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全球广播服务卫星IPV6技术分析和探讨

作者：杨振刚

来源：《价值工程》2011年第18期

摘要：本文在讨论了基于GBS的IPv6技术优势的基础上，论述了IPv6在移植过程中所面临技术和程序上的挑战，探讨了系统性能和设计上的需求，上述研究对于GBS的发展，以及不同网络环境下信息传输具有一定的指导意义。

Abstract: This paper reviews GBS-specific benefits of IPv6, identifies technical and

programmatic challenges of IPv6 migration, explores the needs of performance and design, and the research has a guiding significance for the development of GBS, and information transmission under different network environment.

关键词：GBS卫星系统；IPv6技术；移植

Key words: GBS satellite system; IPv6 technology; transplantation

中图分类号：TP39 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）18-0159-02 0引言

目前的军事卫星通信不能向多用户传递大容量的连续信息，信息通常是利用低速战术网络或邮件方式传输给指定用户，随着所传输的数据和图像文件的越来越大，利用这些方法进行传输将会耗费很长的时间，不仅如此，当要进行多用户信息传输时情况将会更加严重。对于美军正在建设之中的战术通信网络，由于网络流量大，经常会导致严重的网络拥塞，使得传输响应时间变长，出现数据报文丢失的情况。

全球广播服务卫星系统（GBS）旨在为音频、数据、视频、图像、地理空间等信息提供一个全球范围的、高容量、单通道的传输方式。目前的GBS采用政府拥有与商业租赁相结合的方式，利用Ku和Ka波段的地球同步人造卫星进行上述信息的广播。

在美军的各类军事行动中，GBS的重要任务是提供宽带ISP服务，为每一位数字战斗员广播实时的战场事态信息和指令。为了提高系统的可量测性，改善系统接口灵活性，更好地为数字战斗员之间提供大数据量信息交换，GBS研制机构一直致力于进一步改进GBS的体系结构，使其具有开放的标准和协议。而下一代网络协议IPv6，一直是GBS研制机构关注的焦点，这是因为IPv6技术的使用能够提高GBS在通用性、可操作性和移动性方面的性能。有关IPv6技术方面的细节请参阅相关文献。

1促使GBS卫星系统移植IPv6技术的主要因素

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正如互联网中心操作和软件参考模型（NCOW RM）[1]中所描述的那样，横向结合的最新版本IPv6非常接近于大多数性能指标。IPv6的强项在于它能够从根本上无缝地融合当前的和未来的GIG SATCOM及空中与陆地间的网络，然而这项技术经常会被恐惧、不确定性和怀疑（FUD）的乌云所笼罩。尽管如此，IPv6技术坚持以激进的方式来改变GBS的运作效能，包括双工通信、更明确地对各个分散目标进行广播以及更大的安全性。图1展现了IPv6的配置是如何影响GBS端到端的体系结构。总的说来，IPv6是一项潜在的技术，它将会为GBS提供一个平台来增强GBS端到端之间的操作，提高它的运作效能，扩展其移动性与通用性，并潜在地减少运作费用。这里将会重点分析在GBS卫星系统中移植IPv6技术所耗费的代价问题。 即使在网络的过渡状态会耗费一定的代价，人们仍然期望使用IPv6技术传输信息会给投资带来强制性的回报(ROI)。随着不断增长和更具竞争力的IPv6商业市场的形成以及总体运作费用的下降，人们希望支持IPv6技术的各项资金能够抵消花费在研究GBS理论体系上大幅度增长的一些费用。伴随着路由的性能、内在的安全性和新的自动配置能力的增强，GBS网络的配置、维修及运作费用应将会得到减少。除此之外，报头体系结构和协议运作流程的简化也导致了运作费用的减少。通过改造基于IPv4的遗留网络并将其提供给终端用户所获得的利益将会远远超过提供这些利益所耗费的呈指数增长的费用。也就是说，如果在图2中顶线（IPv4的代价）和底线（IPv6的代价）之间的差异所需要的时间调整费用远大于转换的费用，那么就应该移植IPv6技术。 2GBS IPV6设计上的考虑

当前的GBS体系结构采用的是商业上最好的实践性能来提供卫星广播服务。传统的地面网络，目前采用的是基于单元与基于数据包相混合的网络结构，将信息的生产者（信源）与主要的GBS传输台站连接起来。GBS的传输单元（目前主要位于Norfolk, VA, Sigonella, Italy, and Wahiawa, HI）为分发收集数据，并将它传送到卫星的上行链路。而后数据包经过多路复用，并且利用欧洲电信标准协会(ETSI)多协议封装(MPE)技术在IP网关处进行封装。作为结果的运动图像专家组—两个传输流(MPEG-2 TS)被传输到数字音频广播—卫星(DVB-S)调制器中，再将它广播到终端用户的接收单元。接收单元是用来对数据进行接收、译码、处理和将数据传输到终端、地面和IP网络的设备。图3中提供了一个数据从信源的产生、包装到DVB-S信号的分等级视图。

改变GBS体系结构的基础构造将会为插入技术提供一个机会。在传输单元，目前使用的DVB-S调制器可能会被符合数字音频广播—返回信道卫星(DVB-RCS)和第二代数字音频广播—卫星(DVB-S2)标准的调制器所取代。DVB-RCS技术为目前已有的DVB-S系统提供了双向交互式的宽带服务。DVB-RCS技术经过特殊地设计之后，具有鲁棒性的双工通信能力，并用来扩展目前已有的单工DVB-S广播。DVB-RCS技术利用多频率—时分多址(MF-TDMA)波形承载ATM单元或者MPEG数据包来提高返回信道卫星的数据率，使每个配置终端的数据率达到2.048Mbps。DVB-S2是宽带卫星服务的第二代DVB系统。DVB-S2非常接近于理论上的性能极限（在性能上比DVB-S提高了30%），即所谓的香农界，并且提供了改进的纠错编码、帧结构和调制解调技术。

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IP网关能够在升级之后支持超轻质封装(ULE)，这一点可以利用软件升级来完成。ULE封装技术可以取代MPE在DVB中传输IP。ULE提高了传输的效率（它比采用同类压缩算法提高1-3%的效率）；它的效率显然比MPE高，因为当MPE利用LLC/SNAP时需要MPE v6的支持（它可以增加67%的MPE报头）。就效率方面而言，在ULE中使用IPv6可与MPE中采用IPv4相比拟（甚至具有更加引人注目的、强壮的鲁棒性报头压缩(ROHC)技术），并且还具有更强的灵活性[9]。 3先进的移植方法

不同于Y2K，过渡到IPv6不会是在午夜钟声时刻发生。DoD的方针、程序的同步、IPv6的技术和标准以及商业上的实用性之间的相互关系和它们各自的复杂度要求一个精密的移植技术。由几个逻辑阶段构成的转换框架，在这些阶段基于IPv4和IPv6的通信系统能够同时被支持，应该被用来为军事通信提供最新的通信技术和为GBS沿GIG顺利转换的更好准备。

在DoD CIO的前期部分，即要求IPv6的转换周期从FY04到FY08，各种机制已经被开发，并且通过IETF进行发布。IETF允许两个协议同时存在，并且在从IPv4到IPv6过渡的过程中可以互用，以支持未来的GBS网络通信（如图4所示）。一般说来，有三类转换机制可以被利用：双重堆栈、隧道和变换，这里重点介绍隧道机制。

隧道（如图5所示）允许IPv6交通在IPv4的框架上传输。作为一个例子，6比4的隧道在接入端口处用一个IPv4的报头来封装IPv6的数据包并通过IPv4的网络进行传输，最后仅仅在到达IPv6目的地之前进行解包装。通过隧道技术，IPv6通信量可以在IPv4的节点处发生跳跃，在那里商业现货供应(COTS)IPv6产品是不被支持的。这一点类似于今天许多非IP的交通在IP网络中应用一样。利用GRE和其他一些已存在的、被人们证实了的隧道协议，IPv6技术可以运行在IPv4的核心处。

GBS希望通过一系列步骤从目前的天然IPv4体系结构发展到一个基于天然IPv6的体系结构。第一阶段将会在边缘区域应用IPv6，通过各种转换技术来利用已有的的IPv4内部结构。GBS移植的第二阶段将会应用一个端到端的双重堆栈容量。这使得当前的IPv4交通持续不受到阻碍成为可能，但同时也提供了一个真实的IPv6环境来融合IPv6提供的扩展容量。GBS IPv6内部结构的第三和最后一个阶段将会颠倒第一阶段中IPv4与IPv6的位置。IPv6将会变成一个彻底的天然协议，而IPv4将仅仅在需要的时候存在于边缘区域。 4目前和未来的行动

目前，IPv6的测试工作已经开始，这便于研究IPv6对当前GBS内部结构的组成成分在性能上的影响。如图6中所示的那样，测试体系结构采用一个仿真的封闭环路运作测试平台进行构造，它把IPv6通过隧道机制加载到当前的IPv4核心中。