Protocoles TCP/IP dans les réseaux r satellites. Samir TOHME samir.tohme@prism.uvsq.fr

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1 Protocoles TCP/IP dans les réseaux r satellites Samir TOHME samir.tohme@prism.uvsq.fr

2 Architecture du système Satellite Liaison descendante Liaison montante Récepteur Station de contrôle Émetteur 2

3 Liens inter-satellites ISL Liaison descendante Liaison montante Station de contrôle Récepteur Émetteur 3

4 Services dans le monde de satellite FSS : fixed satellite service Direct-To-Home (DTH) VSAT BSS : Broadcast Satellite Service Digital Video Broadcast (DVB) Digital Audio Broadcast (DAB) Digital Data Broadcast (DirecPC) LMSS: Land Mobile Satellite Service MMSS : Maritime Mobile Satellite Service 4

5 Services et téléservices Classification des services de télécommunication services support (bearer services) : décrivent les caractéristiques techniques fournis par le réseau (débit, taux d erreur, mode de transmission...) à une communication requise par l utilisateur téléservices : décrivent les fonctions des couches hautes et les services supports fournis par le réseau pour assurer une communication incluant des terminaux et des applications : téléphonie, transmission de messages, télécopie, services WEB,... services supplémentaires : spécifient toute une classe de services de communication qui peuvent être offerts aux utilisateurs en complément des services de bases (support et téléservices) comme l identification de numéro de l appelé et/ou de l appelant, le renvoi d appel, le numéro vert, le CCC,... 5

6 Architecture de protocoles du plan utilisateur : service de données Couches supérieures Couches supérieures IP AAL5 Couche RLC ATM Couche MAC Couche physique 6

7 GPRS: Architecture en Couches Plan utilisateur Application IP / X.25 SNDCP Relay SNDCP GTP IP / X.25 GTP LLC RLC MAC GSM RF Relay RLC BSSGP MAC GSM RF Network Service L1bis LLC BSSGP Network Service L1bis UDP / TCP IP L2 L1 UDP / TCP Um Gb Gn Gi MS BSS SGSN GGSN IP L2 L1 7

8 Scénarios des réseaux Interconnexion des LANs Grandes stations terrestres équipées de grandes antennes Un nombre limité de stations terrestres Les stations terrestres jouent le rôle de concentrateurs de trafic venant de plusieurs terminaux Multiplexage de trafic dans la station terrestre avant l interface radio Grand volume de trafic et haut débit de transmission par station terrestre 8

9 Interconnexion des LANs Deux niveaux d allocation de ressources 1 - allocation au niveau du terminal entre les différents types de trafic générés 2 - allocation au niveau de NCC entre les terminaux terrestres NCC Allocation de bande Station terrestre Allocation de bande 9

10 Scénarios des réseaux Mode d accès utilisateur Terminaux utilisateurs simples équipés de petites antennes Une grande population d abonnés au système Différents types de services et de QOS - différentes classes de trafic (CBR, VBR, ABR, UBR...) - différents paramètres de QOS (blocage d appels, délai, perte, gigue..) Multiplexage de trafic à l interface radio Petite volume de trafic et faible débit de transmission par terminal 10

11 Mode d accès utilisateur Le NCC est responsable de la décision d allocation. La liaison montante est partagée entre utilisateurs des différentes applications. NCC Bandwidth allocation modem Terrestrial data-bases 11

12 Constellations de satellites Paramètres des constellations nombre de satellites nombre de plans orbitaux inclinaison d orbites espacement des orbites nombre de satellites sur une orbite l altitude des orbites phase relative entre satellites de la même orbite phase relative entre satellites dans des orbites adjacentes 12

13 Handover dans les constellations Paramètres influençant le HO Vitesse de rotation des satellites surface de la cellule terrestre (spot-beam) Mesures de performance pour le HO taux de HO : le nombre moyen de HO pendant une communication typique de 3 minutes probabilité d échec de HO Propositions des techniques de HO Réservation des canaux de garde dans chaque cellule pour les HO Introduire un système de priorités pour l admission de flux, la plus élevée est pour le HO Pour chaque appel admis dans le système, réserver des canaux dans les cellules traversées par l utilisateurs (trajet déterministe pour la constellation) 13

14 Aspects spécifiques aux constellations La limitation du spectre de fréquences disponibles Les techniques et protocoles d accès à implanter La distribution non-uniforme de charge dans la constellation et les modèles de trafic Fonctions de contrôle de la constellation plus complexes Gestion de du Handover et du Roaming 14

15 Une architecture avancée : S-UMTS (S - IMT 2000) Il s agit de la troisième génération des réseaux mobiles : Satellite - Universal Mobile Telecommunication System S-UMTS (S - International Mobile Telecommunications after the year 2000) Basé sur le Wideband CDMA Services paquet radio supporté (similaire au cas GPRS) Service «Short Message» unidirectionnel du satellite vers le terminal (bas débit, longueur max de message 100 bit) Services supports envisagés : 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 16, 32 et 64 kbits/s Délai maximum 400 ms (support LEO/MEO/HEO/GEO) Taux d erreur accepté : entre 10e- 3 et 10e-6 Terminaux : H (Handheld), V (Vehicular), T (Transportable), F (Fixed) 15

16 Place du satellite dans l UMTS Satellite Global Suburban Urban Target for UMTS initial development : high density and business areas Micro-Cell In- Building Home-Cell Macro-Cell Pico-Cell Roaming UMTS/GSM FDD UMTS FDD/TDD FDD/TDD TDD 16

17 Organisation fonctionnelle de l UMTS Core Network Iu Iu RNS RNS RNC Iur RNC Iub Iub Iub Iub Node B Node B Node B Node B 17

18 UMTS Bearer Classes 4 classes Conversational class : Real Time, Low delay and jitter ex : VoIP, Video conferencing Streaming class : One way streams, Real time, tolerant jitter ex : Video-on-demand Interactive class : Request-response pattern, preserve payload content, ex : Web browsing, server access, data base retrieval Background class : Preserve payload content, ex : s, SMS 18

19 Intégration dans le réseau d accès USRAN DTCH DCCH DCCH DTCH S-MAC-d Satellite DchFP S-MAC-d PHY DchFP PHY PHY AAL2 AAL2 ATM ATM UE S-Uu NodeB S-Iub CRNC/SRNC 19

20 Interconnexion avec l UMTS DTCH DCCH DTCH DCCH S-MAC-d S-MAC-d PHY PHY UE S-Uu Satellite 20

21 Protocoles dans le terminal Couches inférieures : plan usager / plan contrôle Couche physique Couche MAC Éventuellement une couche ATM Éventuellement une couche AAL/SAAL Éventuellement une couche liaison (fiabiliser le lien pour les services de données si la couche AAL ne le fait pas) au dessus de la couches ATM ou directement au dessus de la couche MAC si la couche ATM est absente. Couches intermédiaires du plan usager Une couche 3 pour les services de données ou la VoIP Une couche transport pour les services de données (UDP, TCP) ou la VoIP (UDP, RTP) adaptée aux caractéristiques du canal satellite (délai et gigue plus ou moins importants) 21

22 Protocoles dans le satellite Couches inférieures (plans usager/contrôle) Couche physique Couche MAC Éventuellement une couche MAC Éventuellement une couche ATM Éventuellement une couche AALi/SAAL (i=1,2,5) Éventuellement une couche liaison pour le trafic de données si la couche AAL ne fiabilise pas le lien radio Couches intermédiaires : leur présence dépend de l architecture de la constellation (réseau d accès, réseau de transport), le satellite pouvant remplir le rôle de Node B, RNC ou même MSC/SGSN. 22

23 Protocoles dans la passerelle La passerelle doit contenir les protocoles NNI vers les réseaux terrestres La passerelle peut éventuellement contenir les protocoles UNI (cas d un satellite utilisé comme un réseau d accès) Elle contient les bases de données VLR& HLR Elle assure l interconnexion avec les réseaux terrestres 23

24 Routage dans les constellations Routage Trouver la meilleure route à travers la constellation pour ouvrir une connexion, ou acheminer un message entre la source et la destination Les liens inter-satellites offrent un réseau de nœuds mobiles, dont le mouvement est déterministe Des techniques de routage adaptatif seront envisagées dans les constellations avec ISLs. La problématique du routage peut être divisée en deux parties Up / DownLink UDL routing (routage pour choisir le satellite source et le satellite destinataire) ISL routing (le routage dans le segment spatial) 24

25 Routage dans les constellations ISL routing UDL routing UDL routing 25

26 Cas des constellations Trois composantes à considérer : le segment terrestre (utilisateurs, passerelles) le segment entre les terminaux (mobiles, fixes, passerelles) et le satellite (UDL) le segment satellite - satellite ISL Un terminal peut éventuellement voir plusieurs satellites Un satellite peut couvrir éventuellement plusieurs passerelles La décision du routage peut se faire dans la passerelle ou dans le satellite 26

27 Quelques critères de choix : UDL Routing Le choix d un satellite parmi plusieurs satellites visibles possible doit prendre en compte : La charge de chaque satellite en terme de trafic écoulé La probabilité de HO subséquent Le coût économique Les critères : Le satellite le moins chargé Le satellite qui présentera le moins de HO Le satellite où l on a réussi à réserver la bande pour un HO garanti Le satellite qui maximise le débit 27

28 Quelques critères de choix : ISL Routing Problème beaucoup plus compliqué que celui du l UDL Routing Parmi les routes topologiques les plus courtes celles qui est la moins chargée La route la moins chargée dont la longueur est bornée par une valeur fixée d avance La route qui présentera le moins de HO La route où l on a réussi à réserver la bande pour un HO garanti La route qui maximise le débit La route la moins chère en terme de coût économique 28

29 Quelques algorithmes utilisés dans les réseaux terrestres Routing Internet Protocole RIP : choisit la route topologique la plus courte basé sur Bellman-Ford Open Shortest Path First OSFP associé à une base de données Link State Data Base LSDB et des informations de diffusion Link State Advertisement LSA Private Network to Network Interface PNNI (cas d un réseau satellite ATM) DARPA packet-radio routing 29

30 IP sur satellite Satellite transparent : le satellite apparaît comme un lien en point à point avec la passerelle Satellite non transparent : Encapsulation de l IP sur ATM si le satellite supporte l ATM IP natif : utiliser le technique de «tunelling» Encapsulation des paquets IP dans des paquets IP Encapsulation des paquets IP dans des segments UDP ou TCP au dessus de IP (technique similaire à celle de GPRS) 30

31 Les principales fonctions du protocole TCP Une transmission de bout-en-bout des messages entre deux stations (End-To- End Transport Service). Protocole orienté connexion Transmission full duplex Fiabilisation Acquittement positif et cumulatif Retransmission après timeout Ordonnancement des segments et garantie de séquence Contrôle de flux : fenêtre glissante Deux algorithmes pour le traitement de la congestion: Slow start ou démarrage lent Eviter la congestion 31

32 Principales fonctions de TCP (cont.) Urgence De plus le TCP permet de transmettre un paquet immédiatement et directement sans subir le contrôle de flux du TCP. Contrôle d'erreur Détection d'erreur sur les données Détection des duplications Détection des paquets hors séquence Retransmission Adressage Ports ou sockets Multiplexage Plusieurs applications peuvent utiliser le même service TCP 32

33 Le protocole UDP L'UDP comme TCP est utilisé avec IP. Le protocole UDP offre un service de transport en datagramme L'UDP utilise la technique d'une main (One-Way-Handshake) i.e. l'udp produit un UDP paquet et le transfère au protocole IP pour transmission. Service datagramme sans connexion Peu d overhead Pas de detection d erreur et de duplication Applications utilisant UDP DNS TFTP NFS 33

34 TCP sur satellite Les protocoles de couches supérieures peuvent s avérer inefficaces dans un contexte satellite où les délais sont importants et variables Cas de TCP : Taille de la fenêtre de contrôle de flux (délai * bande_passante élevé) La précision de la mesure de RTT : mesures plus fines Le mécanisme «Slow Start» Les ACK retardés Utilisation asymétrique de la bande passante Amélioration : FEC, SACK 34

35 TCP sur Satellite Une solution est de mettre une version spécifique de TCP entre le terminal et la passerelle Il existe plusieurs version de TCP Vanilla Reno (Fast Retransmit/Fast Recovery) SACK New Reno C est SACK qui semble avoir les meilleures performances dans le cas MEO 35

36 Travaux récents IETF RFC 2488 : Enhancing TCP Over Satellite Channels using Standard Mechanisms ETSI TC SES (Satellite Earth Station and Systems) : Broadband Satellite Multimedia (BSM) : travaille sur les aspects IP sur satellite Satellite Component of UMTS/IMT-2000 (S-UMTS) : travaille sur l interface radio GEO Mobile Radio Interface (GMR) : travaille sur l interface GSM/GPRS sur satellite GMPRS 36

37 Travaux de BSM TR v1.1.1 «Services and Architectures» TR v «IP over Satellite» Réseau d accès (ptp+multicast) Distribution du contenu à la frontière (multicast) Core Network (liens ptp ISPs entre continents) Architecture des protocoles 37

38 TR IP over satellite Reference Architectures Bearer services for transport for IP structured signals Performance and Availability Quality of Service (QoS) Routing and Addressing Multicast and Broadcast Security Performance Enhancing Proxies (PEPs) based on IETF RFC

39 ETSI TC-SES : Active working Groups 10 active working groups Broadband Satellite Multimedia (BSM) Satellite Component of UMTS/IMT-2000 (S-UMTS) GeoStationary Orbit Satellite PCN (GSO S-PCN) GEO Mobile Radio Interfaces (GMR) Ku-Band Satellite Aircraft Earth Stations (Ku-band AES) Autonomous Satellite Signalling Channel (ASSC) European Cooperation for Space Standardisation (ECSS) Aeronautical Satellite Earth Stations (AES) Harmonisation of TBRs (HARM) Maritime Earth Stations (MAR) 39