基于IPv6和空間包協議的空間路由策略設計與分析

齊征 安秀枝 何熊文 詹盼盼

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094) (2 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

隨著用戶需求的日益增加和衛星技術的發展，我國提出了構建天地一體化信息網絡的決策，國內包括科研院所、企業、學校等在內的諸多研究單位，都已經在天地一體化信息網絡的相關領域獲得了一定的研究成果。衛星組網和互聯互操作屬于其中一個重點研究領域[1]。

目前，我國部分衛星已經應用了空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)的標準，并基于傳遞層的空間包協議實現了星載設備之間的數據互聯互通，即星內網絡中數據的路由轉發[2]。空間包協議完成衛星內部數據的路由所依據的應用過程標志(APID)信息，其長度僅有11 bit，無法攜帶更多信息用于識別不同的衛星信息，導致衛星只能成為一個自治域，無法與其他衛星組網互聯[3]。IPv6因其地址和報文格式的新特性，將逐步成為主流網絡協議，其成熟性和穩定性已經在地面網絡應用中得到驗證，能夠滿足局域網、城域網和廣域網中IPv6設備的組網需求。為了充分利用成熟的組網技術，統一組網協議，提高設備的通用性和靈活性，降低研制成本，IPv6即使存在實現復雜度高、耗用資源多等限制因素，還是成為實現衛星之間的動態組網和數據路由的必然選擇[4-5]。

目前，國內外基于IPv6和空間包協議實現星內星間一體化組網與互聯互操作的相關研究成果，還未有相關報道。本文針對天地一體化信息網絡的建設需求，研究基于現有IPv6和空間包協議實現星內星間一體化組網與互聯互操作，并提出了合理可行的空間路由策略。

1 策略設計

空間包協議已經成功應用于星內網絡的組網路由，同時IPv6又擁有跨網段組網路由的優勢，因此可以考慮將2種協議通過某種方式進行融合，從而在真正意義上實現星內網絡與星間網絡的一體化組網與互聯互通。本文設計的空間路由策略，借鑒地面互聯網中IPv4與IPv6的隧道機制，將空間包作為IPv6的負載進行跨星傳送。這一策略的實施，需要按照協議標準化要求對協議進行格式化定制，還要2種協議之間具備一定的映射規則，并最終在網關設備上實現。

1.1 IPv6協議定制

IPv6協議的組網應用，重點在于其地址格式，而本文對IPv6協議的定制也體現在IPv6的地址格式[6]，格式定制如圖1所示，圖中所示的各字段意義見表1。該IPv6地址格式，可以定位任何一顆衛星及其內部各子網內的任何一個IPv6設備，且當前格式僅利用標準IPv6地址高8 byte的部分字段，與標準IPv6地址格式不沖突，可以兼容。

1.2 協議信息映射表

IPv6與空間包協議的融合和轉換，重點在于2種報文格式映射關系的建立，示例見表2，將APID與IPv6地址進行一一映射。

表2 協議信息表Table 2 Protocol information map

1.3 協議體系設計與配置

通過上述分析可知，衛星內部的空間包如果要跨星傳輸，則需要空間包向IPv6作負載填充，由后者完成星間的組網和數據路由。2種協議的實現和部署，需要由對應的星載或地面網關設備完成。基于該策略的設計思想，同時參考CCSDS空間通信協議體系[7-9]、航天器接口業務(SOIS)通信協議體系[10]、地面因特網協議體系，以及智能化航天器綜合電子系統體系架構[11-12]，得到如圖2所示的協議體系示意。

本文主要關注圖2中虛線以上部分，即IPv6、UDP及空間包協議；虛線以下部分涉及到具體的實現方式，屬于底層鏈路層協議，本文不作重點關注。由圖2協議體系可知，空間包協議既可作為空間通信協議的業務負載，用于星間通信(圖2中①?③和②?③通路所示)；也可直接作為SOIS傳遞層的路由協議，用于星內通信(圖中①通路所示)。其中，①→③通路所示的協議操作為本文研究的重點。當星內空間包需要星間通信時，星內數據向星間傳輸的處理流程為：首先，空間包協議解析空間包的目的APID；然后，查詢協議信息表，獲取與目的APID對應的設備IPv6地址，將空間包和目的IPv6地址傳遞給IPv6協議；最后，IPv6協議按照目的IPv6地址和自身IPv6地址封裝IPv6報文，再進一步通過③所示的空間通信協議體系構建鏈路層幀并跨星通信。

注：①表示SOIS協議體系，②表示地面因特網協議體系，③表示CCSDS空間通信協議體系。IPoC為IP over CCSDS， TTE為時間觸發以太網，AOS為高級在軌系統。

圖2 協議體系示意

Fig.2 Schematic diagram of protocol system

2 實例驗證與分析

2.1 演示驗證系統

本文提出的基于IPv6和空間包協議的空間路由策略，可由真實星載設備和模擬設備搭建的驗證系統，基于典型應用實例進行驗證。星地星間組網拓撲及星內網絡拓撲示意如圖3所示。圖3中，地面站通過星地鏈路與衛星互聯，不同星座系統的衛星間通過星間鏈路互聯，星地星間按照CCSDS空間通信協議體系進行通信。星載路由器作為衛星的網關設備，按照上述協議體系部署協議軟件，與其他星載設備通過SOIS協議體系和因特網協議體系進行通信。其中，星載路由器每個接口都對應一個鏈路子網，不同子網內可以部署不同的傳輸總線，并根據總線類型搭建子網拓撲，總線上的直連設備都屬于同一子網。例如：設備1和設備2屬于1號子網，IPv6地址的星內子網標志為1；設備3和設備4屬于2號子網，IPv6地址子網標志為2；3～4號接口通過激光鏈路與其他衛星組網互聯。

圖3 典型拓撲示意Fig.3 Schematic diagram of typical topology

依據圖3中所示的典型拓撲結構，利用星載設備和模擬設備搭建演示驗證系統，如圖4所示。圖4中，星地無線通信鏈路由地面以太網模擬，星間無線通信鏈路由激光終端模擬，星內通信鏈路由TTE搭建。各設備的協議配置和模擬對象如表3所示，其中所有設備都具備唯一的APID，以此保證表2所示協議信息表的一一映射關系。此外，星載路由器設計為轉發卡、CPU卡和TTE卡3個模塊。轉發卡執行AOS鏈路幀的路由轉發，CPU卡執行協議的軟件操作，TTE卡通過以太網與星內其他TTE設備通信。

圖4 演示驗證系統拓撲Fig.4 Topology of demonstration and verification system表3 演示驗證系統信息Table 3 Demonstration and verification system information

設備名稱部署協議體系模擬對象 主控計算機 SOIS通信協議、CCSDS空間通信協議地面站組網衛星模擬計算機1 CCSDS空間通信協議整星組網衛星模擬計算機2 CCSDS空間通信協議整星 星載路由器 CCSDS空間通信協議、SOIS通信協議、傳輸控制協議(TCP)/IP協議星載網關設備 TTE交換機 無星載交換機 成像模擬計算機 SOIS通信協議、TCP/IP協議星載信息處理機

2.2 驗證結果及分析

以上述演示驗證系統環境為基礎，設計主控計算機向成像模擬計算機上注成像遙控指令的實例。該實例涉及到星地、星間、星內一體化組網通信的數據流，如圖5所示，數據流流轉過程如下。

(1)主控計算機首先通過SOIS協議封裝空間包，由空間包協議路由得到下一跳鏈路，按照包應用標準(PUS)業務→空間包→UDP→IPv6→IPoC→封裝業務→AOS”的CCSDS空間通信協議流程封裝AOS幀(目的IPv6地址為星載路由器CPU的IPv6地址，目的APID為成像模擬計算機)，后經地面以太網(介質訪問控制(MAC)幀封裝AOS幀)上傳至組網衛星模擬計算機2。

(2)組網衛星模擬計算機2按照CCSDS空間通信協議解析得到IPv6報文，依據地址掩碼長度和衛星標志查詢路由表轉發IPv6報文至組網衛星模擬計算機1。

(3)組網衛星模擬計算機1同樣查詢路由表轉發IPv6報文至目標衛星的星載路由器。

(4)首先，目標衛星的星載路由器路由轉發卡依據目的IPv6地址中的衛星標志和星內子網標志，轉發至CPU；然后，由CPU解析IPv6報文得到空間包，依據空間包協議和目的APID得到下一跳節點的鏈路地址；最后，CPU按照TCP/IP協議封裝以太網幀，經過TTE卡和TTE交換機傳送至成像模擬計算機。

(5)成像模擬計算機解析得到的空間包，驗證目的APID為自身標志，解析遙控指令并執行指令。

注：Eth為以太網。 圖5 實例數據流Fig.5 Dataflow diagram of example

本文的空間路由策略重點關注協議和功能的實現與驗證，由于當前物理環境的資源限制和軟硬件實現存在一定難度程度，且試驗環境還不支持性能測試，因此目前無法通過直觀的試驗結果進行定量展示，案例僅從定性角度進行了驗證和分析。此外，本文提出的策略還有以下不足：若不同衛星內的設備或主機具備相同的APID，則協議信息表無法保證APID與IPv6地址的一一映射，空間包還需要攜帶具備星間唯一性的標志，才能實現局部信息向全局信息的靈活轉換。

2.3 后續研究內容

鑒于本文策略存在的上述不足，后續還要開展以下研究工作。

1)空間包格式定制

為了提升目的信息尋址的靈活性，考慮定制空間包格式，將部分信息攜帶在空間包中。由于遙控遙測副導頭中的數據源標志與數據宿標志均為可選且長度可變，目前僅使用了11 bit表征源APID和目的APID，這2個字段攜帶的信息不具備全局意義。為此，副導頭定制格式如圖6所示，副導頭數據標志中添加了源航天器標志(SCID)和目的SCID，該標志能夠識別任意一個航天器，具備空間網絡全局通信意義，且該2字段均為2 byte，足以滿足未來衛星的數量擴展需求。此外，航天器標志與圖1所示IPv6地址的“衛星標志”字段長度一致，保障信息轉換正確性。標志意義如表4所示。

注：Ack為確認字符。 圖6 副導頭格式定制Fig.6 Secondary header format customization

表4 實例中報文字段意義Table 4 Packet field meaning in example

2)協議信息表完善

表2所示的協議信息表，只能在APID具備星間唯一性且信息量少的前提下使用，這與星載設備的實際部署是不相符的。因此，為了降低該表對存儲空間的占用量和滿足APID僅具備星內唯一性的要求，應對表2內容進一步完善，完善后如表5所示。表5中，網絡地址標志表征IPv6地址類型，衛星標志表征衛星的標志信息，星內子網標志表征衛星內部網關設備接口所連接的子網編號，APID表征衛星內部具體的設備或主機標志。

通過定制空間包格式和完善協議信息表，能擴展APID和IPv6地址信息的映射關系，提升協議信息轉換的靈活性。即使APID只具備局部意義，依據本文提出的策略也依然能高效的解決星內星間一體化組網通信的問題。

表5 實例中協議信息表Table 5 Protocol information map in example

以上述優化措施為基礎，圖2中①→③通路所示的星內空間包向IPv6轉換的流程如下：首先，空間包協議解析空間包攜帶的目的APID和目的SCID；然后，查詢協議信息表，獲取與目的APID和目的SCID對應的網絡地址類型、星內子網標志，并將目的APID、目的SCID、星內子網標志和網絡地址類型4個參數傳遞給IPv6協議；最后，IPv6協議按照目的IPv6地址和自身IPv6地址封裝IPv6報文后，進一步通過空間通信協議組鏈路層幀并跨星通信。

3 結束語

在構建天地一體化信息網絡的背景下，本文在分析了衛星組網需求及IPv6和空間包協議的特點和應用情況基礎上，通過IPv6格式化定制和建立協議信息表，設計了能夠滿足星內星間一體化組網需求的路由策略，并在地面演示驗證系統中通過典型的路由應用實例驗證了策略的可行性。后續將對目前存在的不足進行修改和完善，并繼續在地面演示驗證系統中進行實現和可行性驗證，以進一步提高該策略的合理性、靈活性、通用性和可靠性，為天地一體化信息網絡建設奠定技術基礎。