SNIS體系研究

劉寶芬

摘 要 空間網絡IP服務SNIS對有效支持多目標跟蹤、測控、通信和導航等全球范圍各種航天任務有重要價值。本文對在空間網絡中建立端到端的IP通信服務進行了需求分析，給出一種SNIS體系結構，可支持所有IP協議，包括移動IP、通過中繼系統的單點接入、多點接入和按需接入射頻連接等，描述了所建立的SNIS系統支持航天任務數據通信的場景和過程。

關鍵詞 SNIS 網絡 衛星通信 TDRSS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

空間網絡SN（Space Network）指的是多個航天器在空間因數據交換和互操作需要構成的計算機網絡，其軍用和商用價值顯著。

空間網絡IP服務SNIS（Space Network IP Services）目標是建立統一的基于端到端IP通信的空間網絡，從而實現多異構接入系統之間應用的互通。目前，美宇航局NASA正致力于實現這一目標。本文以此為背景，分析和研究SNIS的實現結構和應用，從而為我國建立類似的SNIS提供參考。

1 空間網絡模型

典型的空間通信系統涉及任務航天器、跟蹤和數據中繼衛星系統TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System）、地面站、任務控制中心MOC（Mission Operations Center）以及地面通信網絡等。其中，地面站、任務控制中心之間通過基于Ineternet協議的封閉工作網絡IONet（Internet Protocol Operational-Network Internet）相互通信。航天器之間、航天器與地面之間使用無線射頻交互。低軌道航天器與地面站之間保持直接通信聯系的時間比例很低，因此通常使用同步軌道衛星TDRSS系統作為中繼。

通常，MOC和地面站之間使用IONet類型網絡。它們之間信息交互數據接口使用IP、TCP/IP或UDP/IP，但IONet不能為航天器提供IP連接。航天器與端用戶之間沒有可實現數據傳輸的IP協議。因此，用戶必須提前知道所有航天器數據的數據源和目標地址。如果需要分發遙測數據，這些數據必須首先路由到預定義位置（通常為MOC）然后再分發。通過MOC中轉數據導致的延遲，對很多應用來說是不能接受的。

IP端到端通信不但能使所有網絡主機之間實現應用級互通，而且可利用大量成熟的商業標準和工具，可減少系統開發、集成和測試成本，提供靈活的可擴展性。

2 空間IP網絡體系結構

若要實現SNIS，使得它的IP服務能夠提供與其他空間網絡服務同等的可靠性，則必須建立兩種基本類型的接口：（1）面向商業化路由器的接口。在SNIS呈現點（本文稱為SNIS-POP）與射頻設備所建立的連接，必須以標準串行端口接口形式提供給路由器。一旦實現這一接口，所有路由、移動IP以及在標準路由器中的其他協議，就都能在TDRSS射頻鏈路上實現。第二類面向SNIS-POP調度、監視和控制系統的接口。這些接口允許SNIS用戶以標準接口方式，調度其服務、監視其運行狀態。SNIS本質上是位于TDRSS低率用戶數據流和封閉的IONet之間附加的新數據路徑，其目的并非取代現有的任何數據服務，而是作為支持將來新任務的可選方法。

3 空間IP服務

由于SNIS合并了驅動數據分布的數據和多種用于商業的IP協議及其應用，因此只要航天器作為一個節點或子網連接到SNIS網絡上，就能實現全IP端到端通信。以下主要介紹幾個簡單的工作場景：

（1）安全

所有與航天器相關的任務必須在安全的狀態下進行，即使這些任務只限于地面IONet上。還需要其它一些安全保護措施，如端到端IP采用的VPN（virtual private network 虛擬局域網）、IPSec以及針對安全Internet使用的措施和機制。

（2）移動連接

SNIS支持移動IP協議和移動路由標準，允許用戶航天器的數據路徑在一次TDRSS事件的開始即被自動設置。移動IP信道僅僅用于前向鏈路數據路由，任何返向鏈路數據只要數據包到達SNIS-POP的任何一個路由器，數據即被發送。這是因為位于SNIS-POP的路由器已經擁有了一個合法的目標地址。因此，支持返向鏈路數據路由模式的普通路由鏈路能自動傳輸數據而不需要提前配置或獲得移動IP。

（3）告警

SNIS用戶能夠發送一個告警信息，此信息將直接從地面站經路由發送到一個預定的目的地，如果支持多點傳送，可發送到多個目的地。將IP數據路由和TDRSS需求接入系統返向鏈路相結合，能夠使航天器在網絡上時時地向任何目標發送數據。

（4）虛擬交聯

IP航天器數據包的目標地址可以是其他航天器或平臺。如果兩個航天器，即使它們在地球的兩側仍然可以通信，如同有一個交聯。只要兩個航天器同時連接網絡，他們之間的通信類似于任何網絡節點間通信。

（5）數據文件傳輸

在航天器上執行可靠文件傳輸是一種普通操作需求，這種需求也同時針對Internet用戶，因此有許多基于IP文件傳輸的協議，主要用于UDP和TCP。

4 結論

SNIS技術的發展正處于起步階段，它在通信延時、帶寬和誤碼率等方面還存在著巨大的變度。新的高級網絡協議不僅要求解決高延時、低帶寬和高誤碼率問題，而且還要考慮延時、帶寬和誤碼率的可變性。因此，SNIS需要在發展中不斷完善，同時也需要一個可靠的TDRSS系統作為支撐。我國在這方面剛剛起步，首先需要建立一個綜合應用的中等性能TDRSS，在這個平臺的支撐下，SNIS技術才能夠得到充分的應用。