徐 琪，周華春，李光磊，高德云，李泰新，李海峰

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

自20世紀(jì)70年代提出互聯(lián)網(wǎng)至今，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給全世界各行各業(yè)帶來了天翻地覆的變化，也徹底改變了人們以往獲取信息的方式。隨著我國經(jīng)濟(jì)、航天、軍事等諸多領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對于現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。比如在航天測控領(lǐng)域，我國無法在全球部署測控站，只能通過測控船收發(fā)指令，采集數(shù)據(jù)。在其他領(lǐng)域，人們也希望能夠在任何地點(diǎn)、任何時間、以任何方式獲得信息。因此，如何將地面互聯(lián)網(wǎng)延伸至空間，將空間衛(wèi)星互聯(lián)起來，構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)變得十分迫切。

但現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系在空間網(wǎng)絡(luò)中的性能并不令人滿意[1]?？臻g網(wǎng)絡(luò)具有高動態(tài)、間歇性連接、上下行鏈路速率不對稱、長時延、高誤碼率等鏈路特性。為了克服限制，提高網(wǎng)絡(luò)性能，文獻(xiàn)[2]提出了時延容忍網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)DTN(Delay-Tolerant Network)。DTN體系架構(gòu)在傳輸層和應(yīng)用層之間設(shè)計了一層端到端的面向應(yīng)用層數(shù)據(jù)的覆蓋層，稱作“Bundle層”。采用持續(xù)存儲幫助克服網(wǎng)絡(luò)中斷，通過逐跳轉(zhuǎn)發(fā)方式保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸。此外還設(shè)計了多種“匯聚層”協(xié)議，與Bundle層配合工作，提高鏈路的利用率，適應(yīng)不同鏈路狀況下的數(shù)據(jù)傳輸。由基于DTN架構(gòu)的空間網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)，由于DTN架構(gòu)與地面互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有協(xié)議存在差異，空間網(wǎng)絡(luò)相對孤立，因此，需要設(shè)計協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩者互聯(lián)互通。

在該背景下，本文基于“一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)”架構(gòu)，針對空間網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通問題，設(shè)計了天地一體化網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)DTN協(xié)議和TCP/IP協(xié)議兩者之間的轉(zhuǎn)換，并結(jié)合Web服務(wù)設(shè)計WebCache功能模塊。此外通過地月通信實(shí)驗(yàn)場景，在不同的上下行帶寬比和誤碼率情況下進(jìn)行地月間數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，測試網(wǎng)關(guān)的基本功能和適應(yīng)能力。通過獲取Web服務(wù)的測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證WebCache功能模塊對空間鏈路利用率的改善。

1 相關(guān)工作

近年來，盡管有很多關(guān)于天地網(wǎng)關(guān)的研究工作在進(jìn)行，但還沒有一致的解決方案，很大一部分原因在于空間網(wǎng)絡(luò)中尚無明確統(tǒng)一的協(xié)議體系，因此人們圍繞各種空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了諸多天地網(wǎng)關(guān)的設(shè)計。一般情況下，天地網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：隧道方式和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

1.1 隧道方式

隧道方式一般是指將地面網(wǎng)絡(luò)的整個IP包作為空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)載荷部分封裝起來進(jìn)行傳輸。文獻(xiàn)[3]基于CCSDS/SCPS通信協(xié)議的IP over CCSDS協(xié)議[4]設(shè)計實(shí)現(xiàn)了天地網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)[5]結(jié)合虛擬以太網(wǎng)設(shè)備設(shè)計實(shí)現(xiàn)了BPTAP。上述兩種方式分別利用CCSDS和DTN在空間網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢，互聯(lián)了空間網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)，但是兩者均增加了報頭開銷，降低了傳輸效率。

1.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換

文獻(xiàn)[6]描述了星上分段TCP代理，配合地面網(wǎng)關(guān)將天地之間的端到端連接分成若干段TCP連接，采用性能增強(qiáng)代理[7]PEP(Performance Enhancing Proxy)克服空間網(wǎng)絡(luò)中的長時延和高誤碼率，有效利用了衛(wèi)星資源，但是PEP并不能很好地解決受限網(wǎng)絡(luò)的傳輸問題。文獻(xiàn)[8]提出的Intelligent gateway雖然利用MPTCP在一定程度上優(yōu)化了地面終端用戶的服務(wù)體驗(yàn)，但仍用PEP協(xié)議進(jìn)行空間數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[9]提出了面向高動態(tài)多跳航天測控網(wǎng)絡(luò)的跨層協(xié)議架構(gòu)，設(shè)計AeroTP/AeroNP協(xié)議完成飛行器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并在文獻(xiàn)[10]中描述了實(shí)現(xiàn)AeroTP/AeroNP協(xié)議與TCP/IP互聯(lián)的AeroGW。

文獻(xiàn)[11]基于OPNET仿真設(shè)計了DTN網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與DTN協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，但是該設(shè)計只將空間實(shí)體作為中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，沒有提及空間實(shí)體如何與地面網(wǎng)絡(luò)相互通信，并且缺少針對TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換的仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[12]采用DTN協(xié)議克服車聯(lián)網(wǎng)“受限”的問題，并針對異構(gòu)域跨域傳輸問題，分析了IP over DTN和DTN over IP兩種網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，提出IP-cum-DTN網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，設(shè)計實(shí)現(xiàn)IP和Bundle的協(xié)議轉(zhuǎn)換，但是在DTN協(xié)議棧中的傳輸層使用Freeze-TCP，不能較好地適應(yīng)空間鏈路。

天地一體化網(wǎng)關(guān)參考星上分段TCP代理的設(shè)計思想以及IP-cum-DTN網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)與地面網(wǎng)絡(luò)之間采用TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)關(guān)與空間網(wǎng)絡(luò)之間采用DTN協(xié)議，通過DTN協(xié)議和TCP/IP協(xié)議兩者之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，避免了隧道方式的報頭開銷，而且能夠充分利用DTN協(xié)議和LTP傳輸協(xié)議的特性來應(yīng)對空間鏈路的約束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明通過天地一體化網(wǎng)關(guān)能夠較好地適應(yīng)空間鏈路特性，可以實(shí)現(xiàn)空間和地面之間的相互通信。

2 一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)面臨著許多問題，比如網(wǎng)絡(luò)資源利用率低、網(wǎng)絡(luò)安全性差、可擴(kuò)展性差、移動性差、能耗高等，導(dǎo)致這些弊端的根源在于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的原始設(shè)計思想存在不足。具體來說，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)具有“三重綁定”的特征，即：服務(wù)的“資源和位置綁定”、網(wǎng)絡(luò)的“控制和數(shù)據(jù)綁定”及“身份和位置綁定”[13]。這種網(wǎng)絡(luò)體系和機(jī)制是相對靜態(tài)和僵化的，無法滿足當(dāng)今快速增長的用戶規(guī)模以及不斷增加的網(wǎng)絡(luò)需求。

因此，通過一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)[13，14]中身份與位置分離、資源與控制分離、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的思想，可從根本上解決現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的諸多問題，同時吸收DTN體系架構(gòu)在空間網(wǎng)絡(luò)中的研究成果，構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)天地網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。本文的工作主要集中于身份與位置分離機(jī)制。

如圖1所示給出了一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)身份與位置分離機(jī)制的基本架構(gòu)。該架構(gòu)采用雙核心、多從屬的組網(wǎng)方式，雙核心是指地面核心網(wǎng)和空間核心網(wǎng)，多從屬是指核心網(wǎng)邊緣的接入網(wǎng)，它們通過邊界路由器接入雙核心實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。此外，為解決身份與位置綁定的問題，即IP地址即代表用戶的身份信息又代表用戶的位置信息，根據(jù)身份與位置分離的設(shè)計思想，要求網(wǎng)絡(luò)中每個對象均有兩個標(biāo)識，一個是身份標(biāo)識，表示用戶的身份；另一個是位置標(biāo)識，表示用戶在網(wǎng)絡(luò)中的位置，用于網(wǎng)絡(luò)路由。身份標(biāo)識與位置標(biāo)識的映射關(guān)系保存在各個域的位置映射系統(tǒng)和天地一體化網(wǎng)關(guān)中。用戶首次接入網(wǎng)絡(luò)時，位置映射系統(tǒng)會給用戶分配一個位置標(biāo)識，用戶側(cè)只使用身份標(biāo)識進(jìn)行通信，通過接入路由器在接入網(wǎng)中的通信過程使用接入網(wǎng)位置標(biāo)識進(jìn)行路由，通過邊界路由器在核心網(wǎng)中的通信過程使用核心網(wǎng)位置標(biāo)識進(jìn)行路由，通過天地一體化網(wǎng)關(guān)進(jìn)行異構(gòu)域網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)識轉(zhuǎn)換。

圖1 一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)身份與位置分離的基本架構(gòu)

每個網(wǎng)絡(luò)根據(jù)自身所處物理環(huán)境的實(shí)際情況，使用合適的路由和傳輸協(xié)議。一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)采用DTN協(xié)議對各類衛(wèi)星、空間站等空間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。其中Bundle協(xié)議設(shè)計使用了端點(diǎn)ID EID(Endpoint IDs)的命名方式來表征DTN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)的身份與位置信息。為了能在不同網(wǎng)絡(luò)采用相應(yīng)的路由與傳輸協(xié)議，同時實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，設(shè)計了天地一體化網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)結(jié)合位置映射系統(tǒng)為每個空間網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)識分配了地面網(wǎng)絡(luò)代理身份標(biāo)識，同樣也為每個地面網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)識分配了空間網(wǎng)絡(luò)代理身份標(biāo)識。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)DTN協(xié)議和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時也實(shí)現(xiàn)了域間不同標(biāo)識的轉(zhuǎn)換，該網(wǎng)關(guān)也稱為標(biāo)識轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)IDCG，該設(shè)計主要針對IPv6與EID標(biāo)識之間的轉(zhuǎn)換。

3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 協(xié)議棧設(shè)計

相比Internet體系結(jié)構(gòu)，DTN體系架構(gòu)在傳輸層與應(yīng)用層之間，添加了一層面向消息的端到端的覆蓋層，稱作“Bundle層”。根據(jù)RFC5050對Bundle協(xié)議[15](BP)的定義，BP的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為Bundle，每個Bundle由一個主Bundle塊和至少一個Bundle載荷塊以及可選的Bundle擴(kuò)展塊組成。BP使用一個或多個EID表示DTN網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)體，EID采用URI(Uniform Resource Identifier)通用結(jié)構(gòu)：工程名：端點(diǎn)號.節(jié)點(diǎn)號。

例如ipn：1.1和ipn：1.2都是工程名為ipn、端點(diǎn)號為1的實(shí)體EID，即每個實(shí)體只能有一個端點(diǎn)號，但可以有多個節(jié)點(diǎn)號。特別的是，端點(diǎn)號與網(wǎng)絡(luò)層IP地址屬于后綁定關(guān)系，即在Bundle層完成路由選路，并且發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)之后再進(jìn)行EID與IP地址的解析，網(wǎng)絡(luò)層不再進(jìn)行路由而是直接向后綁定解析得到的下一跳IP地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

Bundle協(xié)議為通信過程提供持續(xù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)以克服網(wǎng)絡(luò)中斷，通過逐跳轉(zhuǎn)發(fā)、可選的端到端確認(rèn)機(jī)制以及大量的診斷和管理機(jī)制保障傳輸?shù)目煽啃?。由于空間網(wǎng)絡(luò)無法保證通信全過程中持續(xù)可靠的端到端連接，因此Bundle協(xié)議采用逐跳存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行消息傳遞，消息被封裝入Bundle負(fù)載塊中，沿著源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的路徑逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，每個經(jīng)過的DTN節(jié)點(diǎn)根據(jù)可選的保管機(jī)制選擇是否存儲該Bundle，直至順利抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。如果由于某條鏈路長時間的中斷導(dǎo)致某個正在傳遞中的Bundle生命周期耗盡，那么最近一個保管該Bundle的DTN節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行該Bundle的傳遞。

為保障Bundle層存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的正常工作，還需要基于EID的可靠路由協(xié)議，比如連接圖路由協(xié)議CGR( Contact Graph Routing)。針對長往返時延和頻繁中斷的鏈路環(huán)境，DTNRG提出了LTP(Licklider Transmission Protocol)[16]匯聚層協(xié)議，旨在提供長時延、高誤碼率和不對稱鏈路下的可靠傳輸。另外，DTN架構(gòu)中還有其他匯聚層協(xié)議和上層應(yīng)用協(xié)議，適用于不同的環(huán)境。雖然關(guān)于DTN的研究仍在討論完善中，但已經(jīng)有不少學(xué)者實(shí)現(xiàn)了DTN體系結(jié)構(gòu)，并且做了大量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這些研究主要關(guān)注DTN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的協(xié)議設(shè)計和改進(jìn)。比如DTNRG開發(fā)的dtn、JPL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的ion[17]、MORGENROTH J等[18]開發(fā)的ibrdtn。

天地一體化網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧如圖2所示，網(wǎng)關(guān)與地面網(wǎng)絡(luò)之間采用TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)關(guān)與空間網(wǎng)絡(luò)之間采用基于ion的DTN協(xié)議。對于地面網(wǎng)絡(luò)不同類型的傳輸協(xié)議，空間網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)需要配置相應(yīng)的傳輸協(xié)議。如對不要求可靠傳輸?shù)腢DP協(xié)議配置BP/UDPCL/UDP(如果空間域要求可靠也可配置為BP/LTPCL/UDP，因?yàn)榭臻g鏈路質(zhì)量相對較差)，要求可靠傳輸?shù)腡CP協(xié)議對應(yīng)BP/LTPCL/UDP協(xié)議。因此天地一體化網(wǎng)關(guān)是一個雙協(xié)議棧網(wǎng)關(guān)，通過身份標(biāo)識以及協(xié)議報文格式的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

圖2 天地一體化網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧

3.2 程序?qū)崿F(xiàn)

天地一體化網(wǎng)關(guān)主要由4部分組成，分別是包過濾模塊、身份標(biāo)識轉(zhuǎn)換模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和身份標(biāo)識數(shù)據(jù)庫。圖3顯示了各個模塊在網(wǎng)關(guān)中的邏輯位置以及各模塊的相互關(guān)系。

圖3 天地一體化網(wǎng)關(guān)模塊結(jié)構(gòu)

包過濾模塊的主要功能是實(shí)時監(jiān)聽收到的數(shù)據(jù)包，并查詢身份標(biāo)識數(shù)據(jù)庫進(jìn)行過濾。如圖3所示，網(wǎng)關(guān)包含地面、空間兩個接口，地面接口是IPv6身份標(biāo)識，空間接口是EID身份標(biāo)識，分別負(fù)責(zé)接收各自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包。

身份標(biāo)識數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)為來自兩個核心網(wǎng)絡(luò)位置映射系統(tǒng)的身份標(biāo)識分配代理身份標(biāo)識，同時將身份標(biāo)識與代理身份標(biāo)識之間的映射關(guān)系存儲下來。網(wǎng)關(guān)擁有多個EID，除了一個用于表示空間接口外，其余均用于分配空間代理身份標(biāo)識。類似的，網(wǎng)關(guān)使用與地面接口相同地址前綴的IPv6網(wǎng)段為空間實(shí)體EID的端點(diǎn)號分配地面代理身份標(biāo)識，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)號設(shè)定地面?zhèn)鬏攨f(xié)議的目的端口號，源端口隨機(jī)分配。所有身份標(biāo)識的分配過程都遵循先后順序，比如地面身份標(biāo)識為1:1::1/64、空間身份標(biāo)識為ipn:1.1的網(wǎng)關(guān)收到了來自兩個網(wǎng)絡(luò)的身份標(biāo)識信息，分別是4ffe:8000:ffff:2/64和ipn:3.2，前者獲得空間代理身份標(biāo)識為ipn:1.2，后者獲得地面代理身份標(biāo)識為1:1::3/64，地面?zhèn)鬏攨f(xié)議目的端口號為2。

身份標(biāo)識轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)標(biāo)識轉(zhuǎn)換機(jī)制的正常工作，即根據(jù)數(shù)據(jù)包的身份標(biāo)識匹配身份標(biāo)識數(shù)據(jù)庫中的映射信息，并進(jìn)行身份標(biāo)識轉(zhuǎn)換。

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的主要功能是繼身份標(biāo)識轉(zhuǎn)換之后，接著完成數(shù)據(jù)包格式的轉(zhuǎn)換。眾所周知，地面網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用大多基于TCP/UDP傳輸協(xié)議，TCP協(xié)議是面向連接的可靠傳輸協(xié)議，UDP協(xié)議是無連接的盡力交付的傳輸協(xié)議。根據(jù)文獻(xiàn)[15]的描述，主Bundle塊中Bundle處理控制標(biāo)志字段的第9～13位是保留字段，本文利用該保留字段表征協(xié)議轉(zhuǎn)換之后對應(yīng)的地面網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議類型。UDP協(xié)議和DTN協(xié)議的轉(zhuǎn)換相對簡單，轉(zhuǎn)換時只需提取一種協(xié)議的負(fù)載作為另一種協(xié)議的負(fù)載，因此這里主要闡述TCP協(xié)議與DTN協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

TCP的協(xié)議轉(zhuǎn)換采用偽應(yīng)答的方式進(jìn)行TCP欺騙，實(shí)現(xiàn)TCP的分段連接，讓網(wǎng)關(guān)作為空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的代理與地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立TCP連接，然后在空間網(wǎng)絡(luò)使用DTN協(xié)議傳輸TCP協(xié)議中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)TCP傳輸協(xié)議與DTN協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。

以地面網(wǎng)絡(luò)向空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)起傳輸為例，如圖4所示，包過濾模塊截獲來自地面網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包，并判斷數(shù)據(jù)包的傳輸協(xié)議類型，選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)換機(jī)制。對于TCP傳輸協(xié)議，網(wǎng)關(guān)識別SYN報文、FIN報文和數(shù)據(jù)報文，根據(jù)SYN報文中的信息與地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立TCP連接，當(dāng)FIN報文到來時斷開相應(yīng)的連接。TCP數(shù)據(jù)報文的協(xié)議轉(zhuǎn)換與UDP相同，根據(jù)身份標(biāo)識數(shù)據(jù)庫進(jìn)行身份標(biāo)識轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，提取應(yīng)用層數(shù)據(jù)，重新封裝成Bundle報文發(fā)往空間網(wǎng)絡(luò)。

圖4 TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換流程示意圖

當(dāng)?shù)孛婀?jié)點(diǎn)與空間節(jié)點(diǎn)通信時，網(wǎng)關(guān)通過提取數(shù)據(jù)載荷和轉(zhuǎn)換標(biāo)識實(shí)現(xiàn)域間數(shù)據(jù)傳輸。對于TCP協(xié)議，網(wǎng)關(guān)作為空間節(jié)點(diǎn)的代理與地面節(jié)點(diǎn)建立連接。地面網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)的擁塞避免和流量控制由各自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的傳輸層或匯聚層協(xié)議負(fù)責(zé)。由于地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包負(fù)載往往較小，且可能受嚴(yán)格的擁塞和流量控制，而空間網(wǎng)絡(luò)以較大的Bundle為單位傳輸數(shù)據(jù)才能體現(xiàn)其協(xié)議優(yōu)勢，因此可為來自或發(fā)往地面網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)設(shè)計包緩存機(jī)制以提高Bundle協(xié)議效率。網(wǎng)關(guān)通過提取和聚合來自地面網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用數(shù)據(jù)再發(fā)往空間域，可提高空間網(wǎng)絡(luò)上行鏈路利用率；通過接收和分解來自空間域的大塊應(yīng)用數(shù)據(jù)再發(fā)往地面網(wǎng)絡(luò)，可提高空間域下行鏈路的利用率。

3.3 WebCache實(shí)現(xiàn)

前文所述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了協(xié)議轉(zhuǎn)換的基本功能，而考慮到空間網(wǎng)絡(luò)具有高動態(tài)、長時延、間歇性連接等特點(diǎn)，為了使得各種應(yīng)用如Web服務(wù)、流媒體和文件傳輸?shù)雀玫剡m應(yīng)空間網(wǎng)絡(luò)，可對天地一體化網(wǎng)關(guān)進(jìn)行功能擴(kuò)展。比如，針對載人飛船上的宇航員訪問地面Web服務(wù)的場景和需求設(shè)計了WebCache模塊。

宇航員可以通過“天鏈一號”[19]等數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)和地面保持較長時間的通信，而在沒有數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)或在其覆蓋范圍之外的情況下，空間節(jié)點(diǎn)可能需要利用能夠建立通信的時間段盡可能多的獲取Web數(shù)據(jù)，并在沒有連接的情況進(jìn)行離線瀏覽。因此，WebCache擴(kuò)展模塊需要有緩存和Web文件傳輸?shù)墓δ?，以提高傳輸效率并支持離線瀏覽。

圖5給出了WebCache的工作原理，此時網(wǎng)關(guān)不僅作為協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，而且具有Http代理功能和緩存功能。空間節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個基于DTN協(xié)議的Web請求，網(wǎng)關(guān)中的WebCache服務(wù)模塊負(fù)責(zé)接收Web請求，并且根據(jù)請求中的URL與相應(yīng)的Web服務(wù)器建立TCP連接，WebCache獲取Web文件并將其存儲在本地。若Web數(shù)據(jù)獲取完成后網(wǎng)關(guān)仍然和空間節(jié)點(diǎn)能夠建立通信鏈路，且能在中斷前完成Web數(shù)據(jù)的發(fā)送，網(wǎng)關(guān)則將Web數(shù)據(jù)以Bundle形式發(fā)送給空間節(jié)點(diǎn)，否則將數(shù)據(jù)緩存于本地，等待下一次連接時再傳輸。

圖5 WebCache工作原理

WebCache借助Httrack[20]軟件實(shí)現(xiàn)離線緩存，并為請求方提供豐富的控制參數(shù)，如控制遞歸深度和文件類型。宇航員可根據(jù)自身需求定制請求內(nèi)容，控制回傳數(shù)據(jù)的大小。在和地面站建立連接或在數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的覆蓋范圍之內(nèi)時，對于內(nèi)容具有隨機(jī)性和實(shí)時性要求高的網(wǎng)頁請求(如搜索服務(wù))，往往只需要獲取一個網(wǎng)頁，通過控制遞歸深度為一，只獲取搜索結(jié)果界面。對訪問頻率高、內(nèi)容多和實(shí)時性要求不高的網(wǎng)站，宇航員通過增大遞歸深度能請求存儲更多的內(nèi)容，并可在本次或下一次建立連接的時間段內(nèi)通過DTN協(xié)議傳輸WebCache存儲的內(nèi)容。這種設(shè)計方式可充分利用空間鏈路的連接時間，提高鏈路利用率，更好地支持在間歇性連接的空間網(wǎng)絡(luò)中獲取地面Web服務(wù)。

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

基于一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)，設(shè)計了地月通信場景進(jìn)行傳輸鏈路性能實(shí)驗(yàn)，分別在不同的誤碼率、上下行鏈路比的情況下，測試即時吞吐量，驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)在不同鏈路條件下的適用性。此外還進(jìn)行了WebCache測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)的WebCache功能。

4.1 地月通信實(shí)驗(yàn)場景

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)使用了14臺設(shè)備搭建了地月通信場景，整個場景由地面接入網(wǎng)、地面核心網(wǎng)和空間網(wǎng)絡(luò)組成，地面網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)之間通過天地一體化網(wǎng)關(guān)互聯(lián)互通。

圖6 地月場實(shí)驗(yàn)場景拓?fù)鋱D

空間網(wǎng)絡(luò)包含4臺空間節(jié)點(diǎn)模擬器，分別模擬“嫦娥三號”繞月衛(wèi)星[21]和3顆“天鏈一號”衛(wèi)星。使用STK仿真軟件[22]分析空間節(jié)點(diǎn)之間的可見性，計算空間鏈路的時延，可知“嫦娥三號”與“天鏈一號”之間往返時延大約為2.7 s，“天鏈一號”與網(wǎng)關(guān)(假設(shè)位于西昌)之間往返時延大約為0.28 s。

傳輸鏈路性能實(shí)驗(yàn)的空間鏈路連接情況見表1，為了便于實(shí)驗(yàn)，根據(jù)STK的仿真結(jié)果按比例縮短了實(shí)驗(yàn)時間。實(shí)驗(yàn)過程中，地面用戶向繞月衛(wèi)星發(fā)起請求回傳數(shù)據(jù)，繞月衛(wèi)星收到請求后根據(jù)空間鏈路連接情況選擇合適的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)，期間空間鏈路發(fā)生了兩次切換。根據(jù)文獻(xiàn)[23]所述。當(dāng)上下行鏈路帶寬比低于1∶50時，TCP/IP協(xié)議會受較大影響，因此選擇了5組上下行鏈路帶寬比1∶10、1∶25、1∶50、1∶100、1∶500，分析地面接收端的吞吐量變化。同樣，選取了3組誤碼率0、10-6、10-5，分析它們對網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)挠绊?，其?0-6是深空通信中普遍能夠接受的誤碼率值[23]。

表1 空間鏈路連接情況

在頻繁的鏈路切換情況下，通過控制鏈路的上下行速率以及誤碼率，分別測量地面用戶的平均吞吐量，以此驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)在惡劣空間環(huán)境下的適用性。

此外，假設(shè)“嫦娥三號”繞月衛(wèi)星能夠載人，模擬繞月衛(wèi)星上的宇航員獲取地面Web服務(wù)的過程，分別對小數(shù)據(jù)量網(wǎng)頁的情況和大數(shù)據(jù)量網(wǎng)頁的情況進(jìn)行測試，驗(yàn)證WebCache在鏈路中斷情況下的離線緩存功能。實(shí)驗(yàn)拓?fù)淙鐖D6所示，Web服務(wù)器通過接入路由器接入地面核心網(wǎng)，表2給出了空間鏈路的連接情況，其中前100 s進(jìn)行小數(shù)據(jù)量網(wǎng)頁實(shí)驗(yàn)，之后再進(jìn)行大數(shù)據(jù)量網(wǎng)頁實(shí)驗(yàn)，可以看出鏈路8發(fā)生了大約20 s的鏈路中斷。兩次實(shí)驗(yàn)空間鏈路的上下行帶寬比均為1∶50，誤碼率設(shè)置為10-6。

表2 WebCache實(shí)驗(yàn)空間鏈路連接情況

4.2 基本功能測試

實(shí)驗(yàn)使用Wireshark軟件隨機(jī)抓包進(jìn)行分析，驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)的身份標(biāo)識轉(zhuǎn)換功能和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

從圖7和圖8可以看出，網(wǎng)關(guān)收到的BP包來自“嫦娥三號”繞月衛(wèi)星，因?yàn)镋ID與IP的后綁定關(guān)系，BP包在Bundle層根據(jù)EID進(jìn)行路由，在網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)IP進(jìn)行逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。

圖7 UDP與DTN協(xié)議轉(zhuǎn)換

圖8 TCP與DTN協(xié)議轉(zhuǎn)換

身份標(biāo)識轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)現(xiàn)成功。源EID中的端點(diǎn)號2轉(zhuǎn)換為地面代理身份標(biāo)識1:1::2，節(jié)點(diǎn)號轉(zhuǎn)換為傳輸協(xié)議目的端口號，目的EID轉(zhuǎn)換為地面用戶的身份標(biāo)識。

協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)現(xiàn)成功。圖7為UDP與DTN協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中的數(shù)據(jù)包格式變換情況，網(wǎng)關(guān)將Bundle/LTP協(xié)議轉(zhuǎn)換為UDP協(xié)議。圖8為TCP與DTN協(xié)議轉(zhuǎn)換結(jié)果，可以看到網(wǎng)關(guān)將Bundle包轉(zhuǎn)換為TCP包之后，先發(fā)送請求給地面目的用戶，建立連接之后再發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.3 上下行鏈路帶寬比分析

空間鏈路誤碼率設(shè)為10-6，發(fā)送速率為50 Kbyte/s，下行鏈路帶寬固定在50 Kbyte/s，分別在上下行鏈路帶寬比為1∶10、1∶25、1∶50、1∶100、1∶500的情況下，每隔10 s測量一次地面用戶的平均吞吐量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，當(dāng)上下行帶寬比高于1∶100時，地面接收端的吞吐量穩(wěn)定在45 Kbyte/s左右，當(dāng)上下行帶寬比為1∶500時，平均吞吐量出現(xiàn)大幅下降。此外，在實(shí)驗(yàn)開始的前150 s中，地面用戶接收端平均吞吐量浮動較大，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)開始時空間網(wǎng)絡(luò)盡最大努力發(fā)送數(shù)據(jù)，但是由于鏈路條件制約，導(dǎo)致有些Bundle數(shù)據(jù)包被存儲在中間節(jié)點(diǎn)，不能及時轉(zhuǎn)發(fā)，因此在實(shí)驗(yàn)前期出現(xiàn)了浮動。

圖9 地面用戶數(shù)據(jù)接收平均吞吐量

4.4 誤碼率分析

在相同實(shí)驗(yàn)場景中，設(shè)定同樣鏈路時延，上下行帶寬比為1∶10的條件下，控制空間鏈路的誤碼率，測試其對天地一體化網(wǎng)關(guān)性能的影響。本文進(jìn)行了3組不同鏈路誤碼率的實(shí)驗(yàn)，分別是0、10-6、10-5。

根據(jù)圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無誤碼率時，接收端平均吞吐量基本與發(fā)送速率持平，因?yàn)榇藭r空間鏈路狀況較為理想。當(dāng)誤碼率為10-6時，平均吞吐量略微有所下降，當(dāng)誤碼率為10-5時，平均吞吐量只有發(fā)送速率的一半，并且出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)包重傳請求，由此可見過高的誤碼率會降低傳輸效率。

圖10 地面用戶數(shù)據(jù)接收平均吞吐量

4.5 WebCache實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

WebCache實(shí)驗(yàn)的前100 s進(jìn)行小數(shù)據(jù)量網(wǎng)頁實(shí)驗(yàn)，測試在持續(xù)連接的情況下宇航員多次發(fā)送請求，請求內(nèi)容限制為單個網(wǎng)頁，大小為2 kbyte。圖11為5次傳輸過程中網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器端基于TCP/IP通信的吞吐量，網(wǎng)關(guān)和空間節(jié)點(diǎn)基于DTN通信的吞吐量。每次傳輸過程中，網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝揩@得一個采樣值，大小為1 805 byte，緊隨其后，可發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和空間節(jié)點(diǎn)之間DTN協(xié)議有兩個采樣值，分別是275 byte和1 540 byte，可見Web數(shù)據(jù)在經(jīng)過網(wǎng)關(guān)的前后過程中是等量的。每次從請求到獲得服務(wù)，所用時間在1s以內(nèi)，基本滿足輕量級請求的實(shí)時性需求。

圖11 小數(shù)據(jù)量網(wǎng)頁實(shí)驗(yàn)網(wǎng)關(guān)吞吐量

從100 s之后，測試請求大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)頁，測試結(jié)果如圖12所示。可以看到從發(fā)送請求之后，由于遞歸深度較大，在連接時間內(nèi)(100～206 s)網(wǎng)關(guān)未能完成Web數(shù)據(jù)的獲取，因此等到下一次連接時才發(fā)送存儲的文件(共存儲約3 Mbyte數(shù)據(jù))。網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器端基于TCP/IP通信的吞吐量，網(wǎng)關(guān)和空間節(jié)點(diǎn)基于DTN通信的吞吐量如圖12所示。網(wǎng)關(guān)從服務(wù)器獲取Web數(shù)據(jù)的過程中，由于各個文件的大小不同，且鏈路帶寬充裕，主要由單個文件大小決定吞吐量的大小，因而效率相對較低。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，IP吞吐量在該過程中的某些時間點(diǎn)遇到相對大的文件而出現(xiàn)尖峰。在第二次連接的時間段內(nèi)，網(wǎng)關(guān)向空間節(jié)點(diǎn)發(fā)送WebCache存儲的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸過程中吞吐量達(dá)到且基本保持為鏈路飽和值，提高了鏈路的利用率。

圖12 大數(shù)據(jù)量網(wǎng)頁實(shí)驗(yàn)網(wǎng)關(guān)吞吐量

5 結(jié)束語

本文基于一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)設(shè)計了天地一體化地面網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了TCP/IP傳輸協(xié)議與DTN協(xié)議的轉(zhuǎn)換。通過設(shè)計地月通信場景，根據(jù)STK仿真結(jié)果設(shè)定空間鏈路的連接情況和時延，在空間網(wǎng)絡(luò)鏈路誤碼率不同、上下行速率比不對稱的情況下，進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，并測試了所設(shè)計的WebCache的基本功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明天地一體化網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，在一定程度上可以適應(yīng)空間鏈路不對稱和鏈路質(zhì)量差的特點(diǎn)。結(jié)合針對Web服務(wù)設(shè)計的WebCache模塊，能夠滿足空間網(wǎng)絡(luò)獲取地面Web服務(wù)和離線瀏覽的需求，并在傳輸大量Web數(shù)據(jù)時提高了鏈路的利用率。

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