從1980顆衛(wèi)星組成的能覆蓋全球的英國OneWeb衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，到美國SpaceX“星鏈”(Satrlink)計劃發(fā)射上萬顆衛(wèi)星，再到中國的“鴻雁”“虹云”“行云”“國網(wǎng)”等星座網(wǎng)絡(luò)計劃，未來還將有數(shù)以萬計的智能衛(wèi)星會被發(fā)射到太空中。

日前，中科院軟件所天基重點實驗室發(fā)布“天智協(xié)議棧”beta版，可有效支撐衛(wèi)星之間互聯(lián)互通互操作，大大加快衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的步伐。“如此眾多的衛(wèi)星之間只有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨界互聯(lián)，打破信息孤島，才會凝結(jié)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，對于網(wǎng)絡(luò)來說，協(xié)議是靈魂和核心，對網(wǎng)絡(luò)效能的發(fā)揮能力起著決定性作用，希望天智協(xié)議棧的發(fā)布，能夠使國內(nèi)天基信息組網(wǎng)設(shè)計領(lǐng)域掀起新的研究熱潮。

星間大互聯(lián)，需實現(xiàn)數(shù)據(jù)“不問出處”

為了解決天地一體化互聯(lián)組網(wǎng)，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所等十余所高校和研究院所，經(jīng)過十余年的探索，才有了“天智協(xié)議棧”今天的成果。

天基智能網(wǎng)絡(luò)為什么需要協(xié)議呢?

“協(xié)議”可以理解為數(shù)據(jù)間的“互信”“互聯(lián)”。人們對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并不陌生，在地面的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，采用的是TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，可以在各種硬件和操作系統(tǒng)上實現(xiàn)互操作。有了TCP/IP協(xié)議，不會因為這臺機器使用Windows系統(tǒng)，另一臺機器使用Linux系統(tǒng)就無法傳遞信號了，安卓和蘋果系統(tǒng)也可以在同一套協(xié)議中互相聯(lián)絡(luò)。

空天的互聯(lián)，需要天基衛(wèi)星間能夠?qū)崿F(xiàn)終端無關(guān)、網(wǎng)絡(luò)無關(guān)、應用無關(guān)的終端與服務發(fā)現(xiàn)、定位和訪問。不同星座間對數(shù)據(jù)的接收、計算等需要做到“英雄不問出處”。

“目前的衛(wèi)星大致分為資源遙感、導航定位、通信服務等三類，它們采用獨立的天、空、地基系統(tǒng)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(wèi)星或其他衛(wèi)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(wèi)星“天生”就不一樣，比如資源遙感衛(wèi)星、情報衛(wèi)星、氣象衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)資源進行協(xié)同和調(diào)配。”劉立祥說，天智協(xié)議棧設(shè)計的目的是可以適應不同的網(wǎng)絡(luò)類型，支持天基物聯(lián)網(wǎng)、空間互聯(lián)網(wǎng)以及天地一體化組網(wǎng)等，對于規(guī)則和不規(guī)則組網(wǎng)類型都可以實現(xiàn)很好的支持，它的“包容度”好，衛(wèi)星數(shù)目可以從幾顆到幾千顆不等。

“現(xiàn)有的TP、TCP加速、VCP等都是傳輸層協(xié)議，都是針對星上環(huán)境進行了協(xié)議優(yōu)化。但是單個協(xié)議的性能無法決定協(xié)議棧的性能，要想實現(xiàn)協(xié)議的高性能首先必須從體系上入手，設(shè)計合理的體系結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)。”劉立祥說，天智協(xié)議棧就是那個總的“掌舵者”。

動態(tài)IP虛擬化，適應衛(wèi)星閃速飛行

在地面，每臺機器都會分配一個IP地址使得它們“認識”和“區(qū)分”彼此。但在空天域中，中低軌通信衛(wèi)星以及大橢圓軌道衛(wèi)星等持續(xù)高速移動，使得它們的接入節(jié)點隨時變化。

衛(wèi)星的閃速飛行，為統(tǒng)一組網(wǎng)并實現(xiàn)信息應用帶來了一個難題。“如果給每一個衛(wèi)星賦予一個IP，能夠解決統(tǒng)一地址分配問題，但衛(wèi)星的快速移動使得它在網(wǎng)絡(luò)中的地址不斷出現(xiàn)變化，這對路由將造成非常大的影響。”

為了將天基衛(wèi)星移動和終端的移動對網(wǎng)絡(luò)的影響降低到最低，天智協(xié)議棧采用全新的動態(tài)IP虛擬化技術(shù)，有效解決衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)層采用動態(tài)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，設(shè)計了針對單層、雙層、三層等不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及地面和空間一體化路由機制和地址管理協(xié)議。”劉立祥說，通過虛擬化，將衛(wèi)星的IP和標識進行了有效統(tǒng)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(xù)傳、負載均衡以及多徑選擇等個性化的需求。

天智協(xié)議棧在設(shè)計時嵌入了多種模型，包括環(huán)境模型、安全模型和不同的業(yè)務模型(如會話、交互、傳輸、采集等)，對不同的鏈路狀態(tài)能夠進行智能感知，并根據(jù)衛(wèi)星的狀態(tài)以及互聯(lián)情況，進行窄帶、寬帶業(yè)務的“自適應”。

兼容能力強，打造天基信息網(wǎng)絡(luò)大生態(tài)

“‘天智協(xié)議棧’beta版的研制，不僅可以大力支撐國家天地一體化網(wǎng)絡(luò)、以及航天科技、航天科工、中科院等行業(yè)部門衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，對商業(yè)航天也將起到極大地促進作用。”劉立祥表示，基礎(chǔ)研究為應用創(chuàng)新打好基礎(chǔ)。

總體來講，天智協(xié)議棧由5層組成，包括應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層，基礎(chǔ)協(xié)議模塊28個，核心協(xié)議模塊37個，為了更好的服務于天基復雜應用環(huán)境，協(xié)議棧嵌入了天基環(huán)境、故障、安全等關(guān)鍵模型15個，可提供不同的功能組合與調(diào)用。

為了接納不同的技術(shù)要求，形成天基信息網(wǎng)絡(luò)的大生態(tài)。協(xié)議棧在每個層面都有“兼容能力”。例如，在鏈路層面，激光和微波有著不同的通信方式，針對衛(wèi)星和終端的移動，專家們重點設(shè)計了一體化網(wǎng)絡(luò)的移動管理協(xié)議及接入和鑒權(quán)協(xié)議，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的有效管理和開放，既支持傳統(tǒng)的協(xié)議，也支持CCSDS協(xié)議，面向衛(wèi)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，支持其他定制協(xié)議。

劉立祥還表示，為了給天地一體化網(wǎng)絡(luò)提供一個評估、分析、開發(fā)、應用的地面驗證平臺，項目組還開發(fā)了一套面向天地一體化組網(wǎng)應用的天智網(wǎng)絡(luò)測試床，能夠支持衛(wèi)星組網(wǎng)系統(tǒng)的方案與技術(shù)論證、仿真實驗與測試、系統(tǒng)演示與效能評估，可支持全數(shù)字、半物理仿真等不同的測試接口功能，兼顧未來星上設(shè)備研制和地面測試需要，可集成用戶終端、星載組網(wǎng)設(shè)備、應用業(yè)務等模擬器或原理樣機。