閆朝星，付林罡，諶 明，朱至天

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

天地信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)合衛(wèi)星系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)資源的充分共享和高效利用。以衛(wèi)星等空間飛行器為節(jié)點(diǎn)組成的天基空間通信網(wǎng)相對(duì)于地面網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、不受環(huán)境影響、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過多年發(fā)展，我國已形成了地基測(cè)控網(wǎng)、天基測(cè)控通信網(wǎng)以及深空測(cè)控通信網(wǎng)完善的航天測(cè)控網(wǎng)體系，未來發(fā)展將優(yōu)化地基、天基和深空測(cè)控通信網(wǎng)，進(jìn)一步構(gòu)建天地一體化測(cè)控通信網(wǎng)[1]?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)具有長時(shí)延、高誤碼、間斷性的特點(diǎn)，地面TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議直接應(yīng)用在空間信息網(wǎng)將降低傳輸效率。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）在常規(guī)在軌系統(tǒng)（COS）的基礎(chǔ)上發(fā)展制定了高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）建議，從20世紀(jì)90年代末開始相繼制定了空間通信協(xié)議規(guī)范（SCPS）系列規(guī)范與下一代空間互聯(lián)網(wǎng)（NGSI），形成CCSDS承載IP、IPoC（IP over CCSDS）建議書與太陽系互聯(lián)網(wǎng)（SSI）體系結(jié)構(gòu)報(bào)告，并開展延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）標(biāo)準(zhǔn)研究[2]。在空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程中，協(xié)議體系主要發(fā)展方向有：SCPS協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、CCSDS結(jié)合TCP/IP協(xié)議以及DTN協(xié)議體系。從網(wǎng)絡(luò)層角度看，可以認(rèn)為目前只有IP和DTN兩種協(xié)議體系[3]。在CCSDS協(xié)議技術(shù)研究領(lǐng)域，尚未有技術(shù)綜述文獻(xiàn)。本文針對(duì)天地網(wǎng)絡(luò)融合中CCSDS協(xié)議的IPoC技術(shù)進(jìn)行綜述，通過分析國內(nèi)外研究進(jìn)展，探索天地信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方向。

1 國內(nèi)外發(fā)展應(yīng)用

美國NASA噴氣實(shí)驗(yàn)室（JPL）將標(biāo)準(zhǔn)SCPS協(xié)議應(yīng)用到一系列航天任務(wù)中，給出了SCPS網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)部署方案：在端到端系統(tǒng)、在衛(wèi)星/無線通信環(huán)境、在互聯(lián)網(wǎng)和SCPS網(wǎng)絡(luò)之間等三種方案[4]?；赟CPS傳輸協(xié)議商用軟件SkipWare的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[5]采用了Comtech EF Data公司TurboIP硬件平臺(tái)，開發(fā)了TCP/IP性能增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)，其性能增強(qiáng)典型值與傳統(tǒng)TCP相比高達(dá)250:1。美國宇航局促使航天器和地面最終用戶之間實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P連接，國際空間站采用CCSDS建議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了天地一體化的通信信息傳輸。在軍用航天領(lǐng)域，如美國國家導(dǎo)彈防御計(jì)劃的天基紅外系統(tǒng)航天器也加速發(fā)展應(yīng)用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)。作為先進(jìn)、成熟的數(shù)據(jù)系統(tǒng)體制，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)已成為航空航天領(lǐng)域的默認(rèn)國際標(biāo)準(zhǔn)，在軍民用航天器一體化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，CCSDS協(xié)議簇應(yīng)用勢(shì)頭迅猛增長。CCSDS于2014年還發(fā)布了太陽系互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)報(bào)告，DTN是實(shí)現(xiàn)太陽系互聯(lián)網(wǎng)中各區(qū)域網(wǎng)之間互聯(lián)的核心。NASA己進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來測(cè)試DTN，并在英國災(zāi)難監(jiān)測(cè)衛(wèi)星、國際空間站上進(jìn)行測(cè)試[6]。

我國目前廣泛執(zhí)行遙測(cè)IRIG標(biāo)準(zhǔn)以固定幀格式面向單個(gè)數(shù)據(jù)靜態(tài)管理，而CCSDS標(biāo)準(zhǔn)AOS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式面向用戶數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理，如CCSDS包和虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU），針對(duì)不同需求的用戶，可同時(shí)通過虛擬信道管理方法對(duì)信道資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配[7]。我國航天測(cè)控通信經(jīng)過最初的獨(dú)立載波系統(tǒng)遙測(cè)遙控，已發(fā)展為單載波的統(tǒng)一S頻段測(cè)控通信系統(tǒng)，多數(shù)航天測(cè)控任務(wù)中采用點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的天地信息傳輸，使用簡化的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC協(xié)議。測(cè)控?cái)?shù)據(jù)多采用PCM格式波形傳輸，高速有效載荷部分采用了CCSDS建議波形傳輸[8]，兩者采用不同的物理信道傳輸。近些年來，空間技術(shù)研究院開展了“空間站信息與數(shù)據(jù)系統(tǒng)概念研究”、中國科學(xué)院開展了“天際綜合信息網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究”[9]。我國航天局在2008年成為CCSDS組織第11個(gè)正式成員。

目前，我國地面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部與空間網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在體系結(jié)構(gòu)上仍然相互獨(dú)立。在地面測(cè)控網(wǎng)和天地?zé)o線信道等方面部分采用了CCSDS建議書，“實(shí)踐”五號(hào)衛(wèi)星、“神舟二號(hào)”飛船、“嫦娥一號(hào)”月球探測(cè)衛(wèi)星、“風(fēng)云三號(hào)”氣象衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星采用了CCSDS建議標(biāo)準(zhǔn)。在北斗全球系統(tǒng)通信網(wǎng)中，衛(wèi)星內(nèi)各載荷之間按TCP/IP有線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)互連；星間與星地按CCSDS無線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)互連；在衛(wèi)星內(nèi)部通過CCSDS協(xié)議實(shí)現(xiàn)空間無線網(wǎng)與衛(wèi)星有線局域網(wǎng)之間互連[10]；地面主控站、注入站與監(jiān)測(cè)站具備滿足CCSDS協(xié)議規(guī)范的無線接入能力。

中國電子科技集團(tuán)公司設(shè)計(jì)了機(jī)載IPoC與地面網(wǎng)關(guān)，返向鏈路帶寬31.2Mb/s[13]。文獻(xiàn)[14]開展了基于同步骨干衛(wèi)星的天地互聯(lián)模式靜態(tài)IP網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)，TCP傳輸速率約120Mbps，UDP傳輸總速率約130Mbps。北京遙測(cè)技術(shù)研究所設(shè)計(jì)CCSDS數(shù)據(jù)地面接收系統(tǒng)軟件[11]解決了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和虛擬信道及用戶管理問題，設(shè)計(jì)了符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)下行傳送幀數(shù)據(jù)的衛(wèi)星模擬器[12]，并研制了星地高速協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)備，數(shù)據(jù)處理速率設(shè)計(jì)達(dá)900 Mb/s，時(shí)延Td＜0.1ms，支撐星間鏈路在軌試驗(yàn)進(jìn)行即時(shí)通信、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、FTP傳輸與WiFi接入等應(yīng)用。

在星載數(shù)據(jù)系統(tǒng)接口方面，航天科技集團(tuán)北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部跟蹤和研究了CCSDS航天器接口業(yè)務(wù)（SOIS）。中國科學(xué)院在載人飛船有效載荷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了AOS標(biāo)準(zhǔn)和1553B總線技術(shù)[15]。國內(nèi)多所高校進(jìn)行了仿真研究：文獻(xiàn)[16]通過AOS協(xié)議信道復(fù)用方法的OPENT仿真建模分析動(dòng)態(tài)自適應(yīng)信道算法；文獻(xiàn)[17]通過對(duì)遙測(cè)和遙控協(xié)議進(jìn)行建模仿真尋找對(duì)協(xié)議干擾的方法；文獻(xiàn)[18]使用OPNET和STK仿真平臺(tái)比較分析不同系統(tǒng)誤碼率、航天器軌道高度及不同信道傳輸速率等條件下的TCP和SCPS-TP協(xié)議的性能；文獻(xiàn)[19]研究基于CCSDS的空間網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證模型；文獻(xiàn)[20]開發(fā)萬兆網(wǎng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器；文獻(xiàn)[21]研究基于CCSDS協(xié)議框架星間鏈路的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)議體系和接入模型。

2 空間通信CCSDS系統(tǒng)

2.1 CCSDS協(xié)議架構(gòu)

CCSDS制定的AOS協(xié)議應(yīng)用于高級(jí)空間運(yùn)輸系統(tǒng)、自由飛行器、載人空間站及無人空間平臺(tái)等航天器間雙向鏈路或返向鏈路。AOS正式建議書包含的SCPS空間通信協(xié)議規(guī)范主要有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議NP（Network Protocol）、SP安全協(xié)議（Security Protocol）、TP傳輸協(xié)議（Transport Protocol）、文件協(xié)議FP（File Protocol）和文件傳輸協(xié)議CFDP（CCDS File Delivery Protocol）等[22]。如圖1所示，對(duì)應(yīng)于TCP/IP體系OSI模型，SCPS協(xié)議棧主要包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的協(xié)議：

①物理層，包括兩部分：無線射頻和調(diào)制系統(tǒng)、緊鄰空間（Prox-1）跨層協(xié)議。

② 數(shù)據(jù)鏈路層，包括四種鏈路協(xié)議：Prox-1協(xié)議、遙測(cè)TM協(xié)議、遙控TC和AOS協(xié)議。

③網(wǎng)絡(luò)層，包括空間分組協(xié)議（SPP）和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SCPS-NP。

④ 傳輸層，傳輸協(xié)議SCPS-TP提供端到端傳輸服務(wù)；安全協(xié)議SCPS-SP提供身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整檢查和接入控制等安全服務(wù)。

⑤ 應(yīng)用層，提供端到端的SCPS-FP、CFDP、無損數(shù)據(jù)壓縮、圖像數(shù)據(jù)壓縮或者其它應(yīng)用服務(wù)。

IPoC建議書（CCSDS 702.1-B-1）[23]為航空器和地面系統(tǒng)中通過CCSDS承載IP數(shù)據(jù)建立了實(shí)踐規(guī)范。數(shù)據(jù)鏈路層可以分為：對(duì)應(yīng)TM空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層；對(duì)應(yīng)TM同步與信道編碼協(xié)議的同步與信道編碼子層。大多數(shù)基于CCSDS建議的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用以RS+卷積碼的級(jí)聯(lián)信道編碼方式，或采用LDPC碼[24]。CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（SDLP）可以傳輸IPv4數(shù)據(jù)包、空間包和SCPS-NP數(shù)據(jù)包等形式的數(shù)據(jù)包，也可對(duì)IPv6等其他類型數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝后傳輸[9]。

圖1 SCPS和TCP/IP對(duì)應(yīng)OSI模型中協(xié)議棧關(guān)系Fig.1 Protocols of SCPS and TCP/IP in OSI architecture

2.2 AOS空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)

AOS空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)從功能上可以向下兼容CCSDS TM空間數(shù)據(jù)鏈路建議，并可根據(jù)需求支持傳輸更多的業(yè)務(wù)種類[25]。CCSDS主網(wǎng)（CPN）是AOS系統(tǒng)核心部分，包含星載網(wǎng)絡(luò)、空間鏈路子網(wǎng)（SLS）和地面網(wǎng)絡(luò)，通過星地信道和星間信道支持網(wǎng)絡(luò)層的路徑業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元和網(wǎng)間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行雙向傳輸。AOS系統(tǒng)協(xié)議包括端到端業(yè)務(wù)和空間鏈路子網(wǎng)業(yè)務(wù)兩類不同業(yè)務(wù)類型，對(duì)應(yīng)提供了八種不同的服務(wù)：端到端業(yè)務(wù)包含路徑和網(wǎng)間業(yè)務(wù)兩種服務(wù)；CCSDS對(duì)僅需通過空間鏈路的點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)傳提供了如圖2所示的六種點(diǎn)到點(diǎn)業(yè)務(wù)[4]：封裝服務(wù)、復(fù)用服務(wù)、位流服務(wù)、虛擬信道訪問（VCA）服務(wù)、虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU）服務(wù)、插入服務(wù)。

圖2 AOS協(xié)議業(yè)務(wù)類型Fig.2 Service of AOS protocols

其中，封裝服務(wù)封裝統(tǒng)一格式CCSDS包并復(fù)用到虛擬信道；復(fù)用服務(wù)把同一個(gè)虛擬信道上的數(shù)據(jù)包合路到多路復(fù)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（M_PDU）；位流服務(wù)把比特流數(shù)據(jù)放置在位流業(yè)務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（B_PDU）；VCA將虛擬信道訪問業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（VC_SDU）放于虛擬信道訪問協(xié)議數(shù)據(jù)單元（VC_PDU）；VCDU服務(wù)和VCA服務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)單元通過多路復(fù)用在物理信道進(jìn)行傳輸；插入服務(wù)在虛擬信道的插入?yún)^(qū)內(nèi)等間隔地插入固定長度的高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。VCDU業(yè)務(wù)和插入業(yè)務(wù)不在同一個(gè)物理信道上同時(shí)使用。

此外，與AOS協(xié)議單向傳輸、無確認(rèn)機(jī)制、無數(shù)據(jù)完整性保證機(jī)制的特點(diǎn)不同，緊鄰空間鏈路協(xié)議Prox-1具有通信時(shí)延短、信號(hào)強(qiáng)度適中、單次會(huì)話簡短且相互獨(dú)立的特點(diǎn)，如圖1所示，主要作用于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，支持空間任務(wù)中航天器之間的雙向通信鏈路。文獻(xiàn)[26]依據(jù)CCSDS的Prox-1協(xié)議，設(shè)計(jì)了適用于鄰近空間鏈路協(xié)議的回退N幀ARQ方案，由兩臺(tái)一體化工控機(jī)用于模擬兩個(gè)航天器，板卡采用Xilinx-V5系列FPGA芯片和TI的TMS320C6455系列DSP芯片，結(jié)合軟硬件平臺(tái)搭建了測(cè)試環(huán)境，對(duì)ARQ性能進(jìn)行了測(cè)試。

3 空間網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制

3.1 衛(wèi)星鏈路的IP應(yīng)用問題

空間網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用IP技術(shù)時(shí)，低軌LEO星座動(dòng)態(tài)特性是最大的挑戰(zhàn)，星際鏈路（ISL）在系統(tǒng)拓?fù)渲胁粩嘧兓黾恿薎P路由選路的困難[4]。應(yīng)盡量簡化星上路由表，隔離兩種網(wǎng)絡(luò)間路由更新信息的傳播；移動(dòng)IP切換與QoS的保證機(jī)制可采用改進(jìn)多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）協(xié)議，提高空間網(wǎng)絡(luò)吞吐量和路由性能，同時(shí)減小本地狀態(tài)開銷和隊(duì)列時(shí)延[4]。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延受多種因素影響，在衛(wèi)星鏈路上應(yīng)用TCP協(xié)議時(shí)引發(fā)的長時(shí)延問題主要由軌道類型決定。一般的低軌LEO星座中星間單跳時(shí)延大約為20ms～25ms，GEO衛(wèi)星則達(dá)250ms～280ms。大規(guī)模星座、軌道變化、星際鏈路路由策略等都會(huì)影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，影響TCP協(xié)議的定時(shí)機(jī)制，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)超時(shí)和數(shù)據(jù)重傳，降低帶寬利用率；長時(shí)延的TCP連接在與短延時(shí)的TCP連接競(jìng)爭時(shí)候的公平性問題。衛(wèi)星通信信道中出現(xiàn)高誤碼率時(shí)，在不能獲知數(shù)據(jù)報(bào)丟失是信道誤碼還是網(wǎng)絡(luò)擁塞原因時(shí)，默認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。地面雙向通信往返時(shí)延（RTT）一般在毫秒級(jí)別，且信道誤碼率BER＜10-9。但是，空間通信環(huán)境中的誤碼率BER可達(dá)10-5，RTT常超過1s，網(wǎng)絡(luò)丟包率將達(dá)到12%[5]。

在傳統(tǒng)TCP傳輸協(xié)議里，解決丟包問題的方法主要是減小發(fā)送窗口，這將不斷惡化TCP傳輸性能，對(duì)此主要通過鏈路層優(yōu)化、TCP優(yōu)化以及性能增強(qiáng)代理等方法解決[27]。在實(shí)際應(yīng)用中，性能增強(qiáng)代理實(shí)現(xiàn)主要有TCP欺騙和TCP分段兩種方式。TCP欺騙方案在發(fā)送端做加速處理；TCP分段在收發(fā)兩端用協(xié)議變換的方式將TCP協(xié)議在無線鏈路上轉(zhuǎn)換為專用協(xié)議，SCPS-TP網(wǎng)關(guān)是一個(gè)典型TCP分段應(yīng)用。文獻(xiàn)[28]分析了天地一體化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸層融合的關(guān)鍵技術(shù)，可基于不同誤碼率、往返時(shí)延、鏈路間斷性、數(shù)據(jù)丟失原因、緩存和處理能力等技術(shù)進(jìn)行融合。

3.2 CCSDS協(xié)議機(jī)制分析

TCP/IP協(xié)議的關(guān)鍵機(jī)制有流量控制機(jī)制、差錯(cuò)控制機(jī)制和擁塞控制機(jī)制。CCSDS協(xié)議的關(guān)鍵機(jī)制與TCP/IP協(xié)議的三種關(guān)鍵機(jī)制相比，稍有不同[28]：

①CCSDS流量控制機(jī)制，通過對(duì)數(shù)據(jù)包追加窗口擴(kuò)展選項(xiàng)來擴(kuò)大通知窗口，提升數(shù)據(jù)傳輸效率?；赗TT變化來動(dòng)態(tài)調(diào)整擁塞窗口大小，實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)送速率，達(dá)到流量控制目的。

② CCSDS差錯(cuò)控制機(jī)制，由確認(rèn)包、定時(shí)器和數(shù)據(jù)重傳三種方式組成。定時(shí)器通過時(shí)間戳選項(xiàng)來進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)重傳采用選擇性否定確認(rèn)技術(shù)（SNACK）。出現(xiàn)大量有高誤碼率導(dǎo)致的丟包時(shí)，SNACK技術(shù)可在一次確認(rèn)中重傳多個(gè)數(shù)據(jù)包，大大提高了數(shù)據(jù)的恢復(fù)效率。

③CCSDS擁塞控制，采用Vegas算法，通過檢測(cè)RTT來動(dòng)態(tài)調(diào)整擁塞窗口，避免擁塞發(fā)生。

SCPS-TP按可靠性可分為：完全可靠協(xié)議、最大可靠協(xié)議和最小可靠協(xié)議。SCPS-TP協(xié)議針對(duì)TCP的修改如表1所示，通過數(shù)據(jù)損壞響應(yīng)、SNACK選項(xiàng)和包頭壓縮功能等技術(shù)對(duì)高誤碼率特性進(jìn)行改進(jìn)；針對(duì)RTT往返時(shí)延長問題，通過大窗口和定時(shí)器的修改進(jìn)行改進(jìn)；地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失的原因被默認(rèn)為擁塞導(dǎo)致的，而在空間網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)丟失有可能是高誤碼導(dǎo)致的，也有可能是因?yàn)殒溌窅夯斐傻?。SCPS-TP使用類似于ICMP的空間SCMP協(xié)議為突發(fā)錯(cuò)誤問題提供支持。這些改進(jìn)大大提升了空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸效率。

表1 SCPS-TP協(xié)議針對(duì)TCP的修改Table 1 Modification of SCPS-TP compared with TCP

AOS虛擬信道調(diào)度是實(shí)現(xiàn)鏈路層QoS保證的核心，是解決多個(gè)虛擬信道共享物理信道的有效手段[29]，主要有先來先服務(wù)、時(shí)間片輪詢、靜態(tài)優(yōu)先級(jí)、剩余量優(yōu)先等算法。典型的QoS模型包括綜合服務(wù)模型IntServ、區(qū)分服務(wù)模型DiffServ和MPLS等。文獻(xiàn)[30]將IP網(wǎng)絡(luò)層與CCSDS數(shù)據(jù)鏈路層相結(jié)合設(shè)計(jì)了跨層QoS保證機(jī)制，包括業(yè)務(wù)分類、AOS虛擬信道分配和虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度，提取IP包ToS值并映射到AOS幀的虛擬信道標(biāo)識(shí)（VCID）域中，完成基于IP區(qū)分服務(wù)的虛擬信道的分配。

4 星地網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)

4.1 IPoC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

IPoC空間鏈路協(xié)議目的是實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議一體化融合。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層融合問題，SCPS給出了翻譯和封裝兩種機(jī)制：翻譯機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)層SCPS-NP與IP協(xié)議之間進(jìn)行協(xié)議互譯；封裝方式將SCPS-NP包封裝在IP包中直接傳輸。地面網(wǎng)絡(luò)向空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將IP數(shù)據(jù)包封裝成AOS幀，再經(jīng)過空間鏈路傳輸?shù)叫巧暇W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，空間網(wǎng)絡(luò)從接收到的AOS幀中解析出地面的IP數(shù)據(jù)包。空間網(wǎng)絡(luò)向地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，星上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將IP數(shù)據(jù)包封裝成AOS幀，再經(jīng)過空間鏈路傳輸?shù)降孛婢W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，地面網(wǎng)絡(luò)從接收的AOS幀中解析出星上的IP數(shù)據(jù)包。

在CCSDS空間鏈路協(xié)議（SDLP）上實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)報(bào)傳遞的方法有[4]：

①無需任何中介子層，直接將IP數(shù)據(jù)報(bào)置入CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路幀內(nèi)實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)報(bào)傳遞；

② 將IP數(shù)據(jù)報(bào)放在CCSDS空間包內(nèi)，再分割或合并放入CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈幀內(nèi)進(jìn)行傳遞；

③用戶自定義串行流封裝。

其中，方式①和②以包的形式傳輸IP數(shù)據(jù)報(bào)，方式①具有可提供CCSDS數(shù)據(jù)鏈路再同步的優(yōu)點(diǎn)。

IP協(xié)議有IPv4和IPv6兩個(gè)版本，分別用到不用的CCSDS服務(wù)，如表2所示為SDLP上承載IPv4數(shù)據(jù)包所用到的服務(wù)。用到了虛擬信道包（VCP）、多路訪問點(diǎn)數(shù)據(jù)包（MAPP）、封裝服務(wù)（ENCAP），對(duì)此服務(wù)使用方提供位于SDLP包傳輸幀頭部分的全局虛擬信道標(biāo)識(shí)（GVCID），由相串接的傳輸幀版本號(hào)（TFVN）、航天器標(biāo)識(shí)（SCID）及VCID組成：“GVCID=TFVN+SCID+VCID”。服務(wù)提供方通過空間鏈路傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)使用方在SAP（服務(wù)訪問點(diǎn)）取得傳輸服務(wù)。通過AOS協(xié)議傳輸IP數(shù)據(jù)報(bào)的處理流程如圖3所示[22]，M_PDU載荷域通常由CCSDS空間包碎片和完整的CCSDS空間包組成。

表2 SDLP上承載IPv4數(shù)據(jù)包所用到的傳輸服務(wù)Table 2 IPv4 delivery service over SDLP of CCSDS

圖3 IP數(shù)據(jù)報(bào)通過AOS協(xié)議處理流程Fig.3 Processing of IP data packet for AOS protocols

星地IPoC協(xié)議在天地一體化信息網(wǎng)的端到端通信中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層上基本一致的通信協(xié)議。航天科技集團(tuán)[31,32]針對(duì)近地軌道航天器網(wǎng)關(guān)與地面網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)了三層網(wǎng)絡(luò)交換；針對(duì)航天器網(wǎng)關(guān)與航天器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)了二層網(wǎng)絡(luò)交換；針對(duì)天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的QoS需求，設(shè)計(jì)了航天器網(wǎng)關(guān)緩存和調(diào)度策略，采用了靜態(tài)優(yōu)先級(jí)和輪詢調(diào)度策略相結(jié)合的虛擬信道調(diào)度模式。該航天器網(wǎng)關(guān)的往返傳輸延時(shí)影響TCP性能，只適用于近地軌道航天器。空間技術(shù)研究院[33]指出，地面網(wǎng)關(guān)軟件化過程的關(guān)鍵技術(shù)包含數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議解析和網(wǎng)絡(luò)層IP 數(shù)據(jù)包透明傳輸，星上視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)IP包向CCSDS協(xié)議的轉(zhuǎn)換；地面軟網(wǎng)關(guān)接收解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)天地間網(wǎng)絡(luò)通信，在通用操作系統(tǒng)上可對(duì)網(wǎng)絡(luò)層IP 數(shù)據(jù)包經(jīng)過通用網(wǎng)卡透明發(fā)送，地面視頻播放器接收地面軟網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)天地視頻通信，其最高速率為300Mbps、時(shí)延Td＜100ms。

4.2 星地協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

隨著高速星地通信技術(shù)的發(fā)展，天地一體化跨系統(tǒng)互連速率需求已達(dá)到Gbps級(jí)甚至幾十Gbps級(jí)，PCIe、RapidIO、Rocket I/O等高速串行傳輸技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)并行傳輸技術(shù)，成為高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主流應(yīng)用。Xilinx開發(fā)AURORA點(diǎn)到點(diǎn)傳輸通信協(xié)議，可將AURORA協(xié)議數(shù)據(jù)包加載到運(yùn)行在該協(xié)議之上的多種高層協(xié)議數(shù)據(jù)包上傳輸。

文獻(xiàn)[20]采用高速收發(fā)器件TLK2711支持線速率達(dá)1.6Gbps，信號(hào)帶寬超過2.16Gbps。西安電子科技大學(xué)[34]實(shí)現(xiàn)IPoC-AOS高速網(wǎng)關(guān)鏈路層協(xié)議轉(zhuǎn)換，最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延指標(biāo)為Td＜3ms。其網(wǎng)關(guān)設(shè)備[1,25,35,36]采用Virtex 7系列XC7VX690T芯片、兩個(gè)4GB的DDR3緩存，有四個(gè)物理傳輸通道GTH通過10G光纖模塊（SFP+）封裝，采用AURORA協(xié)議配合GTH共同完成AOS同步接口PHY功能，并結(jié)合光纖模塊實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)同步光纖接口。主要功能模塊有：

①高速查找表模塊，實(shí)現(xiàn)IP分組與VCID映射，接收來自IP封裝與解封裝模塊的IP分組，提取分組中的源端口號(hào)、目的端口號(hào)、目的IP地址、源IP地址以及協(xié)議號(hào)；

② MAC地址提取模塊，提取從萬兆以太網(wǎng)端接收的以太網(wǎng)幀的MAC/IP地址，獲得上行鏈路IP數(shù)據(jù)報(bào)到AOS同步幀的源MAC地址與IP地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而在星地下行鏈路AOS同步幀到IP數(shù)據(jù)報(bào)獲得目的IP地址對(duì)應(yīng)MAC地址；

③M_PDU生成模塊，完成將AOS數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為M_PDU的適配工作。

下行鏈路以太網(wǎng)成幀模塊接收到下行調(diào)度模塊的AOS幀取出其數(shù)據(jù)載荷，添加相應(yīng)MAC頭后由以太網(wǎng)光纖接口模塊發(fā)出。采用專業(yè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀Test Center，參照IETF RFC2544主動(dòng)測(cè)試方法向網(wǎng)關(guān)測(cè)試裝置發(fā)起ARP、ICMP測(cè)試數(shù)據(jù)包，測(cè)雙向連通性、吞吐量、時(shí)延指標(biāo)。

文獻(xiàn)[8]在PowerPC MPC8548嵌入式硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)IPoC網(wǎng)關(guān)，IP協(xié)議與CCSDS AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換采用了Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，使用Test Center進(jìn)行RFC2544吞吐率測(cè)試，單向傳輸1500字節(jié)IP報(bào)文、46字節(jié)IP報(bào)文的吞吐率分別為600Mbps、200Mbps。中國電子科技集團(tuán)[37]采用IP數(shù)據(jù)簡單數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（SDL）封裝方法設(shè)計(jì)機(jī)載網(wǎng)關(guān)對(duì)IP數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和定界，地面網(wǎng)關(guān)采用基于CRC的捕獲方法來確定SDL的幀邊界，該設(shè)計(jì)采用FPGA+PowerPC的架構(gòu)，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)接口處理、協(xié)議封裝和解析，PowerPC主要負(fù)責(zé)IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議控制，然后在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上進(jìn)行ping包時(shí)延測(cè)試，測(cè)得IP數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延為0～0.4ms。此外，文獻(xiàn)[20]的萬兆網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器在Virtex-7系列FPGA芯片XC7V585T上完成自定義協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，其接口采用萬兆光纖模塊，引入的最大時(shí)延Td＜0.1ms。并采用Wireshark軟件對(duì)抓取數(shù)據(jù)內(nèi)容并對(duì)比原數(shù)據(jù)，采用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)備進(jìn)行自環(huán)測(cè)試。

4.3 軟件與仿真研究

文獻(xiàn)[38]利用CCSDS的AOS協(xié)議業(yè)務(wù)類型廣泛的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)載與地面數(shù)傳設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多種數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)化虛擬信道調(diào)度策略，保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求，還研究了空間數(shù)據(jù)在地面?zhèn)鬏數(shù)臉?biāo)準(zhǔn)空間鏈路擴(kuò)展（SLE）協(xié)議，可將空間機(jī)構(gòu)、地面運(yùn)營商以及空間數(shù)據(jù)用戶的地面設(shè)施互聯(lián)，避免為每次新型號(hào)任務(wù)定制特定的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。在SLE服務(wù)提供方與使用方的測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸包括前向和返向遙測(cè)數(shù)據(jù)兩個(gè)流向。文獻(xiàn)[39]針對(duì)SLE系統(tǒng)在執(zhí)行高可靠性任務(wù)時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)和補(bǔ)充，將SLE服務(wù)端分為測(cè)站級(jí)SLE服務(wù)端和區(qū)域級(jí)SLE服務(wù)端兩個(gè)等級(jí)，對(duì)高速大量數(shù)據(jù)通過合理拆分可保證可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)降低服務(wù)實(shí)例的傳輸壓力，在物理層面和邏輯層面都進(jìn)行了必要的備份以保證系統(tǒng)可靠執(zhí)行。

針對(duì)地面檢測(cè)軟件系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試需求，中科院[40]基于FPGA與Labview的嵌入式硬件衛(wèi)星數(shù)據(jù)幀解析與顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CCSDS數(shù)據(jù)格式的實(shí)時(shí)解析與測(cè)試。針對(duì)天地一體化骨干網(wǎng)絡(luò)CCSDS協(xié)議，文獻(xiàn)[41]從數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)、系統(tǒng)復(fù)雜度和可移植性等幾方面對(duì)比分析不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法性能，發(fā)現(xiàn)基于地理位置的分布式抗毀路由算法充分考慮了不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜?duì)路由的影響，具有較好的可移植性。在其它研究中，如文獻(xiàn)[42]和文獻(xiàn)[43]采用了符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的幀格式進(jìn)行無人機(jī)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸；文獻(xiàn)[44]基于ZODIAC公司的Cortex CRT-Q平臺(tái)用于空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物理層，在小于10MBps帶寬下，設(shè)計(jì)天地一體化網(wǎng)關(guān)仿真節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)[45]針對(duì)全域聯(lián)合作戰(zhàn)要素融合應(yīng)用總結(jié)了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系、網(wǎng)絡(luò)路由與網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)束語

近年來，隨著全球各國對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)和天地一體化技術(shù)的不斷深入研究，國內(nèi)建成北斗三號(hào)全球?qū)Ш较到y(tǒng)的同時(shí)也相繼啟動(dòng)了多個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)重大研究計(jì)劃，各類全球覆蓋的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座蓬勃興起。在此背景下，本文綜述天地信息網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)，在分析CCSDS標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展應(yīng)用的基礎(chǔ)上，概述了CCSDS協(xié)議架構(gòu)和AOS系統(tǒng)協(xié)議，然后比較CCSDS與TCP/IP協(xié)議關(guān)鍵機(jī)制與天地網(wǎng)絡(luò)特性，最后綜述了天地信息網(wǎng)絡(luò)IPoC協(xié)議與設(shè)備研制與測(cè)試情況，對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議融合技術(shù)領(lǐng)域作進(jìn)一步研究與探索。