天智协议栈 精通各种“星语”的卫星“总舵主”

　　从1980颗卫星组成的能覆盖全球的英国OneWeb卫星网络，到美国SpaceX“星链”（Satrlink）计划发射上万颗卫星，再到中国的“鸿雁”“虹云”“行云”“国网”等星座网络计划，未来还将有数以万计的智能卫星会被发射到太空中。

　　日前，中科院软件所天基重点实验室发布“天智协议栈”beta版，可有效支撑卫星之间互联互通互操作，大大加快卫星互联网建设的步伐。“如此众多的卫星之间只有实现数据的跨界互联，打破信息孤岛，才会凝结出更强大的天基智慧。”中国科学院软件所研究员、天基实验室研究一部主任刘立祥表示，对于网络来说，协议是灵魂和核心，对网络效能的发挥能力起着决定性作用，希望天智协议栈的发布，能够使国内天基信息组网设计领域掀起新的研究热潮。

　　星间大互联，需实现数据“不问出处”

　　为了解决天地一体化互联组网，中科院软件所天基实验室自2003年起，在中科院的支持下，携手中国科大、清华、北邮、北航、国防科大、中电54所等十余所高校和研究院所，经过十余年的探索，才有了“天智协议栈”今天的成果。

　　天基智能网络为什么需要协议呢？

　　“协议”可以理解为数据间的“互信”“互联”。人们对于网络协议并不陌生，在地面的互联网络中，采用的是TCP/IP互联网协议，可以在各种硬件和操作系统上实现互操作。有了TCP/IP协议，不会因为这台机器使用Windows系统，另一台机器使用Linux系统就无法传递信号了，安卓和苹果系统也可以在同一套协议中互相联络。

　　空天的互联，需要天基卫星间能够实现终端无关、网络无关、应用无关的终端与服务发现、定位和访问。不同星座间对数据的接收、计算等需要做到“英雄不问出处”。

　　“目前的卫星大致分为资源遥感、导航定位、通信服务等三类，它们采用独立的天、空、地基系统提供服务。”刘立祥说，不同的星座自成体系，要将不同的遥感卫星或其他卫星获取的信息在天基进行互操作服务目前是非常困难的。任务不同的卫星“天生”就不一样，比如资源遥感卫星、情报卫星、气象卫星，其对信息实时性、安全性、传输带宽要求各不相同。

　　“需要一个总的‘掌舵者’，既能接收、传送不同的信息，还能对应用和网络资源进行协同和调配。”刘立祥说，天智协议栈设计的目的是可以适应不同的网络类型，支持天基物联网、空间互联网以及天地一体化组网等，对于规则和不规则组网类型都可以实现很好的支持，它的“包容度”好，卫星数目可以从几颗到几千颗不等。

　　“现有的TP、TCP加速、VCP等都是传输层协议，都是针对星上环境进行了协议优化。但是单个协议的性能无法决定协议栈的性能，要想实现协议的高性能首先必须从体系上入手，设计合理的体系结构才能实现网络的最优。”刘立祥说，天智协议栈就是那个总的“掌舵者”。

　　动态IP虚拟化，适应卫星闪速飞行

　　在地面，每台机器都会分配一个IP地址使得它们“认识”和“区分”彼此。但在空天域中，中低轨通信卫星以及大椭圆轨道卫星等持续高速移动，使得它们的接入节点随时变化。

　　卫星的闪速飞行，为统一组网并实现信息应用带来了一个难题。“如果给每一个卫星赋予一个IP，能够解决统一地址分配问题，但卫星的快速移动使得它在网络中的地址不断出现变化，这对路由将造成非常大的影响。”

　　为了将天基卫星移动和终端的移动对网络的影响降低到最低，天智协议栈采用全新的动态IP虚拟化技术，有效解决卫星/终端移动造成的地址频繁切换、终端寻址困难等难题。“我们在网络层采用动态网络虚拟化技术，设计了针对单层、双层、三层等不同卫星网络架构以及地面和空间一体化路由机制和地址管理协议。”刘立祥说，通过虚拟化，将卫星的IP和标识进行了有效统一，为天地一体化路由和传输提供了全新的解决方案，还可以支持断点续传、负载均衡以及多径选择等个性化的需求。

　　天智协议栈在设计时嵌入了多种模型，包括环境模型、安全模型和不同的业务模型（如会话、交互、传输、采集等），对不同的链路状态能够进行智能感知，并根据卫星的状态以及互联情况，进行窄带、宽带业务的“自适应”。

　　兼容能力强，打造天基信息网络大生态

　　“‘天智协议栈’beta版的研制，不仅可以大力支撑国家天地一体化网络、以及航天科技、航天科工、中科院等行业部门卫星系统建设，对商业航天也将起到极大地促进作用。”刘立祥表示，基础研究为应用创新打好基础。

　　总体来讲，天智协议栈由5层组成，包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层，基础协议模块28个，核心协议模块37个，为了更好的服务于天基复杂应用环境，协议栈嵌入了天基环境、故障、安全等关键模型15个，可提供不同的功能组合与调用。

　　为了接纳不同的技术要求，形成天基信息网络的大生态。协议栈在每个层面都有“兼容能力”。例如，在链路层面，激光和微波有着不同的通信方式，针对卫星和终端的移动，专家们重点设计了一体化网络的移动管理协议及接入和鉴权协议，实现了网络资源的有效管理和开放，既支持传统的协议，也支持CCSDS协议，面向卫星和终端的移动性管理体制，可自适应接入和一体化测运控，支持其他定制协议。

　　刘立祥还表示，为了给天地一体化网络提供一个评估、分析、开发、应用的地面验证平台，项目组还开发了一套面向天地一体化组网应用的天智网络测试床，能够支持卫星组网系统的方案与技术论证、仿真实验与测试、系统演示与效能评估，可支持全数字、半物理仿真等不同的测试接口功能，兼顾未来星上设备研制和地面测试需要，可集成用户终端、星载组网设备、应用业务等模拟器或原理样机。