0 引 言
航天器信息系统堪称航天器的“大脑”，在完成系统状态采集和控制的同时，还需实现与地面及其他航天器之间的通信，形成信息共享的整体，确保航天器健康稳定运行。载人航天器的信息系统更要具备与航天员交互的能力，既要充分发挥“有人参与”的独特优势，又要满足“人在回路”的协同要求[1]。目前，我国正在开展或规划多项载人航天任务，包括载人空间站、载人登月、月球科研站等，所涉及的航天器在轨时间长、载荷数量多、在轨任务复杂。因此，要求航天器需要具备更加舒适的在轨驻留环境、更便捷的人机协同方式，以及更高效的信息处理能力。近年来，云计算技术、智能家居技术、增强现实技术（Augmented Reality，AR）技术、语音识别技术等成熟的商用技术及产品，因在地面应用中成功解决了相似问题，且具备在载人航天器上应用的潜力而受到了业界关注。特别是云计算技术和智能家居技术，因其应用会影响到航天器信息系统的总体设计，已成为业内关注的重点[2-3]。
本文针对载人航天器信息系统的发展需求，提出一种融合云计算技术和智能家居技术应用需求的智能网络系统设计方法。该方法旨在满足航天员智能人机交互、长时期驻留生活、航天器控制和状态监视、高速分布式计算对网络系统的多样化需求。同时，通过地面测试对系统功能进行了验证。
1 需求分析
在载人航天任务中，航天员已成为整个系统的重要组成部分，其工作状态及工作效率都将影响航天任务的结果。因此，建立一个可以与航天员进行高效、便捷、智能交互的信息系统变得尤为重要。然而，航天员长期在轨驻留期间，面临着微重力环境、空间相对狭小、个人隐私不能充分保障等诸多挑战，这些因素都会对航天员的生理、心理及操作能力产生影响[4-5]。因此，载人航天器的信息系统要求兼顾航天员在工作、生活的多方面需求，为航天员提供智能化的环境调节服务、娱乐支持服务、生理参数监测服务，以及航天器状态监测、提醒服务。目前，国际空间站已开展了多项智能终端的在轨测试，例如Int-Ball[6]、CIMON[6-7]、Astrobee[7]等智能机器人，以及如Hololens AR眼镜[8]的智能穿戴设备，这些设备已成功实现了太空应用，取得了令人鼓舞的结果，但这些尝试都是面向产品或局部功能，尚未从航天器系统级层面进行优化，如图1 所示。
此外，大型载人航天器通常会开展大量试验项目，从而产生大量需要实时解算的试验数据。若将这些数据传输至地面进行计算，将长时间占用航天器的通信资源，数据处理的实时性也无法保证，因此必须依靠航天器自身的算力对数据进行处理。若每个试验设备都配备高性能计算设备，将大幅增加试验设备的研制难度和成本，加之算力无法分享，还会造成整个航天器资源的浪费。为解决这一问题，可以在航天器上建立公用的分布式计算平台，配置一定数量的高性能计算设备，为各试验项目开放计算服务可以较好地解决上述问题。各计算设备可通过高速网络相连，协同计算，在满足高性能运算需求的同时，降低对单台计算设备的性能要求。
2 总体方案
为了要将“云计算”功能和“智能家居”功能融合在统一的网络系统中，并保障整个网络和众多的终端设备稳定工作，在航天器智能网络系统设计时，要重点关注以下4个方面的设计：
（1）架构设计。由于在轨资源有限，无法像地面网络配置“冗余资源”来应对网络流量的不确定性。需对任务、系统功能进行规划，设计合理的网络架构，既要避免“云计算”运行时产生的海量数据造成网络局部拥塞，影响“智能家居”各终端的正常通信；也要避免“智能家居”各终端在工作时频繁访问网络交换设备，增大网络时延，影响“云计算”终端的实时交互；
（2）安全性设计。智能网络系统在承担试验数据处理、航天员休闲娱乐功能的同时，也参与航天器状态监测和飞行控制，网络系统的稳定性和安全性也将影响航天器和航天员的安全，因此网络系统设计时，必须制定相应的安全性措施，确保满足航天任务要求；
（3）无线接入设计。航天员智能穿戴设备和可移动式终端日益增多，这些移动终端多依赖无线网络进行通信。而载人航天器的体积较大，单个无线接入点（Access Point，AP）通常无法覆盖舱内外全部业务区域。因此，智能网络系统需配置多个无线AP，并制定相应的漫游策略，保证无线终端在移动过程中可以根据无线通信质量在多个AP中选取最优的通信链路，尽量避免AP切换对终端通信的影响；
（4）可扩展性设计。考虑到大型航天器在轨寿命较长，智能网络系统应充分考虑系统本身的升级和扩展，以及对后续出现的新技术、新设备的兼容。
3 网络系统设计
3.1 系统架构
为了在一个网络系统中同时满足上述“云计算”与“智能家居系统”的运行需求，航天器智能网络系统需要首先开展系统架构设计。典型的网络拓扑结构有如下几种，如图2 所示。
航天器网络系统整体规模要远小于地面网络，但资源受限且对可靠性要求较高，因此可以在单个舱段内采用结构相对简单的“树型”网络。为避免“云平台”与“智能家居系统”之间产生相互干扰，航天器智能网络系统采用分层设计的方式，整个网络由顶层网络和底层网络组成，网络根节点位于顶层网络。
在顶层网络布置云平台，配置少量高性能的高速网络交换机、用于云计算的超级计算机和存储设备。超级计算机和存储设备与高速网络交换机直接连接，利用后者高带宽、低时延的特性，满足云计算、云存储对实时性和数据传输速率的要求；在底层网络布置智能家居系统，配置智能音视频设备、状态监测设备、智能机器人、智能穿戴设备等智能终端，并根据终端规模配置网络交换机。底层网络的交换机对性能要求不高，但需要有较多的网络端口，以满足大量智能终端的接入需求。另外，底层网络中还需要配置一定数量的无线AP，为移动终端提供无线接入服务。
通常情况下，一个舱段会配置一台顶层交换机和多台底层交换机。顶层交换机建议选用万兆速率的高速交换机，底层交换机可选用千兆/百兆速率的常规交换机。底层交换机与顶层交换机直接相连，形成“树型”结构。舱段之间通信通过顶层网络实现，各舱顶层交换机相互连接，形成了可靠性较高的“环型”或“网状”拓扑结构，从而使整个组合体网络呈现“混合型”拓扑。其中“树型”结构能够有效减少顶层网络和底层网络之间不必要的数据交互，降低相互干扰；“环型”或“网状”结构为每台顶层交换机提供多条通信链路，提高整个网络的通信可靠性，并可在故障处置或开展专项任务时，为快速重新配置网络提供备份路径。整个网络系统的架构如图3 所示。
3.2 安全性设计
表 1 云计算面临的安全需求和威胁Table 1 Security requirements and threats confronted by cloud computing |
| 层级 | 安全需求 | 威胁 |
| 应用层 | 在多租客环境中隐私保护；数据保护避免泄漏；访问控制； 通信保护；软件安全；服务可用性 | 数据窃取；数据篡改；数据破坏；隐私泄露；假冒攻击； 会话劫持；数据流分析 |
| 虚拟层 | 访问控制；应用安全；数据安全；云管理安全；安全镜像； 虚拟云保护；通信安全 | 编程缺陷；软件篡改；软件漏洞探测；假冒攻击；会话劫持；数据流分析；完整性破坏；泛洪攻击；分布式拒绝服务攻击；通信完整性 |
| 物理层 | 滥用云计算；硬件安全；硬件可靠性；网络安全；网络资源保护 | 网络攻击；泛洪攻击；分布式拒绝服务攻击；硬件窃取； 硬件修改；滥用基础设施；自然灾难 |
因此，除了在应用层和虚拟层进行防护外，作为云平台的基础，物理层的网络系统也应具备应对网络攻击、避免软硬件配置被恶意修改的能力。智能家居系统的安全性要求与云平台基本一致，但需额外全包娱乐休闲功能不会干扰航天器平台的正常运行。
针对上述需求，应从单机和系统两个层级进行网络安全性设计。在单机设计时，网络交换机除了配置网络端口外，还应考虑设计总线接口，两种接口的数据来自不同的上游信息设备，彼此隔离。交换机的配置更改、状态监视等功能只能通过总线控制实现，从而降低了交换机因网络漏洞、病毒攻击等原因被恶意破坏的风险。在系统设计时，应将参与航天器控制、状态监测报警的平台终端与娱乐终端进行隔离。前者可以与云平台共享存储、运算能力，后者根据需求配置独立的底层交换机、网关和存储设备，通过这种方式进一步降低系统核心功能被攻击的风险。
3.3 无缝漫游设计
以往的航天器在轨应用中，由于业务区域范围有限，通常只配置单一的无线AP。该AP既负责无线数据的转发，还承担无线网络管理功能。少数无线终端仅与该AP通信，不会涉及AP切换，也无需配置集中管理的控制器。然而，随着航天器规模扩大、无线应用需求的增加，为确保无线网络覆盖航天器舱内外全部业务区域，航天器需配置多个AP，所有AP都通过交换机连接，形成一个统一的网络。
为了向无线终端提供更好的接入服务，避免无线终端在切换AP时通信出现卡顿，智能网络系统应采用AP+无线控制器（Wireless Access Point Controller，AC）的架构。每个AP仅负责底层无线通信工作，AP接收到的无线信号经过编码均被传送至AC，由AC集中对编码流进行加密、验证、安全控制等更高层次的工作。整体网络中，AP和AC都属于底层网络设备，直接与底层交换机相连，如图5 所示。
在这个网络中，AC作为整个无线网络的核心，负责集中管理全部AP，统一配置并下发各AP的参数和通信策略，并根据无线终端与各AP之间的通信质量，智能切换与无线终端通信的AP。在同一个AC的管理下，无线终端在各AP之间漫游不需要进行重新认证，切换时间短，从而实现安全可靠的无缝漫游体验。
3.4 可扩展性设计
云平台和智能家居系统（如图4 所示）本身均具有良好的扩展能力，为了充分发挥技术优势，载人航天器智能网络系统应采用标准的系统架构和通信协议，系统的物理接口也应遵循标准化设计，并确保能够兼容商用终端的接入。在协议方面，建议采用或兼容标准网络协议体系，如以太网协议，按照应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层对传输数据进行逐层处理，如图6 所示。
针对无线终端的通信需求，可采用Zigbee、蓝牙、Wi-Fi等多种通信方式，支持各类无线终端接入。在无线网络设计和扩展时，要重点关注各种通信方式的频率规划，避免彼此干扰，更要确保无线网络和航天器平台的电磁兼容。
同时，载人航天器智能网络系统自身也应具备软硬件升级的能力，特别是长寿命航天器的智能网络系统，更要具备对新技术、新需求的快速响应能力和较低的升级成本。针对底层网络中实现休闲娱乐功能的子网络，可以考虑直接使用商用设备，这样不仅节约经费，同时也能让航天员及时体验到最新的网络服务。
4 验证及应用情况
本文对所提方法进行了地面搭建验证系统的测试。在网络满负荷运行条件下，智能网络系统的顶层网络通信速率不低于9.9 Gbit/s，时延小于10 μs，完全满足高性能分布式计算对网络的带宽及时延要求；底层网络通信速率不低于99 Mbit/s，时延小于100 μs，能够满足航天器状态监测、航天员人机交互的应用需求；无线终端可在各AP之间实现无缝漫游，并保持稳定通信，满足音视频无线传输的需求。验证测试结果如图7 所示。图8 为天宫空间站无线网络及部分智能终端。
此外，本文所提方法已部分应用于我国空间站的网络系统设计中。空间站无线网络已在入轨初期完成建设，智能显示器、便携式智能终端、智慧助手“小航”等设备，以及具有分布式数据处理能力的载荷支持系统均已投入使用，为航天员的工作和生活提供了极大便利。
5 结 语
随着中国空间站全面建成，美国国家航空航天局的“阿尔忒弥斯”和中俄国际月球科研站计划相继推出，载人航天器已呈现出大型化、多任务、长寿命、可维护等发展趋势。在航天器设计中，关注的重点从可靠性与安全性，已逐步延伸至人员驻留的舒适性、系统之间的兼容性，以及整体功能的可扩展性等多个维度。同时，航天器信息系统也朝着整体网络化、局部综合电子的方向发展，通过一套系统同时满足多种任务需求。本文方法从系统架构、网络安全、无缝漫游、可扩展性等方面，详细阐述了智能网络系统的设计方案和关注要点。该方案能够有效应对多任务模式下不同功能对网络系统的不同需求，为未来大型载人航天器信息系统的研制和升级提供参考。