Protocoles TCP/IP dans les rProtocoles TCP/IP dans les rééseaux seaux satellites satellites

Samir TOHMEsamir.tohme@prism.uvsq.fr

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Architecture du système

Liaison descendante Liaison montante

ÉmetteurRécepteur

Satellite

Station decontrôle

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Liens inter-satellites

Liaison descendante Liaison montante

ÉmetteurRécepteur

Station decontrôle

ISL

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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

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Services et téléservicesClassification 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, ...

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Couche physique

Couche MAC

Couche RLC

IP

ATM

AAL5

Couches supérieuresCouches supérieures

Architecture de protocoles du plan utilisateur : service de données

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GPRS: Architecture en Couches

Relay

NetworkService

GTP

Application

IP / X.25

SNDCP

LLC

RLC

MAC

GSM RF

SNDCP

LLC

BSSGP

L1bis

RLC

MAC

GSM RF

BSSGP

L1bis

Relay

L2

L1

IP

L2

L1

IP

GTP

IP / X.25

Um Gb Gn GiMS BSS SGSN GGSN

NetworkService

UDP /TCP

UDP /TCP

Plan utilisateur

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Scénarios des réseauxInterconnexion 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

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Interconnexion des LANs

NCC

Station terrestre

Deux niveaux d’allocation de ressources

1 - allocation au niveau du terminalentre les différents types de traficgénérés

2 - allocation au niveau de NCCentre les terminaux terrestres

Allocationde bande

Allocationde bande

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Scénarios des réseaux

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 radioPetite volume de trafic et faible débit de transmission par terminal

Mode d ’accès utilisateur

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Mode d’accès utilisateur

Le NCC est responsable de la décision d’allocation.

La liaison montante est partagée entre utilisateurs des différentes applications. NCC

modemTerrestrialdata-bases

Bandwidthallocation

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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

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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)

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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

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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)

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Place du satellite dans l’UMTS

UMTS

Satellite

Global

Suburban Urban

In- Building

Pico-Cell

Micro-Cell

Macro-CellHome-Cell

Roaming UMTS/GSM

FDD/TDD FDD/TDD TDDFDD

Target for UMTSinitial development :

high density andbusiness areas

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Organisation fonctionnelle de l’UMTS

RNS

RNC

RNS

RNC

Core Network

Node B Node B Node B Node B

Iu Iu

Iur

Iub IubIub Iub

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UMTS Bearer Classes

• 4 classes– Conversational class : Real Time, Low delay and jitter ex : VoIP,

Video conferencing…–– Streaming classStreaming 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 : E-mails, SMS…

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Intégration dans le réseau d’accès USRAN

PHY PHY

ATM

DchFP

ATM

DchFP

S-IubUE NodeB CRNC/SRNCS-Uu

DCCH DTCH

PHY

AAL2 AAL2

DTCH DCCH

SatelliteS-MAC-d S-MAC-d

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Interconnexion avec l ’UMTS

UE S-Uu Satellite

PHY

DTCH DCCH

S-MAC-d

PHY

DTCH DCCH

S-MAC-d

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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)

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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.

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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

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Routage dans les constellationsRoutage

• 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)

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Routage dans les constellations

UDLrouting

UDLrouting

ISL routing

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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Travaux récents

• IETF RFC 2488 : Enhancing TCP Over Satellite Channelsusing 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

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Travaux de BSM

• TR 101 984v1.1.1 « Services and Architectures »• TR 101 985 v.1.1.2 « 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

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TR 101 985 “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 3135

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ETSI TC-SES : Active working Groups

• 10 active working groupsBroadband 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)