通信協(xié)議論文：光網(wǎng)絡(luò)中SCPS協(xié)議的運(yùn)用探究
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本文作者：韓磊、趙尚弘、李勇軍、趙靜、李軒 單位：空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院
SCPS-NP協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。具體來(lái)說(shuō)，SCPS-NP主要包括以下特點(diǎn)：支持點(diǎn)到點(diǎn)、組播和廣播兩種數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)；報(bào)頭僅包擴(kuò)數(shù)據(jù)報(bào)提供服務(wù)所必需的域，最小報(bào)頭只要4Byte，相比于IPv4的20Byte報(bào)頭，節(jié)省了開(kāi)銷，降低了需求；支持的最大數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度為8196Byte；數(shù)據(jù)包同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給最優(yōu)路由和次最優(yōu)路由的雙路由洪泛方式，以及將數(shù)據(jù)包同時(shí)轉(zhuǎn)給所有端口的洪泛模式；兩種路由表維護(hù)方式，即靜態(tài)配置和動(dòng)態(tài)計(jì)算；最多支持16個(gè)獨(dú)立與服務(wù)優(yōu)先級(jí)；最多支持16種傳輸協(xié)議；數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分，并控制分組生存時(shí)間；SCMP對(duì)ICMP協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，增加區(qū)分鏈路中斷與信道質(zhì)量下降的指令，區(qū)別報(bào)文段丟失原因，以便傳輸層進(jìn)行不同的重傳處理。
SCPS-SP是SCPS協(xié)議棧的安全協(xié)議(securitypro-tocol)。從圖1中可以看出，SCPS-SP是處于傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全的一份協(xié)議。從安全方面看，scps-SP在功能上同IPSec協(xié)議相同。SCPS-SP支持多種用于空間數(shù)據(jù)交換的認(rèn)證、完整性、保密性和訪問(wèn)控制選項(xiàng)。主要功能是提供無(wú)連接的端到端的安全保護(hù)，可以提供機(jī)密、完整性、鑒別中的一項(xiàng)或全部服務(wù)[4]。SCPS-SP與IPSec不同之處在于：①IPSec在每一個(gè)IP數(shù)據(jù)包前面增加了至少10Byte，SCPS-SP提供了相同的安全服務(wù)，卻只在每一個(gè)IP包前面只增加了2Byte。②IPSec同時(shí)允許多個(gè)存在的安全關(guān)聯(lián)，SCPS-SP對(duì)任何一對(duì)通信地址只允許一個(gè)激活的安全關(guān)聯(lián)。③IPSec自身提供抗重傳攻擊的保護(hù)措施，SCSP-SP由上層的SCPS-TP的序列號(hào)提供。④Internet在不同層具有不同的安全協(xié)議，SCPS-SP是空間通信協(xié)議中唯一提供安全服務(wù)的協(xié)議。IPSecESP和SCPS-SP之間不能直接進(jìn)行相互操作。必須通過(guò)網(wǎng)關(guān)才可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。目前已經(jīng)有在實(shí)驗(yàn)室和Internet上成功進(jìn)行了IPSecESP和SCPS-SP的互聯(lián)。上行方向，從地面用戶來(lái)的IP數(shù)據(jù)包，先加密IPSec，進(jìn)入地-地鏈路，SCPS網(wǎng)關(guān)解密IPSec然后加密SCPS-SP，接著進(jìn)入地-空鏈路，最后對(duì)SCPS-SP解密，以SCPS-NP數(shù)據(jù)包的方式到達(dá)航天器用戶；下行方向，從航天器用戶來(lái)的SCPS-NP數(shù)據(jù)包，先加密SCPS-SP，進(jìn)入地-空鏈路，SCPS網(wǎng)關(guān)解密SCPS-SP再加密IPSec，進(jìn)入地-地鏈路，最后解密IPSec，以IP數(shù)據(jù)包形式到達(dá)地面用戶[5]。
SCPS-TP協(xié)議是SCPS系列協(xié)議中的傳輸層協(xié)議，對(duì)應(yīng)于Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP協(xié)議。SCPS-TP是根據(jù)空間傳輸?shù)奶厥猸h(huán)境，對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和擴(kuò)展而成，增強(qiáng)了部分功能，并能夠與TCP協(xié)議保持良好的兼容性。SCPS-TP協(xié)議已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的標(biāo)準(zhǔn)（ISO15893：2000）以及美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)（MIL-STD-2045-44000）。SCSP-TP為空間通信網(wǎng)絡(luò)提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)可靠性要求，將傳輸服務(wù)區(qū)分為3類：完全可靠、最大可靠和最小可靠。SCPS-TP將擴(kuò)展選項(xiàng)置于帶有SYN字段的TCP報(bào)頭的擴(kuò)展域，保證了SCPS-TP與TCP的互通互聯(lián)性[6~9]。SCPS-TP的改進(jìn)主要有：①SCPS-TP協(xié)議通過(guò)定義窗口擴(kuò)展選項(xiàng)來(lái)增大滑動(dòng)窗口，加快加載速率，實(shí)現(xiàn)對(duì)原16位窗口的擴(kuò)大操作。②SCPS-TP協(xié)議采用SACK技術(shù)（選擇性確認(rèn)，SelectiveAcknowledge），只重發(fā)確認(rèn)丟失的數(shù)據(jù)包，而不像TCP協(xié)議重傳整個(gè)序列的數(shù)據(jù)包，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。③SCPS-TP協(xié)議在高比特率情況下確認(rèn)較大數(shù)量的數(shù)據(jù)包時(shí)使采用SNACK（選擇性否定確認(rèn)，SelectiveNegativeAcknowl-edge）機(jī)制，接收端通知發(fā)送端哪些數(shù)據(jù)段沒(méi)有接收到，并在SNACK中包含多個(gè)數(shù)據(jù)段傳輸?shù)腻e(cuò)誤和丟失信息，提高了鏈路利用率及吞吐量。④SCPS-TP協(xié)議對(duì)擁塞控制進(jìn)行了改進(jìn)，采用Vegas機(jī)制和VanJa-cobson機(jī)制共存代替原有的VanJacobson機(jī)制，Vegas機(jī)制通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算傳輸時(shí)延RTT并以期望吞吐量與實(shí)際吞吐量差值來(lái)區(qū)分鏈路帶寬使用情況。⑤SCPS-TP協(xié)議適用于低帶寬環(huán)境下，導(dǎo)頭進(jìn)行壓縮，大約能夠降低到傳統(tǒng)TCP協(xié)議的一半以下，可以顯著減小數(shù)據(jù)應(yīng)答包大小。⑥SCPS-TP協(xié)議分別采取不同重傳策略來(lái)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞、高誤碼率以及鏈路突然中斷造成的數(shù)據(jù)丟失。利用陳宇等人[10]仿真結(jié)果，得出不同誤碼率不同單向時(shí)延下SCPS-TP和TCP的吞吐量擬合曲線，如圖3所示。通過(guò)圖3可以看出，在高誤碼率和高時(shí)延的情況下，使用SCPS-TP協(xié)議的吞吐量顯著高于TCP協(xié)議的吞吐量。
SCPS-FP協(xié)議是SCPS系列協(xié)議中的應(yīng)用層協(xié)議，對(duì)應(yīng)于Internet網(wǎng)絡(luò)中的FTP協(xié)議,它規(guī)定了三種文件形式：①文件是由連續(xù)的、無(wú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的字節(jié)序列構(gòu)成；②文件由連續(xù)的記錄組成；③文件由能夠單獨(dú)檢索的頁(yè)面組成。SCPS-FP與InternetFTP協(xié)議主要不同在于：SC-SP-FP具有讀取記錄與更新的功能；SCSP-FP具有檢驗(yàn)文件完整性的功能；SCSP-FP具有壓縮重復(fù)文本的功能；SCSP-FP具有更新文件而不用重傳整個(gè)文件的功能[3]。CCSDS還為深空跨星級(jí)間文件傳輸制定了空間傳輸協(xié)議CFDP(CCSDSFileDeliveryProtocol)[11]。CFDP也是一個(gè)面向傳輸?shù)膽?yīng)用層通信協(xié)議，它同時(shí)集成了OSI傳輸層的機(jī)制，工作在無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)層，所以，所有的分組路由、分組的重新排序和恢復(fù)丟失分組都可以集成在該協(xié)議體系下，解決了其它FTP改進(jìn)協(xié)議不能克服的問(wèn)題和空間通信中傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議無(wú)法達(dá)到的要求，相對(duì)于FTP和TCP極大地提高了靈活性。StephenHoran等人對(duì)CFDP/TCP/IP,SCPS–FP/SCPS-TP/IP和FTP/TCP/IP在空間鏈路中對(duì)三個(gè)文件傳輸協(xié)議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高時(shí)延、高誤碼率的鏈路中CFDP協(xié)議相比于其它協(xié)議有著不錯(cuò)的優(yōu)越性[12]。
雖然SCPS協(xié)議在空間微波通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果，但是，SCPS特別是SCPS-TP協(xié)議應(yīng)用于衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中卻暴露了不少問(wèn)題。主要表現(xiàn)在以下兩方面。①衛(wèi)星光通信鏈路容量高、網(wǎng)絡(luò)吞吐量大。衛(wèi)星微波網(wǎng)絡(luò)一般只能提供150Mb/s的鏈路傳輸速率，衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)單波道5.5Gb/s的星間通信，基于波分復(fù)用技術(shù)光網(wǎng)絡(luò)則可以達(dá)到更高。在這種高容量的條件下SCPS-NP與IP相比節(jié)省的16字節(jié)和SCPS-SP與IPSec相比節(jié)省的6字節(jié)報(bào)頭開(kāi)銷與損失的與地面Internet的兼容性相比有些得不償失。SCPS-FP僅支持帶寬受限條件下的文件傳輸與指令傳輸，無(wú)法支持不斷豐富的其它業(yè)務(wù)。②衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中會(huì)頻繁發(fā)生鏈路的切換、路徑的改變甚至鏈路中斷。由于衛(wèi)星光通信在光束捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)（ATP）技術(shù)的不成熟，以及衛(wèi)星組網(wǎng)中激光鏈路的切換，造成了衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中頻繁出現(xiàn)鏈路的切換和路徑的改變甚至鏈路中斷。SCPS-TP協(xié)議擁有兩種擁塞控制方式VanJacobson（VJ）和Vegas，其中VJ方式是基于傳統(tǒng)TCP協(xié)議的擁塞控制方法，在慢啟動(dòng)階段發(fā)送窗口呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，一旦出現(xiàn)丟包就認(rèn)為發(fā)生擁塞，窗口降回初始值，重新進(jìn)入慢啟動(dòng)。在高帶寬條件下由于發(fā)送窗口增長(zhǎng)較慢，無(wú)法很快到達(dá)鏈路的理想窗口，造成鏈路帶寬長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用不夠充分，一旦鏈路出現(xiàn)切換或者中斷，發(fā)送窗口又回到初始值，使得整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)大部分時(shí)間工作在非充分利用的階段，吞吐量無(wú)法達(dá)到期望值。另一種Vegas方式則是準(zhǔn)確計(jì)算傳輸時(shí)延RTT，并以期望吞吐量與實(shí)際吞吐量差值來(lái)區(qū)分鏈路帶寬使用情況的改進(jìn)型擁塞控制方式。由于光網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)導(dǎo)致鏈路傳輸時(shí)延和RTT的突然變化，當(dāng)改變后的路徑到達(dá)更遠(yuǎn)的衛(wèi)星時(shí)，因傳輸距離變長(zhǎng)，RTT會(huì)明顯增大，此時(shí)會(huì)減少發(fā)送窗口。而這種反應(yīng)是錯(cuò)誤的，因?yàn)镽TT增大并不是由擁塞造成的；相反，由于鏈路傳播時(shí)延增加，導(dǎo)致BDP增大，窗口應(yīng)相應(yīng)增大才能保持吞吐量。在這種情況下，SCPS-TP如采用Vegas機(jī)制，即使切換中沒(méi)有發(fā)生丟包，性能仍會(huì)明顯下降。因此，在衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中SCPS-TP的兩種擁塞控制方式都存在明顯問(wèn)題，必須加以改進(jìn)。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，可以提高SCPS協(xié)議與不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的互通性，例如將SCPS-NP改變?yōu)樽鳛槲磥?lái)IPv6協(xié)議的擴(kuò)展域選項(xiàng)，使得IP協(xié)議具有SCPS-NP在空間通信中體現(xiàn)的靈活的路由表維護(hù)功能等手段。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，必須將原有擁塞控制方式進(jìn)行改進(jìn)，提出一個(gè)新的適合光網(wǎng)絡(luò)的方式，比如利用網(wǎng)絡(luò)層NP包頭信息控制方法，或者基于自適應(yīng)的控制方法。
未來(lái)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，必然是光網(wǎng)絡(luò)與微波網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新型混合型網(wǎng)絡(luò)，SCPS協(xié)議也必將發(fā)揮重要的作用。本文對(duì)SCPS結(jié)構(gòu)和協(xié)議進(jìn)行了描述，分析了SCPS協(xié)議在光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的可行性，指出了SCPS協(xié)議在光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的主要問(wèn)題并提出了相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化的思路。下一步將在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入分析SCPS應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)的具體問(wèn)題，并提出更多更加適用的改進(jìn)方案。