摘 要： 對DVB-S2中IP數(shù)據(jù)的傳輸進行了分析，詳細討論了多協(xié)議封裝，單向輕量封裝以及普通流封裝各自的封裝過程，并結合DVB-S2系統(tǒng)實際網(wǎng)絡環(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。理論分析和實驗結果表明，GSE、ULE的封裝效率較MPE更高效，GSE封裝更靈活，擴展性更好，為下一代及未來DVB標準中IP封裝協(xié)議的選擇和優(yōu)化提供了參考和依據(jù)。
關鍵詞： DVB-S2；MPE；ULE；GSE；封裝效率
DVB-S2[1]作為第二代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標準，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)務種類和數(shù)量也越來越多，拓展到了以交互式業(yè)務為代表的各個領域。IP over DVB技術的應用為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包來實現(xiàn)對變長IP數(shù)據(jù)包的定長封裝傳輸，其對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IP數(shù)據(jù)包進行不定長封裝傳輸。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，但通過對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DVB標準中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)的傳輸主要通過將其封裝至MPEG-TS或GSE包中進行傳輸。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)報文格式[7]，進一步在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TS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)完整性校驗信息。
MPEG-TS包的固定長度是188 B。一個TS包中，前4 B是包頭信息，其后的184 B為有效負載信息，在一個TS包中，最多包含184 B的有效負載。但將IP分組封裝形成的子網(wǎng)數(shù)據(jù)單元的長度可能大于184 B，因此可將子網(wǎng)數(shù)據(jù)單元封裝在若干個TS包中進行傳輸。當SNDU不能封裝在整數(shù)個TS包中傳輸時，對末尾TS包中的剩余字節(jié)，封裝器會選擇“填充（Padding）”或“打包（Packing）”方式封裝。
GSE包沒有固定長度。GSE包長度可隨協(xié)議數(shù)據(jù)單元長度變化，避免填充[8]，從而使封裝開銷最小化。如果PDU分段封裝至多個GSE SNDU中，僅在末尾的SNDU尾部封裝4 B的校驗信息，對整個PDU進行校驗。如果PDU封裝至一個GSE SNDU中，則不需要在SNDU尾部封裝校驗信息。
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應用已十分廣泛。IP over MPE封裝格式如圖1所示。
MPE包頭長度最小為12 B，尾部校驗信息為4 B。當負載為非IP數(shù)據(jù)時，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開始，表示一個數(shù)據(jù)包分段的開始。MPE包長度域為12 bit，因此MPE包最大長度為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)管道的封裝標準，將PDU直接映射到傳送包負載，簡化了封裝過程，僅增加較小的封裝開銷[4]。IP over ULE的封裝格式如圖2所示。
ULE包頭長度最小為4 B。ULE包長度域為15 bit，最大長度為32 KB；負載類型域長度為2 B，此字段可以很好地完成對多種協(xié)議（如IPv4、IPv6）的支持；目的地址標識為1 B，可使ULE在不失高效的情況下靈活地選擇6 B的網(wǎng)絡附著點地址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)時更加靈活，降低了封裝復雜性。IP over GSE封裝結構如圖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包長可以是DVB-S2的數(shù)據(jù)域長度[10]。GSE包頭的負載類型域長度為2 B，不需要額外的開銷，即可很好地完成對多種協(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MPE、ULE、GSE 3種不同的封裝方式，分析不同封裝過程的封裝效率，并結合DVB-S2承載的實際網(wǎng)絡環(huán)境中的IP數(shù)據(jù)，比較不同封裝方式的性能。
2.1 封裝效率計算
MPE、ULE、GSE的封裝效率可認為是IP包的總長度與IP包封裝后總長度的字節(jié)數(shù)的比值。計算公式定義為：
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長度，也即IP數(shù)據(jù)包長度。為了便于計算，當N個IP數(shù)據(jù)包恰好封裝在M個TS包中時，可認為選用的是打包方式，當N個IP數(shù)據(jù)包不能封裝在M個TS包中時，選用填充方式，在第M個TS包，也即含有IP數(shù)據(jù)包最后分段的TS包負載的剩余字節(jié)用“0xFF”填充。LTS指IP數(shù)據(jù)包經(jīng)封裝后TS包的長度；LTS_h代表TS包頭的長度，為4 B；LSI代表TS包負載第一個字節(jié)的指示字段帶來的開銷；Lpad表示MPE、ULE封裝采用填充方式時，TS包中填充字節(jié)的開銷；LSNDU表示經(jīng)MPE、ULE封裝后的SNDU長度。MPE和ULE包頭最小長度分別為12 B和4 B，尾部校驗開銷均為4 B。MPE和ULE封裝后的SNDU長度具體表達式為：
2.2 封裝效率分析與比較
MPE和ULE的打包方式相對于填充方式封裝效率更高。當IP包封裝在整數(shù)個TS包中時，填充方式和打包方式的封裝效率是相同的，封裝效率達到極大值。如果IP數(shù)據(jù)包長再增加1 B，需要再增加1個TS包進行封裝傳輸。填充方式下，增加的TS包中有用負載只有1 B，其余183 B均為填充字節(jié)，嚴重浪費了封裝開銷；打包方式下，其余字節(jié)可以開始新的IP數(shù)據(jù)包的封裝，相對封裝效率更高。
由圖6可知，各種封裝方式最大封裝效率及其所對應的IP包長如表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)在封裝過程中增加的頭部開銷和校驗信息。當傳輸IP數(shù)據(jù)時，MPE頭部最小為12 B，ULE和GSE頭部均為4 B，尾部校驗信息都為4 B。但MPE和ULE還需封裝至TS包才能進行傳輸，TS包頭開銷為4 B，而且GSE封裝的校驗信息僅在包含IP數(shù)據(jù)最后一個分段的GSE包尾部添加。因此GSE封裝開銷最小。
GSE和ULE的封裝擴展性更好，GSE封裝更為靈活。GSE和ULE的頭部含有負載數(shù)據(jù)類型指示域，可以很好地支持多種網(wǎng)絡協(xié)議，而不增加封裝開銷；MPE由于沒有對數(shù)據(jù)類型進行說明，擴展性較差。另外，GSE可將多個IP包封裝在一個GSE包負載中，GSE包負載最大長度可達64 KB，而MPE長度域為12位，最大長度為4 KB，ULE長度域為15位，最大長度32 KB。負載長度的增加，意味著IP封裝所需的分段標識的減少，從而降低封裝復雜度。
2.3 DVB-S2承載的實際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)包長度有較大關系。本節(jié)通過統(tǒng)計視頻應用和網(wǎng)頁應用兩種典型應用的數(shù)據(jù)包長度分布，討論3種封裝方式的封裝性能。對應的IP數(shù)據(jù)包長分布如圖5所示。
圖5（a）中包長主要集中在1 060 B，約占89.5%，圖5（b）中包長分布主要集中在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封裝效率的均值。具體表達式為：
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。這是因為數(shù)據(jù)1中長包占較大比例，在包長較大時，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)對封裝效率的影響較大。
在實際數(shù)據(jù)傳輸中，DVB-S2傳送流的數(shù)據(jù)速率是恒定的，如果有效負載的速率低于傳送流的數(shù)據(jù)速率時，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，封裝效率都很難達到理論上的最大封裝效率。實際數(shù)據(jù)中包長分布與IP數(shù)據(jù)承載的應用有很大關系，如VoIP應用一般采用小的IP包，P2P文件共享和數(shù)據(jù)下載則是較大的IP包。當IP包長較小時，GSE和ULE打包方式封裝效率優(yōu)勢比較明顯，隨著IP包長的增加，封裝效率的差異性減小。GSE封裝更為簡單，也即更低的封裝開銷，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程較MPE、ULE復雜，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。
本文對IP over DVB-S2的傳輸進行了分析，詳細討論了MPE、ULE、GSE 3種封裝協(xié)議的封裝效率和性能，并通過對DVB-S2系統(tǒng)實際網(wǎng)絡環(huán)境中的IP數(shù)據(jù)的封裝分析，得出GSE封裝效率更高，擴展性和靈活性都更好。利用DVB-S2傳輸較小IP包時，對封裝開銷和處理復雜度有較高的要求，此時GSE封裝的優(yōu)勢尤為明顯。但GSE解封裝過程要較為復雜，這是今后研究工作的重點。本文仿真和實驗基于DVB-S2衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，對下一代衛(wèi)星鏈路以及未來衛(wèi)星廣播標準中IP封裝協(xié)議的選擇和優(yōu)化，具有十分重要的指導意義。
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