空間互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議和存在的問(wèn)題

左梅+郁佳佳

摘 要

空間通信需求的迅猛發(fā)展使得空間互聯(lián)服務(wù)成為研究熱點(diǎn)。由于空間網(wǎng)絡(luò)具有子網(wǎng)異構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)，傳輸時(shí)延大等特點(diǎn)，在傳輸協(xié)議上區(qū)別于地面互聯(lián)網(wǎng)。本文從空間互聯(lián)技術(shù)的特點(diǎn)和要求出發(fā)，綜合分析了空間互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵協(xié)議，并闡述了目前存在的若干問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】空間互聯(lián)網(wǎng) 空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS） 延遲中斷容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使得目前可以在不同的任務(wù)之間共享地面和空間通信資源，人類(lèi)產(chǎn)生的日益增長(zhǎng)的空間通信需求越來(lái)越得到滿足，空間任務(wù)不斷增加。如何借助當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將地面互聯(lián)網(wǎng)引申到空間，構(gòu)建空間互聯(lián)網(wǎng)，為通信中繼，對(duì)地觀測(cè)和導(dǎo)航定位等應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐，是目前科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。

1 空間互聯(lián)網(wǎng)

空間互聯(lián)網(wǎng)是指利用地面互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以衛(wèi)星星際鏈路為物理傳輸媒介，按照高效利用、綜合集成的原則，將太空中的信息資源進(jìn)行有機(jī)連接，構(gòu)建具有與地面互聯(lián)網(wǎng)類(lèi)似的應(yīng)用服務(wù)能力以及能與地面良好互通的綜合一體的太空信息網(wǎng)絡(luò)。相比與傳統(tǒng)的地面互聯(lián)網(wǎng)，空間互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)鏈路模型中包含著運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星和航天器，因此隨著運(yùn)動(dòng)引起的位置變化，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。同時(shí)，太空網(wǎng)中設(shè)備無(wú)線連接，和地面通信連接時(shí)斷時(shí)續(xù)、傳輸延時(shí)大、誤差率高、上下行傳輸速率不對(duì)稱，這都要求空間互聯(lián)網(wǎng)要采用統(tǒng)一的傳輸協(xié)議，盡量減少不必要的協(xié)議轉(zhuǎn)換。但是地面網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的TCP/IP協(xié)議體系并不能適應(yīng)上述空間互聯(lián)網(wǎng)的特征，因此需要研究適應(yīng)空間網(wǎng)絡(luò)性能的協(xié)議。

2 關(guān)鍵協(xié)議

2.1 CCSDS協(xié)議

CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）即空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，致力于開(kāi)發(fā)空間通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對(duì)地面TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一系列的空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括數(shù)據(jù)鏈路層至傳輸應(yīng)用層一系列協(xié)議，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于世界范圍的空間通信中。在CCSDS退出的百份建議書(shū)中，提出了大量有前瞻性和創(chuàng)新性的概念和技術(shù)，比如以分包遙控（TC）、分包遙測(cè)（TM）為核心的常規(guī)在軌系（COS），解決了中低速率異步數(shù)據(jù)流的傳輸問(wèn)題；之后進(jìn)一步提出高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS），將航天器的載荷數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)合二為一，統(tǒng)一為一個(gè)數(shù)據(jù)流，能夠支持寬帶數(shù)據(jù)傳輸，是目前大多數(shù)航天器的數(shù)據(jù)處理機(jī)制的首選方案。在網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層，其提出的空間通信協(xié)議（SCPS）和文件傳輸協(xié)議（CFDP），能夠支持空間大數(shù)據(jù)文件的安全可靠得傳輸處理。2001年初，我國(guó)的神舟二號(hào)飛船是國(guó)內(nèi)公用航天器首次采用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了高速多路復(fù)接器。根據(jù)我國(guó)航天科技發(fā)展規(guī)劃，在未來(lái)的月球與深空探測(cè)任務(wù)中，將通過(guò)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)形式增加軌道覆蓋率，同時(shí)要為國(guó)外航天任務(wù)提供更多的測(cè)控支持服務(wù)，因此在航天測(cè)控通信領(lǐng)域逐漸采用DDSDS標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為必然。

2.2 DTN協(xié)議

DTN起源于美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)行星際互聯(lián)網(wǎng)的研究，其數(shù)據(jù)處理模式為收集盡可能多的信息，打包發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，基于空間傳輸特點(diǎn)，提出了延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay Tolerant Networking，DTN），后來(lái)DTN又融合了中斷的概念，適用于處理時(shí)斷時(shí)續(xù)的連接和傳輸延遲大的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系。這種體系架構(gòu)特點(diǎn)是用同一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成域，域之間通過(guò)DTN網(wǎng)關(guān)連接，這種傳輸模式可以保證當(dāng)網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)時(shí)，或者當(dāng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較長(zhǎng)時(shí)，在端與端之間傳輸?shù)姆€(wěn)定性。BP（Bundle Protocol）協(xié)議是DTN協(xié)議體系的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，類(lèi)似地面互聯(lián)網(wǎng)中的IP協(xié)議。它是一個(gè)無(wú)會(huì)話協(xié)議，基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的路由管理，支持異種網(wǎng)絡(luò)之間的端到端通信。當(dāng)下一跳路由不可用時(shí)，可以將數(shù)據(jù)暫時(shí)保存等待再次建立連接，使得傳輸更可靠。LTP（Licklider Transmission Protocol）協(xié)議是將數(shù)據(jù)信息聚合成較長(zhǎng)的LTP塊進(jìn)行傳輸，能檢測(cè)丟失或損壞的塊，并采用自動(dòng)重傳的機(jī)制，提高相鄰節(jié)點(diǎn)間傳輸效率和可靠性。

3 存在的若干問(wèn)題

針對(duì)上述空間互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵協(xié)議，相比傳統(tǒng)TCP在空間網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)性能和穩(wěn)定性都有所提高，但是也存在一些問(wèn)題。

3.1 路由技術(shù)

空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多樣，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓?，需要?yōu)化路由策略，比如采用多種路由方式組合，同時(shí)對(duì)于多播的需求，如何進(jìn)行可靠路由都有待進(jìn)一步研究。

3.2 安全問(wèn)題

空間網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)異構(gòu)，鏈路易受干擾，因此在安全接入、安全切換、安全路由等方面受到不同方面、不同層次的安全威脅。比如物理層要考慮連接完整性，數(shù)據(jù)鏈路層要考慮連接機(jī)密性和認(rèn)證，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層要考慮認(rèn)證、訪問(wèn)控制等。DTN網(wǎng)絡(luò)中的BP協(xié)議將密鑰分發(fā)機(jī)制和驗(yàn)證機(jī)制分離，提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)法實(shí)時(shí)交互的安全性。

3.3 網(wǎng)絡(luò)仿真

空間互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要高投入，通過(guò)搭建仿真平臺(tái)，可以對(duì)要建設(shè)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究和評(píng)估，使得系統(tǒng)的研發(fā)成本得以控制。

4 結(jié)論

空間互聯(lián)網(wǎng)是地面互聯(lián)網(wǎng)向空中、地球軌道空間以及深空空間的延伸和拓展，是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的方向，用以滿足衛(wèi)星、空間飛行器和地面的互聯(lián)互通，有廣闊的前景。但是由于網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，現(xiàn)在還有許多待研究和解決的技術(shù)問(wèn)題，針對(duì)這一挑戰(zhàn)的研究和分析，以及隨著通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將穩(wěn)步前進(jìn)。

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