基于AOS虛擬信道的服務質量保障機制研究

羅光春，李 炯，田 玲，李 勇，張 強

（1.電子科技大學計算機科學與工程學院，成都611731；2.北京國科環宇空間技術有限公司，北京100190）

1 引言

目前，CCSDS規范在空間通信方面的獨特優勢顯而易見，特別是CCSDS AOS建議提出的天地一體化網絡通信的思想，適用于空天地一體化的網絡通信，具有能處理大容量、高速率數據，支持不同需要的許多用戶同時訪問的特點[1]。當前，運用CCSDS AOS協議的遙控、遙測等應用日益增多；與此同時，將因特網中豐富的應用延伸至太空領域，成為未來空間網絡和因特網發展的一種趨勢[2]。

將因特網與空間網絡結合以達到天地一體化網絡通信的方案存在諸多問題需要研究。首先，由于因特網中的應用種類繁多、數據突發率高；而在原有高級在軌系統（Advanced Orbit System，AOS）數據鏈路協議中，針對不同數據類型傳輸的虛擬信道有限，不同應用類型使用不同的虛擬信道傳輸，并且應用的帶寬固化為某一定值[3]。AOS協議的這些特點無法滿足因特網中現有數據的特點。其次，采用AOS協議后，各數據系統的數據源類型繁多，其數據大多也是隨機的產生，并且不同的數據對于完整性和實時性的要求也千差萬異。如何有效地利用虛信道以及選擇系統合適的虛信道調度方案，以達到傳輸數量更多、質量更高的信息，已經成為工程設計中的難點[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，本文結合AOS中虛擬信道的特點提出了一種基于AOS虛擬信道的服務保障機制，通過將不同的數據按優先級分類，即不同優先級的數據使用不同的虛擬信道傳輸，然后對每個優先級的數據分別做流量控制，最后再采用優先級區分多級反饋隊列調度算法對封裝好的報文進行調度。

2 基于AOS虛擬信道的服務質量保障機制研究

2.1 總體方案

將基于AOS協議傳輸的數據分為不同的優先級。對優先級較高的數據在封裝以及調度時提供一些特殊的質量保障機制，從而達到優先保證高優先級數據得到及時可靠傳送，以提高整個系統的服務保障能力。服務質量保障（Quality of Service，QoS）模型如圖1所示：

采取的質量保障機制包括數據進入AOS封裝隊列之前的流量控制以及基于AOS虛擬信道的調度算法。其中，流量控制算法，采用了關聯令牌桶實現。

2.2 基于令牌桶的流量控制研究

本方案設計了兩種流量控制模式，嚴格模式和自由模式。其中，嚴格模式是指流量必須控制在設定值以內，即使是在網絡空閑時；該模式可以應用于控制鏈路上有關鍵業務正在執行的場景中。而自由模式是指，該類型的數據可以在網絡空閑的時候，借用其他類型數據暫未使用的帶寬，從而充分利用寶貴的空間鏈路。

圖1 AOS服務質量保障機制模型

為了實現同時支持嚴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上，需要將不同類別數據對應的令牌桶有效關聯起來，允許令牌（對應帶寬）在各令牌桶（對應不同類型數據）之間進行某種方式的流通。由此，本文采用了動態的關聯令牌桶算法，實現了令牌桶之間相互關聯，如圖2所示。

圖中的U，即緊急度（Urgency），是指當前令牌桶空著的容量，等于令牌桶容量減去桶中現有令牌數。當有報文經過令牌桶時，緊急度增加，增加額度為消耗的令牌數。S/F開關用于控制令牌桶是嚴格模式還是自由模式。圖中假定當前存在A、B、C、D、E共五種類型的應用數據，其中A、B、C、D四類數據需要在網絡中存在擁塞，導致爭奪資源時，進行流量控制，而E類數據是最關鍵的數據，比如平臺控制指令數據，不需要流量控制。

圖2 關聯令牌桶

數據進入令牌桶前，根據虛擬信道號對數據進行分類，E類數據直接放入對應的虛信道等待調度發送。其他數據被交給對應虛擬信道的令牌桶進行流量控制。在進行流量控制的時候，如果數據長度小于或等于對應令牌桶中的令牌數，則將數據放入虛信道，否則被丟棄，從而達到流量控制的目的。

其中，自由模式下空閑帶寬的檢測和分配是關聯令牌桶的流量控制方法的關鍵點。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（對應于空閑的帶寬）分配給急需使用帶寬且設置為自由模式的信道。投放規則如圖3所示。

圖3 投放規則圖

其中，某一個令牌桶新產生了的一個令牌，按照以下順序進行操作：

（1）如果對應的令牌桶未滿，則投入自己對應的令牌桶，同時緊急度減1，若桶滿，緊急度置0，投放結束；

（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，投放結束；若找到，則將令牌投入該桶，同時緊急度減1，投放結束。

2.3 虛擬信道調度研究

AOS應用場景中，應用層數據具有不同的優先級。由于不同虛擬信道傳輸的數據服務等級不同，而數據類型與虛擬信道一一對應，則相當于虛擬信道本身也就擁有了不同的服務系統等級。因此，對虛擬信道的調度也就成了為不同應用數據提供服務質量保障的措施之一。結合高優先級調度算法對于優先級高的任務的快速響應，以及多級反饋隊列的優點，提出了擁有優先級區別的多級反饋調度算法。

由于虛擬信道和多級反饋調度隊列均擁有優先級，故可以將二者一一對應起來。同時，對于時間片的分配也不能再采用原有分配原則，而是需要兼顧優先級和數據量的多少共同決定。擁有優先級區別的多級反饋隊列模型如圖4所示：

圖4 擁有優先級區分的多級反饋隊列模型

其中，就緒隊列的優先級規則是 P（i）>P（i+1），虛擬信道的優先級規則是Pa>Pb>Pc>Pd>…。為體現出虛擬信道的優先級差異，結合就緒隊列的優先級情況，故將虛擬信道和就緒隊列分別按照優先級從高到底的順序依次對應起來。對于每個就緒隊列，其時間片根據虛擬信道的數據量的實際情況給出。此時的調度規則是：

（1） 各虛擬信道的數據依次進入對應的就緒隊列末尾；就緒隊列內部的數據按照先來先服務的原則調度；

（2） 各就緒隊列所分配的時間片由對應虛擬信道的數據量的多少決定。如果就緒隊列內某虛擬信道的數據在時間片規定內未調度完畢，則將該虛擬信道對應數據轉移至下一級就緒隊列末尾；若該虛擬信道的數據在時間片規定時間內調度完畢，則繼續調度當前就緒隊列內其他虛擬信道的數據；

（3） 僅當就緒隊列i中沒有數據需要被調度時，才調度就緒隊列i+1中的數據。如果正在調度就緒隊列i中的數據，而優先級高的就緒隊列中出現數據，則立刻調度優先級高的就緒隊列中的數據。

在采用優先級區分的多級反饋隊列調度算法中，為了達到公平性，可以為“更繁忙”的虛擬信道分配更多的時間片。由于各數據源分系統產生數據包的速率可被認為是滿足相互獨立的泊松過程，那么各數據源產生的同類數據包的合成也就滿足速率更高的泊松分布；同理，同一服務級別的多虛擬信道的數據合成也繼續保持泊松過程所具備的特性[3]。

3 試驗與分析

由于真實的衛星系統的搭建、運行和維護需要花費極大的人力和物力。同時，由于星上設備的各種數據源具有很強的隨機性和復雜性，幾乎不可能定量地從純數學的角度來推導出某一方案在各種情況下的性能參數表達式。所以，當前對此方案的試驗和分析，是通過將實現AOS網關和其他設備置于一個模擬的衛星鏈路上運行，然后對各設備上應用進行設置，包括流量控制和優先級的設置。然后，通過觀察運行中的實際效果，記錄和比較試驗結果，得出相應的結論。

3.1 試驗環境的搭建

在真實的應用系統中，AOS網關處于天地鏈路之間，或衛星等設備的星際鏈路之間。當前的試驗采用增加了延遲、誤碼等特性的IP網絡來模擬衛星無線鏈路。試驗環境如圖5所示：

圖5 整體試驗環境

其中，模擬衛星鏈路的延遲設為200ms，誤碼率設為1%，帶寬為11MB/s；地上網絡和星上網絡的延遲和誤碼率可忽略不計，帶寬是110MB/s。

在試驗中，星上網絡處于10.2.0.0/24網絡中，地面網絡處于192.168.1.0/24網絡中。連接AOS網關的網絡采用局域網，其網絡是10.1.0.0/24。其中，主機10.2.0.2、10.2.0.3、10.2.0.4是處于星上網絡中的數據發送機，用于發送數據，分別標示為S1、S2和S3；主機192.168.1.2是處于地面網絡中的數據接收機，用于接收 S1、S2和 S3發來的數據，標示為 R。S1、S2和 S3發送的數據分別對應虛擬信道VC1、VC2和VC3中的數據，優先級也依次降低。

3.2 流量控制試驗及分析

試驗一：僅發送數據，即只有VC1中有數據，發送速率是11MB/s。分別測試：無流量控制下的發送速率和接收速率之間的關系；嚴格模式下，流量控制為5MB/s時的發送速率和接收速率之間的關系；自由模式下，流量控制為5MB/s時的發送速率和接收速率之間的關系。實驗結果如圖6到8所示：

圖6 僅VC1發送數據，無流控下的發送速率和接收速率

圖7 僅VC1發送數據，V1設置為5MB/s的嚴格模式流量控制

由圖6可知，在沒有流量控制下的數據傳輸，僅僅受誤碼率的影響。此時的數據接收速率的波動大致和數據發送速率一致。由圖7可知，當把流量限制在5MB/s，并且為嚴格模式時，數據接收速率被嚴格的控制在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V1進行了自由模式流量控制，V1的數據會盡可能的占用剩余帶寬來傳輸發送的數據。由于此時網絡中僅有V1，所以情況和圖6類似。由圖6和圖8的相似性可知，當存在空閑帶寬時，設置為自由模式的虛擬信道和沒有流控的效果是一樣的。

試驗二：S1和S2均是以11MB/s的速率發送。其中，將V1的速率控制在6MB/s，選擇嚴格流控模式；將V2的速率控制在8MB/s，選擇自由流控模式。測試結果如圖9所示。

圖8 僅VC1發送數據，V1設置為5MB/s自由模式的流量控制

圖9 V1流控模式為嚴格模式，V2流控模式為自由模式

由圖9所示，實際測得V1的接收速率在4.62MB/s左右，達到預計流控的77%左右；V2的接收速率在6.17MB/s，也是達到預計流控的77%左右。二者的總速率在10.8MB/s左右，并未達到14MB/s，均未達聲稱的服務質量。原因在于模擬衛星鏈路帶寬為11MB/s，并且在V1和V2之間沒有優先級的區分，所以兩個虛擬信道中的數據報文被以相同的比例丟棄。可以得出，當虛擬信道之間存在資源競爭時，自由模式等同于嚴格模式。

3.3 虛擬信道調度

在本方案中，虛擬信道調度采用優先級調度方式，即各虛擬信道的優先級各不相同，故優先級越高的虛擬信道越能獲得承諾的服務質量。在接下來的試驗中，S1、S2和S3均按照11MB/s的速率發送數據，三者的虛擬信道優先級從高到底依次為V1>V2>V3。

試驗三：S1、S2和S3均以11MB/s的速率發送數據，對應于V1、V2和V3中均有數據。其中，將V1的流量控制在6MB/s，選擇嚴格模式；將V2的流量控制在8MB/s，選擇嚴格模式；將V3的流量控制在5MB/s，選擇自由模式。此時的測試結果如圖10所示。

圖10 自由模式與嚴格模式共存

此時，三個虛擬信道存在資源的競爭。因為存在優先級，所以優先級高的V1能獲得承諾的服務質量，有圖10可知，V1的平均接收速率達到5.91MB/s。余下的5MB/s的帶寬由優先級較低的V2和V3競爭。由于V2擁有高的優先級，所以在調度的時候被優先調度，此時的結果是V2占據了剩余的所有帶寬，平均接收速率達到4.90 MB/s左右。同時，由于V3的優先級最低，雖然V3的流控模式是自由模式，但由于沒有空閑帶寬，所以不能分到任何帶寬，接收端沒有收到任何關于V3的報文，接收速率為0MB/s。

4 結束語

本文重點研究了基于AOS協議的空間通信系統的服務質量保障機制，通過增加流量控制和虛擬信道調度相結合，使得通信系統具有服務質量保障的能力。并通過實驗和分析可知，擁有流量控制和虛擬信道調度組合的服務質量保障機制的AOS系統，能優先確保優先級高的數據得到承諾的服務質量保障。具體結論如下：

（1）當虛擬信道之間不存在資源的競爭時，所有虛擬信道均可獲得預先配置的傳輸速率；設置為自由模式的虛擬信道也可以獲得最佳的額外服務質量保障。

（2）當虛擬信道之間存在資源的競爭時，優先級高的虛擬信道優先獲得承諾的傳輸帶寬；優先級相同的各虛擬信道，無論其流控模式為嚴格模式還是自由模式，所有虛擬信道的數據按照同樣的比例在調度時因緩沖區滿而被丟棄。此時的自由模式等同于嚴格模式。 ◇

［1］黃攀峰.基于CCSDS的高級在軌系統及信息交互技術研究.西安：西北工業大學，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度方法及其性能分析.中國空間科學技術，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合路器的設計實現.中國空間科學技術.2007年4月第2期，17-22.