衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)包頭壓縮技術(shù)分析

張亞生,周紅彬,李少賓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

目前利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸IP業(yè)務(wù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,然而過大的IP包頭嚴(yán)重浪費(fèi)了寶貴的衛(wèi)星帶寬資源。以VoIP電話業(yè)務(wù)為例,采用IPv4進(jìn)行傳輸,VoIP電話中IP包頭IP+UDP+RTP總共40個(gè)bytes,而話音有效載荷采用話音編碼壓縮后大小約為15～20 bytes。以 20 bytes計(jì)算,有效傳輸效率僅為33%,傳輸效率相當(dāng)?shù)?。為了提高帶寬的利用?一種可行的解決方案是采用IP頭壓縮技術(shù),減小IP頭的大小,以提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸效率。

健壯性頭標(biāo)壓縮協(xié)議(ROHC)是IETF提出的一種頭標(biāo)壓縮方案,它被設(shè)計(jì)成能在具有較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間且差錯(cuò)率較高的無(wú)線鏈路上,進(jìn)行頭標(biāo)壓縮的可擴(kuò)展框架,且具有很好的壓縮率和健壯性。

1 ROHC應(yīng)用分析

在單跳衛(wèi)星鏈路中,IP包僅需要鏈路層頭標(biāo)就可以保證正確傳送,而網(wǎng)絡(luò)層以上的頭標(biāo)像IP、UDP和RTP等不起作用。ROHC是一種基于流的數(shù)據(jù)包頭壓縮方案,在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸過程中,同一個(gè)流的分組其大部分首部字段具有相同的域值。ROHC在某個(gè)流中取一個(gè)參考分組,對(duì)于其他分組僅僅發(fā)送首部字段中相對(duì)參考分組變化的信息,以達(dá)到壓縮的目的。同時(shí),對(duì)于衛(wèi)星鏈路誤碼、丟包引起的壓縮和解壓不同步狀態(tài),ROHC通過控制反饋消息的頻率和數(shù)量、檢測(cè)失步的嚴(yán)格邏輯以及差錯(cuò)校驗(yàn)等手段,使ROHC壓縮機(jī)制具有高度的有效性和合理的健壯性。因此,在具有高差錯(cuò)率和長(zhǎng)往返時(shí)間的衛(wèi)星鏈路上采用ROHC壓縮方案非常適合。ROHC在衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用配置如圖1所示。在衛(wèi)星IP網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)ROHC壓縮。

圖1 ROHC應(yīng)用環(huán)境

在OSI/ISO協(xié)議棧中,ROHC位于鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間,經(jīng)過ROHC壓縮器處理的分組,去掉了網(wǎng)絡(luò)層提交的分組中冗長(zhǎng)的IP、UDP和RTP頭,而在數(shù)據(jù)的前面加入比去掉的頭標(biāo)長(zhǎng)度要短得多的ROHC頭標(biāo),這樣就大大減少了傳輸包頭所占用的帶寬。

2 ROHC的實(shí)現(xiàn)

ROHC框架定義了3種工作模式:單向模式(U模式)、雙向可靠模式(R模式)和雙向優(yōu)化模式(O模式)。其中U模式適用于單向無(wú)反饋信道環(huán)境,由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中很多情況下都是單向鏈路,因此針對(duì)單向U模式進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

2.1 ROHC在內(nèi)核中嵌入方式

在Linux平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了ROHC U模式,ROHC以內(nèi)核模塊形式加載到系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)壓縮和解壓縮,ROHC模塊在系統(tǒng)中加載后替換了IP包發(fā)送和接收接口函數(shù),對(duì)于發(fā)送端,ROHC模塊利用自定義鉤子函數(shù)替換了發(fā)送接口的函數(shù),使外出的IP包首先經(jīng)過自定義鉤子函數(shù)進(jìn)行壓縮處理,由壓縮器將IP包頭進(jìn)行壓縮,然后重新組裝成新的ROHC分組,交給內(nèi)核進(jìn)行發(fā)送。對(duì)于接收端,ROHC模塊利用Linux內(nèi)核提供的pack在系統(tǒng)中注冊(cè)一個(gè)自定義協(xié)議實(shí)現(xiàn)ROHC解壓,恢復(fù)為原始IP包后解壓模塊將原始IP包放到網(wǎng)絡(luò)接口輸入隊(duì)列中,從而將此IP包交給IP層進(jìn)行處理。

2.2 壓縮器實(shí)現(xiàn)流程

壓縮器完成U模式下的狀態(tài)機(jī)的變遷操作。壓縮器有3個(gè)狀態(tài),級(jí)別從低到高依次為:初始狀態(tài)(IR)、一級(jí)壓縮狀態(tài)(FO)和二級(jí)壓縮狀態(tài)(SO)。IR狀態(tài)是最低級(jí)的狀態(tài),用于初始化和從錯(cuò)誤中恢復(fù)關(guān)聯(lián)中的靜態(tài)部分;FO狀態(tài)是較高的壓縮狀態(tài),用于有效分組流中的不規(guī)律部分;SO狀態(tài)是最佳的壓縮狀態(tài)。U模式下由于沒有解壓方的反饋信息,壓縮方在發(fā)送n1、n2包后,才從較低級(jí)的壓縮模式轉(zhuǎn)移到更高級(jí)的壓縮模式。另外,由于沒有反饋,為了確保解壓方上下文的同步,U模式中采用周期性的使壓縮狀態(tài)從較高級(jí)轉(zhuǎn)移到較低級(jí)的機(jī)制。然而,如果反饋信道可以使用,解壓器能夠發(fā)送一個(gè)成功解壓的確認(rèn)。當(dāng)壓縮器接收到一個(gè)這樣的消息時(shí),它可以取消周期性IR刷新或增大周期性IR刷新的時(shí)間間隔。壓縮器實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。根據(jù)文獻(xiàn)

[2]取 n1=n2=3,超時(shí)時(shí)間=4 s。

圖2 壓縮器實(shí)現(xiàn)流程

ROHC采用簡(jiǎn)檔(Profile)來(lái)標(biāo)識(shí)不同協(xié)議類型的IP包,壓縮器判斷到來(lái)的數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型是否是RTP、UDP或IP,如果不是上述類型,則直接將數(shù)據(jù)包交給內(nèi)核發(fā)送;否則根據(jù)數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型選擇不同的Profile,根據(jù)Profile標(biāo)識(shí)到上下文列表中查找合適的上下文標(biāo)識(shí),根據(jù)當(dāng)前壓縮器狀態(tài)和選定的上下文對(duì)當(dāng)前的IP包頭進(jìn)行壓縮,壓縮算法采用基于窗口的最低有效位壓縮編碼,具體算法可參見文獻(xiàn)[1]。在組裝成新的ROHC分組的時(shí)候,由CRC校驗(yàn)部分為新的分組生成校驗(yàn)和,以便在解壓器端解壓時(shí)進(jìn)行校驗(yàn),以確保數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)恼_性。

2.3 解壓器實(shí)現(xiàn)流程

解壓器也有3個(gè)狀態(tài),級(jí)別從低到高依次為:無(wú)關(guān)聯(lián)狀態(tài)(NC)、靜態(tài)關(guān)聯(lián)狀態(tài)(SC)和完全關(guān)聯(lián)狀態(tài)(FC)。解壓器的初始化時(shí)的狀態(tài)是NC狀態(tài),一旦正確解壓了一個(gè)分組,解壓方將轉(zhuǎn)移到FC狀態(tài),解壓方在獲得足夠的解壓信息后總是處于FC狀態(tài),只是當(dāng)最近收到的 n1個(gè)連續(xù)的分組中有 k1個(gè)解壓失敗的時(shí)候才會(huì)由FC狀態(tài)轉(zhuǎn)移到SC狀態(tài)。在SC狀態(tài)下,當(dāng)成功的解壓一個(gè)含有足夠更新信息的分組的時(shí)候,就會(huì)轉(zhuǎn)移到FC,當(dāng)最近收到的n2個(gè)連續(xù)的分組中有k2個(gè)解壓失敗的時(shí)候才轉(zhuǎn)移到NC狀態(tài),根據(jù)文獻(xiàn)[2]取 k1=k2=3。

解壓器處理流程如圖3所示。在接收到新的ROHC分組時(shí),解壓器對(duì)其進(jìn)行解析,根據(jù)分組中的Profile標(biāo)識(shí),從上下文列表中選擇合適的上下文,然后從ROHC分組中解壓出原始IP包的首部,并重新組裝成新的IP包,然后計(jì)算出新的CRC校驗(yàn)和,并和ROHC分組中的校驗(yàn)和進(jìn)行比較,如果相等,則解壓過程正確,將新組裝的IP數(shù)據(jù)包向上層傳遞,狀態(tài)機(jī)向較高的狀態(tài)進(jìn)行變遷,否則進(jìn)行修復(fù)性嘗試,如果嘗試失敗,拋棄分組,狀態(tài)機(jī)進(jìn)入到低階的狀態(tài)。

圖3 解壓器實(shí)現(xiàn)流程

3 測(cè)試及性能分析

為了計(jì)算ROHC壓縮率,進(jìn)行如下定義,定義H為IP包頭長(zhǎng)度(字節(jié)),L為IP包凈荷長(zhǎng)度,Hrohc為壓縮后包頭平均長(zhǎng)度,定義IP包壓縮效率G為壓縮減少的長(zhǎng)度與整個(gè)IP包長(zhǎng)比值。

由上式可以看出,當(dāng)Hrohc=0時(shí),得到理論上最大IP包壓縮效率為:

以G.729話音編碼為例,H=40,L=20,此時(shí)

由上式也可以看出,隨著L的增大,Gmax會(huì)逐漸減小。在VoIP應(yīng)用中,一般 H都要大于L,可見ROHC非常適合VoIP話音分組包頭壓縮。

測(cè)試環(huán)境參見圖1,衛(wèi)星信道速率設(shè)為64 kbps,誤碼率10-7,分別進(jìn)行IP(Ping)、UDP數(shù)據(jù)和VoIP壓縮性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由測(cè)試結(jié)果可以看出,采用ROHC壓縮后,VoIP數(shù)據(jù)包頭長(zhǎng)度由40 bytes平均壓縮為6 bytes左右。仍以G.729話音編碼為例,此時(shí) G=(40-6)/60=56%,很接近其理論最大值Gmax=66%,信道有效傳輸效率由不壓縮時(shí)的33%提高到77%。

表1 OHC測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

ROHC最初由IETF ROHC工作組提出對(duì)WLAN IP包頭進(jìn)行壓縮,現(xiàn)在已經(jīng)被ETSI和3GPP采納,作為3G移動(dòng)通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。分析及測(cè)試表明,ROHC非常適合衛(wèi)星通信系統(tǒng)中IP包頭壓縮。為了提高壓縮率,下一步需要對(duì)ROHC R模式、O模式以及ROHC框架下IP/TCP頭壓縮進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1]BORMANN C,BUR MEISTER C.R Obust Header Compression(ROHC):Framework and Four Profiles:RTP,UDP,ESP,and Uncompressed.RFC 3095[S],2001.

[2]WANG Hui,LI J S.Performance Analysis of ROHC U-mode in Wireless links[C].England:Communications,IEE Proceedings,2004:549-551.