申景詩(shī) 李偉明 張素娟

(山東航天電子研究所，山東煙臺(tái) 264670)

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DTN協(xié)議在空間信息網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

申景詩(shī) 李偉明 張素娟

(山東航天電子研究所，山東煙臺(tái) 264670)

針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)具有的子網(wǎng)異構(gòu)、拓?fù)湟鬃儭㈡溌穫鬏斞舆t大、誤碼率高等特點(diǎn)，研究了適用于其中的延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay/Disruption Tolerant Network，DTN)協(xié)議。首先闡述了CCSDS DTN協(xié)議應(yīng)用于空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，介紹了當(dāng)前支撐空間DTN應(yīng)用的Bundle、LTP等多種主要的空間信息傳輸協(xié)議及其特性。針對(duì)我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，分析了我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)CCSDS DTN協(xié)議體系的應(yīng)用需求，提出了適于我國(guó)實(shí)際的基于CCSDS DTN的空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系設(shè)計(jì)構(gòu)想，同時(shí)給出了火星探測(cè)場(chǎng)景實(shí)例；最后搭建了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，用以驗(yàn)證分析DTN相關(guān)協(xié)議在空間通信中的有效性和優(yōu)越性。仿真效果直觀可信，可為我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供仿真依據(jù)和理論參考。

空間信息網(wǎng)絡(luò)；空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)業(yè)務(wù)；延遲/中斷可容忍網(wǎng)絡(luò)；束協(xié)議

1 引言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的空間信息傳輸方式已不能滿足復(fù)雜空間操作的需求，建立一個(gè)異構(gòu)互聯(lián)、跨網(wǎng)互通的空間信息網(wǎng)絡(luò)，為航天信息的獲取、存儲(chǔ)和分發(fā)提供統(tǒng)一的平臺(tái)，已成為推進(jìn)信息化進(jìn)程的關(guān)鍵所在。然而，我國(guó)實(shí)際國(guó)情決定了空間信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建特點(diǎn)與歐美等國(guó)不同。我國(guó)在軌衛(wèi)星數(shù)量和種類已不少，但沒(méi)有統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在執(zhí)行特殊任務(wù)和軍事沖突情況下，無(wú)法提供可靠持續(xù)的通信服務(wù)?？梢?jiàn)，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)欠缺是現(xiàn)階段組建我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)的首要問(wèn)題。

在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的建立方面，由于空間段的端到端的連接被隔離成多段，各段間的機(jī)制差異較大，進(jìn)而使得地面段的TCP/IP協(xié)議無(wú)法有效應(yīng)用。為此，國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)提出了多種空間應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，其中空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)業(yè)務(wù)(Space Internetworking Service，SIS)[1]是CCSDS交互技術(shù)的重要組成部分，其目標(biāo)是通過(guò)提供相關(guān)業(yè)務(wù)和協(xié)議，在空間通信實(shí)體間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的交互。SIS下設(shè)延遲容忍網(wǎng)絡(luò)工作組(Delay Tolerant Networking Working Group，SIS-DTN)，SIS-DTN指定需要執(zhí)行的太陽(yáng)系互聯(lián)網(wǎng)概念的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持的SIS部分通信都具有大延遲、間歇性鏈接、存在單向鏈路通信的可能等特性。目前主要的協(xié)議規(guī)范有CCSDS 732.0-B-2[2]、CCSDS 232.1-B-2[3]、CCSDS 133.0-B-1[4]、CCSDS 727.0-B-4[5]等。這些協(xié)議目前在地面和航天器上均完成了試驗(yàn)驗(yàn)證，其中包括美國(guó)“深空網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室”(Deep Space Network Laboratory，DSNL)、“地球觀測(cè)衛(wèi)星”(Earth Observation Spacecraft，EOS)等多項(xiàng)試驗(yàn)。

盡管如此，我國(guó)“天星國(guó)土網(wǎng)”的建設(shè)思路及現(xiàn)有在軌協(xié)議體系決定了上述國(guó)外現(xiàn)有的CCSDS DNT協(xié)議“只可參考，無(wú)法照搬”。為此，本文針對(duì)CCSDS DTN協(xié)議對(duì)我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)未來(lái)SIS業(yè)務(wù)的適用性進(jìn)行研究。首先簡(jiǎn)介當(dāng)前多種主流空間信息傳輸協(xié)議，在分析我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)CCSDS DTN協(xié)議體系的應(yīng)用需求之后，提出了適于我國(guó)實(shí)際的基于CCSDS DTN的空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系設(shè)計(jì)構(gòu)想，同時(shí)給出了火星探測(cè)場(chǎng)景實(shí)例；對(duì)多種協(xié)議的有效性檢驗(yàn)仿真結(jié)果表明，LTP協(xié)議的傳輸性能最優(yōu)，此結(jié)論可為空間網(wǎng)絡(luò)的工程化實(shí)現(xiàn)提供參考。

2 CCSDS DTN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議

2.1 基于DTN的SIS體系結(jié)構(gòu)

DTN是一種通用的面向消息的覆蓋層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，可處理具有間歇式連接和大傳輸延遲特性的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題[6]。DTN應(yīng)用于SIS時(shí)，其相關(guān)組件主要由消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、節(jié)點(diǎn)與端點(diǎn)機(jī)制、命名與尋址機(jī)制、路由與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、安全機(jī)制、服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制和匯聚層適配器組成，相關(guān)協(xié)議在開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI)層次模型中處于傳輸層之上，應(yīng)用層之下。

為適應(yīng)大延遲、間歇式連接的特點(diǎn)，盡量減少端到端的交互，DTN將一次數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)的相關(guān)信息全部打包在一個(gè)數(shù)據(jù)束后傳輸。DTN協(xié)議體系的核心思想是引入所謂的“包裹層”作為連接不同受限網(wǎng)絡(luò)的覆蓋層，釆用此覆蓋的節(jié)點(diǎn)依靠發(fā)送稱為“包裹”的異步消息進(jìn)行通信，所以DTN協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是一種面向受限網(wǎng)絡(luò)的“容延遲的、面向消息的覆蓋層體系結(jié)構(gòu)”。由于空間網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間可能存在多跳路徑、且每跳之間的延時(shí)較大甚至?xí)霈F(xiàn)鏈路中斷的情況，故DTN的托管傳輸和持久存儲(chǔ)的方式在空間多跳網(wǎng)絡(luò)通信中非常必要。

2.2 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議介紹

2.2.1 束協(xié)議

束協(xié)議(Bundle Protocol，BP)[7]將Bundle層通過(guò)匯聚層疊加于傳輸層之上，形成存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式的重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該協(xié)議為DTN提供了一種通用解決方案，通過(guò)多種匯聚層支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連，能夠滿足不同的網(wǎng)絡(luò)情況[8]。束協(xié)議中的Bundle采用保管傳輸，利用統(tǒng)一資源定位符為節(jié)點(diǎn)建立命名系統(tǒng)，使用后期綁定在端點(diǎn)指示符和本地網(wǎng)絡(luò)地址之間進(jìn)行映射。DTN體系結(jié)構(gòu)為互連異構(gòu)的使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)消息來(lái)克服通信中斷的網(wǎng)關(guān)或代理提供了一種通用的方法。

2.2.2 LTP協(xié)議

LTP協(xié)議(Licklider Transmission Protocol)是一種單向通信協(xié)議，通信前不需要進(jìn)行協(xié)商與握手。該協(xié)議把數(shù)據(jù)分為紅色部分與綠色部分，發(fā)送方將數(shù)據(jù)塊分片時(shí)在紅色部分結(jié)束后加上結(jié)束標(biāo)志并設(shè)置校驗(yàn)點(diǎn)，接收端遇到該標(biāo)志時(shí)必須返回接收?qǐng)?bào)告，對(duì)紅色部分進(jìn)行確認(rèn)，并在必要的時(shí)候進(jìn)行重傳；綠色部分則無(wú)需確認(rèn)及重傳，兩部分的長(zhǎng)度都可以為零。其交互過(guò)程如圖1所示。

圖1 LTP交互過(guò)程Fig.1 Interactive process of LTP

2.2.3 其他協(xié)議

面向太空應(yīng)用需求，CCSDS于20世紀(jì)末開(kāi)發(fā)了空間通信協(xié)議規(guī)范(Space Communications Protocol Specification，SCPS)。然而，隨著任務(wù)需求的擴(kuò)展，目前空間協(xié)議更傾向于使用太陽(yáng)系互聯(lián)網(wǎng)(Solar System Internet，SSI)協(xié)議族，DTN協(xié)議正是SSI的核心協(xié)議。另外，CCSDS還將自定義數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、CCSDS空間包、CCSDS文件傳輸協(xié)議(CFDP)[9]、Saratoga協(xié)議、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IPv4/IPv6)作為備選技術(shù)，其各具特色。

另外，還有諸多類TCP協(xié)議，如TCP-Vegas[10]、TCP-Cubic[11]、TCP-Hybla[12]等，均是基于TCP協(xié)議進(jìn)行慢啟動(dòng)階段改進(jìn)、擁塞控制改進(jìn)、數(shù)據(jù)重傳機(jī)制改進(jìn)。

3 我國(guó)對(duì)CCSDS DTN協(xié)議體系的需求分析與設(shè)計(jì)構(gòu)想

在繼建成具備偵察監(jiān)視、環(huán)境探測(cè)、通信中繼與導(dǎo)航定位等4類能力的航天裝備初級(jí)體系之后，為貫徹“天基組網(wǎng)、地面跨代、天地互聯(lián)”發(fā)展思路，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“異構(gòu)互聯(lián)、全球覆蓋、自主管理”，發(fā)展天地一體化空間信息網(wǎng)絡(luò)已成為我國(guó)未來(lái)航天事業(yè)的重中之重。然而，空間信息網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境復(fù)雜，鏈路傳輸數(shù)據(jù)率低、延遲大，不存在穩(wěn)定的端到端的連接，易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷失效，為典型的“受限網(wǎng)絡(luò)”，基于多種鏈路條件假設(shè)的TCP/IP協(xié)議性能會(huì)出現(xiàn)急劇惡化。因此，借鑒國(guó)外現(xiàn)有CCSDS DTN協(xié)議架構(gòu)與規(guī)范，如何設(shè)計(jì)一套適用于我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)且能夠“集成”多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)議體系框架是我國(guó)在空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的核心問(wèn)題。目前，我國(guó)對(duì)CCSDS DTN協(xié)議體系的需求主要體現(xiàn)在服務(wù)對(duì)象、傳輸方式、任務(wù)需求、通信業(yè)務(wù)、服務(wù)質(zhì)量、國(guó)際合作等方面。

為滿足以上需求，CCSDS DTN協(xié)議體系應(yīng)具有層次化特征，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該經(jīng)過(guò)協(xié)議棧封裝和控制，底層操作對(duì)于上層應(yīng)用是透明的。為保證服務(wù)質(zhì)量、傳輸效率、網(wǎng)絡(luò)安全，綜合現(xiàn)有的空間協(xié)議體系，在圖2中給出了適用于我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)的CCSDS DTN協(xié)議體系方案。由于地面段、地空段以及航天器可能采用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，故在傳輸層之上增加了DTN協(xié)議覆蓋層以屏蔽下層差異、提高系統(tǒng)兼容性；而傳輸層則包含LTP、Saratoga、SCPS-TP、TCP、UDP等協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層同時(shí)包含SPP空間包協(xié)議和IP協(xié)議，使得該協(xié)議體系能夠兼容CCSDS和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。同一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的“域”之間通過(guò)DTN網(wǎng)關(guān)連接。在域內(nèi)的信息傳輸及可靠性保障由域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成，而域間的信息傳輸及可靠性保障由運(yùn)行在DTN網(wǎng)關(guān)之上的“覆蓋”協(xié)議來(lái)保障。

圖2 CCSDS DTN協(xié)議體系Fig.2 CCSDS DTN protocol system

基于以上協(xié)議體系，設(shè)計(jì)了我國(guó)未來(lái)利用空間信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)施火星探測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)想，如圖3所示。由地面段網(wǎng)絡(luò)、地球空間骨干信息網(wǎng)絡(luò)、火星軌道通信衛(wèi)星及火星探測(cè)車共同構(gòu)成閉環(huán)傳輸網(wǎng)絡(luò)，火星網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備探測(cè)、處理并傳輸數(shù)據(jù)，以火星軌道通信衛(wèi)星作為中繼節(jié)點(diǎn)傳輸給我國(guó)空間骨干信息網(wǎng)絡(luò)，再轉(zhuǎn)發(fā)給國(guó)土內(nèi)地面控制中心和地面站。其中，支持DTN的設(shè)施有地面控制中心、地面站、空間骨干網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各航天器、火星軌道通信衛(wèi)星的DTN入口及火星網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備；地面段網(wǎng)絡(luò)則由IP網(wǎng)絡(luò)連接?；鹦蔷W(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備探測(cè)可為單一著陸器或多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)成的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)或者IP網(wǎng)絡(luò)。對(duì)空間段的每一跳，傳輸層采用LTP協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層采用CCSDS定義的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議。

圖3 火星探測(cè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧Fig.3 Protocol stack of Mars explorer networks

4 空間傳輸協(xié)議仿真對(duì)比分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境搭建

為驗(yàn)證以上應(yīng)用構(gòu)想的可實(shí)現(xiàn)性，同時(shí)對(duì)比分析DTN相關(guān)傳輸協(xié)議在空間通信中的有效性和優(yōu)越性，需搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由5臺(tái)Linux PC主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)仿真器組成，其中PC-1模擬火星探測(cè)器，作為數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點(diǎn)；PC-2作為火星中繼節(jié)點(diǎn)，即火星通信衛(wèi)星；PC-3通過(guò)內(nèi)置STK衛(wèi)星工具仿真軟件包，模擬不同的延時(shí)和鏈路丟包深空通信環(huán)境；PC-4和PC-5分別模擬地球空間骨干信息網(wǎng)絡(luò)和地面站。利用Linux系統(tǒng)內(nèi)核中的隊(duì)列規(guī)則模塊TBF對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行限速，采用的Bundle協(xié)議和LTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)都是來(lái)自美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開(kāi)發(fā)的ION(V2.4.0)系統(tǒng)[13]。

在仿真過(guò)程中，用戶需首先載入場(chǎng)景模板，并可在軟件平臺(tái)中對(duì)于場(chǎng)景中的不同參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)試；場(chǎng)景的演示結(jié)果會(huì)輸出到相應(yīng)的輸出窗口中，供用戶查看。同時(shí)用戶可以將演示通過(guò)的場(chǎng)景導(dǎo)出到OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真格式，并配置一些基本的網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)；最后用戶可以在配置好的OPNET仿真軟件中打開(kāi)導(dǎo)出的場(chǎng)景進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，在結(jié)束后查看數(shù)字和圖形格式的仿真結(jié)果。效果演示如圖4～5所示。

圖4 深空通信場(chǎng)景模板Fig.4 Deep space communication scenario

圖5 3D場(chǎng)景演示(火星視角)Fig.5 3-D animation (Mars)

4.2 空間傳輸性能仿真分析

以上述仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，模擬構(gòu)建場(chǎng)景的鏈路傳輸情況，仿真結(jié)果如圖6～9所示。圖6所示為地球地面基站接收與火星車發(fā)送包速率的延遲情況，可看出，中繼節(jié)點(diǎn)的緩存轉(zhuǎn)發(fā)、鏈路的間歇性終端聯(lián)通造成接收方的曲線的波動(dòng)。當(dāng)所有鏈路同時(shí)聯(lián)通時(shí)，從火星車到地球地面基站的通信延遲一般不會(huì)超過(guò)100 s。但由于鏈路的階段性聯(lián)通，有一些時(shí)刻延遲可以高達(dá)2000 s，如圖7所示。

圖6 兩端傳輸包速率對(duì)比Fig.6 Contrast curve of packets transmission rates

圖7 網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲Fig.7 Network transmission delay

當(dāng)火星中繼衛(wèi)星與地球GEO衛(wèi)星聯(lián)通并開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，經(jīng)過(guò)一定傳輸延遲后，地球GEO衛(wèi)星中暫存數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)開(kāi)始增加。圖8中(a)(b)兩圖間的差別，即為傳輸中的丟包情況(由于低信噪比和高誤碼率，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包中的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)超過(guò)誤碼閾值時(shí)，該包被丟棄)。該場(chǎng)景中的延遲，絕大多數(shù)都來(lái)源于從火星中繼衛(wèi)星到地球GEO衛(wèi)星這一跳，如圖9中的曲線波動(dòng)是由于火星中繼衛(wèi)星跟地球GEO衛(wèi)星之間的間歇性聯(lián)通終端造成的。改善這一跳的連通性，可以優(yōu)化整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)傳輸延遲。

圖8 丟包速率對(duì)比Fig.8 Contrast curve of packet loss rates

圖9 各空間段傳輸延遲Fig.9 Transmission delay curve of each space link

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)問(wèn)題為背景，研究了適用于我國(guó)未來(lái)SIS業(yè)務(wù)需求的CCSDS DTN協(xié)議。首先闡述了CCSDS DTN應(yīng)用于SIS的體系結(jié)構(gòu)及當(dāng)前的多種主流空間信息傳輸協(xié)議。針對(duì)我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在分析了我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)CCSDS DTN協(xié)議體系的應(yīng)用需求之后，提出了適于我國(guó)實(shí)際的基于CCSDS DTN的空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系設(shè)計(jì)構(gòu)想，同時(shí)給出了火星探測(cè)場(chǎng)景實(shí)例，其場(chǎng)景應(yīng)用表明所描述的CCSDS DTN架構(gòu)體系是合理的；搭建的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)場(chǎng)景直觀，可用于驗(yàn)證空間DTN協(xié)議及其他現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議在設(shè)定場(chǎng)景的適用性，可為空間網(wǎng)絡(luò)的工程化實(shí)現(xiàn)提供參考。

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(編輯：張小琳)

Research on Application of DTN in Space Information Network

SHEN Jingshi LI Weiming ZHANG Sujuan

(Shandong Aerospace Electro-technology Institute,Yantai,Shandong 264670,China)

To cope with the characteristics of heterogeneous subnet，variable topology，large link transmission delay，and high bit error rate in space information network，the paper investigates the applicable Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) Protocol.It describes CCSDS DTN architecture applied to space network interconnection service at first，and introduces various main space information transmission protocols and their characteristics such as Bundle and LTP that support space DTN applications.Focusing on the characteristics of space information network in China，the paper analyzes current application needs for CCSDS DTN protocol architecture，and proposes an idea of space information network protocol architecture design based on CCSDS DTN，which is regarded as adapting to our country’s present situation，and gives a Mar exploration scenario.Finally，the network simulation platform is founded to verify the effectiveness and advantage of some representative DTN protocols.The simulation result shows its visual and receivable，which can be used as a reference for building space information network in China.

Space Information Network；Space Network Interconnection Services；Delay/Disruption Tolerant Network；Bundle Protocol

2015-09-28；

2015-11-05

國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2015AA7015087)

申景詩(shī)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事衛(wèi)星通信、天基組網(wǎng)技術(shù)等方面研究。Email：shenjingshi@hotmail.com。

TN92

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.006