适应卫星ip网络的协议体系

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1、.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

2、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WAN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［

3、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5000km、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2ME

4、O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500～2000km的低轨卫星为例，其绕地飞行速度可达25000km/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，

5、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。2.1.1CCSDS协议20世纪90年代，

6、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

7、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。2.1.2HDLC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4HDLC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

8、的数据。5)CRC：2字节，对传输数据检错和纠错。2.1.3IEEE802.3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5IEEE802.3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(startingframedelimiter，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