延遲／中斷容忍網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在行星際因特網(wǎng)中的應(yīng)用

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

延遲／中斷容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay／Disruption Tolerant Network，DTN）最初起源于1998年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）對(duì)行星際因特網(wǎng)（Interplanetary Internet，IPN）的研究。NASA 希望將地面因特網(wǎng)擴(kuò)展到整個(gè)太陽(yáng)系，從而為散布在太陽(yáng)系中的航天器和探索其他行星的機(jī)器人提供像地面因特網(wǎng)一樣的通信服務(wù)［1］。

地面因特網(wǎng)協(xié)議一般假定數(shù)據(jù)源和目的之間存在端到端路徑，節(jié)點(diǎn)之間時(shí)延不會(huì)太長(zhǎng)且網(wǎng)絡(luò)丟包率較小。IPN 具有不同于傳統(tǒng)地面因特網(wǎng)的特點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)之間的傳播延時(shí)會(huì)非常大，節(jié)點(diǎn)之間往往由于天體遮擋而無(wú)法實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的連接，通信鏈路誤碼率高且鏈路帶寬不對(duì)稱等。IPN 研究小組最后得出以下結(jié)論：地面因特網(wǎng)不適合IPN，應(yīng)開發(fā)一種新的DTN 體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)最終IPN 的建立［2］。后來(lái)，IPN 研究小組發(fā)展成IPN 特別興趣小組（IPN Special Interest Group，IPNSIG）。由于IPN 的理念同樣適用于一些地面網(wǎng)絡(luò)，因特網(wǎng)研究任務(wù)組（Internet Research Task Force，IRTF）成立了一個(gè)新的工作組來(lái)研究更通用的DTN，即DTN研究小組（DTN Research Group，DTNRG），該小組是目前DTN 體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的主要公開組織［3］。2004年，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）提出中斷容忍網(wǎng)絡(luò)（Disruption Tolerant Networking，也稱為DTN），希望同一個(gè)體系結(jié)構(gòu)或協(xié)議能夠同時(shí)支持延遲和中斷這兩種情況。

DTN 是實(shí)現(xiàn)IPN 的一種重要技術(shù)途徑，NASA啟動(dòng)了多項(xiàng)旨在提高DTN 技術(shù)成熟度的飛行驗(yàn)證計(jì)劃，以期將DTN 技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的太空飛行任務(wù)中，最終實(shí)現(xiàn)IPN 的建立。我國(guó)早在20世紀(jì)末就有科研院校提出了建立天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)想，并通過專項(xiàng)研究取得了顯著成果［4］。本文首先對(duì)DTN 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、路由算法和軟件實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，總結(jié)了NASA 的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)的技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)我國(guó)天基綜合信息網(wǎng)建設(shè)的需求，提出了DTN 研究應(yīng)關(guān)注的問題。

2 DTN 關(guān)鍵技術(shù)

在研究IPN 時(shí)研究者發(fā)現(xiàn)，沒有一種現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能在IPN 的所有路徑上獲得很好的性能，而且沒有一種應(yīng)用層下面的端到端協(xié)議適合IPN 應(yīng)用場(chǎng)景的端到端應(yīng)用［2］。因此，研究者提出了一種新的稱為DTN 的端到端的覆蓋層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，將不同的間斷網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)，形成一個(gè)間斷網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)［5-6］。

2.1 DTN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

2.1.1 束協(xié)議

束協(xié)議（Bundle Protocol，BP）運(yùn)行于不同種類的底層協(xié)議之上，形成一個(gè)覆蓋層，稱為“束層”（Bundle Layer）［7］。束協(xié)議是DTN 體系結(jié)構(gòu)中覆蓋層網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)實(shí)際例子，既可以運(yùn)行在當(dāng)前的因特網(wǎng)上，也可以運(yùn)行在深空通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等其他苛刻的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。束層和不同網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議互相配合，從而使不同的網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)，而不同網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議可以采用本網(wǎng)絡(luò)最適合的協(xié)議，因此，束協(xié)議可以看作是一個(gè)覆蓋層網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。圖1顯示了束協(xié)議在因特網(wǎng)模型中的位置，其中有3個(gè)不同的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，分別用T1／N1，T2／N2，T3／N3表示［8］。

圖1 束協(xié)議在因特網(wǎng)模型中的位置Fig.1 Position of bundle protocol in Internet model

束協(xié)議的主要功能有：①基于保管方式的重傳；②可以處理間斷的連接；③除持續(xù)性的連接，還能夠利用可以預(yù)測(cè)的連接和機(jī)會(huì)連接；④通過覆蓋層網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)地址進(jìn)行后綁定（Late-binding），形成網(wǎng)絡(luò)地址?；诒９芊绞降闹貍魇鞘鴧f(xié)議非常重要的一個(gè)策略，數(shù)據(jù)段的可靠傳輸會(huì)隨著數(shù)據(jù)段在網(wǎng)絡(luò)中每一跳的前進(jìn)而向前推移，這樣數(shù)據(jù)段的可靠傳輸從傳統(tǒng)的基于端到端轉(zhuǎn)變?yōu)榛谔教?，從而更適合在高時(shí)延和鏈路中斷情況下的可靠傳輸。

束協(xié)議詳細(xì)的基本術(shù)語(yǔ)、格式和處理過程等由RFC5050定義［8］。它構(gòu)造了一個(gè)存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)的覆蓋網(wǎng)，并需要一個(gè)“匯聚層適配器”完成與底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的交互，實(shí)現(xiàn)束的發(fā)送和接收。

2.1.2 利克里德傳輸協(xié)議

利克里德傳輸協(xié)議（Licklider Transmission Protocol，LTP）是為了紀(jì)念美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家J.C.R.Lichlider而命名的，它能在鏈路具有長(zhǎng)延時(shí)、間歇性連接的情況下，提供遠(yuǎn)距離的、基于重傳的可靠連接［9-10］。深空探測(cè)任務(wù)中的通信就是這種環(huán)境里的一個(gè)非常典型的例子，深空通信鏈路的延時(shí)非常長(zhǎng)，而且有時(shí)會(huì)被其他天體遮擋或者受到地球站調(diào)度的限制而發(fā)生鏈路中斷。LTP 采用凍結(jié)定時(shí)器的方式處理間歇性連接的鏈路，而傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）的“兩分鐘超時(shí)”機(jī)制會(huì)導(dǎo)致TCP連接斷開。同時(shí)，由于在深空通信中的通信機(jī)會(huì)非常少且往返延時(shí)非常長(zhǎng)，因此LTP中并沒有采用傳統(tǒng)TCP 的“三次握手”機(jī)制、“擁塞窗口協(xié)商”機(jī)制和慢啟動(dòng)過程，從而提高了鏈路的利用率。同時(shí)，LTP提供了兩種數(shù)據(jù)塊（可靠部分和非可靠部分）的傳輸機(jī)制，因此能夠同時(shí)提供類似TCP的可靠傳輸和類似用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）的非可靠傳輸。LTP通過選擇性的應(yīng)答（Selective Acknowledgement）機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

LTP是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議，不必考慮路由和擁塞控制的問題。它也能夠支持束協(xié)議，所以可配置成BP／LTP的協(xié)議結(jié)構(gòu)。

2.1.3 CCSDS文件傳輸協(xié)議

CCSDS文件傳輸協(xié)議（CCSDS File Delivery Protocol，CFDP）是一個(gè)面向傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議，能夠靈活、高效地運(yùn)行于近地軌道到行星際空間具有不同傳輸延時(shí)的通信鏈路［11］。CFDP 不僅能夠適應(yīng)單工、半雙工和全雙工通信鏈路，還能夠支持跨越多個(gè)地面站連接機(jī)會(huì)的傳輸。它既能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，也能通過自動(dòng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)完成從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的多跳傳輸；通過采用否定應(yīng)答（Negative Acknowledgement，NAK）的方式提供可靠的傳輸，應(yīng)答方式根據(jù)NAK 信號(hào)發(fā)送時(shí)間的不同又可分為延遲NAK、立即NAK、提示NAK 和異步NAK。

在工程應(yīng)用方面，2004年發(fā)射的“信使”（Messenger）水星探測(cè)器是首個(gè)使用CFDP 的深空探測(cè)任務(wù)，其地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完整的CFDP，而考慮到探測(cè)器的處理和存儲(chǔ)約束，只是實(shí)現(xiàn)了CFDP 的核心功能和文件下載功能［12］。2005年發(fā)射成功的“深度撞擊”（Deep Impact）彗星探測(cè)器，也采用了CFDP作為文件傳輸協(xié)議［13］。

2.1.4 Saratoga協(xié)議

Saratoga協(xié)議是一個(gè)可提供點(diǎn)到點(diǎn)文件傳輸服務(wù)的輕量級(jí)協(xié)議，能夠工作于間歇性連接鏈路和極不對(duì)稱鏈路情況下［14］。與CFDP相比，Saratoga協(xié)議具有更小的代碼空間和更小的處理開銷。在專用鏈路下，Saratoga協(xié)議通過提高鏈路利用率來(lái)充分利用有限的連接時(shí)間。同時(shí)，它采用選擇性的否定應(yīng)答（Selective NAK）自動(dòng)重傳機(jī)制來(lái)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為DTN 的匯聚層協(xié)議來(lái)支持束協(xié)議［15］。

在工程應(yīng)用方面，Saratoga協(xié)議從2004年開始就已經(jīng)用于“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”（DMC）遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)下傳中。DMC遙感衛(wèi)星每次和地面站的連接時(shí)間僅有8～12min，其下行速率為8.1 Mbit／s，上行速率為9.6kbit／s，上下行鏈路通信速率極為不對(duì)稱，而Saratoga協(xié)議能夠在這類通信鏈路上達(dá)到非常高的鏈路利用率［14］。

2.2 DTN 路由算法

文獻(xiàn)［16］首先提出了DTN 的路由問題，并提出了知識(shí)庫(kù)（Knowledge Oracle）的概念，同時(shí)，根據(jù)利用知識(shí)庫(kù)的多少，提出了不同的路由算法。關(guān)于地面DTN 的路由算法已有多篇綜述文章［17-18］，本文主要介紹應(yīng)用于航天任務(wù)的DTN 路由算法。

由于航天器和天體之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是確定的，因此針對(duì)航天任務(wù)的DTN 路由算法與傳統(tǒng)的基于預(yù)測(cè)的地面DTN 路由算法具有本質(zhì)的不同。NASA 專門針對(duì)IPN 提出了連接圖路由（Contact Graph Routing，CGR）算法［19］。在CGR 算法中，假定鏈路的連接機(jī)會(huì)是計(jì)劃好或者規(guī)劃好的，而不是預(yù)測(cè)或發(fā)現(xiàn)的。CGR 算法依賴于連接計(jì)劃（Contact Plan）生成網(wǎng)絡(luò)的連接圖，連接計(jì)劃包括連接消息和距離消息兩類。每條連接消息包含連接的起始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻、發(fā)送節(jié)點(diǎn)號(hào)、接收節(jié)點(diǎn)號(hào)和在該時(shí)段內(nèi)的通信速率；每條距離消息包含連接的起始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻、發(fā)送節(jié)點(diǎn)號(hào)、接收節(jié)點(diǎn)號(hào)和在該時(shí)段內(nèi)預(yù)測(cè)的通信距離。在每個(gè)本地節(jié)點(diǎn)，CGR 算法利用一種稱為連接檢查過程（Contact Review Procedure，CRP）的算法在連接圖的基礎(chǔ)上計(jì)算束可以轉(zhuǎn)發(fā)的鄰居節(jié)點(diǎn)，并通過一定的策略選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。在下一跳節(jié)點(diǎn)，CGR 算法會(huì)執(zhí)行相同的處理過程來(lái)計(jì)算可轉(zhuǎn)發(fā)的鄰居節(jié)點(diǎn)，因此是一種分布式路由算法。圖2為CGR 算法的處理流程。

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)完整的連接計(jì)劃建立自己的連接圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算束的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。CGR 算法定義結(jié)構(gòu)良好的路徑是指一個(gè)連接序列，該連接序列滿足第一個(gè)連接是從源節(jié)點(diǎn)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)，接下來(lái)的每個(gè)連接都從上一個(gè)連接的接收節(jié)點(diǎn)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后一個(gè)連接從某個(gè)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)，且此路徑?jīng)]有環(huán)路。一條路徑的最早失效（Earliest Forfeit）時(shí)間定義為該條路徑中所有連接機(jī)會(huì)的最早結(jié)束時(shí)間。

圖2 CGR 算法的處理流程Fig.2 Process flow of CGR algorithm

CGR 算法給出了一個(gè)啟發(fā)式的路由算法，通過遞歸的調(diào)用連接檢查過程來(lái)實(shí)現(xiàn)路徑的計(jì)算。其最終的結(jié)果是得到可以轉(zhuǎn)發(fā)該束的鄰居節(jié)點(diǎn)集合，然后選擇相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)完成轉(zhuǎn)發(fā)。CGR 算法根據(jù)當(dāng)前的連接關(guān)系為每一個(gè)到達(dá)的束計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并通過預(yù)測(cè)鏈路容量的消耗來(lái)避免擁塞的發(fā)生。該算法能夠區(qū)分關(guān)鍵束和非關(guān)鍵束，會(huì)將關(guān)鍵束發(fā)送到所有可轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點(diǎn)，將非關(guān)鍵束只發(fā)送到某個(gè)最優(yōu)的可轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于最優(yōu)路徑的選擇，CGR 算法提供了幾種不同的標(biāo)準(zhǔn)。在地球軌道航天器網(wǎng)絡(luò)中，CGR 算法根據(jù)最早到達(dá)（Earliest Delivery）標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇路徑；而在深空探測(cè)任務(wù)中，由于通信連接非常少，為盡量高效地利用鏈路連接機(jī)會(huì)，提高鏈路利用率，根據(jù)最早失效標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇路徑。在進(jìn)行“深度撞擊”網(wǎng)絡(luò)（Deep Impact Network，DINET）試驗(yàn)時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)，由于最早失效標(biāo)準(zhǔn)并非單調(diào)的，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拢钤缡窂綍?huì)產(chǎn)生路由環(huán)路，因此在DINET 試驗(yàn)中采用了最早到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)［20］。

文獻(xiàn)［21］提出了CGR-擴(kuò)展塊（CGR-Extension Block，CGR-EB）路由，利用在擴(kuò)展塊中記錄路徑的方式避免最早失效路徑的路由環(huán)路問題。CGR-EB采用一種類似源路由的方式，在源節(jié)點(diǎn)計(jì)算路徑并記錄該完整路徑，中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)會(huì)初步地檢查該路徑的下一跳，如果與原來(lái)計(jì)算的路徑差別較大，會(huì)重新計(jì)算完整路徑，否則，繼續(xù)使用原來(lái)計(jì)算的路徑。CGR-EB不僅能夠使用鏈路利用率作為路徑代價(jià)，還能夠減少路由計(jì)算的次數(shù)。

2.3 DTN 軟件的實(shí)現(xiàn)

DTN 研究小組負(fù)責(zé)維護(hù)DTN 在各種應(yīng)用環(huán)境下的軟件代碼，并在其網(wǎng)站上對(duì)外公布。目前，主要有應(yīng)用于地面DTN 節(jié)點(diǎn)的DTN2和應(yīng)用于航天器等嵌入式系統(tǒng)的行星際覆蓋網(wǎng)絡(luò)（Interplanetary Overlay Network，ION）。ION 軟件實(shí)現(xiàn)了束協(xié)議、LTP協(xié)議、CFDP協(xié)議和異步消息服務(wù)等，所有的代碼都用C語(yǔ)言編寫，目前支持各種Linux、FreeBSD和Solaris平臺(tái)，也支持VxWorks和RTEMS操作系統(tǒng)。

3 DTN 在IPN 中的應(yīng)用

DTN能夠解決不同間斷網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問題，因此NASA啟動(dòng)了一個(gè)太空DTN 發(fā)展計(jì)劃，以提高DTN技術(shù)應(yīng)用于各種航天任務(wù)的技術(shù)成熟度，最終實(shí)現(xiàn)IPN 的建 立［22］。圖3為NASA 已 開 展 的DTN 飛 行驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖3 NASA 已開展的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.3 DTN flight validation experiments conducted by NASA

3.1 “災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”試驗(yàn)

2008年1月，NASA 格林研究中心（GRC）在“災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”（DMC）的UK-DMC衛(wèi)星上第1次在軌測(cè)試了DTN 的性能［23］。衛(wèi)星與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸采用了IP 技術(shù)，并采用Saratoga協(xié)議下傳成像數(shù)據(jù)。由于代碼空間受限，UK-DMC衛(wèi)星上只實(shí)現(xiàn)了DTN 的束轉(zhuǎn)發(fā)部分。試驗(yàn)利用UK-DMC衛(wèi)星的3次經(jīng)過地面站的機(jī)會(huì)，測(cè)試了DTN 的分段、保管轉(zhuǎn)發(fā)和可靠性等特性。由于操作系統(tǒng)命名長(zhǎng)度的限制，分段測(cè)試中的第2個(gè)段沒有生成成功。不過，整個(gè)試驗(yàn)在測(cè)試DTN 本身的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能上是成功的，而且可以使用Saratoga協(xié)議和束協(xié)議實(shí)現(xiàn)DTN 束的轉(zhuǎn)發(fā)。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，DTN 未處理可靠性的問題，沒有采用校驗(yàn)和技術(shù)來(lái)支持錯(cuò)誤檢測(cè)和丟棄出錯(cuò)的束；時(shí)間同步對(duì)DTN 很關(guān)鍵，而DTN 的節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)間同步并不容易。如果節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間失步，節(jié)點(diǎn)將會(huì)拒絕其他節(jié)點(diǎn)的束，也會(huì)拒絕其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)間請(qǐng)求束。

3.2 “深度撞擊”網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)

2008年10月和11月，NASA 的JPL在“深度撞擊”彗星探測(cè)器上測(cè)試了DTN 的一些必要的功能，即進(jìn)行了“深度撞擊”網(wǎng)絡(luò)（DINET）試驗(yàn)，這是IPN 的第一個(gè)實(shí)例［24］。研究人員將DTN 軟件成功加載到“深度撞擊”探測(cè)器上，并在備用計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)DTN軟件，該軟件采用ION 代碼實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，“深度撞擊”探測(cè)器大約距離地球49～81光秒，共利用8次與深空網(wǎng)（Deep Space Network，DSN）的低速率連接機(jī)會(huì)。試驗(yàn)中，研究人員從地球上的JPL節(jié)點(diǎn)向“深度撞擊”探測(cè)器發(fā)送約300幅圖像，探測(cè)器自動(dòng)將這些圖像轉(zhuǎn)發(fā)到其他的JPL 節(jié)點(diǎn)。在27天的試驗(yàn)過程中，研究人員測(cè)試了DTN 中束的生成、發(fā)送、動(dòng)態(tài)路由計(jì)算、擁塞控制、保管傳輸和自動(dòng)重傳等功能。所有發(fā)送出去的束，都自動(dòng)地經(jīng)過“深度撞擊”探測(cè)器的轉(zhuǎn)發(fā)，被正確地接收。

圖4為DINET試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，試驗(yàn)?zāi)M了火星探測(cè)任務(wù)情景中的中轉(zhuǎn)機(jī)制，通過地面節(jié)點(diǎn)模擬火星著陸器和火星巡視器，通過“深度撞擊”探測(cè)器模擬中繼數(shù)據(jù)的軌道器，地球作為地面接收節(jié)點(diǎn)。

圖4 DINET 試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Network topology of DINET experiment

經(jīng)過DINET 試驗(yàn)后，JPL 實(shí)現(xiàn) 的DTN 技術(shù)成熟度水平（Technology Readiness Level，TRL）達(dá)到了8級(jí)（試驗(yàn)階段的最高等級(jí)），后續(xù)的實(shí)際飛行任務(wù)可以較低風(fēng)險(xiǎn)的使用DINET 軟件［25］。DINET飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了DTN 可以在延時(shí)非常長(zhǎng)的鏈路條件下正常工作，路徑利用率可以超過90%，且能夠通過自動(dòng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制處理鏈路中斷的情況［24］。

3.3 “國(guó)際空間站”商業(yè)通用生物處理設(shè)備試驗(yàn)

2009年1月，科羅拉多大學(xué)與NASA合作，在“國(guó)際空間站”的5號(hào)商業(yè)通用生物處理設(shè)備（Commercial Generic Bioprocessing Apparatus，CGBA5）上進(jìn)行了DTN 的試驗(yàn)［26］。CGBA5是一個(gè)用于生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境控制容器，提供了一個(gè)嵌入式的計(jì)算和通信平臺(tái)。它的下行鏈路可以支持400kbit／s，上行鏈路需要和其他空間站上的載荷共享帶寬，每5s只能發(fā)送一個(gè)束（90byte），因此下行鏈路是上行鏈路的2800倍，形成了一種極為不對(duì)稱的鏈路，這對(duì)束協(xié)議反向信道中保管信令的傳輸是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。研究人員設(shè)計(jì)了一種束協(xié)議信令壓縮機(jī)制，使一個(gè)保管信令可以應(yīng)答多個(gè)束，從而使束協(xié)議能夠成功運(yùn)行在這種極不對(duì)稱鏈路上。

科羅拉多大學(xué)計(jì)劃將CGBA5上的DTN 繼續(xù)擴(kuò)展到CGBA4上，將DTN 擴(kuò)展為2個(gè)太空節(jié)點(diǎn)，從而可以繼續(xù)對(duì)DTN 的路由問題展開研究。另外，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）也計(jì)劃與NASA 和科羅拉多大學(xué)合作，在東京附近的筑波任務(wù)運(yùn)行中心布置一個(gè)DTN 節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)與CGBA5科學(xué)載荷的通信［26］。

3.4 “跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”試驗(yàn)

NASA 戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）針對(duì)“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（TDRSS）進(jìn)行了DTN 協(xié)議測(cè)試，旨在探索束協(xié)議和IP協(xié)議在非對(duì)稱鏈路和單向鏈路情況下的性能［27］，因?yàn)榉菍?duì)稱鏈路和單向鏈路是地球科學(xué)任務(wù)和低軌任務(wù)通信鏈路的典型特點(diǎn)。試驗(yàn)中，地球科學(xué)任務(wù)航天器通過“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”的東星向任務(wù)運(yùn)行中心（MOC）發(fā)送一個(gè)1.6Mbyte的文件，通信鏈路帶寬為128kbit／s。文件通過東星的非對(duì)稱鏈路進(jìn)行傳輸，非對(duì)稱鏈路有一段時(shí)間是單向鏈路，從而可以測(cè)試DTN 在非對(duì)稱鏈路和單向鏈路上的性能。圖5為該試驗(yàn)的系統(tǒng)概覽和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概覽。航天器和任務(wù)運(yùn)行中心采用CFDP類別1作為文件傳輸協(xié)議，由于LTP已經(jīng)提供了可靠的傳輸服務(wù)，采用CFDP類別2和LTP會(huì)造成冗余。東星與航天器和白沙地面站之間采用高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）作為鏈路層協(xié)議，而白沙地面站和任務(wù)運(yùn)行中心則采用以太網(wǎng)（Ethernet）作為鏈路層協(xié)議。

圖5 “跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”試驗(yàn)的系統(tǒng)概覽和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概覽Fig.5 System overview and protocol overview of TDRSS experiment

3.5 地球觀測(cè)-1試驗(yàn)

2010年12月-2011年2月，NASA 戈達(dá)德航天飛行中心成功利用地球觀測(cè)-1（EO-1）衛(wèi)星展示了一個(gè)在軌DTN 節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證DTN 技術(shù)能否用于“地球觀測(cè)”衛(wèi)星和其他低軌航天任務(wù)［27］。整個(gè)試驗(yàn)分為3 個(gè)階段，共利用14 次通信機(jī)會(huì)。階段1中主要驗(yàn)證了DTN 基本的束發(fā)送和接收功能，包括地球觀測(cè)-1 和任務(wù)運(yùn)行中心（MOC）2 個(gè)節(jié)點(diǎn)。階段2 增加了科學(xué)運(yùn)行中心（SOC）節(jié)點(diǎn)，從而組成了包括3個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，并驗(yàn)證了DTN 的自動(dòng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和優(yōu)先級(jí)機(jī)制。階段3增加了瓦勒普斯地面站（Wallops Ground Station，WGS）作為一個(gè)DTN 節(jié)點(diǎn)，從而組成了一個(gè)四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置如圖6所示。

所有的DTN 節(jié)點(diǎn)都使用了束協(xié)議，但不同的鏈路采用了不同的傳輸協(xié)議。對(duì)于在地球觀測(cè)-1和任務(wù)運(yùn)行中心之間的天地鏈路，使用LTP提供可靠的傳輸服務(wù)，鏈路層則使用了AOS協(xié)議，LTP段的大小被設(shè)置為正好可以放入AOS幀內(nèi)。在上行鏈路中，LTP段被放入CCSDS遙控包的數(shù)據(jù)域中進(jìn)行傳輸。在階段2和階段3的試驗(yàn)中，所有的地面節(jié)點(diǎn)之間均采用TCP作為傳輸層協(xié)議，以提供節(jié)點(diǎn)之間的可靠傳輸服務(wù)。地球觀測(cè)-1 試驗(yàn)中采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如圖7所示。

圖6 地球觀測(cè)-1試驗(yàn)中的網(wǎng)絡(luò)配置Fig.6 Network configuration of EO-1experiment

圖7 地球觀測(cè)-1試驗(yàn)中采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議Fig.7 Network protocol of EO-1experiment

3.6 “太空因特網(wǎng)路由器”試驗(yàn)

“太空因特網(wǎng)路由器”（Internet Router in Space，IRIS）試驗(yàn)是由NASA 戈達(dá)德航天飛行中心發(fā)起的一項(xiàng)協(xié)同傳感網(wǎng)（Sensor Web）演示試驗(yàn)，旨在展示聯(lián)網(wǎng)之后快速的事件響應(yīng)和自動(dòng)的信息分發(fā)對(duì)協(xié)同傳感網(wǎng)帶來(lái)的性能提升［27］。協(xié)同傳感網(wǎng)是NASA構(gòu)想的一個(gè)包括從地球亞表面到地球軌道及深空的各種傳感器組成的智能觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以提供及時(shí)、按需的數(shù)據(jù)和分析，從而為科學(xué)探索、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然災(zāi)害緩解和探索其他行星提供必要的信息。隨著協(xié)同傳感網(wǎng)的擴(kuò)展，傳統(tǒng)的手工配置方式將使運(yùn)行成本增加，甚至變得不可行，而采用DTN 技術(shù)的自動(dòng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和路由機(jī)制，可以大大縮短系統(tǒng)的響應(yīng)延遲。

圖8為整個(gè)演示試驗(yàn)的系統(tǒng)概覽和協(xié)議棧概覽，數(shù)據(jù)流的方向?yàn)閺挠业阶?，模擬了一個(gè)地球科學(xué)任務(wù)航天器將包含數(shù)據(jù)的束，如事件預(yù)警信息，發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)的傳感器，以進(jìn)一步觀測(cè)航天器發(fā)現(xiàn)的敏感事件。航天器首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到任務(wù)運(yùn)行中心和科學(xué)合作中心（SCC），科學(xué)合作中心再通過國(guó)際通信衛(wèi)星-14（Intelsat-14）上的“太空因特網(wǎng)路由器”轉(zhuǎn)發(fā)到傳感器任務(wù)運(yùn)行中心（Sensor MOC），傳感器任務(wù)運(yùn)行中心通過各種傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的傳感器，以實(shí)現(xiàn)事件的進(jìn)一步觀測(cè)。傳感器主要包括谷歌手機(jī)、攝像頭和天氣傳感器，各種傳感器獲取必要的信息后，把信息回傳給科學(xué)合作中心，通過綜合利用航天器的信息和現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信息，可以實(shí)現(xiàn)更加全面的事件觀測(cè)。傳感器的信息也可以發(fā)回航天器，以便航天器開展進(jìn)一步的觀測(cè)。

圖8 “太空因特網(wǎng)路由器”試驗(yàn)的系統(tǒng)概覽和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概覽Fig.8 System overview and network protocol overview of IRIS experiment

整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)議棧根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境采用不同的協(xié)議，以更好地適應(yīng)本地的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。例如：航天器和任務(wù)運(yùn)行中心的鏈路層采用AOS 協(xié)議，傳輸層采用LTP，而“太空因特網(wǎng)路由器”的底層協(xié)議采用了DVB-S2協(xié)議，傳感器運(yùn)行中心與各種傳感器之間的底層協(xié)議則采用了IEEE 802.11、以太網(wǎng)和串行接口。

在整個(gè)通信過程中，人為地加入了一些鏈路中斷情況。例如：航天器和任務(wù)運(yùn)行中心的鏈路設(shè)置為連通5min，中斷5min，再連通10min；“太空因特網(wǎng)路由器”的鏈路也人為中斷了2次。試驗(yàn)表明，DTN 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而無(wú)需人工配置，從而可以提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.7 “國(guó)際空間站”控制樂高機(jī)器人試驗(yàn)

2012年11月，NASA 和歐洲航天局（ESA）使用IPN 的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，從“國(guó)際空間站”成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)ESA 達(dá)姆施塔特運(yùn)行中心的樂高（Lego）機(jī)器人的控制［28］。這項(xiàng)試驗(yàn)使用了NASA 的DTN 發(fā)送消息，模擬行星軌道飛行器上的航天員控制行星表面機(jī)器人的情景。航天員使用NASA 開發(fā)的筆記本通過DTN 實(shí)現(xiàn)對(duì)地面樂高機(jī)器人的控制。試驗(yàn)中的DTN 將可用于火星軌道器上的航天員控制火星表面上的機(jī)器人，也可以利用圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星當(dāng)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)站。

3.8 總結(jié)

表1給出了NASA 開展的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)的研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域?？梢钥闯?，這些飛行驗(yàn)證試驗(yàn)由多家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)參與，應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了遙感、空間站、中繼通信和深空探測(cè)等。雖然DTN最初起源于深空探測(cè)任務(wù)需要的IPN，但從NASA開展的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)看，DTN 也可以應(yīng)用于地球科學(xué)任務(wù)。

表1 NASA開展的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)的研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域Table 1 Research institutes and application fields of DTN flight validation experiments conducted by NASA

DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)探索了DTN 運(yùn)行過程中可能會(huì)遇到的問題，對(duì)DTN 技術(shù)的自動(dòng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、路由算法和軟件實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)也進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，DTN 能夠正常運(yùn)行在長(zhǎng)延時(shí)和有中斷情況的鏈路上，也能夠運(yùn)行在非對(duì)稱鏈路和單向鏈路上，從而為DTN 最終實(shí)現(xiàn)在IPN 的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4 啟示與建議

DTN 最初起源于NASA 對(duì)IPN 的研究，而繁榮于地面DTN 的廣泛應(yīng)用，地面DTN 的深入研究又會(huì)促進(jìn)IPN 的發(fā)展。從最初提出IPN 的設(shè)想到現(xiàn)在已經(jīng)過去了十多年，NASA 正在一步步地實(shí)現(xiàn)IPN 的設(shè)想。

我國(guó)早在20世紀(jì)末就提出了天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)想，DTN 技術(shù)為我國(guó)建立天基綜合信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)天地一體化的信息網(wǎng)絡(luò)提供了一種重要的技術(shù)途徑。針對(duì)我國(guó)未來(lái)天基綜合信息網(wǎng)建設(shè)的需求，應(yīng)在以下幾方面對(duì)DTN 技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1）體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

天基綜合信息網(wǎng)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，首先要在體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)天基綜合信息網(wǎng)的建設(shè)實(shí)施。建議在地面采用基于IP 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，天基采用基于CCSDS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；采用基于束協(xié)議的覆蓋層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為天地一體化的信息網(wǎng)絡(luò)。這種體系結(jié)構(gòu)既能夠利用現(xiàn)有基于TCP／IP 的地面網(wǎng)絡(luò)的成熟技術(shù)，又能利用現(xiàn)有CCSDS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在我國(guó)航天任務(wù)中應(yīng)用的成熟技術(shù)。NASA 已開展的在軌飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，均采用了類似的體系結(jié)構(gòu)。

2）各種匯聚層協(xié)議在不同鏈路情景下的性能

LTP、CFDP 和Saratoga 協(xié)議均可作為DTN的匯聚層協(xié)議，提供可靠的傳輸服務(wù)。但是，由于不同協(xié)議是針對(duì)不同的應(yīng)用情景提出的，如LTP專門針對(duì)長(zhǎng)延時(shí)鏈路，而Saratoga協(xié)議的資源消耗特別少，因此，在確定具體采用哪種匯聚層協(xié)議之前，還要針對(duì)不同的鏈路情景對(duì)各種匯聚層協(xié)議進(jìn)行詳盡的性能測(cè)試。例如，對(duì)于延時(shí)長(zhǎng)短不同、誤碼率不同的鏈路，以及不對(duì)稱程度不同的鏈路，各種匯聚層協(xié)議的性能如何，還要進(jìn)行深入的研究。

匯聚層協(xié)議的最終選取，應(yīng)是針對(duì)不同的鏈路情景選用不同的、最優(yōu)的協(xié)議。對(duì)于近地鏈路和深空鏈路的匯聚層協(xié)議，應(yīng)是兩種分別針對(duì)各自鏈路特點(diǎn)經(jīng)過優(yōu)化的匯聚層協(xié)議，而地面網(wǎng)絡(luò)可以采用基于TCP的匯聚層協(xié)議?；谑鴧f(xié)議的覆蓋層協(xié)議，使采用不同匯聚層協(xié)議的底層網(wǎng)絡(luò)能夠互聯(lián)起來(lái)，類似于地面IP協(xié)議將采用不同鏈路層協(xié)議的底層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來(lái)。

3）DTN 路由算法

NASA 目前開展的在軌飛行驗(yàn)證試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一般不大，參與節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，拓?fù)湎鄬?duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于連接圖路由算法的測(cè)試還不夠充分。我國(guó)未來(lái)的天基綜合信息網(wǎng)，將包括各種遙感、通信等在軌應(yīng)用衛(wèi)星和載人飛船、空間站等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，DTN路由算法能否在如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎抡９ぷ?，還要進(jìn)行深入的研究。同時(shí)，未來(lái)的天基綜合信息網(wǎng)對(duì)服務(wù)質(zhì)量（QoS）也提出了很高的要求，如某些預(yù)警信息要可靠、及時(shí)地分發(fā)到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，某些獲取的數(shù)據(jù)要盡可能多地下傳到地面等，DTN 路由算法能否滿足這些服務(wù)質(zhì)量要求，也是一個(gè)值得研究的問題。

4）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在天基綜合信息網(wǎng)中，某些航天器將不可避免地成為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)要支持較為復(fù)雜、完備的協(xié)議體系，提供較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信息處理能力和存儲(chǔ)能力，這要求星上數(shù)據(jù)系統(tǒng)要具備更高的性能。在目前國(guó)內(nèi)航天電子器件水平條件下，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理更復(fù)雜的功能和更高的性能，并保證絕對(duì)的可靠性，是對(duì)現(xiàn)有航天器數(shù)據(jù)管理和綜合電子技術(shù)的新挑戰(zhàn)，要在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法方面進(jìn)行創(chuàng)新研究。

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