天智協議棧 精通各種“星語”的衛星“總舵主”

  從 1980 顆衛星組成的能覆蓋全球的英國 OneWeb 衛星網絡,到美國 SpaceX“星鏈”(Satrlink)計劃發射上萬顆衛星,再到中國的“鴻雁”“虹雲”“行雲”“國網”等星座網絡計劃,未來還將有數以萬計的智能衛星會被發射到太空中。

  日前,中科院軟件所天基重點實驗室發布“天智協議棧”beta 版,可有效支撐衛星之間互聯互通互操作,大大加快衛星互聯網建設的步伐。“如此眾多的衛星之間只有實現數據的跨界互聯,打破信息孤島,才會凝結出更強大的天基智慧。”中國科學院軟件所研究員、天基實驗室研究一部主任劉立祥表示,對於網絡來說,協議是靈魂和核心,對網絡效能的發揮能力起着決定性作用,希望天智協議棧的發布,能夠使國內天基信息組網設計領域掀起新的研究熱潮。

  星間大互聯,需實現數據“不問出處”

  為了解決天地一體化互聯組網,中科院軟件所天基實驗室自 2003 年起,在中科院的支持下,攜手中國科大、清華、北郵、北航、國防科大、中電 54 所等十餘所高校和研究院所,經過十餘年的探索,才有了“天智協議棧”今天的成果。

  天基智能網絡為什麼需要協議呢?

  “協議”可以理解為數據間的“互信”“互聯”。人們對於網絡協議並不陌生,在地面的互聯網絡中,採用的是 TCP/IP 互聯網協議,可以在各種硬件和操作系統上實現互操作。有了 TCP/IP 協議,不會因為這台機器使用 Windows 系統,另一台機器使用 Linux 系統就無法傳遞信號了,安卓和蘋果系統也可以在同一套協議中互相聯絡。

  空天的互聯,需要天基衛星間能夠實現終端無關、網絡無關、應用無關的終端與服務發現、定位和訪問。不同星座間對數據的接收、計算等需要做到“英雄不問出處”。

  “目前的衛星大致分為資源遙感、導航定位、通信服務等三類,它們採用獨立的天、空、地基系統提供服務。”劉立祥說,不同的星座自成體系,要將不同的遙感衛星或其他衛星獲取的信息在天基進行互操作服務目前是非常困難的。任務不同的衛星“天生”就不一樣,比如資源遙感衛星、情報衛星、氣象衛星,其對信息實時性、安全性、傳輸帶寬要求各不相同。

  “需要一個總的‘掌舵者’,既能接收、傳送不同的信息,還能對應用和網絡資源進行協同和調配。”劉立祥說,天智協議棧設計的目的是可以適應不同的網絡類型,支持天基物聯網、空間互聯網以及天地一體化組網等,對於規則和不規則組網類型都可以實現很好的支持,它的“包容度”好,衛星數目可以從幾顆到幾千顆不等。

  “現有的 TP、TCP 加速、VCP 等都是傳輸層協議,都是針對星上環境進行了協議優化。但是單個協議的性能無法決定協議棧的性能,要想實現協議的高性能首先必須從體繫上入手,設計合理的體繫結構才能實現網絡的最優。”劉立祥說,天智協議棧就是那個總的“掌舵者”。

  動態 IP 虛擬化,適應衛星閃速飛行

  在地面,每台機器都會分配一個 IP 地址使得它們“認識”和“區分”彼此。但在空天域中,中低軌通信衛星以及大橢圓軌道衛星等持續高速移動,使得它們的接入節點隨時變化。

  衛星的閃速飛行,為統一組網並實現信息應用帶來了一個難題。“如果給每一個衛星賦予一個 IP,能夠解決統一地址分配問題,但衛星的快速移動使得它在網絡中的地址不斷出現變化,這對路由將造成非常大的影響。”

  為了將天基衛星移動和終端的移動對網絡的影響降低到最低,天智協議棧採用全新的動態 IP 虛擬化技術,有效解決衛星/終端移動造成的地址頻繁切換、終端尋址困難等難題。“我們在網絡層採用動態網絡虛擬化技術,設計了針對單層、雙層、三層等不同衛星網絡架構以及地面和空間一體化路由機制和地址管理協議。”劉立祥說,通過虛擬化,將衛星的 IP 和標識進行了有效統一,為天地一體化路由和傳輸提供了全新的解決方案,還可以支持斷點續傳、負載均衡以及多徑選擇等個性化的需求。

  天智協議棧在設計時嵌入了多種模型,包括環境模型、安全模型和不同的業務模型(如會話、交互、傳輸、採集等),對不同的鏈路狀態能夠進行智能感知,並根據衛星的狀態以及互聯情況,進行窄帶、寬帶業務的“自適應”。

  兼容能力強,打造天基信息網絡大生態

  “‘天智協議棧’beta 版的研製,不僅可以大力支撐國家天地一體化網絡、以及航天科技、航天科工、中科院等行業部門衛星系統建設,對商業航天也將起到極大地促進作用。”劉立祥表示,基礎研究為應用創新打好基礎。

  總體來講,天智協議棧由 5 層組成,包括應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層,基礎協議模塊 28 個,核心協議模塊 37 個,為了更好的服務於天基複雜應用環境,協議棧嵌入了天基環境、故障、安全等關鍵模型 15 個,可提供不同的功能組合與調用。

  為了接納不同的技術要求,形成天基信息網絡的大生態。協議棧在每個層面都有“兼容能力”。例如,在鏈路層面,激光和微波有着不同的通信方式,針對衛星和終端的移動,專家們重點設計了一體化網絡的移動管理協議及接入和鑒權協議,實現了網絡資源的有效管理和開放,既支持傳統的協議,也支持 CCSDS 協議,面向衛星和終端的移動性管理體制,可自適應接入和一體化測運控,支持其他定製協議。

  劉立祥還表示,為了給天地一體化網絡提供一個評估、分析、開發、應用的地面驗證平台,項目組還開發了一套面向天地一體化組網應用的天智網絡測試床,能夠支持衛星組網系統的方案與技術論證、仿真實驗與測試、系統演示與效能評估,可支持全数字、半物理仿真等不同的測試接口功能,兼顧未來星上設備研製和地面測試需要,可集成用戶終端、星載組網設備、應用業務等模擬器或原理樣機。

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