通信协议论文：光网络中SCPS协议的运用探究

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本文作者：韩磊、赵尚弘、李勇军、赵静、李轩 单位：空军工程大学信息与导航学院

SCPS-NP协议结构如图2所示。具体来说，SCPS-NP主要包括以下特点：支持点到点、组播和广播两种数据传输业务；报头仅包扩数据报提供服务所必需的域，最小报头只要4Byte，相比于IPv4的20Byte报头，节省了开销，降低了需求；支持的最大数据报长度为8196Byte；数据包同时转发给最优路由和次最优路由的双路由洪泛方式，以及将数据包同时转给所有端口的洪泛模式；两种路由表维护方式，即静态配置和动态计算；最多支持16个独立与服务优先级；最多支持16种传输协议；数据包进行优先级区分，并控制分组生存时间；SCMP对ICMP协议进行改进，增加区分链路中断与信道质量下降的指令，区别报文段丢失原因，以便传输层进行不同的重传处理。

SCPS-SP是SCPS协议栈的安全协议(securitypro-tocol)。从图1中可以看出，SCPS-SP是处于传输层和网络层之间，负责网络安全的一份协议。从安全方面看，scps-SP在功能上同IPSec协议相同。SCPS-SP支持多种用于空间数据交换的认证、完整性、保密性和访问控制选项。主要功能是提供无连接的端到端的安全保护，可以提供机密、完整性、鉴别中的一项或全部服务[4]。SCPS-SP与IPSec不同之处在于：①IPSec在每一个IP数据包前面增加了至少10Byte，SCPS-SP提供了相同的安全服务，却只在每一个IP包前面只增加了2Byte。②IPSec同时允许多个存在的安全关联，SCPS-SP对任何一对通信地址只允许一个激活的安全关联。③IPSec自身提供抗重传攻击的保护措施，SCSP-SP由上层的SCPS-TP的序列号提供。④Internet在不同层具有不同的安全协议，SCPS-SP是空间通信协议中唯一提供安全服务的协议。IPSecESP和SCPS-SP之间不能直接进行相互操作。必须通过网关才可以实现互联。目前已经有在实验室和Internet上成功进行了IPSecESP和SCPS-SP的互联。上行方向，从地面用户来的IP数据包，先加密IPSec，进入地-地链路，SCPS网关解密IPSec然后加密SCPS-SP，接着进入地-空链路，最后对SCPS-SP解密，以SCPS-NP数据包的方式到达航天器用户；下行方向，从航天器用户来的SCPS-NP数据包，先加密SCPS-SP，进入地-空链路，SCPS网关解密SCPS-SP再加密IPSec，进入地-地链路，最后解密IPSec，以IP数据包形式到达地面用户[5]。

SCPS-TP协议是SCPS系列协议中的传输层协议，对应于Internet网络中的TCP协议。SCPS-TP是根据空间传输的特殊环境，对TCP协议进行了一系列的改进和扩展而成，增强了部分功能，并能够与TCP协议保持良好的兼容性。SCPS-TP协议已经成为国际标准化组织的标准（ISO15893：2000）以及美国军用标准（MIL-STD-2045-44000）。SCSP-TP为空间通信网络提供端到端的数据传输。根据可靠性要求，将传输服务区分为3类：完全可靠、最大可靠和最小可靠。SCPS-TP将扩展选项置于带有SYN字段的TCP报头的扩展域，保证了SCPS-TP与TCP的互通互联性[6~9]。SCPS-TP的改进主要有：①SCPS-TP协议通过定义窗口扩展选项来增大滑动窗口，加快加载速率，实现对原16位窗口的扩大操作。②SCPS-TP协议采用SACK技术（选择性确认，SelectiveAcknowledge），只重发确认丢失的数据包，而不像TCP协议重传整个序列的数据包，提高数据传输效率。③SCPS-TP协议在高比特率情况下确认较大数量的数据包时使采用SNACK（选择性否定确认，SelectiveNegativeAcknowl-edge）机制，接收端通知发送端哪些数据段没有接收到，并在SNACK中包含多个数据段传输的错误和丢失信息，提高了链路利用率及吞吐量。④SCPS-TP协议对拥塞控制进行了改进，采用Vegas机制和VanJa-cobson机制共存代替原有的VanJacobson机制，Vegas机制通过准确计算传输时延RTT并以期望吞吐量与实际吞吐量差值来区分链路带宽使用情况。⑤SCPS-TP协议适用于低带宽环境下，导头进行压缩，大约能够降低到传统TCP协议的一半以下，可以显著减小数据应答包大小。⑥SCPS-TP协议分别采取不同重传策略来应对网络拥塞、高误码率以及链路突然中断造成的数据丢失。利用陈宇等人[10]仿真结果，得出不同误码率不同单向时延下SCPS-TP和TCP的吞吐量拟合曲线，如图3所示。通过图3可以看出，在高误码率和高时延的情况下，使用SCPS-TP协议的吞吐量显著高于TCP协议的吞吐量。

SCPS-FP协议是SCPS系列协议中的应用层协议，对应于Internet网络中的FTP协议,它规定了三种文件形式：①文件是由连续的、无内部结构的字节序列构成；②文件由连续的记录组成；③文件由能够单独检索的页面组成。SCPS-FP与InternetFTP协议主要不同在于：SC-SP-FP具有读取记录与更新的功能；SCSP-FP具有检验文件完整性的功能；SCSP-FP具有压缩重复文本的功能；SCSP-FP具有更新文件而不用重传整个文件的功能[3]。CCSDS还为深空跨星级间文件传输制定了空间传输协议CFDP(CCSDSFileDeliveryProtocol)[11]。CFDP也是一个面向传输的应用层通信协议，它同时集成了OSI传输层的机制，工作在无连接的网络层，所以，所有的分组路由、分组的重新排序和恢复丢失分组都可以集成在该协议体系下，解决了其它FTP改进协议不能克服的问题和空间通信中传统TCP/IP协议无法达到的要求，相对于FTP和TCP极大地提高了灵活性。StephenHoran等人对CFDP/TCP/IP,SCPS–FP/SCPS-TP/IP和FTP/TCP/IP在空间链路中对三个文件传输协议进行实验，发现在高时延、高误码率的链路中CFDP协议相比于其它协议有着不错的优越性[12]。

虽然SCPS协议在空间微波通信网络中得到了广泛应用，并取得了良好的效果，但是，SCPS特别是SCPS-TP协议应用于卫星光网络中却暴露了不少问题。主要表现在以下两方面。①卫星光通信链路容量高、网络吞吐量大。卫星微波网络一般只能提供150Mb/s的链路传输速率，卫星光网络可以实现单波道5.5Gb/s的星间通信，基于波分复用技术光网络则可以达到更高。在这种高容量的条件下SCPS-NP与IP相比节省的16字节和SCPS-SP与IPSec相比节省的6字节报头开销与损失的与地面Internet的兼容性相比有些得不偿失。SCPS-FP仅支持带宽受限条件下的文件传输与指令传输，无法支持不断丰富的其它业务。②卫星光网络中会频繁发生链路的切换、路径的改变甚至链路中断。由于卫星光通信在光束捕获、跟踪、瞄准（ATP）技术的不成熟，以及卫星组网中激光链路的切换，造成了卫星光网络中频繁出现链路的切换和路径的改变甚至链路中断。SCPS-TP协议拥有两种拥塞控制方式VanJacobson（VJ）和Vegas，其中VJ方式是基于传统TCP协议的拥塞控制方法，在慢启动阶段发送窗口呈现指数增长，一旦出现丢包就认为发生拥塞，窗口降回初始值，重新进入慢启动。在高带宽条件下由于发送窗口增长较慢，无法很快到达链路的理想窗口，造成链路带宽长时间应用不够充分，一旦链路出现切换或者中断，发送窗口又回到初始值，使得整个光网络大部分时间工作在非充分利用的阶段，吞吐量无法达到期望值。另一种Vegas方式则是准确计算传输时延RTT，并以期望吞吐量与实际吞吐量差值来区分链路带宽使用情况的改进型拥塞控制方式。由于光网络的上述特点导致链路传输时延和RTT的突然变化，当改变后的路径到达更远的卫星时，因传输距离变长，RTT会明显增大，此时会减少发送窗口。而这种反应是错误的，因为RTT增大并不是由拥塞造成的；相反，由于链路传播时延增加，导致BDP增大，窗口应相应增大才能保持吞吐量。在这种情况下，SCPS-TP如采用Vegas机制，即使切换中没有发生丢包，性能仍会明显下降。因此，在卫星光网络中SCPS-TP的两种拥塞控制方式都存在明显问题，必须加以改进。对于第一个问题，可以提高SCPS协议与不同的网络协议之间的互通性，例如将SCPS-NP改变为作为未来IPv6协议的扩展域选项，使得IP协议具有SCPS-NP在空间通信中体现的灵活的路由表维护功能等手段。对于第二个问题，必须将原有拥塞控制方式进行改进，提出一个新的适合光网络的方式，比如利用网络层NP包头信息控制方法，或者基于自适应的控制方法。

未来的卫星网络，必然是光网络与微波网络相结合的新型混合型网络，SCPS协议也必将发挥重要的作用。本文对SCPS结构和协议进行了描述，分析了SCPS协议在光网络中应用的可行性，指出了SCPS协议在光网络中应用的主要问题并提出了相应的改进和优化的思路。下一步将在此基础上，继续深入分析SCPS应用于光网络的具体问题，并提出更多更加适用的改进方案。