《卫星通信系统中虚拟专用网络在远征作战环境下支持安全远程医疗通信的效能评估》最新119页

随着美军持续全球部署，其加大了在严酷环境下的医疗支持。远程医疗支持的应用增强了满足此类需求的能力。有效实施远程医疗援助需依赖卫星通信，并常需借助民用服务供应商。本研究评估结合虚拟专用网络（VPN）安全与隐私增强的卫星通信网络效能，测试IPsec、OpenVPN与Wireguard三种协议在地球静止轨道卫星供应商Viasat与低地球轨道卫星供应商Starlink上的性能影响。研究发现：VPN部署对延迟产生小幅但持续影响，对包间延迟变异（IPDV）影响可忽略；VPN应用导致吞吐量下降（尤以下行吞吐量显著）。具体而言，OpenVPN对吞吐量影响最大，Wireguard提供最高总吞吐量，IPsec性能最稳定，推荐用于企业级应用。

多数战区缺乏地面互联网或蜂窝网络等基础设施。本研究资助方——空军研究实验室（AFRL）正针对军事行动远程医疗需求应对此现状，重点关注南太平洋与北极区域。地面互联网服务供应商（ISP）及其基础设施可能滞后于普及水平，或根本不存在。这种基础设施缺失（多数人视其为理所当然）促使卫星通信成为填补缺口的关键手段[2]。远程医疗效能与网络性能直接相关，通信系统须满足远程医疗应用最低需求。本研究基于文献[3]成果（直接比较Starlink与Viasat在远程医疗应用中的性能），评估常见VPN协议对此类系统的影响并权衡利弊，旨在支持严酷环境下高效远程医疗目标。远程医疗使部署医务人员（通常训练有限）能够实施高风险或需重大后勤支持的医疗操作。此类支持称为"实时临床支持（RTCS）"[4]，其利用全球专家资源为部署于严酷环境的医疗人员提供监督指导。

文献[3]表明，低地球轨道（LEO）卫星服务总体优于地球静止轨道（GEO）卫星服务（尤其在协议针对LEO运行特性优化时），但未专门探讨安全性特征。本研究旨在相同网络条件下开展类似测试，引入不同VPN协议作为增强安全性的可选方案。当军用通信卫星不可用时，此方案将尤其有益。

远程医疗需求是军事全球部署与当地医疗人员匮乏的直接产物。卫星技术普及使得部署基础训练医务人员成为可能，同时由少数经验丰富专家提供后方支援。这种分布式模式使少量全科医疗人员能服务同等数量病患。医疗信息处理需重点考量患者隐私与安全性，对全部流量施加VPN协议是可行解决方案，但该方案亦引入额外开销。本研究量化卫星通信叠加VPN对远征远程医疗的影响，预期其网络性能影响与地面网络部署相同VPN协议时类似。为此构建典型远程医疗测试网络，配置VPN并选取网络性能指标，通过标准化测试方法采集数据，分析各VPN协议影响程度。

本研究主要基于文献[3]对Starlink与Viasat支持远程医疗的效能分析，新增IPsec、OpenVPN、Wireguard三种常见VPN协议，测试卫星通信链路叠加VPN的可行性。测试方法部分借鉴文献[5]——其使用iperf3程序与亚马逊云服务（AWS）（但受AWS限制），本研究将采用AWS搭建VPN服务器，iperf3进行吞吐量测试。文献[5]旨在对比Wireguard与OpenVPN性能，发现Wireguard在多核设备表现更优（因测试版OpenVPN无法利用多核），且研究在Wireguard未集成至Linux 5.6内核前完成。

文献[6]基于Linux商用硬件对比IPsec、OpenVPN、Wireguard性能，在40 Gbit/s网络（远超本研究吞吐量）中发现Wireguard在高吞吐场景潜力最大，但Linux网络栈引入显著开销。该研究采用MoonGen而非iperf进行测试。尽管硬件环境不同，本研究预期卫星链路影响外结果趋势相似。文献[7]对比两版Wireguard与多配置IPsec、OpenVPN，发现Wireguard连接最快但吞吐最低、延迟最高，IPsec综合最优。差异主因或是其采用支持AES-NI指令集的硬件加速（本研究未启用），且iperf v2.0.10单线程成瓶颈。