The VSAT technologies in educational networks on the basis of satellite communication systems.pdf Введение В течение последнего десятилетия технология VSAT в России сформировалась, как самостоятельное направление в области спутниковых систем связи. Объединенные посредством геостационарных космических аппаратов VSAT-терминалы образуют сети связи с различными топологиями. Основными факторами развития VSAT-технологии являются обеспечение доступа в Интернет для географически отдаленных населенных пунктов, где невозможно использовать альтернативные средства связи, организация широкополосного доступа к информационным ресурсам, осуществление образовательных программ и научных исследований с использованием дистанционных технологий. В начале своего становления характерной особенностью VSAT технологии являлась строгая централизация управления и контроля всех абонентских станций, которые работают в режиме с временным разделением канала (TDMA) для обратных каналов, обеспечивающими повышенную экономическую эффективность использования сетевого ресурса путем учета характеристик систем массового обслуживания. Подобная топология построение сетей получила название “Звезда” [1]. Топология “Звезда” предполагает прохождение всех информационных потоков через Сетевой операционный центр (Network Operation Center – NOC). Альтернативным решением является «Полносвязная топология» передачи данных по спутниковым каналам связи. Периферийные терминалы имеют возможность работы, как через NOC, и как независимые станции спутниковой связи. 1. Краткий обзор спутниковых VSAT -платформ Анализ мирового рынка VSAT-технологий показывает, что в настоящее время основными компаниями производителей являются HNS, Gilat и ViaSat и, российский сегмент спутникового рынка VSAT-технологий также занимают данные компании (Рис. 1). На территории России развернуто более десяти NOC компании HNS, в том числе Томский межрегиональный телепорт ТГУ. За последние годы было развернуто около 40 Центральных станций (ЦС) VSAT-сетей на территории России, на каждую ЦС в среднем приходится более 450-500 VSAT-терминалов. Учитывая, что ЦС может поддерживать сеть до 5000 терминалов, в России имеется высокий потенциал для расширения применения VSAT-технологий [2]. Рис. 1. Диаграмма мирового рынка VSAT-платформ (слева) и российского (справа) [3] В 2004г. появился новый стандарт вещания, именуемый DVB-S2, предусматривающего максимально возможную совместимость с системой цифрового спутникового вещания DVB-S. Для придания большей универсальности применения и повышения эффективности при работе по каналам с достаточным энергетическим запасом, в технические нормы на системы первичного распределения добавлены функции режимов передачи, основанные на модуляции типа 8 PSK и 16 QAM. Необходимость в пересмотре имеющихся стандартов была обусловлена несколькими причинами. Важнейшим фактором создания нового стандарта DVB-S2 стали планы массового запуска телевидения высокой четкости (HDTV). Уже на сегодняшний день начинает наблюдаться дефицит в частотном ресурсе даже при трансляции телевидения стандартной четкости (SDTV). VSAT-технологии также применяют стандарт DVB-S2, как в прямых, так и обратных спутниковых каналах. Скорость передачи данных возрастает в среднем в два раза относительно аналогичных систем работающих в режиме DVB-S . Основной проблемой внедрения стандарта DVB-S2 является отсутствие соответствующих энергетических характеристик у геостационарных спутников. Анализ VSAT-платформ показывает, что все системы имеют схожие функциональные возможности, к которым относятся: – спутниковый терминал, обеспечивающий мультисервисный доступ; – широкополосный прямой канал в формате DVB; – поддержка TCP/IP, UDP/IP, RIP, IGMP, и QoS; – полное управление сетью, включая дистанционное управление VSAT-терминалами; – масштабируемая звездообразная топология сети, включающая большое количество VSAT-терминалов; – предоставление услуг по требованию; – динамическое перераспределение ресурсов; – поддержка протоколов передачи данных, голоса, видеоинформации. Все современные VSAT-сети, созданные по топологии «Звезда», обладают приведенными функциональными возможностям. Это первая и наиболее распространенная топология, как в спутниковой, так и в наземной сети. Сравнительная техническая таблица спутниковых платформ (Таблица 1), также показывает основные сходства характеристик VSAT-систем разных производителей. Очевидно, централизация управления в данной топологии, обеспечивает эффективное управление всей сетью. В последние годы, наряду с VSAT-сетями работающими по топологии «Звезда», динамично развиваются платформы использующие «Полносвязную топологию», в которой для VSAT-терминалов не требуется ЦС. Это позволяет эффективно совмещать на единой платформе различные сетевые технологии. Динамическое выделение полосы по требованию дает возможность эффективно организовывать широкополосные соединения. Архитектура без центральной станции обеспечивает создание полноценных мультисервисных сетей на стороне абонента VSAT-сетей. Абонент такой сети может обеспечить полноценный обмен данным, включая технологии групповой (multicast) адресации, передача по типу «точка-точка» без участия NOC. Однако построение подобных систем требует значительных энергетических ресурсов и является экономически затратным. Таблица 1 Основные характеристики VSAT-платформ Технические характеристики Hughes Network Systems (HNS) Gilat Satellite Networks Ltd. ViaSat-Comsat VSAT-терминал HNS SkyEdge LinkStar Максимальная скорость в прямом канале, Msps 56 62 42.5 Максимальная скорость в обратном канале, Msps 1.6 2 2.5 Стандарт передачи в обратном канале Собственный закрытый стандарт Собственный закрытый стандарт F-TDMA, DVB/RCS-совместимый Интерфейс данных 10/100BaseT Ethernet (RJ-45) 10BaseT LAN 10/100BaseT Ethernet (RJ-45) Формат в прямом канале DVB DVB DVB Схема доступа в обратном канале TDMA комбинированная TDMA, FDMA комбинированная TDMA, FDMA Несмотря на очевидные достоинства терминалов, работающих по «Полносвязной топологии», их распространения в ближайшее время в России не ожидается по двум причинам: стоимость одного терминала на порядок превышает стоимость периферийного терминала на основе топологии «Звезда», сетевые операционные центры требует достаточно серьезных модернизаций для поддержки данной топологии. 2. Оптимизация технологии широкополосного спутникового доступа к удаленным информационным ресурсам Основными недостатками топологии «Звезда», присущими всем VSAT-платформам, являются: – связь между периферийными терминалами осуществляется за «двойной скачок» через NOC, что приводит к удвоению временной задержки. - групповая адресация в обратных каналах технически не осуществима, то есть multicast-протокол не поддерживается в приложениях работающих на стороне VSAT-абонента. «Двойной скачок» при передаче данных между VSAT-терминалами увеличивает не только временные задержки, что является достаточно критичным в мультимедиа приложениях, но и нерациональное использование полос прямых и обратных каналов, так как одна и та же информация передается дважды в спутником стволе. Второй недостаток VSAT-сетей, построенных по топологии «Звезда», становится особо существенным в мультисервисных сетях с большим объемом мультимедиа трафика, передаваемого VSAT-абонентом. Это относится к корпоративным образовательным сетям, где организация совместной научной и образовательной деятельности является основным элементом сетевых технологий. Примером такой сети является спутниковая сеть Томского государственного университета, которая объединяет большое количество географически разделенных образовательных учреждений в общую корпоративную сеть, и является транспортной средой передачи данных в сфере коллективной научной и образовательной деятельности. 2.1. Реализация технологии групповой адресации (multicast) от VSAT-абонента и создание системы мониторинга обратных каналов В платформе HNS технология групповой адресации реализована только в прямом канале, для обеспечения рассылки информации по системе «от одного ко многим». Групповую рассылку в спутниковом прямом канале обеспечивает специализированный сервер MUL IPGW. Информационные unicast потоки приходят на внешние интерфейсы IP GW. Абонентские терминалы могут только принимать соответствующие multicast потоки, но не передавать. Таким образом, в базовой конфигурации HNS не заложена групповая адресация от абонента. Для устранения этого недостатка, в данной работе разработан метод групповой адресации от VSAT-абонентов для широкополосного доступа в спутниковой сети, построенной по топологии «Звезда». Метод основан на дополнительных инкапсуляциях потока сетевых пакетов в разных сегментах сети обеспечения широкополосного доступа к информационным ресурсам, распложенным в абонентских VSAT-сетях. Метод групповой адресации от VSAT-абонентов для широкополосного доступа реализован нами программным способом на языке высокого уровня С++, с использованием технологии socket. Разработанное программное обеспечение MCast преобразует unicast поток от VSAT-абонента в multicast, с последующей маршрутизацией обратно в спутниковый или наземный сегмент сети [4]. Схема работы данного программного обеспечения показана на Рис 2. Рис. 2. Принципиальная схема работы программного обеспечения MCast Программное обеспечение MCast работает, как в наземном, так и в спутниковом сегменте сети. Вещание в наземный сегмент осуществляется в режиме unicast. Необходимо также отметить, что трансляция в режиме multicast обеспечивается на все хосты, подключенные, через пассивные коммутаторы, к абонентскому терминалу HN (DW) 6000 /7000 [5]. Для приложений, требующих работы в реальном масштабе времени (например, IP-телефония IP – вещание, ВКС для которой необходимо обеспечить постоянную скорость передачи в течение существенного непрерывного интервала времени), терминал HN может запросить от NOC выделения постоянной скорости передачи (CBR) [7]. В ответ NOC выделяет CBR поток с фиксированным значением временного промежутка между излучаемыми данным терминалом импульсами. Этот тип выделения полосы имеет высший приоритет с целью гарантировать непрерывность передачи информации с неизменной допустимой для данного приложения задержкой. Эта полоса выделяется дополнительно к другим полосам, выделенным для данного терминала. Предоставление услуг связи в мультисервисных сетях требует организации, всестороннего мониторинга передаваемых данных, включая контроль за multicast-трансляциями в прямом спутниковом канале, такая техническая возможность отсутствует в системе управления сетевым операционным центром HNS. Разработанный нами программный комплекс (ПК), дополнивший систему MCast, обеспечивает мониторинг multicast-канала в реальном времени. Данный программный комплекс состоит из программного анализатора спутникового прямого канала, сканера портов вещания и конфигурационного модуля. Входными данными являются адресное пространство потоков транслируемых через HNS и диапазоны портов вещания. В начале работы комплекса происходит инициализация программных потоков, каждый из которых введет анализ одной multicast-сессии. В программных потоках происходит сканирование диапазона портов и поиск активных. При нахождении нового порта создается поток для подсчета трафика по данному multicast-адресу и этому порту, а также запускается таймер. Если по его истечении его работы, не нашлось больше активных портов, соответственно данный поток переходит в режим блокировки и ждет завершения приема данных по найденным портам. Упрощенный интерфейс программного комплекса представлен на рис. 3. Подпись: Рис. 3. Графический интерфейс программного комплекса мониторинга multicast-полосы Достоинствам данного программного комплекса следует отнести возможность его использования для неограниченного числа адресов вещания, параметры каждого соединения задаются не точечно, а в диапазоне возможных значений. Заключение Предложенный метод и разработанный на его основе программный комплекс MCast дает возможность: – VSAT-абоненту спутниковой сети транслировать потоки данных на неограниченное количество других абонентов спутниковой сети; – осуществлять параллельное вещание в сеть Интернет; – организовывать видеоконференцсвязь по технологии “точка-многоточка”; – проводить эффективную синхронизацию мультимедийных ресурсов в пределах сети CDN (Content Delivery Networks). Метод групповой адресации для широкополосного доступа универсален и эффективен в условиях дефицита спутниковых ресурсов и обладает преимуществом при организации коллективной деятельности в научно-образовательных корпоративных сетях.

Скачать электронную версию публикации