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        SNIS體系研究

        2014-04-29 00:44:03劉寶芬
        電腦迷 2014年21期
        關(guān)鍵詞:衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

        劉寶芬

        摘 要 空間網(wǎng)絡(luò)IP服務(wù)SNIS對有效支持多目標(biāo)跟蹤、測控、通信和導(dǎo)航等全球范圍各種航天任務(wù)有重要價值。本文對在空間網(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IP、通過中繼系統(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)通信的場景和過程。

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

        中圖分類號:TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

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

        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MOC中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的延遲,對很多應(yīng)用來說是不能接受的。

        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)開發(fā)、集成和測試成本,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。以下主要介紹幾個簡單的工作場景:

        (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以及針對安全I(xiàn)nternet使用的措施和機(jī)制。

        (2)移動連接

        SNIS支持移動IP協(xié)議和移動路由標(biāo)準(zhǔn),允許用戶航天器的數(shù)據(jù)路徑在一次TDRSS事件的開始即被自動設(shè)置。移動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傳輸數(shù)據(jù)而不需要提前配置或獲得移動IP。

        (3)告警

        SNIS用戶能夠發(fā)送一個告警信息,此信息將直接從地面站經(jīng)路由發(fā)送到一個預(yù)定的目的地,如果支持多點(diǎn)傳送,可發(fā)送到多個目的地。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)上時時地向任何目標(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。如果兩個航天器,即使它們在地球的兩側(cè)仍然可以通信,如同有一個交聯(lián)。只要兩個航天器同時連接網(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,這種需求也同時針對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、帶寬和誤碼率等方面還存在著巨大的變度。新的高級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不僅要求解決高延時、低帶寬和高誤碼率問題,而且還要考慮延時、帶寬和誤碼率的可變性。因此,SNIS需要在發(fā)展中不斷完善,同時也需要一個可靠的TDRSS系統(tǒng)作為支撐。我國在這方面剛剛起步,首先需要建立一個綜合應(yīng)用的中等性能TDRSS,在這個平臺的支撐下,SNIS技術(shù)才能夠得到充分的應(yīng)用。

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