CN115833897A - 一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，属于电子系统设计领域，包括星内星间星地一体化星载路由设备，所述星内星间星地一体化星载路由设备采用了分层设计技术，包含三个模块，处理器模块、星间高速转发模块和星内转发模块，其中处理器模块位于控制层，星间高速转发模块和星内转发模块位于转发层，这样采用控制层和转发层分开的架构，控制层由星载计算机模块构成，由CPU软件完成路由表的计算和整个路由器的控制，转发层由星间高速转发模块和星内转发模块构成，分别进行星间高速数据的转发和星内数据的转发。

Description

一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法

技术领域

本发明属于电子系统的技术领域，具体给出一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法。

背景技术

传统卫星的遥测遥控和业务数据处理都要经过星载计算机的CPU软件处理，其处理能力受星载CPU性能的约束较大。采用IP协议的路由器技术，可以实现整星数据流的灵活设计，提高整星的数据处理能力。

通过资料查阅和专利查新，其中一种主要是直接采用地面成熟的IP路由器进行设计。在《天地一体化网络中的航天器IP网络设计》(航天器工程第26卷第4期)中，中国空间技术研究院载人航天总体部为货运飞船、载人飞船和天宫空间站设计的路由器采用商用以太网交换机，星上所有具有以太网接口的设备均接到交换机上，实现星内数据的路由传输。另外，还配置了一个网关，用于协议转换，用于天地间数据交互。同样，地面站也需要配置一个网关。采用地面商用成熟路由器的优点是可以利用地面网络发展的技术成果，开发周期短，但是商用路由器抗空间辐射环境能力差，不适用于长期在轨工作且无人照料的卫星上。

另外一种主要是采用非IP网络路由器实现星内各个单机或分系统间的数据交换。在马文杰等公开的“一种基于智能型高速路由器的星上载荷信息流管理系统”(专利号：CN201210478693.6)专利中，提出了一种包括智能型高速路由器、有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数传设备的载荷信息管理系统，其中智能型高速路由器包括SpaceWire路由模块、智能控制模块和SpaceWire标准总线接口，SpaceWire路由模块将来自有效载荷设备、数据处理设备、数据存储设备和数据传输设备的数据直接进行交换或通过智能控制模块的CAN接口输出到星载低速总线网络。该SpaceWire路由器充当高速总线的角色，以实现各个设备间的数据传输。由于未采用IP协议，不能实现与地面网络的融合。

发明内容

本发明技术解决的问题是：克服现有数据处理技术的不足，采用IPv6路由技术，提供了一种支持星内、星间、星地数据一体化路由转发的高速星载路由器。

本发明的技术解决方案是：星内星间星地一体化星载路由设备采用了分层设计技术，包含三个模块，处理器模块、星间高速转发模块和星内转发模块，其中处理器模块位于控制层，实现路由器的控制，星间高速转发模块和星内转发模块位于转发层，分别用于星间数据和星内数据的转发。处理器模块采用标准的星载计算机模块，作为路由器的控制核心，采用动态路由算法获得网络路由拓扑，生成路由转发表给星间高速转发模块和星内转发模块。星间高速转发模块支持星间、星地高速数据的路由转发，支持端口数为6，转发速率为2Gbps。星内转发模块支持星内数据的路由转发以及与高速转发模块间数据交互，支持端口数为16，转发速率可调，最高为20Mbps。

在上述硬件架构基础上，分别设计遥测数据、遥控数据和业务数据信息流。

关于遥测数据，分为星内设备遥测包和星间输入遥测包。

星内设备的遥测信息由自身组织成IP数据报，并通过LVDS接口输出到星内转发模块FPGA，该FPGA根据目的IP地址路由输出给CPU软件，后者完成各个设备的遥测组织，由软件统一调度遥测包，实现不同遥测数据包的优先级、下行频度和输出通道控制处理。CPU软件将组织完成的遥测包输出给星内转发FPGA1，星内转发FPGA1根据目的IP地址再转发输出到星间高速转发模块FPGA2，星间高速转发模块FPGA2根据目的IP地址选择遥测落地下行或者星间转发输出至它星。

星间输入遥测包到达星间高速转发模块FPGA后，如果需要路由下行输出至地面站，不需要经过星内转发模块和CPU软件而直接转发输出至高速下行通道，如果需要路由输出至它星，直接从其它星间端口转发输出。

关于遥控数据，从星地上行通道或者星间通道接收的遥控数据，如果为非本星遥控数据，则不需要经过软件，直接由星间高速转发模块FPGA根据目的IP地址转发输出；如果为本星自用遥控数据，星间高速转发模块FPGA2将其转发输出至星内转发模块FPGA1，然后再转给CPU软件，由CPU软件完成遥控数据的解析处理，并重新组织生成IP包由星内转发模块FPGA1转发至星内各个设备。地面生成遥控数据帧时，将目的IP地址设置为目的卫星的CPU软件地址。本星自用遥控数据由CPU软件完成解析和分发，保障遥控数据的可靠和设备安全。

关于业务数据，星内设备生成的业务数据，直接由星内转发模块FPGA1和星间高速转发模块FPGA2两级转发输出至地面站或者它星。从它星输入接收的业务数据可以通过星间高速转发模块FPGA2直接转发输出，或者通过星间高速转发模块FPGA2和星内转发模块FPGA1两级转发输出至星内设备。业务数据的处理均不需要经过CPU软件，大大减轻了CPU软件的负担。业务数据的流向可以通过向业务数据生成的星内设备发遥控指令控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明采用控制层和转发层分开的架构，控制层由星载计算机模块构成，由CPU软件完成路由表的计算机和整个路由器的控制，转发层由星间高速转发模块和星内转发模块构成，分别进行星间高速数据的转发和星内数据的转发；

二、遥测数据包由CPU软件完成统一组织和调度，实现不同遥测数据包的优先级、下行频度和输出通道控制处理，由指令控制遥测包是输出至地面站还是星间转发输出，接收它星遥测转发至地面站的数据包不需要由CPU软件调度而直接转发输出，降低CPU软件处理的负担；遥测数据包的接收终端由地面指令控制，CPU软件只需要根据接收终端的IP地址设置遥测IP数据包的目的地址即可，然后输出至FPGA，由星间高速转发模块FPGA完成路由选择转发输出，降低了软件与FPGA交互数据的复杂度；

三、遥控数据包由CPU软件完成接收、解析和分发处理，保证整星指令安全，而接收到转发至它星的遥控数据包不需要经过CPU软件而直接转发输出，降低CPU软件处理的负担；

四、业务数据包的双向传输均不经过CPU软件，而是由星内设备自行组织转发输出或接收处理，而业务数据的目的地址可由遥控指令控制。

附图说明

图1为本发明星内星间星地一体化星载路由器设备的主要构成原理框图；

图2为本发明星内星间一体化星载路由器设备IP数据报交互的格式；

图3为本发明遥测数据流的示意图；

图4为本发明遥控数据流的示意图；

图5为本发明业务数据流的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

实施例

参阅图1，为本发明星内星间星地一体化星载路由器设备的主要构成原理框图，一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，星内星间星地一体化星载路由设备采用了分层设计技术，包含三个模块，处理器模块、星间高速转发模块和星内转发模块，其中处理器模块位于控制层，实现路由器的控制，星间高速转发模块和星内转发模块位于转发层，分别用于星间数据和星内数据的转发。

CPU模块通过IO接口对星内转发模块和星间高速转发模块的FPGA1和FPGA2进行控制信号写入和遥测信号读取，同时CPU与星内转发模块的FPGA1以格式II交互IP数据报。

星内转发模块以FPGA1为核心，为了提高FPGA1的空间在轨工作可靠性，一是FPGA内部进行了三模冗余设计，二是在外围采用高可靠器件对FPGA进行周期刷新。FPGA1外挂存储器2用于各路由通道输出数据缓存。除了与CPU模块间采用格式II进行IP数据报交互，与星间高速转发模块之间也采用格式II，而与星内各设备的数据交互采用格式I。

星间高速转发模块的硬件架构与星内转发模块类似，仅是对外高速接口采用TLK2711芯片，对外交互的数据帧格式为格式III。

图2为本发明星内星间一体化星载路由器设备IP数据报交互的格式，分成三种格式，分别为格式I、格式II和格式III。格式I为864字节，其中包含4字节同步头0x1ACFF1D，40字节IPv6头，818字节IPv6数据域，2字节CRC校验(CRC1)。CRC1是对858字节IPv6数据报数据的CRC校验。

格式I仅用于星内转发模块与星内路由终端设备之间的数据交互，星内转发模块内FPGA1仅根据IPv6头字段中的目的IP地址进行路由处理。

格式II共868字节，是在格式I的基础上增加了4字节的交互头，该交互头字段是用来区分IP数据报的类型。当数据报为CPU模块发出的Hello包，星内转发模块不需要路由，星间高速转发模块直接根据交互头确定输出端口将该IPv6数据报发送输出；当数据报为CPU发出的路由包，星内转发模块和星间高速转发模块需要根据IPv6头中的目的地址进行路由输出。

格式III共896字节，除了包含格式I和格式II中的858字节IPv6数据报，还包括4字节同步头0x1ACFFC1D、6字节AOS头、22字节插入域+封装头+IPoC头、4字节操作控制域和2字节CRC(CRC2)。CRC2是对不包含帧同步头的890字节数据进行CRC校验。格式III用于星间和星地IPv6数据报交互的数据帧格式，采用IP over CCSDS标准，将IPv6数据报承载于AOS帧格式中进行传输。

格式I与格式II的转换在星内转发模块FPGA1中完成。由格式I到格式II时，按照路由包格式添加交互头后根据目的IP路由输出；由格式II到格式I时，直接将交互头去掉即可。

格式II与格式III的转换在星间高速转发模块FPGA2中完成。由格式II到格式III时，交互头用于指示是Hello包还是路由包，如果是Hello包转换成格式III后直接根据交互头选择端口输出，如果是路由包根据目的IP地址路由输出；由格式III到格式II时，交互头按照路由包格式处理转换后输出至星内转发模块。

图3为遥测数据流，图中示意了两种遥测数据，一种是星内设备产生的遥测数据包(遥测1)，一种是它星输入接收的遥测数据包(遥测2)。

遥测1由LVDS接口接收输入至星内转发模块FPGA1，再由后者路由转发至CPU软件，由软件完成该遥测包的优先级、下行频度和输出通道控制处理，然后再送至星内转发模块路由FPGA1转发输出至星间高速转发模块FPGA2，FPGA依据转发表和遥测1数据包的目的IP地址，选择对地通道1输出至地面测控站还是星间通道1输出至它星。

遥测2由星间通道2输入至星间高速转发模块FPGA2，直接根据转发表和遥测2数据包的目的IP地址，选择对地通道1输出至地面测控站还是星间通道1输出至另一它星。

图4为遥控数据流。图中示意了两种遥控数据，一种是本星设备使用的遥控数据包(遥控1)，一种是转发输出至它星的遥控数据包(遥控2)。

遥控1数据可以由两种方式进入到星间高速转发模块FPGA2，一种是由地面测控站(对地通道1)上行注入，一种是通过它星(星间通道1)转发输入。星间高速转发模块FPGA2根据遥控1数据包的目的IP地址确定是本星指令，则转发至星内转发模块FPGA1，由后者转发给CPU软件，软件完成指令内容的解析LVDS接口接收输入至星内转发模块FPGA1，再由后者路由转发至CPU软件，由软件完成由CPU软件完成遥控1数据包的解析处理，并重新组织生成IP包由星内转发模块FPGA1转发至星内设备。

遥控2数据包可以由两种方式进入到星间高速转发模块FPGA2，一种是由地面测控站(对地通道1)上行注入，一种是通过它星(星间通道1)转发输入。FPGA2接收到遥控2数据包，直接根据转发表和遥控2数据包的目的IP地址，选择星间通道2输出。

图5为业务数据流。图中示意了两种业务数据，一种是本星设备生成的业务数据包(业务1)，一种是它星生成通过星间通道转发至本星的业务数据包(业务2)。

业务1数据包由星内设备1自身根据设定的终端IP地址产生。通过LVDS输出至星内转发模块FPGA1，再转发至星间高速转发模块FPGA2，并由FPGA2根据转发表和业务1数据包的目的IP地址，选择星间通道2输出。

业务2数据包由星间通道1输入至星间高速转发模块FPGA2，尤其根据转发表和业务2数据包的目的IP地址，选择直接通过星间通道2输出还是选择星内转发模块FPGA1输出。转发至FPGA1的业务2数据包再根据其目的IP地址进一步转发至相应的星内设备。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (8)

1.一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，其特征在于：包括星内星间星地一体化星载路由设备，所述星内星间星地一体化星载路由设备采用了分层设计技术，包含三个模块，处理器模块、星间高速转发模块和星内转发模块；

其中处理器模块位于控制层，用于实现路由器的控制；

星间高速转发模块和星内转发模块位于转发层，分别用于星间数据和星内数据的转发。

2.根据权利要求1所述的一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，其特征在于：所述处理器模块采用标准的星载计算机模块，作为路由器的控制核心，采用动态路由算法获得网络路由拓扑，生成路由转发表给星间高速转发模块和星内转发模块；

所述星间高速转发模块支持星间、星地高速数据的路由转发，支持端口数为6，转发速率为2Gbps；

所述星内转发模块支持星内数据的路由转发以及与高速转发模块间数据交互，支持端口数为16，转发速率可调，最高为20Mbps。

3.根据权利要求1所述的一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，其特征在于：所述星内星间星地一体化星载路由设备的IP数据报交互的格式分成三种格式：

格式I为864字节，其中包含4字节同步头0x1ACFF1D，40字节IPv6头，818字节IPv6数据域，2字节CRC1校验；格式I用于星内转发模块与星内路由终端设备之间的数据交互，星内转发模块内FPGA1根据IPv6头字段中的目的IP地址进行路由处理；

格式II共868字节，是在格式I的基础上增加了4字节的交互头，该交互头字段是用来区分IP数据报的类型；当数据报为处理器模块发出的Hello包，星内转发模块不需要路由，直接转发给星间高速转发模块，星间高速转发模块直接根据交互头确定输出端口将该IPv6数据报发送输出；当数据报为处理器模块发出的路由包，星内转发模块和星间高速转发模块根据IPv6头中的目的地址进行路由输出；

格式III共896字节，除了包含格式I和格式II中的858字节IPv6数据报，还包括4字节同步头0x1ACFFC1D、6字节AOS头、22字节插入域+封装头+IPoC头、4字节操作控制域和2字节CRC2；CRC2是对不包含帧同步头的890字节数据进行CRC校验；格式III用于星间和星地IPv6数据报交互的数据帧格式，采用IP over CCSDS标准，将IPv6数据报承载于AOS帧格式中进行传输。

4.根据权利要求3所述的一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，其特征在于：所述星间高速转发模块以FPGA2为核心，且FPGA2内部进行了三模冗余设计，并在外围采用电路对FPGA2进行周期刷新；

所述星内转发模块以FPGA1为核心，且FPGA1内部进行了三模冗余设计，并在外围采用电路对FPGA1进行周期刷新；

所述处理器模块通过IO接口对星内转发模块和星间高速转发模块的FPGA1和FPGA2进行控制信号写入和遥测信号读取，同时处理器模块与星内转发模块的FPGA1以格式II交互IP数据报。

5.根据权利要求4所述的一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，其特征在于：所述星内星间星地一体化星载路由设备处理的数据类型包含遥测数据、遥控数据和业务数据；

所述遥测数据包含星内设备产生的遥测数据包即遥测1和它星输入接收的遥测数据包即遥测2；

所述遥控数据包含本星设备使用的遥控数据包即遥控1和转发输出至它星的遥控数据包即遥控2；

所述业务数据包含本星设备生成的业务数据包即业务1和它星生成通过星间通道转发至本星的业务数据包即业务2。

6.根据权利要求5所述的一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，其特征在于：所述遥测1由LVDS接口接收输入至星内转发模块FPGA1，再由后者路由转发至处理器模块软件，由处理器模块软件完成该遥测包的优先级、下行频度和输出通道控制处理，然后再送至星内转发模块路由FPGA1转发输出至星间高速转发模块FPGA2，FPGA1和FPGA2依据转发表和遥测1数据包的目的IP地址，选择对地通道1输出至地面测控站还是它星通道即星间通道1输出至它星；

所述遥测2由星间通道2输入至星间高速转发模块FPGA2，直接根据转发表和遥测2数据包的目的IP地址，选择对地通道1输出至地面测控站还是星间通道1输出至另一它星。

7.根据权利要求5所述的一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，其特征在于：所述遥控1数据由两种方式进入到星间高速转发模块FPGA2，一种是由地面测控站即对地通道1上行注入，一种是通过星间通道1转发输入；星间高速转发模块FPGA2根据遥控1数据包的目的IP地址确定是本星指令，则转发至星内转发模块FPGA1，再由后者路由转发至处理器模块软件，由处理器模块软件完成遥控1数据包的解析处理，并重新组织生成IP包由星内转发模块FPGA1转发至星内设备；

所述遥控2数据包由两种方式进入到星间高速转发模块FPGA2，一种是由地面测控站即对地通道1上行注入，一种是通过星间通道1转发输入；FPGA2接收到遥控2数据包，直接根据转发表和遥控2数据包的目的IP地址，选择星间通道2输出。

8.根据权利要求5所述的一种基于IPv6协议的星内星间星地一体化数据流设计方法，其特征在于：所述业务1数据包由星内设备1自身根据设定的终端IP地址产生，通过LVDS输出至星内转发模块FPGA1，再转发至星间高速转发模块FPGA2，并由FPGA2根据转发表和业务1数据包的目的IP地址，选择星间通道2输出；

所述业务2数据包由星间通道1输入至星间高速转发模块FPGA2，根据转发表和业务2数据包的目的IP地址，选择直接通过星间通道2输出还是选择星内转发模块FPGA1输出；转发至FPGA1的业务2数据包再根据其目的IP地址进一步转发至相应的星内设备。

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