16. Протоколы множественного доступа

Рассмотрим технические особенности современных и перспективных спутниковых систем связи, которые нужно учитывать при организации доставки трафика Интернет. К самым важным особенностям относятся поддерживаемые протоколы множественного доступа к ресурсу спутника связи, алгоритмы маршрутизации IP-пакетов, методы повышения эффективности работы транспортного протокола TCP.

Протокол множественного доступа (Multiple Access Control - MAC) определяет набор правил управления передачей трафика от множества распределенных терминалов через общий спутниковый канал (моноканал) и играет главную роль в достижении высоких рабочих характеристик всей системой спутниковой связи. Разумеется, речь идет о системах, реализующих первые два варианта организации доступа в Интернет. Протоколы множественного доступа относятся ко второму уровню модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interworking) и оказывают существенное влияние на работоспособность высокоуровневых протоколов и средств обеспечения требуемого качества обслуживания (Quality of Service - QoS) трафика. Эффективность работы протоколов множественного доступа зависит как от характеристик среды передачи, так и от особенностей передаваемого трафика. Большая задержка распространения сигналов в спутниковых системах связи, особенно с геостационарными спутниками, делает невозможным применение MAC-протоколов, разработанных для наземных проводных и беспроводных локальных сетей (таких, как протокол CSMA). Кроме того, низкая энергетика спутниковых каналов, наличие в них резких затуханий и замираний сигнала контрастируют с условиями передачи данных в наземных системах связи. Интернет-трафик по своей природе является импульсным. В то же время обеспечение требуемого качества обслуживания пока ограничено применением механизма «наибольшего усилия» (best-effort) для трафика различной природы. Таким образом, перспективные протоколы множественного доступа должны поддерживать приоритезацию различных классов трафика. Например, приоритет трафика реального времени, как правило, должен быть выше, чем приоритет трафика, не относящегося к этому классу.

Хороший протокол множественного доступа для спутниковой сети должен быть простым в реализации, надежным и гибким (для обеспечения возможности реконфигурации сети) в работе. Он также должен обеспечивать высокую эффективность использования ресурса спутникового моноканала, стабильность параметров организуемых логических каналов, вносить минимальную избыточность и задержку. В зависимости от способа распределения пропускной способности спутникового моноканала между терминалами все системы спутниковой связи можно разделить на три группы: с фиксированным распределением, со случайным доступом и с распределением по требованию.

Фиксированное распределение может быть осуществлено по частоте, времени или коду сигнала. На перечисленных способах распределения основаны наиболее известные базовые протоколы множественного доступа - FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) и CDMA (Code Division Multiple Access). Согласно FDMA и TDMA, каждому терминалу выделяется отдельный канал. Это исключает состязания за общий канальный ресурс и хорошо подходит для обеспечения QoS. Однако в этом случае очень неэффективно используется ресурс спутника. Из-за плохой гибкости и расширяемости такие схемы доступа пригодны лишь для небольших сетей со стабильными параметрами трафика. Протокол FDMA первым нашел применение в спутниковых сетях. Позже благодаря отсутствию нелинейных искажений и более высокой эффективности использования мощности спутникового ретранслятора более широкое распространение получил протокол TDMA. В системах CDMA каждому терминалу выделяется уникальная кодовая последовательность, с помощью которой расширяется спектр его сигнала. Если кодовые последовательности ортогональны, то все другие сигналы выступают в качестве аддитивного шума и могут быть эффективно ослаблены на приемной стороне. С точки зрения масштабирования сети с протоколом CDMA являются самыми простыми из перечисленных.

Случайный доступ наиболее предпочтителен для сетей с большим числом малогабаритных (VSAT, USAT) низкоскоростных терминалов, генерирующих пульсирующий трафик. Число терминалов в таких сетях может достигать сотен и тысяч единиц. Согласно протоколам случайного доступа (Aloha и его вариации), каждый терминал передает свои данные независимо от других, в результате чего могут иметь место коллизии пакетов. Повторные передачи после коллизий способствуют увеличению средней задержки передачи пакетов и ее дисперсии, а также снижают эффективность использования спутникового моноканала на уровне всей сети.

Распределение по требованию. Хотя случайный доступ лучше подходит для сетей с большим числом терминалов, он не гарантирует QoS. Протоколы, относящиеся к классу DAMA (Demand Assignment Multiple Access), пытаются разрешить это противоречие путем организации динамического распределения пропускной способности ретранслятора в зависимости от требований пользователей. Запросы последних на выделение части ресурса спутникового ретранслятора должны быть переданы до начала передачи пользовательских данных. Как правило, запросы передаются в режиме случайного доступа. После успешного резервирования запрошенного ресурса передача пользовательских данных происходит в бесконфликтном режиме - FDMA или TDMA. Резервирование может быть реализовано в распределенном или централизованном режиме. В последнем случае центральный контроллер может быть расположен либо на ЗС, либо на спутнике с обработкой на борту. Если контроллер расположен на Земле, то минимальная задержка обслуживания запроса будет не меньше, чем время 2-х скачковой передачи сигнала. Размещая контроллер на спутнике, эту задержку можно сократить вдвое. Более эффективным является распределенное управление, согласно которому каждый терминал принимает решение для своей передачи на основе полученной из широковещательного спутникового канала запросной информации от других терминалов. Вводимая распределенным режимом работы информационная избыточность достаточно мала, а минимальная задержка доставки запроса на ресурс соответствует односкачковой задержке передачи сигнала. Резервирование может быть явное или неявное. В первом случае оно реализуется путем передачи специальных служебных сигналов в выделенном канале резервирования. Каждая станция передает по каналу резервирования короткий запрос, определяющий необходимый ей ресурс, как правило, это число временных окон (slots) TDMA. Доступ к каналу резервирования осуществляется на основе фиксированного распределения, например TDMA, или по случайному методу, такому, как Aloha. Пользовательские данные передаются по информационному каналу только после его успешного резервирования. При неявном резервировании специальные резервирующие сообщения не используются. Успешно переданные пользовательские данные в определенном временном окне означают его резервирование в последующих кадрах. Освободившееся окно в кадре рассматривается как признак окончания передачи данных и может быть зарезервировано заинтересованными станциями в следующем кадре. Такая схема подходит для передачи относительно стабильного трафика, такого, как голос или видео. Например, в соответствии с протоколом R-Aloha первый пакет используется для неявного резервирования и передается в свободном окне по протоколу S-Aloha. Известные протоколы PODA (Priority-Oriented Demand Assignment) и FODA (FIFO Ordered Demand Assignment) комбинируют явные и неявные запросы. Каждый кадр TDMA протокола PODA состоит из управляющего субкадра (части кадра) и субкадра данных с гибкой границей. Явные запросы передаются в режиме состязания в управляющем субкадре по протоколу S-Aloha, в то время как в качестве неявных запросов выступают успешно переданные пакеты данных. В соответствии с протоколом FODA субкадр данных, в свою очередь, делится на субкадр, используемый в режиме коммутации каналов для передачи потоковых данных, и субкадр, используемый в режиме коммутации пакетов для передачи дэйтаграмм. При этом организуются три очереди запросов на обслуживание с различными (в порядке убывания) приоритетами: для потоковых данных, для короткого интерактивного пакетного трафика, для большеразмерного пакетного трафика (передача больших файлов).

Предложен ряд способов распределения оставшегося не зарезервированным ресурса в ответ на требования пользователей. Согласно протоколу CFDAMA (Combined Free/Demand Assignment Multiple Access), распределение происходит в соответствии с круговой («карусельной») или другой определенной стратегией, а согласно протоколу CRRMA (Combined Random Reservation Multiple Access), оставшийся ресурс используется в режиме случайного доступа. В этом режиме пульсирующий интерактивный трафик может быть передан по незарезервированным каналам без задержки, обусловленной передачей требований. В гибридной схеме RRR (Round Robin Reservation) число станций должно быть меньше или равно числу временных окон кадра. За каждой станцией закрепляется выделенный канал, а оставшиеся или неиспользуемые каналы доступны по круговому принципу и протоколу S-Aloha. Каждый из рассмотренных протоколов может оказаться оптимальным для определенной сети с конкретным сочетанием числа малоразмерных терминалов, шлюзовых станций и параметров передаваемого трафика.