潘成勝，韓 睿，蔡睿妍

(大連大學遼寧省高校通信與信號處理重點實驗室，遼寧 大連 116622)

責任編輯:時 雯

隨著航天任務的需求增長，衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)之間的信息傳輸和處理變得越來越頻繁，速率要求也越來越高。但是，由于空間和地面底層鏈路的差異，在物理層和鏈路層采用相同協(xié)議的方法是不現(xiàn)實的。

為適應空間技術的發(fā)展要求，1982年，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)提出系列CCSDS標準協(xié)議供空間通信使用。AOS(高級在軌系統(tǒng))是CCSDS提出的一種數(shù)據(jù)通信和傳輸體制，是CCSDS數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。而各地面通信系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展下，已基本全部采用TCP/IP協(xié)議用以支持各種各樣的應用要求［1-4］。因此，要實現(xiàn)衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)間的互聯(lián)互通需要進行協(xié)議轉換。而實現(xiàn)協(xié)議轉換的的主要技術是網(wǎng)關技術。

目前，國內(nèi)外開展了眾多的網(wǎng)關研究工作，文獻［5］提出一種CCSDS標準和TCP/IP協(xié)議間的轉換網(wǎng)關設計方案，該方案在Linux平臺上采用標準的C語言實現(xiàn)一個網(wǎng)關系統(tǒng)。文獻［6］在高性能DSP+FPGA核心處理芯片所構成的硬件平臺上，開發(fā)一種實時性強的現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)轉換的嵌入式網(wǎng)絡轉換網(wǎng)關。文獻［7］設計一種基于ARM處理器的ZigBee/TD-SCDMA的網(wǎng)關，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡與TD-SCDMA網(wǎng)絡之間的透明傳輸。但采用FPGA實現(xiàn)CCSDS標準和TCP/IP協(xié)議間的轉換研究較少。本文從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層提出了網(wǎng)關的設計方案，重點解決了MAC幀和AOS傳輸幀之間的協(xié)議轉換問題，并在FPGA平臺上采用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)網(wǎng)關，具有一定的靈活性和擴展性。

1 網(wǎng)關的設計方案

本文所設計的網(wǎng)關主要負責連接衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)這兩個使用不同通信協(xié)議的異構網(wǎng)絡，使其能夠互聯(lián)互通。從協(xié)議棧的角度，網(wǎng)關主要分為3層:網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)互連的網(wǎng)絡架構

1.1 物理層

網(wǎng)關的物理層功能是屏蔽掉衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)之間的傳輸媒體差異，使其上面的數(shù)據(jù)鏈路層能夠正確地接收數(shù)據(jù)幀。因為網(wǎng)關的處理方式是以并行方式進行的，所以物理層另外一個重要的功能就是對數(shù)據(jù)進行串并轉換，解決方式是開辟緩沖區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層

網(wǎng)關的數(shù)據(jù)鏈路層功能是完成AOS傳輸幀和MAC幀之間的相互轉換。以地面網(wǎng)常用的以太網(wǎng)MAC幀為例，其格式如圖2所示［8］。而AOS傳輸幀格式如圖3所示。AOS傳輸幀的數(shù)據(jù)域包括復用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(M_PDU)、位流協(xié)議數(shù)據(jù)單元(B_PDU)、VC訪問服務數(shù)據(jù)單元(VCA_SDU)或空閑數(shù)據(jù)，且這4種數(shù)據(jù)單元不能混合在一條虛擬信道中傳輸［3］。

AOS傳輸幀和MAC幀的相互轉換，可采用以下兩種方式:一是從一種數(shù)據(jù)格式中解析出有效數(shù)據(jù)，再封裝到另一種數(shù)據(jù)格式的有效數(shù)據(jù)域中;二是不去解析有效數(shù)據(jù)，直接將一種格式中的所有內(nèi)容封裝到另一種數(shù)據(jù)格式的有效數(shù)據(jù)域中。本設計采用后一種，將MAC幀的所有內(nèi)容都當作是位流數(shù)據(jù)封裝到AOS傳輸幀中?？紤]MAC幀的長度，為減少轉換冗余，提高網(wǎng)關的轉換效率，設計中AOS傳輸幀的有效數(shù)據(jù)域長度設置為512 byte。

MAC幀到AOS傳輸幀的轉換過程如圖4所示，在整個任務段內(nèi)，若MAC幀長度大于AOS傳輸幀的有效數(shù)據(jù)域長度，則將MAC幀分段，不足的部分用填充字段填充;若相等，則直接填充;若小于，同樣直接填充，但不足的部分用填充字段填充。為保證接收端正確判斷哪些AOS傳輸幀屬于同一個MAC幀，本文將AOS傳輸幀幀頭的VCDU計數(shù)字段和空閑字段中的2 bit聯(lián)合共同組成一個MAC幀的段碼，用來表示一個MAC幀的轉換。

圖4 MAC幀到AOS傳輸幀的轉換過程

AOS傳輸幀到MAC幀的轉換過程如圖5所示，分為AOS傳輸幀無填充數(shù)據(jù)(見圖5a)和AOS傳輸幀有填充數(shù)據(jù)(見圖5b)兩種情況。具體轉換過程如下:首先，解析AOS數(shù)據(jù)幀;其次，檢測B_PDU幀頭查看AOS傳輸幀的有效數(shù)據(jù)域內(nèi)是否包含填充數(shù)據(jù)，若無則直接還原有效數(shù)據(jù)，若有則丟棄填充數(shù)據(jù)后還原有效數(shù)據(jù);最后，根據(jù)MAC幀的段碼，將還原出的AOS傳輸幀的有效數(shù)據(jù)集裝成一個MAC幀。

圖5 AOS傳輸幀到MAC幀的轉換過程

采用上述方式，雖在AOS傳輸幀的傳輸過程中存在一定的冗余，但也節(jié)省了網(wǎng)關解析MAC幀和封裝MAC幀的處理過程，提高了網(wǎng)關的轉換效率。

為提高空間鏈路的信道利用率，AOS協(xié)議采用虛擬信道復用物理信道機制。本設計根據(jù)MAC幀的源MAC地址和其所要發(fā)往的航天器標識符SCID共同為其分配虛擬信道標識符VCID和緩存空間。調(diào)度方式采用自適應調(diào)度，規(guī)則是各虛擬信道均沒有調(diào)度請求時，采用等時輪詢各虛擬信道，若期間某一虛擬信道發(fā)出調(diào)度請求，直接響應該請求。

1.3 網(wǎng)絡層

網(wǎng)關的網(wǎng)絡層功能是識別網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包所在的目的網(wǎng)絡，查找下一跳地址，完成不同地址間的映射。

網(wǎng)關既是衛(wèi)星通信網(wǎng)的一個節(jié)點，又是地面網(wǎng)的一個節(jié)點，應具備上述兩個網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層地址和硬件地址。網(wǎng)關提取接收到的數(shù)據(jù)包的目的地址信息，根據(jù)目的地址的一個副本來查找地址的類別，并綜合上述兩個結果來判定數(shù)據(jù)包所要發(fā)送的目的網(wǎng)絡。當衛(wèi)星通信網(wǎng)向地面網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關只需將其格式轉化成MAC幀的格式，交付給地面網(wǎng)的路由器或其他網(wǎng)絡互連設備，便可完成查找下一跳地址和不同地址間的映射。而地面網(wǎng)向衛(wèi)星通信網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關不僅要完成兩種幀格式之間的轉換，還需完成查找下一跳地址和不同地址間的映射。由于空間節(jié)點的運行規(guī)律一定，可通過星歷計算星與星之間的通信時間，并根據(jù)上述信息填寫路由表，在路由表添加一列信息，列出不同的網(wǎng)絡層地址所對應的航天器標識符。

2 網(wǎng)關的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計

該網(wǎng)關的系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關的系統(tǒng)結構框圖

從功能模塊劃分如下:數(shù)據(jù)變換模塊、監(jiān)聽/接收模塊、有效數(shù)據(jù)幀檢測模塊、幀同步模塊、丟棄模塊、數(shù)據(jù)幀封裝模塊、數(shù)據(jù)幀解析模塊、調(diào)度模塊、解調(diào)度模塊、目的傳輸網(wǎng)絡識別模塊、地址解析模塊、緩存模塊和路由模塊等組成。設計中各功能模塊相互獨立，模塊間接口簡單，易于網(wǎng)關的升級，具體描述如下:數(shù)據(jù)變換模塊，用于數(shù)據(jù)的串并轉換;監(jiān)聽/接收模塊，用于監(jiān)聽/接收網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀;有效數(shù)據(jù)幀檢測模塊，用于檢測接收到的數(shù)據(jù)幀的有效性;幀同步模塊，用于捕捉幀同步碼，使接收端與發(fā)送端保持同步工作;丟棄模塊，用于丟棄接收到的無效數(shù)據(jù)幀;數(shù)據(jù)幀封裝模塊，用于封裝目的傳輸網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)協(xié)議格式;數(shù)據(jù)解析模塊，用于解析接收到的有效數(shù)據(jù)幀，獲取其網(wǎng)絡層目的地址;調(diào)度模塊，用于將AOS傳輸幀按照一定的調(diào)度策略復用物理信道;解調(diào)度模塊，用于根據(jù)AOS傳輸幀所攜帶的VCID，將其分配到相應的緩存區(qū);目的傳輸網(wǎng)絡識別模塊，用于識別接收到的網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包所要傳輸?shù)哪康木W(wǎng)絡;地址解析模塊，用于網(wǎng)絡層地址和物理地址之間的映射;緩存模塊，用于為系統(tǒng)各處理單元，分配緩存區(qū)域;路由模塊，用于為網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包分配下一跳地址。

2.2 FPGA實現(xiàn)

有限狀態(tài)機及其設計技術是實用數(shù)字系統(tǒng)設計中的重要組成部分，也是實現(xiàn)高效率高可靠邏輯控制的重要途徑。該設計基于上述思想，將網(wǎng)關的控制狀態(tài)分為8種狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)關控制狀態(tài)機

首先，網(wǎng)關監(jiān)聽并接收數(shù)據(jù)幀，判斷該數(shù)據(jù)幀的有效性。若有效，獲取其網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包目的地址字段，查看其發(fā)往的網(wǎng)絡。其次，若該數(shù)據(jù)幀來自地面網(wǎng)而發(fā)往衛(wèi)星通信網(wǎng)，則根據(jù)衛(wèi)星通信網(wǎng)路由表信息為其分配下一跳地址，查找對應的SCID，否則，按地面網(wǎng)路由轉發(fā)。最后，封裝目的網(wǎng)絡傳輸幀的數(shù)據(jù)格式，并監(jiān)聽其完整性和傳輸信道的空閑狀態(tài)。將轉換后的數(shù)據(jù)幀發(fā)往物理信道。

Start:初始狀態(tài)，當接收到數(shù)據(jù)幀，其標志位rec_data_flag=’1’。當復位和接收到無效幀事件發(fā)生時，重新回到初始狀態(tài)。

Check_mac_data:檢查數(shù)據(jù)幀的有效性，當檢查接收的數(shù)據(jù)幀有效，其標志位valid_mac_flag=’1’。

Gain_dest_addr:獲取數(shù)據(jù)幀網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包目的地址，當發(fā)往衛(wèi)星通信網(wǎng)時，目的傳輸網(wǎng)絡標志位dest_addr_flag=’1’，否則，dest_addr_flag=’0’。當其目的地址與數(shù)據(jù)幀本身所在的網(wǎng)絡地址不一致時，其標志位comp_addr_flag=’1’。

Gain_next_s_addr:獲取衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)絡層下一跳地址，完成不同地址間的映射。

Gain_next_g_addr:獲取地面網(wǎng)的網(wǎng)絡層下一跳地址，完成不同地址間的映射。

Form_frame_aos:封裝AOS傳輸幀，當該數(shù)據(jù)幀完整時，其完整性標志complete_s_flag=’1’。當物理信道空閑時，其忙閑標志channel_s_busy=’0’。

Form_frame_mac:封裝MAC傳輸幀，當該數(shù)據(jù)幀完整時，其完整性標志complete_g_flag=’1’。當物理信道空閑時，其忙閑標志 channel_g_busy=’0’［9］。

3 仿真與驗證

3.1 仿真環(huán)境

本設計在ISE12.2的開發(fā)環(huán)境下，采用VHDL硬件描述語言進行編程設計。為驗證網(wǎng)關的可實現(xiàn)性，設計基于Xilinx Virtex-5 SX95T芯片中的GTP Transceiver，與帶有光纖網(wǎng)卡的PC機進行協(xié)議轉換的測試。測試系統(tǒng)由兩臺帶有光網(wǎng)卡的PC機和三塊Virtex-5開發(fā)板組成。PC機各代表地面網(wǎng)絡的發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點，開發(fā)板1～3分別代表地面網(wǎng)到衛(wèi)星通信網(wǎng)的網(wǎng)關、衛(wèi)星通信網(wǎng)到地面網(wǎng)的網(wǎng)關以及衛(wèi)星通信網(wǎng)的一個空間節(jié)點。其物理環(huán)境搭建以及所需的設備和連接線如圖8所示。

圖8 硬件環(huán)境搭建

3.2 仿真參數(shù)設置

驗證網(wǎng)關轉換功能之前，需對網(wǎng)關的各項參數(shù)進行配置，具體包括:各節(jié)點的IP地址、MAC地址和SCID。具體配置如下:地面節(jié)點A和B需配置的內(nèi)容均是網(wǎng)絡層IP地址和與其連接的網(wǎng)關的網(wǎng)絡層IP地址;地—星網(wǎng)關和星—地網(wǎng)關需配置的內(nèi)容是網(wǎng)關中地面網(wǎng)部分的IP地址和MAC地址，以及網(wǎng)關中衛(wèi)星通信網(wǎng)部分的IP地址和SCID，具體的配置參數(shù)如表1所示。

表1 IP地址、MAC地址和SCID的配置參數(shù)

3.3 仿真結果

采用Wireshark 1.6.1軟件隨機抓取網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)幀，并對其內(nèi)容進行分析。從圖9中可以看出，該數(shù)據(jù)幀的源IP地址來自于A機，目的IP地址來自于B機，表明信源PC-A正在向信宿PC-B發(fā)送數(shù)據(jù)，且衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面網(wǎng)處于聯(lián)通狀態(tài)。由于信源PC-A的下一跳節(jié)點是地—星網(wǎng)關，所以該數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址為00-16-31-FF-2C-D4，與地—星網(wǎng)關的MAC地址一致。

圖9 Wireshark抓取數(shù)據(jù)幀結果(截圖)

采用嵌入式邏輯分析儀ChipScope Pro分別抓取地—星網(wǎng)關和星—地網(wǎng)關的數(shù)據(jù)幀輸出。圖10中，虛線框中的數(shù)據(jù)是AOS的幀主導頭(6 byte)和B_PDU導頭(2 byte)。導頭中顯示的B_PDU有效數(shù)據(jù)長度0x185，恰好為389 byte，與圖9中數(shù)據(jù)幀的長度一致。AOS幀有效數(shù)據(jù)的內(nèi)容與MAC幀的數(shù)據(jù)內(nèi)容相同，經(jīng)網(wǎng)關轉換出的數(shù)據(jù)符合AOS傳輸幀的格式要求。圖11中，目的MAC地址來自于B機，源MAC地址來自于星—地網(wǎng)關，經(jīng)網(wǎng)關轉換出的數(shù)據(jù)符合MAC幀的格式要求，且有效數(shù)據(jù)與發(fā)送相同。

從上述測試結果分析來看，網(wǎng)關實現(xiàn)了地面網(wǎng)與衛(wèi)星通信網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。具體包括:MAC幀和AOS傳輸幀之間的相互轉換，網(wǎng)絡層下一跳地址的選取及網(wǎng)絡層地址與物理層地址之間的映射。

4 小結

本文基于物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層提出了三層網(wǎng)關的設計方案，重點解決了MAC幀和AOS傳輸幀之間的相互轉換，將MAC幀數(shù)據(jù)當做比特流封裝到AOS數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)域中，從而節(jié)省了網(wǎng)關解析MAC幀和封裝MAC幀的處理過程，提高了網(wǎng)關的轉換效率，并在FPGA平臺上采用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)網(wǎng)關，具有一定的靈活性和擴展性。

［1］許楓，尤政.CCSDS空間通信協(xié)議及其與互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的比較［J］.中國航天，2007(5):26-29.

［2］梁莉，魯士文.CCSDS標準和TCP_IP協(xié)議間的網(wǎng)關設計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2006，32(4):134-136.

［3］Advanced orbiting systems，networks and data links:summary of concept，rationale，and performance［R］.［S.l.］:CCSDS，1992.

［4］譚維熾，顧瑩琦.空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)［M］.北京:中國科學技術出版社，2004.

［5］梁莉，魯士文.CCSDS標準和TCP/IP協(xié)議間的網(wǎng)關設計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2006，32(4):134-136.

［6］陳明，宋寶，唐小琦.基于DSP和FPGA的網(wǎng)絡轉換網(wǎng)關［J］.計算機應用，2011，31(10):2617-2620.

［7］金純，任濤，王曉.基于ARM處理器的ZigBee/TD-SCDMA網(wǎng)關設計［J］. 電視技術，2012，36(1):59-62.

［8］謝希仁.計算機網(wǎng)絡［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［9］呂毅，凌小峰，宮新保.基于FPGA的千兆以太網(wǎng)分布式數(shù)據(jù)傳輸技術［J］. 電視技術，2009，33(12):119-121.