基于NDP协议的IPv6 over AOS空间通信技术研究

马明毅 冯楠 谭晓川 周伟 李少波 王碧瑶 张晓乐

摘要：针对国内对天地一体化的需求，提出一种基于NDP协议的IPv6 over AOS星间链路通信系统，将IPv6数据包封装在AOS帧中，通过激光在空间中传输，融合了地面网络与空间网络，满足了现阶段数据传输的高速、大容量需求。以FPGA作为网关，实现了网关及其子网之间的地址解析功能以及路由表的动态配置。结合MPLS技术，基于标签来进行路由决策，相比于原有基于IP路由进行转发的交换方式降低了组网成本，提升同样性能设备的转发效率，具有良好的可扩展性。

关键词：IPv6 over AOS；NDP协议；MPLS协议；地址解析

中图分类号：TN393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2023）02-62-5

0引言

空天信息网络技术是当前世界各军事强国的热门研究方向，组建天地一体化信息网络更是各国研究的热门方向[1]。通过该网络提供的大范围、高精度信息在精确打击、指挥控制等领域发挥着关键的作用。我国在航天通信领域采用国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）协议架构[2]，AOS协议属于CCSDS诸多空间通信协议的一种，是一种高级在轨系统，可用于大容量数据处理以及高速通信，以AOS协议为基础的体制方案在航空航天、卫星通信和深空探测等领域都有重要的应用。我国在AOS体制的使用上有许多成功案例，如神舟飞船、气象卫星、中继卫星和遥测科学等[3]，但目前与发达国家相比，AOS体制还存在较大的缺陷，尚未形成完善的空间信息传输体制，我国在天地一体化信息网络建设上还有巨大的发展空间[4]。

AOS协议充分迎合了我国空天网络一体化的发展需求，在地面网络通信与深空通信等领域都具有重要的意义。通过AOS协议搭载IPv6报文是实现天地一体化的一种合理选择，实现了数据的实时、可靠传输，并且满足了不同速率信息处理需求。而邻居发现协议（Neighbor Discovery Protocol，NDP）作为IPv6的关键协议，具有地址解析、地址冲突检测、邻居不可达检测、重定向、路由器发现、前缀发现、地址自动配置、参数发现和下一跳地址确定等功能[5]，解决了不同节点之间地址的自动配置问题，提高了路由选择的准确性，保证了链路的实时可用。

本文在数据链路层采用AOS协议，在网络层采用IPv6协议，改变了数据路由的静态查表方式，基于NDP实现路由表的动态配置和IP，MAC地址的动态获取，结合多协议标签交换（Multi-protocol Label Switching，MPLS）以FPGA作网关实现了IPv6数据包的收发、地址解析和协议转换等功能技术。

1系统环境与协议体系

系统总体结构及硬件测试实物如图1所示，每个FPGA具备2路千兆电口、路万兆光口，千兆电口通过RJ45接口连接至主机，万兆光口通过光纤连接至万兆网卡，每块FPGA可连接4台设备，PHY芯片通过RGMII接口从主机发送以太网帧至FPGA，每个端口在FPGA内部通过协议栈的方式配置IP地址和MAC地址，转发信息表（FIB）和标签转发信息表（LFIB）通过RS232串口线下发至每一块FPGA板卡，数据包根据FIB和LFIB决定传输路径。为了模拟空间链路数据传输，减少信号之间的相互串扰以及外部噪声的干扰，数据包采用高速串行差分的方式通过TLK2711沿LVDS信号线进行传输，板卡共设计8路TLK2711，其中6路为SMA接口，2路为光模块接口。

本文采用ping包的方式模拟业务发送过程。在主机A发送业务之前，首先需要基于NDP完成地址解析[6]，由主机发送NS报文，FPGA将主机的IP地址和MAC地址存储下来并回复NA报文，主机将所询问IPv6地址下的MAC地址存入路由表中，之后主机即可开始发送IPv6数据包。网口发送至FPGA的数据包通过适配模块，筛选出符合条件的ICMPv6数据包（以太网帧类型为0x86DD，下一头部为58，端口号为2020）后将其封装成AOS帧并基于MPLS技术根据标签在不同节点之间进行转发。AOS帧按照主机通过RS232下发的FIB表在源节点压入标签后，将AOS帧传送至中间节点，中间节点根据LFIB表经MPLS协议进行标签交换后，将其发送至目的节点。目的节点查询FIB表，将标签替换为16hFFFF（标签 16hFFFF代表到达目的节点），并发送至端口所连接的设备上。

本文所使用的AOS激光通信帧格式如图2所示，IPv6数据包包含在链路层的数据域内，AOS帧总长为1 024 Byte。为了实现帧同步，在激光通信帧前端加入4 Byte的同步头，用于定位帧到达的时间，定界数据单元。版本号和航天器标识构成主信道标识（MCID）；虚拟信道标识（VCID）和主信道标识组成全局虚拟信道（GVCID）用于标定每一条虚拟信道[7]。信令字段由回放标志、虚拟信道帧使用标志、保留域和虚拟信道帧计数循环4部分组成，用于标定AOS帧的状态，0表示实时，1表示回放，可以对AOS帧进行存储并在链路恢复时进行帧的回放。标签域共6 Byte，其中标签占2 Byte用于标定数据包转发路径。DCN域占16个Byte，用于实現管控数据的封装、适配和连接，为网络单元设备提供管理和控制信息的通信功能，便于对网络单元进行管理与维护。OAM域用于实现运行、管理和维护等相关功能，包括OAM开销信息的提取与插入、OAM帧的生成与控制、故障和性能检测以及告警上报等功能。

2 NDP实现路由表动态配置

NDP相比于ARP在许多方面都有了很大的改善。如NDP IPv6组播技术避免了网络拥塞[8]，减少了所占用的带宽，从而极大地提高了地址解析效率；NDP工作在网络层与介质无关，因此可以在不同的网络媒介上运行；避免了信息被其他节点窃听，安全性得到了提升等。

NDP的地址解析过程如图3所示，主机A在发送之前，需获得主机B的链路层地址，为实现路由表的动态配置，可以通过NDP的地址解析功能动态获取设备的链路层地址。类似于ARP[9]，首先主机A向所连接设备（以主机B为例）发送一个NS报文，报文以主机A的IPv6地址作为源地址，主机B的被请求节点组播地址作为目的地址，用以解析出主机B的IPv6地址所对应的MAC地址。当主机B接收到了NS报文之后，就会回应NA报文，NA报文的源地址为主机B的IPv6地址，目的地址为主机A的IPv6地址，不同于NS报文的组播，NA报文为单播，即完成了一个解析过程。

主机向FPGA发送IPv6数据包时，由于路由表中并没有目的IP对应的MAC地址，所以首先会发送NS报文，询问目的IP对应的MAC地址，由FPGA端回复端口的MAC地址后，主机开始发送数据包。另外，FPGA会定时发送NDP检测端口所连设备是否正常连接。基于FPGA的NDP地址解析过程如图4所示，假定主机A的IPv6地址为FE80：0：0：30：：，MAC地址为C4-00-AD-74-96-C5，主机B的IPv6地址为FE80：0：0：10：：，MAC地址为C4-00-AD-90-9F-76，主机A所连接FPGA1端口IPv6地址和M AC地址分别为FE80：0：0：01：：和00-00-AD-90-9F-01，主机B所连接FPGA2端口IPv6地址和MAC地址分别为FE80：0：0：02：：和00-00-AD-90-9F-02。首先主机A和主机B分别向FPGA1和FPGA2发送NS报文，当FPGA收到NS报文后，分别向主机A和主机B反馈NA报文，但在MAC地址字段填写FPGA1的端口号。相当于主机A和主机B在询问目的IP FE80：0：0：10：：和FE80：0：0：30：：所对应的M AC地址，由FPGA1和FPGA2分别回复端口的MAC地址。

主机A和主机B通过NDP存储的路由信息如图4所示。可以看出，通过NDP的地址解析功能，主机A和主机B的路由表中存储了目标IP地址以及其所连接FPGA端口的MAC地址，主机在获得路由信息后，即可开始发送IPv6数据包。

3基于MPLS的数据包分组转发

多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）即给每一个IP数据报打上固定长度的标记，然后通过硬件在链路层进行IP数据报转发。该技术具备流量控制、负载均衡、路径备份和故障恢复等优势，改变了传统IP网络可能出现的链路堵塞问题，通过灵活控制数据报的传输路径，实现了资源的合理分配，从而大大加快了数据报的转发速率。另外，可以配置2条或多条标签交换通道（LSP），选择其中几条作为备份，从而实现了业务流的合理分配，保证了业务的连续性[10]。

MPLS网络由标记交换路由器（Label Switching Router，LSR）和标记边缘路由器（Label Edge Router，LER）组成，如图5所示。LER位于边缘部分，负责标签的加入与去除LSR位于MPLS网络的核心部分，负责标签交换[11]。各LSR基于标记分配协议LDP传输数据包，并找出和特定标记相对应的路径，即标记交换路径LSP。当一个IP数据报进入MPLS域时，在入口结点（LER）压入标签，并按照转发表把它转发给下一个LSR，以后所有LSR都按照标签进行转发[12]。

MPLS协议包括LDP，LIB，FIB。LDP作为MPLS的核心技术，通过信令机制实现标签分配与转发，FIB负责普通的IP报文的转发，而LFIB负责转发带MPLS标签报文的转发。本文以IPv6地址作为转发等价类（Forwarding Equivalence Class，FEC），根据FIB和LFIB建立标签交换路径（Label Switching Path，LSP）采用双向对ping包的方式模拟数据转发，研究数据处理过程。

在通过NDP协议完成地址解析后，主机开始发送IPv6数据包并封装成AOS帧并在AOS帧的标签域插入标签，对应FIB表和LFIB表，当收到普通IP的报文时查找FIB表，添加标签，进行MPLS转发。当收到带有标签的报文时，查找LFIB表，如果對应的出标签是普通标签，则进行MPLS转发，如果对应的出标签是特殊标签（本文规定此标签为16hFFFF），则表明数据要发送至以太网口，将报文中的标签去掉，进行AOS帧解封装和IP转发，数据传输流程如图6所示。

实验所用FIB表和LFIB表如图7所示，其中FIB表分别下发至边界点LER，LFIB表下发至中间节点LSR。FIB表中规定了IP地址对应数据包应压入的标签以及传输路径，LFIB表规定了入标签、被替换的出标签以及转发路径。

测试过程中，业务到达中间节点时标签的替换情况如图8所示，实验采用第1路和第5路2711传送双向对ping的数据，可以看出数据包从主机A（IP地址为FE80：0：0：30：：）经第一路2711到达中间节点时，标签为16h0001，经查询LFIB表，标签在通过中间节点后被替换16hFFFF，并通过第4路2711发往目的节点。同理，主机B（IP地址为FE80：0：0： 10：：）在中间节点也完成了标签替换。经1h的测试，实验结果如图8所示。

当每块FPGA同时连接4台设备时，测试结果如图9所示，数据包传输过程中基本无丢包现象产生。经iperf測试，通信速率可达500 Mb/s。

4结束语

本文以空天网络一体化为背景，给出了一种基于FPGA的IPv6 over AOS星间链路激光通信系统，并对系统所用的AOS帧结构进行了设计，研究了IPv6协议、IPv6组播技术、邻居发现协议以及CCSDS空间通信标准和IP over AOS协议的转换机制，基于MPLS技术改变了通过IP地址转发的方式，转而采用标签交换进行数据转发，根据FIB和LFIB查询标签对应的转发路径，实现了数据包在板间的快速传输，提高了网络性能。搭建了系统实验环境，对空间链路的传输进行了模拟，以FPGA作为网关，实现了网关和其所连设备之间的地址解析以及路由表的动态配置。测试了IP over AOS系统的协议转换功能，通过检测丢包率及通信速率对系统的性能进行了验证。

参考文献

[1]荣华为.基于IP over CCSDS的高速网关设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2017.

[2]王雪旸.TCP/IP协议族在相控阵时分卫星网络中的应用[D].北京：北京邮电大学，2015.

[3]董晓臣.基于FPGA的IPv6 overAOS网关的设计与实现[D].保定：河北大学，2021.

[4]沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想[J].中国科学工程， 2006， 8（10）： 19-30.

[5]缪剑锋，管有庆.轻量级IPv6邻居发现协议及在网关中的实现[J].计算机技术与发展， 2014，24（10）： 59-62.

[6]吴长瑞，徐建清，蒋景红.基于FPGA的千兆以太网接口应用研究与实现[J].现代电子技术， 2018， 41（9）： 1-5.

[7] CCSDS. Space Data Link Protocols-Summary of Concept and Rationale： CCSDS 130.2-G-0.3[R]. Washington D. C.： CCSDS， 2005.

[8] MILIC D， BROGLE M， BRAUN T. Video Broadcasting Using Overlay Multicast[C]// 7thIEEE International Symposium on Multimedia（ISM）. Irvine： IEEE， 2005： 1-8.

[9] DEERING S， HINDEN R. Internet Protocol， Version 6 （IPv6） Specification：RFC2460[S]. Washington D. C.：The Internet Society， 1998.

[10] BUENO A， VILA P， FABREGAT R. Multicast Extension of Unicast Charging for QoS Services[C]// 4th IEEE European Conference on Universal Multiservice Networks （ECUMN）. Toulouse： IEEE， 2007： 119-126.

[11]冯径.多协议标签交换技术[M].北京：人民邮电出版社， 2002.

[12]杨军. LDP协议和LSP选路研究与实现[D].重庆：重庆大学，2012.