基于NDP協議的IPv6 over AOS空間通信技術研究

馬明毅 馮楠 譚曉川 周偉 李少波 王碧瑤 張曉樂

摘要：針對國內對天地一體化的需求，提出一種基于NDP協議的IPv6 over AOS星間鏈路通信系統，將IPv6數據包封裝在AOS幀中，通過激光在空間中傳輸，融合了地面網絡與空間網絡，滿足了現階段數據傳輸的高速、大容量需求。以FPGA作為網關，實現了網關及其子網之間的地址解析功能以及路由表的動態配置。結合MPLS技術，基于標簽來進行路由決策，相比于原有基于IP路由進行轉發的交換方式降低了組網成本，提升同樣性能設備的轉發效率，具有良好的可擴展性。

關鍵詞：IPv6 over AOS；NDP協議；MPLS協議；地址解析

中圖分類號：TN393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2023）02-62-5

0引言

空天信息網絡技術是當前世界各軍事強國的熱門研究方向，組建天地一體化信息網絡更是各國研究的熱門方向[1]。通過該網絡提供的大范圍、高精度信息在精確打擊、指揮控制等領域發揮著關鍵的作用。我國在航天通信領域采用國際空間數據系統咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）協議架構[2]，AOS協議屬于CCSDS諸多空間通信協議的一種，是一種高級在軌系統，可用于大容量數據處理以及高速通信，以AOS協議為基礎的體制方案在航空航天、衛星通信和深空探測等領域都有重要的應用。我國在AOS體制的使用上有許多成功案例，如神舟飛船、氣象衛星、中繼衛星和遙測科學等[3]，但目前與發達國家相比，AOS體制還存在較大的缺陷，尚未形成完善的空間信息傳輸體制，我國在天地一體化信息網絡建設上還有巨大的發展空間[4]。

AOS協議充分迎合了我國空天網絡一體化的發展需求，在地面網絡通信與深空通信等領域都具有重要的意義。通過AOS協議搭載IPv6報文是實現天地一體化的一種合理選擇，實現了數據的實時、可靠傳輸，并且滿足了不同速率信息處理需求。而鄰居發現協議（Neighbor Discovery Protocol，NDP）作為IPv6的關鍵協議，具有地址解析、地址沖突檢測、鄰居不可達檢測、重定向、路由器發現、前綴發現、地址自動配置、參數發現和下一跳地址確定等功能[5]，解決了不同節點之間地址的自動配置問題，提高了路由選擇的準確性，保證了鏈路的實時可用。

本文在數據鏈路層采用AOS協議，在網絡層采用IPv6協議，改變了數據路由的靜態查表方式，基于NDP實現路由表的動態配置和IP，MAC地址的動態獲取，結合多協議標簽交換（Multi-protocol Label Switching，MPLS）以FPGA作網關實現了IPv6數據包的收發、地址解析和協議轉換等功能技術。

1系統環境與協議體系

系統總體結構及硬件測試實物如圖1所示，每個FPGA具備2路千兆電口、路萬兆光口，千兆電口通過RJ45接口連接至主機，萬兆光口通過光纖連接至萬兆網卡，每塊FPGA可連接4臺設備，PHY芯片通過RGMII接口從主機發送以太網幀至FPGA，每個端口在FPGA內部通過協議棧的方式配置IP地址和MAC地址，轉發信息表（FIB）和標簽轉發信息表（LFIB）通過RS232串口線下發至每一塊FPGA板卡，數據包根據FIB和LFIB決定傳輸路徑。為了模擬空間鏈路數據傳輸，減少信號之間的相互串擾以及外部噪聲的干擾，數據包采用高速串行差分的方式通過TLK2711沿LVDS信號線進行傳輸，板卡共設計8路TLK2711，其中6路為SMA接口，2路為光模塊接口。

本文采用ping包的方式模擬業務發送過程。在主機A發送業務之前，首先需要基于NDP完成地址解析[6]，由主機發送NS報文，FPGA將主機的IP地址和MAC地址存儲下來并回復NA報文，主機將所詢問IPv6地址下的MAC地址存入路由表中，之后主機即可開始發送IPv6數據包。網口發送至FPGA的數據包通過適配模塊，篩選出符合條件的ICMPv6數據包（以太網幀類型為0x86DD，下一頭部為58，端口號為2020）后將其封裝成AOS幀并基于MPLS技術根據標簽在不同節點之間進行轉發。AOS幀按照主機通過RS232下發的FIB表在源節點壓入標簽后，將AOS幀傳送至中間節點，中間節點根據LFIB表經MPLS協議進行標簽交換后，將其發送至目的節點。目的節點查詢FIB表，將標簽替換為16hFFFF（標簽 16hFFFF代表到達目的節點），并發送至端口所連接的設備上。

本文所使用的AOS激光通信幀格式如圖2所示，IPv6數據包包含在鏈路層的數據域內，AOS幀總長為1 024 Byte。為了實現幀同步，在激光通信幀前端加入4 Byte的同步頭，用于定位幀到達的時間，定界數據單元。版本號和航天器標識構成主信道標識（MCID）；虛擬信道標識（VCID）和主信道標識組成全局虛擬信道（GVCID）用于標定每一條虛擬信道[7]。信令字段由回放標志、虛擬信道幀使用標志、保留域和虛擬信道幀計數循環4部分組成，用于標定AOS幀的狀態，0表示實時，1表示回放，可以對AOS幀進行存儲并在鏈路恢復時進行幀的回放。標簽域共6 Byte，其中標簽占2 Byte用于標定數據包轉發路徑。DCN域占16個Byte，用于實現管控數據的封裝、適配和連接，為網絡單元設備提供管理和控制信息的通信功能，便于對網絡單元進行管理與維護。OAM域用于實現運行、管理和維護等相關功能，包括OAM開銷信息的提取與插入、OAM幀的生成與控制、故障和性能檢測以及告警上報等功能。

2 NDP實現路由表動態配置

NDP相比于ARP在許多方面都有了很大的改善。如NDP IPv6組播技術避免了網絡擁塞[8]，減少了所占用的帶寬，從而極大地提高了地址解析效率；NDP工作在網絡層與介質無關，因此可以在不同的網絡媒介上運行；避免了信息被其他節點竊聽，安全性得到了提升等。

NDP的地址解析過程如圖3所示，主機A在發送之前，需獲得主機B的鏈路層地址，為實現路由表的動態配置，可以通過NDP的地址解析功能動態獲取設備的鏈路層地址。類似于ARP[9]，首先主機A向所連接設備（以主機B為例）發送一個NS報文，報文以主機A的IPv6地址作為源地址，主機B的被請求節點組播地址作為目的地址，用以解析出主機B的IPv6地址所對應的MAC地址。當主機B接收到了NS報文之后，就會回應NA報文，NA報文的源地址為主機B的IPv6地址，目的地址為主機A的IPv6地址，不同于NS報文的組播，NA報文為單播，即完成了一個解析過程。

主機向FPGA發送IPv6數據包時，由于路由表中并沒有目的IP對應的MAC地址，所以首先會發送NS報文，詢問目的IP對應的MAC地址，由FPGA端回復端口的MAC地址后，主機開始發送數據包。另外，FPGA會定時發送NDP檢測端口所連設備是否正常連接。基于FPGA的NDP地址解析過程如圖4所示，假定主機A的IPv6地址為FE80：0：0：30：：，MAC地址為C4-00-AD-74-96-C5，主機B的IPv6地址為FE80：0：0：10：：，MAC地址為C4-00-AD-90-9F-76，主機A所連接FPGA1端口IPv6地址和M AC地址分別為FE80：0：0：01：：和00-00-AD-90-9F-01，主機B所連接FPGA2端口IPv6地址和MAC地址分別為FE80：0：0：02：：和00-00-AD-90-9F-02。首先主機A和主機B分別向FPGA1和FPGA2發送NS報文，當FPGA收到NS報文后，分別向主機A和主機B反饋NA報文，但在MAC地址字段填寫FPGA1的端口號。相當于主機A和主機B在詢問目的IP FE80：0：0：10：：和FE80：0：0：30：：所對應的M AC地址，由FPGA1和FPGA2分別回復端口的MAC地址。

主機A和主機B通過NDP存儲的路由信息如圖4所示。可以看出，通過NDP的地址解析功能，主機A和主機B的路由表中存儲了目標IP地址以及其所連接FPGA端口的MAC地址，主機在獲得路由信息后，即可開始發送IPv6數據包。

3基于MPLS的數據包分組轉發

多協議標簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）即給每一個IP數據報打上固定長度的標記，然后通過硬件在鏈路層進行IP數據報轉發。該技術具備流量控制、負載均衡、路徑備份和故障恢復等優勢，改變了傳統IP網絡可能出現的鏈路堵塞問題，通過靈活控制數據報的傳輸路徑，實現了資源的合理分配，從而大大加快了數據報的轉發速率。另外，可以配置2條或多條標簽交換通道（LSP），選擇其中幾條作為備份，從而實現了業務流的合理分配，保證了業務的連續性[10]。

MPLS網絡由標記交換路由器（Label Switching Router，LSR）和標記邊緣路由器（Label Edge Router，LER）組成，如圖5所示。LER位于邊緣部分，負責標簽的加入與去除LSR位于MPLS網絡的核心部分，負責標簽交換[11]。各LSR基于標記分配協議LDP傳輸數據包，并找出和特定標記相對應的路徑，即標記交換路徑LSP。當一個IP數據報進入MPLS域時，在入口結點（LER）壓入標簽，并按照轉發表把它轉發給下一個LSR，以后所有LSR都按照標簽進行轉發[12]。

MPLS協議包括LDP，LIB，FIB。LDP作為MPLS的核心技術，通過信令機制實現標簽分配與轉發，FIB負責普通的IP報文的轉發，而LFIB負責轉發帶MPLS標簽報文的轉發。本文以IPv6地址作為轉發等價類（Forwarding Equivalence Class，FEC），根據FIB和LFIB建立標簽交換路徑（Label Switching Path，LSP）采用雙向對ping包的方式模擬數據轉發，研究數據處理過程。

在通過NDP協議完成地址解析后，主機開始發送IPv6數據包并封裝成AOS幀并在AOS幀的標簽域插入標簽，對應FIB表和LFIB表，當收到普通IP的報文時查找FIB表，添加標簽，進行MPLS轉發。當收到帶有標簽的報文時，查找LFIB表，如果對應的出標簽是普通標簽，則進行MPLS轉發，如果對應的出標簽是特殊標簽（本文規定此標簽為16hFFFF），則表明數據要發送至以太網口，將報文中的標簽去掉，進行AOS幀解封裝和IP轉發，數據傳輸流程如圖6所示。

實驗所用FIB表和LFIB表如圖7所示，其中FIB表分別下發至邊界點LER，LFIB表下發至中間節點LSR。FIB表中規定了IP地址對應數據包應壓入的標簽以及傳輸路徑，LFIB表規定了入標簽、被替換的出標簽以及轉發路徑。

測試過程中，業務到達中間節點時標簽的替換情況如圖8所示，實驗采用第1路和第5路2711傳送雙向對ping的數據，可以看出數據包從主機A（IP地址為FE80：0：0：30：：）經第一路2711到達中間節點時，標簽為16h0001，經查詢LFIB表，標簽在通過中間節點后被替換16hFFFF，并通過第4路2711發往目的節點。同理，主機B（IP地址為FE80：0：0： 10：：）在中間節點也完成了標簽替換。經1h的測試，實驗結果如圖8所示。

當每塊FPGA同時連接4臺設備時，測試結果如圖9所示，數據包傳輸過程中基本無丟包現象產生。經iperf測試，通信速率可達500 Mb/s。

4結束語

本文以空天網絡一體化為背景，給出了一種基于FPGA的IPv6 over AOS星間鏈路激光通信系統，并對系統所用的AOS幀結構進行了設計，研究了IPv6協議、IPv6組播技術、鄰居發現協議以及CCSDS空間通信標準和IP over AOS協議的轉換機制，基于MPLS技術改變了通過IP地址轉發的方式，轉而采用標簽交換進行數據轉發，根據FIB和LFIB查詢標簽對應的轉發路徑，實現了數據包在板間的快速傳輸，提高了網絡性能。搭建了系統實驗環境，對空間鏈路的傳輸進行了模擬，以FPGA作為網關，實現了網關和其所連設備之間的地址解析以及路由表的動態配置。測試了IP over AOS系統的協議轉換功能，通過檢測丟包率及通信速率對系統的性能進行了驗證。

參考文獻

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