天地一體化網絡中的航天器IP網絡設計

丁凱 陳淞 朱珂 龍吟

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)

天地一體化網絡中的航天器IP網絡設計

丁凱 陳淞 朱珂 龍吟

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)

為了將地面IP網絡技術應用于航天器內部設備間的數據通信，并實現與地面站的互連，根據航天器與地面站之間通信鏈路的特點，提出一種IP網絡協議體系結構，實現天地一體化網絡通信。在航天器上采用以太網協議完成內部網絡數據交換，配置天地網關設備完成與地面測控通信網絡之間的IP包交換；地面測控通信網絡采用計算機IP網絡，并配套相應的天地網關設備，完成與航天器的IP包交換。根據航天器數據的特點，提出一種速率控制策略，優先傳輸控制數據，控制圖像話音數據周期平均速率，控制試驗數據IP包平均速率。地面仿真試驗及實際系統測試結果表明：文章提出的航天器IP網絡設計，適應航天器與地面站的通信鏈路，可直接應用于高、中、低軌航天器的天地一化網絡通信，也可為后續月球、火星等探測任務提供參考。

天地一體化網絡；網絡協議體系結構；速率控制

1 引言

隨著網絡技術的發展，IP網絡已經成為地面計算機互聯的通用網絡，各種商用平臺、工業平臺大部分基于IP計算機網絡搭建，并已在全球實現互聯互通。我國航天器測控通信網已經實現了IP化，并已基于IP網實現了全球測控通信網的一體化通信，而航天器上數據通信還在使用總線或點對點通信方式，尚未使用IP網絡進行通信。目前，航天器上基于計算機系統設計的設備越來越多，如果設備之間信息互連方式采用IP網絡，一方面能夠充分利用成熟的IP技術，統一設備間接口和交互協議，提高設備的通用性和靈活性，降低研制成本；另一方面，如果航天器上的網絡與地面站網絡都是基于IP包，僅是空間鏈路采用空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)標準，兩者通過網關加以轉換，這樣有利于航天器與地面站網絡的一體化通信，地面站可以通過IP網絡監視和控制航天器，甚至將來隨著網絡安全技術的進步，航天員家屬可以通過家里的互聯網直接與在軌航天員通話，提高航天員在軌工作的舒適度。

在國外，“國際空間站”(ISS)上已經進行了基于IP網絡的天地通信協議的試驗[1]，但并未作為任務系統投入使用。國內對IP網絡在天地間的應用研究剛剛開始，大部分是理論研究[2-4]，沒有完整的天地一體化網絡的設計和實現。

本文根據航天器與地面站數據傳輸的特點，提出了一種航天器IP網絡協議體系結構，設計了適合于天地間通信的網關協議和速率控制策略，實現了航天器與地面站網絡的一體化通信，并已在貨運飛船上成功應用。本文的設計可直接應用于高、中、低軌航天器的天地一化網絡通信，也可為后續月球、火星等探測任務提供參考。

2 航天器IP網絡設計

考慮到航天器數據傳輸的繼承性和安全性，傳統的遙控、遙測信息保持傳統的空間協議傳輸，本文設計的航天器IP網絡主要是完成航天器監控圖像、航天員話音、個人計算機數據，以及一些試驗數據的天地傳輸。圖像、話音數據的傳輸具有實時性和同步性要求，個人計算機數據和試驗數據無同步性要求，但具有突發、數據速率不均勻的特點。同時，航天器與地面站之間需要專門研制的通信設備和協議進行通信，接口單一。因此，為航天器構建的IP網絡要能適應上述應用環境。

本文設計的航天器IP網絡，既能完成航天器內部設備間的通信，又能通過網關(包含與CCSDS協議的互相轉換)連接起天地間的設備，使天地間的設備能夠直接互相訪問，從而實現在軌上網。

2.1拓撲結構

航天器內部有固定攝像機、手持攝像機、話音終端、個人計算機、試驗載荷等網絡終端，為了將各網絡終端聯系在一起形成一個網絡，在航天器內部配套以太網交換機和無線熱點，使用以太網協議進行數據交互。為了與地面站網絡通信，配置天地網關，進行上行、下行IP數據的封裝，實現與CCSDS協議之間的轉換，地面站網絡使用目前的傳輸控制協議(TCP)/IP網絡，航天器天地網關在天地通信網絡之間起橋梁作用，進行三層網絡交換，實現一體化的IP網絡通信。其拓撲結構如圖1所示。

圖1 航天器IP網絡拓撲結構Fig.1 Topology of spacecraft IP network

2.2協議體系結構

航天器IP網絡采用標準的TCP/IP體系結構[5]，對用戶數據進行5層數據處理，分別是應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層，具體的協議體系結構如圖2所示。

圖2 協議體系結構Fig.2 Protocol architecture

1)應用層

應用層包括傳輸圖像和話音的實時傳輸協議(RTP)、簡單網絡管理協議(SNMP)，以及個人計算機支持的萬維網(HTTP)協議、文件傳輸協議(FTP)等，可直接為用戶提供服務。

2)傳輸層

傳輸層支持面向連接的TCP和無連接的用戶數據報協議(UDP)，為用戶終端間的不同進程提供通信業務。對于低軌航天器，如果直接采用對地鏈路，雙向時延約3 ms，如果采用同步軌道的中繼衛星進行中繼，雙向時延約550 ms，均小于TCP默認的重傳時間3 s，可以直接使用TCP進行傳輸。但是，由于時延較大，使用TCP傳輸效率不高，使用中繼衛星轉發通信時，通信速率低于30 kbit/s，因此只能應用在數據量不大但需要可靠傳輸的地方(如產品狀態的設置和觀察)；而對于大數據量傳輸(如圖像數據、載荷試驗數據)，必須使用UDP傳輸，這樣可以達到天地鏈路的極限速率。

3)網絡層

網絡層支持IP協議、網際控制報文協議(ICMP)和地址解析協議(ARP)。其中：IP協議用于傳輸天地間的業務數據，包括圖像、話音、計算機數據及載荷試驗數據等。ICMP用于檢查天地網絡的聯通性。IP包和ICMP包均可以在航天器間傳輸。ARP僅用于航天器內部及地面站網絡內部，其作用是完成航天器(或地面站網絡)內部設備的尋址，不在天地間傳輸。

4)數據鏈路層

數據鏈路層支持IEEE802.3規定的以太網協議，實現航天器內部網絡的有線通信；支持IEEE802.11規定的WiFi協議，實現航天器內部網絡的無線通信；支持IPoC(IP over CCSDS)協議[6]，實現天地間的IP包傳輸。航天器內部配套的交換機實現數據鏈路層的交換，通過在交換機內部實現快速生成樹協議(RSTP)，建立各個有線終端(含無線接入點和網關)介質訪問控制(MAC)地址與交換機接口號的映射表，實現各個用戶MAC數據幀的交換。映射表根據接收到的用戶MAC數據幀實施更新，確保數據交換的及時性。有線終端、天地網關及無線接入點均支持ARP，在每個終端內部均有一個ARP緩存區，根據ARP，每個終端在該緩存區建立IP地址和MAC地址的對應表，并可實時更新。根據對應表，有線終端可實現通過IP地址在上述的交換機上完成IP包通信。

目前，地面站網絡較為成熟，已經廣泛應用于各航天器的測控通信任務，其網絡層均采用IP協議，但數據鏈路層協議并非全部采用IEEE802.3協議。為了實現航天器與地面站網絡的互連，要建立天地網關完成天地間網絡層IP包的互通，實現一體化通信。當航天器上的有線終端a需要地面終端b通信時，有線終端a內部的ARP緩存區中并沒有地面終端b的IP地址和其物理地址的對應表(地面終端b不一定采用以太網協議)，此時有線終端a將目的IP地址(地面終端b的IP地址)與子網掩碼進行“與”操作，得到網絡號。如果網絡號是本航天器網絡，則直接在ARP緩存區中查找該IP對應的MAC地址，直接轉發；如果不是本航天器網絡，則將該IP包發給默認網關(天地網關)，由于每個有線終端的ARP緩存區中均有默認網關的MAC地址，因此可通過2層交換機完成交換。天地網關收到目的IP地址是非航天器網絡的數據包后，將該IP包通過IPoC協議和封裝業務完成封裝[7]，通過CCSDS高級在軌系統(AOS)協議[8]發送到地面站天地網關，地面站天地網關可根據該IP包的目的IP地址轉發該數據包至地面終端b。天地間網絡通信的IP包傳遞過程如圖3所示。地面終端b要發送數據包至航天器有線終端a時，采用相反的過程。使用天地網關后，航天器和地面站網絡可以采用不同數據鏈路層和物理層協議，只要天地間在網絡層以上采用相同的協議即可實現數據通信。由于地面站設備不受質量和功耗的限制，因此可以在地面站的天地網關處配置服務器，建立防火墻，從而確保航天器的網絡安全。

航天器內部的無線接入點完成無線網絡與有線網絡的協議轉換功能，無線網絡采用IEEE802.11協議，有線網絡采用IEEE802.3協議，兩者的IP地址統一分配。無線接入點實現無線網MAC地址與有線網MAC地址的映射。如果有線終端a要傳輸數據給無線終端，則其IP包的源IP地址為有線終端，目的IP地址為無線終端，在傳輸過程中不修改。但是，MAC數據幀的MAC地址會發生改變，有線終端a發出MAC數據幀時，源MAC地址為有線終端a，目的MAC地址為無線接入點，無線接入點收到該MAC數據幀后，根據目的IP地址將目的MAC地址改為無線終端，源MAC地址改為無線接入點，然后通過無線鏈路發給無線終端。該傳輸流程見圖4。反之，如果無線終端要發送數據給有線終端，則采用相反的流程，如果有線終端是網關，則可以完成無線終端與地面站網絡之間的互通。

圖3 天地間網絡IP包傳輸流程Fig.3 IP packets transfer flow between spacecraft and ground

圖4 航天器內有線終端和無線終端之間IP包傳輸流程Fig.4 IP packets transfer flow between a wired end and a wireless end in spacecraft

5)物理層

航天器內部設備的百兆有線網絡物理層采用符合10BASE-T/100BASE-TX標準的網線，千兆有線網絡采用符合1000BASE-LX標準的光纖或同軸線。航天器與地面站網絡的物理層采用Ka頻段中繼通信鏈路，通過AOS協議實現IP包與其他數據對天地鏈路的共享。

2.3速率控制策略

在航天器中傳輸的數據種類繁多，按照數據實時性的要求可以分為3類：①數據有實時性要求，但數據流量不高，如控制數據，這類數據具有突發性，需要立即執行，延時必須做到最小。②數據既有實時性要求，又有流暢性要求，如圖像、話音數據，要在確保數據傳輸流暢的情況下盡可能減小延時，這類數據的流量一般比較固定。③數據沒有實時性和流暢性要求，但數據流量大，如試驗數據，這類數據要分配較大信道帶寬，但由于沒有實時性要求，可以根據信道的負荷情況動態調節流量。信道負荷小時可增大流量，信道負荷小時可減小流量，甚至暫停這類數據的傳輸，待信道負荷減小后再恢復。由于天地間的信道容量固定，為了同時滿足上述3類數據的速率需求，要制定合理的策略來控制網絡的交換速率。首先要確保控制數據的可靠性和實時性，控制數據的優先級設置為最高，有數據滿幀后立即發送，同時，為了保證可靠性，在速率需求不高的情況下，在傳輸層選擇TCP進行可靠傳輸。其次是圖像話音數據，由于有流暢性和實時性要求，也采用立即發送的策略，為了滿足信道的速率要求，要在源端控制速率，圖像按照幀控制壓縮率，話音按照接收機的緩存和大小控制周期平均速率。最后是沒有實時性要求的試驗數據，這類數據可以存儲后發送，因此在源端采用控制IP包平均速率的方法，即每個IP包發出去后，都必須等待一段時間間隔，確保每個IP包傳輸平均速率均不超過分配的鏈路速率，見式(1)。

(1)

式中：t為傳輸下一個IP包與本IP包之間的時間間隔；L為本IP包的長度，bit；vavg為該類數據所分配的平均速率；vmax為交換機端口傳輸速率，百兆終端為100 Mbit/s。

若傳輸一幀1000 byte的數據，假設端口輸出平均速率要求5 Mbit/s，由于交換機端口速率為100 Mbit/s，因此1000 byte數據實際傳輸時間為0.08 ms，而平均速率要求為5 Mbit/s，本IP包平均傳輸時間為1.6 ms，因此下一幀數據需要在本包發送完成1.52 ms后才允許進行傳輸，傳輸間隔等待過程中產生的數據要在終端應用層進行緩存。

采用上述策略，既滿足了各類數據的要求，又確保了天地網絡不發生擁堵。

3 設計驗證

為了驗證本文提出的設計，搭建了天地一體化網絡模擬平臺(見圖5)。航天器網絡以一臺交換機作為中心連接各設備，包括固定攝像機、手持攝像機、無線耳麥、筆記本電腦。航天器網關將IP封裝至天地通信鏈路數據幀內，同時從地面站上行數據幀中解析出IP數據包并分發；地面站網關完成相反的功能。地面站網絡的構架與航天器網絡構架類似，使用臺式計算機代替筆記本電腦，并用網絡圖像處理設備來完成下行圖像的解碼和顯示，使用地面站收發設備模擬器模擬天地通信時延。

在演示驗證中，8 Mbit/s手持攝像機(見圖6)的高清圖像均能夠正常下傳，可同時在天地間進行流暢的話音對話，話音速率控制在平均60包/秒，最大不超過64包/秒，最小不小于59包/秒(見圖7)，速率控制均勻，話音流暢，未發生丟包(見圖8)。

圖6 手持攝像機圖像Fig.6 Images taken by a handheld camera

圖7 話音數據包速率Fig.7 Audio packet rate

圖8 話音數據包傳輸統計結果Fig.8 Statistical results of audio packet transmission

在貨運飛船與地面站的聯試中，航天器產品、天地鏈路和地面站網絡均使用真實飛行設備，測試人員在貨運飛船計算機上成功訪問了地面站服務器。圖9為聯試系統，圖10為聯試時訪問的網頁。在聯試中測試了天地IP包傳輸時延為526 ms，如圖11所示。本文的設計還經過了貨運飛船的在軌飛行使用驗證，通過一體化網絡下行的高清圖像清晰流暢(見圖12)，證明了設計的可行性和合理性。

圖9 天地一體化網絡聯試系統Fig.9 Integrated test system of integrated space-ground network

圖10 聯試中貨運飛船訪問地面站服務器Fig.10 Ground station sever access by cargo spacecship in integrated test

圖11 天地間IP包傳輸時延測試Fig.11 IP packets transfer delay tests between spacecraft and ground

4 結束語

本文根據航天器天地間數據傳輸的特點，提出了一種適用于航天器的IP網絡，設計了適合天地間通信的網絡協議體系結構和速率控制策略，并進行了驗證，可實現航天器與地面站的IP網絡通信。該IP網絡設計也能為在空間網絡中引入延遲容忍網絡(DTN)[9]奠定較好的基礎。DTN通過在傳輸層使用增加束協議(BP)[10]實現長時延的可靠傳輸，提高傳輸效率。根據該協議的建議，在傳輸層使用UDP，通過UDP封裝BP包，由BP包來提高行星際網絡可靠傳輸的效率。后續將在如何引入并實現BP、利克里德傳輸協議(LTP)[11-12]，以及如何使用BP等協議提高可靠傳輸效率上開展相關工作，并最終將該網絡技術應用到深空探測任務中。

References)

[1] 燕洪成,張慶君,孫勇,等.延遲/中斷容忍網絡技術及其在行星際因特網中的應用[J].航天器工程,2014,23(2):114-123

Yan Hongcheng, Zhang Qingjun, Sun Yong, et al. Delay/disruption tolerant network and its application to interplanetary internet [J]. Spacecraft Engineering， 2014, 23(2): 114-123 (in Chinese)

[2] 沈榮駿.我國天地一體化航天互聯網構想[J].中國工程學，2006， 8(10)：19-30

Shen Rongjun. Some thoughts of Chinese integrated space-ground network system [J]. Engineering Science， 2006， 8(10): 19-30 (in Chinese)

[3] 黃惠明，常呈武.天地一體化天基骨干網絡體系架構研究[J].中國電子科學研究院學報，2015,10(5):460-467

Huang Huiming, Chang Chengwu. Architecture research on space-based backbone network space-ground integrated networks [J]. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology， 2015, 10(5): 460-467 (in Chinese)

[4] 龍吟,朱珂,丁凱，等.天地一體化互聯網絡中航天器網關的設計及實現[J].航天器工程，2016,25(1):77-83

Long Yin, Zhu Ke, Ding Kai， et al. Design and implementation of spacecraft gateway in integrated space-ground network [J]. Spacecraft Engineering， 2016, 25(1): 77-83 (in Chinese)

[5] 謝西仁.計算機網絡[M].5版.北京：電子工業出版社，2008

Xie Xiren. Computer network [M]. 5th ed. Beijing： Publishing House of Electronics Industry, 2008 (in Chinese)

[6] CCSDS. CCSDS 702.1-B-1. IP over CCSDS space links [S]. Washington D.C.: CCSDS, 2012

[7] CCSDS. CCSDS 133.1-B-2. Encapsulation service [S]. Washington D.C.: CCSDS， 2009

[8] CCSDS. CCSDS 701.0-B-3. Advanced orbiting systems-networks and data links-architectural specification [S]. Washington D.C.: CCSDS， 2001

[9] Cerf V, Burleigh S, Hooke A, et al. IETF RFC 4838 delay-tolerant networking architecture [S]. Pasadena: NASA Jet Propulsion Laboratory, 2007

[10] CCSDS. CCSDS 734.2-B-1. Bundle protocol specification [S]. Washington D.C.: CCSDS, 2015

[11] CCSDS. CCSDS 734.1-B-1. Licklider transmission protocol (LTP) for CCSDS [S]. Washington D.C.: CCSDS, 2015

[12] Ramadas M， Burleigh S， Farrell S. IETF RFC 5326 Licklider transmission protocol-specification [S]. Pasa-dena: NASA Jet Propulsion Laboratory, 2007

Spacecraft IP Network Design Used in Integrated Space-ground Network

DING Kai CHEN Song ZHU Ke LONG Yin

(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

In order to use IP (internet protocol) technology to transmit information between spacecraft equipments and to link spacecraft and ground stations, an IP network protocol architecture is proposed based on the characteristics of the links between spacecraft and ground stations to realize integrated space-ground network communications. The Ethernet is used to exchange data between spacecraft equipments, and a space gateway is used to exchange IP packages with ground stations. IP network is used in ground stations, and a ground gateway is used to exchange IP packages with spacecraft. A rate control strategy based on the characteristics of spacecraft data is presented. The control data is transmitted immediately, the video and audio data rate is controlled based on periods, and the experimental data rate is controlled based on IP package. The results of ground simulation and system test show that the spacecraft IP network design mentioned above is suitable for the space and ground station communications links， and can be used in the integrated space-ground network of GEO, MEO or LEO spacecraft and as a reference for the moon and Mars missions.

integrated space-ground network； network protocol architecture； rate control

TP393

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.011

2017-07-20；

2017-07-31

國家重大科技專項工程

丁凱，男，高級工程師，從事航天器測控與通信技術研究工作。Email：dingkai@tsinghua.org.cn。

(編輯：夏光)