基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路互聯模式設計及真星試驗
本文來源：學術plus、裝備參考、《中國電子科學研究院學報》
摘 要：為解決同步骨幹衛星系統無法支援空間與地面兩個異構網路在網路層上直接互聯互通的問題，提出基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路互聯模式。首先，闡述該天地一體化網路系統的組成和功能；接著，設計IP與CCSDS相結合的一體化互聯協議體系，並以一個典型應用例項，說明協議棧的具體處理流程；最後，設計並完成基於同步骨幹衛星的天地一體化IP互聯試驗。
關鍵詞:同步骨幹衛星；天地一體化網路；IP網路互聯；真星試驗
引 言
隨著航天技術的快速發展，人類在外層空間的活動日趨複雜。具有IP子網的大型航天器的出現，以及地面測控網的IP化，使得構建天地一體化資訊網路的需求越來越明顯。同步骨幹衛星系統由於其高覆蓋率、高傳輸速率和高動態適應性的特點，在空間資訊傳輸方面發揮著巨大作用，是未來天地一體化網路中的重要空間基礎設施。目前，國內外基於同步骨幹衛星的資料傳輸主要採用基於應用層的資料分發模式，不能支援空間段和地面段在網路層上的直接互聯，難以適應未來天地一體化資料高效傳輸的需求。此外，隨著使用者 數量和型別的迅速增長，以及資料傳輸速率的不斷提高，傳統應用層資料分發模式會導致系統複雜性持續增加、執行維護成本成倍增長等問題，形成資料分發能力和系統效率的瓶頸。因此，研究基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路互聯模式具有重要意義。
國外各航天大國從20世紀末期開始，啟動了空間網際網路（NGSI）、基於太空梭的通訊與導航（CANDOS）、太空網際網路路由器計劃（IRIS）等研究專案，大力推進了天地一體化網路的理論研究和關鍵技術攻關。國內在該領域也開始進行了探索性研究，北京跟蹤與通訊技術研究所、中國空間技術研究院、中國科學院國家空間科學中心和中國電子科技集團公司54所等多家單位在基於IP over CCSDS方式的天地一體化協議體系應用、空間寬頻閘道器等關鍵技術方面取得了較大進展。本文在吸收國內外研究成果的基礎上，提出基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路互聯模式，設計基於IP over CCSDS的天地一體化資料傳輸協議體系，並基於在軌同步衛星開展了天地一體化IP互聯模式試驗驗證和資料傳輸能力測試。
1、基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路組成
基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路如圖1所示。同步骨幹衛星系統由同步骨幹衛星及其對應的地面站組成。使用者航天器包括單IP地址和多IP地址兩種航天器，使用者航天器和地面使用者中心分別通過同步骨幹衛星星間鏈路和地面網路接入，形成使用者航天器與地面使用者中心間的天地一體化IP網路。使用者航天器和同步骨幹衛星地面站配置閘道器裝置，完成天地間資料鏈路層的協議轉換和傳輸層的協議效能增強。在天地一體化IP網路中，使用者業務資料可基於網路層直接進行路由和資料分發，不需要在應用層處理。
圖1 基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路互聯絡統結構示意圖
Fig.1 Architecture of the space-ground integrated IP network based on GEO
2、協議體系
本文根據CCSDS空間資料鏈路協議的最新發展和國內外空間資料傳輸協議體系的研究成果，在基於同步骨幹衛星的天地一體化網路中採用IP與CCSDS相結合的協議體系，協議棧如圖2所示。
2.1 資料鏈路層
地面段網路與航天器內部子網資料鏈路層協議採用乙太網資料鏈路層協議。空間段採用CCSDS空間資料鏈路協議（SDLPs）。由於地面系統和空間系統採用不同的資料鏈路層協議，所以在經星間和星地通道傳輸前，需要完成乙太網資料鏈路層協議與CCSDS空間資料鏈路協議之間的轉換。
圖2 基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路協議棧示意圖
Fig.2 Protocol stack of the space-ground integrated IP network based on GEO
2.2 網路層
統一採用IP協議，如圖3所示，IP PDUs使用CCSDS IP延伸（CCSDS Internet Protocol Extension，IPE）約定和CCSDS封裝服務被逐個封裝到CCSDS封裝包中，然後封裝包在一個或多個SDLPs傳輸幀中被傳輸。
圖3 IP over CCSDS Space Link示意圖
Fig.3 IP over CCSDS space link procedure
2.3 傳輸層
由於基於同步骨幹衛星的天地一體化網路存在鏈路傳播時延長、網路頻寬時延積大、鏈路差錯率較高、鏈路頻寬不對稱等問題，會導致傳統TCP協議在網路中的效能嚴重下降。因此傳輸層在使用標準的TCP/UDP協議的同時，針對要求可靠傳輸且保障傳輸效能的應用，採用TCP分段技術增強傳輸層效能。TCP分段技術的核心思想是將TCP連線分成兩個或多個部分，利用代理裝置將網路中長時延和高差錯率部分與其餘部分隔離，通過在長時延和高差錯率部分使用SCPS-TP等專用協議來增強傳輸效能。代理裝置內部實現TCP與SCPS-TP等專用協議間的轉換。
2.4 應用層
在應用層，支援HTTP、SMTP、FTP和Telnet等標準協議。同時使用者可以根據任務需求設計專門的應用層協議。
3、典型應用示例
以同步骨幹衛星系統支援帶有IP子網的大型航天器與地面網路IP互聯為例，說明基於同步骨幹衛星的天地一體化IP網路協議棧處理流程。
航天器資訊系統內部資料交換主要基於乙太網技術，上層採用標準TCP/IP協議棧。通過同步骨幹衛星系統進行的航天器與地面之間的資料傳輸中，除了傳送遙控資訊的前向鏈路外，其餘部分均採用AOS體制。IP報文采用IP over AOS方式封裝和解析。
3.1返向鏈路資料處理流程
如圖4所示，航天器內部子網的業務資料在傳輸層採用UDP或TCP協議，IP報文目的地址為地面相應聯網裝置的IP地址。通過空間鏈路傳輸前，由空間閘道器對傳輸層和鏈路層的協議進行轉換，若傳輸層採用TCP協議，將TCP轉換為SCPS-TP協議，鏈路層將乙太網幀轉換為AOS幀，並採用IP over AOS的方式將IP報文封裝到AOS幀中（具體封裝細節參考文獻[17]。同步骨幹衛星地面站的地面閘道器在資料鏈路層和傳輸層作對應的轉換，然後直接通過路由器路由傳輸IP報文。最終，地面使用者中心路由器根據IP報文中的目的地址將報文直接向業務處理裝置轉發。
3.2 前向鏈路處理流程
除前向鏈路的遙控指令仍然按照原有方式傳送到地面站外，前向鏈路處理流程為返向鏈路處理流程的逆過程，如圖5所示。
圖4返向鏈路協議棧處理流程示意圖
Fig.4 Protocol stack process of backward link
圖5前向鏈路協議棧處理流程示意圖
Fig.5 Protocol stack process of forward link
4、基於同步骨幹衛星的天地IP互聯模式試驗驗證
4.1 試驗環境
試驗環境組成如圖6所示，主要包括空間使用者航天器模擬系統（包括空間資料模擬系統、空間閘道器、調製調解裝置、發射和接收單元）、同步骨幹衛星、地面站系統（包括髮射和接收單元、調製解調裝置和地面閘道器）和地面使用者中心模擬系統。其中，空間和地面模擬系統裡的主要裝置包括檔案伺服器、Web伺服器、郵件伺服器、IP電話、網路攝像機和終端裝置等。空間閘道器與地面閘道器主要用於鏈路層和傳輸層的協議轉換。測試系統的真實空間鏈路頻寬理論值為上行5Mbps、下行150Mbps。而空間閘道器／地面閘道器的處理頻寬在實驗室環境可以達到千兆。
4.2 試驗結果分析
基於同步骨幹衛星系統的天地一體化IP網路互聯模式試驗驗證，主要圍繞協議技術體制驗證、系統網路應用功能測試和綜合性能測試三個方面開展，具體試驗結果和分析如下。
圖6 試驗環境示意圖
Fig.6 The experimental environment
（1）協議技術體制驗證
主要進行天地TCP/UDP效能測試：TCP效能測試分別針對空間使用者子網——同步骨幹衛星——地面子網間單個TCP連線、多個TCP連線測試等情況進行，測試結果如表1所示；UDP採用單路傳輸和多路傳輸兩種情況進行測試，其中設定單路UDP最大速率為50Mbps，測試結果如表2所示。
表 1 TCP效能測試結果
Tab.1 Results of TCP performance test
表 2 UDP效能測試結果
Tab.2 Results of UDP performance test
測試結果表明，天地一體化網路的TCP傳輸速率可穩定達到120Mbps左右。在單路傳輸頻寬不超過50Mbps的限制下，UDP傳輸總速率最高可達132Mbps。
（2）系統應用功能測試分析
對常用的網路應用功能專案進行測試，結果如表3所示。測試結果表明，天地一體化IP網路對地面網路中成熟的應用業務（包括Web訪問、FTP服務、Email服務、多媒體會議、語音通話、遙操作業務、Telnet服務等）均可支援，且使用者體驗良好。
表3功能測試結果
Tab.3 Results of function test
（3）系統綜合應用測試分析
測試系統的空間鏈路是不對稱的，其中上行5Mbps、下行150Mbps。通過對寬頻閘道器進行限速，來測試整個試驗在不同狀態下的綜合應用情況，分為非滿負荷綜合應用測試和滿負荷綜合應用測試兩種狀態。其中，非滿負荷綜合應用測試是限制前向資訊速率不超過3Mbps，返向資訊速率不超過100Mbps的情況下，測試系統相關服務效能；滿負荷綜合應用測試是指天地網路之間上行最大資料速率接近5Mbps，下行最大資料速率接近150Mbps的情況下，測試系統相關服務效能。在兩種狀態下，同時進行FTP業務、天地間互ping業務、Web訪問業務、Email業務等網路應用功能業務綜合測試，測試結果如下表4。
表4綜合應用測試效果
Tab.4 Results of synthesis application test
通過測試結果反映出由於同步骨幹衛星空間鏈路存在不對稱性，所以在工程應用中要根據業務特點在路由或交換節點限定具體應用的前／返向資料速率，避免出現個別應用佔用大量頻寬的情況，才能保證天地間網路的正常執行。
上述試驗表明：基於同步骨幹衛星的天地一體化IP互聯模式可並行支援多種網路業務；能夠高效支援基於TCP/IP的網路應用。
結 論
隨著航天任務複雜性的不斷提高，建立天地一體化的航天網際網路，已經成為國內外航天測控和通訊系統發展的必然趨勢。同步骨幹衛星系統是重要的空間基礎設施，通過理論研究、技術試驗和工程應用推廣，實現傳統航天資料傳輸模式向天地一體化網路互聯模式的轉變，將對天地一體化網路建設起到巨大的示範效應和推動作用。本文基於一顆同步骨幹衛星完成靜態IP天地互聯試驗，而在實際應用中是多顆同步骨幹衛星和地面站接力為航天器服務，這就帶來了天地一體化網路中同步骨幹衛星系統的移動性管理和延遲容忍等問題，這些問題我們將在後續開展進一步的研究和試驗。
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