适应卫星IP网络的协议体系

适应卫星IP网络的协议体系0.引言随着地面互联网应用的不断普及和影响范围的不断扩大，各种通信方式都开始采用IP技术，采用TCP/IP协议体系已经成为通信网络发展的必然趋势。卫星网络作为地面网络的延伸部分和重要补充，未来的发展也将会采用IP协议作为通信平台与地面网络连成一体，构成天地一体的IP网络[1]。针对新型卫星IP网络，世界各国纷纷展开了协议体系和相关技术的研究探索。目前，大多数的研究主要是依照地面网络的设计思想，按照分层设计的方法，结合卫星网络的自身特点，开展各协议层的设计研究。笔者重点分析链路层、网络层和传输层的协议研究进展情况，为把握卫星IP网络协议体系的研究发展，开展深入研究奠定基础。1.卫星IP网络技术1.1卫星IP网络简介卫星IP网络，即是利用卫星进行TCP/IP数据传输。一个典型的卫星IP网络如图1所示。其中，地面IP网络通过ISP网络或ATM网络中的协议网关与卫星调制解调器连，由协议网关完成WAN协议(如IP，ATM等)与卫星链路层协议之间的转换。1.2卫星网络特点及影响与地面网络相比，卫星网络具有自身独特性，主要包括波束多、覆盖面积大、网络拓扑变化频繁、信息传输受限等特点［8－10］。这些特点给未来卫星IP网络的数据传输和交换带来了一定的影响，主要表现在以下几方面：1)卫星覆盖面积大、波束多由于卫星距离地球表面非常远，少则数十万米、多则上千万米，一颗卫星的覆盖区域都很大。例如，一颗地球同步卫星便可覆盖地球表面的1/3，理论上讲3颗地球同步卫星就可以实现全球通信。图2显示的是利用STK软件模拟一颗轨道高度为5000km、俯仰角为1.5°的MEO卫星，卫星中每个波束的覆盖范围大约为5．4×104km2。另外，随着卫星通信技术的发展，一颗卫星的波束可达数十甚至上百个。图2MEO卫星覆盖区域2)卫星高速移动、网络拓扑变化频繁在卫星网络中，卫星节点沿其既定的轨道绕地球高速移动。以轨道高度在500～2000km的低轨卫星为例，其绕地飞行速度可达25000km/h，环绕地球一周的运行时间仅为数十分钟。因此，与拓扑结构相对稳定的地面网络相比，卫星网络拓扑结构具有周期性频繁变化的特点，主要表现在:一、一颗卫星的覆盖区域变化较快，使得卫星与地面网络之间星地链路变化频繁;二、卫星之间的相对运动较快，星间链路变化频繁。由于上述特点，若仅采用数据链路层协议实现卫星网络的数据传输和交换，往往会因为星地链路和星间链路的改变，造成分组数据的丢包、掉包现象，输质量难以得到保证。3）卫星系统物理受限、信息传输带宽有限由于卫星能量、计算资源、存储资源十分有限［10］，与地面网络相比，星上数据处理能力较低、信息传输带宽有限。这就要求尽可能降低传输数据的开销，提高信息传输的利用率。2．卫星链路层协议研究2.1卫星链路层的传统协议目前卫星链路层的应用协议较少，主要有CCSDS协议和HDLC协议2种。有些方案也提出将IEEE802.3协议直接应用于卫星网络中。2.1.1CCSDS协议20世纪90年代，CCSDS组织针对空间任务的特定需求，提出了SCPS协议族。该协议族包括：SCPS-TP、SCPS-NP和CCSDS等协议，分别应用于传输层、网络层和数据链路层。CCSDS数据帧属于定长帧，其数据帧基本格式如图3所示。数据帧各字段功能如下：1)主信道标志：由传输帧的版本号和航天器标志2部分组成，其中航天器的标志由CCSDS指定。2)虚拟信道标志：用来标志传输数据的虚拟信道。3)虚拟信道帧计数器：3字节，为每个虚拟信道提供单独的计数，保证各虚拟信道所传输的帧的连续性。4)信令域：1字节，由重放标志和空闲区域2部分组成。5)帧头部差错控制：保护头部中的关键信息。6)数据单元域：是上层协议封装的数据。2.1.2HDLC协议HDLC协议ISO组织为OSI协议体系制定的面向比特型的数链路层协议[5]。HDLC数据帧属于变长帧，其基本格式如图4所示。图4HDLC数据帧基本格式数据帧各字段功能如下：1)标志字段：起始标志和结束标志，作为数据帧的开头和结尾标志。2)地址数据：标志接收站的地址，长度为1～2字节。3)控制数据：1字节，根据定义将数据帧分为信息帧、监督帧和无编码帧。4)数据：是上层协议封装的数据。5)CRC：2字节，对传输数据检错和纠错。2.1.3IEEE802.3协议IEEE802.3协议是地面IP网络中数据链路层常用的协议，数据帧采用变长帧结构。其基本格式如图5所示。图5IEEE802.3基本格式数据帧各字段功能如下：1)前同步码：7字节交替出现的0和1，提醒系统有帧到来。2)帧首定界符(startingframedelimiter，SFD)：1字节，帧开始的信号。前同步码与SFD合称物理层首部，由物理层添加。3)目的地址：6字节，目的站或者将要接受该分组的节点的物理地址。4)源地址：6字节，发送设备的物理地址。5)长度/类型：2字节，数据字段中所包含的字节数目和类型。6)数据：是上层协议封装的数据。7)CRC：差错检测信息。2.2新型协议（NSLP协议）通过上述卫星网络特点的分析，可以看出，在卫星IP网络中，仅仅在数据链路层利用物理地址，难以实现数据的传输和交换，而应将交换功能递交给网络层，采用IP路由技术实现数据的传输和交换。另外，由于卫星能量、处理能力和带宽资源非常有限，卫星网络的数据链路层协议应尽量简单、有效，达到信息的高效传输。基于上述考虑，研究提出一种新型的卫星IP网络数据链路层协议(NewSatelliteLinkProtocol，NSLP)，其帧格式如图6所示。图6NSLP基本格式数据帧各字段功能如下:1)SFD(帧首定界符)———(1byte，10101011)，由物理层添加，属于物理层首部，作为数据帧的起始标志，表示一个新的数据帧。最后两个比特是“11”，表示接下来的字段为数据帧内容部分。2)数据———上层协议封装的数据。3)CＲC———2byte，实现数据帧的差错检测。NSLP协议结构简单，各字段功能在实际使用中均得到有效应用。在该协议中，数据链路层仅负责数据的帧封装、传输以及必要的差错检测，不再负责数据帧的寻址和交换。2.3性能比较NSLP协议除了能有效提升信息传输效率、降低IP分组丢失率等基本指标外，还具有如下3个优点:1)与TCP/IP协议兼容性好CCSDS协议是SCPS协议族中的数据链路层协议，而SCPS协议从传输层到数据链路层均做了较大变动，并未考虑与TCP/IP协议的兼容性;HDLC协议则是ISO组织为OSI协议体系设计的数据链路层协议。因此，两种协议与TCP/IP协议兼容性较差。NSLP协议的设计是基于TCP/IP协议，针对卫星IP网络提出的数据链路层协议，并未对传输层、网络层协议进行修改，因此与TCP/IP协议兼容。2)与IP协议耦合度高。CCSDS在封装数据帧时，会将几个IP分组数据封装到一个数据帧中，也会将一个IP分组数据分解并封装到两个数据帧中。当在传输过程中，某个数据帧出现差错时，不仅会丢弃当前数据帧中的所有IP分组，还会造成其他数据帧中IP分组的无法解析，从而出现差错扩散的问题。而NSLP数据帧是变长数据帧，其长度与封装的IP分组数据紧密相关，具体封装过程如图3所示。当数据帧在传输过程中某个IP数据报出现差错时，仅丢弃掉当前数据帧，不会影响其他IP分组数据的传输。因此，NSLP协议与IP协议耦合度高。3)节约星上资源，提升整体性能NSLP协议结构简单，链路层仅仅进行必要的分组数据差错检测，不论在数据处理还是在数据传输过程中，都节约了星上资源，提升了星上处理器的整体性能。3.卫星网络层协议研究目前在网络层中应用的星上分组处理技术主要有2种：基于ATM的星上路由交换技术和基于IP的星上路由交换技术[6]。欧洲和日本等国家主要研究基于ATM的星上路由交换技术；美国等国家主要研究基于IP的星上路由交换技术。3.1星上分组处理技术3.1.1星上ATM路由交换技术星上ATM路由交换采用地面ATM技术，是一种基于信元的、能够提供QoS控制和带宽保证的交换技术，是基于面向连接的，通过虚电路传输数据。星上ATM交换技术在卫星IP网络中处理IP分组数据的主要流程如图7所示。图7星上ATM交换数据传输其具体工作流程如下：1)ALL5层收到IP分组之后，为其附加一个8字节的尾部以及填充。填充及尾部准备好后，就以48字节的分组段将IP分组数据交付给ATM层。2)ATM层从ALL5层收到48字节的分组数据段之后，加上5字节的首部后，将其转换为53字节的信元，然后交付给物理层发送。3.1.2星上IP路由交换技术为实现与地面IP网络的无缝连接，在卫星网络中采用IP路由技术是一种较好的解决方案。美国在这方面研究较早、进展较快。自1996年开始，先后开展了“OMNI”、“CLEO”、“IRIS”等一系列研究计划，完成了星载IP路由器、卫星网络IP承载平台等验证实验。星上IP路由技术具体工作流程：在卫星链路上直接将IP分组封装到数据帧中，然后根据分组中目的IP地址，查找转发表，确定分组输出端口，最后通过交换开关将分组交换到相应的输出端口。2.2研究分析为了比较星上ATM交换技术星上IP路由技术的性能，从信息传输效率、IP分组丢失率、交换路由速率、业务QoS保证、星载设备要求等方面进行分析。为了便于分析，星上IP路由技术在分组数据封装时均采用HDLC协议。1)信息传输效率。由于在网络传输过程中，IP分组长度大多限定在576字节以下，选取128字节、576字节和1500字节3种情况进行计算信息传输效率[11]，结果如表1所示。表1信息传输速率基于ATM交换技术，信元较短，首部所占比例较大，并且在分组数据分段时需附加8字节的尾部以及填充数据；而基于IP路由技术，数据帧较长，帧头以及IP报头所占比例较小，且在封装数据帧时不需附加尾部以及填充数据。因此，在传输同等长度数据帧时，基于IP路由技术中的有效信息要高于基于ATM交换技术。由表2可知，在传输同等长度分组数据时，基于IP路由技术信息传输效率要比基于ATM交换技术高出10%以上。2)IP分组丢失率。在计算IP分组丢失率时，设定信息传输误码率在10–7～10–4之间，IP分组长度分别为128字节、576字节、1500字节。经计算IP分组数据丢失率如表2所示。表2IP分组数据丢失率由表3可知，在传输同等长度IP分组数据时，ATM交换技术的IP分组数据丢失率要高于IP路由技术。信息传输误码率越高、传输的IP分组长度越长，ATM交换技术的IP分组丢包率越明显。3)交换路由速率。ATM技术为定长包交换，IP技术为不定长包交换，在交换和路由速率上，ATM技术要优于IP技术，但是随着星上处理能力的提高、查表算法的优化，IP路由速率将会得到改善。4)业务QoS保证。ATM交换技术是面向连接的，在业务传输之前需要信令建立传输路径，业务QoS能够得到保证；而IP路由技术是面向无连接的，在业务传输时无需建立传输路径，业务QoS保证比较困难。5)星载设备要求。ATM交换技术需要信令建立传输路径，拥塞管理和流量控制功能完备，提供业务QoS保证，对星上处理能力要求较高；IP路由技术是面向无连接、不可靠的数据传输，拥塞管理和流量控制较低，业务QoS尽量保证，对星上处理能力要求较低。通过分析，2种技术各有特点，相互之间没有明显优势。但是，从应用角度看，随着地面互联网应用的不断普及和影响范围的不断扩大，各种通信方式都开始采用IP技术，利用IP协议进行数据传输已经成为通信网络发展的必然趋势。卫星网络作为地面网络的延伸部分和重要补充，在未来卫星IP网络中发展IP路由技术更加适合天地一体化IP网络的发展方向。4.卫星传输层协议研究4.1卫星IP网络的主要问题卫星IP网络面临的主要问题，主要源于卫星信道的几种固有特性:1)信道差错率相较于地面网络，卫星信道更容易受到空天网络复杂环境的干扰。卫星信号在传播过程中会面临衰落、雨衰和阴影效应等不同因素的影响，使得信道的误码率(BEＲ)很高，大约可达到10－6数量级，远远高于有线信道