空間網絡服務體系結構探析

贠永剛　張欣　王浩

摘 要 對在空間網絡中建立端到端的通信服務進行需求分析，給出一種SNIS體系結構，可支持所有IP協(xié)議，包括移動IP、通過中繼系統(tǒng)的單點接入、多點接入和按需接入射頻連接等，描述所建立的SNIS系統(tǒng)支持航天任務數(shù)據(jù)通信的場景和過程。

關鍵詞 SNIS 衛(wèi)星通信 TDRSS

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A

空間網絡SN指的是多個航天器在空間因數(shù)據(jù)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目標是建立統(tǒng)一的基于端到端IP通信的空間網絡，從而實現(xiàn)多異構接入系統(tǒng)之間應用的互通。

1空間網絡模型

典型的空間通信系統(tǒng)涉及任務航天器、跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)TDRSS、地面站、任務控制中心MOC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(xié)議的封閉工作網絡IONet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(lián)系的時間比例很低，因此通常使用同步軌道衛(wèi)星TDRSS系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎P協(xié)議。因此，用戶必須提前知道所有航天器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源和目標地址。如果需要分發(fā)遙測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須首先路由到預定義位置然后再分發(fā)。通過MOC中轉數(shù)據(jù)導致的延遲，對很多應用來說是不能接受的。

在空間網絡中引入統(tǒng)一的IP服務可使所有網絡用戶和航天器成為同一網絡的不同IP結點，從而實現(xiàn)端到端的IP通信。由此形成的SNIS系統(tǒng)可應用于基于空間、地面或低地球軌道的任何用戶平臺。就SNIS使用者而言，航天器中的IP包既是始端也是終端，這就使任何針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎P協(xié)議使用在航天器和端用戶之間成為可能。同時也不需要提前對數(shù)據(jù)源和目標地址進行了解，這樣就避免了提前設置傳輸數(shù)據(jù)路徑。遙測能夠直接對數(shù)據(jù)目的地進行定位，而不需要數(shù)據(jù)被提前發(fā)送到任務控制中心，從而降低了一些潛在的數(shù)據(jù)發(fā)送問題。

2空間IP網絡體系結構

若要實現(xiàn)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(yè)化路由器的接口。在SNIS呈現(xiàn)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(xiàn)這一接口，所有路由、移動IP以及在標準路由器中的其他協(xié)議，就都能在TDRSS射頻鏈路上實現(xiàn)。（2）面向SNIS-POP調度、監(jiān)視和控制系統(tǒng)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(jiān)視其運行狀態(tài)。SNIS本質上是位于TDRSS低率用戶數(shù)據(jù)流和封閉的IONet之間附加的新數(shù)據(jù)路徑，其目的并非取代現(xiàn)有的任何數(shù)據(jù)服務，而是作為支持將來新任務的可選方法。

由于SNIS用戶在射頻連接操作功能中，大多使用了標準信道編碼，所以SNIS解碼需要有一些附加的編碼和解碼功能。SNIS也提供了標準路由器連續(xù)端口所必須的電子接口。通過路由器的數(shù)據(jù)流將是IP包以幀中繼或HDLC幀形式傳送的。SNIS很難實現(xiàn)調度、監(jiān)視和控制系統(tǒng)接口，因為這些問題只存在于空間網絡中，而地面站實現(xiàn)IP服務沒有那么復雜。

3空間IP服務

由于SNIS合并了驅動數(shù)據(jù)分布的數(shù)據(jù)和多種用于商業(yè)的IP協(xié)議及其應用，因此只要航天器作為一個節(jié)點或子網連接到SNIS網絡上，就能實現(xiàn)全IP端到端通信。其建立過程及工作場景簡單介紹如下： （1）安全。所有與航天器相關的任務必須在安全的狀態(tài)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、IPSec以及針對安全Internet使用的措施和機制。SNIS的出現(xiàn)有效的實現(xiàn)了這一點。（2）移動連接。SNIS支持移動IP協(xié)議和移動路由標準，允許用戶航天器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)路由，任何返向鏈路數(shù)據(jù)只要數(shù)據(jù)包到達SNIS-POP的任何一個路由器，數(shù)據(jù)即被發(fā)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(shù)據(jù)路由模式的普通路由鏈路能自動傳輸數(shù)據(jù)而不需要提前配置或獲得移動IP。（3）告警。很多航天科學設備需要對望遠鏡或用于特定環(huán)境探測工具作出及時響應，例如伽馬射線爆炸。因此，最短延遲時間對實驗和工作結果有極大幫助。SNIS用戶能夠發(fā)送一個告警信息，此信息將直接從地面站經路由發(fā)送到一個預定的目的地，如果支持多點傳送，可發(fā)送到多個目的地。將IP數(shù)據(jù)路由和TDRSS需求接入系統(tǒng)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(fā)送數(shù)據(jù)。（4）虛擬交聯(lián)。IP航天器數(shù)據(jù)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(lián)。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(jié)點間通信。（5）數(shù)據(jù)文件傳輸。在航天器上執(zhí)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?shù)膮f(xié)議，主要用于UDP和TCP。SNIS也可以提供儲存和轉發(fā)文件服務的能力，此服務由SNIS-POP的一臺服務器提供，它能夠臨時接收用戶文件，等待文件被轉發(fā)到航天器、任務控制中心或其他目的地。這就需要提供一個效率緩沖服務，同時也需要提供對地面網絡錯誤的保護。

4結論

SNIS技術在通信延時、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(xié)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(fā)展中不斷完善，同時也需要一個可靠的TDRSS系統(tǒng)作為支撐。