從1980顆衛星組成的能覆蓋全球的英國OneWeb衛星網路，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”等星座網路計劃，未來還將有數以萬計的智慧衛星會被發射到太空中。
日前，中科院軟體所天基重點實驗室發佈“天智協議棧”beta版，可有效支撐衛星之間互聯互通互操作，大大加快衛星網際網路建設的步伐。“如此眾多的衛星之間只有實現數據的跨界互聯，打破資訊孤島，才會凝結出更強大的天基智慧。”中國科學院軟體所研究員、天基實驗室研究一部主任劉立祥表示，對於網路來説，協議是靈魂和核心，對網路效能的發揮能力起著決定性作用，希望天智協議棧的發佈，能夠使國內天基資訊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，中科院軟體所天基實驗室自2003年起，在中科院的支援下，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，經過十餘年的探索，才有了“天智協議棧”今天的成果。
天基智慧網路為什麼需要協議呢？
“協議”可以理解為數據間的“互信”“互聯”。人們對於網路協議並不陌生，在地面的網際網路絡中，採用的是TCP/IP網際網路協議，可以在各種硬體和作業系統上實現互操作。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、網路無關、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。”劉立祥説，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資訊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，其對資訊實時性、安全性、傳輸頻寬要求各不相同。
“需要一個總的‘掌舵者’，既能接收、傳送不同的資訊，還能對應用和網路資源進行協同和調配。”劉立祥説，天智協議棧設計的目的是可以適應不同的網路類型，支援天基物聯網、空間網際網路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援，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系上入手，設計合理的體系結構才能實現網路的最優。”劉立祥説，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，為統一組網並實現資訊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路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路的影響降低到最低，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。“我們在網路層採用動態網路虛擬化技術，設計了針對單層、雙層、三層等不同衛星網路架構以及地面和空間一體化路由機制和地址管理協議。”劉立祥説，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，還可以支援中斷點續傳、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慧感知，並根據衛星的狀態以及互聯情況，進行窄帶、寬頻業務的“自適應”。
相容能力強，打造天基資訊網路大生態
“‘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路、以及航太科技、航太科工、中科院等行業部門衛星系統建設，對商業航太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、網路層、鏈路層和物理層，基礎協議模組28個，核心協議模組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，形成天基資訊網路的大生態。協議棧在每個層面都有“相容能力”。例如，在鏈路層面，鐳射和微波有著不同的通信方式，針對衛星和終端的移動，專家們重點設計了一體化網路的移動管理協議及接入和鑒權協議，實現了網路資源的有效管理和開放，既支援傳統的協議，也支援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，支援其他定制協議。
劉立祥還表示，為了給天地一體化網路提供一個評估、分析、開發、應用的地面驗證平臺，項目組還開發了一套面向天地一體化組網應用的天智網路測試床，能夠支援衛星組網系統的方案與技術論證、倣真實驗與測試、系統演示與效能評估，可支援全數字、半物理倣真等不同的測試介面功能，兼顧未來星上設備研製和地面測試需要，可整合用戶終端、星載組網設備、應用業務等模擬器或原理樣機。