基于AOS虚拟信道的服务质量保障机制研究

罗光春，李 炯，田 玲，李 勇，张 强

（1.电子科技大学计算机科学与工程学院，成都611731；2.北京国科环宇空间技术有限公司，北京100190）

1 引言

目前，CCSDS规范在空间通信方面的独特优势显而易见，特别是CCSDS AOS建议提出的天地一体化网络通信的思想，适用于空天地一体化的网络通信，具有能处理大容量、高速率数据，支持不同需要的许多用户同时访问的特点[1]。当前，运用CCSDS AOS协议的遥控、遥测等应用日益增多；与此同时，将因特网中丰富的应用延伸至太空领域，成为未来空间网络和因特网发展的一种趋势[2]。

将因特网与空间网络结合以达到天地一体化网络通信的方案存在诸多问题需要研究。首先，由于因特网中的应用种类繁多、数据突发率高；而在原有高级在轨系统（Advanced Orbit System，AOS）数据链路协议中，针对不同数据类型传输的虚拟信道有限，不同应用类型使用不同的虚拟信道传输，并且应用的带宽固化为某一定值[3]。AOS协议的这些特点无法满足因特网中现有数据的特点。其次，采用AOS协议后，各数据系统的数据源类型繁多，其数据大多也是随机的产生，并且不同的数据对于完整性和实时性的要求也千差万异。如何有效地利用虚信道以及选择系统合适的虚信道调度方案，以达到传输数量更多、质量更高的信息，已经成为工程设计中的难点[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，本文结合AOS中虚拟信道的特点提出了一种基于AOS虚拟信道的服务保障机制，通过将不同的数据按优先级分类，即不同优先级的数据使用不同的虚拟信道传输，然后对每个优先级的数据分别做流量控制，最后再采用优先级区分多级反馈队列调度算法对封装好的报文进行调度。

2 基于AOS虚拟信道的服务质量保障机制研究

2.1 总体方案

将基于AOS协议传输的数据分为不同的优先级。对优先级较高的数据在封装以及调度时提供一些特殊的质量保障机制，从而达到优先保证高优先级数据得到及时可靠传送，以提高整个系统的服务保障能力。服务质量保障（Quality of Service，QoS）模型如图1所示：

采取的质量保障机制包括数据进入AOS封装队列之前的流量控制以及基于AOS虚拟信道的调度算法。其中，流量控制算法，采用了关联令牌桶实现。

2.2 基于令牌桶的流量控制研究

本方案设计了两种流量控制模式，严格模式和自由模式。其中，严格模式是指流量必须控制在设定值以内，即使是在网络空闲时；该模式可以应用于控制链路上有关键业务正在执行的场景中。而自由模式是指，该类型的数据可以在网络空闲的时候，借用其他类型数据暂未使用的带宽，从而充分利用宝贵的空间链路。

图1 AOS服务质量保障机制模型

为了实现同时支持严格模式和宽松模式的流量控制，在基于令牌桶算法的流量控制基础上，需要将不同类别数据对应的令牌桶有效关联起来，允许令牌（对应带宽）在各令牌桶（对应不同类型数据）之间进行某种方式的流通。由此，本文采用了动态的关联令牌桶算法，实现了令牌桶之间相互关联，如图2所示。

图中的U，即紧急度（Urgency），是指当前令牌桶空着的容量，等于令牌桶容量减去桶中现有令牌数。当有报文经过令牌桶时，紧急度增加，增加额度为消耗的令牌数。S/F开关用于控制令牌桶是严格模式还是自由模式。图中假定当前存在A、B、C、D、E共五种类型的应用数据，其中A、B、C、D四类数据需要在网络中存在拥塞，导致争夺资源时，进行流量控制，而E类数据是最关键的数据，比如平台控制指令数据，不需要流量控制。

图2 关联令牌桶

数据进入令牌桶前，根据虚拟信道号对数据进行分类，E类数据直接放入对应的虚信道等待调度发送。其他数据被交给对应虚拟信道的令牌桶进行流量控制。在进行流量控制的时候，如果数据长度小于或等于对应令牌桶中的令牌数，则将数据放入虚信道，否则被丢弃，从而达到流量控制的目的。

其中，自由模式下空闲带宽的检测和分配是关联令牌桶的流量控制方法的关键点。图2中令牌投放模块的功能就是将部分信道中多余的令牌（对应于空闲的带宽）分配给急需使用带宽且设置为自由模式的信道。投放规则如图3所示。

图3 投放规则图

其中，某一个令牌桶新产生了的一个令牌，按照以下顺序进行操作：

（1）如果对应的令牌桶未满，则投入自己对应的令牌桶，同时紧急度减1，若桶满，紧急度置0，投放结束；

（2）如果（1）不成立，则查找自由模式且紧急度最高的令牌桶，若未找到，丢弃令牌，投放结束；若找到，则将令牌投入该桶，同时紧急度减1，投放结束。

2.3 虚拟信道调度研究

AOS应用场景中，应用层数据具有不同的优先级。由于不同虚拟信道传输的数据服务等级不同，而数据类型与虚拟信道一一对应，则相当于虚拟信道本身也就拥有了不同的服务系统等级。因此，对虚拟信道的调度也就成了为不同应用数据提供服务质量保障的措施之一。结合高优先级调度算法对于优先级高的任务的快速响应，以及多级反馈队列的优点，提出了拥有优先级区别的多级反馈调度算法。

由于虚拟信道和多级反馈调度队列均拥有优先级，故可以将二者一一对应起来。同时，对于时间片的分配也不能再采用原有分配原则，而是需要兼顾优先级和数据量的多少共同决定。拥有优先级区别的多级反馈队列模型如图4所示：

图4 拥有优先级区分的多级反馈队列模型

其中，就绪队列的优先级规则是 P（i）>P（i+1），虚拟信道的优先级规则是Pa>Pb>Pc>Pd>…。为体现出虚拟信道的优先级差异，结合就绪队列的优先级情况，故将虚拟信道和就绪队列分别按照优先级从高到底的顺序依次对应起来。对于每个就绪队列，其时间片根据虚拟信道的数据量的实际情况给出。此时的调度规则是：

（1） 各虚拟信道的数据依次进入对应的就绪队列末尾；就绪队列内部的数据按照先来先服务的原则调度；

（2） 各就绪队列所分配的时间片由对应虚拟信道的数据量的多少决定。如果就绪队列内某虚拟信道的数据在时间片规定内未调度完毕，则将该虚拟信道对应数据转移至下一级就绪队列末尾；若该虚拟信道的数据在时间片规定时间内调度完毕，则继续调度当前就绪队列内其他虚拟信道的数据；

（3） 仅当就绪队列i中没有数据需要被调度时，才调度就绪队列i+1中的数据。如果正在调度就绪队列i中的数据，而优先级高的就绪队列中出现数据，则立刻调度优先级高的就绪队列中的数据。

在采用优先级区分的多级反馈队列调度算法中，为了达到公平性，可以为“更繁忙”的虚拟信道分配更多的时间片。由于各数据源分系统产生数据包的速率可被认为是满足相互独立的泊松过程，那么各数据源产生的同类数据包的合成也就满足速率更高的泊松分布；同理，同一服务级别的多虚拟信道的数据合成也继续保持泊松过程所具备的特性[3]。

3 试验与分析

由于真实的卫星系统的搭建、运行和维护需要花费极大的人力和物力。同时，由于星上设备的各种数据源具有很强的随机性和复杂性，几乎不可能定量地从纯数学的角度来推导出某一方案在各种情况下的性能参数表达式。所以，当前对此方案的试验和分析，是通过将实现AOS网关和其他设备置于一个模拟的卫星链路上运行，然后对各设备上应用进行设置，包括流量控制和优先级的设置。然后，通过观察运行中的实际效果，记录和比较试验结果，得出相应的结论。

3.1 试验环境的搭建

在真实的应用系统中，AOS网关处于天地链路之间，或卫星等设备的星际链路之间。当前的试验采用增加了延迟、误码等特性的IP网络来模拟卫星无线链路。试验环境如图5所示：

图5 整体试验环境

其中，模拟卫星链路的延迟设为200ms，误码率设为1%，带宽为11MB/s；地上网络和星上网络的延迟和误码率可忽略不计，带宽是110MB/s。

在试验中，星上网络处于10.2.0.0/24网络中，地面网络处于192.168.1.0/24网络中。连接AOS网关的网络采用局域网，其网络是10.1.0.0/24。其中，主机10.2.0.2、10.2.0.3、10.2.0.4是处于星上网络中的数据发送机，用于发送数据，分别标示为S1、S2和S3；主机192.168.1.2是处于地面网络中的数据接收机，用于接收 S1、S2和 S3发来的数据，标示为 R。S1、S2和 S3发送的数据分别对应虚拟信道VC1、VC2和VC3中的数据，优先级也依次降低。

3.2 流量控制试验及分析

试验一：仅发送数据，即只有VC1中有数据，发送速率是11MB/s。分别测试：无流量控制下的发送速率和接收速率之间的关系；严格模式下，流量控制为5MB/s时的发送速率和接收速率之间的关系；自由模式下，流量控制为5MB/s时的发送速率和接收速率之间的关系。实验结果如图6到8所示：

图6 仅VC1发送数据，无流控下的发送速率和接收速率

图7 仅VC1发送数据，V1设置为5MB/s的严格模式流量控制

由图6可知，在没有流量控制下的数据传输，仅仅受误码率的影响。此时的数据接收速率的波动大致和数据发送速率一致。由图7可知，当把流量限制在5MB/s，并且为严格模式时，数据接收速率被严格的控制在5MB/s以下，其中误差的部分是由于误码造成的丢包。由图8可知，对V1进行了自由模式流量控制，V1的数据会尽可能的占用剩余带宽来传输发送的数据。由于此时网络中仅有V1，所以情况和图6类似。由图6和图8的相似性可知，当存在空闲带宽时，设置为自由模式的虚拟信道和没有流控的效果是一样的。

试验二：S1和S2均是以11MB/s的速率发送。其中，将V1的速率控制在6MB/s，选择严格流控模式；将V2的速率控制在8MB/s，选择自由流控模式。测试结果如图9所示。

图8 仅VC1发送数据，V1设置为5MB/s自由模式的流量控制

图9 V1流控模式为严格模式，V2流控模式为自由模式

由图9所示，实际测得V1的接收速率在4.62MB/s左右，达到预计流控的77%左右；V2的接收速率在6.17MB/s，也是达到预计流控的77%左右。二者的总速率在10.8MB/s左右，并未达到14MB/s，均未达声称的服务质量。原因在于模拟卫星链路带宽为11MB/s，并且在V1和V2之间没有优先级的区分，所以两个虚拟信道中的数据报文被以相同的比例丢弃。可以得出，当虚拟信道之间存在资源竞争时，自由模式等同于严格模式。

3.3 虚拟信道调度

在本方案中，虚拟信道调度采用优先级调度方式，即各虚拟信道的优先级各不相同，故优先级越高的虚拟信道越能获得承诺的服务质量。在接下来的试验中，S1、S2和S3均按照11MB/s的速率发送数据，三者的虚拟信道优先级从高到底依次为V1>V2>V3。

试验三：S1、S2和S3均以11MB/s的速率发送数据，对应于V1、V2和V3中均有数据。其中，将V1的流量控制在6MB/s，选择严格模式；将V2的流量控制在8MB/s，选择严格模式；将V3的流量控制在5MB/s，选择自由模式。此时的测试结果如图10所示。

图10 自由模式与严格模式共存

此时，三个虚拟信道存在资源的竞争。因为存在优先级，所以优先级高的V1能获得承诺的服务质量，有图10可知，V1的平均接收速率达到5.91MB/s。余下的5MB/s的带宽由优先级较低的V2和V3竞争。由于V2拥有高的优先级，所以在调度的时候被优先调度，此时的结果是V2占据了剩余的所有带宽，平均接收速率达到4.90 MB/s左右。同时，由于V3的优先级最低，虽然V3的流控模式是自由模式，但由于没有空闲带宽，所以不能分到任何带宽，接收端没有收到任何关于V3的报文，接收速率为0MB/s。

4 结束语

本文重点研究了基于AOS协议的空间通信系统的服务质量保障机制，通过增加流量控制和虚拟信道调度相结合，使得通信系统具有服务质量保障的能力。并通过实验和分析可知，拥有流量控制和虚拟信道调度组合的服务质量保障机制的AOS系统，能优先确保优先级高的数据得到承诺的服务质量保障。具体结论如下：

（1）当虚拟信道之间不存在资源的竞争时，所有虚拟信道均可获得预先配置的传输速率；设置为自由模式的虚拟信道也可以获得最佳的额外服务质量保障。

（2）当虚拟信道之间存在资源的竞争时，优先级高的虚拟信道优先获得承诺的传输带宽；优先级相同的各虚拟信道，无论其流控模式为严格模式还是自由模式，所有虚拟信道的数据按照同样的比例在调度时因缓冲区满而被丢弃。此时的自由模式等同于严格模式。 ◇

［1］黄攀峰.基于CCSDS的高级在轨系统及信息交互技术研究.西安：西北工业大学，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］顾莹琦，谭维炽.CCSDS下行链路虚拟信道调度方法及其性能分析.中国空间科学技术，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］曾连连，闫春香.AOS虚拟信道链路控制器和VCDU合路器的设计实现.中国空间科学技术.2007年4月第2期，17-22.