基于AOS虛擬信道的服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制研究

羅光春，李 炯，田 玲，李 勇，張 強(qiáng)

（1.電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，成都611731；2.北京國(guó)科環(huán)宇空間技術(shù)有限公司，北京100190）

1 引言

目前，CCSDS規(guī)范在空間通信方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)顯而易見，特別是CCSDS AOS建議提出的天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信的思想，適用于空天地一體化的網(wǎng)絡(luò)通信，具有能處理大容量、高速率數(shù)據(jù)，支持不同需要的許多用戶同時(shí)訪問(wèn)的特點(diǎn)[1]。當(dāng)前，運(yùn)用CCSDS AOS協(xié)議的遙控、遙測(cè)等應(yīng)用日益增多；與此同時(shí)，將因特網(wǎng)中豐富的應(yīng)用延伸至太空領(lǐng)域，成為未來(lái)空間網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)發(fā)展的一種趨勢(shì)[2]。

將因特網(wǎng)與空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)合以達(dá)到天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信的方案存在諸多問(wèn)題需要研究。首先，由于因特網(wǎng)中的應(yīng)用種類繁多、數(shù)據(jù)突發(fā)率高；而在原有高級(jí)在軌系統(tǒng)（Advanced Orbit System，AOS）數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議中，針對(duì)不同數(shù)據(jù)類型傳輸?shù)奶摂M信道有限，不同應(yīng)用類型使用不同的虛擬信道傳輸，并且應(yīng)用的帶寬固化為某一定值[3]。AOS協(xié)議的這些特點(diǎn)無(wú)法滿足因特網(wǎng)中現(xiàn)有數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。其次，采用AOS協(xié)議后，各數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源類型繁多，其數(shù)據(jù)大多也是隨機(jī)的產(chǎn)生，并且不同的數(shù)據(jù)對(duì)于完整性和實(shí)時(shí)性的要求也千差萬(wàn)異。如何有效地利用虛信道以及選擇系統(tǒng)合適的虛信道調(diào)度方案，以達(dá)到傳輸數(shù)量更多、質(zhì)量更高的信息，已經(jīng)成為工程設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)[4]。

已有的流控算法，如令牌桶算法[5-7]，不能直接支持AOS中的流量控制要求，本文結(jié)合AOS中虛擬信道的特點(diǎn)提出了一種基于AOS虛擬信道的服務(wù)保障機(jī)制，通過(guò)將不同的數(shù)據(jù)按優(yōu)先級(jí)分類，即不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)使用不同的虛擬信道傳輸，然后對(duì)每個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)分別做流量控制，最后再采用優(yōu)先級(jí)區(qū)分多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法對(duì)封裝好的報(bào)文進(jìn)行調(diào)度。

2 基于AOS虛擬信道的服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制研究

2.1 總體方案

將基于AOS協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為不同的優(yōu)先級(jí)。對(duì)優(yōu)先級(jí)較高的數(shù)據(jù)在封裝以及調(diào)度時(shí)提供一些特殊的質(zhì)量保障機(jī)制，從而達(dá)到優(yōu)先保證高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)得到及時(shí)可靠傳送，以提高整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)保障能力。服務(wù)質(zhì)量保障（Quality of Service，QoS）模型如圖1所示：

采取的質(zhì)量保障機(jī)制包括數(shù)據(jù)進(jìn)入AOS封裝隊(duì)列之前的流量控制以及基于AOS虛擬信道的調(diào)度算法。其中，流量控制算法，采用了關(guān)聯(lián)令牌桶實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于令牌桶的流量控制研究

本方案設(shè)計(jì)了兩種流量控制模式，嚴(yán)格模式和自由模式。其中，嚴(yán)格模式是指流量必須控制在設(shè)定值以內(nèi)，即使是在網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)；該模式可以應(yīng)用于控制鏈路上有關(guān)鍵業(yè)務(wù)正在執(zhí)行的場(chǎng)景中。而自由模式是指，該類型的數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)候，借用其他類型數(shù)據(jù)暫未使用的帶寬，從而充分利用寶貴的空間鏈路。

圖1 AOS服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制模型

為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)支持嚴(yán)格模式和寬松模式的流量控制，在基于令牌桶算法的流量控制基礎(chǔ)上，需要將不同類別數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的令牌桶有效關(guān)聯(lián)起來(lái)，允許令牌（對(duì)應(yīng)帶寬）在各令牌桶（對(duì)應(yīng)不同類型數(shù)據(jù)）之間進(jìn)行某種方式的流通。由此，本文采用了動(dòng)態(tài)的關(guān)聯(lián)令牌桶算法，實(shí)現(xiàn)了令牌桶之間相互關(guān)聯(lián)，如圖2所示。

圖中的U，即緊急度（Urgency），是指當(dāng)前令牌桶空著的容量，等于令牌桶容量減去桶中現(xiàn)有令牌數(shù)。當(dāng)有報(bào)文經(jīng)過(guò)令牌桶時(shí)，緊急度增加，增加額度為消耗的令牌數(shù)。S/F開關(guān)用于控制令牌桶是嚴(yán)格模式還是自由模式。圖中假定當(dāng)前存在A、B、C、D、E共五種類型的應(yīng)用數(shù)據(jù)，其中A、B、C、D四類數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)中存在擁塞，導(dǎo)致爭(zhēng)奪資源時(shí)，進(jìn)行流量控制，而E類數(shù)據(jù)是最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，比如平臺(tái)控制指令數(shù)據(jù)，不需要流量控制。

圖2 關(guān)聯(lián)令牌桶

數(shù)據(jù)進(jìn)入令牌桶前，根據(jù)虛擬信道號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，E類數(shù)據(jù)直接放入對(duì)應(yīng)的虛信道等待調(diào)度發(fā)送。其他數(shù)據(jù)被交給對(duì)應(yīng)虛擬信道的令牌桶進(jìn)行流量控制。在進(jìn)行流量控制的時(shí)候，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于或等于對(duì)應(yīng)令牌桶中的令牌數(shù)，則將數(shù)據(jù)放入虛信道，否則被丟棄，從而達(dá)到流量控制的目的。

其中，自由模式下空閑帶寬的檢測(cè)和分配是關(guān)聯(lián)令牌桶的流量控制方法的關(guān)鍵點(diǎn)。圖2中令牌投放模塊的功能就是將部分信道中多余的令牌（對(duì)應(yīng)于空閑的帶寬）分配給急需使用帶寬且設(shè)置為自由模式的信道。投放規(guī)則如圖3所示。

圖3 投放規(guī)則圖

其中，某一個(gè)令牌桶新產(chǎn)生了的一個(gè)令牌，按照以下順序進(jìn)行操作：

（1）如果對(duì)應(yīng)的令牌桶未滿，則投入自己對(duì)應(yīng)的令牌桶，同時(shí)緊急度減1，若桶滿，緊急度置0，投放結(jié)束；

（2）如果（1）不成立，則查找自由模式且緊急度最高的令牌桶，若未找到，丟棄令牌，投放結(jié)束；若找到，則將令牌投入該桶，同時(shí)緊急度減1，投放結(jié)束。

2.3 虛擬信道調(diào)度研究

AOS應(yīng)用場(chǎng)景中，應(yīng)用層數(shù)據(jù)具有不同的優(yōu)先級(jí)。由于不同虛擬信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)服務(wù)等級(jí)不同，而數(shù)據(jù)類型與虛擬信道一一對(duì)應(yīng)，則相當(dāng)于虛擬信道本身也就擁有了不同的服務(wù)系統(tǒng)等級(jí)。因此，對(duì)虛擬信道的調(diào)度也就成了為不同應(yīng)用數(shù)據(jù)提供服務(wù)質(zhì)量保障的措施之一。結(jié)合高優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法對(duì)于優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)的快速響應(yīng)，以及多級(jí)反饋隊(duì)列的優(yōu)點(diǎn)，提出了擁有優(yōu)先級(jí)區(qū)別的多級(jí)反饋調(diào)度算法。

由于虛擬信道和多級(jí)反饋調(diào)度隊(duì)列均擁有優(yōu)先級(jí)，故可以將二者一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。同時(shí)，對(duì)于時(shí)間片的分配也不能再采用原有分配原則，而是需要兼顧優(yōu)先級(jí)和數(shù)據(jù)量的多少共同決定。擁有優(yōu)先級(jí)區(qū)別的多級(jí)反饋隊(duì)列模型如圖4所示：

圖4 擁有優(yōu)先級(jí)區(qū)分的多級(jí)反饋隊(duì)列模型

其中，就緒隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)規(guī)則是 P（i）>P（i+1），虛擬信道的優(yōu)先級(jí)規(guī)則是Pa>Pb>Pc>Pd>…。為體現(xiàn)出虛擬信道的優(yōu)先級(jí)差異，結(jié)合就緒隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)情況，故將虛擬信道和就緒隊(duì)列分別按照優(yōu)先級(jí)從高到底的順序依次對(duì)應(yīng)起來(lái)。對(duì)于每個(gè)就緒隊(duì)列，其時(shí)間片根據(jù)虛擬信道的數(shù)據(jù)量的實(shí)際情況給出。此時(shí)的調(diào)度規(guī)則是：

（1） 各虛擬信道的數(shù)據(jù)依次進(jìn)入對(duì)應(yīng)的就緒隊(duì)列末尾；就緒隊(duì)列內(nèi)部的數(shù)據(jù)按照先來(lái)先服務(wù)的原則調(diào)度；

（2） 各就緒隊(duì)列所分配的時(shí)間片由對(duì)應(yīng)虛擬信道的數(shù)據(jù)量的多少?zèng)Q定。如果就緒隊(duì)列內(nèi)某虛擬信道的數(shù)據(jù)在時(shí)間片規(guī)定內(nèi)未調(diào)度完畢，則將該虛擬信道對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至下一級(jí)就緒隊(duì)列末尾；若該虛擬信道的數(shù)據(jù)在時(shí)間片規(guī)定時(shí)間內(nèi)調(diào)度完畢，則繼續(xù)調(diào)度當(dāng)前就緒隊(duì)列內(nèi)其他虛擬信道的數(shù)據(jù)；

（3） 僅當(dāng)就緒隊(duì)列i中沒(méi)有數(shù)據(jù)需要被調(diào)度時(shí)，才調(diào)度就緒隊(duì)列i+1中的數(shù)據(jù)。如果正在調(diào)度就緒隊(duì)列i中的數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的就緒隊(duì)列中出現(xiàn)數(shù)據(jù)，則立刻調(diào)度優(yōu)先級(jí)高的就緒隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。

在采用優(yōu)先級(jí)區(qū)分的多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法中，為了達(dá)到公平性，可以為“更繁忙”的虛擬信道分配更多的時(shí)間片。由于各數(shù)據(jù)源分系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的速率可被認(rèn)為是滿足相互獨(dú)立的泊松過(guò)程，那么各數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的同類數(shù)據(jù)包的合成也就滿足速率更高的泊松分布；同理，同一服務(wù)級(jí)別的多虛擬信道的數(shù)據(jù)合成也繼續(xù)保持泊松過(guò)程所具備的特性[3]。

3 試驗(yàn)與分析

由于真實(shí)的衛(wèi)星系統(tǒng)的搭建、運(yùn)行和維護(hù)需要花費(fèi)極大的人力和物力。同時(shí)，由于星上設(shè)備的各種數(shù)據(jù)源具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，幾乎不可能定量地從純數(shù)學(xué)的角度來(lái)推導(dǎo)出某一方案在各種情況下的性能參數(shù)表達(dá)式。所以，當(dāng)前對(duì)此方案的試驗(yàn)和分析，是通過(guò)將實(shí)現(xiàn)AOS網(wǎng)關(guān)和其他設(shè)備置于一個(gè)模擬的衛(wèi)星鏈路上運(yùn)行，然后對(duì)各設(shè)備上應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置，包括流量控制和優(yōu)先級(jí)的設(shè)置。然后，通過(guò)觀察運(yùn)行中的實(shí)際效果，記錄和比較試驗(yàn)結(jié)果，得出相應(yīng)的結(jié)論。

3.1 試驗(yàn)環(huán)境的搭建

在真實(shí)的應(yīng)用系統(tǒng)中，AOS網(wǎng)關(guān)處于天地鏈路之間，或衛(wèi)星等設(shè)備的星際鏈路之間。當(dāng)前的試驗(yàn)采用增加了延遲、誤碼等特性的IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬衛(wèi)星無(wú)線鏈路。試驗(yàn)環(huán)境如圖5所示：

圖5 整體試驗(yàn)環(huán)境

其中，模擬衛(wèi)星鏈路的延遲設(shè)為200ms，誤碼率設(shè)為1%，帶寬為11MB/s；地上網(wǎng)絡(luò)和星上網(wǎng)絡(luò)的延遲和誤碼率可忽略不計(jì)，帶寬是110MB/s。

在試驗(yàn)中，星上網(wǎng)絡(luò)處于10.2.0.0/24網(wǎng)絡(luò)中，地面網(wǎng)絡(luò)處于192.168.1.0/24網(wǎng)絡(luò)中。連接AOS網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)采用局域網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)是10.1.0.0/24。其中，主機(jī)10.2.0.2、10.2.0.3、10.2.0.4是處于星上網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)，用于發(fā)送數(shù)據(jù)，分別標(biāo)示為S1、S2和S3；主機(jī)192.168.1.2是處于地面網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)接收機(jī)，用于接收 S1、S2和 S3發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，標(biāo)示為 R。S1、S2和 S3發(fā)送的數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)虛擬信道VC1、VC2和VC3中的數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)也依次降低。

3.2 流量控制試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)一：僅發(fā)送數(shù)據(jù)，即只有VC1中有數(shù)據(jù)，發(fā)送速率是11MB/s。分別測(cè)試：無(wú)流量控制下的發(fā)送速率和接收速率之間的關(guān)系；嚴(yán)格模式下，流量控制為5MB/s時(shí)的發(fā)送速率和接收速率之間的關(guān)系；自由模式下，流量控制為5MB/s時(shí)的發(fā)送速率和接收速率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6到8所示：

圖6 僅VC1發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)流控下的發(fā)送速率和接收速率

圖7 僅VC1發(fā)送數(shù)據(jù)，V1設(shè)置為5MB/s的嚴(yán)格模式流量控制

由圖6可知，在沒(méi)有流量控制下的數(shù)據(jù)傳輸，僅僅受誤碼率的影響。此時(shí)的數(shù)據(jù)接收速率的波動(dòng)大致和數(shù)據(jù)發(fā)送速率一致。由圖7可知，當(dāng)把流量限制在5MB/s，并且為嚴(yán)格模式時(shí)，數(shù)據(jù)接收速率被嚴(yán)格的控制在5MB/s以下，其中誤差的部分是由于誤碼造成的丟包。由圖8可知，對(duì)V1進(jìn)行了自由模式流量控制，V1的數(shù)據(jù)會(huì)盡可能的占用剩余帶寬來(lái)傳輸發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中僅有V1，所以情況和圖6類似。由圖6和圖8的相似性可知，當(dāng)存在空閑帶寬時(shí)，設(shè)置為自由模式的虛擬信道和沒(méi)有流控的效果是一樣的。

試驗(yàn)二：S1和S2均是以11MB/s的速率發(fā)送。其中，將V1的速率控制在6MB/s，選擇嚴(yán)格流控模式；將V2的速率控制在8MB/s，選擇自由流控模式。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8 僅VC1發(fā)送數(shù)據(jù)，V1設(shè)置為5MB/s自由模式的流量控制

圖9 V1流控模式為嚴(yán)格模式，V2流控模式為自由模式

由圖9所示，實(shí)際測(cè)得V1的接收速率在4.62MB/s左右，達(dá)到預(yù)計(jì)流控的77%左右；V2的接收速率在6.17MB/s，也是達(dá)到預(yù)計(jì)流控的77%左右。二者的總速率在10.8MB/s左右，并未達(dá)到14MB/s，均未達(dá)聲稱的服務(wù)質(zhì)量。原因在于模擬衛(wèi)星鏈路帶寬為11MB/s，并且在V1和V2之間沒(méi)有優(yōu)先級(jí)的區(qū)分，所以兩個(gè)虛擬信道中的數(shù)據(jù)報(bào)文被以相同的比例丟棄。可以得出，當(dāng)虛擬信道之間存在資源競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，自由模式等同于嚴(yán)格模式。

3.3 虛擬信道調(diào)度

在本方案中，虛擬信道調(diào)度采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度方式，即各虛擬信道的優(yōu)先級(jí)各不相同，故優(yōu)先級(jí)越高的虛擬信道越能獲得承諾的服務(wù)質(zhì)量。在接下來(lái)的試驗(yàn)中，S1、S2和S3均按照11MB/s的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，三者的虛擬信道優(yōu)先級(jí)從高到底依次為V1>V2>V3。

試驗(yàn)三：S1、S2和S3均以11MB/s的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于V1、V2和V3中均有數(shù)據(jù)。其中，將V1的流量控制在6MB/s，選擇嚴(yán)格模式；將V2的流量控制在8MB/s，選擇嚴(yán)格模式；將V3的流量控制在5MB/s，選擇自由模式。此時(shí)的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 自由模式與嚴(yán)格模式共存

此時(shí)，三個(gè)虛擬信道存在資源的競(jìng)爭(zhēng)。因?yàn)榇嬖趦?yōu)先級(jí)，所以優(yōu)先級(jí)高的V1能獲得承諾的服務(wù)質(zhì)量，有圖10可知，V1的平均接收速率達(dá)到5.91MB/s。余下的5MB/s的帶寬由優(yōu)先級(jí)較低的V2和V3競(jìng)爭(zhēng)。由于V2擁有高的優(yōu)先級(jí)，所以在調(diào)度的時(shí)候被優(yōu)先調(diào)度，此時(shí)的結(jié)果是V2占據(jù)了剩余的所有帶寬，平均接收速率達(dá)到4.90 MB/s左右。同時(shí)，由于V3的優(yōu)先級(jí)最低，雖然V3的流控模式是自由模式，但由于沒(méi)有空閑帶寬，所以不能分到任何帶寬，接收端沒(méi)有收到任何關(guān)于V3的報(bào)文，接收速率為0MB/s。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了基于AOS協(xié)議的空間通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制，通過(guò)增加流量控制和虛擬信道調(diào)度相結(jié)合，使得通信系統(tǒng)具有服務(wù)質(zhì)量保障的能力。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析可知，擁有流量控制和虛擬信道調(diào)度組合的服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制的AOS系統(tǒng)，能優(yōu)先確保優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)得到承諾的服務(wù)質(zhì)量保障。具體結(jié)論如下：

（1）當(dāng)虛擬信道之間不存在資源的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，所有虛擬信道均可獲得預(yù)先配置的傳輸速率；設(shè)置為自由模式的虛擬信道也可以獲得最佳的額外服務(wù)質(zhì)量保障。

（2）當(dāng)虛擬信道之間存在資源的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的虛擬信道優(yōu)先獲得承諾的傳輸帶寬；優(yōu)先級(jí)相同的各虛擬信道，無(wú)論其流控模式為嚴(yán)格模式還是自由模式，所有虛擬信道的數(shù)據(jù)按照同樣的比例在調(diào)度時(shí)因緩沖區(qū)滿而被丟棄。此時(shí)的自由模式等同于嚴(yán)格模式。 ◇

［1］黃攀峰.基于CCSDS的高級(jí)在軌系統(tǒng)及信息交互技術(shù)研究.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2001，5-10.

［2］CCSDS.CCSDS Welcomes China National Space Administration as Newest Member Agency.CCSDS 703.264.3849.Washington D.C.:CCSDS，June 2008.

［3］CCSDS.Recommendation for Space Data System Standards：AOS SPACE DATA LINK PROTOCOL，CCSDS 732.0-B-2.Blue Book..Washington，D.C.:CCSDS，July 2006.

［4］顧瑩琦，譚維熾.CCSDS下行鏈路虛擬信道調(diào)度方法及其性能分析.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2001年6月第3期，29-35.

［5］Heinanen J，Guerin R.IETF RFC 2697:A Single Rate Three Color Marker.Philadelphia，A，USA:University of Pennsylvania，1999.

［6］Heinanen J，Guerin R.IETF RFC 2698:A Two Rate Three Color Marker.Philadelphia，A，USA:University of Pennsylvania，1999.

［7］曾連連，閆春香.AOS虛擬信道鏈路控制器和VCDU合路器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).中國(guó)空間科學(xué)技術(shù).2007年4月第2期，17-22.