SNIS体系研究
2014-04-29刘宝芬
刘宝芬
摘 要 空间网络IP服务SNIS对有效支持多目标跟踪、测控、通信和导航等全球范围各种航天任务有重要价值。本文对在空间网络中建立端到端的IP通信服务进行了需求分析，给出一种SNIS体系结构，可支持所有IP协议，包括移动IP、通过中继系统的单点接入、多点接入和按需接入射频连接等，描述了所建立的SNIS系统支持航天任务数据通信的场景和过程。
关键词 SNIS 网络 卫星通信 TDRSS
中图分类号：TP393 文献标识码：A
空间网络SN（Space Network）指的是多个航天器在空间因数据交换和互操作需要构成的计算机网络，其军用和商用价值显著。
空间网络IP服务SNIS（Space Network IP Services）目标是建立统一的基于端到端IP通信的空间网络，从而实现多异构接入系统之间应用的互通。目前，美宇航局NASA正致力于实现这一目标。本文以此为背景，分析和研究SNIS的实现结构和应用，从而为我国建立类似的SNIS提供参考。
1 空间网络模型
典型的空间通信系统涉及任务航天器、跟踪和数据中继卫星系统TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System）、地面站、任务控制中心MOC（Mission Operations Center）以及地面通信网络等。其中，地面站、任务控制中心之间通过基于Ineternet协议的封闭工作网络IONet（Internet Protocol Operational-Network Internet）相互通信。航天器之间、航天器与地面之间使用无线射频交互。低轨道航天器与地面站之间保持直接通信联系的时间比例很低，因此通常使用同步轨道卫星TDRSS系统作为中继。
通常，MOC和地面站之间使用IONet类型网络。它们之间信息交互数据接口使用IP、TCP/IP或UDP/IP，但IONet不能为航天器提供IP连接。航天器与端用户之间没有可实现数据传输的IP协议。因此，用户必须提前知道所有航天器数据的数据源和目标地址。如果需要分发遥测数据，这些数据必须首先路由到预定义位置（通常为MOC）然后再分发。通过MOC中转数据导致的延迟，对很多应用来说是不能接受的。
IP端到端通信不但能使所有网络主机之间实现应用级互通，而且可利用大量成熟的商业标准和工具，可减少系统开发、集成和测试成本，提供灵活的可扩展性。
2 空间IP网络体系结构
若要实现SNIS，使得它的IP服务能够提供与其他空间网络服务同等的可靠性，则必须建立两种基本类型的接口：（1）面向商业化路由器的接口。在SNIS呈现点（本文称为SNIS-POP）与射频设备所建立的连接，必须以标准串行端口接口形式提供给路由器。一旦实现这一接口，所有路由、移动IP以及在标准路由器中的其他协议，就都能在TDRSS射频链路上实现。第二类面向SNIS-POP调度、监视和控制系统的接口。这些接口允许SNIS用户以标准接口方式，调度其服务、监视其运行状态。SNIS本质上是位于TDRSS低率用户数据流和封闭的IONet之间附加的新数据路径，其目的并非取代现有的任何数据服务，而是作为支持将来新任务的可选方法。
3 空间IP服务
由于SNIS合并了驱动数据分布的数据和多种用于商业的IP协议及其应用，因此只要航天器作为一个节点或子网连接到SNIS网络上，就能实现全IP端到端通信。以下主要介绍几个简单的工作场景：
（1）安全
所有与航天器相关的任务必须在安全的状态下进行，即使这些任务只限于地面IONet上。还需要其它一些安全保护措施，如端到端IP采用的VPN（virtual private network 虚拟局域网）、IPSec以及针对安全Internet使用的措施和机制。
（2）移动连接
SNIS支持移动IP协议和移动路由标准，允许用户航天器的数据路径在一次TDRSS事件的开始即被自动设置。移动IP信道仅仅用于前向链路数据路由，任何返向链路数据只要数据包到达SNIS-POP的任何一个路由器，数据即被发送。这是因为位于SNIS-POP的路由器已经拥有了一个合法的目标地址。因此，支持返向链路数据路由模式的普通路由链路能自动传输数据而不需要提前配置或获得移动IP。
（3）告警
SNIS用户能够发送一个告警信息，此信息将直接从地面站经路由发送到一个预定的目的地，如果支持多点传送，可发送到多个目的地。将IP数据路由和TDRSS需求接入系统返向链路相结合，能够使航天器在网络上时时地向任何目标发送数据。
（4）虚拟交联
IP航天器数据包的目标地址可以是其他航天器或平台。如果两个航天器，即使它们在地球的两侧仍然可以通信，如同有一个交联。只要两个航天器同时连接网络，他们之间的通信类似于任何网络节点间通信。
（5）数据文件传输
在航天器上执行可靠文件传输是一种普通操作需求，这种需求也同时针对Internet用户，因此有许多基于IP文件传输的协议，主要用于UDP和TCP。
4 结论
SNIS技术的发展正处于起步阶段，它在通信延时、带宽和误码率等方面还存在着巨大的变度。新的高级网络协议不仅要求解决高延时、低带宽和高误码率问题，而且还要考虑延时、带宽和误码率的可变性。因此，SNIS需要在发展中不断完善，同时也需要一个可靠的TDRSS系统作为支撑。我国在这方面刚刚起步，首先需要建立一个综合应用的中等性能TDRSS，在这个平台的支撑下，SNIS技术才能够得到充分的应用。
