基于IPv6和空间包协议的空间路由策略设计与分析

齐征 安秀枝 何熊文 詹盼盼

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094) (2 中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094)

随着用户需求的日益增加和卫星技术的发展，我国提出了构建天地一体化信息网络的决策，国内包括科研院所、企业、学校等在内的诸多研究单位，都已经在天地一体化信息网络的相关领域获得了一定的研究成果。卫星组网和互联互操作属于其中一个重点研究领域[1]。

目前，我国部分卫星已经应用了空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的标准，并基于传递层的空间包协议实现了星载设备之间的数据互联互通，即星内网络中数据的路由转发[2]。空间包协议完成卫星内部数据的路由所依据的应用过程标志(APID)信息，其长度仅有11 bit，无法携带更多信息用于识别不同的卫星信息，导致卫星只能成为一个自治域，无法与其他卫星组网互联[3]。IPv6因其地址和报文格式的新特性，将逐步成为主流网络协议，其成熟性和稳定性已经在地面网络应用中得到验证，能够满足局域网、城域网和广域网中IPv6设备的组网需求。为了充分利用成熟的组网技术，统一组网协议，提高设备的通用性和灵活性，降低研制成本，IPv6即使存在实现复杂度高、耗用资源多等限制因素，还是成为实现卫星之间的动态组网和数据路由的必然选择[4-5]。

目前，国内外基于IPv6和空间包协议实现星内星间一体化组网与互联互操作的相关研究成果，还未有相关报道。本文针对天地一体化信息网络的建设需求，研究基于现有IPv6和空间包协议实现星内星间一体化组网与互联互操作，并提出了合理可行的空间路由策略。

1 策略设计

空间包协议已经成功应用于星内网络的组网路由，同时IPv6又拥有跨网段组网路由的优势，因此可以考虑将2种协议通过某种方式进行融合，从而在真正意义上实现星内网络与星间网络的一体化组网与互联互通。本文设计的空间路由策略，借鉴地面互联网中IPv4与IPv6的隧道机制，将空间包作为IPv6的负载进行跨星传送。这一策略的实施，需要按照协议标准化要求对协议进行格式化定制，还要2种协议之间具备一定的映射规则，并最终在网关设备上实现。

1.1 IPv6协议定制

IPv6协议的组网应用，重点在于其地址格式，而本文对IPv6协议的定制也体现在IPv6的地址格式[6]，格式定制如图1所示，图中所示的各字段意义见表1。该IPv6地址格式，可以定位任何一颗卫星及其内部各子网内的任何一个IPv6设备，且当前格式仅利用标准IPv6地址高8 byte的部分字段，与标准IPv6地址格式不冲突，可以兼容。

1.2 协议信息映射表

IPv6与空间包协议的融合和转换，重点在于2种报文格式映射关系的建立，示例见表2，将APID与IPv6地址进行一一映射。

表2 协议信息表Table 2 Protocol information map

1.3 协议体系设计与配置

通过上述分析可知，卫星内部的空间包如果要跨星传输，则需要空间包向IPv6作负载填充，由后者完成星间的组网和数据路由。2种协议的实现和部署，需要由对应的星载或地面网关设备完成。基于该策略的设计思想，同时参考CCSDS空间通信协议体系[7-9]、航天器接口业务(SOIS)通信协议体系[10]、地面因特网协议体系，以及智能化航天器综合电子系统体系架构[11-12]，得到如图2所示的协议体系示意。

本文主要关注图2中虚线以上部分，即IPv6、UDP及空间包协议；虚线以下部分涉及到具体的实现方式，属于底层链路层协议，本文不作重点关注。由图2协议体系可知，空间包协议既可作为空间通信协议的业务负载，用于星间通信(图2中①↔③和②↔③通路所示)；也可直接作为SOIS传递层的路由协议，用于星内通信(图中①通路所示)。其中，①→③通路所示的协议操作为本文研究的重点。当星内空间包需要星间通信时，星内数据向星间传输的处理流程为：首先，空间包协议解析空间包的目的APID；然后，查询协议信息表，获取与目的APID对应的设备IPv6地址，将空间包和目的IPv6地址传递给IPv6协议；最后，IPv6协议按照目的IPv6地址和自身IPv6地址封装IPv6报文，再进一步通过③所示的空间通信协议体系构建链路层帧并跨星通信。

注：①表示SOIS协议体系，②表示地面因特网协议体系，③表示CCSDS空间通信协议体系。IPoC为IP over CCSDS， TTE为时间触发以太网，AOS为高级在轨系统。

图2 协议体系示意

Fig.2 Schematic diagram of protocol system

2 实例验证与分析

2.1 演示验证系统

本文提出的基于IPv6和空间包协议的空间路由策略，可由真实星载设备和模拟设备搭建的验证系统，基于典型应用实例进行验证。星地星间组网拓扑及星内网络拓扑示意如图3所示。图3中，地面站通过星地链路与卫星互联，不同星座系统的卫星间通过星间链路互联，星地星间按照CCSDS空间通信协议体系进行通信。星载路由器作为卫星的网关设备，按照上述协议体系部署协议软件，与其他星载设备通过SOIS协议体系和因特网协议体系进行通信。其中，星载路由器每个接口都对应一个链路子网，不同子网内可以部署不同的传输总线，并根据总线类型搭建子网拓扑，总线上的直连设备都属于同一子网。例如：设备1和设备2属于1号子网，IPv6地址的星内子网标志为1；设备3和设备4属于2号子网，IPv6地址子网标志为2；3～4号接口通过激光链路与其他卫星组网互联。

图3 典型拓扑示意Fig.3 Schematic diagram of typical topology

依据图3中所示的典型拓扑结构，利用星载设备和模拟设备搭建演示验证系统，如图4所示。图4中，星地无线通信链路由地面以太网模拟，星间无线通信链路由激光终端模拟，星内通信链路由TTE搭建。各设备的协议配置和模拟对象如表3所示，其中所有设备都具备唯一的APID，以此保证表2所示协议信息表的一一映射关系。此外，星载路由器设计为转发卡、CPU卡和TTE卡3个模块。转发卡执行AOS链路帧的路由转发，CPU卡执行协议的软件操作，TTE卡通过以太网与星内其他TTE设备通信。

图4 演示验证系统拓扑Fig.4 Topology of demonstration and verification system表3 演示验证系统信息Table 3 Demonstration and verification system information

设备名称部署协议体系模拟对象 主控计算机 SOIS通信协议、CCSDS空间通信协议地面站组网卫星模拟计算机1 CCSDS空间通信协议整星组网卫星模拟计算机2 CCSDS空间通信协议整星 星载路由器 CCSDS空间通信协议、SOIS通信协议、传输控制协议(TCP)/IP协议星载网关设备 TTE交换机 无星载交换机 成像模拟计算机 SOIS通信协议、TCP/IP协议星载信息处理机

2.2 验证结果及分析

以上述演示验证系统环境为基础，设计主控计算机向成像模拟计算机上注成像遥控指令的实例。该实例涉及到星地、星间、星内一体化组网通信的数据流，如图5所示，数据流流转过程如下。

(1)主控计算机首先通过SOIS协议封装空间包，由空间包协议路由得到下一跳链路，按照包应用标准(PUS)业务→空间包→UDP→IPv6→IPoC→封装业务→AOS”的CCSDS空间通信协议流程封装AOS帧(目的IPv6地址为星载路由器CPU的IPv6地址，目的APID为成像模拟计算机)，后经地面以太网(介质访问控制(MAC)帧封装AOS帧)上传至组网卫星模拟计算机2。

(2)组网卫星模拟计算机2按照CCSDS空间通信协议解析得到IPv6报文，依据地址掩码长度和卫星标志查询路由表转发IPv6报文至组网卫星模拟计算机1。

(3)组网卫星模拟计算机1同样查询路由表转发IPv6报文至目标卫星的星载路由器。

(4)首先，目标卫星的星载路由器路由转发卡依据目的IPv6地址中的卫星标志和星内子网标志，转发至CPU；然后，由CPU解析IPv6报文得到空间包，依据空间包协议和目的APID得到下一跳节点的链路地址；最后，CPU按照TCP/IP协议封装以太网帧，经过TTE卡和TTE交换机传送至成像模拟计算机。

(5)成像模拟计算机解析得到的空间包，验证目的APID为自身标志，解析遥控指令并执行指令。

注：Eth为以太网。 图5 实例数据流Fig.5 Dataflow diagram of example

本文的空间路由策略重点关注协议和功能的实现与验证，由于当前物理环境的资源限制和软硬件实现存在一定难度程度，且试验环境还不支持性能测试，因此目前无法通过直观的试验结果进行定量展示，案例仅从定性角度进行了验证和分析。此外，本文提出的策略还有以下不足：若不同卫星内的设备或主机具备相同的APID，则协议信息表无法保证APID与IPv6地址的一一映射，空间包还需要携带具备星间唯一性的标志，才能实现局部信息向全局信息的灵活转换。

2.3 后续研究内容

鉴于本文策略存在的上述不足，后续还要开展以下研究工作。

1)空间包格式定制

为了提升目的信息寻址的灵活性，考虑定制空间包格式，将部分信息携带在空间包中。由于遥控遥测副导头中的数据源标志与数据宿标志均为可选且长度可变，目前仅使用了11 bit表征源APID和目的APID，这2个字段携带的信息不具备全局意义。为此，副导头定制格式如图6所示，副导头数据标志中添加了源航天器标志(SCID)和目的SCID，该标志能够识别任意一个航天器，具备空间网络全局通信意义，且该2字段均为2 byte，足以满足未来卫星的数量扩展需求。此外，航天器标志与图1所示IPv6地址的“卫星标志”字段长度一致，保障信息转换正确性。标志意义如表4所示。

注：Ack为确认字符。 图6 副导头格式定制Fig.6 Secondary header format customization

表4 实例中报文字段意义Table 4 Packet field meaning in example

2)协议信息表完善

表2所示的协议信息表，只能在APID具备星间唯一性且信息量少的前提下使用，这与星载设备的实际部署是不相符的。因此，为了降低该表对存储空间的占用量和满足APID仅具备星内唯一性的要求，应对表2内容进一步完善，完善后如表5所示。表5中，网络地址标志表征IPv6地址类型，卫星标志表征卫星的标志信息，星内子网标志表征卫星内部网关设备接口所连接的子网编号，APID表征卫星内部具体的设备或主机标志。

通过定制空间包格式和完善协议信息表，能扩展APID和IPv6地址信息的映射关系，提升协议信息转换的灵活性。即使APID只具备局部意义，依据本文提出的策略也依然能高效的解决星内星间一体化组网通信的问题。

表5 实例中协议信息表Table 5 Protocol information map in example

以上述优化措施为基础，图2中①→③通路所示的星内空间包向IPv6转换的流程如下：首先，空间包协议解析空间包携带的目的APID和目的SCID；然后，查询协议信息表，获取与目的APID和目的SCID对应的网络地址类型、星内子网标志，并将目的APID、目的SCID、星内子网标志和网络地址类型4个参数传递给IPv6协议；最后，IPv6协议按照目的IPv6地址和自身IPv6地址封装IPv6报文后，进一步通过空间通信协议组链路层帧并跨星通信。

3 结束语

在构建天地一体化信息网络的背景下，本文在分析了卫星组网需求及IPv6和空间包协议的特点和应用情况基础上，通过IPv6格式化定制和建立协议信息表，设计了能够满足星内星间一体化组网需求的路由策略，并在地面演示验证系统中通过典型的路由应用实例验证了策略的可行性。后续将对目前存在的不足进行修改和完善，并继续在地面演示验证系统中进行实现和可行性验证，以进一步提高该策略的合理性、灵活性、通用性和可靠性，为天地一体化信息网络建设奠定技术基础。