cần thiết
lập bằng tích này [19].
Trong TCP, kích thƣớc cửa sổ gửi có thể đƣợc lựa chọn trong một
khoảng nhất định, giá trị nhỏ nhất là 40 bytes, giá trị lớn nhất của cửa sổ
cho phép tới 64KB. Với đƣờng truyền vệ tinh GEO, thông lƣợng

(throughput) tối đa có thể đạt tới:
Kbps
ms
KB
timetripround
windowadvertised
tThroughphu
satellite
1024
500
64
)max(


Thực tế, kết nối TCP sử dụng cho đƣờng truyền vệ tinh có băng thông lên
tới 2Mbps, giá trị vừa nêu trên chỉ có 1Mbps. Nhƣ vậy, để nâng cao hiệu
suất thông lƣợng của TCP trên đƣờng truyền vệ tinh, phải chọn kích cỡ
cửa sổ gửi lớn hơn giá trị quy định 64 KB, thƣờng áp dụng cho mạng mặt
đất có RTT nhỏ.
iii. Hạn chế ảnh hƣởng của lỗi đƣờng truyền
Tín hiệu trên đƣờng truyền vệ tinh phải đi qua một khoảng cách rất lớn,
trong môi trƣờng thƣờng xuyên phát sinh nhiễu điện từ. Do đó, lỗi tín
hiệu trên đƣờng truyền vệ tinh là hiện tƣợng bất khả kháng.
Để hạn chế ảnh hƣởng của lỗi đƣờng truyền, bên nhận dữ liệu phải có
khả năng kiểm tra dữ liệu nhận đƣợc có bị lỗi hay không. Nếu dữ liệu có


25
lỗi thì bên nhận tự thực hiện sửa lỗi (FEC) hoặc yêu cầu bên gửi nhanh
chóng phát lại gói dữ liệu bị lỗi.

Để thực hiện sửa lỗi ở bên nhận dữ liệu (FEC) đòi hỏi bên gửi phải đóng
gói thêm các thông tin giúp bên nhận không những phát hiện đƣợc lỗi mà
còn biết chính xác lỗi nằm ở vị trí nào trong dãy dữ liệu, nhờ đó tự thực
hiện sửa lỗi.
Trong trƣờng hợp yêu cầu phát lại dữ liệu bị lỗi, bên nhận phải thông báo
chính xác cho bên gửi biết các gói dữ liệu đã nhận đƣợc, các gói nào bị
mất hoặc bị lỗi cần phát lại. Dựa trên các thông báo đó, bên gửi sẽ nhanh
chóng phát lại chính xác các gói dữ liệu bị mất hoặc bị lỗi, không phải
phát lại toàn bộ các gói dữ liệu đã phát. Đó chính là hoạt động của phiên
bản SACK TCP, giúp tăng hiệu suất sử dụng đƣờng truyền, hạn chế đƣợc
ảnh hƣởng của lỗi đƣờng truyền, rất thích hợp với các đƣờng truyền có tỷ
lệ lỗi lớn nhƣ đƣờng truyền vệ tinh.


26
Chƣơng 2 - CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƢU LƢỢNG TRONG
GIAO THỨC TCP
2.1 Sự phát triển của mạng Internet
Với mục đích xây dựng một hệ thống mạng để kết nối các trung tâm
nghiên cứu, năm 1969 Bộ Quốc phòng Mỹ đã ký hợp đồng triển khai mạng
ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network) tiền thân của
Internet ngày nay. ARPANET là mạng sử dụng kỹ thuật chuyển mạnh gói, ngay
sau khi ra đời đã nhanh chóng phát triển, kết nối mạng của các trƣờng đại học,
các trung tâm nghiên cứu và hãng công nghiệp trên toàn nƣớc Mỹ. Mạng
ARPANET cung cấp các dịch vụ truyền thông, tổ chức lƣu trữ và cho phép truy
nhập các tài nguyên hệ thống từ xa, đã giúp ích rất nhiều cho cộng đồng khoa
học.
Quá trình nghiên cứu và phát triển ARPANET đã giải quyết đƣợc rất
nhiều vấn đề cơ bản của mạng máy tính nhƣ: kiểm soát lỗi, địa chỉ hóa, điều
khiển lƣu lƣợng, đảm bảo truyền thông tin cậy, an toàn thông tin trên mạng,…

Yếu tố thƣơng mại hóa đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của
ARPANET, nó đã trở thành hệ thống mạng toàn cầu Internet với hàng trăm
triệu máy tính nhƣ ngày nay. Các máy tính trong Internet sử dụng mô hình tham
chiếu TCP/IP, đó là một tập bao gồm rất nhiều giao thức, trong đó có hai giao
thức quan trọng nhất là TCP và IP.
2.2 Kiến trúc mạng Internet
Các mạng máy tính hiện đại đƣợc thiết kế bằng cách phân chia cấu trúc ở
mức độ cao nhằm làm giảm độ phức tạp của việc thiết kế; mạng đƣợc chia
thành các tầng (layer), mỗi tầng đƣợc xây dựng dựa trên tầng bên dƣới nó.
Trong các mạng khác nhau, số tầng, tên các tầng, nội dung của các tầng và chức
năng của các tầng có thể khác nhau; tuy nhiên, mục đích của mỗi tầng là sử
dụng các dịch vụ do các tầng bên dƣới cung cấp, để cung cấp những dịch vụ


27
nhất định cho các tầng cao hơn, sao cho các tầng này khi sử dụng các dịch vụ
của nó, không cần phải quan tâm tới các thao tác chi tiết mà các dịch vụ phải
thực hiện.
Để các mạng máy tính khác nhau có thể truyền thông với nhau, chúng
cần phải tuân theo các chuẩn. Ngƣời ta đã xây dựng nên các chuẩn nhƣ vậy,
chúng còn đƣợc gọi là mô hình tham chiếu, làm cơ sở chung cho các nhà thiết
kế dựa vào khi thiết kế mạng. Hai mô hình tham chiếu quan trọng là OSI và
TCP/IP sẽ đƣợc trình bày ở các phần dƣới đây.
2.2.1 Mô hình tham chiếu ISO OSI
Mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở OSI (Reference
Model for Open Systems Interconnection) do Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế ISO
(International Standard Organization) đề nghị năm 1983, thƣờng đƣợc gọi ngắn
gọn là mô hình OSI. Đây là bƣớc tiến đầu tiên tới sự chuẩn hóa quốc tế các giao
thức khác nhau về truyền thông, giải quyết việc kết nối các hệ thống mở, là các
hệ thống tuân theo các chuẩn đƣợc chỉ rõ, do đó các hệ thống này có khả năng

truyền thông với các hệ thống khác tuân theo các chuẩn giống nó. Mô hình OSI
gồm bảy tầng, có cấu trúc nhƣ sau:

Hệ thống A

Hệ thống B

7
Application
Giao thức tầng 7
Ứng dụng
7
6
Presentation
Giao thức tầng 6
Trình diễn
6
5
Session
Giao thức tầng 5
Phiên
5
4
Transport
Giao thức tầng 4
Giao vận
4
3
Network
Giao thức tầng 3

Mạng
3
2
Data link
Giao thức tầng 2
Liên kết dữ liệu
2
1
Physical
Giao thức tầng 1
Vật lý
1

Hình 2.1 Mô hình tham chiếu OSI 7 tầng