（计算机科学与技术专业论文）空间信息网络动态带宽管理技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 空间信息网络的快速发展给广大用户提供了无限便利，其优越性吸引越来越 多的用户加入使用的行列，因此空间信息网络承载的业务越趋复杂，流量也随之 呈非线性增长，广大用户越来越关注空间信息网络的可靠性以及空间信息网络能 够提供的q o s 性能，且空间信息网络自身的动态性以及高延迟性，这些都给空间 信息网络能够有效提供端到端q o s 服务提出更大的挑战。 本文首先分析了空间信息网络的特点，空间信息网络q o s 性能指标以及国内 外在该领域的研究现状。在此基础上提出了一种空间信息网络星载路由器q o s 系 统结构，并具体讲述了该星载路由器q o s 系统结构的组成、模块的功能、通信机 制、通信接口等内部实现。 针对当前空间信息网络中对时间延迟敏感度特别高，需要高q o s 性能指标的 一类特殊业务，本文首先对当前业务依据对时间延迟的敏感度重新分类，在此基 础上在本文提出的空间信息网络星载路由器q o s 系统结构上提出了一种动态剥夺 式的带宽分配方法。该算法使这类特殊业务在特定的条件下可以剥夺低服务级别 业务占用的带宽资源，以达到高q o s 性能要求。文中描述了该带宽资源分配方法 的基本原理、概要设计以及详细设计，其中d d b a 管理控制中心、空闲带宽池的 管理、b e 类服务等级业务选取以及选取过程中权值的计算等是该算法中的重点和 难点。 本文最后使用改进的n s 2 模拟器对本文提出的空间信息网络星载路由器q o s 系统结构下动态剥夺式带宽分配方法进行模拟，并通过多个模拟场景和当前两种 典型的带宽分配方法“统一q o s ”、“m s s 进行了比较。模拟结果显示了同等 条件下该方法比另外两种带宽分配方法具有更低的丢包率，更短的传输延迟，更 高的系统性能，能够有效的支持端到端q o s 。同时动态剥夺式中b e 类服务等级业 务选取原则可以有效的降低网络抖动以及相对提高r s 类服务等级业务的性能。 主题词：空间信息网络，q o s ，q o s 体系结构，动态剥夺，带宽分配 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs p a c ei n f o r m a t i o nn e t w o r k p r o v i d e sc u s t o m e r su n l i m i t e d c o n v e n i e n c e ，a n di t sa d v a n t a g e sa t t r a c tm o r ea n dm o r eu s e r st oj o i nt h er a n k so fu s i n g t h en e t w o r k s ot h es p a c ei n f o r m a t i o nn e t w o r kc a r r i e sm o r ec o m p l e xb u s i n e s s ，a n dt h e d a t af l o ww a sa l s on o n l i n e a rg r o w t h c u s t o m e r sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o n st ot h e r e l i a b i l i t yo ft h es p a c ei n f o r m a t i o nn e t w o r ka n dt h eq o sp e r f o r m a n c e h o w e v e r ， b e c a u s eo fd y n a m i ct o p o l o g ya n dh i g hl a t e n c yo ft h es p a c ei n f o r m a t i o n ，b r i n gal o to f c h a l l e n g e m e n t st ot h ee f f e c t i v es u p p o r to fe n d - t o e n dq o ss e r v i c e t h i s p a p e ra n a l y s e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p a c ei n f o r m a t i o nn e t w o r k q o s p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，a n dt h er e c e n tr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a di nt h i sf i e l da tf i r s t o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sas p a c ei n f o r m a t i o nn e t w o r ko n b o a r dr o u t e rq o s s y s t e ma r c h i t e c t u r e a n d f u n c t i o n a l m o d u l e s ，m o d u l e sf u n c t i o n ，c o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s ma n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea r en a r r a t e d f o ras p e c i a lk i n do ft i m ed e l a ys e n s i t i v i t ya n dh i g hq o sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t a p p l i c a t i o n s ，t h i sp a p e rr e - c l a s st h ea p p l i c a t i o n sb a s e do nt h et i m ed e l a ys e n s i t i v i t ya t f i r s t t h e nam e t h o do fd y n a m i cd e p r i v a b l eb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d d b a ) i sp r o p o s e d t h j sm e t h o dm a k e st h es p e c i a lk i n do fa p p l i c a t i o n sc a nd e p r i v ea l l o c a t e db a n d w i d t ho f a p p l i c a t i o n sb e l o n g e dt ol o w e rs e r v i c ec l a s s e s a n db a s i cp r i n c i p l e s ，o u t l i n ed e s i g na n d d e t a i l e dd e s i g na r ep r e s e n t e dl a t e r a m o n gt h e s e ，d d b am a n a g e m e n ta n dc o n t r o l c e n t e r ，m a n a g e m e n to fi d l eb a n d w i d t hp o o l ，c h o o s i n ga p p l i c a t i o n sb e l o n g e dt ob e s e r v i c ec l a s sa n dw e i g h tc a l c u l a t i o na r e t h ee m p h a s i sa n dd i f f i c u l t yo ft h em e t h o d i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，i m p r o v e dn s 2s i m u l a t o ri su s e dt os i m u l a t et h ed d b a a l g o r i t h mu n d e r t h eo n b o a r dr o u t e rq o ss y s t e ma r c h i t e c t u r e s o m es c e n a r i o sa r es e tu p f o rc o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed d b aa l g o r i t h m sa n do t h e rt w ot y p i c a lb a n d w i d t h a l l o c a t i o nm e t h o d su n i f i e dq o sa n dm s s t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n sp r e s e n tt h a tt h e d d b aa l g o r i t h mh a sl o w e rl o s s ，s h o r t e rt i m ed e l a ya n dh i g h e rs y s t e mp e r f o r m a n c et h a n t h eo t h e rt w om e t h o d s a n dt h ed d b aa l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l ys u p p o r t st h e e n d - t o - e n dq o s a tt h es a m et i m e ，b es e r v i c ec l a s sa p p l i c a t i o n ss e l e c t i o ni nd d b a a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ej i t t e r o ft h es p a c ei n f o r m a t i o nn e t w o r ka n d r e l a t i v e l yi m p r o v et h eq o sp e r f o r m a n c eo fr ss e r v i c ec l a s sa p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：s p a c ei n f o r m a t i o nn e t w o r k ，q o s ，q o ss y s t e m ，d y n a m i c d e p r i v a b l e ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 11 , - - 9 尺度定量【2 7 1 2 0 表2 21 1 5 阶正互反矩阵一致性指标【2 7 】2 0 表4 1 己选b e 类业务调整过程4 5 第1 i l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 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 1l 图5 1 图 目录 深空网络结构副7 1 3 t s a t 系统【引_ 4 t s a t 网络结构图【8 】5 网络终端连接【4 1 5 基于弯管技术的卫星通信机制【1 7 1 6 基于o b p 技术的卫星通信机制17 1 6 应用分类副1 3 q o s 模块副15 1 1 4 n g n 网络应用和传输过程【1 6 】1 4 功能模块副1 6 1 一1 5 卫星终端机构示意刚1 6 1 一15 m s s 算法流程图【2 5 1 18 星载路由器q o s 系统总体布置框架图2 2 星载路由器q o s 系统模块图2 3 资源控制模块2 6 模块间通信2 6 新应用接入：2 7 动态带宽分配机制2 7 路由机制2 8 星载路由器q o s 系统结构接口设计2 9 业务延迟分类图3 1 d d b a 算法核心图3 3 请求接入控制图3 4 网络更新过程图3 5 d d b a 带宽管理控制中心工作流程3 9 空闲带宽池回收操作一4 1 空闲带宽池回收操作二4 1 带宽资源分配操作一4 2 带宽资源分配操作二4 2 b e 类服务等级业务选取流程图4 4 递阶层次模型图4 6 空间信息网络模拟场景设想5 0 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图5 2分组的结构示意图5 0 图5 3d s 类数据流随服务数目增加丢包变化率5 l 图5 4d s 类数据流随服务数目增加传输延迟变化5 2 图5 5d s 类数据流带宽利用率变化图5 2 图5 6b e 类数据流带宽利用率变化图5 3 图5 7b e 类数据流选取个数变化图5 4 图5 8r s 类数据流丢包率变化图5 5 第v 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, 5 , j ) j p 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。 学位论文作者签名：日期： 州年 f 学位论文版权使用授权书 肛月日 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。) 日期：少7 年产月2 户 嘲：1 钆堋1 日 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 2 0 世纪9 0 年代以来，网络发展势头迅猛，各种各样的新技术、新应用层出不 穷，特别是近年来语音、视频等多媒体业务的兴起，导致网络承载数据流呈现出 非线性增长，给传统的地面网络带来了巨大冲击。且由于地理条件或经济条件限 制，地面网络不能较好的覆盖处于偏远或孤立的用户，这也成为地面网络的弊端。 而近几年兴起的空间信息网络以其广覆盖性，可代替繁忙的地面网络为用户服务 等优势迅速得到广大学者、商家、用户等各种人群的关注，且其技术在近几年内 得到了飞速的发展。 1 1 空间信息网络概述 随着通信、计算机、网络、航天等技术的快速发展，国防、经济、社会对信 息的需求和依赖越来越强，对空间信息网络提供的q o s 要求也越来越高。 军事方面：新一轮军事变革正轰轰烈烈的向前发展，而此次新军事变革是以 信息化为特征。新军事变革信息化特征的主要技术包括军事网络技术、军事航天 技术，这些技术都包含了对空间信息网络的需求。当前许多国家都提出了制太空 权，专家们认为当前技术条件下已不能满足于制空权等优势，必须占有空间优势， 且谁占有空间优势，谁就具有军事战略优势。我国制定了“打赢高技术条件下局 部战争”的目标。所谓高技术条件下就是指非常规作战，通过配备给军人的单兵 通讯设备直接控制每个战士的作战状态。这种指挥方式通过地面网络控制是无法 实现的，需要空间信息网络对作战区域实行覆盖，如此才能保障通信的稳定和通 畅。 社会方面：现代经济的快速发展已超越了原始的经济模式，向多样化方向发 展，职业多样化，办公方式多样化等。区域间的合作与交流，人员外出公干等活 动越来越频繁，笔记本的出现给这些人员带来了很大的便利，而这些移动载体之 间的通信则成为新的需求。满足这类需求则需要一个广覆盖的，支持可移动性载 体的高效网络。另外在应对自然灾害方面，此次发生在汶川的特大地震则是一个 很好的例子。像此类自然灾害发生后，地面网络肯定受到了毁灭性的破坏，通信 中断，救援很难在较短的时间内赶赴现场，导致外界无法知道发生自然灾害地区 的具体受灾情况，就无法快速制定出应急措施以及施救方案。通过空间信息网络 则可以在地面网络遭破坏的情况下进行数据采集、传输等工作。 航天方面：随着航天系统的不断增加，卫星间自成体系、多块分割的局面目 趋明显。当前各空间系统获取处理的信息量急剧增加，而各系统之间信息不能及 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 时共享和综合利用，从而使用户无法掌握全局信息，且使原本就稀缺的太空资源 造成极大的浪引3 6 j 。而空间信息网络可以综合多种网络，使其信息得到交互，真 正形成实时信息共享和综合利用，从而大大提高资源的利用率。目前我国神舟七 号载人飞船已经获得圆满成功，此次载人飞船实验之后，人大代表们提出了建设 天基应急救援系统的提议。这种俗称为“太空救援队”的体系组建，将对国家经济建 设和军事应用产生重大影响。同时我国也在筹建自己的天基测控系统，此系统的 建立可以增强空间信息传输能力、提高航天测控快速反应能力。 1 1 1 卫星网络概述 从1 9 4 5 年通信卫星之父克拉克提出三颗对地球同步的卫星可以覆盖整个地球 的设想以来，经过六十多年的发展，通信卫星经历了从无到有、从单颗卫星到多 颗卫星、从基于“弯管”技术到具有“o b p ”功能等一系列巨大变化。通信卫星的出现 及随后的快速发展在改变原始通信模式的同时也对人类政治、军事、经济等各个 方面产生了深远影响。 1 1 1 1 国外通信卫星的发展状况 历史上第一颗卫星出现在克拉克提出设想后的第1 2 年，即1 9 5 7 年，苏联成 功发射了一颗名为“s c o r e ”的人造地球卫星，实现了对地球的通信。随后世界各 国都投入大量资源用于卫星的研发，促使了卫星技术的飞速发展。1 9 6 0 年，美国 发射的“c o u r i e r - l b ”卫星首次实现了有源延迟中继通信。1 9 6 5 年，多国合作成立的 通信卫星公司发射了“e a r l yb i r d ”卫星，后来成为“i n t e l s a t - 1 ”国际通信卫星。这颗卫 星是第一颗用于商业的国际通信卫星，标志着卫星商业化的正式开始。1 9 8 1 年， “i n t e l s a t v ”卫星使用f d m a 和t d m a 技术提高了通信业务量。1 9 8 9 年， “i n t e l s a t v i ”卫星支持星载交换t d m a 技术，进一步提高了通信业务量。2 0 世纪 9 0 年代以后，随着宽带网络及支持星载交换卫星技术的发展，非静止轨道卫星得 到很大发展并用于移动卫星服务( m s s s ) 和宽带固定卫星服务( f s s s ) 。 1 1 1 2 国内通信卫星的发展状况 国内航天事业起步于2 0 世纪五六十年代。1 9 8 4 年，“东方红2 号”试验通信卫 星成功发射，标志着中国航天科技正式进入应用阶段，这也使中国成为第五个能 够研制和发射静止轨道卫星的国家。到目前为止，我国共研制发射了1 5 种类型、 5 0 多颗人造地球卫星，广泛应用于军事、科研、气象、农业、林业、水利、矿产、 能源、测绘、环保等众多部门，给国家安全、经济发展、人民生活水平提高做出 巨大的贡献1 2 1 。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 12 卫星网络的体系结构 随着通信卫星功能的提升以及网络技术的飞快发展，卫星网络在全球网络构 架( g u i ) 中扮演越来越重要的角色。卫星通信网络以全球化覆盖、固有广播特性、 高带宽、支持移动等性能成为为全球用户( 包括边远零散用户) 提供综合宽带服 务的最佳候选【”。卫星网络也脱离了最初的卫星通信，从传统的电话和电视广播服 务发展到最新的宽带数字卫星广播服务。和地面网络一样，卫星网络体系结构也 是由一系列标准、资费、分层数据传输服务等来支持端到端的用户服务。卫星网 络体系结构在各个部分之间提供了一种开放的、简易的、可扩展的网络数据通信 服务1 4 1 。这些变化给卫星网络发展带来了非常好的发展机遇的同时也带来了诸多挑 战：一方面，卫星网络需要能够融合以往已存在的各种网络；另一方面，卫星网 络还需要研发能够满足下一代网络( n g n ) 需求的新技术【l i 。 1 l2 1 卫星网络拓扑结构 在通信网络中，拓扑结构是网络几何结构的图形表示。网络几何图形有两种 表示：物理拓扑和逻辑拓扑。1 ) 物理拓扑是一个网络节点、链接的真实具体表现； 2 ) 逻辑拓扑是将网络定义成一系列的网络协议，这些网络协议规定了数据如何在 网络中传输而不考虑网络节点之间的物理链路例阻j p ”。 从卫星列络出现到目前诸多卫星通信业务的展开，所有项目都是采用“面向任 务”的开发方式，各个项目之间没有交流，新技术同样也不能共享”。如地球探测 任务就是采用单独研发，不考虑其他任务( 如“h u m a ns h u t t l ea n d i s s ”任务) 的需求 6 1 。在【7 】中提出“面向结构”的网络设计方案。这种设计方案可以通过结构部分和界 面形成一个综台的、网络交互的、空间通信结构。网络结构如图1l 所示。 j 。 l 创】1 深空网络结构圈 第3 页 乡 r 妻吵 一碜 0 h 、x 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 美国国防部同样也推出下代卫星系统t s a t ( t r a n s f o r m a t i o n a l s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) t 3 州】。t s a t 的功能比上代系统a e h f 高出个数量级还 多。t s a t 支持多种混合交换技术，包括r fc i r c u i t ，o p t i c a lc i r c u i t ，和p a c k e t s w i t c h i n g ，以此提供高效能的交换系统。t s a t 系统和美国国防部所有的网络中心 结构构成 t i e r1 ”提供数据传输服务。作为“t i e rr 的提供者，t s a t 系统提供全球 覆盖以及连接所有用户的功能。图1 2 显示了t s a t 系统。 t s a t 系统主要为以下二种主要任务级别提供数据传输：”战略上的；2 ) 战 术上的：3 ) 高空太空监视、侦裔。 t s a t 网络主要分为三个部分：1 ) 空中部分：2 ) 地面管理和操作部分：3 ) 终端部分。图13 显示了t s a t 网络结构图。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硬士学位论文 图1 3t s a t 阿络结构图m 以上两个系统中都采用了物理和逻辑拓扑相结合的方式展示了网络拓扑结 构。在 4 】中，用纯逻辑方式显示了网络中两个终端用户的连接。图1 4 显示了两个 终端的网络连接。 图14 网络终端连接 4 1 l 12 2 卫星网络的通信机制 传统的卫星网络通信机制是基于“弯管( b e n t - p i p e ) ”技术9 ”。基于弯管技术的 通信只支持卫星和地面终端的链接，所有操作全部在地面网络中完成。这种弯管 技术增加了网络延迟，不能有效支持实时业务( 如视频，语音等) 同时也困额外 需要的跳数降低了卫星终端有限资源的利用率f 9 1 。基于弯管技术的卫星通信机制如 图l5 所示。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 应用层应用层一应用层 - , 0 应用层应用层应用层 传输屡传输屡传输层 传辅层传辅层任输屡 网络层网络膳 | i 畸络膳 存幢敛一 存储嚣 网绍层- 啷堪膳州络堪 敷据链路压数据链路l致谢链路层 匿幅 数据链路丘改据 i l 路膳发据链路层 姒c l l c姒c ，l 乙c卧c ，7 l l ch c ，l l j cm c ，i ，i , c m a c l l c r i 糯l 一一一 j 再i 了西厄罩匿面n 图1 5 基于弯管技术的卫星通信机制1 7 】 当前主流的卫星通信机制是基于“o b p ( o n b o a r dp r o c e s s i n g ) ”技术。基于o b p 技术的卫星通信即在传统通信的基础上增加了星间链路( i s l s ) 以及星 功能。通过o b p 技术，网络中的任何一颗卫星都可以不通过地面网络， 星作为传递媒介连接到另外任意一颗卫星。基于o b p 技术的卫星通信机 所示。 间i p 路由 只使用卫 制如图1 6 图1 6 基于o b p 技术的卫星通信机制【1 7 1 如上所述各个方面都对空间信息网络有很大的需求空间，且空间信息网络具 有以下几个特点【2 8 】： 一体化的信息交换以及信息处理。它的优势在于信息交换的自由灵活，为 了维护统一的网络环境，不同卫星内部可以采用不同的信息处理方法。 一 多种功能融合。它是一个具有多种功能和用途的天地一体化综合性网络。 它是一可实现无缝覆盖、具有巨大空间覆盖能力的三维网络。 动态立体网络结构。它是一个具有立体结构的动态网络。 第6 页 事一 睁瞅 亘| | 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 它是个高度开放的无线网络。 正因为这些优点，空间信息网络得到广泛的认可，空间信息网络的发展不仅 对维护国家安全统一有重要意义，还将对今后我国的军事战略产生深远的影响， 同时也促进航天事业、信息领域的快速发展，促进了国家的经济建设和综合实力 的提高。 然而空间信息网络和地面网络存在很大的区别。首先，空间信息网络在拥有 上述多个优点的同时也存在多个弊端【3 7 】： g e o 卫星群传输延迟长。g e o 卫星离地球距离远，相对地球稳定，覆盖 面积广，但也因此使得g e o 卫星在数据传输过程中链路的延迟较大。 一m e o 、l e o 卫星群链路切换频繁。m e o 、l e o 卫星离地球近，但对地不 稳定，因此其覆盖面积较小，拓扑结构时刻变化，从而使得卫星之间的链 路切换频繁，致使网络抖动较严重。 一空间信息网络上行和下行链路带宽不对称。 _因受到能耗的限制，卫星终端的存储和计算能力有限。 1 2 空间信息网络q o s 面临的问题与挑战 依据上文所述空间信息网络固有的特点及弊端等，用户对空间信息网络能够 提供的有效q o s 注入越来越多的关注。然而，和地面网络相比，空间信息网络因 以上所讨论的固有问题，其q o s 性能指标更难得到保障1 3 1 1 。而空间信息网络q o s 性能指标是由很多因素共同组成的，所以当前很多学者从不同角度通过不同方法 改进现己存在的通信技术，以期望能够提高空间信息网络整体q o s 性能，文献 2 9 】 指出了保障空间信息网络q o s 指标的四个主要技术难点：一) 多路访问控制；二) 资源分配；三) 路由技术；四) 传输协议。 当前空间信息网络q o s 主要存在以下问题和挑战： l 、无统一星载路由器q o s 系统结构。当前各空间任务系统依据各自的需求采 用独立设计的方式开发，各个任务系统之间存在差异性，因此这些任务系统也没 有统一的星载路由器q o s 系统结构。目前很多国家和机构投入大量精力开发连接 各个任务系统的网络，以期望建立大范围高可靠的空间信息网络。 2 、和地面网络技术兼容性不强。因空间环境以及卫星通信特点的限制，当前 在地面网络发展成熟的网络技术并不适合空间信息网络，不能直接将这些技术嫁 接到空间信息网络。其中最典型的t c p 协议，该协议就因空间信息网络的高延迟、 高链路切换率等问题不能直接使用，目前i e t f 的t c p 工作小组对空间信息网络 中运行的t c p 协议进行了多处修改、增强，以期望其能够适应空间网络环境。 3 、特殊业务q o s 要求高。相比于地面网络，空间信息网络因其广覆盖性而拥 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 有一批特殊业务。如指导一场特种战争，该战争需要控制到每个士兵，包括收集 信息、下达命令等；远程指导类似于心脏搭桥的手术，该类手术需要极其精确的 控制；等等。该批特殊业务不仅要求链路的连通性，同时对延迟、误码率、丢包 率等诸多q o s 指标有极高的要求。 4 、资源有限。首先空间信息网络中的各个卫星需要能量保证自身的正常运行， 卫星能够提供给星载设备的能量有限，尤其是在极大速度运行时，因此星载设备 的计算能力有限：其次卫星的体积严格受限，体积越大，重量越大，其能耗也越 大，所以星载设备的存储能力有限；最后卫星网络中的无线资源有限，尤其是带 宽资源，相对于非线性增长的网络流量，带宽资源将变得越来越紧张。 5 、条件恶劣。空间信息网络包括太空条件和自身条件两种。太空条件指空间 信息网络位于太空之中，其设备受到强烈的太空辐射以及地域等诸多限制。自身 条件指空间信息网络的组成部分卫星。高轨卫星传输距离长导致延迟较大； 低轨卫星群拓扑变化频繁，链路切换频繁导致网络抖动较为强烈。且卫星的上下 行链路带宽不对称。所有这些都使得空间信息网络处于比较恶劣的运行环境中。 1 3 论文研究的目标和内容 1 3 1 论文研究目标 根据空间信息网络传输延迟大、链路切换频繁且受不同因素影响比较大( 如 天气、辐射等) 、双向数据通信带宽不对称，误码率高，对空间平台要求苛刻等 情况，主要针对当前空间信息网络的各种需求( 如需要承载传输战场实时战况信 息、战略战术指挥信息、指令制导信息、纵深侦查信息等对实时性要求非常高的 业务流量的军事需求以及需要承载远程指导心脏搭桥手术等高技术、高风险、高 实时性业务流量的民用需求等) ，立足现有国内外各研究机构在邻近空间和卫星 信息网络通信方面所取得的研究成果，建立一套具有高可靠性并对特殊业务q o s 有非常好保证的空间信息网络星载路由器q o s 系统结构，降低因传输延迟造成拥 塞的可能性，提高星间有限带宽利用率，降低误码率，保证业务的端到端服务质 量，提高整个空间信息网络的可靠性。 1 3 2 论文研究内容 本文依据课题关于q o s 部分总需求，并阅读大量国内外关于此方面的研究文 献后确定了本文的研究内容。本文研究内容包括以下两个大的部分： l 、构建空间信息网络星载路由器q o s 系统结构 在构建空间信息网络星载路由器q o s 系统结构时主要考虑邻近空间、卫星内 部以及星间链路资源的有限性，如卫星上由于能源以及设备功能的限制，不能进 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 行大规模、超高速的运算以及大容量存储，星问链路带宽资源有限等。需要考虑 各功能模块之间的逻辑控制关系。由于以上这些条件的限制，在设计星载路由器 q o s 系统体系结构时就需要考虑如何将诸多模块进行物理上的布局以及这些模块 之间通过什么样的机制进行通信。 2 、设计带宽分配与回收模块 空间信息网络中带宽资源有限，如何能够有效利用有限的带宽资源提供高性 能的q o s 成为研究的重点之一，且本文还考虑了一类特殊业务，即上文所讨论的 承载军事传输战场实时战况信息、战略战术指挥信息、指令制导信息、纵深侦查 信息等对实时性要求非常高的业务流量的军事需求以及需要承载远程指导心脏搭 桥手术等高技术、高风险、高实时性业务流量的民用需求等，这类业务的特殊性 在于实时性要求特别高，必须在极短的时间延迟内将信息传输完毕，如何分配带 宽资源保证此类业务的q o s 性能要求也是本文研究的重点之一。 1 4 论文的组织结构 根据上述内容，本文共分为六章，各章内容组织如下： 第一章绪论，整体介绍了课题的选题背景、意义，以及课题研究目标和主要 研究内容。 第二章空间信息网络技术概述，详细介绍了空间信息网络q o s 性能要求的指 标以及当前国内外在q o s 系统结构以及带宽资源分配方面的研究现状。 第三章空间信息网络星载路由器q o s 体系，描述了本课题构建空间信息网络 星载路由器q o s 系统结构的原理以及总体框架，并介绍了本课题设计的模块的功 能以及模块间通信接口和通信机制。 第四章动态剥夺式带宽分配方法，首先介绍了动态剥夺式带宽分配方法的基 本原理，然后详细介绍了动态剥夺式带宽分配方法的详细设计及原理，包括带宽 管理控制中心、空闲带宽池的管理、b e 类服务等级业务选取原则等。 第五章实验模拟测试和性能分析，首先介绍了模拟采用的模拟器n s 2 ，然后 依据前几章的内容建立原型系统，并对其中的动态剥夺式带宽分配方法和当前几 种带宽资源分配方法进行模拟比较，考察其实际运行时的性能，最后给出其性能 评价。 第六章进行总结和展望。 1 5 课题研究成果 在本课题的研究中主要取得了如下成果： 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 l 、深入分析了当自订用户对空间信息网络q o s 性能的要求，以及空间信息网络 的特点，明确了此两者之间存在的需求矛盾。 2 、依据对需求矛盾的分析，以及星载终端计算能力不强，存储容量不大等特 点确定了本课题采取的空间信息网络星载路由器q o s 系统结构，并进一步的描述 了结构中模块功能以及之间的通信接口和通信机制。 3 、针对用户特殊业务的q o s 需求，以及空间信息网络带宽资源有限的特点， 提出了种动态剥夺式带宽分配方法。该方法可有提供有效的端到端q o s 性能保 障。 4 、通过仿真软件建立了系统原型并对动态剥夺式带宽分配方法进行了模拟， 模拟结果表明该方法比当前其他几种主要带宽分配方法都有较好的性能。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第二章空间信息网络相关技术研究工作 空间信息网络从2 0 世纪9 0 年代起到目前为止得到了广泛的关注，其技术也 经历了一次快速发展的黄金时期。本章将介绍空间信息网络q o s 知识及当前国内 外关于q o s 方面的研究现状。 2 1 空间信息网络q o s 性能要求 2 1 1 网络q o s 简介 q u a i l t yo fs e r v i c e ( q o s ) 是一个广泛用于描述一个用户或者应用在一个完整的 活动周期内从网络中得到的所有服务的术语【m 】，其用于描述用户之间以及网络上 互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质的约定，例如，传输延迟允许时间、 最小传输画面失真度以及声像同步等。一般来说，基于存储转发机制的i p 网络为 用户只提供了“尽力而为( b e s t e f f o r t ) ”的服务，不能保证数据传输过程中的及时性、 完整性、正确性以及数据到达目的节点的时序性，不能保证服务的质量，其在重 要领域中使用受到较大限制j 。 随着i p 技术网络的快速发展，其承载的业务迅猛增加，这些业务种类繁多， 各种业务对网络运行过程要求不一，网络不能一直提供从数据传输的源地到目的 地的高速宽带网( 如果所有网络都有无限带宽，即网络中不会出现“拥塞”现象，这 样的网络就不需要使用任何q o s 技术) ，这就要求网络能够根据用户的要求分配 和调度资源，传统所采用的“尽力而为”传输机制已不能满足用户的需求。因此， q o s 技彬服务的i p 脚在保证各种应用得到适当传输方面至关重要1 3 8 1 。 当前q o s 服务有很广阔的市场前景，但是针对此项服务操作对i p 网络的管理 提出很高的要求。当前，端到端q o s 服务面临以下困难i l 2 j ： 1 、服务日趋庞大、复杂，需要进行仔细分类 2 、设备种类繁多，规格不一致 3 、各个网段、各种网络格式、管理多样 4 、网络反馈时间得不到保障 5 、全局网络监视方法 6 、兼容后续网络服务能力 为了解决在i n t e m e t 等计算机网上高质量地传输多媒体信息的问题，美国于 1 9 9 6 年底，开始了以提高网络服务质量研究为核心底i n t e m e t i i 以及n g i ( 下一代 i n t e m e t ) 等研究项目。i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 也成：立了专门的工 作小组来研究多媒体服务质量的定义和相关的标准。 第l 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 现在，i p 网络如f u j 提供服务质量q o s 支持这一问题现已成为关注的焦点【3 9 1 。 为了实现服务质量保障除了在体系结构上要有一个好的总体设计之外，还需要 依靠各个层面的技术来支撑。在数据平面上物理层、链路层、网络层、传输层 和应用层都可以控制网络的服务质量。在管理平面上，网络管理、业务管理和客 户管理3 个层次都包含了网络服务的实施、保障和计费技术。i p 服务质量技术主 要有i p 服务质量体系结构、数据平面的服务质量控制技术、管理平面的服务质量 技术、服务质量测量等几个方面【1 3 】。 对于由q o s 控制来实现q o s 保证，国际上不同组织和团体提出了不同的控制 机制和策略，比较著名的有【1 3 】： l 、i s o o s i 提出了基于o d p 分布式环境的q o s 控制，但至今仍只停留在只 给出了用户层的q o s 参数说明和变成接口阶段，具体实现q o s 控制策略并未提出： 2 、a t m 论坛提出了q o s 控制的策略和实现，a t m 控制是“连接预定”型 ( c o n n e c t i o na n dr e s e r v a t i o n ) ，它的核心内容是在服务建立之前，通过接纳控制和 资源预留来提供服务的q o s 保证，而在服务交互的过程中，用户进程和网络要严 格按照约定的q o s 实现服务q o s 保证； 3 、i e t f 组织也已经提出了多种服务模型和机制来满足对q o s 的需求，其中 比较典型的有：r f c 2 11 5 ，r f c 2 1 1 7 以及1 9 9 8 、1 9 9 9 年提出的r f c 2 6 x x 系列中的 综合业务模型( i n t s e r v ) 、差分业务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 、多协议标签m p l s 技术( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 、流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和q o s 路由 ( q o s b a s e dr o u t i n g ) 等均用于解决i n t e m e t 网络的q o s 控制和管理。 2 1 2q o s 性能指标 q o s 可以使用一系列描述一个特定数据流质量的参数进行描述【1 1 。所谓q o s 机制是包括q o s 参数定义、q o s 参数映射、q o s 管理和维护、q o s 协商、q o s 监 控等一系列机制的综合，其中q o s 参数定义是基础，它用定性或定量的方式描述应 用对服务质量的要求，其余的q o s 机制都是建立在明确定义的q o s 参数之上【1 4 1 。 q o s 参数以下两种，第一种可以进行监测、计算，包括： 1 、网络可用性 2 、网络带宽 3 、网络延迟 4 、网络抖动 5 、网络丢包率； 第二种不能对其进行实时检测，但这些参数影响着网络的决策，从而最终影 响整个网络的q o s ，包括： 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 ) 发射优先级 2 ) 丢包优先级 在网络实际运行过程中，并不是每一个应用都需要使用所有的q o s 参数，每 个应用根据自身的特点使用其中的部分参数进行q o s 描述。根据日标任务要求， 以丢包率和单向延迟可以将所有应用进行分类，如图2l 所示川。 雌 镱l _ _ 厂 一嚣怒1 0 0 。p 1 ；m sm 【5 _ 5 幽曩一 图2 1 应用分类削 图21 中一个分成了8 个部分每个部分的大小和形状表示每类应用对丢包率 和网络延时的敏感程度。 2