楊志華+袁鵬+張欽宇

摘要：認(rèn)為空間互聯(lián)網(wǎng)作為地面互聯(lián)網(wǎng)向臨近空間、地球軌道空間甚至深空空間的拓展，在通信中繼、對(duì)地觀測(cè)和導(dǎo)航定位等多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。介紹了典型空間互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，針對(duì)鏈路差異、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)和網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的特點(diǎn)，提出了空間互聯(lián)網(wǎng)中協(xié)議體系、路由技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)仿真等關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：空間互聯(lián)網(wǎng)；協(xié)議體系；路由；網(wǎng)絡(luò)安全

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2016） 04-0046-003

1 空間互聯(lián)網(wǎng)

無(wú)線通信和控制技術(shù)的快速發(fā)展與未來(lái)信息全球化和宇宙探測(cè)的迫切需求，促使傳統(tǒng)地面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)向臨近空間、地球軌道空間甚至深空空間拓展[1]。通過(guò)空間無(wú)線通信和地面有線通信技術(shù)，將在軌衛(wèi)星、空間飛行器和地面設(shè)施等構(gòu)成互聯(lián)互通的空間互聯(lián)網(wǎng)，在通信中繼、對(duì)地觀測(cè)和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

典型的空間互聯(lián)網(wǎng)包含衛(wèi)星通信系統(tǒng)、臨近空間通信系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)[2]，如圖1所示。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由地球軌道衛(wèi)星構(gòu)成，包括地球同步軌道衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星等，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)星間鏈路（ISLs）互聯(lián)，與臨近空間和地面節(jié)點(diǎn)通過(guò)星地鏈路（SGLs）連接。衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠提供空間互聯(lián)網(wǎng)中其他節(jié)點(diǎn)廣泛穩(wěn)定的通信接入中繼服務(wù)，并能為更遠(yuǎn)距離深空探測(cè)器提供通信支持。臨近空間通信系統(tǒng)包括亞軌道區(qū)間飛行器，如處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)的高空飛艇、氣球和高速飛行的無(wú)人機(jī)等。地面通信系統(tǒng)包括地面接收站、車輛、船只和人員等，通過(guò)有線網(wǎng)、無(wú)線移動(dòng)和自組織網(wǎng)絡(luò)等方式互聯(lián)組網(wǎng)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

空間互聯(lián)網(wǎng)由在軌衛(wèi)星、臨近空間飛行器和地面網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，與傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡(luò)相比，具有3個(gè)特點(diǎn)[3]。

（1）鏈路差異：空間互聯(lián)網(wǎng)中鏈路模型方面包含衛(wèi)星和臨近空間無(wú)線連接，地面無(wú)線和有線連接等。其中衛(wèi)星和臨近空間無(wú)線連接鏈路傳輸時(shí)延大、誤碼率高、上下行傳輸速率不對(duì)稱，與地面無(wú)線和有線連接環(huán)境存在顯著差異。

（2）拓?fù)鋭?dòng)態(tài)：空間互聯(lián)網(wǎng)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含周期運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，固定的地面接收，準(zhǔn)靜止的高空飛艇、氣球和動(dòng)態(tài)的無(wú)人機(jī)、地面車輛、船只和人員等。不同節(jié)點(diǎn)間連接中斷頻繁，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài)。

（3）網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)：空間互聯(lián)網(wǎng)中不同通信子網(wǎng)通信環(huán)境不同，存在單播、組播和廣播的傳輸模式，面向連接和非連接的傳輸協(xié)議，直接通信和中繼通信方式，網(wǎng)絡(luò)高度異構(gòu)。

2 空間互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

空間互聯(lián)網(wǎng)將臨近空間、地球軌道空間甚至深空空間的飛行器、衛(wèi)星和探測(cè)器組網(wǎng)，集成兼容了衛(wèi)星通信系統(tǒng)、臨近空間通信系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)，支撐全球范圍通信覆蓋需求，部署靈活多樣，在通信中繼、對(duì)地觀測(cè)和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2.1 通信中繼

空間互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍廣，在軌衛(wèi)星、臨近空間飛行器和地面通信設(shè)備互聯(lián)，不僅能夠與現(xiàn)有通信系統(tǒng)配合，為全球任意地區(qū)特別是遠(yuǎn)洋、山區(qū)等基礎(chǔ)設(shè)施匱乏的區(qū)域提供通信中繼支持，而且能夠在地震和海嘯等災(zāi)后或戰(zhàn)爭(zhēng)期間現(xiàn)有通信系統(tǒng)遭到破壞的場(chǎng)景下，提供應(yīng)急通信服務(wù)。

2.2 對(duì)地觀測(cè)

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星搭載多種成像載荷飛行器和地面監(jiān)測(cè)平臺(tái)相互配合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地球熱點(diǎn)區(qū)域快速、全方位精確觀測(cè)，并通過(guò)空間互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)測(cè)中心處理。

2.3 導(dǎo)航定位

導(dǎo)航衛(wèi)星通過(guò)發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)，能夠?yàn)殛懙?、海上和空中用戶提供?dǎo)航、定位和授時(shí)等服務(wù)，同時(shí)臨近空間飛行器和地面設(shè)施能夠提供輔助增強(qiáng)定位，并在衛(wèi)星導(dǎo)航功能失效或收到干擾為用戶提供替代服務(wù)。

3 空間互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

空間互聯(lián)網(wǎng)是地面互聯(lián)網(wǎng)向空間方向的擴(kuò)展。然而鏈路差異大、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)和集成異構(gòu)等特點(diǎn)，對(duì)空間互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，因此亟需在協(xié)議體系、路由技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)仿真等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展研究。

3.1 協(xié)議體系

為完成通信任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)遵守相應(yīng)準(zhǔn)則，即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)各層環(huán)境和需求而形成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集合，是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通的必要條件。目前空間互聯(lián)網(wǎng)使用的協(xié)議體系可分為3類：傳輸控制協(xié)議（TCP）/IP協(xié)議及改進(jìn)，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）協(xié)議及容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)（DTN）協(xié)議[4]。

3.1.1 TCP/IP協(xié)議及改進(jìn)

傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議針對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，假定了網(wǎng)絡(luò)中鏈路傳播時(shí)延短、誤碼率低且存在端到端的連接。而空間互聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)傳播時(shí)延、高誤碼率特性降低了TCP/IP協(xié)議效率，甚至無(wú)法完成數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)此研究人員提出了改進(jìn)協(xié)議，包括基于參數(shù)的改進(jìn)協(xié)議，基于端到端的改進(jìn)協(xié)議和基于分割的改進(jìn)協(xié)議[5]?；趨?shù)的改進(jìn)協(xié)議優(yōu)化了參數(shù)配置；基于端到端的改進(jìn)協(xié)議修改了傳統(tǒng)協(xié)議中擁塞控制和差錯(cuò)檢測(cè)方案，如TP-Planet和TCP-Westwood協(xié)議；基于分割的改進(jìn)協(xié)議根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，分割數(shù)據(jù)傳輸鏈路并分別對(duì)應(yīng)處理，如空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)-傳輸協(xié)議（SCPS-TP）和比例顯式控制協(xié)議（P-XCP）。TCP/IP協(xié)議及改進(jìn)技術(shù)成熟，和地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)簡(jiǎn)便，然而空間互聯(lián)網(wǎng)不同子網(wǎng)對(duì)其適應(yīng)程度不同，因此效率較低。

3.1.2 CCSDS協(xié)議

CCSDS協(xié)議是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)提出的針對(duì)空間通信的協(xié)議體系，包括數(shù)據(jù)鏈路層至傳輸應(yīng)用層一系列協(xié)議，如CCSDS文件傳輸協(xié)議（CFDP），空間通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)規(guī)范協(xié)議（SCPS-NP），高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）協(xié)議等[6]。CCSDS協(xié)議雖然較為完善，但是不適于移動(dòng)接入情況，不能直接與傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

3.1.3 DTN協(xié)議

DTN協(xié)議是由Fall等于2003年提出針對(duì)空間互聯(lián)網(wǎng)提出的協(xié)議體系。為實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)間異構(gòu)互聯(lián)，DTN協(xié)議體系在應(yīng)用層與傳輸層之間引入覆蓋層，使子網(wǎng)底層協(xié)議能夠與子網(wǎng)環(huán)境相匹配，包含Bundle協(xié)議，Licklider傳輸協(xié)議（LTP）和Saratoga協(xié)議等[7]。DTN采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)斷續(xù)連接的特性。DTN協(xié)議將連接分為兩類：永久連接和間斷連接（包括安排、機(jī)會(huì)和預(yù)測(cè)連接），定義了3種數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)和8種傳輸選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在異構(gòu)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，為空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供可行方案。

3.2 路由技術(shù)

數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸路徑規(guī)劃需要路由技術(shù)的支持。高效、可靠的路由技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，減少端到端的時(shí)延。而鏈路差異、動(dòng)態(tài)拓?fù)浜途W(wǎng)路異構(gòu)特點(diǎn)使得傳統(tǒng)地面路由技術(shù)不適用于空間互聯(lián)網(wǎng)?？臻g互聯(lián)網(wǎng)的路由技術(shù)亟需深入研究。

3.2.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)路由技術(shù)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芷谛宰兓?，?jīng)典的衛(wèi)星通信系統(tǒng)路由設(shè)計(jì)都采用了離散化的方法，包括虛擬拓?fù)渎酚?、區(qū)域劃分路由和按需驅(qū)動(dòng)路由。

虛擬拓?fù)渎酚刹捎脮r(shí)間離散，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)周期性規(guī)律，將網(wǎng)絡(luò)周期劃分為時(shí)隙，在時(shí)隙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３植蛔儯瑢?dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)映射為時(shí)間離散的網(wǎng)絡(luò)快照[8]。該類路由借鑒了靜態(tài)路由計(jì)算方案，但對(duì)于突發(fā)狀況適用性不強(qiáng)，對(duì)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)需求較高。區(qū)域劃分路由采用空間離散，將地球表面劃分成不同的邏輯區(qū)域，衛(wèi)星邏輯地址為星下點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域編號(hào)[9]，在路由計(jì)算時(shí)依據(jù)邏輯地址進(jìn)行規(guī)劃。該類路由屏蔽了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，但只適用于規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算出的路徑未必最優(yōu)。按需驅(qū)動(dòng)路由根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟾戮W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)保持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變[10]。該類路由在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和傳輸數(shù)據(jù)量較小的場(chǎng)景中能減小網(wǎng)絡(luò)離散數(shù)目，但是對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性不強(qiáng)。

3.2.2 臨近空間通信系統(tǒng)路由技術(shù)

臨近空間通信系統(tǒng)包含準(zhǔn)靜止的高空飛艇、氣球和高速飛行的無(wú)人機(jī)，主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和鏈路狀態(tài)預(yù)測(cè)[11]，或針對(duì)衛(wèi)星-臨近空間飛行器-地面站多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)負(fù)載均衡或最小跳數(shù)的路由方案。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全

空間互聯(lián)網(wǎng)中開(kāi)放式的通信環(huán)境和異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，易受到不同層次不同程度的干擾和攻擊，帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)安全威脅[12]。網(wǎng)絡(luò)安全與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用息息相關(guān)，針對(duì)空間互聯(lián)網(wǎng)的安全問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

3.3.1 安全協(xié)議體系

空間互聯(lián)網(wǎng)具有多層次的協(xié)議體系，針對(duì)不同層位置和功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全機(jī)制[13]。安全協(xié)議體系應(yīng)遵守上層安全機(jī)制不能違反底層安全機(jī)制和各層安全機(jī)制相互關(guān)聯(lián)等要求。具體而言，物理層安全服務(wù)指數(shù)據(jù)流機(jī)密完整性，數(shù)據(jù)鏈路層安全服務(wù)指連接機(jī)密性和認(rèn)證，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層安全指認(rèn)證、訪問(wèn)控制，應(yīng)用層安全指機(jī)密完整性、認(rèn)證和訪問(wèn)控制等。同時(shí)針對(duì)空間互聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)拓?fù)涮匦?，跨層設(shè)計(jì)的安全協(xié)議引起廣大學(xué)者關(guān)注。

3.3.2 安全機(jī)制

空間互聯(lián)網(wǎng)安全需要相應(yīng)的安全服務(wù)機(jī)制，如加密、認(rèn)證和訪問(wèn)控制等[14]。加密是指為保證機(jī)密性，通過(guò)對(duì)稱或非對(duì)稱的密碼算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止非授權(quán)用戶獲取信息的技術(shù)。認(rèn)證是指通過(guò)密碼等方式獲取接入或訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限，防止偽裝用戶攻擊的技術(shù)，可細(xì)分為身份、數(shù)據(jù)源認(rèn)證和秘鑰交換等。訪問(wèn)控制是指限制訪問(wèn)和使用網(wǎng)絡(luò)資源的技術(shù)。主要有3種方式，即主動(dòng)性、執(zhí)行性和基于角色的訪問(wèn)控制。

3.4 網(wǎng)絡(luò)仿真

空間互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)具有高投入、高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)。因此，通過(guò)搭建仿真平臺(tái)，對(duì)擬建設(shè)的通信系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，確定其具體性能指標(biāo)，并對(duì)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程進(jìn)行直觀的顯示顯得尤為重要[15]?，F(xiàn)有的仿真平臺(tái)主要有NS2、OPNET、ION等。此外，中國(guó)的一些高校和科研院所也自主開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的仿真平臺(tái)。其中，西安電子科技大學(xué)在物理層仿真方面成果顯著，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出并設(shè)計(jì)了基于高層體系結(jié)構(gòu)的分布式仿真平臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

空間互聯(lián)網(wǎng)是地面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)向臨近空間、地球軌道空間甚至深空空間的拓展。在軌衛(wèi)星、空間飛行器和地面設(shè)施互聯(lián)互通，滿足全球范圍的通信覆蓋，部署靈活多樣，在通信中繼、對(duì)地觀測(cè)和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?？臻g互聯(lián)網(wǎng)具有鏈路差異、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)和網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)空間互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，因此亟需對(duì)協(xié)議體系、路由技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)仿真等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究。

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