摘  要： 對DVB-S2中IP數據的傳輸進行了分析，詳細討論了多協議封裝，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系統實際網絡環境中的IP數據，比較了這3種封裝協議的封裝性能。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封裝協議的選擇和優化提供了參考和依據。
關鍵詞： DVB-S2；MPE；ULE；GSE；封裝效率

　DVB-S2[1]作為第二代衛星數字視頻廣播標準，與DVB-S[2]相比，具有更高的數據傳輸效率，目前正逐步應用于衛星廣播通信系統中。而且利用DVB-S2信道傳送的業務種類和數量也越來越多，拓展到了以交互式業務為代表的各個領域。IP over DVB技術的應用為IP數據在DVB中的傳輸提供了有效途徑。
DVB-S中IP數據的傳輸，采用MPEG-TS包來實現對變長IP數據包的定長封裝傳輸，其對IP數據的封裝方式為多協議封裝MPE（Multiprotocol Encapsulation）[3]或單向輕量封裝ULE（Unidirectional Lightweight Encapsulation）[4]。DVB-S2中IP數據的傳輸，不僅繼承了DVB-S中IP數據的傳輸方式，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數據包進行不定長封裝傳輸。雖然目前的DVB系統中IP數據的傳輸還主要是以TS為主，GS的使用還不多，但通過對DVB-S2中IP數據傳輸方式以及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數據封裝協議的選擇和優化提供借鑒。
1 DVB-S2中IP數據的傳輸
　DVB-S2中IP數據的傳輸主要通過將其封裝至MPEG-TS或GSE包中進行傳輸。IP數據封裝至MPEG-TS或GSE包中，首先將IP數據包封裝成協議數據單元PDU（Protocol Data Unit），其格式符合以太網的數據報文格式[7]，進一步在PDU的前面增加封裝頭部，后面增加封裝尾部，形成子網數據單元SNDU（Sub Network Data Unit），最終封裝為TS包或GSE包。封裝頭部主要包含協議控制信息，封裝尾部主要包含數據完整性校驗信息。
　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數據單元的長度可能大于184 B，因此可將子網數據單元封裝在若干個TS包中進行傳輸。當SNDU不能封裝在整數個TS包中傳輸時，對末尾TS包中的剩余字節，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包長度可隨協議數據單元長度變化，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封裝協議包含了一整套的IP協議數據封裝解決方案，可以實現單播（數據包發給單一接收者）、組播（數據包發給一組接收者）、廣播（數據包發給所有接收者）[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數據時，頭部添加8 B的LLC/SNAP信息，指示數據類型。MPE包首部一般以0x3E開始，表示一個數據包分段的開始。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封裝協議遵循ETST定義的數據管道的封裝標準，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封裝協議相比于MPE、ULE封裝協議，在傳輸IP數據時更加靈活，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的數據域長度[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承載的實際網絡環境中的IP數據，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數的比值。計算公式定義為：
 
 其中，M、P、N均為整數系數。LIP指IP數據封裝后的PDU長度，也即IP數據包長度。為了便于計算，當N個IP數據包恰好封裝在M個TS包中時，可認為選用的是打包方式，當N個IP數據包不能封裝在M個TS包中時，選用填充方式，在第M個TS包，也即含有IP數據包最后分段的TS包負載的剩余字節用“0xFF”填充。LTS指IP數據包經封裝后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包中填充字節的開銷；LSNDU表示經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數據包長再增加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，嚴重浪費了封裝開銷；打包方式下，其余字節可以開始新的IP數據包的封裝，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在封裝過程中增加的頭部開銷和校驗信息。當傳輸IP數據時，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數據最后一個分段的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的頭部含有負載數據類型指示域，可以很好地支持多種網絡協議，而不增加封裝開銷；MPE由于沒有對數據類型進行說明，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數據封裝分析
　由DVB-S2中IP封裝效率的理論分析可知，封裝效率與IP數據包長度有較大關系。本節通過統計視頻應用和網頁應用兩種典型應用的數據包長度分布，討論3種封裝方式的封裝性能。對應的IP數據包長分布如圖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%。
    各類數據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。這是因為數據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。數據2小包比例較大，填充方式下，填充字節對封裝效率的影響較大。
    在實際數據傳輸中，DVB-S2傳送流的數據速率是恒定的，如果有效負載的速率低于傳送流的數據速率時，就在傳送流中加入一定數量的填充包。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。實際數據中包長分布與IP數據承載的應用有很大關系，如VoIP應用一般采用小的IP包，P2P文件共享和數據下載則是較大的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系統中傳輸IP數據還不現實。
    本文對IP over DVB-S2的傳輸進行了分析，詳細討論了MPE、ULE、GSE 3種封裝協議的封裝效率和性能，并通過對DVB-S2系統實際網絡環境中的IP數據的封裝分析，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衛星廣播系統，對下一代衛星鏈路以及未來衛星廣播標準中IP封裝協議的選擇和優化，具有十分重要的指導意義。
參考文獻
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