基于IPv6和空間包協(xié)議的空間路由策略設(shè)計與分析

齊征 安秀枝 何熊文 詹盼盼

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094) (2 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

隨著用戶需求的日益增加和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，我國提出了構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的決策，國內(nèi)包括科研院所、企業(yè)、學(xué)校等在內(nèi)的諸多研究單位，都已經(jīng)在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)領(lǐng)域獲得了一定的研究成果。衛(wèi)星組網(wǎng)和互聯(lián)互操作屬于其中一個重點研究領(lǐng)域[1]。

目前，我國部分衛(wèi)星已經(jīng)應(yīng)用了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)的標(biāo)準(zhǔn)，并基于傳遞層的空間包協(xié)議實現(xiàn)了星載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，即星內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)[2]。空間包協(xié)議完成衛(wèi)星內(nèi)部數(shù)據(jù)的路由所依據(jù)的應(yīng)用過程標(biāo)志(APID)信息，其長度僅有11 bit，無法攜帶更多信息用于識別不同的衛(wèi)星信息，導(dǎo)致衛(wèi)星只能成為一個自治域，無法與其他衛(wèi)星組網(wǎng)互聯(lián)[3]。IPv6因其地址和報文格式的新特性，將逐步成為主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其成熟性和穩(wěn)定性已經(jīng)在地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中得到驗證，能夠滿足局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中IPv6設(shè)備的組網(wǎng)需求。為了充分利用成熟的組網(wǎng)技術(shù)，統(tǒng)一組網(wǎng)協(xié)議，提高設(shè)備的通用性和靈活性，降低研制成本，IPv6即使存在實現(xiàn)復(fù)雜度高、耗用資源多等限制因素，還是成為實現(xiàn)衛(wèi)星之間的動態(tài)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)路由的必然選擇[4-5]。

目前，國內(nèi)外基于IPv6和空間包協(xié)議實現(xiàn)星內(nèi)星間一體化組網(wǎng)與互聯(lián)互操作的相關(guān)研究成果，還未有相關(guān)報道。本文針對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求，研究基于現(xiàn)有IPv6和空間包協(xié)議實現(xiàn)星內(nèi)星間一體化組網(wǎng)與互聯(lián)互操作，并提出了合理可行的空間路由策略。

1 策略設(shè)計

空間包協(xié)議已經(jīng)成功應(yīng)用于星內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)路由，同時IPv6又擁有跨網(wǎng)段組網(wǎng)路由的優(yōu)勢，因此可以考慮將2種協(xié)議通過某種方式進(jìn)行融合，從而在真正意義上實現(xiàn)星內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與星間網(wǎng)絡(luò)的一體化組網(wǎng)與互聯(lián)互通。本文設(shè)計的空間路由策略，借鑒地面互聯(lián)網(wǎng)中IPv4與IPv6的隧道機(jī)制，將空間包作為IPv6的負(fù)載進(jìn)行跨星傳送。這一策略的實施，需要按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化要求對協(xié)議進(jìn)行格式化定制，還要2種協(xié)議之間具備一定的映射規(guī)則，并最終在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上實現(xiàn)。

1.1 IPv6協(xié)議定制

IPv6協(xié)議的組網(wǎng)應(yīng)用，重點在于其地址格式，而本文對IPv6協(xié)議的定制也體現(xiàn)在IPv6的地址格式[6]，格式定制如圖1所示，圖中所示的各字段意義見表1。該IPv6地址格式，可以定位任何一顆衛(wèi)星及其內(nèi)部各子網(wǎng)內(nèi)的任何一個IPv6設(shè)備，且當(dāng)前格式僅利用標(biāo)準(zhǔn)IPv6地址高8 byte的部分字段，與標(biāo)準(zhǔn)IPv6地址格式不沖突，可以兼容。

1.2 協(xié)議信息映射表

IPv6與空間包協(xié)議的融合和轉(zhuǎn)換，重點在于2種報文格式映射關(guān)系的建立，示例見表2，將APID與IPv6地址進(jìn)行一一映射。

表2 協(xié)議信息表Table 2 Protocol information map

1.3 協(xié)議體系設(shè)計與配置

通過上述分析可知，衛(wèi)星內(nèi)部的空間包如果要跨星傳輸，則需要空間包向IPv6作負(fù)載填充，由后者完成星間的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)路由。2種協(xié)議的實現(xiàn)和部署，需要由對應(yīng)的星載或地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備完成。基于該策略的設(shè)計思想，同時參考CCSDS空間通信協(xié)議體系[7-9]、航天器接口業(yè)務(wù)(SOIS)通信協(xié)議體系[10]、地面因特網(wǎng)協(xié)議體系，以及智能化航天器綜合電子系統(tǒng)體系架構(gòu)[11-12]，得到如圖2所示的協(xié)議體系示意。

本文主要關(guān)注圖2中虛線以上部分，即IPv6、UDP及空間包協(xié)議；虛線以下部分涉及到具體的實現(xiàn)方式，屬于底層鏈路層協(xié)議，本文不作重點關(guān)注。由圖2協(xié)議體系可知，空間包協(xié)議既可作為空間通信協(xié)議的業(yè)務(wù)負(fù)載，用于星間通信(圖2中①?③和②?③通路所示)；也可直接作為SOIS傳遞層的路由協(xié)議，用于星內(nèi)通信(圖中①通路所示)。其中，①→③通路所示的協(xié)議操作為本文研究的重點。當(dāng)星內(nèi)空間包需要星間通信時，星內(nèi)數(shù)據(jù)向星間傳輸?shù)奶幚砹鞒虨椋菏紫龋臻g包協(xié)議解析空間包的目的APID；然后，查詢協(xié)議信息表，獲取與目的APID對應(yīng)的設(shè)備IPv6地址，將空間包和目的IPv6地址傳遞給IPv6協(xié)議；最后，IPv6協(xié)議按照目的IPv6地址和自身IPv6地址封裝IPv6報文，再進(jìn)一步通過③所示的空間通信協(xié)議體系構(gòu)建鏈路層幀并跨星通信。

注：①表示SOIS協(xié)議體系，②表示地面因特網(wǎng)協(xié)議體系，③表示CCSDS空間通信協(xié)議體系。IPoC為IP over CCSDS， TTE為時間觸發(fā)以太網(wǎng)，AOS為高級在軌系統(tǒng)。

圖2 協(xié)議體系示意

Fig.2 Schematic diagram of protocol system

2 實例驗證與分析

2.1 演示驗證系統(tǒng)

本文提出的基于IPv6和空間包協(xié)議的空間路由策略，可由真實星載設(shè)備和模擬設(shè)備搭建的驗證系統(tǒng)，基于典型應(yīng)用實例進(jìn)行驗證。星地星間組網(wǎng)拓?fù)浼靶莾?nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽馊鐖D3所示。圖3中，地面站通過星地鏈路與衛(wèi)星互聯(lián)，不同星座系統(tǒng)的衛(wèi)星間通過星間鏈路互聯(lián)，星地星間按照CCSDS空間通信協(xié)議體系進(jìn)行通信。星載路由器作為衛(wèi)星的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，按照上述協(xié)議體系部署協(xié)議軟件，與其他星載設(shè)備通過SOIS協(xié)議體系和因特網(wǎng)協(xié)議體系進(jìn)行通信。其中，星載路由器每個接口都對應(yīng)一個鏈路子網(wǎng)，不同子網(wǎng)內(nèi)可以部署不同的傳輸總線，并根據(jù)總線類型搭建子網(wǎng)拓?fù)洌偩€上的直連設(shè)備都屬于同一子網(wǎng)。例如：設(shè)備1和設(shè)備2屬于1號子網(wǎng)，IPv6地址的星內(nèi)子網(wǎng)標(biāo)志為1；設(shè)備3和設(shè)備4屬于2號子網(wǎng)，IPv6地址子網(wǎng)標(biāo)志為2；3～4號接口通過激光鏈路與其他衛(wèi)星組網(wǎng)互聯(lián)。

圖3 典型拓?fù)涫疽釬ig.3 Schematic diagram of typical topology

依據(jù)圖3中所示的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用星載設(shè)備和模擬設(shè)備搭建演示驗證系統(tǒng)，如圖4所示。圖4中，星地?zé)o線通信鏈路由地面以太網(wǎng)模擬，星間無線通信鏈路由激光終端模擬，星內(nèi)通信鏈路由TTE搭建。各設(shè)備的協(xié)議配置和模擬對象如表3所示，其中所有設(shè)備都具備唯一的APID，以此保證表2所示協(xié)議信息表的一一映射關(guān)系。此外，星載路由器設(shè)計為轉(zhuǎn)發(fā)卡、CPU卡和TTE卡3個模塊。轉(zhuǎn)發(fā)卡執(zhí)行AOS鏈路幀的路由轉(zhuǎn)發(fā)，CPU卡執(zhí)行協(xié)議的軟件操作，TTE卡通過以太網(wǎng)與星內(nèi)其他TTE設(shè)備通信。

圖4 演示驗證系統(tǒng)拓?fù)銯ig.4 Topology of demonstration and verification system表3 演示驗證系統(tǒng)信息Table 3 Demonstration and verification system information

設(shè)備名稱部署協(xié)議體系模擬對象 主控計算機(jī) SOIS通信協(xié)議、CCSDS空間通信協(xié)議地面站組網(wǎng)衛(wèi)星模擬計算機(jī)1 CCSDS空間通信協(xié)議整星組網(wǎng)衛(wèi)星模擬計算機(jī)2 CCSDS空間通信協(xié)議整星 星載路由器 CCSDS空間通信協(xié)議、SOIS通信協(xié)議、傳輸控制協(xié)議(TCP)/IP協(xié)議星載網(wǎng)關(guān)設(shè)備 TTE交換機(jī) 無星載交換機(jī) 成像模擬計算機(jī) SOIS通信協(xié)議、TCP/IP協(xié)議星載信息處理機(jī)

2.2 驗證結(jié)果及分析

以上述演示驗證系統(tǒng)環(huán)境為基礎(chǔ)，設(shè)計主控計算機(jī)向成像模擬計算機(jī)上注成像遙控指令的實例。該實例涉及到星地、星間、星內(nèi)一體化組網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)流，如圖5所示，數(shù)據(jù)流流轉(zhuǎn)過程如下。

(1)主控計算機(jī)首先通過SOIS協(xié)議封裝空間包，由空間包協(xié)議路由得到下一跳鏈路，按照包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(PUS)業(yè)務(wù)→空間包→UDP→IPv6→IPoC→封裝業(yè)務(wù)→AOS”的CCSDS空間通信協(xié)議流程封裝AOS幀(目的IPv6地址為星載路由器CPU的IPv6地址，目的APID為成像模擬計算機(jī))，后經(jīng)地面以太網(wǎng)(介質(zhì)訪問控制(MAC)幀封裝AOS幀)上傳至組網(wǎng)衛(wèi)星模擬計算機(jī)2。

(2)組網(wǎng)衛(wèi)星模擬計算機(jī)2按照CCSDS空間通信協(xié)議解析得到IPv6報文，依據(jù)地址掩碼長度和衛(wèi)星標(biāo)志查詢路由表轉(zhuǎn)發(fā)IPv6報文至組網(wǎng)衛(wèi)星模擬計算機(jī)1。

(3)組網(wǎng)衛(wèi)星模擬計算機(jī)1同樣查詢路由表轉(zhuǎn)發(fā)IPv6報文至目標(biāo)衛(wèi)星的星載路由器。

(4)首先，目標(biāo)衛(wèi)星的星載路由器路由轉(zhuǎn)發(fā)卡依據(jù)目的IPv6地址中的衛(wèi)星標(biāo)志和星內(nèi)子網(wǎng)標(biāo)志，轉(zhuǎn)發(fā)至CPU；然后，由CPU解析IPv6報文得到空間包，依據(jù)空間包協(xié)議和目的APID得到下一跳節(jié)點的鏈路地址；最后，CPU按照TCP/IP協(xié)議封裝以太網(wǎng)幀，經(jīng)過TTE卡和TTE交換機(jī)傳送至成像模擬計算機(jī)。

(5)成像模擬計算機(jī)解析得到的空間包，驗證目的APID為自身標(biāo)志，解析遙控指令并執(zhí)行指令。

注：Eth為以太網(wǎng)。 圖5 實例數(shù)據(jù)流Fig.5 Dataflow diagram of example

本文的空間路由策略重點關(guān)注協(xié)議和功能的實現(xiàn)與驗證，由于當(dāng)前物理環(huán)境的資源限制和軟硬件實現(xiàn)存在一定難度程度，且試驗環(huán)境還不支持性能測試，因此目前無法通過直觀的試驗結(jié)果進(jìn)行定量展示，案例僅從定性角度進(jìn)行了驗證和分析。此外，本文提出的策略還有以下不足：若不同衛(wèi)星內(nèi)的設(shè)備或主機(jī)具備相同的APID，則協(xié)議信息表無法保證APID與IPv6地址的一一映射，空間包還需要攜帶具備星間唯一性的標(biāo)志，才能實現(xiàn)局部信息向全局信息的靈活轉(zhuǎn)換。

2.3 后續(xù)研究內(nèi)容

鑒于本文策略存在的上述不足，后續(xù)還要開展以下研究工作。

1)空間包格式定制

為了提升目的信息尋址的靈活性，考慮定制空間包格式，將部分信息攜帶在空間包中。由于遙控遙測副導(dǎo)頭中的數(shù)據(jù)源標(biāo)志與數(shù)據(jù)宿標(biāo)志均為可選且長度可變，目前僅使用了11 bit表征源APID和目的APID，這2個字段攜帶的信息不具備全局意義。為此，副導(dǎo)頭定制格式如圖6所示，副導(dǎo)頭數(shù)據(jù)標(biāo)志中添加了源航天器標(biāo)志(SCID)和目的SCID，該標(biāo)志能夠識別任意一個航天器，具備空間網(wǎng)絡(luò)全局通信意義，且該2字段均為2 byte，足以滿足未來衛(wèi)星的數(shù)量擴(kuò)展需求。此外，航天器標(biāo)志與圖1所示IPv6地址的“衛(wèi)星標(biāo)志”字段長度一致，保障信息轉(zhuǎn)換正確性。標(biāo)志意義如表4所示。

注：Ack為確認(rèn)字符。 圖6 副導(dǎo)頭格式定制Fig.6 Secondary header format customization

表4 實例中報文字段意義Table 4 Packet field meaning in example

2)協(xié)議信息表完善

表2所示的協(xié)議信息表，只能在APID具備星間唯一性且信息量少的前提下使用，這與星載設(shè)備的實際部署是不相符的。因此，為了降低該表對存儲空間的占用量和滿足APID僅具備星內(nèi)唯一性的要求，應(yīng)對表2內(nèi)容進(jìn)一步完善，完善后如表5所示。表5中，網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)志表征IPv6地址類型，衛(wèi)星標(biāo)志表征衛(wèi)星的標(biāo)志信息，星內(nèi)子網(wǎng)標(biāo)志表征衛(wèi)星內(nèi)部網(wǎng)關(guān)設(shè)備接口所連接的子網(wǎng)編號，APID表征衛(wèi)星內(nèi)部具體的設(shè)備或主機(jī)標(biāo)志。

通過定制空間包格式和完善協(xié)議信息表，能擴(kuò)展APID和IPv6地址信息的映射關(guān)系，提升協(xié)議信息轉(zhuǎn)換的靈活性。即使APID只具備局部意義，依據(jù)本文提出的策略也依然能高效的解決星內(nèi)星間一體化組網(wǎng)通信的問題。

表5 實例中協(xié)議信息表Table 5 Protocol information map in example

以上述優(yōu)化措施為基礎(chǔ)，圖2中①→③通路所示的星內(nèi)空間包向IPv6轉(zhuǎn)換的流程如下：首先，空間包協(xié)議解析空間包攜帶的目的APID和目的SCID；然后，查詢協(xié)議信息表，獲取與目的APID和目的SCID對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址類型、星內(nèi)子網(wǎng)標(biāo)志，并將目的APID、目的SCID、星內(nèi)子網(wǎng)標(biāo)志和網(wǎng)絡(luò)地址類型4個參數(shù)傳遞給IPv6協(xié)議；最后，IPv6協(xié)議按照目的IPv6地址和自身IPv6地址封裝IPv6報文后，進(jìn)一步通過空間通信協(xié)議組鏈路層幀并跨星通信。

3 結(jié)束語

在構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的背景下，本文在分析了衛(wèi)星組網(wǎng)需求及IPv6和空間包協(xié)議的特點和應(yīng)用情況基礎(chǔ)上，通過IPv6格式化定制和建立協(xié)議信息表，設(shè)計了能夠滿足星內(nèi)星間一體化組網(wǎng)需求的路由策略，并在地面演示驗證系統(tǒng)中通過典型的路由應(yīng)用實例驗證了策略的可行性。后續(xù)將對目前存在的不足進(jìn)行修改和完善，并繼續(xù)在地面演示驗證系統(tǒng)中進(jìn)行實現(xiàn)和可行性驗證，以進(jìn)一步提高該策略的合理性、靈活性、通用性和可靠性，為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。