SCPS协议在卫星通信中的应用.doc

SCPS协议在卫星通信中的应用 科技信息计算机与网络SCPS协议在卫星通信中的应用解放军?工大学通信工程学院王恒续欣刘爱军摘要本文首先介绍TCP/IP协议在卫星通信应用中的问题以及针对这些问题而对TCP/IP协议作出修改的空间通信协议(SCPS)，最后提出了利用跨层设计进一步提高SCPS协议的性能。 然后介绍了基于SCPS协议的TCP网关用于实现网间互联的方案，关键词SCPS TCP网关跨层设计引言随着空间探索的?断发展以及IP在卫星中越来越多的应用，空间通信网络和地面网络的一体化显得日益重要，而在过去的十?中，传统地面Inter网成指数型增长，Inter网成功应用中的一些经验也影空间数据系统咨询委响到空间通信网络协议的制定。 20世纪90?代，员会（CCSDS）借鉴TCP/IP的分层设计思想，提出了一套空间通信协议（Space CommunicationProtocol Specification，SCPS），SCPC协议是根据空间通信的特点对TCP/IP协议进?了相应的裁剪、修改和扩充。 随着卫SCPS协议在卫星通信中的应用越来越多，本文就星通信的?断发展，SCPS协议在卫星通信中的应用做一简单的介绍。 协议在卫星通信应用中的问题TCP/IP协议是一种可靠的传输机制，并且它还具有拥塞控制功能以防止网络的彻底崩溃，因此在地面Inter中得到了普遍的应用。 但是TCP/IP协议直接应用到卫星通信中会出现很多问题。 卫星通信链?传输距离远，造成信噪比较低，导致高误码率，大约远远大于有线信道的10-12数?级，并且容?受到各为10-6数?级，种干扰影响，进一步造成性能的下降；卫星通信距离很远，会造成很大的传输时延，典型的GEO卫星通信单跳往返时间为540毫秒。 如果TCP协议直接应用在卫星通信中，会造成TCP协议性能的急剧恶化。 例如由于卫星通信的高误码率，一旦发生误码，造成数据的丢失，TCP协议?认为发生拥塞，?降低传输速率，造成吞吐?的减小；卫星通信的导致确认信息的延缓。 这种缓慢长延时特性增大了TCP端到端的时延，的反馈会减弱流?控制，降低了避免拥塞的性能，并会影响吞吐?，这样就会造成大?的数据包停留在卫星通信管道上，增加了包丢失概率，从而引起网络的拥塞。 协议简介针对TCP/IP协议在卫星通信应用中的问题，1999?空间数据系统）提出SCPS协议。 SCPS协议通过对TCP/IP协议进咨询委员会（CCSDS?修改和扩充，以适应空间通信环境中高误码、长延时等特点。 SCPS协议簇包括网络协议(SCPS-NP)、安全协议(SCPS-SP)、传输协议(SCPS-TP)以及文件协议(SCPS-FP)。 表1为SCPS协议在各种标准体系中的编号。 表1SCPS协议在各种标准体系中的编号协议SCPSNetworkProtocol(SCPS-NP)CCSDS标准713.0-B-1713.5-B-1714.0-B-1717.0-B-1MIL标准2045-430002045-430012045-440002045-47000ISO标准15891158921589315894SCPS SecurityProtocol(SCPS-SP)SCPSTransport Protocol(SCPS-TP)SCPS-FP(SCPS FileProtoco1)支持带宽受限环境下的文件传输与指令传输。 SCPS与TCP/IP协议栈的对应关系如图1所示。 SCPS-TP在使用SCPS协议时是必须使用的，而其他三个协议可以下面就介绍一下SCPS-TP相对于TCP用TCP/IP协议簇中的协议代替。 的修改采用SNACK与报头压缩技术来减小误码率；增大TCP拥塞窗口，以适应卫星通信中时延大的要求；数据速率控制功能，防止出现拥塞；可选择的多种拥塞控制机制；往返时延测?等功能。 通过这些修改和扩充SCPS-TP很好地解决了卫星通信中误码率高、延时大、前向和反向链?差异大等问题。 SCPS协议中有很多灵活的配置选项，但是一个卫星通信系统采用?么样的配置参数是个复杂问题，与具体的通信环境与性能要求有很文献6表明采用Vegas拥塞控制机制比Van Jacobso机制好，并大关系。 提出了利用SCPS-NP包头信息感知?径变化，?新时延基准的方法；文献7表明SCPS-TP协议中采用SNACK技术可以提高TCP协议卫星通信环境中的性能；文献8表明采用Vegas机制时，初始化时可假设丢包由于传输错误造成或者假设丢包由于拥塞造成，但前者性能比后者性能好。 事实上，已经有厂商生产出符合SCPS协议标准的卫星通信设备，通过这些设备的应用证明SCPS协议在卫星通信中比其他空间通信协议性能好，因此SCPS协议的地位也越来越重要，它对空间通信的贡献堪比TCP/IP对Inter的贡献。 网关实现网间互联由于地面通信网与卫星通信网互联显得日益迫切，而TCP协议在卫星通信中应用的表现?令人满意，而改变应用TCP协议的硬件终端?切实际，为此在地面通信网和卫星通信网之间引入基于SCPS协议的TCP网关，用来互联地面通信网和卫星通信网，并提升网络性能。 TCP网关将端到端的TCP链?分割开来，TCP网关与地面Inter网通信时使用标准的TCP协议，与卫星网通信时使用基于具体通信环境而进?参数优化后的SCPS协议。 TCP网关从地面客户端上检测到TCP连接，然后将数据转换成符合SCPS协议的数据用于在卫星链?上通信，最后在卫星链?的另一边再将数据还原为地面段TCP，用于与服务器通信。 通过TCP网关用户享受到了两种技术相结合而带来的所有好处，即现有的基于TCP协议的应用程序一点也没有改变，同时在空间链?中使用适合于卫星的协议。 TCP网关相当于对外屏蔽了卫星链?中的下图2是网间互联的?扑结构各种特点，从而增强了链?的整体性能。 图。 SCPS FileProtocol(SCPS-FP)图1SCPS协议与TCP/IP协议对应关系SCPS-NP(SCPS NetworkProtoco1)对应Inter中的IP协议。 它提供非常简洁灵活的终端地址与组地址表示方法，提供数据报的优先级操作机制和每包?由控制机制。 SCPS-SP(SCPS SecurityProtoco1)与IPSec类似，为空间网络数据传输提供了可选的端到端保护。 SCPS-TP(SCPSTransmission Protoco1)为空间通信网络提供端到端的数据传输服务。 图2网间互联?扑结构图协议的?足及改进SCPS协议是参考TCP/IP分层设计思想设计出来的，在分层设计中，各层功能的实现相对比较独立，层间缺乏信息的传递交换，尤其是非相邻的层间，因此，某一层性能上的变化就?能有效地传递给其它层从而相应地改变其它层的?为，而这将会导致信息传输效率的降低，?利于整体性能提高，比如，物?层通过采用各种（下转第618页）616科技信息计算机与网络V()MK Mtrue,false为公开的验证公式。 签名者S()S()MMK为仅有签名者知道的签名函数。 （2）盲签名过程见表1。 基于算法的遮蔽与解遮蔽操作快速实现3.1遮蔽和解遮蔽操作的安全实现用户采用Schnorr认证算法来实现盲签名机制中的遮蔽和解遮蔽，和认证中心之间的应答机制可以很好的应用在盲签名机制中的?对称信息加密、解密操作上。 Schnorr身份认证体制是一种简?、高效、安全的用户身份认证体制，它的安全性是建立在有限域中求离散对数是计算?可?的，在Schnorr身份认证体制的实现过程中可以?加清楚的认识到这一点。 3.2Schnorr身份认证协议涉及的关键技术Schnorr身份认证协议中所涉及的关键技术是采用带预处?的窗口匹配算法进?大数模幂乘快速运算，实现大数模幂乘快速运算是系统开发时要完成的核心任务。 在Schnorr身份认证体制中，它的安全性是建立在有限域中求离散对数是计算?可?的，它也同样对大数模幂乘运算效率提出了?高的要求。 因此，引入了带预处?的窗口匹配算法来实现快速大数模幂乘运在系统开发当中，通过利用预处?的窗口匹配算法以及对求余算法算。 的优化，现已初步实现了1024比特下模乘运算的快速实现。 小结建立安全的有效的电子商务应用系统是推动电子商务快速、稳定发展的必要前提和基本保障，本文正是基于此目的展开了对电子支付系统的研究。 文中只对电子支付系统的盲签名机制研究和实现做了初步的研究，还有许多科研工作和难题等待我们去研究和解决。 比如说，电子现金的传递性和多银?性仍然是电子支付研究和实现的难点。 所以，需要我们从事电子支付系统研究的工作者共同努?，来?断完善电子支付系统。 参考文献1费雄伟,李乔良.一个新的安全且高效的电子现金系统.计算机应用研究,xx.05.2孟纯煜,殷新春,宋春来.盲聚合签名在电子现金中的应用.计算机应用与软件,xx.09.3孟纯煜,殷新春,宋春来.基于身份无可信中心的电子现金支付方案.计算机应用与软件,xx.10.4吴超.基于部分盲签名的无争议电子现金.商场现代化，xx.01.5李楹,陈鲁生.一种支持延时付款的强安全电子现金方案.计算机工程,xx.01.网络各层协议算法的改进、升级变得比较带来的问题，例如设计复杂、困难等等。 在卫星通信系统设计时应进?合适的折衷，以取得最好的性能。 参考文献1Space CommunicationsProtocol Standard(SCPS)GATEWAY US-S GUIDEVersion2.0ER2Space CommunicationsProtocol Specification(SCPS)TransportProtocol(SCPS-TP).R emendationfor SpaceData SystemStandards,CCSDS714.0-B-1.Blue Book.Issue1.Washington,D.C.:CCSDS,May19993叶小国.空间通信协议SCPS/CCSDS研究综述.电信快报，xx?第2期4黄展，李陆，弥宪梅，顾学迈.空间通信协议(SCPS)及其应用现状、问题与展望.电讯技术，第47卷第六期，xx?12月5吕蓉，曹志刚.卫星通信网络中的跨层设计.电子学报，xx?33卷B12期6顾明，张军.SCPSTP协议用于LEO卫星网的性能分析与改进.遥测遥控，第28卷第1期，xx?1月7李宗利，孟新，张胜?，刘淑茜.SCPS-TP SNACK在卫星网络中的性能分析.微计算机信息，xx?9期8Keith Scott,Patrick Feighery,Brian Crow.TCP CongestionCon-trol InShared SatelliteEnvironments.IEEE MilitaryCommunications Con-ference，xx?目前?能对SHA进?有效的密码攻击，由于它的杂凑值为160bit，对抗穷举攻击的能?强些。 其中SHA-1（安全的单向散列函数）的算法C语言快速实现过程（略）。 表1基于单向散列函数的盲签名算法步骤使用者mH(m);选择SHA-1安全散列算法，对消息m进?散列之后可以生成长度为160位的消息摘要H(m)，这个对于签名者是?可见的。 B(H(m),r),其中r是使用者的私钥；H(m)rH(m)进?散列得到消使用进?对消息摘息摘要H(m)后，要的遮蔽操作，并发送给签名者。 状态签名者12收到B(H(m),r)；3收到S(B(H(m),r)；S(B(H(m),r),签名是签名者独有的；S(B(H(m),r)S(B(H(m),r)K签名者收到遮蔽的信息后对信息进?签名，并发还给使用者。 签名是唯一的。 4U(S(B(H(m),r),r),解遮蔽操作；S(Bk k(H(m),r)rS(B(H(m),r)使用者可以进?解遮蔽操作。 得到签名者对m的签名。 U(S(B(H(m),r),r)=S(H(m)；等式逻辑上是完全可信的，左边各进?了一次对H(m)遮蔽和解遮蔽操作。 V(S(H(m),m)=true？使用者用验证函数对“签名-信息对”进?检验，得出信息是否正确。 56通用盲签名协议具体表示如下 （1）初始化使用者r,H(m),B()遮蔽函数，U()，V()B()MRM为遮蔽函数。 U()MK RM K为解遮蔽函数。 （上接第616页）高效的传输技术可以大幅度地提高比特传输性能，但这一信息?能提供给系统的上层，从而?能相应地改变上层的协议及其性能，由此可能导致系统的性能没有达到最优，或者从另一角度来说，当网络需要进?性能优化时，分层设计只能使各层独立地进?优化，而?能进?联合优化。 卫星通信网络中虽然也有链?的概念，但无线链?较之有线链?有很大的?同，其主要表现在无线链?与下层的物?层(功率、信号形式、速率、检测器、调制、编码等)、MAC层(用户间干扰)、物?信道(大气甚至硬件系统(天线)都有比较强的依赖关系。 此外，卫星通信网状况)、络的物?层与其它上层之间?可避免地存在着直接的、紧密的关联，比如卫星通信网络的功率/能?约束问题与多个层次有关，包括MAC层、网络层、传输层甚至应用层。 综上所述，在卫星通信网络中各层的独SCPS协议虽然在每层上立性被打破，层与层之间有很强的依赖关系，面对TCP/I