SNIS體系研究

劉寶芬

摘 要 空間網(wǎng)絡(luò)IP服務(wù)SNIS對(duì)有效支持多目標(biāo)跟蹤、測(cè)控、通信和導(dǎo)航等全球范圍各種航天任務(wù)有重要價(jià)值。本文對(duì)在空間網(wǎng)絡(luò)中建立端到端的IP通信服務(wù)進(jìn)行了需求分析，給出一種SNIS體系結(jié)構(gòu)，可支持所有IP協(xié)議，包括移動(dòng)IP、通過(guò)中繼系統(tǒng)的單點(diǎn)接入、多點(diǎn)接入和按需接入射頻連接等，描述了所建立的SNIS系統(tǒng)支持航天任務(wù)數(shù)據(jù)通信的場(chǎng)景和過(guò)程。

關(guān)鍵詞 SNIS 網(wǎng)絡(luò) 衛(wèi)星通信 TDRSS

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

空間網(wǎng)絡(luò)SN（Space Network）指的是多個(gè)航天器在空間因數(shù)據(jù)交換和互操作需要構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其軍用和商用價(jià)值顯著。

空間網(wǎng)絡(luò)IP服務(wù)SNIS（Space Network IP Services）目標(biāo)是建立統(tǒng)一的基于端到端IP通信的空間網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)多異構(gòu)接入系統(tǒng)之間應(yīng)用的互通。目前，美宇航局NASA正致力于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。本文以此為背景，分析和研究SNIS的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，從而為我國(guó)建立類似的SNIS提供參考。

1 空間網(wǎng)絡(luò)模型

典型的空間通信系統(tǒng)涉及任務(wù)航天器、跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System）、地面站、任務(wù)控制中心MOC（Mission Operations Center）以及地面通信網(wǎng)絡(luò)等。其中，地面站、任務(wù)控制中心之間通過(guò)基于Ineternet協(xié)議的封閉工作網(wǎng)絡(luò)IONet（Internet Protocol Operational-Network Internet）相互通信。航天器之間、航天器與地面之間使用無(wú)線射頻交互。低軌道航天器與地面站之間保持直接通信聯(lián)系的時(shí)間比例很低，因此通常使用同步軌道衛(wèi)星TDRSS系統(tǒng)作為中繼。

通常，MOC和地面站之間使用IONet類型網(wǎng)絡(luò)。它們之間信息交互數(shù)據(jù)接口使用IP、TCP/IP或UDP/IP，但I(xiàn)ONet不能為航天器提供IP連接。航天器與端用戶之間沒(méi)有可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎P協(xié)議。因此，用戶必須提前知道所有航天器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源和目標(biāo)地址。如果需要分發(fā)遙測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須首先路由到預(yù)定義位置（通常為MOC）然后再分發(fā)。通過(guò)MOC中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的延遲，對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不能接受的。

IP端到端通信不但能使所有網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間實(shí)現(xiàn)應(yīng)用級(jí)互通，而且可利用大量成熟的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工具，可減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、集成和測(cè)試成本，提供靈活的可擴(kuò)展性。

2 空間IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

若要實(shí)現(xiàn)SNIS，使得它的IP服務(wù)能夠提供與其他空間網(wǎng)絡(luò)服務(wù)同等的可靠性，則必須建立兩種基本類型的接口：（1）面向商業(yè)化路由器的接口。在SNIS呈現(xiàn)點(diǎn)（本文稱為SNIS-POP）與射頻設(shè)備所建立的連接，必須以標(biāo)準(zhǔn)串行端口接口形式提供給路由器。一旦實(shí)現(xiàn)這一接口，所有路由、移動(dòng)IP以及在標(biāo)準(zhǔn)路由器中的其他協(xié)議，就都能在TDRSS射頻鏈路上實(shí)現(xiàn)。第二類面向SNIS-POP調(diào)度、監(jiān)視和控制系統(tǒng)的接口。這些接口允許SNIS用戶以標(biāo)準(zhǔn)接口方式，調(diào)度其服務(wù)、監(jiān)視其運(yùn)行狀態(tài)。SNIS本質(zhì)上是位于TDRSS低率用戶數(shù)據(jù)流和封閉的IONet之間附加的新數(shù)據(jù)路徑，其目的并非取代現(xiàn)有的任何數(shù)據(jù)服務(wù)，而是作為支持將來(lái)新任務(wù)的可選方法。

3 空間IP服務(wù)

由于SNIS合并了驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)分布的數(shù)據(jù)和多種用于商業(yè)的IP協(xié)議及其應(yīng)用，因此只要航天器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)或子網(wǎng)連接到SNIS網(wǎng)絡(luò)上，就能實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P端到端通信。以下主要介紹幾個(gè)簡(jiǎn)單的工作場(chǎng)景：

（1）安全

所有與航天器相關(guān)的任務(wù)必須在安全的狀態(tài)下進(jìn)行，即使這些任務(wù)只限于地面IONet上。還需要其它一些安全保護(hù)措施，如端到端IP采用的VPN（virtual private network 虛擬局域網(wǎng)）、IPSec以及針對(duì)安全I(xiàn)nternet使用的措施和機(jī)制。

（2）移動(dòng)連接

SNIS支持移動(dòng)IP協(xié)議和移動(dòng)路由標(biāo)準(zhǔn)，允許用戶航天器的數(shù)據(jù)路徑在一次TDRSS事件的開(kāi)始即被自動(dòng)設(shè)置。移動(dòng)IP信道僅僅用于前向鏈路數(shù)據(jù)路由，任何返向鏈路數(shù)據(jù)只要數(shù)據(jù)包到達(dá)SNIS-POP的任何一個(gè)路由器，數(shù)據(jù)即被發(fā)送。這是因?yàn)槲挥赟NIS-POP的路由器已經(jīng)擁有了一個(gè)合法的目標(biāo)地址。因此，支持返向鏈路數(shù)據(jù)路由模式的普通路由鏈路能自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)而不需要提前配置或獲得移動(dòng)IP。

（3）告警

SNIS用戶能夠發(fā)送一個(gè)告警信息，此信息將直接從地面站經(jīng)路由發(fā)送到一個(gè)預(yù)定的目的地，如果支持多點(diǎn)傳送，可發(fā)送到多個(gè)目的地。將IP數(shù)據(jù)路由和TDRSS需求接入系統(tǒng)返向鏈路相結(jié)合，能夠使航天器在網(wǎng)絡(luò)上時(shí)時(shí)地向任何目標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4）虛擬交聯(lián)

IP航天器數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址可以是其他航天器或平臺(tái)。如果兩個(gè)航天器，即使它們?cè)诘厍虻膬蓚?cè)仍然可以通信，如同有一個(gè)交聯(lián)。只要兩個(gè)航天器同時(shí)連接網(wǎng)絡(luò)，他們之間的通信類似于任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通信。

（5）數(shù)據(jù)文件傳輸

在航天器上執(zhí)行可靠文件傳輸是一種普通操作需求，這種需求也同時(shí)針對(duì)Internet用戶，因此有許多基于IP文件傳輸?shù)膮f(xié)議，主要用于UDP和TCP。

4 結(jié)論

SNIS技術(shù)的發(fā)展正處于起步階段，它在通信延時(shí)、帶寬和誤碼率等方面還存在著巨大的變度。新的高級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不僅要求解決高延時(shí)、低帶寬和高誤碼率問(wèn)題，而且還要考慮延時(shí)、帶寬和誤碼率的可變性。因此，SNIS需要在發(fā)展中不斷完善，同時(shí)也需要一個(gè)可靠的TDRSS系統(tǒng)作為支撐。我國(guó)在這方面剛剛起步，首先需要建立一個(gè)綜合應(yīng)用的中等性能TDRSS，在這個(gè)平臺(tái)的支撐下，SNIS技術(shù)才能夠得到充分的應(yīng)用。