摘  要： 對(duì)DVB-S2中IP數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行了分析，詳細(xì)討論了多協(xié)議封裝，單向輕量封裝以及普通流封裝各自的封裝過(guò)程，并結(jié)合DVB-S2系統(tǒng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的IP數(shù)據(jù)，比較了這3種封裝協(xié)議的封裝性能。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GSE、ULE的封裝效率較MPE更高效，GSE封裝更靈活，擴(kuò)展性更好，為下一代及未來(lái)DVB標(biāo)準(zhǔn)中IP封裝協(xié)議的選擇和優(yōu)化提供了參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞： DVB-S2；MPE；ULE；GSE；封裝效率

　DVB-S2[1]作為第二代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，與DVB-S[2]相比，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，目前正逐步應(yīng)用于衛(wèi)星廣播通信系統(tǒng)中。而且利用DVB-S2信道傳送的業(yè)務(wù)種類和數(shù)量也越來(lái)越多，拓展到了以交互式業(yè)務(wù)為代表的各個(gè)領(lǐng)域。IP over DVB技術(shù)的應(yīng)用為IP數(shù)據(jù)在DVB中的傳輸提供了有效途徑。
DVB-S中IP數(shù)據(jù)的傳輸，采用MPEG-TS包來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變長(zhǎng)IP數(shù)據(jù)包的定長(zhǎng)封裝傳輸，其對(duì)IP數(shù)據(jù)的封裝方式為多協(xié)議封裝MPE（Multiprotocol Encapsulation）[3]或單向輕量封裝ULE（Unidirectional Lightweight Encapsulation）[4]。DVB-S2中IP數(shù)據(jù)的傳輸，不僅繼承了DVB-S中IP數(shù)據(jù)的傳輸方式，還采用了一種新的傳輸方式，即采用普通流封裝GSE（General Stream Encapsulation）[5-6]對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行不定長(zhǎng)封裝傳輸。雖然目前的DVB系統(tǒng)中IP數(shù)據(jù)的傳輸還主要是以TS為主，GS的使用還不多，但通過(guò)對(duì)DVB-S2中IP數(shù)據(jù)傳輸方式以及MPE、ULE和GSE各自的封裝性能分析，可以為下一代及未來(lái)DVB標(biāo)準(zhǔn)中IP數(shù)據(jù)封裝協(xié)議的選擇和優(yōu)化提供借鑒。
1 DVB-S2中IP數(shù)據(jù)的傳輸
　DVB-S2中IP數(shù)據(jù)的傳輸主要通過(guò)將其封裝至MPEG-TS或GSE包中進(jìn)行傳輸。IP數(shù)據(jù)封裝至MPEG-TS或GSE包中，首先將IP數(shù)據(jù)包封裝成協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit），其格式符合以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)報(bào)文格式[7]，進(jìn)一步在PDU的前面增加封裝頭部，后面增加封裝尾部，形成子網(wǎng)數(shù)據(jù)單元SNDU（Sub Network Data Unit），最終封裝為T(mén)S包或GSE包。封裝頭部主要包含協(xié)議控制信息，封裝尾部主要包含數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)信息。
　MPEG-TS包的固定長(zhǎng)度是188 B。一個(gè)TS包中，前4 B是包頭信息，其后的184 B為有效負(fù)載信息，在一個(gè)TS包中，最多包含184 B的有效負(fù)載。但將IP分組封裝形成的子網(wǎng)數(shù)據(jù)單元的長(zhǎng)度可能大于184 B，因此可將子網(wǎng)數(shù)據(jù)單元封裝在若干個(gè)TS包中進(jìn)行傳輸。當(dāng)SNDU不能封裝在整數(shù)個(gè)TS包中傳輸時(shí)，對(duì)末尾TS包中的剩余字節(jié)，封裝器會(huì)選擇“填充（Padding）”或“打包（Packing）”方式封裝。
GSE包沒(méi)有固定長(zhǎng)度。GSE包長(zhǎng)度可隨協(xié)議數(shù)據(jù)單元長(zhǎng)度變化，避免填充[8]，從而使封裝開(kāi)銷最小化。如果PDU分段封裝至多個(gè)GSE SNDU中，僅在末尾的SNDU尾部封裝4 B的校驗(yàn)信息，對(duì)整個(gè)PDU進(jìn)行校驗(yàn)。如果PDU封裝至一個(gè)GSE SNDU中，則不需要在SNDU尾部封裝校驗(yàn)信息。
1.1 IP/MPE/MPEG-TS封裝
　MPE封裝協(xié)議包含了一整套的IP協(xié)議數(shù)據(jù)封裝解決方案，可以實(shí)現(xiàn)單播（數(shù)據(jù)包發(fā)給單一接收者）、組播（數(shù)據(jù)包發(fā)給一組接收者）、廣播（數(shù)據(jù)包發(fā)給所有接收者）[9]。目前，MPE應(yīng)用已十分廣泛。IP over MPE封裝格式如圖1所示。

　MPE包頭長(zhǎng)度最小為12 B，尾部校驗(yàn)信息為4 B。當(dāng)負(fù)載為非IP數(shù)據(jù)時(shí)，頭部添加8 B的LLC/SNAP信息，指示數(shù)據(jù)類型。MPE包首部一般以0x3E開(kāi)始，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包分段的開(kāi)始。MPE包長(zhǎng)度域?yàn)?2 bit，因此MPE包最大長(zhǎng)度為4 KB。MAC1-6包含的是目的MAC地址。
1.2 IP/ULE/MPEG-TS封裝
    ULE封裝協(xié)議遵循ETST定義的數(shù)據(jù)管道的封裝標(biāo)準(zhǔn)，將PDU直接映射到傳送包負(fù)載，簡(jiǎn)化了封裝過(guò)程，僅增加較小的封裝開(kāi)銷[4]。IP over ULE的封裝格式如圖2所示。

　ULE包頭長(zhǎng)度最小為4 B。ULE包長(zhǎng)度域?yàn)?5 bit，最大長(zhǎng)度為32 KB；負(fù)載類型域長(zhǎng)度為2 B，此字段可以很好地完成對(duì)多種協(xié)議（如IPv4、IPv6）的支持；目的地址標(biāo)識(shí)為1 B，可使ULE在不失高效的情況下靈活地選擇6 B的網(wǎng)絡(luò)附著點(diǎn)地址NPA（Network Point of Attachment）域，可非常靈活地支持在共享鏈路下的IP包單播傳輸[7]。
1.3 IP/GSE封裝
　GSE封裝協(xié)議相比于MPE、ULE封裝協(xié)議，在傳輸IP數(shù)據(jù)時(shí)更加靈活，降低了封裝復(fù)雜性。IP over GSE封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。
GSE封裝后直接至物理層傳輸，GSE支持靈活的分段封裝，GSE包長(zhǎng)可以是DVB-S2的數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度[10]。GSE包頭的負(fù)載類型域長(zhǎng)度為2 B，不需要額外的開(kāi)銷，即可很好地完成對(duì)多種協(xié)議的支持。
2 DVB-S2中3種IP封裝方式封裝效率的分析與比較
　本節(jié)針對(duì)MPE、ULE、GSE 3種不同的封裝方式，分析不同封裝過(guò)程的封裝效率，并結(jié)合DVB-S2承載的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的IP數(shù)據(jù)，比較不同封裝方式的性能。
2.1 封裝效率計(jì)算
　MPE、ULE、GSE的封裝效率可認(rèn)為是IP包的總長(zhǎng)度與IP包封裝后總長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)的比值。計(jì)算公式定義為：
 
 其中，M、P、N均為整數(shù)系數(shù)。LIP指IP數(shù)據(jù)封裝后的PDU長(zhǎng)度，也即IP數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。為了便于計(jì)算，當(dāng)N個(gè)IP數(shù)據(jù)包恰好封裝在M個(gè)TS包中時(shí)，可認(rèn)為選用的是打包方式，當(dāng)N個(gè)IP數(shù)據(jù)包不能封裝在M個(gè)TS包中時(shí)，選用填充方式，在第M個(gè)TS包，也即含有IP數(shù)據(jù)包最后分段的TS包負(fù)載的剩余字節(jié)用“0xFF”填充。LTS指IP數(shù)據(jù)包經(jīng)封裝后TS包的長(zhǎng)度；LTS_h代表TS包頭的長(zhǎng)度，為4 B；LSI代表TS包負(fù)載第一個(gè)字節(jié)的指示字段帶來(lái)的開(kāi)銷；Lpad表示MPE、ULE封裝采用填充方式時(shí)，TS包中填充字節(jié)的開(kāi)銷；LSNDU表示經(jīng)MPE、ULE封裝后的SNDU長(zhǎng)度。MPE和ULE包頭最小長(zhǎng)度分別為12 B和4 B，尾部校驗(yàn)開(kāi)銷均為4 B。MPE和ULE封裝后的SNDU長(zhǎng)度具體表達(dá)式為：

2.2 封裝效率分析與比較
　MPE和ULE的打包方式相對(duì)于填充方式封裝效率更高。當(dāng)IP包封裝在整數(shù)個(gè)TS包中時(shí)，填充方式和打包方式的封裝效率是相同的，封裝效率達(dá)到極大值。如果IP數(shù)據(jù)包長(zhǎng)再增加1 B，需要再增加1個(gè)TS包進(jìn)行封裝傳輸。填充方式下，增加的TS包中有用負(fù)載只有1 B，其余183 B均為填充字節(jié)，嚴(yán)重浪費(fèi)了封裝開(kāi)銷；打包方式下，其余字節(jié)可以開(kāi)始新的IP數(shù)據(jù)包的封裝，相對(duì)封裝效率更高。
　由圖6可知，各種封裝方式最大封裝效率及其所對(duì)應(yīng)的IP包長(zhǎng)如表1所示。

　3種封裝方式的封裝效率從高到低依次為GSE、ULE、MPE。3種封裝方式封裝效率的差異主要體現(xiàn)在封裝過(guò)程中增加的頭部開(kāi)銷和校驗(yàn)信息。當(dāng)傳輸IP數(shù)據(jù)時(shí)，MPE頭部最小為12 B，ULE和GSE頭部均為4 B，尾部校驗(yàn)信息都為4 B。但MPE和ULE還需封裝至TS包才能進(jìn)行傳輸，TS包頭開(kāi)銷為4 B，而且GSE封裝的校驗(yàn)信息僅在包含IP數(shù)據(jù)最后一個(gè)分段的GSE包尾部添加。因此GSE封裝開(kāi)銷最小。
　GSE和ULE的封裝擴(kuò)展性更好，GSE封裝更為靈活。GSE和ULE的頭部含有負(fù)載數(shù)據(jù)類型指示域，可以很好地支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而不增加封裝開(kāi)銷；MPE由于沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行說(shuō)明，擴(kuò)展性較差。另外，GSE可將多個(gè)IP包封裝在一個(gè)GSE包負(fù)載中，GSE包負(fù)載最大長(zhǎng)度可達(dá)64 KB，而MPE長(zhǎng)度域?yàn)?2位，最大長(zhǎng)度為4 KB，ULE長(zhǎng)度域?yàn)?5位，最大長(zhǎng)度32 KB。負(fù)載長(zhǎng)度的增加，意味著IP封裝所需的分段標(biāo)識(shí)的減少，從而降低封裝復(fù)雜度。
2.3 DVB-S2承載的實(shí)際IP數(shù)據(jù)封裝分析
　由DVB-S2中IP封裝效率的理論分析可知，封裝效率與IP數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度有較大關(guān)系。本節(jié)通過(guò)統(tǒng)計(jì)視頻應(yīng)用和網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用兩種典型應(yīng)用的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度分布，討論3種封裝方式的封裝性能。對(duì)應(yīng)的IP數(shù)據(jù)包長(zhǎng)分布如圖5所示。

    圖5（a）中包長(zhǎng)主要集中在1 060 B，約占89.5%，圖5（b）中包長(zhǎng)分布主要集中在60 B、70 B、120 B、1 400 B，其中小包（小于200 B）的比例約為72.5%。
    各類數(shù)據(jù)的平均封裝效率定義為各包長(zhǎng)封裝效率的均值。具體表達(dá)式為：


    圖6（a）采用不同封裝方式的平均封裝效率接近理論上最大封裝效率。圖6（b）中，MPE和ULE填充方式下平均封裝效率距理論上最大封裝效率相差約40%，打包方式下的平均封裝效率MPE最低，其次是ULE。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)1中長(zhǎng)包占較大比例，在包長(zhǎng)較大時(shí)，各種封裝方式的封裝效率較高，且接近理論最大封裝效率值。數(shù)據(jù)2小包比例較大，填充方式下，填充字節(jié)對(duì)封裝效率的影響較大。
    在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中，DVB-S2傳送流的數(shù)據(jù)速率是恒定的，如果有效負(fù)載的速率低于傳送流的數(shù)據(jù)速率時(shí)，就在傳送流中加入一定數(shù)量的填充包。因此，不管封裝選用填充方式還是打包方式，封裝效率都很難達(dá)到理論上的最大封裝效率。實(shí)際數(shù)據(jù)中包長(zhǎng)分布與IP數(shù)據(jù)承載的應(yīng)用有很大關(guān)系，如VoIP應(yīng)用一般采用小的IP包，P2P文件共享和數(shù)據(jù)下載則是較大的IP包。當(dāng)IP包長(zhǎng)較小時(shí)，GSE和ULE打包方式封裝效率優(yōu)勢(shì)比較明顯，隨著IP包長(zhǎng)的增加，封裝效率的差異性減小。GSE封裝更為簡(jiǎn)單，也即更低的封裝開(kāi)銷，在衛(wèi)星鏈路中，可以明顯提高傳輸性能。但GSE封裝的靈活性使得其解封裝過(guò)程較MPE、ULE復(fù)雜，目前完全取代MPE、ULE在DVB-S2系統(tǒng)中傳輸IP數(shù)據(jù)還不現(xiàn)實(shí)。
    本文對(duì)IP over DVB-S2的傳輸進(jìn)行了分析，詳細(xì)討論了MPE、ULE、GSE 3種封裝協(xié)議的封裝效率和性能，并通過(guò)對(duì)DVB-S2系統(tǒng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的IP數(shù)據(jù)的封裝分析，得出GSE封裝效率更高，擴(kuò)展性和靈活性都更好。利用DVB-S2傳輸較小IP包時(shí)，對(duì)封裝開(kāi)銷和處理復(fù)雜度有較高的要求，此時(shí)GSE封裝的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。但GSE解封裝過(guò)程要較為復(fù)雜，這是今后研究工作的重點(diǎn)。本文仿真和實(shí)驗(yàn)基于DVB-S2衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，對(duì)下一代衛(wèi)星鏈路以及未來(lái)衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)中IP封裝協(xié)議的選擇和優(yōu)化，具有十分重要的指導(dǎo)意義。
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