Trong vùng không gian tải trong truyền thông vệ tinh nhiều loại kỹ thuật có thể được sử dụng bao gồm bộ phát đáp trong suốtống cong, xử lý onboard, chuyển mạch mạch onboard, chuyển mạch
Trang 1Hình 5.2 Điểm nhìn trung tâm vệ tinh của mạng trái đất
E G G
R O r
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
2
2 2
γ
( ) ( )
L G G
R O
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
2
2 2
γ
G O E
R
L R
G R
L R
r=
E R
r=
Hình 5.3 Ánh xạ điểm nhìn từ trung tâm trái đất tới điểm nhìn trung tâm GEO
5.1.3 Điểm nhìn trung tâm mạng của mạng vệ tinh
Hệ thống và kỹ thuật mạng vệ tinh tập trung vào 2 mặt:vùng không gian và vùng mặt đất Trong vùng không gian (tải trong truyền thông vệ tinh) nhiều loại kỹ thuật có thể được sử dụng bao gồm bộ phát đáp trong suốt(ống cong), xử lý onboard, chuyển mạch mạch onboard, chuyển mạch gói onboard (cũng có thể chuyển mạch ATM), chuyển mạch DVB-S và DVB-RCS hoặc định tuyến IP
Trang 2Tổng quan trung tâm mạng của hệ thống vệ tinh nhấn mạnh đến chức năng mạng hơn là kỹ thuật vệ tinh, tuy nhiên người sử dụng xem các loại mạng và kết nối logic khác nhau hơn là các kỹ thuật mạng và sự triển khai vật lý Hình 5.4 trình bày tổng quan trung tâm mạng của mạng vệ tinh
Hình 5.4 Điểm nhìn trung tâm trái đất của mạng vệ tinh
Tất cả các chức năng thêm vào là gia tăng độ phức tạp của tải trọng vệ tinh trong khả năng hỗ trợ cấu trúc liên kết đa chùm điểm “sao” (điểm đến đa điểm có tâm tại gateway trạm mặt đất) và “lưới” (đa điểm tới đa điểm) vì vậy có khả năng thất bại nhưng chúng cũng cung cấp nhiều lợi ích của việc sử dụng tối ưu hoá băng thông và nguồn công suất
Vệ tinh trong tương lai với chức năng chuyển mạch DVB onboard sẽ có thể tích hợp dịch vụ quảng bá và tương tác bằng việc kết hợp với chuẩn S và DVB-RCS khôi phục tải trọng DVB-S có thể ghép thông tin từ các nguồn khác nhau vào một chuẩn luồng DVB-S đường xuống Một ví dụ khác của việc sử dụng chuyển mạch onboard DVB là liên kết mạng các LAN sử dụng IP thông qua đóng gói MPEG-2, thông qua khôi phục lại tải trọng vệ tinh
Thực hiện các chức năng phụ thuộc vào yêu cầu của việc vận hành và bảo mật mạng để mang lại độ tin cậy và hiệu quả về giá thành của vệ tinh
5.2 Đóng gói IP
Đóng gói gói IP là một cách làm cho IP có thể thông qua bất kỳ kỹ thuật mạng nào Đó là một kỹ thuật dùng đóng gói gói IP vào khung dữ liệu do đó nó phù hợp cho việc truyền thông qua các công nghệ mạng các công nghệ mạng khác nhau có thể được sử dụng trong các định dạng khung, kích thước khung hoặc tốc độ bit dùng cho truyền dẫn gói IP khác nhau Các IP được đóng gói sẽ đặt các gói vào trong khung tải trọng lớp liên kết dữ liệu dùng cho truyền dẫn qua mạng Ví dụ mạng Ethernet, token ring, LAN không dây chúng có các định dạng khung tiêu chuẩn để đóng gói các gói IP
5.2.1 Khái niệm căn bản
Do định dạng khung khác nhau cho nên kỹ thuật dùng để đóng gói cũng có thể khác nhau, đôi khi gói IP quá lớn không vừa với khung tải trọng trong trường hợp này các gói IP phải được chia ra thành các phần nhỏ hơn (phân mảnh) để các gói IP
có thể truyền qua nhiều khung Trong trường hợp này các mào đầu được gắn thêm vào mỗi đoạn để có thể đi tới đúng đích, gói IP gốc có thể ráp trở lại từ các mảnh Có thể nhận thấy rằng quá trình xử lý đóng gói có thể có một số tác động đáng kể đến
Trang 3hiệu suất mạng do việc phải xử lý thêm các mào đầu Hình 5.5 mô tả khái niệm đóng gói gói IP
Hình 5.6 Khái niệm cơ bản của đóng gói IP
5.2.2 Giao thức điều khiển liên kết dữ liệu ở lớp cao (HDLC)
HDLC là một giao thức tiêu chuẩn quốc tế tại lớp 2(lớp liên kết) đây là một giao thức quan trọng và được sử dụng rộng rãi tại lớp 2 Nó định nghĩa 3 loại trạm (chuẩn, thứ cấp và hỗn hợp), 2 cấu hình liên kết (cân bằng và không cân bằng) và 3 chế độ truyển dữ liệu( đáp ứng bình thưòng (NRM), đáp ứng không đồng bộ (AMR)
và đáp ứng cân bằng không đồng bộ (ABM) Hình 5.6 mô tả cấu trúc khung HDLC
Hình 5.7 Cấu trúc khung HDLC
Bit định hướng dựa trên kỹ thuật chèn bit và bao gồm 2 cờ mẫu 8 bit 01111110
để nhận dạng điểm đầu và điểm cuối của khung và trường 8 bit địa chỉ dùng để xác định các thiết bị đầu cuối và trường 8 bit điều khiển được sử dụng để định nghĩa 3 loại khung (khung thông tin,khung giám sát và khung không số) Trường tải trọng dùng để mang dữ liệu (lớp liên kết dữ liệu bao gồm gói IP) và 16 bit dùng để kiểm tra lỗi CRC
Trang 45.2.3 Giao thức điểm-điểm (PPP)
Khung HDLC được làm thích nghi với giao thức PPP (điểm-điểm) là một chuẩn internet được sử dụng rộng rãi trong kết nối bằng quay số PPP được dùng cho việc kiểm tra lỗi, hỗ trợ đa giao thức thêm vào IP, cho phép các địa chỉ có thể thương lượng thời gian kết nối và cho phép chứng thực Hình 5.7 mô tả cấu trúc khung của PPP
Cờ 01111110
Điều khiển
00000011 Giao thức
Tổng kiểm tra
Cờ 01111110
Địa chỉ 11111111
Byte
Tải trọng Thay đổi
Mặc định là 2 Mặc định là
1500
Binh thường 2 nhưng có thể thương lượng 4
Mặc định Mặc định hoặc khung 0 số
0: net layer protocol 1: khác
Hình 5.7 Cấu trúc khung của giao thức điểm-điểm
5.2.4 Điều khiển truy nhập môi trường
HDLC và PPP được thiết kế cho việc truyền thông qua môi trường kết nối điểm-điểm Đối với mạng có môi trường chia sẻ, lớp bổ sung được biết đến như là lớp phụ điều khiển truy nhập môi trường (MAC) của lớp liên kết được dùng để kết nối một số lưọng lớn trạm vào mạng mà không đưa đầy đủ chi tiết Hình 5.8 minh hoạ định dạng của khung MAC
Hình 5.8 Định dạng khung của khung MAC
5.2.5 IP qua vệ tinh
Để hỗ trợ IP qua vệ tinh thì mạng vệ tinh cần phải cung cấp các cấu trúc khung
mà các gói dữ liệu có thể đóng gói vào trong khung và truyền thông qua vệ tinh từ điểm truy nhập này đến điểm truy nhập khác Trong môi trường mạng vệ tinh khung
có thể được dựa trên tiêu chuẩn giao thức lớp liên kết dữ liệu
Đóng gói IP cũng được định nghĩa trên mạng đang tồn tại như là liên kết quay
số, ATM, DVB-S và DVB-RCS mà hỗ trợ các giao thức internet hoặc liên mạng với internet Mạng ATM dùng lớp tương thích ATM loại 5(AAL5) để đóng gói gói IP
Trang 5dùng truyền mạng ATM và trong DVB-S gói IP bao gồm quảng bá được đóng gói trong tiêu đề kiểu Ethernet sử dụng chuẩn được gọi là đóng gói đa giao thức(MPE)
Nó cũng có thể đóng gói gói IP vào một gói IP khác ví dụ tạo nên một đường hầm để truyền gói IP từ mạng internet này tới một mạng internet khác
5.3 Nối mạng vệ tinh IP
Một lợi ích đặc biệt quan trong mà mạng vệ tinh cung cấp đó là mở rộng phạm
vi địa lý trên toàn bộ trái đất (bao gồm đất liền, biển và bầu trời),lợi ích của chúng được đưa đến số lượng lớn người dùng trên quy mô lớn và làm giảm các chi phí người dùng Một vệ tinh có thể thực hiện nhiều vai trò khác nhau trong mạng internet:
• Kết nối đoạn cuối : (như trong hình 5.9) đầu cuối người dùng kết nối trực tiếp với vệ tinh mà cung cấp liên kết phía trước hoặc phía sau trực tiếp Kết nối nguồn lưu lượng tới dây tiếp sóng (feeder) vệ tinh hoặc các trạm Hub thông qua liên kết internet, đường hầm hoặc quay số nó là đoạn cuối để tiếp cận đến người dùng
Hình 5.9 Điểm nhìn trung tâm vệ tinh của kết nối đoạn cuối
• Kết nối chuyển tiếp (như trong hình 5.11) vệ tinh cung cấp các kết nối giữa các gateway internet hoặc giữa các gateway ISP Lưu lượng được định tuyến thông qua các liên kết vệ tinh tới các giao thức định tuyến đã được xác định
và định nghĩa các metric liên kết trong mạng để giảm thiểu chi phí kết nối và đáp ứng các yêu cấu khắt khe về QoS đối với nguồn lưu lượng
Trang 6Điểm truy nhập
Mạng vệ tinh
Bề mặt trái đất
Vùng bao phủ Host
Trạm mặt đất gateway
ISP1
ISP2
ISP3
ISP4
ISP5
ISP6 Trạm mặt
đất gateway
Hình 5.11 Điểm nhìn trung tâm vệ tinh với kết nối chuyển tiếp tới internet
• kết nối đoạn đầu (như trong hình 5.10) mạng vệ tinh cung cấp kết nối liên kết hướng tới và hưóng ngược tới một lượng lớn các ISP Các gói IP bắt đầu
từ nhà cung cấp như đoạn đầu của chuyến hành trình của họ tới đầu cuối người dùng Như kết nối đoạn cuối nhà cung cấp dịch vụ có thể kết nối tới ống dẫn sóng vệ tinh hoặc trạm Hub trực tiếp hoặc thông qua đường hầm internet hoặc liên kết quay số
Hình 5.10 Điểm nhìn trung tâm vệ tinh với kết nối đoạn đầu tới internet
5.3.1 Định tuyến trên vệ tinh
Lợi ích của việc định tuyến IP trong không gian là nó cho phép mạng vệ tinh có thể tích hợp vào mạng internet toàn cầu sử dụng thuật toán định tuyến tiêu chuẩn Mạng internet bao gồm nhiều mạng con được biết như là hệ thống tự quản hoặc tên miền
Trang 7Trong mạng vệ tinh GEO thông thường chỉ có một vệ tinh phủ một vùng rộng lớn để tạo thành các mạng con và không có định tuyến trong mạng vệ tinh Với một chòm điểm có nhiều vệ tinh tạo nên mạng con để bao phủ toàn bộ trái đất vì vậy định tuyến trong mạng chòm điểm vệ tinh là bắt buộc Mối quan hệ liên kết giữa các vệ tinh trong cùng mặt phẳng quỹ đạo là cố định nhưng biến đổi thành động trong các mặt phẳng khác
Kể từ khi vị trí của các vệ tinh được dự báo trước thì có khả năng sử dụng những dự báo này để cập nhật động các bảng định tuyến trên vệ tinh và gia tăng các thuật toán định tuyến
5.3.2 IP di động trong mạng vệ tinh
Do vệ tinh GEO có vùng bao phủ rộng, nên ta có thể coi mạng trái đất được kết nối vĩnh viễn trong cùng một mạng con vệ tinh và phiên đầu cưối người dùng trong suốt quá trình truyền thông, tuy nhiên đối với mạng với chòm điểm vệ tinh LEO mối quan hệ giữa mạng vệ tinh và đầu cuối người dùng và mạng trái đất thì thay đổi liên tục, vì vậy nảy sinh một số vấn đề liên quan đến mạng di động:
• Thiết lập lại kết nối vật lý với các mạng vệ tinh
• Thời gian để cập nhật thông tin về các bảng định tuyến để các gói IP có thể được định tuyến đến đúng đích
• Tính di động trong mạng vệ tinh
• Tính di động giữa mạng trái đất và mạng vệ tinh
Ở đây thảo luận dựa trên các giao thức chuẩn internet cho IP di động (RFC 2002)
Trong các giải pháp tiêu chuẩn, cho phép các nút di động sử dụng 2 địa chỉ IP: Một địa chỉ nhà cố định(home address) và một địa chỉ chăm sóc (care-of address) địa chỉ này thay đổi vào mỗi thời điểm truy nhập Chúng ta lấy điểm nhìn vệ tinh trung tâm của mạng vệ tinh làm điểm cố định nhưng tất cả mọi thứ trên trái đất thì chuyển động bao gồm cả đầu cuối người dùng và mạng mặt đất như trong hình 5.12
Trang 8Hình 5.12 Điểm nhìn vệ tinh trung tâm với trái đất là chuyển động
Trong chuẩn IP động , sự kết nối các lớp truyền tải sẵn có được duy trì giống như là một nút di động di chuyển từ nơi này đến nơi khác trong đó đia chỉ IP vẫn được giữ nguyên Hầu hết các ứng dụng internet các được sử dụng ngày nay là dựa trên TCP Một kết nối TCP được xác định bởi thông số: địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, số cổng nguồn và số cổng đích
Bất kỳ sự thay đổi nào của bốn yếu tố này cũng sẽ dẫn đến mất và phá vỡ kết nối Mặt khác, sự phân phối chính xác các gói đến các nút di động hiện hành thì phụ thuộc vào số mạng được đính kèm trong các địa chỉ nút IP di động, số mạng này thì thay đổi tại mỗi điểm đính kèm mới
Trong IP di động, các home address là địa chỉ tĩnh và được sử dụng, ví dụ, để xác định các kết nối TCP Care of address thì thay đổi tại mỗi điểm đính kèm mới và địa chỉ này được coi là một địa chỉ quan trong của nút IP di động; thông qua địa chỉ này chúng ta xác định được số mạng và nút di động trong mô hình mạng Các home address làm cho các nút di động có thể nhận được dữ liệu một cách liên tục trong mạng của nó, nơi lưu giữ các yêu cầu của IP di động được gọi là home agent Bất cứ khi nào mà nút di động không được gắn liền với mạng chủ (do đó nó gắn với một mạng ngoài nào đó), home gent nhận tất cả các gói được xác định trước của nút di động và sắp xếp chúng để phân phối đến các nút di động hiện thời Khi nút di động di chuyển đến một vị trí mới chúng sẽ đăng kí một care-of address mới với home agent
Để nhận được gói từ home agent tới điểm di động, các home agent sẽ phát gói tin từ mạng chủ đến care-of address, hơn nũa nó phát yêu cầu tới care-of address để biến đổi hoặc chuyển hướng gói IP Khi các gói đến care-of address sự biến đổi ngược lại
sẽ được sử dụng để gói một lần nữa xuất hiện trong địa chỉ nút di động như là địa chỉ
IP đích
Khi gói đến điểm di động, gửi tới home address nó sẽ được xử lý đúng theo TCP/IP Trong IP di động home agent chuyển hướng gói từ mạng chủ tới care-of adddress bằng cách xây dựng header IP mới mà chứa các nút di động care-of address
Trang 9như địa chỉ đích IP Header mới này sau đóng gói hoặc bảo vệ trong các gói nguyên thuỷ, vì địa chỉ nút di động không ảnh hưởng đến định tuyến các gói đã được đóng gói cho đến khi nó đến care-of address, do đó đóng gói còn có tên gọi là đường hầm
mà rẽ mạch thường do ảnh hưởng của định tuyến IP
IP di động thì được hiểu đúng nhất là sự kết hợp của 3 cơ chế riêng:
• Phát hiện care-of address:chi nhánh advertisement và chi nhánh solicitation (RFC 1256)
• Đăng ký care-of address: thủ tục đăng ký bắt đầu khi nút di động đi vào vùng của một chi nhánh ngoài, gửi một yêu cầu đăng ký với thông tin care-of address Khi home agent nhận được yêu cầu này nó(thường) thêm các thông tin cần thiết vào bảng định tuyến, chấp nhận yêu cầu và gởi ngược bản tin trả lời đăng ký tới nút di động Đăng ký được chứng thực bằng cách sử dụng Message Digest 5(MD5)
• Tạo đường hầm care-of address: theo mặc định cơ chế đóng gói phải hỗ trợ tất cả các đại lý di động là cơ chế IP lồng nhau (tunnelling) Đóng gói tối thiểu thì phức tạp hơn một chút so với tunnelling bởi vì một số thông tin từ tiêu đề tunnel được kết hợp với tiêu đề đóng gói tối thiểu bên trong để thiết lập lại tiêu đề IP nguyên thuỷ Mặt khác tiêu đề mào đầu làm giảm chi phí 5.3.3 Xác định địa chỉ
Xác định địa chí IP được gọi là ánh xạ và cấu hình địa chỉ Các kỹ thuật mạng khác nhau có thể sử dụng các mô hình xác định địa chỉ khác nhau để gán địa chỉ được gọi là địa chỉ vật lý dành cho các thiết bị Trong LAN IEEE.802 sử dụng 48 bit địa chỉ đính kèm với mỗi thiết bị, mạng ATM sử dụng 15 chữ số thập phân để đánh địa chỉ và ISDN sử dụng sơ đồ địa chỉ ITU-T E.164 Tương tự trong mạng vệ tinh mỗi nhóm trạm mặt đất hoặc gateway có địa chỉ vật lý cho kết nối mạch hoặc truyền gói tuy nhiên việc định tuyến để liên kết với nhau bằng mạng vệ tinh lại chỉ có thể biết được bằng địa chỉ IP của các định tuyến khác do đó yêu cầu địa chỉ phải được ánh xạ giữa mỗi địa chỉ IP và địa chỉ vật lý liên quan vì vậy việc trao đổi gói giữa các router
có thể được thực hiện thông qua mạng vệ tinh sử dụng địa chỉ vật lý Chi tiết chính xác của việc ánh xạ này phụ thuộc vào các giao thức liên kết dữ liệu lớp dưới được sử dụng trên các vệ tinh
5.4 IP multicast qua mạng vệ tinh
Sự thành công của việc phát quảng bá dịch vụ vệ tinh kỹ thuật số (cho TV và
vô tuyến) và bản chất không đối xứng của luồng lưu lượng IP đã được kết hợp dẫn đến kết quả là hệ thống vệ tinh có khả năng hỗ trợ truy nhập internet tốc độ cao, từ đó
nó là một bước cơ bản để xem xét thêm khả năng khai thác quảng bá của vệ tinh: nghiên cứu phát quảng bá IP qua vệ tinh
mạng vệ tinh có thể là một phần của cây định tuyến IP multicast tại nguồn, trục
Trang 10minh hoạ một ví dụ về mô hình mạng và hình sao sử dụng trong dự án GEOCAST trên IP multicast của vệ tinh GEO được tài trợ trong khuôn khổ chương trình EU thứ
5
Hình 5.13 Hệ thống GEOCAST với mô hình mạng hình sao và lưới
5.4.1 IP multicast
Ở chương này chúng sẽ nghiên cứu về công nghệ IP multicast Multicast cho phép một nguồn mạng truyền thông gửi một dữ liệu đến nhiều nơi cùng một lúc trong khi chỉ có một bản sao dữ liệu duy nhất được truyền đi Sau đó mạng sẽ tạo ra một bản sao và gửi nó đến người nhận nếu cần thiết
Multicast được coi là một phần của ba loại truyền thông :
• Unicast: truyền dữ liệu từ 1 điểm nguồn đến 1 điểm đích( ví dụ tải một trang web từ một server đến trình duyệt của người dùng hoặc copy từ server này đến một server khác
• Multicast: truyền dữ liệu từ một điểm nguồn đến nhiều điềm đích, định nghĩa này cũng bao hàm mạng truyền thông có nhiều nguồn (ví dụ đa điểm–đa điểm) một ví dụ gần đây chính là hội nghị truyền hình tại đó các bên tham gia có thể được coi như là nguồn đơn multicast đến các người tham gia khác
• Broadcast: truyền dữ liệu từ một một nguồn tới tất cả các người nhận trong miền (ví dụ như trong mạng LAN hoặc từ vệ tinh tới tất cả các người nhận trong chùm vết vệ tinh) Các thuận lợi của multicast là :
─ Giảm băng thông sử dụng mạng: ví dụ nếu gói dữ liệu được multicast đến 100 người nhận thì nguồn chỉ gửi một bản sao của mỗi gói dữ liệu Mạng sẽ chuyển hướng gói này tới đích khi cần gửi gói trên các liên kết mạng khác nhau để tới được tất cả các đích thì chỉ cần tạo nhiều bản sao của gói dữ liệu do đó chỉ có bản sao của mỗi gói được truyền đi
