适应卫星IP网络的协议体系

1、适用于卫星IP网络的协议系统0.介绍随着地面互联网应用的普及和影响的扩大，各种通信方式都采用了IP技术，采用TCP/IP协议系统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和重要补充，将在未来以IP协议为通信平台与地面网络融合，形成天地一体的IP网络。针对新的卫星IP网络，世界各国都开展了对协议系统及相关技术的研究和探索。目前，大部分研究主要集中在根据地面网络的设计思想、分层设计方法和卫星网络的特点来设计各个协议层。作者重点分析了链路层、网络层和传输层协议的研究进展，为掌握卫星IP网络协议系统的研发和深入研究奠定了基础。1.卫星IP网络技术1.1卫星IP网络介绍卫星IP网络是指通

2、过卫星进行的TCP/IP数据传输。典型的卫星IP网络如图1所示。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相连，协议网关完成广域网协议(如IP、ATM等)之间的转换。)和卫星链路层协议。1.2卫星网络的特点和影响与地面网络相比，卫星网络有其独特性，主要包括波束多、覆盖面积大、网络拓扑变化频繁、信息传输有限等8-10。这些特点对未来卫星IP网络的数据传输和交换带来了一定的影响，主要表现在以下几个方面：1)卫星覆盖面积大，波束多因为卫星离地球表面很远，从几十万米到几千万米不等，所以一颗卫星的覆盖面积非常大。例如，一颗地球同步卫星可以覆盖地球表面的三分之一，理论上，三颗地球同

3、步卫星可以实现全球通信。图2显示了由STK软件模拟的轨道高度为5000公里、俯仰角为1.5的中轨道卫星。卫星中每个波束的覆盖面积约为5.4104 km2。此外，随着卫星通信技术的发展，一颗卫星有几十个甚至上百个波束。图2中轨道卫星覆盖区域2)卫星高速移动，网络拓扑变化频繁在卫星网络中，卫星节点沿着既定轨道高速绕地球运行。以轨道高度为500 2 000公里的低地球轨道卫星为例，其绕地球飞行速度可达25 000公里/小时，绕地球运行时间仅为几十分钟。因此，与拓扑相对稳定的地面网络相比，卫星网络拓扑具有周期性和频繁变化的特点，主要表现在：首先，卫星覆盖范围变化迅速，使得卫星与地面网络的星地联系频繁变

4、化；第二，卫星之间的相对运动很快，卫星之间的联系经常变化。由于上述特点，如果仅使用数据链路层协议来实现卫星网络中的数据传输和交换，往往会因星地链路和星间链路的变化而导致丢包和丢包，传输质量难以保证。3)卫星系统受到物理限制，信息传输带宽有限由于卫星能量、计算资源和存储资源非常有限10，与地面网络相比，车载数据处理能力较低，信息传输带宽有限。这就要求尽可能减少数据传输的开销，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很少，包括CCSDS协议和HDLC协议。一些方案还建议将IEEE802.3协议直接应用于卫星网络。2.1.1 CCSDS协议20

5、世纪90年代，CCSDS组织根据航天任务的具体要求提出了SCPS协议族。该协议家族包括：应用于2)虚拟通道标记：用于标记传输数据的虚拟通道。3)虚拟通道帧计数器：3字节，为每个虚拟通道提供独立的计数，以确保每个虚拟通道传输的帧的连续性。4)信令字段：1字节，由重放标志和空闲区组成。5)帧头错误控制：保护头中的关键信息。6)数据单元字段：是上层协议封装的数据。2.1.2 HDLC议定书HDLC国际标准化组织是一个面向比特的数据链路层协议，用于开放系统互连协议系统5。HDLC数据帧属于变长帧，其基本格式如图4所示。图4 Basic数据帧的基本格式数据帧的每个字段的功能如下：1)标志字段：开始标志和

6、结束标志，用作数据帧的开始和结束标志。2)地址数据：表示接收站的地址，长度为1 2字节。3)控制数据：1字节，根据定义分为信息帧、监控帧和未编码帧。4)数据：由上层协议封装的数据。5)循环冗余校验：2字节，用于传输数据的检错和纠错。2.1.3 IEEE802.3协议IEEE802.3协议是陆地IP网络数据链路层常用的协议，数据帧采用变长帧结构。它的基本格式如图5所示。图5 IEEE802.3基本格式数据帧的每个字段的功能如下：1)前同步码：7个字节的0和1交替出现，以提醒系统一个帧即将到来。2)起始帧定界符(SFD): 1字节，帧起始的信号。报头和SFD统称为物理层报头，由物理层添加。3)目的

7、地址：6字节，目的站或接收数据包的节点的物理地址。4)源地址：6字节，发送设备的物理地址。5)长度/类型：2字节，数据字段中包含的字节数和类型。6)数据：由上层协议封装的数据。7)循环冗余校验：错误检测信息。2.2新议定书(NSLP议定书)通过对上述卫星网络特点的分析可以看出，在卫星IP网络中，仅使用数据链路层的物理地址很难实现数据的传输和交换，但是交换功能应该提交给网络层，并且应该采用IP路由技术来实现数据的传输和交换。此外，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该尽可能简单有效，以实现高效的信息传输。基于上述考虑，提出了一种新的卫星链路协议(NSLP)，其帧格

8、式如图6所示。图6 NSLP基本格式数据帧的每个字段的功能如下：1)物理层添加的SFD(报头定界符)(1字节，)属于物理层的报头，用作数据帧的开始符号，表示新的数据帧。最后两位是“11”，表示下一个字段是数据帧内容部分。2)数据-上层协议封装的数据。3 3) CRC2字节，实现数据帧的检错。NSLP协议结构简单，各个领域的功能在实际应用中得到了有效的应用。在该协议中，数据链路层只负责数据帧封装、传输和必要的错误检测，不再负责数据帧寻址和交换。2.3性能比较除了有效提高信息传输效率和降低IP丢包率等基本指标外，NSLP协议还具有以下三大优势：1)与TCP/IP协议兼容性好的CCSDS协议是SCP

9、S协议家族中的数据链路层协议，而SCPS协议从传输层到数据链路层发生了很大的变化，没有考虑与TCP/IP协议的兼容性；HDLC协议是国际标准化组织为开放系统互连协议系统设计的数据链路层协议。因此，这两种协议与TCP/IP协议的兼容性较差。NSLP协议的设计是基于TCP/IP协议的。为卫星IP网络提出的数据链路层协议不修改传输层和网络层协议，因此与TCP/IP协议兼容。2)与IP协议的高度耦合。当CCSDS封装数据帧时，它会将几个IP包数据封装到一个数据帧中，并将一个IP包数据分解封装到两个数据帧中。当数据帧在传输过程中出现错误时，不仅会丢弃当前数据帧中的所有IP包，还会导致其他数据帧中的IP包

10、无法解析，从而导致错误扩散的问题。NSLP数据帧是一个可变长度的数据帧，其长度与封装的IP分组数据密切相关。具体的封装过程如图3所示。在数据帧传输过程中，当一个IP数据报出现错误时，只有当前的数据帧被丢弃，其他IP分组数据的传输不会受到影响。因此，NSLP协议和IP协议之间的耦合度很高。3)节省星载资源，提高整体性能NSLP协议结构简单，链路层只进行必要的分组数据错误检测，节省星载资源，提高星载处理器在数据处理和数据传输两方面的整体性能。3.卫星网络层协议研究目前，在网络层有两种板载分组处理技术：基于ATM的板载路由交换技术和基于IP的板载路由交换技术6。欧洲和日本等国家主要研究基于自动柜员机

11、的车载路由交换技术；美国和其他国家主要研究基于IP的板载路由交换技术。3.1车载数据包处理技术3.1.1车载自动柜员机路由交换技术车载自动柜员机路由交换采用地面自动柜员机技术，这是一种基于信元的交换技术，可以提供服务质量控制和带宽保证。它基于面向连接，通过虚拟电路传输数据。在卫星IP网络中处理IP分组数据的机载ATM交换技术的主要流程如图7所示。图7卫星上的ATM交换数据传输具体工作流程如下：1)在接收到IP数据包后，所有5层都会添加一个8字节的尾部和填充。在填充和尾部准备好之后，IP分组数据以48字节分组段的形式被传送到ATM层。ATM层从ALL5层接收一个48字节的分组数据段，添加一个5字

12、节的报头，将其转换成一个53字节的信元，然后将其传送到物理层进行传输。3.1.2车载IP路由交换技术为了实现与地面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。美国在这一领域的研究较早，进展迅速。自1996年以来，先后开展了“OMNI”、“CLEO”、“IRIS”等一系列研究项目，完成了车载IP路由器、卫星网络IP承载平台等验证实验。车载IP路由技术的具体工作流程是：将IP包直接封装到卫星链路的数据帧中，然后根据包中的目的IP地址查找转发表，确定包的输出端口，最后通过交换机将包交换到相应的输出端口。2.2研究和分析为了比较机载ATM交换技术和机载IP路由技术的性能，对信

13、息传输效率、IP丢包率、交换路由率、服务质量保证和机载设备要求进行了分析。为了便于分析，车载IP路由技术在封装分组数据时采用了HDLC协议。1)信息传输效率。在网络传输过程中，IP包的长度大多限制在576字节以内，所以信息传输效率的计算有三种情况：128字节、576字节和1 500字节11，结果如表1所示。表1信息传输速率基于ATM交换技术，信元短，报头占很大比例，分组数据分段需要增加8字节的尾部和填充数据；另一方面，基于IP路由技术，数据帧长，帧头和IP头的比例小，封装数据帧时不需要添加尾部和填充数据。因此，当传输相同长度的数据帧时，基于IP的路由技术的有效信息高于基于ATM的交换技术。从表

14、2可以看出，在传输相同长度的分组数据时，基于IP路由技术的信息传输效率比基于ATM交换技术的信息传输效率高出10%以上。2)分组丢失率。计算时表2 IP分组数据丢失率从表3可以看出，在传输相同长度的IP分组数据时，ATM交换技术的IP分组数据丢失率高于IP路由技术。信息传输的误码率越高，IP包长度越长，ATM交换技术的IP包丢失率越明显。3)交换路由速率。ATM技术是固定长度分组交换，而IP技术是可变长度分组交换。ATM技术在交换和路由速率上优于IP技术，但随着机载处理能力的提高和查表算法的优化，IP路由速率将会提高。4)服务质量保证。ATM交换技术是面向连接的，要求信令在业务传输前建立传输路

15、径，保证业务服务质量；然而，IP路由技术是无连接的，因此在业务传输过程中不需要建立传输路径，很难保证业务的QoS。5)对车载设备的要求。ATM交换技术需要信令建立传输路径，传输路径具有完整的拥塞管理和流量控制功能，提供服务质量保证，并要求高的片上处理能力；IP路由技术面向无连接、不可靠的数据传输，具有低拥塞管理和流量控制，尽可能保证服务质量，对片上处理能力要求低。通过分析，两种技术各有特点，没有明显的优势。然而，从应用角度来看，随着地面互联网应用的不断普及及其影响范围的不断扩大，各种通信方式开始采用IP技术，使用IP协议进行数据传输已经成为通信网络发展的必然趋势。卫星网络是陆地网络的延伸和重要

16、补充，未来卫星IP网络发展IP路由技术更适合天地一体IP网络的发展方向。4.卫星传输层协议研究4.1卫星知识产权网络的主要问题卫星IP网络面临的主要问题主要来自卫星信道：的几个固有特性。1)信道误码率与地面网络相比，卫星信道更容易受到航天网络复杂环境的干扰。卫星信号在传播过程中会受到衰落、雨衰和阴影效应等不同因素的影响，这使得信道的误码率非常高，达到10-6个数量级，远远高于有线信道。TCP假设传输信道的质量相对较好，并且假设每个数据包的丢失都是由网络拥塞造成的。2)传输延迟在卫星信道中，长的传输延迟不会影响数据传输的内容，但会对网络性能产生很大的负面影响。一般来说，延迟对TCP的影响主要是降低TCP对消息的响应速度。此时，用户需要等待一个完整的往返时间，然后才能在慢动作状态下收到第一个确认。如果发送方在它认为应该接收的时间内没有从接收方接收到确认，它将确定数据已经丢失，并重新发送这些实际上可能已经到达目的地的消息，这将不可避免地影响包括慢启动持续时间