邱愛華，張 濤，喬曠怡，顧逸東

(中國科學院 空間應用工程與技術中心 太空應用重點實驗室， 北京 100094)

國內(nèi)外以往的航天系統(tǒng)中，通過天地信息傳輸支持載荷數(shù)據(jù)上下行的主要方式為統(tǒng)一S波段(Unified S Band, USB)測控體制。隨著通信技術的發(fā)展，IP協(xié)議成為我國支持航天器與地面運控系統(tǒng)之間通信的主選方式[1]。在空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)建立的框架下，國際國內(nèi)的航天器均開始實施IP over CCSDS[2]的天地測控體制。航天器內(nèi)部支持平臺設備和載荷通信的網(wǎng)絡從以往的MIL-STD-1553B總線、RS422、LVDS、1394總線，逐步發(fā)展到普通以太網(wǎng)、時間觸發(fā)以太網(wǎng)[3]或者FC-AE-1553高速總線[4]。我國已經(jīng)在后續(xù)載人航天飛行器中建設了IP over CCSDS通信體制，通過與航天器內(nèi)部以太網(wǎng)和地面以太網(wǎng)的鏈接，有望實現(xiàn)天地一體化的IP通信。因此，無論載荷通信采用哪種網(wǎng)絡形式，航天器與地面系統(tǒng)之間支持全鏈路IP通信的需求已經(jīng)日益顯現(xiàn)。

美國航空航天局(National Aeronautics and Space-Administration, NASA)曾提出太空擴展因特網(wǎng)技術的計劃[5]，并于2009年發(fā)射攜帶Cisco公司的 IRIS Internet Router 的衛(wèi)星。同樣在2009年，NASA開始實施研究和制定空間以太網(wǎng)標準，目的是用于部署未來的空間網(wǎng)絡[6]。

無論是國際上還是國內(nèi)，將地面運控子網(wǎng)、天地測控網(wǎng)、航天器內(nèi)部網(wǎng)，以及載荷信息網(wǎng)或載荷內(nèi)部，或是多個飛行器之間，支持全鏈路的IP協(xié)議，實施靈活的在軌運控和IP路由通信，是當前在軌載荷通信和地面運控的發(fā)展趨勢。

然而，由于載荷信息網(wǎng)、地面運控子網(wǎng)與航天器平臺信息網(wǎng)、天地測控網(wǎng)的網(wǎng)絡體系不一致，并不是一個直接互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。他們之間既要相互通信，又要相互隔離以提高可靠性和安全性。航天器平臺信息網(wǎng)絡也不具備直接將IP數(shù)據(jù)包路由至地面運控子網(wǎng)或載荷信息網(wǎng)的網(wǎng)絡終端節(jié)點的條件。因此，為了支持地面運控子網(wǎng)和在軌載荷信息網(wǎng)絡之間全鏈路的端到端IP協(xié)議通信，采用IP隧道協(xié)議的通信方式應運而生。

1 IP隧道協(xié)議

1.1 IPsec

IPsec是一種開放標準的框架結構，通過使用加密的安全服務以確保在 IP網(wǎng)絡上進行保密且安全的通信。IPsec提供了兩種安全機制：認證和加密。認證機制使IP通信的數(shù)據(jù)接收方能夠確認數(shù)據(jù)發(fā)送方的真實身份以及數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否遭篡改。加密機制通過對數(shù)據(jù)進行編碼來保證數(shù)據(jù)的機密性，以防數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊聽。IPsec 協(xié)議組包含AH協(xié)議、ESP協(xié)議和IKE協(xié)議[7]。其中AH協(xié)議定義了認證的應用方法，提供數(shù)據(jù)源認證和完整性保證；ESP協(xié)議定義了加密和可選認證的應用方法，提供可靠性保證。這兩種IP隧道數(shù)據(jù)包的幀格式如下：

1)AH隧道通信模式。AH模式下，通信數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示，AH頭的最小長度為16 B。

圖1 AH隧道通信數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.1 Communication data frame of AH tunnel

2)ESP隧道通信模式。ESP通信數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。由于ESP包支持的長度不固定，且通常較長，并不太適合作為天地IP隧道協(xié)議被采用。

圖2 ESP隧道通信數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.2 Communication data frame of ESP tunnel

1.2 GRE

GRE可以對某些網(wǎng)絡層協(xié)議的數(shù)據(jù)報文進行封裝，使這些被封裝的數(shù)據(jù)報文能夠在IPv4網(wǎng)絡中傳輸。需要封裝和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文，稱之為凈荷，系統(tǒng)收到一個凈荷后，首先使用封裝協(xié)議對這個凈荷進行GRE 封裝，加上了一個GRE 頭部成為GRE 報文；然后把封裝好的原始報文和GRE 頭部封裝在IP 報文中，這樣就可完全由IP 層負責此報文的前向轉發(fā)[8]。GRE協(xié)議可作天地之間IP隧道協(xié)議，具體數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

GRE頭最小只占4 B，圖3中C表示校驗和標志位，R表示路由標志位，K表示密鑰標志位，S表示序列號同步標志位，s表示嚴格源路由標志位。協(xié)議類型一般采用IP協(xié)議0800H。

圖3 GRE隧道通信數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.3 Communication data frame of GRE tunnel

1.3 在IP內(nèi)封裝IP

在IP內(nèi)封裝IP協(xié)議就是RFC2003標準規(guī)定的IP封裝協(xié)議，可在IP數(shù)據(jù)報文中封裝另一個IP數(shù)據(jù)包(作為凈負載)的方法[9]，封裝通過把路由信息送往某個目的地，把正常的IP路由變?yōu)閿?shù)據(jù)報文。其封裝IP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)格式如圖4所示，不需要多余的封裝頭尾信息。

圖4 RFC2003隧道通信數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.4 Communication data frame of RFC2003 tunnel

2 端到端通信需求

以單個航天器為例，圖5為典型的航天器天地網(wǎng)絡通信架構，支持航天器中載荷通信的架構分為三個部分，每部分的介紹如下。

圖5 支持IP通信的天地一體化信息網(wǎng)絡架構Fig.5 World integration information network architecture that supports IP communication

1)天基航天器內(nèi)部網(wǎng)絡：包含航天器平臺信息網(wǎng)絡，航天器平臺網(wǎng)絡連接多個平臺設備子網(wǎng)和載荷信息主干網(wǎng)，載荷信息主干網(wǎng)又連接多個載荷子網(wǎng)，載荷子網(wǎng)連接多個載荷終端。航天器平臺信息網(wǎng)絡與天地測控網(wǎng)終端相連。平臺網(wǎng)絡采用IEEE 802.3-2005TM中的IPV4協(xié)議[10]，選用B類IP私有地址號段172.16.x.x～172.31.x.x，而載荷信息網(wǎng)絡選用的是C類IP私有地址號段192.168.x.x～192.168.255.255。

2)天地測控網(wǎng)：包含航天器上的測控網(wǎng)終端、中繼衛(wèi)星和地面中繼衛(wèi)星控制中心，采用IP over CCSDS的測控體制，具體傳輸時將航天器平臺信息網(wǎng)絡的外層IP數(shù)據(jù)包直接封裝到 IP over CCSDS的測控數(shù)據(jù)包中傳輸。其中天地測控網(wǎng)終端同時具有航天器平臺信息網(wǎng)絡的IP地址，也具有IP over CCSDS 體制的測控網(wǎng)地址分配。而地面中繼衛(wèi)星控制中心，則同時具有天地測控網(wǎng)地址分配，也具有地基網(wǎng)絡部分的IP地址分配。

3)地基網(wǎng)絡：包括地面中繼衛(wèi)星控制中心的部分設備，地面運控子網(wǎng)和終端，地面運控子網(wǎng)的IP地址號段為C類私有地址：192.168.x.x～192.168.255.255，與航天器上載荷子網(wǎng)的網(wǎng)絡IP號段不重復。

為了支持地面運控子網(wǎng)中的終端直接訪問載荷子網(wǎng)中的載荷，即地面C類地址號段IP數(shù)據(jù)包直接路由至在軌載荷子網(wǎng)，需要穿越天地測控網(wǎng)和航天器平臺信息網(wǎng)絡。由于B類地址網(wǎng)絡和C類地址網(wǎng)絡所處的層級不同，C類地址的IP數(shù)據(jù)包在B類地址的網(wǎng)絡中并不可見，B類地址網(wǎng)絡不具備路由載荷終端或運控子網(wǎng)終端IP數(shù)據(jù)包的條件，C類地址的IP數(shù)據(jù)包會被平臺信息網(wǎng)絡路由器或交換機識別后丟棄，因而C類地址IP數(shù)據(jù)包的轉發(fā)需要采用IP隧道封裝技術，嵌入B類地址的外層IP數(shù)據(jù)包中才能實現(xiàn)端到端的通信。具體在執(zhí)行地面運控子網(wǎng)IP數(shù)據(jù)包上行運控時，需將地面運控子網(wǎng)的源IP數(shù)據(jù)包經(jīng)地面中繼星控制中心封裝，填入天地測控網(wǎng)識別的航天器平臺信息網(wǎng)絡B類地址的外層IP數(shù)據(jù)包內(nèi)部。再由航天器平臺信息網(wǎng)絡將外層IP數(shù)據(jù)包剝離后將內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包送至載荷子網(wǎng)內(nèi)部，后由載荷子網(wǎng)通過以太網(wǎng)的ARP協(xié)議尋址到載荷。反之，在執(zhí)行載荷子網(wǎng)中的載荷直接訪問地面運控子網(wǎng)的終端，也需采用IP隧道協(xié)議，將載荷子網(wǎng)的C類地址號段的IP數(shù)據(jù)包封裝至航天器平臺的外層IP數(shù)據(jù)包中，然后經(jīng)天地測控網(wǎng)傳送至地面中繼星控制中心，由地面中繼星控制中心將外層IP數(shù)據(jù)包剝離后，將內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包送至地面運控子網(wǎng)終端。如此則可進行載荷和地面運控終端的天地一體化端到端的靈活通信，大大提高運控效率。

3 IP封裝流程

3.1 IP通信數(shù)據(jù)流

地面運控子網(wǎng)終端與在軌載荷子網(wǎng)載荷進行的IP隧道通信過程如圖6所示。地面運控計算機向有效載荷計算機發(fā)起IP通信，經(jīng)過地面運控局域網(wǎng)、天地測控網(wǎng)、航天器平臺B類地址信息網(wǎng)、載荷信息骨干網(wǎng)，最后送達載荷子網(wǎng)的載荷終端。通過IP隧道協(xié)議，在地面運控子網(wǎng)將內(nèi)網(wǎng)IP數(shù)據(jù)包封裝在外層IP數(shù)據(jù)包中，經(jīng)天地測控網(wǎng)和平臺信息網(wǎng)，IP隧道數(shù)據(jù)包路由至載荷信息骨干網(wǎng)，然后由載荷信息骨干網(wǎng)路由器解封IP隧道協(xié)議，將內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包路由至目的載荷子網(wǎng)，由載荷子網(wǎng)路由器尋址后將內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包發(fā)往載荷終端。

圖6 地面運控子網(wǎng)終端和載荷終端之間的IP隧道協(xié)議數(shù)據(jù)流Fig.6 IP tunnel protocol data flow between the ground control subnet terminal and the payload terminal

3.2 封裝與解封

圖7 IP隧道協(xié)議的封裝與解封流程Fig.7 Encapsulation and unsealing process of IP tunnel protocol

地面運控子網(wǎng)終端和在軌載荷終端之間的IP隧道協(xié)議傳送的IP數(shù)據(jù)包的封裝與解封流程如圖7所示。內(nèi)層IP經(jīng)過外層IP封裝后，再經(jīng)過天地IP over CCSDS協(xié)議封裝，在軌時，平臺信息網(wǎng)解封IP over CCSDS協(xié)議，載荷信息骨干網(wǎng)解封外層IP協(xié)議，然后將內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包轉發(fā)給載荷子網(wǎng)。

4 路由器配置

4.1 路由器設置

根據(jù)上述分析，由于需將地面運控子網(wǎng)終端的內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包送至在軌載荷終端，需經(jīng)過多個路由轉發(fā)設備，因而在整個天地通信架構中需設置多個路由器。各個路由器的設置和網(wǎng)絡IP地址號段的分配見表1。

4.2 路由表項

天地測控網(wǎng)采用IP over CCSDS專有協(xié)議。平臺信息網(wǎng)由于采用B類地址，其網(wǎng)絡只有一個網(wǎng)段。載荷信息骨干網(wǎng)也是一個網(wǎng)段，路由器表項需記錄各個終端的IP地址。由于載荷子網(wǎng)和地面運控子網(wǎng)都是多個網(wǎng)段共存，針對載荷子網(wǎng)和地面運控子網(wǎng)的路由表項設計，可以采用無類域間路由選擇方式(Classless Inter-Domain Routing，CIDR)，減少路由器的表項設計。具體設計時，例如載荷子網(wǎng)192.168.125.x的網(wǎng)段，CIDR計法為192.168.125.0/24，地面運控子網(wǎng)只需按網(wǎng)絡號記錄路由表項。

5 計算與分析

5.1 數(shù)據(jù)包定義

現(xiàn)有天地測控網(wǎng)的網(wǎng)絡延時依賴于測控網(wǎng)和中繼星的通信條件，而無線通信的延遲性能通常較寬。若天地之間的IP數(shù)據(jù)包中的傳輸層采用TCP協(xié)議，可能會涉及重傳失敗，TCP協(xié)議的開銷和擁塞控制也會占用較大的網(wǎng)絡帶寬，因此天地之間的內(nèi)、外層IP協(xié)議數(shù)據(jù)包傳輸采用TCP協(xié)議通信具有很大的不確定性。而UDP協(xié)議相對較為靈活，涉及可靠性設計的部分可交給UDP的上層應用協(xié)議來實現(xiàn)，因此航天器載荷子網(wǎng)中的載荷和地面運控子網(wǎng)終端的IP隧道通信只在傳輸層采用UDP協(xié)議。

表1 路由器設置和網(wǎng)絡IP地址段分配

天地測控網(wǎng)傳送的有效數(shù)據(jù)整包數(shù)據(jù)長度為1024 B，除去測控網(wǎng)的附加信息和編碼信息，實際外層IP數(shù)據(jù)包允許的標準包長為860 B。在IP隧道模式中，支持地面運控子網(wǎng)直接向在軌應用載荷發(fā)送內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包，在軌載荷對地面運控子網(wǎng)終端發(fā)送下行內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包。內(nèi)、外層IP數(shù)據(jù)包格式定義如下：

1)內(nèi)、外層IP數(shù)據(jù)包統(tǒng)一采用IEEE 802.3TM-2005中的IPv4協(xié)議，執(zhí)行標準為RFC791，不支持自動分片[11]，格式如圖8所示。

圖8 內(nèi)、外層IP數(shù)據(jù)包格式Fig.8 IP data packet format inside and outside

2)上行數(shù)據(jù)，內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)區(qū)一般為飛行控制指令和上行的載荷實驗控制數(shù)據(jù)；下行數(shù)據(jù)，內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包一般為載荷的科學數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。當外層IP數(shù)據(jù)包長度為860 B時，實際有效數(shù)據(jù)區(qū)長度允許為840 B。內(nèi)層IP的數(shù)據(jù)長度根據(jù)所選的IP隧道協(xié)議而定，采用IPsec-AH隧道協(xié)議的內(nèi)層IP數(shù)據(jù)長度最長為824 B，采用GRE隧道協(xié)議的內(nèi)層IP數(shù)據(jù)長度最長為836 B，采用RFC2003隧道協(xié)議的內(nèi)層IP數(shù)據(jù)長度為840 B。

由于天地測控網(wǎng)的數(shù)據(jù)包長度為固定長度，為了保證傳輸格式，地面中繼星控制中心路由器和平臺信息網(wǎng)路由器會對天地之間傳送的外層IP數(shù)據(jù)區(qū)中的有效數(shù)據(jù)進行定長判斷和處理。當單個內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包長度超過隧道協(xié)議允許的有效數(shù)據(jù)區(qū)長度時，會被平臺信息網(wǎng)路由器或地面中繼星控制中心路由器拆分成兩個內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包，不足字節(jié)被填充，然后到目的端后由路由器對內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包做拼包處理，恢復內(nèi)層完整的源IP數(shù)據(jù)包；當單個內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包長度小于隧道協(xié)議允許的長度時，平臺信息網(wǎng)路由器或地面中繼星控制中心路由器會對該內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包后面數(shù)據(jù)進行填充，以滿足外層IP數(shù)據(jù)包允許的有效數(shù)據(jù)區(qū)長度840 B。

5.2 通信效率計算

天地測控網(wǎng)提供的外層IP數(shù)據(jù)包的傳輸帶寬為600 Mbit/s，以此作為計算依據(jù)，可計算IPsec-AH、GRE和RFC2003等三種方式的通信效率。設定：

1)LSH為隧道協(xié)議的導頭字節(jié)長度，IPsec-AH為16 B，GRE為4 B和RFC2003為0 B。

2)內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包的長度為Lip-i,外層IP數(shù)據(jù)包的長度為Lip-e,天地測控網(wǎng)通信速率為Vlink,載荷實際有效通信速率為Vu。

3)當內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包等于隧道協(xié)議允許的定長時，載荷有效通信速率按式(1)計算。

(1)

當內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包超過隧道協(xié)議允許的定長，且≤(1500-LSH)時，有效通信速率按式(2)計算。

(2)

當內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包小于隧道協(xié)議允許的定長時，有效通信速率按式(3)計算。

(3)

三種隧道協(xié)議的通信有效帶寬計算結果見表2。

表2中，當內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包小于隧道協(xié)議允許的長度時，采用三種隧道協(xié)議的有效數(shù)據(jù)通信效率相當；在外層IP數(shù)據(jù)包固定長度的約束下，當采用隧道協(xié)議規(guī)定的內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包大于或等于定長時，RFC隧道協(xié)議通信效率最高，定長包(840 B)實際有效通信速率為586 Mbit/s，長包(1500 B) 實際有效通信速率為523.2 Mbit/s。因此，在進行天地IP隧道協(xié)議時，若內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包中采用UDP協(xié)議，如期望高傳輸帶寬，建議采用RFC2003隧道協(xié)議，數(shù)據(jù)的可靠傳輸可交給用戶，用戶可在UDP之上另行定義其他提高可靠傳輸?shù)膽脤訁f(xié)議；若傳輸帶寬并不是瓶頸，需保證天地之間IP隧道通信的可靠性和數(shù)據(jù)安全，則優(yōu)先采用IPsec-AH隧道協(xié)議，通過認證機制保證數(shù)據(jù)的安全和可靠傳輸。

5.3 實時性分析

在分段網(wǎng)絡設計中，載荷信息骨干網(wǎng)和載荷子網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)，載荷下行應用層數(shù)據(jù)通常采用2048 B的有效數(shù)據(jù)包下行。以千兆以太網(wǎng)典型傳輸效率80%計算，IPsec、GRE、RFC2003的三種IP隧道協(xié)議頭開銷折算后的傳輸效率分別為78.5%、79.6%、80%，有效數(shù)據(jù)速率分別為785 Mbit/s、796 Mbit/s、800 Mbit/s。三種IP隧道協(xié)議下的單個網(wǎng)絡傳輸實時性分別為20.9 μs、20.6 μs、20 μs，在載荷信息骨干網(wǎng)和載荷子網(wǎng)兩級網(wǎng)絡傳輸下延遲分別為41.8 μs、41.2 μs和40 μs。

平臺信息網(wǎng)采用萬兆以太網(wǎng)，以傳輸效率80%計算，IPsec、GRE、RFC2003的三種IP隧道協(xié)議頭開銷折算后的傳輸效率分別為78.5%、79.6%、80%，有效數(shù)據(jù)速率分別為7.85 Gbit/s、7.96 Gbit/s、8 Gbit/s。傳輸實時性分別為2.09 μs、2.06 μs、2 μs。天地測控網(wǎng)的實時性單向在700～800 ms延遲，傳輸2048 B會增加傳輸延遲27.3 μs。地面運控子網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)，以傳輸效率80%計算，同比在軌分析，有效數(shù)據(jù)速率分別為785 Mbit/s、796Mbit/s、800 Mbit/s，傳輸實時性分別為20.9 μs、20.6 μs、20 μs。

表2 三種隧道協(xié)議通信的有效帶寬

載荷下行數(shù)據(jù)采用UDP協(xié)議時，三種IP隧道協(xié)議中傳輸2048 B的有效數(shù)據(jù)包，下行全鏈路的最大延遲為IPsec協(xié)議800.092 ms，最小延遲為RFC2003協(xié)議800.089 ms，相差并不大。同比分析，載荷數(shù)據(jù)上行采用1024 B有效數(shù)據(jù)包，全鏈路的最大延遲為IPsec協(xié)議800.046 ms，最小延遲為RFC2003協(xié)議800.045 ms，亦相差不大。因此，在實時性的對比分析中，三種隧道協(xié)議的通信差異甚微。天地一體化的IP隧道協(xié)議通信為天地遙科學通信和遙操作提供了良好的通信條件。

6 結論

航天器支持天地一體化IP協(xié)議通信是目前航天技術發(fā)展的一種趨勢，采用IP隧道協(xié)議能實現(xiàn)子網(wǎng)IP數(shù)據(jù)包跨平臺網(wǎng)絡的傳輸，保證在軌載荷和地面運控子網(wǎng)終端之間靈活的端到端通信，地面運控用戶能夠透明且可控地直接訪問在軌載荷，提高了載荷運控的效率，傳統(tǒng)地面運控逐級轉發(fā)、逐級審核的模式將發(fā)生重大變化。三種IP隧道協(xié)議中RFC2003協(xié)議的傳輸帶寬最高，而IPsec-AH協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和安全性最高，各IP隧道協(xié)議在通信實時性分析上并無明顯差異。IP隧道協(xié)議不僅能實現(xiàn)單個航天器中的載荷與地面運控系統(tǒng)之間的內(nèi)層IP數(shù)據(jù)包的路由；當多個航天器組合后，各個航天器的載荷終端之間也可以通過IP隧道協(xié)議完成不同航天器載荷子網(wǎng)的互聯(lián)互通。