基于同步骨干卫星的天地一体化IP网络互联模式设计及真星试验

刘华峰,徐潇审,孙宝升,费立刚,刘 锋,卞春江,程子敬

(1.中国电子科学研究院,北京 100041；2.北京空间信息中继传输技术研究中心,北京 100094；3.北京航空航天大学,北京 100191；4.中国科学院国家空间科学中心,北京 100190；5.航天恒星科技有限公司,北京 100086)

0 引 言

随着航天技术的快速发展，人类在外层空间的活动日趋复杂。具有IP子网的大型航天器的出现[1]，以及地面测控网的IP化，使得构建天地一体化信息网络的需求越来越明显[2]。同步骨干卫星系统由于其高覆盖率、高传输速率和高动态适应性的特点，在空间信息传输方面发挥着巨大作用，是未来天地一体化网络中的重要空间基础设施。目前，国内外基于同步骨干卫星的数据传输主要采用基于应用层的数据分发模式，不能支持空间段和地面段在网络层上的直接互联，难以适应未来天地一体化数据高效传输的需求。此外，随着用户数量和类型的迅速增长，以及数据传输速率的不断提高，传统应用层数据分发模式会导致系统复杂性持续增加、运行维护成本成倍增长等问题，形成数据分发能力和系统效率的瓶颈。因此，研究基于同步骨干卫星的天地一体化IP网络互联模式具有重要意义。

国外各航天大国从20世纪末期开始，启动了空间互联网(NGSI)、基于航天飞机的通信与导航(CANDOS)、太空互联网路由器计划(IRIS)等研究项目，大力推进了天地一体化网络的理论研究和关键技术攻关[3-8]。国内在该领域也开始进行了探索性研究，北京跟踪与通信技术研究所、中国空间技术研究院、中国科学院国家空间科学中心和中国电子科技集团公司54所等多家单位在基于IP over CCSDS方式的天地一体化协议体系应用、空间宽带网关等关键技术方面取得了较大进展。本文在吸收国内外研究成果的基础上，提出基于同步骨干卫星的天地一体化IP网络互联模式，设计基于IP over CCSDS的天地一体化数据传输协议体系，并基于在轨同步卫星开展了天地一体化IP互联模式试验验证和数据传输能力测试。

1 基于同步骨干卫星的天地一体化IP网络组成

基于同步骨干卫星的天地一体化IP网络如图1所示。同步骨干卫星系统由同步骨干卫星及其对应的地面站组成。用户航天器包括单IP地址和多IP地址两种航天器，用户航天器和地面用户中心分别通过同步骨干卫星星间链路和地面网络接入，形成用户航天器与地面用户中心间的天地一体化IP网络。用户航天器和同步骨干卫星地面站配置网关设备，完成天地间数据链路层的协议转换和传输层的协议性能增强。在天地一体化IP网络中，用户业务数据可基于网络层直接进行路由和数据分发，不需要在应用层处理。

图1 基于同步骨干卫星的天地一体化IP网络互联系统结构示意图

2 协议体系

本文根据CCSDS空间数据链路协议的最新发展和国内外空间数据传输协议体系的研究成果，在基于同步骨干卫星的天地一体化网络中采用IP与CCSDS相结合的协议体系，协议栈如图2所示。

图2 基于同步骨干卫星的天地一体化IP网络协议栈示意图

2.1 数据链路层

地面段网络与航天器内部子网数据链路层协议采用以太网数据链路层协议。空间段采用CCSDS空间数据链路协议(SDLPs)。由于地面系统和空间系统采用不同的数据链路层协议，所以在经星间和星地信道传输前，需要完成以太网数据链路层协议与CCSDS空间数据链路协议之间的转换。

2.2 网络层

统一采用IP协议，如图3所示，IP PDUs使用CCSDS IP延伸(CCSDS Internet Protocol Extension，IPE)约定和CCSDS封装服务被逐个封装到CCSDS封装包中，然后封装包在一个或多个SDLPs传输帧中被传输[14,15]。

图3 IP over CCSDS Space Link示意图

2.3 传输层

由于基于同步骨干卫星的天地一体化网络存在链路传播时延长、网络带宽时延积大、链路差错率较高、链路带宽不对称等问题，会导致传统TCP协议在网络中的性能严重下降。因此传输层在使用标准的TCP/UDP协议的同时，针对要求可靠传输且保障传输性能的应用，采用TCP分段技术增强传输层性能。TCP分段技术的核心思想是将TCP连接分成两个或多个部分，利用代理设备将网络中长时延和高差错率部分与其余部分隔离，通过在长时延和高差错率部分使用SCPS-TP等专用协议来增强传输性能。代理设备内部实现TCP与SCPS-TP等专用协议间的转换[16]。

2.4 应用层

在应用层，支持HTTP、SMTP、FTP和Telnet等标准协议。同时用户可以根据任务需求设计专门的应用层协议。

3 典型应用示例

以同步骨干卫星系统支持带有IP子网的大型航天器与地面网络IP互联为例，说明基于同步骨干卫星的天地一体化IP网络协议栈处理流程。

航天器信息系统内部数据交换主要基于以太网技术，上层采用标准TCP/IP协议栈。通过同步骨干卫星系统进行的航天器与地面之间的数据传输中，除了传送遥控信息的前向链路外，其余部分均采用AOS体制。IP报文采用IP over AOS方式封装和解析。

3.1 返向链路数据处理流程

如图4所示，航天器内部子网的业务数据在传输层采用UDP或TCP协议，IP报文目的地址为地面相应联网设备的IP地址。通过空间链路传输前，由空间网关对传输层和链路层的协议进行转换，若传输层采用TCP协议，将TCP转换为SCPS-TP协议，链路层将以太网帧转换为AOS帧，并采用IP over AOS的方式将IP报文封装到AOS帧中(具体封装细节参考文献[17]。同步骨干卫星地面站的地面网关在数据链路层和传输层作对应的转换，然后直接通过路由器路由传输IP报文。最终，地面用户中心路由器根据IP报文中的目的地址将报文直接向业务处理设备转发。

图4 返向链路协议栈处理流程示意图

3.2 前向链路处理流程

除前向链路的遥控指令仍然按照原有方式发送到地面站外，前向链路处理流程为返向链路处理流程的逆过程，如图5所示。

图5 前向链路协议栈处理流程示意图

4 基于同步骨干卫星的天地IP互联模式试验验证

4.1 试验环境

试验环境组成如图6所示，主要包括空间用户航天器模拟系统(包括空间数据模拟系统、空间网关、调制调解设备、发射和接收单元)、同步骨干卫星、地面站系统(包括发射和接收单元、调制解调设备和地面网关)和地面用户中心模拟系统。其中，空间和地面模拟系统里的主要设备包括文件服务器、Web服务器、邮件服务器、IP电话、网络摄像机和终端设备等。空间网关与地面网关主要用于链路层和传输层的协议转换。测试系统的真实空间链路带宽理论值为上行5 Mbps、下行150 Mbps。而空间网关/地面网关的处理带宽在实验室环境可以达到千兆。

图6 试验环境示意图Fig.6 The experimental environment

4.2 试验结果分析

基于同步骨干卫星系统的天地一体化IP网络互联模式试验验证，主要围绕协议技术体制验证、系统网络应用功能测试和综合性能测试三个方面开展，具体试验结果和分析如下。

(1)协议技术体制验证

主要进行天地TCP/UDP性能测试：TCP性能测试分别针对空间用户子网——同步骨干卫星——地面子网间单个TCP连接、多个TCP连接测试等情况进行，测试结果如表1所示；UDP采用单路传输和多路传输两种情况进行测试，其中设定单路UDP最大速率为50 Mbps，测试结果如表2所示。

表1 TCP性能测试结果

表2 UDP性能测试结果

测试结果表明，天地一体化网络的TCP传输速率可稳定达到120 Mbps左右。在单路传输带宽不超过50 Mbps的限制下，UDP传输总速率最高可达132 Mbps。

(2)系统应用功能测试分析

对常用的网络应用功能项目进行测试，结果如表3所示。测试结果表明，天地一体化IP网络对地面网络中成熟的应用业务(包括Web访问、FTP服务、Email服务、多媒体会议、语音通话、遥操作业务、Telnet服务等)均可支持，且用户体验良好。

表3 功能测试结果

(3)系统综合应用测试分析

测试系统的空间链路是不对称的，其中上行5 Mbps、下行150 Mbps。通过对宽带网关进行限速，来测试整个试验在不同状态下的综合应用情况，分为非满负荷综合应用测试和满负荷综合应用测试两种状态。其中，非满负荷综合应用测试是限制前向信息速率不超过3 Mbps，返向信息速率不超过100 Mbps的情况下，测试系统相关服务性能；满负荷综合应用测试是指天地网络之间上行最大数据速率接近5 Mbps，下行最大数据速率接近150 Mbps的情况下，测试系统相关服务性能。在两种状态下，同时进行FTP业务、天地间互ping业务、Web访问业务、Email业务等网络应用功能业务综合测试，测试结果如下表4。

表4 综合应用测试效果

通过测试结果反映出由于同步骨干卫星空间链路存在不对称性，所以在工程应用中要根据业务特点在路由或交换节点限定具体应用的前/返向数据速率，避免出现个别应用占用大量带宽的情况，才能保证天地间网络的正常运行。

上述试验表明：基于同步骨干卫星的天地一体化IP互联模式可并行支持多种网络业务；能够高效支持基于TCP/IP的网络应用。

5 结 语

随着航天任务复杂性的不断提高，建立天地一体化的航天互联网，已经成为国内外航天测控和通信系统发展的必然趋势[2，18]。同步骨干卫星系统是重要的空间基础设施，通过理论研究、技术试验和工程应用推广，实现传统航天数据传输模式向天地一体化网络互联模式的转变，将对天地一体化网络建设起到巨大的示范效应和推动作用。本文基于一颗同步骨干卫星完成静态IP天地互联试验，而在实际应用中是多颗同步骨干卫星和地面站接力为航天器服务，这就带来了天地一体化网络中同步骨干卫星系统的移动性管理和延迟容忍等问题，这些问题我们将在后续开展进一步的研究和试验。