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

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W AN 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5000 km、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2 MEO 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 ～2 000 km 的低轨卫星为例，其绕地飞行速度可达25 000 km/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。

2.1.1 CCSDS 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。

2.1.2 HDLC 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4 HDLC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。

2.1.3 IEEE802.3 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5 IEEE802.3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(starting frame delimiter，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( New Satellite Link Protocol，NSLP) ，其帧格式如图6所示。

图6 NSLP基本格式

数据帧各字段功能如下:

1) SFD( 帧首定界符) ———( 1 byte，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———2 byte，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