Спутниковые сети: ключ на старт?

В данной статье мы попытаемся оценить место и перспективы спутниковых технологий в современном мире, а также то, как следует изменить стандарты Internet, чтобы эти перспективы стали реальностью.

Если вы принадлежите к послевоенному поколению, то, может быть, родились до запуска первого искусственного спутника Земли (это произошло в разгар «холодной войны», в октябре 1957 года). И вы, наверно, помните, что в те времена если ТВ сообщало какие-либо чрезвычайно важные новости, то они сопровождались словами «работают все спутниковые каналы теле- и радиосвязи».

Для сегодняшних детей спутники — совершенно обычное дело. В конце концов, сегодня любой желающий может приобрести собственный приемник и тарелку для спутникового ТВ всего за несколько сотен долларов; сети магазинов используют спутники для передачи музыкальных записей между филиалами; а окажись вы на вершине Эвереста или в дебрях Амазонии, вы сможете поговорить со своими близкими по спутниковому телефону через спутники Iridium компании Motorola.

Однако, когда речь заходит о данных, большинство людей рассматривают спутниковые технологии как находящиеся далеко на периферии сети. Вместе с тем приверженцы спутниковых технологий надеются, что ситуация должна коренным образом измениться в ближайшие три года. Как они утверждают, к 2002 году широкополосный доступ в Internet с помощью спутниковой связи будет конкурентоспособен по цене и скорости с наземными аналогами. Более того, он будет доступен практически в любой точке мира. Сетевые магистрали также будут переводиться на спутниковую связь, по крайней мере в случаях, когда инфраструктура должна поддерживать многоадресную и широковещательную рассылку, например тиражирование содержимого кэшей и вещание через Web.

Однако перекрыть последние 500-23 000 миль будет не так-то просто. Для этого компаниям спутниковой связи придется потуже затянуть пояса, чтобы построить и затем успешно запустить необходимое количество спутников — а потом еще несколько лет отбиваться от кредиторов. Кроме того, еще одна маленькая загвоздка — стек TCP/IP придется несколько изменить, чтобы он был лучше адаптирован для работы по спутниковым каналам.

ИСТОРИЯ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

Через месяц после запуска первого спутника Советский Союз запустил второй, с собакой Лайкой на борту. Совершив несколько витков вокруг Земли, как и предыдущий, спутник был введен в плотные слои атмосферы, где и сгорел (Лайка была предварительно усыплена). Данная новость оказалась на первых полосах всех газет во всем мире. Эти запуски подогрели интерес к науке и позволили получить одобрение общественности на увеличение расходов на оборону. Поэтому не будет преувеличением сказать, что косвенным образом они способствовали подъему индустрии мини-компьютеров и Internet.

Что касается непосредственно спутниковой связи, запуск спутников был всего лишь одним из этапов ее развития. Непосредственная же история спутниковых сетевых технологий начинается гораздо раньше, в 1929 году, когда Герман Поточник опубликовал книгу под названием «Проблема путешествия в космосе». В ней была впервые описана концепция геостационарной орбиты, которую Поточник называл «стационарным кружением».

В 1945 тогда еще молодой фантаст Артур Кларк написал письмо в Wireless World (тогда и сейчас журнал британских радиолюбителей), где описывал «возможность более отдаленного будущего — может быть, через полстолетия. «Искусственный спутник» на соответствующем удалении от Земли... будет оставаться в стационарном положении над той же самой точкой земли и находиться в пределах видимости с практически половины поверхности Земли. Три повторительные станции, через 120^о на соответствующей орбите, будут способны охватить телевизионным вещанием и микроволновой связью практически всю поверхность Земли».

Теперь мы знаем, что предсказания Кларка попали «в яблочко», хотя его оценка количества спутников, вращающихся вокруг Земли в 1995 году, и оказалась чересчур консервативной! Как бы то ни было, только в 1963 году НАСА решилось проверить концепцию Кларка на практике своей концепцией синхронной спутниковой связи (Synchronous Communications Satellite, Syncom). Первые два спутника Syncom были выведены на геосинхронную, но не геостационарную орбиту, иными словами, их период вращения соответствовал периоду вращения Земли, но их орбиты были наклонены и вытянуты. Запущенный в августе 1964 года Syncom 3 кружил точно над экватором и стал первым геостационарным спутником.

Из последующих проектов НАСА наиболее важным был Advanced Communications Technology Satellite (ACTS), запущенный с космического челнока «Дискавери» в сентябре 1993 года. ACTS первым начал передавать в частотном диапазоне Ka, ранее считавшемся непригодным для использования из-за облачного покрова Земли. Усовершенствованные антенны спутника могли передавать данные со скоростью до 622 Мбит/с на 3,5-метровые тарелки или с не менее впечатляющей скоростью 45 Мбит/с на компактные 60-сантиметровые тарелки. Кроме того, ACTS осуществлял коммутацию на борту.

ДОСТИЖЕНИЯ В ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ СВЯЗИ

К моменту запуска ACTS геостационарные спутники стали будничным явлением, при этом, правда, они использовали для телевизионного вещания частотный диапазон Ku. Однако по целому ряду причин они не подходили для передачи данных.

Во-первых, большинство геостационарных спутников опиралось на так называемую архитектуру «коленчатой трубы». Представляя собой, по сути, электронные зеркала, они принимали сигнал от наземных трансиверов, усиливали его и посылали обратно на всю свою зону обслуживания. (Зона обслуживания геостационарного спутника может быть очень большой, так как один геостационарный спутник может охватить 42% поверхности Земли.) При всей очевидной пригодности для вещания, в частности телевизионного, такая архитектура вряд ли могла подойти для передачи данных, независимо от того, как бы они мультиплексировались.

Во-вторых, при всех преимуществах геостационарной орбиты (принимающую тарелку требуется только один раз нацелить на нужную точку над экватором), спутники могут быть размещены на орбите в ограниченном количестве, иначе высока вероятность того, что они столкнутся друг с другом. Кроме того, интервал между ними должен быть таким, чтобы ни прием, ни передача одного спутника не мешали другому.

Запуск ACTS решил вторую из этих двух проблем, продемонстрировав, что передача в Ka-диапазоне вполне возможна: расширение используемого диапазона частот сделало помехи намного менее вероятными. Кроме того, ввиду более высоких частот Ka-диапазона потребляемая мощность и используемые антенны оказались меньше. Еще более важно то, что антенны ACTS могли электронным образом разделять зону обслуживания спутника на «сфокусированные пучки» приблизительно по 150 миль в диаметре. Вместе с осуществляемой на борту спутника коммутацией технология фокусированных пучков позволяла более эффективно передавать и получать трафик от адресата. Частоты могли многократно повторно использоваться данным конкретным спутником для обслуживания различных ячеек в его зоне обслуживания.

Благодаря уменьшению размера спутниковых тарелок и значительному расширению доступного для передачи диапазона частот ACTS и его потомки намного приблизили спутниковую связь к возможностям полнодуплексной широкополосной передачи данных. Однако ни один из них не оказался в состоянии решить проблему, преследующую геостационарную связь до сего дня, — задержку сигнала.

Задержка является неизбежным следствием того факта, что геостационарные спутники вращаются над экватором на высоте 22 238 миль (так называемая кларковская орбита). И несмотря на то, что электромагнитное излучение передается через вакуум быстрее, чем по меди или стекловолокну, его скорость все же не может превосходить скорость света. Таким образом, радиосигналу требуется около 240 мс для путешествия от наземной станции до висящего непосредственно над ней геостационарного спутника и обратно. (Если наземная станция находится на границе зоны обслуживания спутника, то задержка может достигать 270 мс.)

В TCP, прежде чем будет передан следующий пакет, принимающая сторона должна подтвердить получение предыдущего; в результате задержка удваивается, как минимум, до 480 мс. Обработка на борту спутника и другие факторы могут увеличить задержку еще больше, до 600 мс. Сторонники доступа в Internet с помощью спутниковой связи указывают на то, что эта задержка все же меньше, чем у наземных аналогов в удаленных регионах или развивающихся странах. Факт, однако, остается фактом: хотя геостационарные спутники предоставляют отличные условия для многоадресной рассылки по IP, передачи электронной почты или распространения программного обеспечения, вряд ли кто-нибудь выберет их в качестве канала связи с клиент-серверной базой данных.

БЛИЖЕ К ЗЕМЛЕ

Чтобы избавиться от задержки и шумов, многие компании, желающие предоставлять доступ в Internet, выводят на орбиту «гирлянды» или «созвездия» низкоорбитальных спутников (Low Earth Orbit, LEO). Такие спутники вращаются вокруг Земли на высоте 500—1000 миль. Благодаря этому фокусированные пучки оказываются у?же, а требуемая для них энергия меньше. Кроме того, задержка оказывается сравнимой (или даже меньше) с возникающей при передаче по межконтинентальному оптическому кабелю.

Почему никто не додумался до этого раньше? Ну, во-первых, низкоорбитальные спутники — далеко не новая идея, но ее реализация требует очень больших средств. Чем ближе спутник к Земле, тем меньше видимая им область. Поэтому вместо восьми аппаратов, как в случае геостационарных спутников, аналогичный глобальный охват поверхности Земли в случае LEO можно обеспечить лишь с помощью 48 «птичек» (см. Рисунок). Как утверждают в Teledesic (http://www.teledesic.com), всего, вместе с резервом, необходимо 288 спутников, вращающихся вокруг Земли с юга на север и с севера на юг в 12 разных плоскостях.

Толкучка в небесах. Низкоорбитальные спутники вращаются вокруг Земли на высоте 500 миль. Из-за того, что они находятся в постоянном движении относительно земной поверхности, общее их число в одном созвездии составляет от 48 до 288 космических аппаратов.

Из-за низкой высоты орбиты такие спутники не являются геостационарными — они не находятся постоянно над какой-либо точкой земли. Таким образом, LEO предполагает подход «все или ничего»: нельзя запустить только один спутник и нацелить его на область, которую вы собираетесь обслуживать. Спутников в созвездии должно быть достаточное число, чтобы один из них — а лучше два или даже три — был виден каждой из принимающих антенн в любой момент времени.

В некоторых созвездиях LEO спутник оказывается видим всего несколько минут, прежде чем он уйдет за горизонт. Поэтому точное предварительное позиционирование антенны попросту невозможно. Данная проблема была решена с помощью антенн с фазированной решеткой. Эти самонацеливающиеся устройства состоят из множества антенн меньшего размера. Сопоставляя несколько различные сигналы, получаемые каждой из них, они могут отслеживать несколько спутников одновременно, не перемещаясь физически. При появлении над горизонтом нового спутника антенная решетка устанавливает соединение с ним и только после этого разрывает связь с уходящим за горизонт спутником.

Созвездиям LEO присуща другая проблема: как доставить сигналы из зоны обслуживания одного спутника в зону обслуживания другого. Это, очевидно, необходимо, например, когда пользователю LEO в Сан-Франциско требуется связаться с другим пользователем LEO в Сиднее. Один из способов решения этой проблемы мог бы состоять в трансляции сигналов со спутника на наземную станцию и обратно на следующий спутник вдоль всего маршрута. Однако это снова привело бы к задержкам, которые низкоорбитальные спутники призваны исключить. Поэтому провайдеры, например Teledesic, планируют транслировать данные напрямую со спутника на спутник в диапазоне 40—50 ГГц. Сеть Teledesic использует ATM-подобные механизмы для передачи между спутниками данных со скоростью 155 Мбит/с.

Реализация сложных механизмов коммутации и слежения на каждом спутнике приведет, очевидно, к удорожанию связи и увеличению вероятности сбоя. Именно по этой причине Alcatel решила сохранить архитектуру «коленчатой трубы» в своем созвездии Skybridge из 80 спутников (http://www.skybridge.com). Как утверждается, это будет «самая дешевая из низкоорбитальных систем».

Конечно, еще надо посмотреть, в какой мере задержка Skybridge будет сопоставима с задержкой Teledesic. Тем временем Alcatel применила еще одно любопытное конструктивное решение. Как и предыдущее, оно призвано удешевить проект, а кроме того, возможно, даже повысить производительность. Решение это — использование только Ku-частот. Оно позволяет сэкономить на стоимости компонентов и упрощает проникновение сигнала через облачные фронты. Конечно, Ku-диапазон и без того перенасыщен, но Skybridge планирует останавливать передачу своих спутников каждый раз, когда они будут пересекать экватор, чтобы не создавать помех геостационарным спутникам.

Другая характерная для LEO проблема — вариация задержки. Расстояние между каждыми конкретными низкоорбитальным спутником и приемником постоянно меняется. Мало того, спутник может находиться над этим приемником менее минуты, после чего соединение должно быть передано следующему приемнику. Чрезмерная вариация задержки может составлять проблему для таких приложений, как IP-телефония или потоковое видео. Опять же, сторонники спутниковых сетевых технологий утверждают, что вариация задержки вовсе не обязательно будет хуже, чем в случае межконтинентальных наземных каналов. Они также считают, что размещение буферов памяти на приемниках должно компенсировать задержку для некоторых приложений. Но, как отмечается в документе RFC 2488 (см. врезку «TCP через спутник»), «вопрос, какое влияние вариация задержки будет (и будет ли вообще) оказывать на производительность TCP, остается пока открытым».

При прочих равных условиях вариация задержки должна быть больше в случае небольших созвездий LEO, потому что каждому спутнику придется обслуживать бо?льшую зону. Таким образом, это будет представлять более серьезную проблему для Skybridge, нежели, скажем, для Teledesic. Однако Skybridge может извлечь некоторые преимущества из своих планов использования наклонных орбит (представьте, что вы очищаете яблоко, вместо того чтобы порезать его на дольки): отказ от покрытия полюсов Земли позволит обеспечить более равномерный охват во всех остальных регионах.

КОМПРОМИССНЫЙ ПУТЬ

Очевидная проблема LEO — огромное число необходимых спутников. Провайдеру придется не только запустить десятки или даже сотни спутников, но и поддерживать их в работоспособном состоянии.

Это обстоятельство открывает перспективы перед среднеорбитальными спутниками (Medium Earth Orbit, MEO). Как и LEO, они не являются геостационарными. При высоте над землей от 6250 до 12 500 миль они находятся над какой-либо точкой в зоне обслуживания около двух часов. Поэтому двадцати спутников оказывается вполне достаточно для охвата всего земного шара.

Как можно представить, задержка и вариация задержки имеют промежуточные значения между характерными для LEO и GEO. Это обстоятельство свидетельствует о большом потенциале MEO. Однако пока ими заинтересовались немногие провайдеры. Hughes намеревается вывести на орбиту всего один спутник MEO в качестве «орбитального резерва» для своей системы Spaceway (http://www.spaceway.com) из двух геостационарных спутников, зону обслуживания которой составляет Северная Америка (передачу они ведут в Ka-диапазоне). (Spaceway должна стать платформой для широкополосной версии DirecPC со скоростью передачи до 6 Мбит/с, при этом она будет свободна от эхо-сигналов.)

Orbital Sciences (http://www.orbital.com) предложила систему под названием OrbLink, при этом для обеспечения охвата всей поверхности Земли она будет использовать спутники MEO с передачей в V-диапазоне (38 и 48 ГГц).

Наконец, было бы непростительно не упомянуть две другие службы. Хотя они и не являются спутниковыми, все же они также «парят в небесах». Первая из них — это система High Altitude Long Operation (HALO) компании Angel Technologies (http://www.angeltechnologies.com), где используется специальный самолет. Он кружит над обслуживаемой территорией на высоте около 10 миль по кругу диаметром 2,5 миль — это позволяет обслуживать зону диаметром 50—75 миль.

Для обеспечения круглосуточного обслуживания компания собирается использовать три самолета посменно — каждый из них будет находиться в воздухе по восемь часов, но при этом будет иметь запас топлива на 15 часов полета без дозаправки. Как сообщают в Angel Technologies, передатчик на самолете HALO получает питание от реактивных двигателей, поэтому при мощности 40 кВт его сигнал может без труда проникать через облачный покров. Между тем, обычный спутник получает питание от солнечных элементов и может давать сигнал мощностью не более 2—5 кВт.

Как и Angel, компания Sky Station (http://www.skytation.com) планирует начать предоставление своей услуги с Лос-Анджелеса. Она собирается разместить платформу размером с футбольное поле на высоте 13 миль над землей. Поддерживаемая множеством заполненных гелием «воздушных шаров» платформа будет нести на себе солнечные и топливные элементы. Как предполагается, она будет занимать геостационарную позицию, а срок ее эксплуатации составит 5—10 лет.

ВЗГЛЯД В НЕБО

Скептики утверждают, что Sky Station, HALO и вместе с ними большинство из предлагаемых сегодня широкополосных спутниковых систем никогда не расправят крылья — во всех смыслах. Они, скорее всего, окажутся правы, но причины тому отнюдь не технические — даже Sky Station использует хорошо апробированную технологию. Реальная проблема — в экономике. Хотя операторы спутниковой связи и заявляют, что они способны предоставить высокоскоростные сетевые технологии в любой точке мира, но жить только за счет обслуживания развивающихся регионов они вряд ли смогут. Они должны научиться получать прибыль за счет обслуживания богатых регионов, где высок спрос на пропускную способность, например Кремниевой Долины. К сожалению, в этих регионах клиенты избалованы изобилием наземных вариантов, поэтому они вряд ли станут ловить журавля в небе.

Спутниковые сетевые технологии — наше будущее, они слишком полезны, чтобы это было не так. Однако вы должны относиться критически к называемым провайдерами датам запуска и предполагаемым конечным ценам (см. врезку «Планируемые системы»). Будьте готовы пересмотреть их в сторону повышения.

TCP через спутник

Провайдеры спутниковой связи расходятся по поводу того, какие последствия для связи с помощью низкоорбитальных спутников будет иметь вариация задержки. Между тем, все согласны с тем, что для современных геостационарных систем задержка составляет серьезную проблему. К сожалению, TCP не очень хорошо приспособлен для сред с длительной задержкой.

Например, TCP позволяет избежать увеличения нагрузки на перегруженную сеть за счет применения алгоритма «медленного старта». При открытии соединения он определяет доступную пропускную способность сети, начиная с окна размером в один сегмент (обычно 512 байт). Размер окна увеличивается только в случае успешной доставки пакетов и получения подтверждения.

Несмотря на экспоненциальный рост, в сети с длительной задержкой задействование всей доступной пропускной способности может занять много времени. Особую проблему составляют страницы Web, так как одна страница может потребовать установления нескольких соединений TCP, причем каждое из них вынуждено будет начинать с медленного старта.

Исторически одним из способов обойти процедуру медленного старта было применение подмены TCP на терминалах с очень малой апертурой (Very Small Aperture Terminal, VSAT) и наземных станциях. При подмене устройство сразу выдает подтверждение приема сегмента TCP, а затем отслеживает поступление настоящих подтверждений и при необходимости запрашивает повторную передачу. Несмотря на всю эффективность подмены, данная процедура несовместима с IPSec и может привести к проблемам при использовании комбинации спутниковых и наземных каналов.

RFC 2414 (http://www.ietf.org/rfc/rfc2414.txt) предлагает увеличить размер начального окна до 4 Кбайт, хотя авторы и предупреждают, что «когда браузеры открывают несколько соединений TCP с одним и тем же адресатом, то это работает против механизмов контроля за перегрузками, вне зависимости от размера начального окна». Другая проблема с TCP — стандартный максимальный размер окна (65 535 байт).

Пропускная способность ограничена формулой:

                                    размер окна
пропускная способность = -----------------------------------
	                 время передачи в обоих направлениях

При использовании стандартного максимального размера окна и при типичной для GEO задержке в 600 мс максимальная пропускная способность для одного потока будет ограничена 1,1 Мбит/с. Поэтому максимальный размер окна было бы желательно увеличить, как это описывается в RFC 1323.

Наконец, в TCP обычно используется накопительная схема подтверждений. При потере сегмента отправитель вынужден повторять передачу заново, начиная с потерянного сегмента, даже если последующие сегменты были успешно доставлены. Это ведет к сокращению размера окна и повторному применению механизма медленного старта. Во избежание этого RFC 2018 предлагает механизм избирательного подтверждения, с помощью которого получатель имеет возможность информировать отправителя, какие именно пакеты были получены. Отправитель может немедленно передать потерянные пакеты, не ожидая истечения тайм-аута.

Более подробную информацию о взаимоотношениях TCP и спутниковой связи можно найти в RFC 2488 («Усовершенствование TCP для спутниковых каналов с использованием стандартных механизмов») и RFC 2525 («Известные проблемы в реализации TCP»). Документ Internet под заголовком «Текущие исследования в области TCP, относящиеся к спутниковой связи» опубликован на http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-tcpsat-res-issues-06.txt.

Планируемые системы

Ресурсы Internet

Факсимиле статьи Артура Кларка из октябрьского номера Wireless World за 1995 год можно прочитать на http://www.lsi.usp.br/~rbianchi/clarke/ACC.ETRelays.html.

Узнать об успехах в реализации различных спутниковых схем можно на узле «Спутниковые созвездия Ллойда» http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood.constellations/overview.html, а также на http://www.specialty.com/hiband/satellite_index.html.

Спутниковый комплект от Analytical Graphics, с помощью которого вы можете составить свою собственную спутниковую орбиту, можно бесплатно загрузить с http://www.stk.com/newweb/pages/download/down1.cfm.

Полезный словарь терминов, используемых в спутниковых сетевых технологиях, имеется на http://www.gilat.com/unshock/glos/glos.htm. Список наиболее распространенных терминов приводится также на http://www.panamsat.com/sat/buzzwords/index.html.

Информация об истории спутников связи НАСА помещена на http://sulu.grc.nasa.gov/dglover/satcom2.html.

Обширный перечень книг о спутниковых сетевых технологиях и другие ссылки приводится на http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/refs/sat_refs.htm.

Сведения о спутниках ACTS можно найти на http://kronos.lerc.nasa.gov/acts/acts.html.

Web-страница НАСА, посвященная потенциальным реализациям TCP для спутниковых сетевых технологий, имеет адрес: http://ctd.grc.nasa.gov/5610/tcpextensions.html.

Эпохальную книгу Германа Поточника «Проблема путешествия в космосе» можно прочитать на http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/SP-4026/contents.html.