空间网络服务体系结构探析

摘 要 对在空间网络中建立端到端的通信服务进行需求分析，给出一种SNIS体系结构，可支持所有IP协议，包括移动IP、通过中继系统的单点接入、多点接入和按需接入射频连接等，描述所建立的SNIS系统支持航天任务数据通信的场景和过程。

关键词 SNIS 卫星通信 TDRSS

中图分类号：P208 文献标识码：A

空间网络SN指的是多个航天器在空间因数据交换和互操作需要构成的计算机网络，其军用和商用价值显著。空间网络IP服务SNIS目标是建立统一的基于端到端IP通信的空间网络，从而实现多异构接入系统之间应用的互通。

1空间网络模型

典型的空间通信系统涉及任务航天器、跟踪和数据中继卫星系统TDRSS、地面站、任务控制中心MOC以及地面通信网络等。其中，地面站、任务控制中心之间通过基于Ineternet协议的封闭工作网络IONet相互通信。航天器之间、航天器与地面之间使用无线射频交互。低轨道航天器与地面站之间保持直接通信联系的时间比例很低，因此通常使用同步轨道卫星TDRSS系统作为中继。

通常，MOC和地面站之间使用IONet类型网络。它们之间信息交互数据接口使用IP、TCP/IP或UDP/IP，但IONet不能为航天器提供IP连接。航天器与端用户之间没有可实现数据传输的IP协议。因此，用户必须提前知道所有航天器数据的数据源和目标地址。如果需要分发遥测数据，这些数据必须首先路由到预定义位置然后再分发。通过MOC中转数据导致的延迟，对很多应用来说是不能接受的。

在空间网络中引入统一的IP服务可使所有网络用户和航天器成为同一网络的不同IP结点，从而实现端到端的IP通信。由此形成的SNIS系统可应用于基于空间、地面或低地球轨道的任何用户平台。就SNIS使用者而言，航天器中的IP包既是始端也是终端，这就使任何针对数据传输的IP协议使用在航天器和端用户之间成为可能。同时也不需要提前对数据源和目标地址进行了解，这样就避免了提前设置传输数据路径。遥测能够直接对数据目的地进行定位，而不需要数据被提前发送到任务控制中心，从而降低了一些潜在的数据发送问题。

2空间IP网络体系结构

若要实现SNIS，使得它的IP服务能够提供与其他空间网络服务同等的可靠性，则必须建立两种基本类型的接口：（1）面向商业化路由器的接口。在SNIS呈现点（本文称为SNIS-POP）与射频设备所建立的连接，必须以标准串行端口接口形式提供给路由器。一旦实现这一接口，所有路由、移动IP以及在标准路由器中的其他协议，就都能在TDRSS射频链路上实现。（2）面向SNIS-POP调度、监视和控制系统的接口。这些接口允许SNIS用户以标准接口方式，调度其服务、监视其运行状态。SNIS本质上是位于TDRSS低率用户数据流和封闭的IONet之间附加的新数据路径，其目的并非取代现有的任何数据服务，而是作为支持将来新任务的可选方法。

由于SNIS用户在射频连接操作功能中，大多使用了标准信道编码，所以SNIS解码需要有一些附加的编码和解码功能。SNIS也提供了标准路由器连续端口所必须的电子接口。通过路由器的数据流将是IP包以帧中继或HDLC帧形式传送的。SNIS很难实现调度、监视和控制系统接口，因为这些问题只存在于空间网络中，而地面站实现IP服务没有那么复杂。

3空间IP服务

由于SNIS合并了驱动数据分布的数据和多种用于商业的IP协议及其应用，因此只要航天器作为一个节点或子网连接到SNIS网络上，就能实现全IP端到端通信。其建立过程及工作场景简单介绍如下： （1）安全。所有与航天器相关的任务必须在安全的状态下进行，即使这些任务只限于地面IONet上。还需要其它一些安全保护措施，如端到端IP采用的VPN、IPSec以及针对安全Internet使用的措施和机制。SNIS的出现有效的实现了这一点。（2）移动连接。SNIS支持移动IP协议和移动路由标准，允许用户航天器的数据路径在一次TDRSS事件的开始即被自动设置。移动IP信道仅仅用于前向链路数据路由，任何返向链路数据只要数据包到达SNIS-POP的任何一个路由器，数据即被发送。这是因为位于SNIS-POP的路由器已经拥有了一个合法的目标地址。因此，支持返向链路数据路由模式的普通路由链路能自动传输数据而不需要提前配置或获得移动IP。（3）告警。很多航天科学设备需要对望远镜或用于特定环境探测工具作出及时响应，例如伽马射线爆炸。因此，最短延迟时间对实验和工作结果有极大帮助。SNIS用户能够发送一个告警信息，此信息将直接从地面站经路由发送到一个预定的目的地，如果支持多点传送，可发送到多个目的地。将IP数据路由和TDRSS需求接入系统返向链路相结合，能够使航天器在网络上时时地向任何目标发送数据。（4）虚拟交联。IP航天器数据包的目标地址可以是其他航天器或平台。如果两个航天器，即使它们在地球的两侧仍然可以通信，如同有一个交联。只要两个航天器同时连接网络，他们之间的通信类似于任何网络节点间通信。（5）数据文件传输。在航天器上执行可靠文件传输是一种普通操作需求，这种需求也同时针对Internet用户，因此有许多基于IP文件传输的协议，主要用于UDP和TCP。SNIS也可以提供储存和转发文件服务的能力，此服务由SNIS-POP的一台服务器提供，它能够临时接收用户文件，等待文件被转发到航天器、任务控制中心或其他目的地。这就需要提供一个效率缓冲服务，同时也需要提供对地面网络错误的保护。

4结论

SNIS技术在通信延时、带宽和误码率等方面还存在着巨大的变度。新的高级网络协议不仅要求解决高延时、低带宽和高误码率问题，而且还要考虑延时、带宽和误码率的可变性。因此，SNIS需要在发展中不断完善，同时也需要一个可靠的TDRSS系统作为支撑。