基于衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘成勝，韓 睿，蔡睿妍

(大連大學(xué)遼寧省高校通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622)

責(zé)任編輯:時(shí) 雯

隨著航天任務(wù)的需求增長(zhǎng)，衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)之間的信息傳輸和處理變得越來越頻繁，速率要求也越來越高。但是，由于空間和地面底層鏈路的差異，在物理層和鏈路層采用相同協(xié)議的方法是不現(xiàn)實(shí)的。

為適應(yīng)空間技術(shù)的發(fā)展要求，1982年，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)提出系列CCSDS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議供空間通信使用。AOS(高級(jí)在軌系統(tǒng))是CCSDS提出的一種數(shù)據(jù)通信和傳輸體制，是CCSDS數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。而各地面通信系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展下，已基本全部采用TCP/IP協(xié)議用以支持各種各樣的應(yīng)用要求［1-4］。因此，要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)間的互聯(lián)互通需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。而實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換的的主要技術(shù)是網(wǎng)關(guān)技術(shù)。

目前，國內(nèi)外開展了眾多的網(wǎng)關(guān)研究工作，文獻(xiàn)［5］提出一種CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP協(xié)議間的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案，該方案在Linux平臺(tái)上采用標(biāo)準(zhǔn)的C語言實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［6］在高性能DSP+FPGA核心處理芯片所構(gòu)成的硬件平臺(tái)上，開發(fā)一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換的嵌入式網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)一種基于ARM處理器的ZigBee/TD-SCDMA的網(wǎng)關(guān)，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)與TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)之間的透明傳輸。但采用FPGA實(shí)現(xiàn)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP協(xié)議間的轉(zhuǎn)換研究較少。本文從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提出了網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)解決了MAC幀和AOS傳輸幀之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題，并在FPGA平臺(tái)上采用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)，具有一定的靈活性和擴(kuò)展性。

1 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)連接衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)這兩個(gè)使用不同通信協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，使其能夠互聯(lián)互通。從協(xié)議棧的角度，網(wǎng)關(guān)主要分為3層:網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)互連的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 物理層

網(wǎng)關(guān)的物理層功能是屏蔽掉衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)之間的傳輸媒體差異，使其上面的數(shù)據(jù)鏈路層能夠正確地接收數(shù)據(jù)幀。因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)的處理方式是以并行方式進(jìn)行的，所以物理層另外一個(gè)重要的功能就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，解決方式是開辟緩沖區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層

網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)鏈路層功能是完成AOS傳輸幀和MAC幀之間的相互轉(zhuǎn)換。以地面網(wǎng)常用的以太網(wǎng)MAC幀為例，其格式如圖2所示［8］。而AOS傳輸幀格式如圖3所示。AOS傳輸幀的數(shù)據(jù)域包括復(fù)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(M_PDU)、位流協(xié)議數(shù)據(jù)單元(B_PDU)、VC訪問服務(wù)數(shù)據(jù)單元(VCA_SDU)或空閑數(shù)據(jù)，且這4種數(shù)據(jù)單元不能混合在一條虛擬信道中傳輸［3］。

AOS傳輸幀和MAC幀的相互轉(zhuǎn)換，可采用以下兩種方式:一是從一種數(shù)據(jù)格式中解析出有效數(shù)據(jù)，再封裝到另一種數(shù)據(jù)格式的有效數(shù)據(jù)域中;二是不去解析有效數(shù)據(jù)，直接將一種格式中的所有內(nèi)容封裝到另一種數(shù)據(jù)格式的有效數(shù)據(jù)域中。本設(shè)計(jì)采用后一種，將MAC幀的所有內(nèi)容都當(dāng)作是位流數(shù)據(jù)封裝到AOS傳輸幀中。考慮MAC幀的長(zhǎng)度，為減少轉(zhuǎn)換冗余，提高網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)中AOS傳輸幀的有效數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度設(shè)置為512 byte。

MAC幀到AOS傳輸幀的轉(zhuǎn)換過程如圖4所示，在整個(gè)任務(wù)段內(nèi)，若MAC幀長(zhǎng)度大于AOS傳輸幀的有效數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度，則將MAC幀分段，不足的部分用填充字段填充;若相等，則直接填充;若小于，同樣直接填充，但不足的部分用填充字段填充。為保證接收端正確判斷哪些AOS傳輸幀屬于同一個(gè)MAC幀，本文將AOS傳輸幀幀頭的VCDU計(jì)數(shù)字段和空閑字段中的2 bit聯(lián)合共同組成一個(gè)MAC幀的段碼，用來表示一個(gè)MAC幀的轉(zhuǎn)換。

圖4 MAC幀到AOS傳輸幀的轉(zhuǎn)換過程

AOS傳輸幀到MAC幀的轉(zhuǎn)換過程如圖5所示，分為AOS傳輸幀無填充數(shù)據(jù)(見圖5a)和AOS傳輸幀有填充數(shù)據(jù)(見圖5b)兩種情況。具體轉(zhuǎn)換過程如下:首先，解析AOS數(shù)據(jù)幀;其次，檢測(cè)B_PDU幀頭查看AOS傳輸幀的有效數(shù)據(jù)域內(nèi)是否包含填充數(shù)據(jù)，若無則直接還原有效數(shù)據(jù)，若有則丟棄填充數(shù)據(jù)后還原有效數(shù)據(jù);最后，根據(jù)MAC幀的段碼，將還原出的AOS傳輸幀的有效數(shù)據(jù)集裝成一個(gè)MAC幀。

圖5 AOS傳輸幀到MAC幀的轉(zhuǎn)換過程

采用上述方式，雖在AOS傳輸幀的傳輸過程中存在一定的冗余，但也節(jié)省了網(wǎng)關(guān)解析MAC幀和封裝MAC幀的處理過程，提高了網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換效率。

為提高空間鏈路的信道利用率，AOS協(xié)議采用虛擬信道復(fù)用物理信道機(jī)制。本設(shè)計(jì)根據(jù)MAC幀的源MAC地址和其所要發(fā)往的航天器標(biāo)識(shí)符SCID共同為其分配虛擬信道標(biāo)識(shí)符VCID和緩存空間。調(diào)度方式采用自適應(yīng)調(diào)度，規(guī)則是各虛擬信道均沒有調(diào)度請(qǐng)求時(shí)，采用等時(shí)輪詢各虛擬信道，若期間某一虛擬信道發(fā)出調(diào)度請(qǐng)求，直接響應(yīng)該請(qǐng)求。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層功能是識(shí)別網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包所在的目的網(wǎng)絡(luò)，查找下一跳地址，完成不同地址間的映射。

網(wǎng)關(guān)既是衛(wèi)星通信網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，又是地面網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)具備上述兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層地址和硬件地址。網(wǎng)關(guān)提取接收到的數(shù)據(jù)包的目的地址信息，根據(jù)目的地址的一個(gè)副本來查找地址的類別，并綜合上述兩個(gè)結(jié)果來判定數(shù)據(jù)包所要發(fā)送的目的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)衛(wèi)星通信網(wǎng)向地面網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)只需將其格式轉(zhuǎn)化成MAC幀的格式，交付給地面網(wǎng)的路由器或其他網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，便可完成查找下一跳地址和不同地址間的映射。而地面網(wǎng)向衛(wèi)星通信網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)不僅要完成兩種幀格式之間的轉(zhuǎn)換，還需完成查找下一跳地址和不同地址間的映射。由于空間節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行規(guī)律一定，可通過星歷計(jì)算星與星之間的通信時(shí)間，并根據(jù)上述信息填寫路由表，在路由表添加一列信息，列出不同的網(wǎng)絡(luò)層地址所對(duì)應(yīng)的航天器標(biāo)識(shí)符。

2 網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從功能模塊劃分如下:數(shù)據(jù)變換模塊、監(jiān)聽/接收模塊、有效數(shù)據(jù)幀檢測(cè)模塊、幀同步模塊、丟棄模塊、數(shù)據(jù)幀封裝模塊、數(shù)據(jù)幀解析模塊、調(diào)度模塊、解調(diào)度模塊、目的傳輸網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模塊、地址解析模塊、緩存模塊和路由模塊等組成。設(shè)計(jì)中各功能模塊相互獨(dú)立，模塊間接口簡(jiǎn)單，易于網(wǎng)關(guān)的升級(jí)，具體描述如下:數(shù)據(jù)變換模塊，用于數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換;監(jiān)聽/接收模塊，用于監(jiān)聽/接收網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀;有效數(shù)據(jù)幀檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)幀的有效性;幀同步模塊，用于捕捉幀同步碼，使接收端與發(fā)送端保持同步工作;丟棄模塊，用于丟棄接收到的無效數(shù)據(jù)幀;數(shù)據(jù)幀封裝模塊，用于封裝目的傳輸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)協(xié)議格式;數(shù)據(jù)解析模塊，用于解析接收到的有效數(shù)據(jù)幀，獲取其網(wǎng)絡(luò)層目的地址;調(diào)度模塊，用于將AOS傳輸幀按照一定的調(diào)度策略復(fù)用物理信道;解調(diào)度模塊，用于根據(jù)AOS傳輸幀所攜帶的VCID，將其分配到相應(yīng)的緩存區(qū);目的傳輸網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模塊，用于識(shí)別接收到的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包所要傳輸?shù)哪康木W(wǎng)絡(luò);地址解析模塊，用于網(wǎng)絡(luò)層地址和物理地址之間的映射;緩存模塊，用于為系統(tǒng)各處理單元，分配緩存區(qū)域;路由模塊，用于為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包分配下一跳地址。

2.2 FPGA實(shí)現(xiàn)

有限狀態(tài)機(jī)及其設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)高效率高可靠邏輯控制的重要途徑。該設(shè)計(jì)基于上述思想，將網(wǎng)關(guān)的控制狀態(tài)分為8種狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)關(guān)控制狀態(tài)機(jī)

首先，網(wǎng)關(guān)監(jiān)聽并接收數(shù)據(jù)幀，判斷該數(shù)據(jù)幀的有效性。若有效，獲取其網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包目的地址字段，查看其發(fā)往的網(wǎng)絡(luò)。其次，若該數(shù)據(jù)幀來自地面網(wǎng)而發(fā)往衛(wèi)星通信網(wǎng)，則根據(jù)衛(wèi)星通信網(wǎng)路由表信息為其分配下一跳地址，查找對(duì)應(yīng)的SCID，否則，按地面網(wǎng)路由轉(zhuǎn)發(fā)。最后，封裝目的網(wǎng)絡(luò)傳輸幀的數(shù)據(jù)格式，并監(jiān)聽其完整性和傳輸信道的空閑狀態(tài)。將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)幀發(fā)往物理信道。

Start:初始狀態(tài)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)幀，其標(biāo)志位rec_data_flag=’1’。當(dāng)復(fù)位和接收到無效幀事件發(fā)生時(shí)，重新回到初始狀態(tài)。

Check_mac_data:檢查數(shù)據(jù)幀的有效性，當(dāng)檢查接收的數(shù)據(jù)幀有效，其標(biāo)志位valid_mac_flag=’1’。

Gain_dest_addr:獲取數(shù)據(jù)幀網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包目的地址，當(dāng)發(fā)往衛(wèi)星通信網(wǎng)時(shí)，目的傳輸網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志位dest_addr_flag=’1’，否則，dest_addr_flag=’0’。當(dāng)其目的地址與數(shù)據(jù)幀本身所在的網(wǎng)絡(luò)地址不一致時(shí)，其標(biāo)志位comp_addr_flag=’1’。

Gain_next_s_addr:獲取衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層下一跳地址，完成不同地址間的映射。

Gain_next_g_addr:獲取地面網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層下一跳地址，完成不同地址間的映射。

Form_frame_aos:封裝AOS傳輸幀，當(dāng)該數(shù)據(jù)幀完整時(shí)，其完整性標(biāo)志complete_s_flag=’1’。當(dāng)物理信道空閑時(shí)，其忙閑標(biāo)志channel_s_busy=’0’。

Form_frame_mac:封裝MAC傳輸幀，當(dāng)該數(shù)據(jù)幀完整時(shí)，其完整性標(biāo)志complete_g_flag=’1’。當(dāng)物理信道空閑時(shí)，其忙閑標(biāo)志 channel_g_busy=’0’［9］。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 仿真環(huán)境

本設(shè)計(jì)在ISE12.2的開發(fā)環(huán)境下，采用VHDL硬件描述語言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)的可實(shí)現(xiàn)性，設(shè)計(jì)基于Xilinx Virtex-5 SX95T芯片中的GTP Transceiver，與帶有光纖網(wǎng)卡的PC機(jī)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)由兩臺(tái)帶有光網(wǎng)卡的PC機(jī)和三塊Virtex-5開發(fā)板組成。PC機(jī)各代表地面網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，開發(fā)板1～3分別代表地面網(wǎng)到衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)、衛(wèi)星通信網(wǎng)到地面網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)的一個(gè)空間節(jié)點(diǎn)。其物理環(huán)境搭建以及所需的設(shè)備和連接線如圖8所示。

圖8 硬件環(huán)境搭建

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換功能之前，需對(duì)網(wǎng)關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置，具體包括:各節(jié)點(diǎn)的IP地址、MAC地址和SCID。具體配置如下:地面節(jié)點(diǎn)A和B需配置的內(nèi)容均是網(wǎng)絡(luò)層IP地址和與其連接的網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層IP地址;地—星網(wǎng)關(guān)和星—地網(wǎng)關(guān)需配置的內(nèi)容是網(wǎng)關(guān)中地面網(wǎng)部分的IP地址和MAC地址，以及網(wǎng)關(guān)中衛(wèi)星通信網(wǎng)部分的IP地址和SCID，具體的配置參數(shù)如表1所示。

表1 IP地址、MAC地址和SCID的配置參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果

采用Wireshark 1.6.1軟件隨機(jī)抓取網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)幀，并對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行分析。從圖9中可以看出，該數(shù)據(jù)幀的源IP地址來自于A機(jī)，目的IP地址來自于B機(jī)，表明信源PC-A正在向信宿PC-B發(fā)送數(shù)據(jù)，且衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)處于聯(lián)通狀態(tài)。由于信源PC-A的下一跳節(jié)點(diǎn)是地—星網(wǎng)關(guān)，所以該數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址為00-16-31-FF-2C-D4，與地—星網(wǎng)關(guān)的MAC地址一致。

圖9 Wireshark抓取數(shù)據(jù)幀結(jié)果(截圖)

采用嵌入式邏輯分析儀ChipScope Pro分別抓取地—星網(wǎng)關(guān)和星—地網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)幀輸出。圖10中，虛線框中的數(shù)據(jù)是AOS的幀主導(dǎo)頭(6 byte)和B_PDU導(dǎo)頭(2 byte)。導(dǎo)頭中顯示的B_PDU有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度0x185，恰好為389 byte，與圖9中數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度一致。AOS幀有效數(shù)據(jù)的內(nèi)容與MAC幀的數(shù)據(jù)內(nèi)容相同，經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)符合AOS傳輸幀的格式要求。圖11中，目的MAC地址來自于B機(jī)，源MAC地址來自于星—地網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)符合MAC幀的格式要求，且有效數(shù)據(jù)與發(fā)送相同。

從上述測(cè)試結(jié)果分析來看，網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了地面網(wǎng)與衛(wèi)星通信網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。具體包括:MAC幀和AOS傳輸幀之間的相互轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)層下一跳地址的選取及網(wǎng)絡(luò)層地址與物理層地址之間的映射。

4 小結(jié)

本文基于物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提出了三層網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)解決了MAC幀和AOS傳輸幀之間的相互轉(zhuǎn)換，將MAC幀數(shù)據(jù)當(dāng)做比特流封裝到AOS數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)域中，從而節(jié)省了網(wǎng)關(guān)解析MAC幀和封裝MAC幀的處理過程，提高了網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換效率，并在FPGA平臺(tái)上采用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)，具有一定的靈活性和擴(kuò)展性。

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