（计算机科学与技术专业论文）星载计算机中ipatm及路由关键技术研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 未来卫星通信要求卫星能够无缝透明地接入i n t e r a c t ，然而目前大部分卫星仍 然采用原始的通讯模式，并继续在网络层以上独立于i n t e m e t ：卫星接入i n t c m e t 最好的解决方案就是使用口技术。卫星星座工作模式及星际链路的引入使得卫星 组网运行成为大势所趋，因此，我们有必要研究适合于星载计算机与卫星网络的 路由协议。 本文对星载计算机中i p a t m 及路由协议的关键技术进行了研究与实现。具体 而言，研究了a t m 技术在星载计算机中的应用，在实时操作系统r t e m s 上开发 了a t m 网卡驱动；研究了t c p 协议在卫星网络中应用的性能问题，并提出了相 应的解决方案，设计实现了经典的c i p o a 技术以支持m 协议；深入研究了r i p 路由协议在星载计算机系统中的应用与实现，对其中的关键问题进行了讨论和分 析，并进行了r 口形式化研究。 星载系统在安全性和可靠性方面的要求是不言而喻的。为此，我们对星载软 件的可靠性问题进行了讨论，并对最主要的程序漏洞缓冲区溢出问题进行了 深入的研究。我们研究了基于模型检验的缓冲区溢出检测方法，对程序中缓冲区 及其相关操作进行了理论建模，设计并实现了一个基于模型检验进行缓冲区溢出 检测的原型工具m c b u f f e r 。最后我们使用原型工具m c b u f f e r 与已有的静态缓冲 区溢出检测工具对星载操作系统中部分关键代码进行了缓冲区溢出检测和分析。 主题词：星载计算机，t c p i p ，路由协议，r i p ，缓冲区溢出，模型检验 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t s a t e l l i t e sa r cr e q u i r e dt oc o n n e 斌t ot h ei n t e m e ts e a m l e s s l ya n dt r a n s p a r e n t l yi nt h e f u t u r e 。m o s to fn o w a d a y ss a t e l l i t e s ，h o w e v e r , s t i l lw o r ki nt h et r a d i t i o n a lw a yw h i c h m e a n st h a tt h e ya l et o t a l l ys e p a r a t e df r o mh t e m e ta b o v et h en e t w o r kl a y e r t h eb e s t w a yt os o l v et h ep r o b l e mi s t ou i n t e m e tp r o t o c 0 1 ，1 1 地w o r k i n gs t y l eo fs a t e l l i t e c o n s t e l l a t i o na n di n t e r s a t e l l i t el i n km a k et h es a t e l l i t e sb e c o m et ow o r ka san e t w o r k a sar e s u l t ，w es h o u l dr e s e a r c ht h em u t i n gp r o t o c o lu s e df o ro n - b o a r dc o m p u t e ra n d s a t e l l i t en e t w o r k w er e s e a r c h e da n di m p l e m e n t e dt h ek e yt e e t m o l o g i e so fi p a t ma n di t sr o u t i n g p r o t o c o lf o ro n - b o a r dc o m p u t e rn e t w o r k i n g w er e s e a r c h e dt h eu s eo f a t mt e c h n o l o g y i no n - b o a r dc o m p u t e r a t md r i v e rf o rt h er e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mr t e m sw a s d e v e l o p e d w ed i s c u s s e dt h ep e r f o r m a n c eo f t c pw h e nu s e di ns a t e l l i t en e t w o r k i n ga n d p r o p o s e das o l u t i o n t h ec l a s s i c a lc i p o aw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e df o rt h e s u p p o r t i n go fi pp r o t o c 0 1 w et r i e dt ou s er i pi no n - b o a r dc o m p u t e r i m p o r t a n t q u e s t i o n sw e r ed i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d af o r m a lw a yw f l sa l s ou s e dt or e s e a r c hr i p o n - b o a r dc o m p u t e rs y s t e mr e x i u i r e st o t a l l ys a f e t ya n dr e l i a b i l i t y w er e s e a r c h e d t h er e l i a b i l i t yp r o b l e mo fo n - b o a r ds o f t w a r e n em o s ts e r i o u sp r o g r a mf l a w , b u f f e r o v e r f l o w ，w a sr e s e a r c h e d w er e s e a r c h e dt h eb u f f e ro v e r f l o wd e t e c t i n gm e t h o dv i a m o d e lc h e c k i n g t h e o r e t i c a lm o d e lf o rb u f f e r sa n dt h e i rr e l a t e do p e r a t i o n sc r e a t e d m c b u f f e r , ap r o t o t y p et o o lf o rb u f f e ro v e r f l o wd e t e c t i n gb a s e do nm o d e lc h e c k i n g ，w a s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a tl a s t , w eu s e dt h ep r o t o t y p et o o lm c b u f f e ra n dt h e e x i s t i n gs t a t i c a l l yd e t e c t i n gt o o l s t oc h e c kt h ei m p l e m e n t e dc r i t i c a lc o d e so ft h e o n - b o a r dc o m p u t e ro p e r a t i n gs y s t e mf o rb u f f e ro v e r f l o w 弧ed e t e c t i n gr e s u l t sw e r e a n a l y z e d k e yw o r d s ：o n - b o a r dc o m p u t e r ，t c 彤l p ，r o u t i n gp r o t o c o l ，r i p ， b u f f e ro v e r f l o w ，m o d e lc h e c k i n g 第j i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表 表 表 表 1 三种主流i po v e ra t m 技术的比较2 9 2 在两种c p u 主频和存储总线频率下适配器的数据传输率3 2 1 常见字符串库函数的建模6 2 2 四种静态检测工具检测结果7 l 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 图1 2 图2 。1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图5 1 图5 2 传统的卫星通信模式3 具有路由和交换能力的卫星通信模式3 卫星通信系统 一1 0 星载四c p u 并行计算机系统模块图1 2 i u e m s 中网络任务结构和消息队列图1 3 础匝m s 网络驱动模型1 4 r t e m s 中a t m 驱动设计1 7 网络初始化过程1 9 中断处理过程2 0 不同平台下的网卡互通测试2 1 采用婵技术后的卫星通讯2 3 采用m 技术后卫星通讯的协议栈2 3 仿真网络2 6 三种t c p 在不同误码率下的吞吐量。2 6 t c p - p e a c h 引入的额外开销2 7 不同载波速率下三种t c p 的吞吐量。2 7 口，a n 40 1 1r t e m s 驱动软件协议栈3 l 网络传输率对比图3 2 卫星m 路由模型3 9 r i p 维护的路由表4 1 路由表项数据结构4 2 路由表项状态变迁图4 3 触发更新计时器相关操作的关系图4 4 r i p 协议模块划分4 5 砌p v l 报文格式4 6 在基于a t m 的星载计算机上实现r i p 后的系统软件结构4 8 i 淝m s 上r 口守护进程4 8 r i p 初始化过程。4 9 r 口输入处理。4 9 r 口协议测试网络5 2 基于模型检验进行缓冲区溢出检测的主要思路5 7 指针建模操作举例6 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 3m c b u f f e r 结构框图6 6 图5 4m o d e x 的工作流程6 8 图5 5m c b u f f e r 检测举例 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：星越盐簋狃主! ! 塑丞整由差鳇挂苤丑究皇塞理 学位论文作者签名：奎兰亟 日期：口6 年l 月，f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：星戴j 土短扭! 生! 丛型丞整由羞缝拉盔盈究曼塞煎 1 一 学位论文作者签名：客兰虬 日期：年j 月哆日 作者指导教师签名：塑， 日期：彦一f 年l f 月f r 日 作者指导教师签名：兰丛。 日期：彦“年l f 月f j 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 随着航天技术地不断发展，全球发射的航空器数目日益庞大，目前已经达到 5 0 0 0 多个，其中9 0 以上都是人造卫星【1 5 1 。这些卫星被应用到移动通信、资源探 测、遥感遥测、气象观测等领域。但星载并行处理系统的引入、卫星与地面网络 灵活组网运行需求的出现，使得最初的“弯管式”通讯模式已经无法满足发展需 求，卫星的通讯模式正逐步地发生变化。 1 1 星载计算机 星载计算机系统在航空器的姿轨控、星务管理、载荷数据管理与处理等领域 发挥着越来越重要的作用，对于星载计算机系统的研究逐渐成为当今航空航天、 计算机领域的一个研究重点。 1 1 1 星载计算机的特点 由于工作在外太空，星载计算机具有如下特点【i ，2 j ，1 6 ，1 7 】： 硬件资源有限。受尺寸的限制，星载计算机内存空间有限；受功耗的限制， 其c p u 运算性能较低；同时外设与星载设备也受此限制。 硬件平台体系结构多样。考虑到不同任务的工作重点不同，c p u 型号、通 讯方式、存储方式等往往存在差别很大。单就c p u 型号来说，从8 位的8 0 3 1 到 1 6 位的1 7 5 0 a 、8 0 8 6 ，再到3 2 位的l e o n 、e r c 3 2 、8 0 x 8 6 ，型号多样但都不属 于通用型c p u ，配套调试工具少。 需要考虑空间抗辐照能力。必须考虑辐射总剂量、宇宙射线造成的单粒子 翻转( s e u ) 和单粒子锁定( s e l ) 对星载计算机的影响。 对安全性与可靠性要求高。星上计算机系统要求的工作寿命高达数十年， 而且不允许太长的错误恢复时间，否则卫星将失控。 需要具有在轨可编程功能。对在地面考虑不周和出现意外情况时，能有所 补救。 1 1 2 星载实时操作系统 星载计算机软硬件系统日趋复杂，传统的星载计算机软件设计方法和开发手 段已逐渐不能适应这种需求，引入r t o s ( 1 b a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，实时操作 系统) 能够有效地解决这些问题。r t o s 以函数调用的方式提供任务调度、任务通 信、内存管理等系统功能，使用户能够将精力放在应用程序的开发上，有助于星 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 载软件通用化和模块化设计，缩短软件产品的研制周期，提高星载软件可靠性。 目前出现的适应于星载特点的嵌入式操作系统有v x w o r k s 、r t e m s 等。 1 1 2 1 星载实时操作系统的特点 针对星载计算机的特点，星载实时操作系统也具有如下特征【l h ： 微内核。由于硬件资源有限，星载r t o s 必须做成微内核的操作系统。 可裁减。星载r t o s 要根据不同应用对操作系统进行不同的配置，做到量 体裁衣，如此可以更充分地利用硬件资源，减少软件多余物。 强实时性。星载系统都是强实时系统，对实时性要求很高。 高稳定性与高可靠性。星载r t o s 必须保证经过完全的验证和测试，以保 证星载系统不出错，因为一旦出错损失将是不可估计的。 代码可固化。星载计算机一般采用p r o m 对代码进行固化，这就要求星载 i h o s 必须是代码可固化的。 1 1 2 2r t e m s r t e m s ( r e a lt i m ee x e c u t i v ef o rm u l t i p r o c e s s o rs y s t e m s ) 2 q 是源代码公开的实 时多任务操作系统，最初由美国军方开发，曾用于“爱国者”地空导弹系统。r t e m s 的设计初衷就是为较少内存与较低c p u 主频的嵌入式系统提供可靠的实时内核。 r t e m s 作为一个致力于为嵌入式应用提供高性能环境的实时操作系统，具有 如下特点：非常优秀的实时性能；支持同构或异构多处理器系统；体系可剪裁， 用户可以根据实际应用需要进行剪裁：支持多任务；支持任务间的通信和同步； 支持事件驱动、基于优先级、抢占式的调度算法；优化的基于统计的单调频率r m s 调度( r a t em o n o t o n i cs c h e d u l i n g ) ；支持优先级继承( p r i o r i t yi n _ h e d t a n c e ) ；快 速响应的中断管理；支持动态存储器分配等。经过相当广泛的测试，r t e m s 无论 在实时性，还是在线程任务迁移上，都有相当出色的表现。 正是这些优势使得r t e m s 在航空航天、军事等特殊领域获得广泛的应用，同 时也非常适合于星载计算机系统。采用r t e m s 作为星载实时操作系统，有助于保 证系统的实时性和计算性能；同时由于其源码公开，便于改进，可以持续发展。 1 2 卫星网络通讯技术 传统的卫星通信模式利用人造地球卫星作为空间中继站来转发无线电信号， 在两个或多个地球站、空间站之间进行信息交换和信息传输，是微波中继通信技 术和航天技术结合的产物。这种卫星通讯大都通过一种叫弯管( b e n t - p i p e ) 的技术来 发送和接收指令【5 】：地球上的固定某点发送信号给卫星，卫星收到后放大，发送到 预先指定的地球某点；这一切路由都是由地面决定，卫星链路只是一个物理层的 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 连接而已。这样，数据主要是卫星与地面站之间地上行与下行，各个卫星之间地 通讯也只能依靠地面基站中转。 图1 1 传统的卫星通信模式 如图1 1 所示的通信案例中，不在同一颗卫星覆盖范围内的两个地面终端，因 为无法直接定位对方的位置，如果要进行通讯就必须要通过地面基站进行路由和 转发。而如果卫星具有路由和转发功能，如图1 2 所示，就可以经过星际链路直接 进行通讯，而不需要经过地面基站的转发。无论从延迟还是从灵活程度来说，具 有路由和交换功能的卫星通讯模式相对于传统的卫星通信模式来说都有很大的优 势。如果卫星支持星载路由机制和星载交换机制，则卫星网络就是一个实在的网 络系统，与地面的网关相连接，构成一个自治系统。卫星之间可以直接地进行网 络互连和路由，减小了星地之间的通信量，而星地间通信所依赖的信道资源往往 是有限的。我们有理由相信随着卫星技术的发展，基于空间的组网方式将会成为 主流发展趋势。 图1 2 具有路由和交换能力的卫星通信模式 国外在卫星组网运行方面的研究起步较早，已经陆续推出了一些具有一定商 用和军用价值的卫星网络系统，如t e l e d e s i c ，s p a c e w a y ，s k y b r i d g e ，i r i d i u m 和 g l o b a l s t a r 等。自“东方红一号”发射上天三十年来，我国航天技术有了长足地发 展，但是与美、俄等航天大国相比仍有较大差距。由于目前我国的卫星种类少、 数量少，并且大都作中继使用、各个卫星自成体系，这为信息交换带来了很大的 困难；同时国内对于卫星网络中信息交换涉及的传输协议和算法结构、信息的一 致性表示、信息交换安全原理与方法等问题地研究尚不够深入。虽然目前国内对 各种地面网络技术，如安全保障、q o s 保障、拥塞控制，己经研究得相当深入并 有成功的应用。然而卫星网与地面网有很大不同，地面网的各种技术并不能简单 套用到卫星网中，在卫星网中如何解决这些问题，恰恰是目前研究的空白。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 课题研究内容 本课题来源于某星载并行计算机系统研究项目，项目目标是研制新一代星载 并行计算机系统，以满足应用领域臼益增长的信息处理需求。作为该项且的一个 重要组成部分，本课题重点研究i p 、a t m 、r i p 等网络关键技术在星载计算机中 应用与实现：针对星载软件的安全攸关性，我们还探索性地研究了基于模型检验 的缓冲区溢出检测方法，并对部分关键实现代码进行了验证分析。 具体而言，本课题的主要研究内容包括： ( 1 ) 研究了a t m 技术在星载计算机中的应用。 研究了a t m 技术在卫星通讯中的关键问题：误码率问题与延迟问题，提出了 一个针对星载计算机系统的延迟模型。结合某型号的星载计算机系统的硬件特点， 总结提出了r t e m s 网络驱动模型，在实时操作系统r t e m s 上开发了a r m 驱动， 并进行了充分的测试。 ( 2 ) 在基于a t m 网络的星载计算机中研究了口技术在卫星网络中的应用。 我们对口技术在星载计算机网络中的应用进行了研究，主要是对t c p 协议在 应用在卫星网络中的性能问题以及卫星网络i p 路由问题进行了研究；最后在r m 驱动之上设计实现了经典的c i p o a 技术，以支持t c p i p 协议。 ( 3 ) 研究了r i p 路由协议在星载计算机中的应用，并进行了实现。 结合我们提出的m 路由模型，我们研究了适应星座内部网络的r i p 路由协议。 在c i p o a 基础上设计实现了r i p 路由协议，初步地研究了动态路由协议在星载操 作系统中的实现方法，对其中诸如路由表状态、触发更新计时器等关键问题进行 深入的研究和讨论；同时我们还对r i p 进行了形式化，通过形式证明的方式证明 了r i p 协议的收敛性。最后的测试结果表明，实现了r i p 路由协议的星载计算机 能够成功地配置成为星载路由器。 ( 4 ) 研究了基于模型检验的缓冲区溢出检测方法。 我们尝试采用模型检验的思路来解决星载软件中的缓冲区溢出问题，通过对 程序中的缓冲区及其相关操作进行形式化建模，可以把程序抽象成一个缓冲区及 其相关操作的模型。在研究基于模型检验进行缓冲区溢出检测的基本理论和关键 问题之后，我们设计实现了一个原型工具m c b u f f e r ，并使用m c b u f f e r 与已有的 静态缓冲区溢出检测工具对星载操作系统中路由协议部分的实现代码进行缓冲区 溢出检测和分析。 1 3 论文的组织结构 论文共分为六部分，具体的章节组织如下： 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章：绪论。主要讲述课题的研究背景、研究现状以及课题的主要工作和 论文的组织结构。 第二章：对删技术在卫星网络中的应用进行了研究。主要讨论了两个关键 问题，结合某型号的星载计算机系统的硬件特点，在实时操作系统r t e m s 上开发 了删驱动。 第三章：对口技术在卫星网络中的应用进行了研究。针对t c p 协议的应用问 题、口路由问题进行了较为深入地讨论和研究；然后研究了m 技术与a 1 n 卫星 通讯技术的结合，设计实现了经典的c 妒0 a 。 第四章：对r i p 路由协议在星载计算机网络中的应用进行了研究。提出了一 个简单的卫星网络口路由模型，研究了经典的路由协议r i p 在星载计算机的应用， 并在r t e m 8 上进行了设计、实现和测试，对其中的关键问题进行了深入地讨论， 同时把r i p 路由协议进行了形式化，采用形式证明的方式证明了r i p 路由协议的 收敛性。 第五章：研究了星载软件的可靠性，针对程序中最为常见的一种漏洞一一缓 冲区溢出问题进行了研究。基于模型检验的缓冲区溢出检测方法设计实现了一个 原型工具m c b u f f e r ，对实现的星载软件关键代码进行了检测。 最后是结束语。总结了本文的研究结果，指出了研究中遇到的技术难点，然 后给出技术展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章星载计算机中的a t m 技术 2 1a r m 技术在卫星通信中的应用 2 1 1a t m 技术在卫星通信中的优势 星载计算机系统在网络通信的连接安全性、传输稳定性、数据多样性等方面 有着相当高的要求。而a t m 网络技术在可靠性、服务质量q o s 支持、综合数据 传输能力等方面有得天独厚的优势，非常适合用于星上通信【1 7 】： 国际标准ta t m 协议是基于国际标准制定的，与专用协议相比能够支持多媒体 信息服务和无缝网络继承。 带宽分配灵活：a t m 具有动态带宽管理和保证带宽分配的特点。在业务峰值处， 可根据信元头进行业务整形，具有拥塞恢复功能。流量控制、网络资源管理控制 及各种差错控制技术，可以使星载计算机能够在卫星信道差错率高、不稳定的情 况下，将信元丢失率降低到可以接受的程度，满足星载计算机通信的可靠性要求。 多媒体业务支持；a t m 协议可支持多媒体通信，通过高速、低延时的硬件实现 能够更好的支持此项业务。 优先级排队：对a t m 可根据业务类型和服务质量进行优先级排队，这一点对 于基于q o s 的资源分配和提供保证的服务质量( 0 0 s ) 是必备的。 多点广播：多点广播是a t m 协议的一个重要特点，可以减少信息的重复发送。 多播功能对于带宽有限的卫星通信来讲，显得更为重要。卫星通信覆盖面广的特 点使其较易支持广播和多播操作，可实现对不同地域上的几个网络的集成。a t m 技 术与卫星通信技术结合，能够将二者的优势结合起来，提供更好的服务。 目前有一些卫星通信系统已经采用a t m 技术进行通讯，但还未充分发挥出 a t l v l 协议的优势，在卫星通信中采用a t m 技术仍处于试验阶段。a s t r o l i n k 系统 采用了9 个g e o 卫星组网，提供高速率的多媒体业务，拥有o b p ( o n - b o a r d p r o c e s s i n g ) ；t e l e d e s i c 系统具2 8 8 个l e o 卫星，提供空中i n t e r n e t 连接高品质话 音、数据、视频服务，拥有o b p 。另外，采用a t m 技术进行通信的系统还有 s p a c e w a y 、g b s 、e u r o s k y w a y 、s k y b r i d g e 等【5 】。 2 1 2a t m 技术在卫星通信中的误码率 a t m 起初是为基于光纤的地面网络设计的，具有低延迟和低误码率的显著特 点。地面基于光纤的a t m 网络链路的信道误码率为1o 1 0 ，在这种数量级的误码率 的情况下，a t m 信元现有的纠错方式( c r c 校验) 完全可以满足网络通信对于可 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 靠性的要求。然而卫星链路信道容易受到大气、降雨、电离层等各种因素的影响， 误码率达到1 0 气1 驴，这种程度的误码率下标准a t m 技术容易频繁出现各类差错， 从而造成通信性能的巨大损失，无法正常发挥其优势。影响a t m 在卫星通讯中误 码率的因素主要包括随机单比特位错误和突发错误。 2 12 i 随机单比特位错误 在数据传输的过程中，卫星信道很容易受到各种各样的干扰而产生随机单比 特位错误，使得b e r ( b i te r r o rr a t e ) 升高。b e r 一方面取决于当前卫星链路的 状况；另一方面也依赖于接收端的信噪比。卫星链路状况的恶化可能使得传输数 据出现多个随机单比特位错误，这种情况下，应用于地面的标准a t m 协议纠错技 术已经无法满足卫星上的应用，需要有更好的保护技术来确保通信的可靠性。此 外，为了把b e r 限制在可以接受的水平上，接收端和发送端必须要保证维持在最 小的信噪比。 为了解决随机单比特位错误问题，前向纠错编码( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ， f e c ) 技术提供了一种可行的方法，同时也满足了一定的性能需求。这种技术在发 送的数据中引入一定的冗余信息，当接收端接收到数据时就可以使用这些冗余信 息来判断接收到的数据是否已经破坏，并且如果数据被破坏还能够在一定程度上 把数据纠错恢复为原始的正确数据。只有在冗余信息不足以进行数据恢复的情况 下，接收端才会发出进行数据重传的请求。由于运用了f e c 技术后的接收端能够 容忍一定程度水平上的随机错误，接收端所需的信噪比要求也可以降低；对于发 送端来说，则意味着较少的能量消耗。 2 12 2 突发错误 突发错误对于a t m 层产生的最大影响就是引起信元丢失率( c e l ll o s sr a t i o 。 c l r ) 的急剧升高。a t m 信元头部中的h e c ( h e a de r r o rc o r r e c t i o n ) 采用c r c 校验码，只能纠一位错误。在卫星信道发生突发错误的情况下，如果突发错误命 中了信元头，那么将会引起头部一位以上的错误，此时h e c 的一位纠错能力就失 效了。接收端的处理方式只能是将信元丢弃，并且发出重传请求，最终导致的结 果就是引起信元丢失率的急剧增加，严重降低了数据的吞吐率并且由于重传消耗 了更多的能量。 c r c 校验码的纠错方式同样被a t m 适配层中的a a l l 、a a l 3 4 和a a l 5 所 采用，因而这些适配层受到与信元头部h e c 类似的突发错误的影响。一旦突发错 误出现，那么就意味着数据的破坏或者协议机制的失败。例如，a a l l 的s a r 头 部包含有4 位宽的顺序号( s e q u e n tn u m b e r ，s n ) 字段。这个字段受到3 位c r c 校验码和l 位的奇偶校验位的共同保护。经过理论计算发现，头部发生突发错误 并且没有被c r c 校验码和奇偶校验位检钡4 出的可能性为1 5 2 5 5 。类似这种无法被 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 检测出的突发错误往往直接导致接收端汇聚子层( c o n v e r g e n c es u b l a y c r ，c s ) 的 同步失败。 对于卫星信道来说，最坏的情况就是同时出现随机单比特位错误和突发错误， 而且这种情况发生的概率是很高的。卫星a t m 信道中传输的数据必须受到不同于 地面标准a t m 协议的额外的保护，需要有效且可靠的纠错技术来保证。 2 1 3 卫星a t m 链路延迟模型 在这一节中，我们重点完善了一个简洁的卫星a t m 链路延迟模型。通过分析 实际的卫星a t m 系统，我们对延迟模型进行一定的假设与简化，以降低分析时的 复杂度。完整的延迟时间应该附加地面网络引入的一些延迟，包括地面网络设备 之间的传输，发射终端等因素带来的延迟。模型中主要考虑卫星网络系统部分的 延迟，侧重卫星链路建立、星上处理等方面的延迟，我们只考虑数据从地面发射 终端发出，一直到另一地面站接收完数据报文为止的时间延迟。此外，即使在同 一个连接中，由于卫星信道中的各种干扰因素，各个信元从发送端到达接收端的 延迟本身是存在一定差异的。在该模型中，不考虑在一个连接中信元和信元之间 的延迟抖动，也就是认为在同一个连接中所有信元的延迟是一样的。另外模型也 不考虑由于卫星轨道、路由动态变化等因素引起的延迟抖动。 完整的端到端的延迟( 三o 。) 应该是以下若干部分延迟的总和： j o 哪d = f 帅“炯+ f 妒抽晴+ l 由，m 触 + 盥l + 一删 1 传输延迟( 。) 传输延迟是指以实际的网络传输速率发送单个数据报文所需的时间。该延迟可 以由下面的公式给出： f 。，：p a c g e t _ s i z e ”砌t ar a t e 其中，p a c k e t 为数据报文的大小； 为卫星网络中的数据传输率。s i z e d a t ar a t e 卫星网络一般都具有较高的数据传输率。与卫星链路建立时间相比较，传输时 间带来的延迟是可以忽略的。例如，一个9 1 8 0 字节的t c p 报文通过o c - 3 ( 网络 传输速率为1 5 5 5 2 m b p s ) 进行传输，其传输延迟为 k 。= 话互9 西1 8 万0 x 孑s b i i 磊t 7 ；= 4 7 2 2 埘这样的延迟时间相对于卫星链路毫秒级的建 立时间来说要小很多，因此，这个延迟因素并不会在卫星a h v l 网络延迟模型中起 决定性作用。 2 上行链路的建立延迟( f + j 鼬) 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 上行链路是从地面终端到卫星的链路，而乙，。就代表耗费在这条卫星链路上 的时间延迟。上行链路建立延迟时间，一般可用下面的式子估算： r ：u p - l i n k _ d i s t 4 “” s i g n a ls p e e d 其中，u p l i n k _ d i s t 是地面发射终端到接收卫星的距离；而s i g n a l _ s p e e d 是信号 的传输速率，实际上就是电磁波的传播速率( 一般接近于光速3 x l o 。m s ) 。 于是对于g e o 卫星系统来说，卫星位于对地静止地球轨道，而对地静止地球 轨道高度约为3 6 0 0 0 k m 。所以在这种情况下，其上行链路的建立延迟时间为 。撕= 1 3 6 五0 0 面0 x 石1 0 3 m * 1 2 0 i n s 对于l 王幻、m b o 等其他情况，自然要根据实际的 高度来计算。 3 下行链路的建立延迟( t 如。- l i n k ) 类似于上行链路，下行链路就是它的相反方向上的链路。，由+ 。为对应方向上 的建立延迟时间，可以采用下面类似的公式进行估算 d o w n l i n kd i s t f 赢2 s i g n a l _ s p e e d 公式中，d o w n 1 i n k 为下行链路的距离长度。 对于地球同步卫星的情况，由于卫星所处的轨道高度相同，下行链路和上行链 路的建立延迟时间是相同的，约为1 2 0 m s 。 4 星间链路延迟( ) 组成卫星网络的卫星之间必然存在着卫星间的网络通信任务。因此星间链路延 迟时间( f 。) 就反映了卫星间网络通信的建立延迟情况。我们简化模型，不把星 间链路的动态性纳入模型考虑的范畴，而仅把延迟限制在某一段星间链路保持不 变的时间范围内( 认为是短暂时间) 进行考虑。于是离散化卫星的运行周期，将 卫星周期分为若干个离散的时间区间，在该区间内可以认为卫星静止不动，如果 希望减小误差，可以减小时间区间的长度，就有 t = 七皿f ，k = 0 ，1 ，2 皿足。 式中，为离散化的时间区间，在每个时间区间开始的时刻计算可以通信的 路径的时延值。此外，我们认为卫星采用时延最小路由策略，这意味着路由选择 以最小时延为原则。假设p 表示所有路径的集合p = p l ，仍，口田风，口田办) ，i p l = 矿， 于是巩就表示其中一个卫星a t m 网络连接的路径，则星间链路的总距离就为 脱一d i s t u ，其中皿一流嘞是链路中从卫星i 到卫星，这一段星间链路的长度 洳a 那么基于这样的简化，我们就得到如下计算星间链路延迟的公式： 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 。i s l d i s t , , 。“e “ l m 2 s i g n a l _ s p e e d 式中，s i g n a l s p e e d 同样是电磁波的传播速率。 、- 、一，7 _ 留一恚缝礁倩链路 图2 1 卫星通信系统 假设现在地面站e j 希望通过卫星a t m 网络与地面站易建立网络连接( 如图 2 1 所示) 。那么建立的卫星网络连接可能是( 局，西，岛，& ，e 2 ) 。就这条连接 而言，连接经过了两段星间链路( 研，岛) 和( 岛，& ) 。此时，i s l d i s t o 就 c e p , 应该是两段星间链路的和，于是缸= 竺生孚萋翁产挚。在一些情况下， 一条连接可能会经过数个星间链路，那么这条连接的星间链路延迟时间将会很大。 5 星上延迟( b 一舢h ) 星上延迟主要指卫星上进行各种操作所引起的延迟，主要包括编解码、调制， 解调延迟、缓冲队列延迟和星上处理交换延迟三个主要部分。 编解码、调制解调延迟( k ) 前面已经提到需要在卫星通讯中采用编码纠错以及调制技术来提高a t m 链路 的可靠性。由于编解码、调制解调处理的引入，传输的数据必然会经历一定的编 解码、调制解调处理过程，产生一定的延迟。这类延迟时间f 础与编，解码、调制 解调处理的速度，经过的卫星节点的数目等因素有关。 缓冲队列延迟( 。) 缓冲队列延迟( f 。) 是信元在卫星节点的缓冲区内排队等候处理所引起的延 迟时间的总和。网络中出现突发数据，某一节点发生网络拥塞或者由于介质访问 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 控制引起延迟等方面的原因导致信元排队等待，造成延迟。 星上处理交换延迟( f 一) 数据报文到达一个卫星节点后，不可避免需要进行一定的处理，包括星上交换、 星上处理等。所以每到一个卫星节点，需要在总的延迟时间上附加上一个星上处 理，交换延迟的时间。但是我们知道对于高传输速率的星上交换和处理来说，这个 延迟f 。，在一定条件下，不会占主导地位，也就不会严重地影响卫星网络总的端 到端的延迟时间，但是与经过的卫星节点的数目有很大关系。 因此，对于某一个卫星节点f 来说，星上产生的延迟为 * m d i2 j + j + k j 假设s 为卫星链路经过的卫星集合，则一删= k 。，其中一。为 把s 链路经过的卫星f 所产生的星上时延。 综上所述，在卫星a 1 m 网络中端到端的延迟，耐就是以上所有延迟的总和， 可以用下式表示： d 口i d 。耐= t 恤哪! i 曩椭+ t 一咄+ l d a w n - i # d t + t 吼+ | 嘶舶, a r d 。 根据以上对时延模型的分析，卫星a t m 网络链路的延迟是由以上种种因素共 同决定的。就延迟时间的大小来看，上厂f 行链路的建立延迟以及星间链路延迟处 于影响整个卫星链路延迟时间的主体地位，这些因素的变化将会直接导致链路延 迟时间的巨大变化。而星上的延迟时间相对来说比较小，但是星上处理交换阶段 容易成为整个网络系统的瓶颈，这与星载计算机系统的实际性能密切相关的。由 于功耗、体积、重量、抗辐射等因素的限制，星载系统的性能不可能达到较高的 水平，这就在一定程度上导致其成为系统的瓶颈段，限制了网络的通信性能。 2 2 星载计算机中a t m 网络驱动设计与实现 2 - 2 1 背景 2 2 1 1 硬件体系结构 课题中星载计算机硬件系统是一个四c p u 并行的系统，主要由四个c p u 模块、 通信模块、容错模块、两个a t m 模块和两个y o 模块组成。四个c p u 模块之间 经通信模块通信并行工作，并且互为备份，组成系统核部分。a t m 模块和i o 模 块均通过c o m p a c t p c i 总线接入系统，与四个c p u 模块间均有通路，以便容错备 份。容错模块监视整个系统的工作状态，负责对出错的c p u 模块复位和隔离，以 及为每个c p u 提供系统的全局状态信息。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 r 两莉1 圆圈圈圈 系统棱 置信模块 i | 一樱婕li 嗍i | | i ，o 馘| l 馘i 图2 2 星载四c p u 并行计算机系统模块图 系统中采用双总线、双数据通道备份技术，满足星载需求的a t m 网络适配器。 a t m 网络适配器经两条p c i 总线与主机相连，提供了两套完全相同的全双工 1 5 5 m b p s 数据收发功能的通路，并且对外采用单模光纤接口。从c p u 的视角看， 系统有四块a t m 卡，但正常情况下只选择每个a t m 网络适配器中的一套数据通 路进行工作，完成数据传输任务：一旦当前的通路出现故障，星载计算机系统的 容错机制就会监测到并把工作通路切换到另外一套上，实现容错控制功能。 简单来说，a t m 网络就是负责将该计算机系统和外界有机的结合起来。通过 本模块来实现必要的通讯功能，此外根据用户需求，还要在高层软件的支持下实 现一定程度的路由功能。 2 2 1 2r 1 咂m s 网络任务结构与数据流 课题中的星载计算机运行嵌入式实时操作系统r ，r e m s 。雕陋m s 具有可裁减 的网络协议栈，在某些特殊平台下提供了包括n e 2 0 0 0 、s o n i c 等多种较早的以太网 网卡驱动。但是每种网卡驱动的实现都基于具体b s p ，在开发星载计算机系统时 一般都需要根据硬件平台重新编写网络驱动。 l u e m s 的网络部分最初源于开源操作系统f r e e b s d 中t c p i p 协议栈，但是 r