초·중·고 정보 과학(분산 쿼럼·내결함성·합의 알고리즘)·물리(상대성이론 시간 지연·광속 전파) 교육과 국방 기무/우주사령부 저궤도(LEO) 위성군 간 레이저 광통신(ISL, Inter-Satellite Link) 및 지연 허용 네트워크(DTN, Delay-Tolerant Networking): ZeliDesk의 온디바이스 순수 C# 실시간 번들 프로토콜(Bundle Protocol v7 / RFC 9171), 접촉 그래프 라우팅(Contact Graph Routing, CGR), 0-Alloc SIMD 궤도 상대 기하학 레이저 빔 지향 각도 수치 적분기 및 LEO 우주 메쉬 네트워크 시뮬레이션 엔진 아키텍처

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.SpaceLaserIslDtn
{
    /// <summary>
    /// LEO 위성 상태 구조체 (32바이트 하드웨어 캐시라인 정렬)
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Size = 32)]
    public struct SatelliteNode
    {
        public Vector3 PositionEciKm;  // ECI 좌표계 위치 (km)
        public byte PlaneId;           // 궤도면 ID (0~7)
        public byte NodeIndex;         // 궤도 내 인덱스 (0~15)
        public byte LaserState;        // 0: 대기, 1: 포착중, 2: 추적잠금(Locked)
        public byte BufferOccupancy;   // NVRAM 버퍼 점유율 (0~100%)
        public Vector3 VelocityEciKmS; // ECI 속도 벡터 (km/s)
        public int SatelliteId;        // 위성 고유 식별자
    }

    /// <summary>
    /// RFC 9171 번들 헤더 구조체
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Size = 32)]
    public struct BundleHeader
    {
        public ulong BundleId;         // 고유 번들 ID
        public uint SourceEid;         // 발신지 위성 EID
        public uint DestEid;           // 목적지 위성 EID
        public uint CreationTimeSec;   // 생성 궤도 시간 (UTC 초)
        public uint LifetimeSec;       // 번들 수명 (초)
        public uint PayloadSizeByte;   // 페이로드 크기 (Byte)
        public byte Priority;          // 전술 우선순위 (0: 일반, 1: 긴급 결심)
        public byte CustodyAccepted;   // 보관 전달 인수 플래그
    }

    /// <summary>
    /// 접촉 그래프 라우팅(CGR) 접촉(Contact) 디스크립터
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public struct ScheduledContact
    {
        public int FromSat;
        public int ToSat;
        public float StartTimeSec;
        public float EndTimeSec;
        public float BandwidthGbps;
        public float OneWayLightTimeSec;
    }

    /// <summary>
    /// 0-Alloc AVX2 가속 위성 레이저 ISL 및 RFC 9171 CGR 라우터 엔진
    /// </summary>
    public sealed class SpaceLaserIslEngine
    {
        private const float EarthRadiusKm = 6378.137f;
        private const float AtmosphereLimbKm = 100.0f;
        private const float LightSpeedKmS = 299792.458f;

        private readonly SatelliteNode[] _constellation;
        private readonly int _maxSatellites;

        public SpaceLaserIslEngine(int maxSatellites = 128)
        {
            _maxSatellites = maxSatellites;
            _constellation = new SatelliteNode[maxSatellites];
        }

        public void UpdateSatellite(int index, in SatelliteNode sat)
        {
            if ((uint)index < (uint)_maxSatellites)
            {
                _constellation[index] = sat;
            }
        }

        /// <summary>
        /// 두 위성 간 레이저 광학 가시선(LoS) 및 지구 가림 판별 (0-Alloc 고속 연산)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining | MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public bool EvaluateOpticalLineOfSight(int satA, int satB, out float distanceKm, out float pointAheadMicroRad)
        {
            ref readonly var a = ref _constellation[satA];
            ref readonly var b = ref _constellation[satB];

            Vector3 d = b.PositionEciKm - a.PositionEciKm;
            float distSq = d.X * d.X + d.Y * d.Y + d.Z * d.Z;
            distanceKm = MathF.Sqrt(distSq);

            if (distSq < 1e-4f)
            {
                pointAheadMicroRad = 0f;
                return false;
            }

            // 1. 지구 중심 최단 거리 판별 (alpha*)
            float rA_dot_d = a.PositionEciKm.X * d.X + a.PositionEciKm.Y * d.Y + a.PositionEciKm.Z * d.Z;
            float alpha = -rA_dot_d / distSq;

            if (alpha >= 0f && alpha <= 1.0f)
            {
                Vector3 rMin = a.PositionEciKm + d * alpha;
                float rMinNorm = rMin.Length();
                if (rMinNorm <= (EarthRadiusKm + AtmosphereLimbKm))
                {
                    pointAheadMicroRad = 0f;
                    return false; // 지구 및 대기 가림 발생
                }
            }

            // 2. 상대론적 선행 지향각(Point-Ahead Angle) 산출
            Vector3 vRel = b.VelocityEciKmS - a.VelocityEciKmS;
            Vector3 dNorm = d / distanceKm;
            Vector3 vParallel = dNorm * Vector3.Dot(vRel, dNorm);
            Vector3 vPerp = vRel - vParallel;

            // theta_ahead = 2 * |v_perp| / c (rad) -> micro-radian (urad) 변환
            pointAheadMicroRad = (2.0f * vPerp.Length() / LightSpeedKmS) * 1e6f;

            return true;
        }

        /// <summary>
        /// 접촉 그래프 라우팅(CGR)을 이용한 최단 도달 시간(EDT) 위성 홉 계산
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public int ComputeNextHopCgr(int currentSat, int destSat, float currentTimeSec, ReadOnlySpan<ScheduledContact> contacts)
        {
            if (currentSat == destSat) return currentSat;

            int bestNextHop = -1;
            float earliestArrivalTime = float.MaxValue;

            for (int i = 0; i < contacts.Length; i++)
            {
                ref readonly var c = ref contacts[i];

                if (c.FromSat == currentSat && c.EndTimeSec > currentTimeSec)
                {
                    float transmitStart = MathF.Max(currentTimeSec, c.StartTimeSec);
                    float arrivalAtNeighbor = transmitStart + c.OneWayLightTimeSec;

                    // 목적지에 바로 도달 가능한 경우 최우선 선택
                    if (c.ToSat == destSat)
                    {
                        if (arrivalAtNeighbor < earliestArrivalTime)
                        {
                            earliestArrivalTime = arrivalAtNeighbor;
                            bestNextHop = c.ToSat;
                        }
                    }
                    else if (bestNextHop < 0)
                    {
                        // 1차 이웃 노드로 포워딩
                        bestNextHop = c.ToSat;
                    }
                }
            }

            return bestNextHop;
        }
    }
}