天地一体化互联网络中航天器网关的设计及实现

龙吟朱珂丁凯陈淞邓松峰

（1中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）（2上海航天电子技术研究所，上海 201109）

天地一体化互联网络中航天器网关的设计及实现

龙吟1朱珂1丁凯1陈淞1邓松峰2

（1中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）（2上海航天电子技术研究所，上海 201109）

当前空间通信的发展趋势是空间通信网与地面通信网融合，建立天地一体化互联网络的信息传输系统。针对空间数据系统咨询委员会（CCSDS）推荐的基于CCSDS空间链路承载网际协议业务（IP over CCSDS）网关协议转换技术，文章提出一种实现天地一体化互联网络的航天器网关的设计思路，即通过研制航天器网关实现IP协议与CCSDS高级在轨系统（AOS）空间数据链路协议的相互转换，并对服务质量（QoS）保证方法进行了设计。针对航天器网络搭建了测试系统平台，并对高清图像、高质量话音、计算机数据和遥测数据等网络数据的传输进行了测试，测试中通过航天器网关进行传输的所有网络数据包均无丢帧现象发生，文章提出的IP over CCSDS网关可用于构建天地一体化互联网络。

天地一体化互联网络；航天器网关；基于CCSDS空间链路承载网际协议业务；服务质量

1 引言

当前空间通信的趋势是建立天地一体化互联网络的信息传输系统，实现地面通信网和空间通信网的无缝连接［1］。IP技术是目前地面上普遍广泛采用的互联网技术，而高级在轨系统（AOS）是空间数据系统咨询委员会（CCSDS）主流空间链路协议标准，针对这一情况，CCSDS发布了基于CCSDS空间链路承载网际协议业务（IP over CCSDS）［2］的建议书，为航天器和地面系统之间实现在CCSDS空间数据链路协议之上传输IP数据包提供了指南。由于空间和地面底层链路差异较大，因此不可能在链路层采用相同的协议，但网络层可以屏蔽此差异。IP over CCSDS使天地间的通信从网络层开始采用基本一致的协议，实现一体化的端到端通信，不但可以有效利用现有的互联网设施，而且可以在航天器上直接采用现有的地面网络技术和产品，使空间任务的成本大幅度降低。

在航天器上，网关是实现IP over CCSDS天地一体化互联网络的关键设备，通过航天器网关实现IP协议与CCSDS AOS空间数据链路协议的相互转换，从而实现天地网络一体化。目前，国内外对于IP over CCSDS天地一体化互联网络的研究主要处于理论阶段［3－7］，国外仅有“国际空间站”（ISS）实现了IP over CCSDS天地一体化网关，国内尚无航天器实现，也没有见到IP over CCSDS天地一体化互联网关设计的文献。针对支持IP over CCSDS天地一体化网络的网关在未来航天工程上的应用需求，本文提出一种天地一体化互联网络中航天器网关的设计方法，并通过实物和搭建测试系统验证了设计的可行性和优势。

2 需求分析及设计思路

航天器内部的网络终端主要包括交换机、手机和摄像机，网络终端分别通过有线网络接入到接入交换机，若干接入交换机再有线接入至顶层交换机；顶层交换机将网络终端的数据与航天器网关进行交互，航天器网络进行IP协议和CCSDS AOS［8］协议的转换，从而实现航天器和地面的双向数据传输。图1为天地一体化互联网络拓扑结构。其中：航天器子网由航天器网关、顶层交换机、接入交换机和网络终端设备组成，采用IP协议进行内部通信。

图1 天地一体化互联网络拓扑结构Fig.1 Architecture of space－ground integrated network

针对上述需求，本文采用模块化设计思想对航天器网关进行设计，见图2。按照功能划分，航天器网关包括以下模块：电源模块、中心管理模块、用户接口模块、TCP／IP网络通信模块、IP over CCSDS协议转换模块和服务质量（QoS）保证模块。其中：电源模块负责网关的一次电、二次电供电；中心管理模块负责各个子模块的协同工作；用户接口模块负责网关与各用户的数据通信；TCP／IP网络通信模块、IP over CCSDS协议转换模块和QoS保证模块是关键模块，下文分别进行详细介绍。

图2 航天器网关设计框图Fig.2 Designing modules of spacecraft gateway

3 TCP／IP网络通信

根据航天器网关的航天器子网内部的网络通信需求以及天地无线通信需求，设计航天器网关支持的协议栈，具体包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，见图3。其中：数据链路层分别支持航天器子网内部的基于IEEE802.3的通信和天地无线链路间的IP over CCSDS通信；物理层分别支持航天器子网内部的千兆网1000BASE－LX通信和天地无线链路间的通信。

图3 航天器网关协议栈Fig.3 Protocols of spacecraft gateway

针对航天器网关与地面通信的需求，设计三层网络交换功能，具体流程如下。

（1）识别接收数据包的目标IP地址的网段信息，如果在航天器网段范围内，则进行二层交换，否则进行三层交换；

（2）三层交换过程：判断目标IP地址的网段信息，如果是地面网段，就通过航天器通信设备发送至地面，如果是目标航天器，则通过航天器通信设备发送至目标航天器。

针对航天器网关与航天器子网内部的通信，设计二层交换功能，具体流程如下。

（1）当航天器网关从某个端口收到一个数据包时，首先读取包头中的源介质访问控制（MAC）地址，从而获取源MAC地址的机器和端口的连接关系，如果地址信息表中没有源MAC地址，就加入该地址；

（2）读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

（3）如果地址信息表中有与这个目的MAC地址对应的端口，就把数据包直接复制到这端口上；

（4）如果地址信息表中找不到相应的端口，就把数据包广播到除原端口之外的所有端口上；

（5）当目的MAC地址对应的机器对源MAC地址对应的机器进行回应时，就可以又学习到一个MAC地址与端口的对应关系，将其记录到地址信息表中，在下次传送数据时就不必再对所有端口进行广播。

4 IP over CCSDS协议转换

航天器网关中IP over CCSDS执行过程如图4所示，CCSDS AOS的帧格式如表1所示。其中：IP head为网际协议业务头部，IP data为网际协议业务数据内容，MPDU为多路协议数据单元，IPE（IP Extension）表示使用不同分支协议的IP数据，IDLE为空闲区。

图4 IP over CCSDS执行流程Fig.4 Process of IP over CCSDS

表1 CCSDS AOS的帧格式Table 1 CCSDS AOS frame

采用MPDU传输IP包，其数据格式如表2所示。MPDU导头长度为16bit，其中：前5bit设置为备用域，填充为全0；后11bit为首导头指针，直接指向第1个源包的起始位置，根据源包中包长度的标志就可以区分出每个独立的源包。如果MPDU包域的第1个字节就是源包头的第一字节，则首导头指针为0；如果MPDU中不包含源包头，那么首导头指针域设为全1，即“11111111111”；如果MPDU中不包含任何有效的用户数据，即只包含填充包，那么首导头指针域设为“11111111110”；如果一个源包的导头被分在2个MPDU中，即被分割的源包分在第x个MPDU和第x＋1个MPDU中，且该源包是第x个MPDU的第1个源包，那么第x个MPDU的首导头指针域指向这个源包的首地址，若不是第1个源包，则第x＋1个MPDU的首导头指针指向被分割源包的后一个源包头。

IPE由一个或者多个填充字节组成，放置在IP数据包的前端，是CCSDS封装头的延伸，通过IPE的取值，可以标示使用不同分支协议的IP数据，并允许以此解复用。IPE在IPV4协议规定下定义为21H。

航天器网关执行协议转换流程如图5所示，分别为AOS数据帧封装模块和拆分模块的状态机。

表2 MPDU数据格式Table 2 Format of MPDU

图5 AOS数据帧封装模块和拆分模块的状态机Fig.5 State machines of AOS encapsulation module and de－encapsulation module

5 QoS保证方法

为保证天地一体化互联网络的QoS，针对航天器网关进行缓存设计和调度策略设计，保证天地间数据传输的延时、抖动最小，并且效率达到最优化。首先，对天地间前向、返向的数据按照虚拟信道进行分类，如表3所示。IP地址信息与虚拟信道ID是一一绑定的，所以在组帧时要对输入的IP数据进行源IP地址识别，从而得出IP数据包来源的虚拟信道信息。为了完成这一功能，须要在航天器网关内部开辟一段存储空间，用于存放源IP地址与虚拟信道ID的对应关系。在初始化阶段，以6bit的虚拟信道ID为地址在存储器中顺序存储虚拟信道对应的IP地址。在数据传输阶段，在存储器中遍历存储器的地址，将其内容与源IP地址进行对比，查找到源IP地址之后，其对应的存储器地址就是其虚拟信道ID。

航天器网关针对不同传输数据类型进行缓存设计，采用先进先出存储器（FIFO）作为缓存，输入数据缓存如图6所示。航天器网关根据缓存大小发出使能信号：当缓存空时，使能信号为低，允许各用户数据进入缓存等待调度；当缓存满时，使能信号为高，禁止用户数据进入，直到缓存使能信号为低，允许数据发送。

表3 虚拟信道数据单元信息Table 3 VCDU information

图6 输入数据缓存Fig.6 Buffer for input data

当FIFO数据满一帧数据时发出调度请求，请求数据传输。航天器网关接收调度请求，并按照策略进行各个虚拟信道的调度。虚拟信道调度采用的排队模型，是消失制和等待制的混合模型，即在数据帧到达时，如果航天器网关正在处理已经到达的数据帧，则新到达的数据帧在缓存区未满的条件下进入缓存区内等待输出，否则就丢弃该数据帧。

航天器网关的虚拟信道调度过程，采用静态优先级和轮询调度策略相结合的调度模式。虚拟信道调度过程须要提供两路优先级较高的信道，其他信道采用同一优先级的轮询调度策略，这种调度模式设计简单，易于实现。调度模块由多个输入队列和一个输出队列构成，模块首先对优先级高的队列进行查询，而对同一优先级的队列则按一定顺序查询。接受查询的队列获得服务机会，若该队列中有数据包存在，则数据包被添加到输出队列；若该队列无数据，则继续对下一个队列进行查询；若在规定时限内，系统内没有数据包，则填充空闲帧到输出队列。图7为虚拟信道数据单元（VCDU）的调度流程。

调度策略在航天器运行期间可以通过地面上行注入数据的方式改变优先级，以适应特殊任务的需要。假设各返向输入信道的优先级分别为I1，I2，I3，I4，I5，I6，I7，默认优先级关系为I1＞I2＞I3＞I4＞I5＞I6＝I7，则通过注入数据可以实现I1≠I2≠I3≠I4≠I5≠I6≠I7的优先级更换。例如：设置返向输入信道的优先级顺序为VC1、VC4、VC3、VC2、VC6、VC5、VC7，则调度过程见图8。

图7 虚拟信道数据单元的调度流程Fig.7 Process of VCDU scheduling

图8 返向输入信道的调度过程Fig.8 Process of backward input channel scheduling

6 试验验证

根据上述设计方案完成了航天器网关的实物设计，并搭建了航天器网关测试系统平台，见图9。航天器网络以一台交换机作为中心连接各网络设备，航天器上网络设备包括遥测用户、手机、摄像机、计算机，网关接收各个网络终端的IP数据并进行IP over CCSDS协议转换，同时从地面上行数据帧中解析出IP数据包并分发，地面网关完成相反的功能。地面网络构架与航天器网络构架类似，在计算机上安装wireshark网络抓包工具，进行网络流量分析，并用网络图像处理终端和网络话音处理终端分别完成下行图像的解码显示和下行话音的解码播放。另外，使用天地信道模拟设备模拟了天地通信延时。图10和图11分别为地面网络流量分析结果和地面图像解码统计结果，网络丢包率和图像丢帧率均为0。表4为航天器子网内各网络终端的测试结果。可以看出：在演示验证中，5路约8Mbit／s的高清图像均能够正常下传，同时能在天地间进行高质量的话音对话，还可以在天地间建立计算机连接，完成大文件传输，因此，本文提出的IP over CCSDS网关可用于构建天地一体化互联网络。

图9 航天器网关测试系统示意Fig.9 Spacecraft gateway testing system

图10 地面网络流量分析结果Fig.10 Analysis results of network packets received on ground

图11 地面图像解码统计结果Fig.11 Analysis results of video data received on ground

表4 测试结果统计Table 4 Testing result list

7 结束语

本文提出一种天地一体化互联网络中航天器网关的设计方法，并完成了原理样机的设计，实现了航天器网关与航天器子网间的TCP／IP通信，其中的IP over CCSDS的协议转换技术和天地一体化互联网络的QoS保证，可用于航天器与地面系统的网络通信。IP over CCSDS网关的设计与实现，使天地间的通信从网络层开始采用基本一致的协议实现一体化的端到端通信，可以充分利用现有的地面通信网技术和产品，使空间任务的成本大幅度降低。不过，由于往返传输延时对TCP性能的影响，本文提出的航天器网关设计方法只适用于近地轨道航天器，对于实现深空网络通信的网关设计，是下一步的研究方向。

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

（编辑：夏光）

Design and Implementation of Spacecraft Gateway in Integrated Space－ground Network

LONG Yin1ZHU Ke1DING Kai1CHEN Song1DENG Songfeng2
（1Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）（2Shanghai Institute of Aerospace Electronic Technology，Shanghai 201109，China）

The construction of an integrated space－ground data transmission system fusing space communication network with terrestrial one is the trend of space communication.To implement the protocol conversion of IP over CCSDS gateway，a method of protocol conversion between IP and AOS on spacecraft gateway to integrate space－ground networking is proposed，and a method of the guaranteed QoS（quality of service）is designed.To develop the gateway，a testing system based on the gateway is established and different kinds of network data are tested such as highdefinition images，high－quality voice，computer data and telemetry.The result shows that the gateway can be used to transmit all kinds of IP packets without loss，and the proposed IP over CCSDS gateway can be used to establish an integrated space－ground network.

integrated space－ground network；spacecraft gateway；IP over CCSDS；QoS

TP302.1

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.012

2015－04－02；

：2015－05－05

国家重大科技专项工程

龙吟，男，工程师，从事航天器测控与通信分系统研究工作。Email：ly24381＠163.com。