针对e-VLBI中VDIF格式数据传输的网络传输协议SUDP
针对 e-VLBI 中VDIF 格式数据传输的网络传输
协议 SUDP
1 研究背景及现状
甚长基线干涉测量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI) 是目前空间分辨率最高的天文观测技
术，在天文观测领域得到了广泛的应用。运用 VLBI 技术和分布在全球不同地域上的射电望远
镜对同一目标进行观测，其效果相当于一个直径为各射电望远镜最大基线距离的虚拟望远镜。
因此，各望远镜之间基线越长，所获取的空间分辨率越高；射电望远镜采集数据的频率越高，
所获得的测量精度也越准确。
近年来，随着网络通讯和计算机技术的进步，e-VLBI 在传统 VLBI 的基础上迅速发展。传统
VLBI 观测是将射电望远镜观测到的无线电信号经过变频、采样和格式转换后生成的海量观测
数据先记录在特殊的大容量磁带上，之后通过其他途径传递到 VLBI 处理机上进行处理。因此
实时性差，处理周期长。
e-VLBI 通过高速互联网将分布于全球各地的观测站联系起来，同步观测，利用高速通讯网络
代替磁盘，将来自各观测站的数据直接传到数据中心进行处理，大大缩小了观测周期。由于 e-
VLBI 相对于传统 VLBI，具有反应快、精度高等显着优势，目前得到了迅速发展，在日本和欧
美的许多发达国家已进入实用阶段。美国 NASA (National Aeronautics and SpaceAdministration)
已将 e-VLBI 用于常规深空探测导航，欧洲和澳大利亚也利用下一代科研互联网 Geant2 和
AARnet 从事天体物理实时 e-VLBI 观测。在日本，利用自建的 10G 带宽的下一代高速互联
网，已开展地球自转参数快速测量和测地观测的 e-VLBI 常规模式。国际上，每年都会召开一
次e-VLBI 研讨会，讨论 e-VLBI 技术进展，并进行联合观测演示。
“我国目前已建成了包括 4 站1 ”中心 的中国 VLBI 观测网 (China VLBI Network, CVN) 。如图 1
所示，4 个天文观测站分别位于北京、乌鲁木齐、昆明和上海，而数据中心则位于上海。其中
最长基线(乌鲁木齐-上海) 为3 249km 。观测站和数据中心之间由专网连接，目前采用 TCP 协
议来进行数据传输。CVN 网为嫦娥一号卫星 (CE-1) 顺利奔月发挥了重要作用。
e-VLBI 数据传输作为高速长距离网络传输的一种特殊应用，有其自身的特点，主要包括以下
三个方面：
(1) 数据传输速率高，传输距离远 e-VLBI 数据传输的速率要求与观测精度有关，观测精度越
高，速率要求也越高。例如毫米波 VLBI 观测网采样速率 2G sample/s ~ 8G sample/s，采样字长
为2bit ，需要的数据速率为 4Gbps ~ 16Gbps 。目前在进行 e-VLBI 观测时典型的速率是
128Mbps ~ 2Gbps/ 站。随着 e-VLBI 技术的不断发展，观测精度越来越高，产生的数据量越来
越大，传输速率也在不断增长。2011 年国外已经成功进行了 16Gbps/ 站的观测试验，并计划发
展128Gbps/ 站的速率。在传输距离方面，数据传输的时延RTT 根据观测站到处理中心的距离
而不同。国内e-VLBI 观测最长距离为乌鲁木齐到上海的 3 249km ，而上海佘山 VLBI 观测基地
距离欧洲天文联合研究中心 JIVE (Joint Institute For VLBIIn Europe) 为9 000km，RTT 更高达
355ms 。中国目前已经加入JIVE ，国际间的 e-VLBI 观测合作将更加频繁。据统计，TCP 协议
在带宽 622Mbps、RTT 300ms 的链路上进行数据传输时，一旦丢包事件发生，其窗口恢复时间
高达 41 分钟。因此如何在长距离网络上有效利用带宽依然是当今网络研究的一大难题。
(2) 数据传输要求稳定性在 e-VLBI 天文观测过程中，数据采集的频率和采样字长是恒定的。因
此，数据采集时将会产生海量、高速但速率恒定的数据流，并通过高速网络以稳定的速率将这
些数据传输到处理中心。VLBI 数据在进行回放时，希望能与采集时保持一致的恒定速率，这
对数据传输的稳定性提出了很高的要求。由于 e-VLBI 数据采集的特点，其传输速率一般都是
2 的n 次方。目前各个国家的 e-VLBI 传输大都由本国的科研网络为其提供网络支持，例如新
西兰 e-VLBI 传输由 KAREN 提供网络服务，而在中国，CVN 的e-VLBI 数据传输由中国科技
网(CSTNET) 为其提供支撑。
(3) e-VLBI 传输要有可靠性保障 e-VLBI 的传输允许bit 位出错，但不允许bit 位的增加或丢
失。由计算性质所决定，e-VLBI 数据传输允许有少量的丢包，在此种情况下，处理中心在处
理时会进行填0 占位处理，相当于添加了噪声。e-VLBI 能够容忍的丢包率要求不大于 0.01%，
因此要求网络传输提供很高的可靠性保证。如果能够在速率恒定的情况下不发生数据包的丢
失，其观测效果会更好。
不同的 VLBI 数据采集系统采用不同的数据格式。当前，一种新的统一的 VLBI 数据交换格式
标准已制定出来，命名为VDIF (VLBI Data InterchangeFormat)。VDIF 用于实时 e-VLBI 和传统
VLBI 数据间的格式转换。基于 VDIF 数据格式设计的传输协议，称之为 VTP (VDIF Transport
Protocol) 协议。美国 MIT 大学和JIVE 等单位研究人员正在研究 VTP 协议。
2 相关工作
理想的e-VLBI 数据传输协议首先要支持 VLBI 标准数据格式 VDIF，其次应具有高速、稳定、
可靠的传输性能保证。由于 e-VLBI 观测所产生的数据量大，各观测站间的距离远，e-VLBI 的
数据传输对传统网络提出了很高的挑战。传统的 TCP 协议在高速长距离传输网络中的性能
差，这一方面是因为 TCP 的拥塞控制算法AIMD (Additive-Increase/Multiplicative-Decrease) 过
于保守，另一方面是TCP 对丢包事件的误解造成的。因此，也有一大批的学者针对这些问题
对TCP 协议进行改进，产生了一系列的TCP 改进协议，如：ACP、HSTCP、FAST、BIC 等。
这些协议在一定程度上提高了传输效率，但由于是针对普通应用在共享网络上的传输，强调绝
对公平性及严格的网络拥塞控制，在应用于 e-VLBI 这种特殊的海量数据传输应用时，其传输
性能受链路质量影响特别大，仍然不够理想。目前国际上在进行 e-VLBI 数据传输时所采用的
传输协议并没有一定的标准。CVN 采用 TCP 协议进行数据传输，其传输效率有待提高。新西
兰采用的是 UDT 协议，UDT 协议使用带宽估计算法，拥塞窗口无限接近带宽值。
也有一些机构采用 Tsunami 协议进行 e-VLBI 数据传输。由于 VTP 被提出的时间比较晚，目前
国际上正在研究按照 VTP 标准设计VLBI 数据传输协议。日本信息通讯研究院NICT 设计了一
种VTP 协议，名为SUDP (simple-UDP) 协议。SUDP 主要机制是在 UDP 协议的基础上，增加
了序列号等信息，以保证数据包的按序交付。SUDP 协议支持 K5/VSSP32、Mark5B 和VDIF
等多种 VLBI 数据格式，并提供了内存、文件和硬件接口间的相互传输模式。同时，SUDP 还
提供了VDIF 和其他 VLBI 数据格式之间的转换，是一种典型的VTP 协议。
SUDP 在发送端和接收端共建立了两条连接，一条用UDP 协议进行 VLBI 数据的传输，而另一
条TCP 连接用于在初始阶段进行参数的协商和传输控制。在 SUDP 协议内部，除了数据传输
主线程外，还有数据模型线程和测量线程同时进行工作。数据模型线程负责数据接口(内存、
文件或硬件接口) 同协议之间的数据交换，而测量进程则负责发送/接收速率的测量和丢包率的
显示。
从图 2 可以看出 SUDP 发送过程由Sender、Receiver 和Control 等模块组成。Sender 除了能够
支持多种外设接口外，还能够以 VDIF 的格式传输 VLBI 数据。目前 SUDP 的Control 模块功能
比较简单，主要负责传输之前的参数协商，如 VLBI 的传输模式、发送端/接收端的地址和端口
等。接收端在收到数据包后，会按照当前时间戳和数据包内的VLBI 数据帧编号进行地址定
位，并将接收到的数据复制到该内存位置。SUDP 具有速率控制机制，能够按照指定的速率传
输数据。经过 SUDP 作者Mamoru Sekido 的实际传输实验验证，SUDP 能够以固定的速率传输
VLBI 数据，并能进行数据格式间的有效转换。
SUDP 仅仅保证按序交付，没有反馈机制和重传机制，数据传输没有可靠性保证，这对于
SUDP 的实用性提出了很大的挑战。我们在前文已经提到，e-VLBI 数据传输必须以恒定的速率
进行传输，当网络性能很差，丢包率严重的情况下，e-VLBI 数据传输就应当降低速率档次(降
低精度) 进行传输。因此，在进行 e-VLBI 数据传输时，首先必须保证具有高于传输速率要求的
网络物理带宽。在网络物理带宽允许的条件下，为提高传输的可靠性，e-VLBI 的数据传输协
议也应当能够自动重传一些意外丢失的包。本文在 SUDP 的基础上进行改进，为其添加传输控
制模块，命名为RSUDP。RSUDP 能够有效使用带宽资源，并尽最大努力进行数据的重传，以
提高其可靠性保证。
3 RSUDP 协议设计和实现
摘要：
展开>>
收起<<
针对e-VLBI中VDIF格式数据传输的网络传输协议SUDP1研究背景及现状甚长基线干涉测量(VeryLongBaselineInterferometry,VLBI)是目前空间分辨率最高的天文观测技术，在天文观测领域得到了广泛的应用。运用VLBI技术和分布在全球不同地域上的射电望远镜对同一目标进行观测，其效果相当于一个直径为各射电望远镜最大基线距离的虚拟望远镜。因此，各望远镜之间基线越长，所获取的空间分辨率越高；射电望远镜采集数据的频率越高，所获得的测量精度也越准确。近年来，随着网络通讯和计算机技术的进步，e-VLBI在传统VLBI的基础上迅速发展。传统VLBI观测是将射电望远镜观测到的无线电...
相关推荐
-
福特锐界汽车营销策略
2022-10-15 114 -
车联网面临的安全风险与应对措施
2023-02-25 144 -
保险营销的现存问题与策略创新
2023-02-25 72 -
保险经纪人作为保险营销主要力量的探析
2023-02-25 77 -
我国家政服务质量的问题及提升对策
2023-05-24 133 -
微波通信的优点及其在移动通信网络中的具体应用
2023-05-24 295 -
网络信息安全中密码学的运用及其安全性分析
2023-05-24 118 -
探讨卫星通信组网在人防中的应用
2023-05-24 103 -
探讨傣族服饰文化融入幼儿园美术教育的有效路径
2023-05-24 73 -
我国中小企业电子商务管理现状分析
2024-03-02 33
作者：闻远设计
分类：其它行业资料
价格：免费
属性：5 页
大小：20.33KB
格式：DOCX
时间：2024-03-09
