劉寶芬

摘 要 空間網(wǎng)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(wǎng)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(jié)構(gòu)，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，描述了所建立的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 網(wǎng)絡 衛(wèi)星通信 TDRSS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

空間網(wǎng)絡SN（Space Network）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(gòu)成的計算機網(wǎng)絡，其軍用和商用價值顯著。

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

1 空間網(wǎng)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（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(wǎng)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(wǎng)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(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(wǎng)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（通常為MOC）然后再分發(fā)。通過MOC中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡主機之間實現(xiàn)應用級互通，而且可利用大量成熟的商業(yè)標準和工具，可減少系統(tǒng)開發(fā)、集成和測試成本，提供靈活的可擴展性。

2 空間IP網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

若要實現(xiàn)SNIS，使得它的IP服務能夠提供與其他空間網(wǎng)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)。第二類面向SNIS-POP調(diào)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(diào)度其服務、監(jiān)視其運行狀態(tài)。SNIS本質(zhì)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。

3 空間IP服務

由于SNIS合并了驅(qū)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(wǎng)連接到SNIS網(wǎng)絡上，就能實現(xiàn)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(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（virtual private network 虛擬局域網(wǎng)）、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(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(jīng)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

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(jīng)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(jié)合，能夠使航天器在網(wǎng)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(cè)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(wǎng)絡，他們之間的通信類似于任何網(wǎng)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。

4 結(jié)論

SNIS技術的發(fā)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(wǎng)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。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。