基于IP的遙測網傳輸綜述

羅煜繽 李 洪 周廣銘 路 娟

(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.中國航天科技集團有限公司，北京 100048)

1 引 言

在上世紀后期，以脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation, PCM)幀格式為基礎的包交換網絡憑借其優異的性能及可靠性，已經在地面遙測系統服役了數十年之久。但隨著遙測數據體量的不斷增大，傳統基于PCM幀的包交換網絡性能逐漸趨于飽和，無法滿足未來的發展需求。而在民用領域，光纖等傳輸介質和IP網絡技術的普及，給地面遙測網的升級換代提供了機遇。于是，早在2006年之前，美國靶場司令委員會(Range Commanders Council, RCC)的電信時序工程組(Telecommunications and Timing Group, TTG)就開始致力于制訂一個基于IP協議的串行遙測信號傳輸的標準，以填補美國靶場儀器組(Inter-Range Instrumentation Group, IRIG)IRIG 106標準第四章中關于該領域相關描述的不足；在2007年時，RCC TTG發布了第一版基于IP的遙測網傳輸(Telemetry Transmission over Internet Protocol, TMoIP)標準IRIG 218-07；后經數次修訂與升級，發布了IRIG 218-10、IRIG 218-P和IRIG 218-18等多個版本；2020年初發布了最新升級的IRIG 218-20，使得TMoIP技術愈發完善。

使用TMoIP技術可以帶來以下幾個優勢：IP技術的普及和設備的不斷更新換代，使得網絡性能不斷提升的同時費用開銷卻在不斷降低；IP技術的從業人員及相關企業很多，其能提供豐富的技術支持，避免出現專業技術人員稀缺的情況；IP技術提供了無連接的傳輸方式，在方便網絡配置的同時提供了多播傳輸的能力，從而節省傳輸帶寬；利用IP技術使得PCM包能夠輕松地在電腦等設備上存儲和展示。

目前國際上對TMoIP技術的研究仍處于探索和完善階段，有一些廠商例如GDP Space System公司已經研發出了完整的配套設備，例如網關、PCM-IP轉換器、交換機/路由器等，且RCC也在根據廠商的反饋不斷改進相關標準。反觀國內目前還沒有與此技術相關的論文及研究成果，于是本文在總結和梳理國外研究成果的基礎上，對該技術的概念與范疇、發展歷程及技術實現等方面進行了詳細闡述，希望能對國內研究者發展下一代地面遙測網提供一定的參考。

2 TMoIP的概念與范疇

TMoIP主要解決的是地面包交換網絡使用IP技術傳輸遙測數據時所遇到的問題，其服務的主體是地面遙測網，例如各遙測地面站之間的通信或遙測地面站與數據存儲中心或數據處理中心之間的通信。圖1展現了一個使用TMoIP技術的簡單場景：遙測設備產生一個PCM包流，通過網絡處理器封裝為TMoIP包流，然后通過地面遙測網路由交換到達收端處的網絡處理器對包進行拆解，轉化為PCM包流再輸出到收端處的遙測設備。從該流程中可以看出，整個地面遙測網的交換路由過程使用的都是TMoIP包，只需在現有IP設備上對軟件稍作更改即可適配，無需專門研發新設備，因此整個框圖中的核心是網絡處理器，其功能是實現PCM包與TMoIP包的相互轉化，這也是TMoIP標準所解決的關鍵問題。

圖1 TMoIP遙測網功能框圖

隨著對TMoIP技術的深入研究，網絡場景的刻畫也更加復雜。在IRIG 218-18中引入了一些新功能，進而得到改進后的TMoIP遙測網功能框圖，如圖2所示：輸入端增加了比特同步捕捉器專門用于比特同步、增加了接收機直接接收其他TMoIP設備輸出的包；輸出端增加了最佳源選擇器挑選出想要的包以保證實時性和準確性、增加軟件解調器用于直接對包進行解析并在顯示設備上輸出、增加IP解密器對有需要解密的包進行解密。由此也可以看出TMoIP技術的引入為地面遙測網功能的擴展提供了更多的可能性。

圖2 TMoIP遙測網功能框圖改進

在上面的介紹中提到，TMoIP技術所解決的關鍵問題是建立PCM包與TMoIP包的相互轉化機制，其本質是IP技術的升級，除引入TMoIP控制字以外使用的都是現有的成熟技術。IRIG 218-20標準中的TMoIP控制字位于OSI七層模型中的表示層，位于TCP/IP五層模型中的應用層。圖3給出了TMoIP技術用TCP/IP五層模型表示的框圖：物理層和數據鏈路層按Ethernet(IEEE 802.3)協議的規定進行設置、網絡層使用IP協議、傳輸層使用UDP協議、應用層使用TMoIP協議。對于各層協議的選取理由和技術細節將會在后面進行介紹。

圖3 TMoIP的五層模型表示

3 TMoIP的發展歷程

TMoIP技術從誕生走向完善至今已歷經了十余年。首先來看標準的升級歷程，前面已經提到，最早于2006年之前RCC TTG就著手于TMoIP標準的制訂，并在2006年發布了第一個初稿；2007年，RCC TTG發布了第一版基于IP的遙測網傳輸標準IRIG 218-07，重點闡述了TMoIP技術的概況和OSI七層模型中各層協議的具體構筑，包括各層幀頭的字段類型與描述以及設定的依據；2010年RCC TTG發布了IRIG 218-07的升級版IRIG 218-10，增加了TMoIP技術管理方面的內容，包括QoS保證、網絡性能評估、IPV6及多播支持等；2016年第52屆國際遙測年會(International Telemetering Conference, ITC)上探討了IRIG 218-10的升級事宜，重點是增強實時傳輸的能力；2017年在第53屆ITC上發布了IRIG 218-10的升級內容，即IRIG 218-18，刪除了不必要的Alarm字段，增加了負載類型、幀同步狀態和時間戳字段，用于區分業務、保障傳輸的實時性以及PCM時鐘信號的恢復；2020年，RCC TTG發布了最新的IRIG 218-20標準，在IRIG 218-18的基礎上刪去了長度字段，增加了子幀同步狀態和時間戳參考源類型的字段，進一步增強了實用性；IRIG 218系列中間還有一個版本叫做IRIG 218-P，這里的P是單詞Proprietary的縮寫，該標準主要由廠家為特定應用所設計。

接下來介紹研究人員為傳播和改善TMoIP所做的努力。2007年在第43屆ITC上，Brian等人對TMoIP標準的初稿進行了梳理和重點描述；2008年在第44屆ITC上，Kenney等人對TMoIP具體實現中可能涉及的關鍵技術點進行了分析和闡述；2009年在第45屆ITC上，Andy對傳統架構中使用異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode, ATM)的網絡轉換為使用TMoIP技術的以太網給出了具體的方法及建議；2013年在第49屆ITC上，Bob在應用層面提出了TMoIP的一個全新架構，為TMoIP的具體應用實施提供了參考；2014年在第50屆ITC上，GDP Space Systems公司的Richard從工程應用的層面為工程師們提供了TMoIP的技術手冊，包括其優點、問題、解決方案及未來的發展趨勢等；2015年在第51屆ITC上，Bob探討了下一代TMoIP可能具有的特點：流監測、錯誤恢復、元數據、存儲媒介管理、應用流量的瞬時分配等；2017年在第53屆ITC上，Thom根據工程實踐的經驗提出了IRIG 218-10改進后的一種形式，主要內容是增加了時間戳及幀同步狀態，提高網絡流量監測及時鐘再生的能力，這剛好與IRIG 218-18的主題思想不謀而合；2018年在第54屆ITC上，GDP Space System公司的Richard給出了TMoIP從IPv4遷移到IPv6版本下會遇到問題及解決方案。

總的來看，TMoIP適用的場景在不斷擴大且趨于多元化，其理論也在為適配各種不同的應用場景而日趨完善。IP技術的引入為傳統地面遙測網增添了許多可能性，許多不可能完成的功能也將得以實現，例如將地面遙測網與互聯網通過網關連通，從而實現遙測圖像的低延遲實時轉播。隨著IP技術、傳輸媒介及以太網技術的不斷發展，TMoIP的性能將不斷地提升，適用場景也將不斷地擴大。

4 TMoIP的技術實現

TMoIP的技術實現將以最新的IRIG 218-20標準作為參考，主要是對各層幀頭的構成及技術要點進行描述。按照TCP/IP五層模型可分為五個部分：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層及應用層，其中遙測終端只有物理層，用于PCM信號的輸入與輸出。對于遙測終端產生的PCM信號，在傳輸到網絡處理器后，從應用層的接口進入，經過五層模型自上而下的封裝，最終由物理層輸出TMoIP信號；而通過地面遙測網路由交換到達網絡處理器的TMoIP信號，經過物理層從下到上逐層按照協議解析包，最后從應用層輸出帶時鐘的PCM信號，其信號流動方向的直觀展示參見圖4。下面將自上而下分別闡述每一層的功能、構造及技術要點。

圖4 TCP/IP五層模型信號流動示意圖

4.1 應用層

應用層的主要功能是將外部接口接收到的串行遙測數據流轉化為代表原始數據的數據包格式，并為這個原始數據包增加一個TMoIP控制字；或者是從下層接口處接收到的包拆解掉TMoIP控制字，重新生成時鐘信號，進而將包流轉化為串行遙測數據流。應用層的控制字組成如表1所示，直觀構造參見圖5。

表1 TMoIP218-20控制字Tab.1 TMoIP218-20controlword字段比特數描述VER4版本識別號:“0010”代表218-20PLD2負載類型,分為以下四種:“00”代表未幀同步;“01”代表PCM幀同步的第一個或唯一一個包;“10”代表DQE幀同步的第一個或唯一一個包;“11”代表連續包幀同步;mFSS2子幀同步狀態(不適用于PLD=“00”):“00”代表搜索;“01”代表檢查;“10”代表鎖定;“11”代表“失鎖”MFSS2主幀同步狀態(不適用于PLD=“00”):“00”代表搜索;“01”代表檢查;“10”代表鎖定;“11”代表“失鎖”RES5保留字段TSR1時間戳的參考源:“0”代表協調通用時間;“1”代表國際原子時鐘SEQNUMBER16序列編號TIMESTAMP6464位的時間戳,使用PTP格式,包括32位的秒域、2位保留和30位納秒域參考時間起點為1970年1月1日00:00

圖5 TMoIP 218-20控制字

由于時間戳的引入，相比于IRIG 218-10多了8個字節，而之所以加入時間戳主要是起到以下兩方面的作用：一是用于時鐘恢復，由于PCM數據流是包含時鐘信息的，那么在TMoIP包轉化為PCM信號的時候，需要再次生成時鐘信號，通過計算流量來生成時鐘是不穩定的，而使用時間戳則能很好地解決這個問題；二是用于定時發送，在地面遙測網絡中，由于組包耗時和不同路徑傳輸耗時的不同，會導致接收端接收到的多個包出現不同相移的情況，因此會根據組包耗時和路徑傳輸耗時之和的最大值來確定一個統一時延，從而保證接收端收到的包相位一致。

在應用層組包方面還有一個需要重點考慮的因素，那就是包大小。如果組成較小的包進行發送，就會導致較高的幀頭開銷，但是換來了低延遲、低時延抖動以及高采樣率的時鐘恢復；如果組成較大的包，會提高數據的傳輸效率，但在延遲和時延抖動方面不夠理想。綜上，在包大小的選取方面需要根據應用需求進行折中考慮。

4.2 傳輸層

傳輸層的功能是增加端到端的通信控制來保證數據傳輸的可靠性。在TCP/IP協議中有兩種選擇，分別是TCP和UDP，在TMoIP中使用的是UDP協議。之所以使用UDP是因為TCP是一種需要事先建立連接的協議，而UDP是一種無連接的傳輸協議，不需要經過事先握手。雖然UDP無法通過重傳來保證傳輸的可靠性，但是它的好處是只需要單向鏈路即可通信；較低的時延和較小的幀頭開銷；支持多播，從而提升帶寬的利用效率。其中低時延特性帶來的實時性保障正是在遙測系統中所需要的，相比之下TCP的重傳機制消耗了更多的資源并且帶來了更多的時延。不過在IRIG 218-20中也提到未來可能會因為某些場景的加入而引入TCP。在TMoIP中規定的UDP幀頭定義如表2所示。

表2 UDP頭部定義Tab.2 UDPheaderfielddescription字段字節數描述SourcePort2發送進程的端口號DestinationPort2接收進程的端口號UDPLength2UDP報文的長度UDPChecksum2UDP頭部加上數據的校驗和

4.3 網絡層

網絡層的功能是提供路由能力，在TMoIP 218-20中規定使用的是IPV4協議，根據源節點和目的節點的IP地址，網絡中的路由器進行中繼轉發從而形成一條傳輸路徑，并且根據目的節點IP地址的不同還可以實現單播、多播和廣播的功能，在TMoIP 218-20中支持單播和多播。其IP幀頭定義如表3所示。

目前TMoIP 218-20使用的仍是較老的IPV4協議，因為現有的商用設備大多僅支持IPV4。但隨著入網設備數量的增加、IPV6協議的普及以及部分地面遙測網絡與互聯網的逐步互通，現在已經將TMoIP升級至支持IPV6的相關事項提上了日程，前面發展進程中也提到目前GDP Space System公司正在研發支持IPV6的TMoIP設備。

IPV6相比IPV4主要有以下幾個方面的優勢：更大的地址空間從而容納更多的入網設備；不再需要DHCP以及NAT，從而減少設備復雜度；雖然幀頭變大了，可是字段數目變少了，使幀頭更加簡潔；更好地支持多播功能；使用IPV6中特有的流動標簽字段實現更簡潔更高效的路由，使用流量分級字段實現更細的QoS支持；更加靈活且具有可擴展性，可通過擴展幀頭來增加內置身份認證和隱私保護支持。

表3 IP頭部定義Tab.3 IPheaderfielddescription字段字節數描述Version1比特0-3為版本號HeaderLength比特4-7為IP頭長度TypeofService1對于特定流量設定QoS等級TotalLength2IP包的總長度ID216位的IDFlagsFragmentOffset2比特0-3為標記比特4-15為分段偏移TimetoLive1一個包在被路由器銷毀之前在網絡中的最大跳數ProtocolType1被IADA注冊表定義的協議類型HeaderChecksum2IP頭循環冗余校驗SourceAddress4源IP地址DestinationAddress4目的IP地址

4.4 數據鏈路層

數據鏈路層的功能是對從網絡層接收到的包進行再封裝，從而實現對等層的可靠傳輸，包括差錯檢測和流量控制。在TMoIP 218-20中規定使用的是以太網協議(IEEE 802.3)，其字段構成如表4所示。

表4 以太網頭部定義Tab.4 Ethernetheaderfielddescription字段字節數描述EthernetDestAddr6以太網目的地址EthernetSrcAddr6以太網源地址802.1QLength/Type2表明當前幀包含虛擬局域網(VLAN)標志VLANTagControlInfo2比特0-2:用戶優先級字段比特3:規范格式指示標志(CFI)比特4-15:VLAN指示器(VID)Length/Type2設定為0x0800(IPV4)EthernetFCS4通過以太網物理層片段產生的以太網幀校驗序列

在該頭部中關于IEEE 802.1Q的字段有4個字節，該協議通過VLAN的劃分使得相同物理鏈路上得以傳輸相互獨立的網絡流量；用戶優先級字段提供了IEEE 802.1p中規定的QoS保障，支持8種服務分級。此協議非必選，若不使用IEEE 802.1Q則可以在幀頭中去掉相關的4個字節。

4.5 物理層

物理層的功能是負責與傳輸介質的連接，并定義物理接口和信號的電氣規格。在TMoIP中主要使用的是以太網協議(IEEE 802.3)中相關的物理層機制，主要包括的類型如表5所示。

表5 物理層可選機制Tab.5 Physicallayeroptionalmechanism名稱標準描述100BASE-TX802.3u支持100Mbps的銅線/雙絞線傳輸100BASE-FX802.3u支持100Mbps的光纖傳輸10BASE-T802.3i支持10Mbps的銅線/雙絞線傳輸10BASE-F802.3j支持10Mbps的光纖傳輸1000BASE-X802.3z支持1000Mbps光纖傳輸的千兆以太網1000BASE-T802.3ab支持1000Mbps雙絞線傳輸的千兆以太網

原始的PCM信號，經過TCP/IP五層模型從上到下的處理和封裝后，轉化為TMoIP信號從物理層接口輸出，歷經一系列傳輸后又從另一個網絡處理器的物理層接入，從下到上對包進行解析，最終恢復出原始的PCM信號，這就是五層模型的作用。根據實際應用場景的不同，可選擇僅運行PCM與TMoIP信號之間的單邊轉換，以實現特定的功能。

5 結束語

TMoIP技術的引入為地面遙測網的更新換代提供了重要的理論參考，其具有提升系統容量、降低系統復雜度、增強系統可擴展性和可維護性等優勢。目前國際上對該技術的研究發展正不斷深入，這也迫切要求國內遙測系統的研究者緊跟其發展的腳步。于是本文總結了歷年國際遙測年會的相關論文及標準文獻中關于TMoIP技術的描述，梳理了其發展進程和研究現狀，利用TCP/IP五層模型對其技術實現及相關要點進行了重點闡述。從遙測系統發展的全局角度來看，TMoIP技術能在不影響現有地面遙測網整體架構的基礎上逐步替代和升級網絡中的設備設施，提高網絡的性能，具備可實現性。當前協議研究已較為完善，下一步的工作是擴充TMoIP的使用場景、研發相應的硬件設備以及開發相應的軟件，從而將TMoIP技術真正地落實落地。