異步消息業(yè)務(wù)在星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的分析

顧明 王向暉 何熊文 朱劍冰

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

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異步消息業(yè)務(wù)在星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的分析

顧明 王向暉 何熊文 朱劍冰

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

傳統(tǒng)的航天器信息交互機制逐漸難以適應(yīng)具有更高復(fù)雜性和動態(tài)性的航天器信息網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用需求。文章針對航天器內(nèi)部及之間信息交換關(guān)系日益復(fù)雜的發(fā)展趨勢，將空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)建議的異步消息業(yè)務(wù)的主要機制和屬性與空間信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化特點相結(jié)合開展分析研究工作，研究異步消息業(yè)務(wù)應(yīng)用于星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)中的特點和優(yōu)勢，給出基于異步消息業(yè)務(wù)解決上層應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動態(tài)變化典型問題的方案和示例，闡述了異步消息業(yè)務(wù)對高動態(tài)星間網(wǎng)絡(luò)的支持效果。研究結(jié)果表明，異步消息業(yè)務(wù)可以解決星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和動態(tài)性兩方面問題。最后對異步消息業(yè)務(wù)在航天器上的工程應(yīng)用與實現(xiàn)提出了建議。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會；異步消息；網(wǎng)絡(luò)

1 引言

航天器的信息系統(tǒng)正在不斷演進發(fā)展，所獲取、處理、利用數(shù)據(jù)信息的種類和數(shù)量不斷增加，可以為航天任務(wù)提供更豐富、更高級的功能支持[1]。隨著信息系統(tǒng)功能的增強，在航天器內(nèi)部，信息的產(chǎn)生者、獲取者數(shù)量增多，而同時它們之間的關(guān)系和交換信息種類極大復(fù)雜化[2]。這對于航天器信息總體設(shè)計、信息系統(tǒng)電子設(shè)備與應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)，以及信息獲取與使用方式都提出了更高的挑戰(zhàn)[3-4]。此外，空間信息網(wǎng)絡(luò)的深入研究和發(fā)展已成為當前熱點，在不同航天器上的信息節(jié)點之間交換數(shù)據(jù)信息的需求也應(yīng)要加以重視[5]，一起參與信息交互的眾多信息產(chǎn)生者和獲取者將會分布在多個航天器上，形成星內(nèi)星間一體化的信息網(wǎng)絡(luò)[6]。

傳統(tǒng)的航天器信息系統(tǒng)中，往往對于某兩個應(yīng)用任務(wù)之間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系必須是預(yù)先確定好的，從數(shù)據(jù)的格式和長度一直到底層硬件通道、訪問時間等全部需要確定，這種模式主要存在兩大方面的弊端：①當系統(tǒng)中需要參與信息交互的應(yīng)用數(shù)量增多時，設(shè)計和維護的工作量成指數(shù)級增長，關(guān)系復(fù)雜而可靠性隨之降低，研制周期會大大延長；②設(shè)計定型后不能更新和擴展，在軌運行階段難以適應(yīng)結(jié)構(gòu)或任務(wù)的動態(tài)變化。而星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)兼具有規(guī)模大、成員關(guān)系復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能動態(tài)性高的特點，因此需要采用具備靈活性、擴展性的信息分發(fā)交互機制。

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)提出的異步消息業(yè)務(wù)(Asynchronous Message Service，AMS)標準[7]，致力于為航天器上的應(yīng)用任務(wù)提供靈活方便的信息交互支持服務(wù)。本文對異步消息業(yè)務(wù)的機制和特性進行分析，結(jié)合航天器信息系統(tǒng)和星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)的需求和特性開展分析研究，提出可以應(yīng)用異步消息業(yè)務(wù)解決信息交互復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性兩方面問題，并對于在航天器上的工程應(yīng)用和實現(xiàn)給出了建議。

2 異步消息業(yè)務(wù)特點分析

AMS的本質(zhì)是一種消息傳輸中間件，適合用于具有分層結(jié)構(gòu)的協(xié)議體系中。AMS在分層體系結(jié)構(gòu)模型中的位置在傳輸層之上、應(yīng)用層之下。正是通過分層隔離，AMS使得上層應(yīng)用與下層通信鏈路實現(xiàn)解耦。AMS的內(nèi)部機制是對用戶屏蔽的，封裝后只提供一系列訪問接口為上層用戶使用，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運行過程、與下層傳輸路徑的關(guān)系等均不需要用戶介入或關(guān)注。

AMS對應(yīng)于每一個用戶有一個節(jié)點(module)實體，負責接收用戶的訪問要求，為用戶收發(fā)消息內(nèi)容。處于同一個區(qū)域內(nèi)的若干節(jié)點由一個注冊機(registrar)管理，區(qū)域劃分的原則是節(jié)點與注冊機便于直接通信，例如在同一計算機內(nèi)部。節(jié)點在加入時向注冊機提出注冊申請，并通報自身的具體通信地址。不同區(qū)域之間的AMS運行信息的通報與同步在各區(qū)域的注冊機之間進行，如交互各域內(nèi)的注冊用戶情況。互相聯(lián)通的各區(qū)域一起被稱為一個Continuum，所有的注冊機由一個配置服務(wù)器(CS)進行管理，每一個注冊機需要向配置服務(wù)器注冊，并由此獲知其它區(qū)域注冊機的通信地址。

用戶數(shù)據(jù)被按照AMS定義的格式封裝成帶有主題號的消息，在節(jié)點之間傳送而不經(jīng)過注冊機。AMS內(nèi)部管理類型信息，在節(jié)點與本域注冊機之間、各域注冊機之間傳送。AMS對用戶提供多種具體消息傳輸機制，其特點和應(yīng)用方式總結(jié)見表1。

表1 消息傳輸機制說明

從表1中可以獲知AMS的一個主要特點是，信息交互關(guān)系更偏重于消息內(nèi)容(即主題)，使得用戶集中注意力于信息內(nèi)容本身而不是通信連接關(guān)系，圍繞需求、提供、獲取某些主題的消息來完成自身的功能。特別是其中的訂閱-發(fā)布模式，用戶完全不需要預(yù)知和指定信息的來源或接收者，只需要根據(jù)自身需求訂閱或發(fā)布某個主題的消息，AMS負責將消息傳遞給所有訂閱者，實現(xiàn)了按信息內(nèi)容需求交互，具有很高的靈活性和便利性。

為支持星間網(wǎng)絡(luò)，在異步消息業(yè)務(wù)中專門提出遠程AMS(RAMS)業(yè)務(wù)，用于不同的Continuum之間進行通信。每個Continuum有一個遠程AMS網(wǎng)關(guān)(RAMS Gateway)，需要傳遞到遠程(即其它Continuum)的消息會被從源節(jié)點先送到遠程AMS網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成遠程AMS消息后送給目的節(jié)點所在Continuum的網(wǎng)關(guān)處，再由該網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。RAMS適用于分布在不同航天器上的多個用戶之間進行信息交互，并可以作為高層協(xié)議用于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay Tolerant Network，DTN)網(wǎng)絡(luò)[8]。

3 異步消息業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的支持分析

未來先進、復(fù)雜的航天器系統(tǒng)中，參與信息交換的單機設(shè)備/模塊以及上層應(yīng)用軟件數(shù)量眾多，在軌運行期間，可能出現(xiàn)的新增加應(yīng)用任務(wù)需要加入信息交換；或者因為單機設(shè)備發(fā)生故障、切換；或者某種工作模式變化等，多種狀況都會導致信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和用戶分布的動態(tài)變化。AMS能夠較好地支持這種動態(tài)變化，其體現(xiàn)在兩個層次。

首先，在結(jié)構(gòu)關(guān)系層面，AMS不需要預(yù)先固定用戶的位置和連接關(guān)系，允許用戶增減或位置改變。所有節(jié)點都是在運行啟動后動態(tài)加入的，在AMS內(nèi)部，新加入節(jié)點的注冊過程不需要用戶了解系統(tǒng)和其它用戶的狀態(tài)，而同時其它已存在節(jié)點不受新加入節(jié)點影響。節(jié)點在注冊時，提交了自身的通信地址，在出現(xiàn)動態(tài)變化時，由于節(jié)點重新注冊，通信地址和下層連接關(guān)系會隨之更新。

其次，在信息應(yīng)用層面，由于AMS支持用戶面向信息內(nèi)容建立供需關(guān)系，淡化了用戶之間的固定關(guān)系，使得網(wǎng)絡(luò)和用戶動態(tài)變化時，不影響對信息的發(fā)布和獲取。特別是對于訂閱-發(fā)布方式，無論是新增、變動，還是原有的用戶，都只需要根據(jù)自身功能需求發(fā)布或獲得所關(guān)注主題的消息，排除了網(wǎng)絡(luò)或用戶變化對信息交換與應(yīng)用的影響。

AMS對于航天器信息網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特點的支持，可以通過應(yīng)用任務(wù)遷移這一典型問題示例得到較充分體現(xiàn)。如圖1所示，在主機A、B上分別有域A和域B，各有一個注冊機，星載計算任務(wù)T1原先在主機A上運行，對應(yīng)的節(jié)點A1在域A注冊，并訂閱了主題為S2的工程遙測參數(shù)消息(由節(jié)點A2發(fā)布)和主題為S3的星載時間數(shù)據(jù)(由節(jié)點B1發(fā)布)。因為工作模式變化，功能負載動態(tài)調(diào)整，任務(wù)T1需要遷移到主機B，整個實現(xiàn)過程為：主機A上的星載計算任務(wù)T1發(fā)起注銷，節(jié)點A1向注冊機機A完成注銷過程，主機A上的任務(wù)T1結(jié)束；主機B啟動星載計算任務(wù)任務(wù)T1，啟動后即提出注冊申請，其中包含了T1在主機B上的通信地址等信息，注冊機B分配節(jié)點B2給T1，并將B2的信息通知本域節(jié)點B1和A域注冊機A，A域注冊機轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點A2；注冊完成后，T1仍按自身固有策略提出對主題S2、S3的訂閱消息給注冊機B，然后被傳遞到節(jié)點B1和A2；A2和B1在分別發(fā)布主題S2和S3的消息時，這些消息會被傳遞給訂閱者B2從而被星載計算任務(wù)T1獲得并使用。由此可見，應(yīng)用任務(wù)在進行了設(shè)備間的遷移后，仍然能夠完全延續(xù)原有的應(yīng)用信息獲取，不會因為發(fā)生了動態(tài)變化而影響應(yīng)用功能，并且不會影響其它應(yīng)用任務(wù)。

圖1 任務(wù)遷移前后消息傳輸示例Fig.1 Message transmission before and after application task moving

4 異步消息業(yè)務(wù)在星間網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的分析

對于信息傳輸服務(wù)，星間網(wǎng)絡(luò)具有不同于星內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的特點：星間通信鏈路距離遠、帶寬資源更為有限；由于空間節(jié)點的高動態(tài)性，星間網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)和拓撲關(guān)系容易發(fā)生變化，而這種動態(tài)性與星內(nèi)應(yīng)用的動態(tài)變化疊加，加劇了整個星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性和復(fù)雜度。

AMS對星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)的全部信息終端用戶進行了組織管理，通過各個航天器上的遠程AMS網(wǎng)關(guān)，事實上是形成了節(jié)點分層分組結(jié)構(gòu)。星間網(wǎng)絡(luò)拓撲連接變化與航天器內(nèi)部用戶成員動態(tài)變化之間得到了隔離，從而能夠降低星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性的復(fù)雜度。遠程AMS網(wǎng)關(guān)負責維護與其它航天器遠程AMS網(wǎng)關(guān)相鄰關(guān)系，將AMS消息在星間進行傳遞，而用戶仍然是面向信息內(nèi)容(消息主題)進行信息交互，對用戶屏蔽了交互對方所在星間網(wǎng)絡(luò)位置的影響。

進一步從通信網(wǎng)絡(luò)中的多播模型對AMS體系的結(jié)構(gòu)和運行原理進行分析。當一份數(shù)據(jù)有多個接收者，對應(yīng)于AMS中的發(fā)布或通告，構(gòu)成多播模型。多播的實現(xiàn)，需要多播協(xié)議構(gòu)建多播路由樹，當參與多播的節(jié)點發(fā)生變化時，需要多播協(xié)議重構(gòu)多播路由樹。遠程AMS網(wǎng)關(guān)起到了多播路由器的作用，按照遠程AMS協(xié)議運行，不需要額外的多播協(xié)議，同時，AMS的Continuum內(nèi)部發(fā)生的節(jié)點變化不會擴散而導致多播樹的變化。只有當星間網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變時，遠程AMS網(wǎng)關(guān)維護更新臨近關(guān)系，起到事實上的多播協(xié)議的作用，更新多播路由樹。所以，采用AMS體系在星內(nèi)星間一體化信息網(wǎng)絡(luò)中，不但可以支持多對多遠程信息交互，而且不需要額外的多播協(xié)議開銷。

遠程AMS網(wǎng)關(guān)作為多播路由器和整個Continuum在一體化網(wǎng)絡(luò)的代理，不僅能夠從結(jié)構(gòu)上降低一體化網(wǎng)絡(luò)高動態(tài)性的復(fù)雜度，而且能夠顯著提高信息在星間鏈路傳輸?shù)男?，減少資源占用。在星間傳遞的AMS消息只在遠程AMS網(wǎng)關(guān)之間進行，雖然一個航天器內(nèi)存在多個對外部某一主題消息的接收者，但只需要通過星間鏈路發(fā)送一份給該主題消息遠程AMS網(wǎng)關(guān)。即假設(shè)在m個航天器上共有n個信息終端(n一般遠大于m)訂閱了同一主題消息時，該消息發(fā)布后在星間鏈路上將被分發(fā)傳送m次而不是至少n次，故能夠大幅度減少星間鏈路的資源消耗。

5 工程應(yīng)用與實現(xiàn)建議

傳統(tǒng)的航天器數(shù)據(jù)信息交互是基于多種專用而分立的、直接依附的物理通信通道，如某種總線、端口的數(shù)據(jù)接口，功能和連接關(guān)系固定而單一，實際上并未形成統(tǒng)一的信息交互網(wǎng)絡(luò)。而且由于數(shù)據(jù)接口直接綁定于底層硬件，難以實現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)功能的模塊化、互換與重構(gòu)。而使用基于AMS構(gòu)建的信息網(wǎng)絡(luò)，可以更好地適應(yīng)未來航天器更加高級而豐富的信息交互需求。

AMS的結(jié)構(gòu)具有可擴展性，可以用于單個航天器內(nèi)部信息系統(tǒng)，也可以在多個航天器上同時運行，協(xié)同工作，將各航天器、各分系統(tǒng)和單機設(shè)備、載荷儀器的眾多種類指令、遙測、管理數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一匯聚、分發(fā)，形成信息交換服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。在此基礎(chǔ)上，航天器乃至星間網(wǎng)絡(luò)的信息流總體設(shè)計圍繞各種主題的消息展開，需要從總體層面統(tǒng)一規(guī)劃和定義消息主題號(16位)及其對應(yīng)的具體數(shù)據(jù)種類，進而選擇合適消息使用需求的交互機制。例如，自主管理任務(wù)根據(jù)當前工作模式的需要，從其它任務(wù)邀請一組主題的消息，接受了邀請的任務(wù)將自己產(chǎn)生對應(yīng)主題的消息發(fā)送給自主管理任務(wù)，當自主管理工作模式轉(zhuǎn)變后，可以根據(jù)需求變化另行邀請另一組主題消息。又如，時間管理任務(wù)負責周期性發(fā)布當前星上時間碼消息，而任何需要使用時間碼的任務(wù)可以自行訂閱時間碼主題即可獲得。使用和未使用AMS的航天器信息交互功能、性能的對比見表2。

AMS在航天器上的部署和實現(xiàn)，最典型的模式是一個航天器映射于一個Continuum，一臺智能設(shè)備映射于一個單元(或稱域)，一個應(yīng)用任務(wù)對應(yīng)于一個節(jié)點。一般在一臺智能設(shè)備內(nèi)部，AMS對應(yīng)所服務(wù)的各用戶一一實現(xiàn)節(jié)點對象實體，并可以由一個AMS后臺任務(wù)負責注冊機功能并承擔本域AMS內(nèi)部管理事務(wù)。

AMS本身屬于一種分布式中間件軟件，對上層應(yīng)用提供標準接口并依賴下層通信服務(wù)支持，需要納入星載綜合電子體系結(jié)構(gòu)中整體實現(xiàn)。CCSDS在其航天器星載接口業(yè)務(wù)[9]體系中定義了消息傳輸業(yè)務(wù)(MTS)[10]，就是基于AMS協(xié)議實現(xiàn)消息傳輸?shù)姆?wù)組件，屬于應(yīng)用支持層業(yè)務(wù)。為了降低實現(xiàn)復(fù)雜度和系統(tǒng)運行負載，MTS標準中提出了對AMS協(xié)議進行裁剪的建議，但這些建議，如簡化注冊機之間的同步操作等，可能導致對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性支持能力的降低。因此，在我國航天器上設(shè)計實現(xiàn)AMS時，還需要進行綜合權(quán)衡，可參考但不能完全依照MTS標準的建議。

表2 AMS與傳統(tǒng)方式對比

6 結(jié)束語

異步消息業(yè)務(wù)對于復(fù)雜的航天器信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)可以提供良好的服務(wù)支持，本文對其應(yīng)用于星內(nèi)星間一體化網(wǎng)絡(luò)的特性進行了分析研究，提出異步消息業(yè)務(wù)可以解決復(fù)雜性和動態(tài)性兩方面問題：在航天器設(shè)計階段，解耦眾多用戶之間錯綜復(fù)雜的連接關(guān)系，使系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)只需要圍繞信息應(yīng)用需求進行，能夠大大降低復(fù)雜航天器總體和信息網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計難度和成本；而在運行階段，支持動態(tài)性、擴展性，能夠有效解決來自任務(wù)功能和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩方面動態(tài)變化問題。

基于異步消息業(yè)務(wù)的星載軟件體系可以為航天器提供靈活、便利、高效的信息交換機制，將推動航天器進一步向智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，并有利于提升航天器信息總體設(shè)計能力。因此，對于異步消息業(yè)務(wù)的工程實現(xiàn)方法，值得進一步開展深入研究和實驗驗證。

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(編輯：張小琳)

Application of Asynchronous Message Service in Inner and Interspacecraft Network

GU Ming WANG Xianghui HE Xiongwen ZHU Jianbing

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Traditional onboard information exchange manner can not adapt the new information networks and application requirements with more complexity and dynamics on spacecraft.For the more and complex information exchange in the future inner and interspacecraft network,this paper analyses the attributes,functions and mechanisms of CCSDS asynchronous message service with the characteristics of the space information system and network.The characteristics and advantages of the asynchronous message service are analyzed,in view of use in the inner and interspacecraft network.How to deal with the changes from both upper application and the structure of network is provided based on the asynchronous message service,and how can the asynchronous message service support the dynamic interspacecraft network is also given.The research work indicates the asynchronous message service can solve the problems both of the complexity and dynamics of the networks.Some advices on engineering actualization for spacecraft are also suggested.

CCSDS；asynchronous message；network

2015-10-09；

2015-11-17

國家自然科學基金(91438102)

顧明，男，博士，高級工程師，研究方向為航天器數(shù)據(jù)管理與綜合電子技術(shù)、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)與星間網(wǎng)絡(luò)。Email：gumingnr@163.com。

TP393.04

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.008