基于NDP協(xié)議的IPv6 over AOS空間通信技術(shù)研究

馬明毅 馮楠 譚曉川 周偉 李少波 王碧瑤 張曉樂

摘要：針對國內(nèi)對天地一體化的需求，提出一種基于NDP協(xié)議的IPv6 over AOS星間鏈路通信系統(tǒng)，將IPv6數(shù)據(jù)包封裝在AOS幀中，通過激光在空間中傳輸，融合了地面網(wǎng)絡(luò)與空間網(wǎng)絡(luò)，滿足了現(xiàn)階段數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚?、大容量需求。以FPGA作為網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)及其子網(wǎng)之間的地址解析功能以及路由表的動態(tài)配置。結(jié)合MPLS技術(shù)，基于標(biāo)簽來進行路由決策，相比于原有基于IP路由進行轉(zhuǎn)發(fā)的交換方式降低了組網(wǎng)成本，提升同樣性能設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)效率，具有良好的可擴展性。

關(guān)鍵詞：IPv6 over AOS；NDP協(xié)議；MPLS協(xié)議；地址解析

中圖分類號：TN393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2023）02-62-5

0引言

空天信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前世界各軍事強國的熱門研究方向，組建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)更是各國研究的熱門方向[1]。通過該網(wǎng)絡(luò)提供的大范圍、高精度信息在精確打擊、指揮控制等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。我國在航天通信領(lǐng)域采用國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）協(xié)議架構(gòu)[2]，AOS協(xié)議屬于CCSDS諸多空間通信協(xié)議的一種，是一種高級在軌系統(tǒng)，可用于大容量數(shù)據(jù)處理以及高速通信，以AOS協(xié)議為基礎(chǔ)的體制方案在航空航天、衛(wèi)星通信和深空探測等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。我國在AOS體制的使用上有許多成功案例，如神舟飛船、氣象衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星和遙測科學(xué)等[3]，但目前與發(fā)達(dá)國家相比，AOS體制還存在較大的缺陷，尚未形成完善的空間信息傳輸體制，我國在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上還有巨大的發(fā)展空間[4]。

AOS協(xié)議充分迎合了我國空天網(wǎng)絡(luò)一體化的發(fā)展需求，在地面網(wǎng)絡(luò)通信與深空通信等領(lǐng)域都具有重要的意義。通過AOS協(xié)議搭載IPv6報文是實現(xiàn)天地一體化的一種合理選擇，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時、可靠傳輸，并且滿足了不同速率信息處理需求。而鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Neighbor Discovery Protocol，NDP）作為IPv6的關(guān)鍵協(xié)議，具有地址解析、地址沖突檢測、鄰居不可達(dá)檢測、重定向、路由器發(fā)現(xiàn)、前綴發(fā)現(xiàn)、地址自動配置、參數(shù)發(fā)現(xiàn)和下一跳地址確定等功能[5]，解決了不同節(jié)點之間地址的自動配置問題，提高了路由選擇的準(zhǔn)確性，保證了鏈路的實時可用。

本文在數(shù)據(jù)鏈路層采用AOS協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，改變了數(shù)據(jù)路由的靜態(tài)查表方式，基于NDP實現(xiàn)路由表的動態(tài)配置和IP，MAC地址的動態(tài)獲取，結(jié)合多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-protocol Label Switching，MPLS）以FPGA作網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了IPv6數(shù)據(jù)包的收發(fā)、地址解析和協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能技術(shù)。

1系統(tǒng)環(huán)境與協(xié)議體系

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件測試實物如圖1所示，每個FPGA具備2路千兆電口、路萬兆光口，千兆電口通過RJ45接口連接至主機，萬兆光口通過光纖連接至萬兆網(wǎng)卡，每塊FPGA可連接4臺設(shè)備，PHY芯片通過RGMII接口從主機發(fā)送以太網(wǎng)幀至FPGA，每個端口在FPGA內(nèi)部通過協(xié)議棧的方式配置IP地址和MAC地址，轉(zhuǎn)發(fā)信息表（FIB）和標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)信息表（LFIB）通過RS232串口線下發(fā)至每一塊FPGA板卡，數(shù)據(jù)包根據(jù)FIB和LFIB決定傳輸路徑。為了模擬空間鏈路數(shù)據(jù)傳輸，減少信號之間的相互串?dāng)_以及外部噪聲的干擾，數(shù)據(jù)包采用高速串行差分的方式通過TLK2711沿LVDS信號線進行傳輸，板卡共設(shè)計8路TLK2711，其中6路為SMA接口，2路為光模塊接口。

本文采用ping包的方式模擬業(yè)務(wù)發(fā)送過程。在主機A發(fā)送業(yè)務(wù)之前，首先需要基于NDP完成地址解析[6]，由主機發(fā)送NS報文，F(xiàn)PGA將主機的IP地址和MAC地址存儲下來并回復(fù)NA報文，主機將所詢問IPv6地址下的MAC地址存入路由表中，之后主機即可開始發(fā)送IPv6數(shù)據(jù)包。網(wǎng)口發(fā)送至FPGA的數(shù)據(jù)包通過適配模塊，篩選出符合條件的ICMPv6數(shù)據(jù)包（以太網(wǎng)幀類型為0x86DD，下一頭部為58，端口號為2020）后將其封裝成AOS幀并基于MPLS技術(shù)根據(jù)標(biāo)簽在不同節(jié)點之間進行轉(zhuǎn)發(fā)。AOS幀按照主機通過RS232下發(fā)的FIB表在源節(jié)點壓入標(biāo)簽后，將AOS幀傳送至中間節(jié)點，中間節(jié)點根據(jù)LFIB表經(jīng)MPLS協(xié)議進行標(biāo)簽交換后，將其發(fā)送至目的節(jié)點。目的節(jié)點查詢FIB表，將標(biāo)簽替換為16hFFFF（標(biāo)簽 16hFFFF代表到達(dá)目的節(jié)點），并發(fā)送至端口所連接的設(shè)備上。

本文所使用的AOS激光通信幀格式如圖2所示，IPv6數(shù)據(jù)包包含在鏈路層的數(shù)據(jù)域內(nèi)，AOS幀總長為1 024 Byte。為了實現(xiàn)幀同步，在激光通信幀前端加入4 Byte的同步頭，用于定位幀到達(dá)的時間，定界數(shù)據(jù)單元。版本號和航天器標(biāo)識構(gòu)成主信道標(biāo)識（MCID）；虛擬信道標(biāo)識（VCID）和主信道標(biāo)識組成全局虛擬信道（GVCID）用于標(biāo)定每一條虛擬信道[7]。信令字段由回放標(biāo)志、虛擬信道幀使用標(biāo)志、保留域和虛擬信道幀計數(shù)循環(huán)4部分組成，用于標(biāo)定AOS幀的狀態(tài)，0表示實時，1表示回放，可以對AOS幀進行存儲并在鏈路恢復(fù)時進行幀的回放。標(biāo)簽域共6 Byte，其中標(biāo)簽占2 Byte用于標(biāo)定數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑。DCN域占16個Byte，用于實現(xiàn)管控數(shù)據(jù)的封裝、適配和連接，為網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)備提供管理和控制信息的通信功能，便于對網(wǎng)絡(luò)單元進行管理與維護。OAM域用于實現(xiàn)運行、管理和維護等相關(guān)功能，包括OAM開銷信息的提取與插入、OAM幀的生成與控制、故障和性能檢測以及告警上報等功能。

2 NDP實現(xiàn)路由表動態(tài)配置

NDP相比于ARP在許多方面都有了很大的改善。如NDP IPv6組播技術(shù)避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞[8]，減少了所占用的帶寬，從而極大地提高了地址解析效率；NDP工作在網(wǎng)絡(luò)層與介質(zhì)無關(guān)，因此可以在不同的網(wǎng)絡(luò)媒介上運行；避免了信息被其他節(jié)點竊聽，安全性得到了提升等。

NDP的地址解析過程如圖3所示，主機A在發(fā)送之前，需獲得主機B的鏈路層地址，為實現(xiàn)路由表的動態(tài)配置，可以通過NDP的地址解析功能動態(tài)獲取設(shè)備的鏈路層地址。類似于ARP[9]，首先主機A向所連接設(shè)備（以主機B為例）發(fā)送一個NS報文，報文以主機A的IPv6地址作為源地址，主機B的被請求節(jié)點組播地址作為目的地址，用以解析出主機B的IPv6地址所對應(yīng)的MAC地址。當(dāng)主機B接收到了NS報文之后，就會回應(yīng)NA報文，NA報文的源地址為主機B的IPv6地址，目的地址為主機A的IPv6地址，不同于NS報文的組播，NA報文為單播，即完成了一個解析過程。

主機向FPGA發(fā)送IPv6數(shù)據(jù)包時，由于路由表中并沒有目的IP對應(yīng)的MAC地址，所以首先會發(fā)送NS報文，詢問目的IP對應(yīng)的MAC地址，由FPGA端回復(fù)端口的MAC地址后，主機開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。另外，F(xiàn)PGA會定時發(fā)送NDP檢測端口所連設(shè)備是否正常連接?；贔PGA的NDP地址解析過程如圖4所示，假定主機A的IPv6地址為FE80：0：0：30：：，MAC地址為C4-00-AD-74-96-C5，主機B的IPv6地址為FE80：0：0：10：：，MAC地址為C4-00-AD-90-9F-76，主機A所連接FPGA1端口IPv6地址和M AC地址分別為FE80：0：0：01：：和00-00-AD-90-9F-01，主機B所連接FPGA2端口IPv6地址和MAC地址分別為FE80：0：0：02：：和00-00-AD-90-9F-02。首先主機A和主機B分別向FPGA1和FPGA2發(fā)送NS報文，當(dāng)FPGA收到NS報文后，分別向主機A和主機B反饋NA報文，但在MAC地址字段填寫FPGA1的端口號。相當(dāng)于主機A和主機B在詢問目的IP FE80：0：0：10：：和FE80：0：0：30：：所對應(yīng)的M AC地址，由FPGA1和FPGA2分別回復(fù)端口的MAC地址。

主機A和主機B通過NDP存儲的路由信息如圖4所示?？梢钥闯?，通過NDP的地址解析功能，主機A和主機B的路由表中存儲了目標(biāo)IP地址以及其所連接FPGA端口的MAC地址，主機在獲得路由信息后，即可開始發(fā)送IPv6數(shù)據(jù)包。

3基于MPLS的數(shù)據(jù)包分組轉(zhuǎn)發(fā)

多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）即給每一個IP數(shù)據(jù)報打上固定長度的標(biāo)記，然后通過硬件在鏈路層進行IP數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)。該技術(shù)具備流量控制、負(fù)載均衡、路徑備份和故障恢復(fù)等優(yōu)勢，改變了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)的鏈路堵塞問題，通過靈活控制數(shù)據(jù)報的傳輸路徑，實現(xiàn)了資源的合理分配，從而大大加快了數(shù)據(jù)報的轉(zhuǎn)發(fā)速率。另外，可以配置2條或多條標(biāo)簽交換通道（LSP），選擇其中幾條作為備份，從而實現(xiàn)了業(yè)務(wù)流的合理分配，保證了業(yè)務(wù)的連續(xù)性[10]。

MPLS網(wǎng)絡(luò)由標(biāo)記交換路由器（Label Switching Router，LSR）和標(biāo)記邊緣路由器（Label Edge Router，LER）組成，如圖5所示。LER位于邊緣部分，負(fù)責(zé)標(biāo)簽的加入與去除LSR位于MPLS網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)標(biāo)簽交換[11]。各LSR基于標(biāo)記分配協(xié)議LDP傳輸數(shù)據(jù)包，并找出和特定標(biāo)記相對應(yīng)的路徑，即標(biāo)記交換路徑LSP。當(dāng)一個IP數(shù)據(jù)報進入MPLS域時，在入口結(jié)點（LER）壓入標(biāo)簽，并按照轉(zhuǎn)發(fā)表把它轉(zhuǎn)發(fā)給下一個LSR，以后所有LSR都按照標(biāo)簽進行轉(zhuǎn)發(fā)[12]。

MPLS協(xié)議包括LDP，LIB，F(xiàn)IB。LDP作為MPLS的核心技術(shù)，通過信令機制實現(xiàn)標(biāo)簽分配與轉(zhuǎn)發(fā)，F(xiàn)IB負(fù)責(zé)普通的IP報文的轉(zhuǎn)發(fā)，而LFIB負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)帶MPLS標(biāo)簽報文的轉(zhuǎn)發(fā)。本文以IPv6地址作為轉(zhuǎn)發(fā)等價類（Forwarding Equivalence Class，F(xiàn)EC），根據(jù)FIB和LFIB建立標(biāo)簽交換路徑（Label Switching Path，LSP）采用雙向?qū)ing包的方式模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，研究數(shù)據(jù)處理過程。

在通過NDP協(xié)議完成地址解析后，主機開始發(fā)送IPv6數(shù)據(jù)包并封裝成AOS幀并在AOS幀的標(biāo)簽域插入標(biāo)簽，對應(yīng)FIB表和LFIB表，當(dāng)收到普通IP的報文時查找FIB表，添加標(biāo)簽，進行MPLS轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)收到帶有標(biāo)簽的報文時，查找LFIB表，如果對應(yīng)的出標(biāo)簽是普通標(biāo)簽，則進行MPLS轉(zhuǎn)發(fā)，如果對應(yīng)的出標(biāo)簽是特殊標(biāo)簽（本文規(guī)定此標(biāo)簽為16hFFFF），則表明數(shù)據(jù)要發(fā)送至以太網(wǎng)口，將報文中的標(biāo)簽去掉，進行AOS幀解封裝和IP轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示。

實驗所用FIB表和LFIB表如圖7所示，其中FIB表分別下發(fā)至邊界點LER，LFIB表下發(fā)至中間節(jié)點LSR。FIB表中規(guī)定了IP地址對應(yīng)數(shù)據(jù)包應(yīng)壓入的標(biāo)簽以及傳輸路徑，LFIB表規(guī)定了入標(biāo)簽、被替換的出標(biāo)簽以及轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

測試過程中，業(yè)務(wù)到達(dá)中間節(jié)點時標(biāo)簽的替換情況如圖8所示，實驗采用第1路和第5路2711傳送雙向?qū)ing的數(shù)據(jù)，可以看出數(shù)據(jù)包從主機A（IP地址為FE80：0：0：30：：）經(jīng)第一路2711到達(dá)中間節(jié)點時，標(biāo)簽為16h0001，經(jīng)查詢LFIB表，標(biāo)簽在通過中間節(jié)點后被替換16hFFFF，并通過第4路2711發(fā)往目的節(jié)點。同理，主機B（IP地址為FE80：0：0： 10：：）在中間節(jié)點也完成了標(biāo)簽替換。經(jīng)1h的測試，實驗結(jié)果如圖8所示。

當(dāng)每塊FPGA同時連接4臺設(shè)備時，測試結(jié)果如圖9所示，數(shù)據(jù)包傳輸過程中基本無丟包現(xiàn)象產(chǎn)生。經(jīng)iperf測試，通信速率可達(dá)500 Mb/s。

4結(jié)束語

本文以空天網(wǎng)絡(luò)一體化為背景，給出了一種基于FPGA的IPv6 over AOS星間鏈路激光通信系統(tǒng)，并對系統(tǒng)所用的AOS幀結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，研究了IPv6協(xié)議、IPv6組播技術(shù)、鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議以及CCSDS空間通信標(biāo)準(zhǔn)和IP over AOS協(xié)議的轉(zhuǎn)換機制，基于MPLS技術(shù)改變了通過IP地址轉(zhuǎn)發(fā)的方式，轉(zhuǎn)而采用標(biāo)簽交換進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)FIB和LFIB查詢標(biāo)簽對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包在板間的快速傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。搭建了系統(tǒng)實驗環(huán)境，對空間鏈路的傳輸進行了模擬，以FPGA作為網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)和其所連設(shè)備之間的地址解析以及路由表的動態(tài)配置。測試了IP over AOS系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，通過檢測丟包率及通信速率對系統(tǒng)的性能進行了驗證。

參考文獻(xiàn)

[1]榮華為.基于IP over CCSDS的高速網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2017.

[2]王雪旸.TCP/IP協(xié)議族在相控陣時分衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[3]董曉臣.基于FPGA的IPv6 overAOS網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].保定：河北大學(xué)，2021.

[4]沈榮駿.我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想[J].中國科學(xué)工程， 2006， 8（10）： 19-30.

[5]繆劍鋒，管有慶.輕量級IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議及在網(wǎng)關(guān)中的實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展， 2014，24（10）： 59-62.

[6]吳長瑞，徐建清，蔣景紅.基于FPGA的千兆以太網(wǎng)接口應(yīng)用研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2018， 41（9）： 1-5.

[7] CCSDS. Space Data Link Protocols-Summary of Concept and Rationale： CCSDS 130.2-G-0.3[R]. Washington D. C.： CCSDS， 2005.

[8] MILIC D， BROGLE M， BRAUN T. Video Broadcasting Using Overlay Multicast[C]// 7thIEEE International Symposium on Multimedia（ISM）. Irvine： IEEE， 2005： 1-8.

[9] DEERING S， HINDEN R. Internet Protocol， Version 6 （IPv6） Specification：RFC2460[S]. Washington D. C.：The Internet Society， 1998.

[10] BUENO A， VILA P， FABREGAT R. Multicast Extension of Unicast Charging for QoS Services[C]// 4th IEEE European Conference on Universal Multiservice Networks （ECUMN）. Toulouse： IEEE， 2007： 119-126.

[11]馮徑.多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社， 2002.

[12]楊軍. LDP協(xié)議和LSP選路研究與實現(xiàn)[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.