龍吟朱珂丁凱陳淞鄧松峰
(1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)(2上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)
天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中航天器網(wǎng)關(guān)的設(shè)計及實現(xiàn)
龍吟1朱珂1丁凱1陳淞1鄧松峰2
(1中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)(2上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)
當(dāng)前空間通信的發(fā)展趨勢是空間通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)融合,建立天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸系統(tǒng)。針對空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)推薦的基于CCSDS空間鏈路承載網(wǎng)際協(xié)議業(yè)務(wù)(IP over CCSDS)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù),文章提出一種實現(xiàn)天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的航天器網(wǎng)關(guān)的設(shè)計思路,即通過研制航天器網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)IP協(xié)議與CCSDS高級在軌系統(tǒng)(AOS)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換,并對服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證方法進行了設(shè)計。針對航天器網(wǎng)絡(luò)搭建了測試系統(tǒng)平臺,并對高清圖像、高質(zhì)量話音、計算機數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸進行了測試,測試中通過航天器網(wǎng)關(guān)進行傳輸?shù)乃芯W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包均無丟幀現(xiàn)象發(fā)生,文章提出的IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)可用于構(gòu)建天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò);航天器網(wǎng)關(guān);基于CCSDS空間鏈路承載網(wǎng)際協(xié)議業(yè)務(wù);服務(wù)質(zhì)量
當(dāng)前空間通信的趨勢是建立天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸系統(tǒng),實現(xiàn)地面通信網(wǎng)和空間通信網(wǎng)的無縫連接[1]。IP技術(shù)是目前地面上普遍廣泛采用的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),而高級在軌系統(tǒng)(AOS)是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)主流空間鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),針對這一情況,CCSDS發(fā)布了基于CCSDS空間鏈路承載網(wǎng)際協(xié)議業(yè)務(wù)(IP over CCSDS)[2]的建議書,為航天器和地面系統(tǒng)之間實現(xiàn)在CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議之上傳輸IP數(shù)據(jù)包提供了指南。由于空間和地面底層鏈路差異較大,因此不可能在鏈路層采用相同的協(xié)議,但網(wǎng)絡(luò)層可以屏蔽此差異。IP over CCSDS使天地間的通信從網(wǎng)絡(luò)層開始采用基本一致的協(xié)議,實現(xiàn)一體化的端到端通信,不但可以有效利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施,而且可以在航天器上直接采用現(xiàn)有的地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品,使空間任務(wù)的成本大幅度降低。
在航天器上,網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)IP over CCSDS天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備,通過航天器網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)IP協(xié)議與CCSDS AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)天地網(wǎng)絡(luò)一體化。目前,國內(nèi)外對于IP over CCSDS天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的研究主要處于理論階段[3-7],國外僅有“國際空間站”(ISS)實現(xiàn)了IP over CCSDS天地一體化網(wǎng)關(guān),國內(nèi)尚無航天器實現(xiàn),也沒有見到IP over CCSDS天地一體化互聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)計的文獻。針對支持IP over CCSDS天地一體化網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)在未來航天工程上的應(yīng)用需求,本文提出一種天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中航天器網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方法,并通過實物和搭建測試系統(tǒng)驗證了設(shè)計的可行性和優(yōu)勢。
航天器內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)終端主要包括交換機、手機和攝像機,網(wǎng)絡(luò)終端分別通過有線網(wǎng)絡(luò)接入到接入交換機,若干接入交換機再有線接入至頂層交換機;頂層交換機將網(wǎng)絡(luò)終端的數(shù)據(jù)與航天器網(wǎng)關(guān)進行交互,航天器網(wǎng)絡(luò)進行IP協(xié)議和CCSDS AOS[8]協(xié)議的轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)航天器和地面的雙向數(shù)據(jù)傳輸。圖1為天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中:航天器子網(wǎng)由航天器網(wǎng)關(guān)、頂層交換機、接入交換機和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備組成,采用IP協(xié)議進行內(nèi)部通信。

圖1 天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of space-ground integrated network
針對上述需求,本文采用模塊化設(shè)計思想對航天器網(wǎng)關(guān)進行設(shè)計,見圖2。按照功能劃分,航天器網(wǎng)關(guān)包括以下模塊:電源模塊、中心管理模塊、用戶接口模塊、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊、IP over CCSDS協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證模塊。其中:電源模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)的一次電、二次電供電;中心管理模塊負(fù)責(zé)各個子模塊的協(xié)同工作;用戶接口模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與各用戶的數(shù)據(jù)通信;TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊、IP over CCSDS協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和QoS保證模塊是關(guān)鍵模塊,下文分別進行詳細(xì)介紹。

圖2 航天器網(wǎng)關(guān)設(shè)計框圖Fig.2 Designing modules of spacecraft gateway
根據(jù)航天器網(wǎng)關(guān)的航天器子網(wǎng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)通信需求以及天地?zé)o線通信需求,設(shè)計航天器網(wǎng)關(guān)支持的協(xié)議棧,具體包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層,見圖3。其中:數(shù)據(jù)鏈路層分別支持航天器子網(wǎng)內(nèi)部的基于IEEE802.3的通信和天地?zé)o線鏈路間的IP over CCSDS通信;物理層分別支持航天器子網(wǎng)內(nèi)部的千兆網(wǎng)1000BASE-LX通信和天地?zé)o線鏈路間的通信。

圖3 航天器網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧Fig.3 Protocols of spacecraft gateway
針對航天器網(wǎng)關(guān)與地面通信的需求,設(shè)計三層網(wǎng)絡(luò)交換功能,具體流程如下。
(1)識別接收數(shù)據(jù)包的目標(biāo)IP地址的網(wǎng)段信息,如果在航天器網(wǎng)段范圍內(nèi),則進行二層交換,否則進行三層交換;
(2)三層交換過程:判斷目標(biāo)IP地址的網(wǎng)段信息,如果是地面網(wǎng)段,就通過航天器通信設(shè)備發(fā)送至地面,如果是目標(biāo)航天器,則通過航天器通信設(shè)備發(fā)送至目標(biāo)航天器。
針對航天器網(wǎng)關(guān)與航天器子網(wǎng)內(nèi)部的通信,設(shè)計二層交換功能,具體流程如下。
(1)當(dāng)航天器網(wǎng)關(guān)從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包時,首先讀取包頭中的源介質(zhì)訪問控制(MAC)地址,從而獲取源MAC地址的機器和端口的連接關(guān)系,如果地址信息表中沒有源MAC地址,就加入該地址;
(2)讀取包頭中的目的MAC地址,并在地址表中查找相應(yīng)的端口;
(3)如果地址信息表中有與這個目的MAC地址對應(yīng)的端口,就把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上;
(4)如果地址信息表中找不到相應(yīng)的端口,就把數(shù)據(jù)包廣播到除原端口之外的所有端口上;
(5)當(dāng)目的MAC地址對應(yīng)的機器對源MAC地址對應(yīng)的機器進行回應(yīng)時,就可以又學(xué)習(xí)到一個MAC地址與端口的對應(yīng)關(guān)系,將其記錄到地址信息表中,在下次傳送數(shù)據(jù)時就不必再對所有端口進行廣播。
航天器網(wǎng)關(guān)中IP over CCSDS執(zhí)行過程如圖4所示,CCSDS AOS的幀格式如表1所示。其中:IP head為網(wǎng)際協(xié)議業(yè)務(wù)頭部,IP data為網(wǎng)際協(xié)議業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)容,MPDU為多路協(xié)議數(shù)據(jù)單元,IPE(IP Extension)表示使用不同分支協(xié)議的IP數(shù)據(jù),IDLE為空閑區(qū)。

圖4 IP over CCSDS執(zhí)行流程Fig.4 Process of IP over CCSDS

表1 CCSDS AOS的幀格式Table 1 CCSDS AOS frame
采用MPDU傳輸IP包,其數(shù)據(jù)格式如表2所示。MPDU導(dǎo)頭長度為16bit,其中:前5bit設(shè)置為備用域,填充為全0;后11bit為首導(dǎo)頭指針,直接指向第1個源包的起始位置,根據(jù)源包中包長度的標(biāo)志就可以區(qū)分出每個獨立的源包。如果MPDU包域的第1個字節(jié)就是源包頭的第一字節(jié),則首導(dǎo)頭指針為0;如果MPDU中不包含源包頭,那么首導(dǎo)頭指針域設(shè)為全1,即“11111111111”;如果MPDU中不包含任何有效的用戶數(shù)據(jù),即只包含填充包,那么首導(dǎo)頭指針域設(shè)為“11111111110”;如果一個源包的導(dǎo)頭被分在2個MPDU中,即被分割的源包分在第x個MPDU和第x+1個MPDU中,且該源包是第x個MPDU的第1個源包,那么第x個MPDU的首導(dǎo)頭指針域指向這個源包的首地址,若不是第1個源包,則第x+1個MPDU的首導(dǎo)頭指針指向被分割源包的后一個源包頭。
IPE由一個或者多個填充字節(jié)組成,放置在IP數(shù)據(jù)包的前端,是CCSDS封裝頭的延伸,通過IPE的取值,可以標(biāo)示使用不同分支協(xié)議的IP數(shù)據(jù),并允許以此解復(fù)用。IPE在IPV4協(xié)議規(guī)定下定義為21H。
航天器網(wǎng)關(guān)執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換流程如圖5所示,分別為AOS數(shù)據(jù)幀封裝模塊和拆分模塊的狀態(tài)機。

表2 MPDU數(shù)據(jù)格式Table 2 Format of MPDU

圖5 AOS數(shù)據(jù)幀封裝模塊和拆分模塊的狀態(tài)機Fig.5 State machines of AOS encapsulation module and de-encapsulation module
為保證天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的QoS,針對航天器網(wǎng)關(guān)進行緩存設(shè)計和調(diào)度策略設(shè)計,保證天地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r、抖動最小,并且效率達到最優(yōu)化。首先,對天地間前向、返向的數(shù)據(jù)按照虛擬信道進行分類,如表3所示。IP地址信息與虛擬信道ID是一一綁定的,所以在組幀時要對輸入的IP數(shù)據(jù)進行源IP地址識別,從而得出IP數(shù)據(jù)包來源的虛擬信道信息。為了完成這一功能,須要在航天器網(wǎng)關(guān)內(nèi)部開辟一段存儲空間,用于存放源IP地址與虛擬信道ID的對應(yīng)關(guān)系。在初始化階段,以6bit的虛擬信道ID為地址在存儲器中順序存儲虛擬信道對應(yīng)的IP地址。在數(shù)據(jù)傳輸階段,在存儲器中遍歷存儲器的地址,將其內(nèi)容與源IP地址進行對比,查找到源IP地址之后,其對應(yīng)的存儲器地址就是其虛擬信道ID。
航天器網(wǎng)關(guān)針對不同傳輸數(shù)據(jù)類型進行緩存設(shè)計,采用先進先出存儲器(FIFO)作為緩存,輸入數(shù)據(jù)緩存如圖6所示。航天器網(wǎng)關(guān)根據(jù)緩存大小發(fā)出使能信號:當(dāng)緩存空時,使能信號為低,允許各用戶數(shù)據(jù)進入緩存等待調(diào)度;當(dāng)緩存滿時,使能信號為高,禁止用戶數(shù)據(jù)進入,直到緩存使能信號為低,允許數(shù)據(jù)發(fā)送。

表3 虛擬信道數(shù)據(jù)單元信息Table 3 VCDU information

圖6 輸入數(shù)據(jù)緩存Fig.6 Buffer for input data
當(dāng)FIFO數(shù)據(jù)滿一幀數(shù)據(jù)時發(fā)出調(diào)度請求,請求數(shù)據(jù)傳輸。航天器網(wǎng)關(guān)接收調(diào)度請求,并按照策略進行各個虛擬信道的調(diào)度。虛擬信道調(diào)度采用的排隊模型,是消失制和等待制的混合模型,即在數(shù)據(jù)幀到達時,如果航天器網(wǎng)關(guān)正在處理已經(jīng)到達的數(shù)據(jù)幀,則新到達的數(shù)據(jù)幀在緩存區(qū)未滿的條件下進入緩存區(qū)內(nèi)等待輸出,否則就丟棄該數(shù)據(jù)幀。
航天器網(wǎng)關(guān)的虛擬信道調(diào)度過程,采用靜態(tài)優(yōu)先級和輪詢調(diào)度策略相結(jié)合的調(diào)度模式。虛擬信道調(diào)度過程須要提供兩路優(yōu)先級較高的信道,其他信道采用同一優(yōu)先級的輪詢調(diào)度策略,這種調(diào)度模式設(shè)計簡單,易于實現(xiàn)。調(diào)度模塊由多個輸入隊列和一個輸出隊列構(gòu)成,模塊首先對優(yōu)先級高的隊列進行查詢,而對同一優(yōu)先級的隊列則按一定順序查詢。接受查詢的隊列獲得服務(wù)機會,若該隊列中有數(shù)據(jù)包存在,則數(shù)據(jù)包被添加到輸出隊列;若該隊列無數(shù)據(jù),則繼續(xù)對下一個隊列進行查詢;若在規(guī)定時限內(nèi),系統(tǒng)內(nèi)沒有數(shù)據(jù)包,則填充空閑幀到輸出隊列。圖7為虛擬信道數(shù)據(jù)單元(VCDU)的調(diào)度流程。
調(diào)度策略在航天器運行期間可以通過地面上行注入數(shù)據(jù)的方式改變優(yōu)先級,以適應(yīng)特殊任務(wù)的需要。假設(shè)各返向輸入信道的優(yōu)先級分別為I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,默認(rèn)優(yōu)先級關(guān)系為I1>I2>I3>I4>I5>I6=I7,則通過注入數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)I1≠I2≠I3≠I4≠I5≠I6≠I7的優(yōu)先級更換。例如:設(shè)置返向輸入信道的優(yōu)先級順序為VC1、VC4、VC3、VC2、VC6、VC5、VC7,則調(diào)度過程見圖8。

圖7 虛擬信道數(shù)據(jù)單元的調(diào)度流程Fig.7 Process of VCDU scheduling

圖8 返向輸入信道的調(diào)度過程Fig.8 Process of backward input channel scheduling
根據(jù)上述設(shè)計方案完成了航天器網(wǎng)關(guān)的實物設(shè)計,并搭建了航天器網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)平臺,見圖9。航天器網(wǎng)絡(luò)以一臺交換機作為中心連接各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,航天器上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括遙測用戶、手機、攝像機、計算機,網(wǎng)關(guān)接收各個網(wǎng)絡(luò)終端的IP數(shù)據(jù)并進行IP over CCSDS協(xié)議轉(zhuǎn)換,同時從地面上行數(shù)據(jù)幀中解析出IP數(shù)據(jù)包并分發(fā),地面網(wǎng)關(guān)完成相反的功能。地面網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與航天器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架類似,在計算機上安裝wireshark網(wǎng)絡(luò)抓包工具,進行網(wǎng)絡(luò)流量分析,并用網(wǎng)絡(luò)圖像處理終端和網(wǎng)絡(luò)話音處理終端分別完成下行圖像的解碼顯示和下行話音的解碼播放。另外,使用天地信道模擬設(shè)備模擬了天地通信延時。圖10和圖11分別為地面網(wǎng)絡(luò)流量分析結(jié)果和地面圖像解碼統(tǒng)計結(jié)果,網(wǎng)絡(luò)丟包率和圖像丟幀率均為0。表4為航天器子網(wǎng)內(nèi)各網(wǎng)絡(luò)終端的測試結(jié)果。可以看出:在演示驗證中,5路約8Mbit/s的高清圖像均能夠正常下傳,同時能在天地間進行高質(zhì)量的話音對話,還可以在天地間建立計算機連接,完成大文件傳輸,因此,本文提出的IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)可用于構(gòu)建天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

圖9 航天器網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)示意Fig.9 Spacecraft gateway testing system

圖10 地面網(wǎng)絡(luò)流量分析結(jié)果Fig.10 Analysis results of network packets received on ground

圖11 地面圖像解碼統(tǒng)計結(jié)果Fig.11 Analysis results of video data received on ground

表4 測試結(jié)果統(tǒng)計Table 4 Testing result list
本文提出一種天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中航天器網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方法,并完成了原理樣機的設(shè)計,實現(xiàn)了航天器網(wǎng)關(guān)與航天器子網(wǎng)間的TCP/IP通信,其中的IP over CCSDS的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)和天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的QoS保證,可用于航天器與地面系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信。IP over CCSDS網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn),使天地間的通信從網(wǎng)絡(luò)層開始采用基本一致的協(xié)議實現(xiàn)一體化的端到端通信,可以充分利用現(xiàn)有的地面通信網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品,使空間任務(wù)的成本大幅度降低。不過,由于往返傳輸延時對TCP性能的影響,本文提出的航天器網(wǎng)關(guān)設(shè)計方法只適用于近地軌道航天器,對于實現(xiàn)深空網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)關(guān)設(shè)計,是下一步的研究方向。
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(編輯:夏光)
Design and Implementation of Spacecraft Gateway in Integrated Space-ground Network
LONG Yin1ZHU Ke1DING Kai1CHEN Song1DENG Songfeng2
(1Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)(2Shanghai Institute of Aerospace Electronic Technology,Shanghai 201109,China)
The construction of an integrated space-ground data transmission system fusing space communication network with terrestrial one is the trend of space communication.To implement the protocol conversion of IP over CCSDS gateway,a method of protocol conversion between IP and AOS on spacecraft gateway to integrate space-ground networking is proposed,and a method of the guaranteed QoS(quality of service)is designed.To develop the gateway,a testing system based on the gateway is established and different kinds of network data are tested such as highdefinition images,high-quality voice,computer data and telemetry.The result shows that the gateway can be used to transmit all kinds of IP packets without loss,and the proposed IP over CCSDS gateway can be used to establish an integrated space-ground network.
integrated space-ground network;spacecraft gateway;IP over CCSDS;QoS
TP302.1
:ADOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2016.01.012
2015-04-02;
:2015-05-05
國家重大科技專項工程
龍吟,男,工程師,從事航天器測控與通信分系統(tǒng)研究工作。Email:ly24381@163.com。