DTN協(xié)議在空間信息網(wǎng)絡中的應用研究

申景詩 李偉明 張素娟

(山東航天電子研究所，山東煙臺 264670)

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DTN協(xié)議在空間信息網(wǎng)絡中的應用研究

申景詩 李偉明 張素娟

(山東航天電子研究所，山東煙臺 264670)

針對空間信息網(wǎng)絡具有的子網(wǎng)異構、拓撲易變、鏈路傳輸延遲大、誤碼率高等特點，研究了適用于其中的延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(Delay/Disruption Tolerant Network，DTN)協(xié)議。首先闡述了CCSDS DTN協(xié)議應用于空間網(wǎng)絡互聯(lián)服務的體系結(jié)構，介紹了當前支撐空間DTN應用的Bundle、LTP等多種主要的空間信息傳輸協(xié)議及其特性。針對我國空間信息網(wǎng)絡的特點，分析了我國現(xiàn)階段對CCSDS DTN協(xié)議體系的應用需求，提出了適于我國實際的基于CCSDS DTN的空間信息網(wǎng)絡協(xié)議體系設計構想，同時給出了火星探測場景實例；最后搭建了網(wǎng)絡實驗仿真平臺，用以驗證分析DTN相關協(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，可為我國空間信息網(wǎng)絡建設提供仿真依據(jù)和理論參考。

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

1 引言

隨著我國航天事業(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雜空間操作的需求，建立一個異構互聯(lián)、跨網(wǎng)互通的空間信息網(wǎng)絡，為航天信息的獲取、存儲和分發(fā)提供統(tǒng)一的平臺，已成為推進信息化進程的關鍵所在。然而，我國實際國情決定了空間信息網(wǎng)絡的構建特點與歐美等國不同。我國在軌衛(wèi)星數(shù)量和種類已不少，但沒有統(tǒng)一的協(xié)議標準，在執(zhí)行特殊任務和軍事沖突情況下，無法提供可靠持續(xù)的通信服務?？梢?，協(xié)議標準欠缺是現(xiàn)階段組建我國空間信息網(wǎng)絡的首要問題。

在協(xié)議標準的建立方面，由于空間段的端到端的連接被隔離成多段，各段間的機制差異較大，進而使得地面段的TCP/IP協(xié)議無法有效應用。為此，國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)提出了多種空間應用標準，其中空間網(wǎng)絡互聯(lián)業(yè)務(Space Internetworking Service，SIS)[1]是CCSDS交互技術的重要組成部分，其目標是通過提供相關業(yè)務和協(xié)議，在空間通信實體間實現(xiàn)網(wǎng)絡化的交互。SIS下設延遲容忍網(wǎng)絡工作組(Delay Tolerant Networking Working Group，SIS-DTN)，SIS-DTN指定需要執(zhí)行的太陽系互聯(lián)網(wǎng)概念的網(wǎng)絡協(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驗證，其中包括美國“深空網(wǎng)絡實驗室”(Deep Space Network Laboratory，DSNL)、“地球觀測衛(wèi)星”(Earth Observation Spacecraft，EOS)等多項試驗。

盡管如此，我國“天星國土網(wǎng)”的建設思路及現(xiàn)有在軌協(xié)議體系決定了上述國外現(xiàn)有的CCSDS DNT協(xié)議“只可參考，無法照搬”。為此，本文針對CCSDS DTN協(xié)議對我國空間信息網(wǎng)絡未來SIS業(yè)務的適用性進行研究。首先簡介當前多種主流空間信息傳輸協(xié)議，在分析我國現(xiàn)階段對CCSDS DTN協(xié)議體系的應用需求之后，提出了適于我國實際的基于CCSDS DTN的空間信息網(wǎng)絡協(xié)議體系設計構想，同時給出了火星探測場景實例；對多種協(xié)議的有效性檢驗仿真結(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)絡的工程化實現(xiàn)提供參考。

2 CCSDS DTN網(wǎng)絡體系結(jié)構與協(xié)議

2.1 基于DTN的SIS體系結(jié)構

DTN是一種通用的面向消息的覆蓋層網(wǎng)絡體系結(jié)構，可處理具有間歇式連接和大傳輸延遲特性的網(wǎng)絡互聯(lián)問題和異構網(wǎng)絡互聯(lián)問題[6]。DTN應用于SIS時，其相關組件主要由消息轉(zhuǎn)發(fā)機制、節(jié)點與端點機制、命名與尋址機制、路由與轉(zhuǎn)發(fā)機制、安全機制、服務質(zhì)量保障機制和匯聚層適配器組成，相關協(xié)議在開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI)層次模型中處于傳輸層之上，應用層之下。

為適應大延遲、間歇式連接的特點，盡量減少端到端的交互，DTN將一次數(shù)據(jù)傳輸事務的相關信息全部打包在一個數(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)絡的覆蓋層，釆用此覆蓋的節(jié)點依靠發(fā)送稱為“包裹”的異步消息進行通信，所以DTN協(xié)議體系結(jié)構是一種面向受限網(wǎng)絡的“容延遲的、面向消息的覆蓋層體系結(jié)構”。由于空間網(wǎng)絡的源節(jié)點和目的節(jié)點之間可能存在多跳路徑、且每跳之間的延時較大甚至會出現(xiàn)鏈路中斷的情況，故DTN的托管傳輸和持久存儲的方式在空間多跳網(wǎng)絡通信中非常必要。

2.2 相關網(wǎng)絡協(xié)議介紹

2.2.1 束協(xié)議

束協(xié)議(Bundle Protocol，BP)[7]將Bundle層通過匯聚層疊加于傳輸層之上，形成存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的重疊網(wǎng)絡結(jié)構。該協(xié)議為DTN提供了一種通用解決方案，通過多種匯聚層支持異構網(wǎng)絡互連，能夠滿足不同的網(wǎng)絡情況[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)點建立命名系統(tǒng)，使用后期綁定在端點指示符和本地網(wǎng)絡地址之間進行映射。DTN體系結(jié)構為互連異構的使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)消息來克服通信中斷的網(wǎng)關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)塊分片時在紅色部分結(jié)束后加上結(jié)束標志并設置校驗點，接收端遇到該標志時必須返回接收報告，對紅色部分進行確認，并在必要的時候進行重傳；綠色部分則無需確認及重傳，兩部分的長度都可以為零。其交互過程如圖1所示。

圖1 LTP交互過程Fig.1 Interactive process of LTP

2.2.3 其他協(xié)議

面向太空應用需求，CCSDS于20世紀末開發(fā)了空間通信協(xié)議規(guī)范(Space Communications Protocol Specification，SCPS)。然而，隨著任務需求的擴展，目前空間協(xié)議更傾向于使用太陽系互聯(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，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)議進行慢啟動階段改進、擁塞控制改進、數(shù)據(jù)重傳機制改進。

3 我國對CCSDS DTN協(xié)議體系的需求分析與設計構想

在繼建成具備偵察監(jiān)視、環(huán)境探測、通信中繼與導航定位等4類能力的航天裝備初級體系之后，為貫徹“天基組網(wǎng)、地面跨代、天地互聯(lián)”發(fā)展思路，實現(xiàn)真正意義上的“異構互聯(lián)、全球覆蓋、自主管理”，發(fā)展天地一體化空間信息網(wǎng)絡已成為我國未來航天事業(yè)的重中之重。然而，空間信息網(wǎng)絡所處環(huán)境復雜，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，易導致網(wǎng)絡中斷失效，為典型的“受限網(wǎng)絡”，基于多種鏈路條件假設的TCP/IP協(xié)議性能會出現(xiàn)急劇惡化。因此，借鑒國外現(xiàn)有CCSDS DTN協(xié)議架構與規(guī)范，如何設計一套適用于我國空間信息網(wǎng)絡且能夠“集成”多種網(wǎng)絡技術的協(xié)議體系框架是我國在空間信息網(wǎng)絡建設中的核心問題。目前，我國對CCSDS DTN協(xié)議體系的需求主要體現(xiàn)在服務對象、傳輸方式、任務需求、通信業(yè)務、服務質(zhì)量、國際合作等方面。

為滿足以上需求，CCSDS DTN協(xié)議體系應具有層次化特征，數(shù)據(jù)傳輸應該經(jīng)過協(xié)議棧封裝和控制，底層操作對于上層應用是透明的。為保證服務質(zhì)量、傳輸效率、網(wǎng)絡安全，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空間信息網(wǎng)絡的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)絡技術，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)絡層同時包含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)工程任務組(IETF)兩個標準。同一網(wǎng)絡節(jié)點的“域”之間通過DTN網(wǎng)關連接。在域內(nèi)的信息傳輸及可靠性保障由域內(nèi)的網(wǎng)絡技術完成，而域間的信息傳輸及可靠性保障由運行在DTN網(wǎng)關之上的“覆蓋”協(xié)議來保障。

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

基于以上協(xié)議體系，設計了我國未來利用空間信息網(wǎng)絡實施火星探測的應用場景構想，如圖3所示。由地面段網(wǎng)絡、地球空間骨干信息網(wǎng)絡、火星軌道通信衛(wèi)星及火星探測車共同構成閉環(huán)傳輸網(wǎng)絡，火星網(wǎng)絡終端設備探測、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)點傳輸給我國空間骨干信息網(wǎng)絡，再轉(zhuǎn)發(fā)給國土內(nèi)地面控制中心和地面站。其中，支持DTN的設施有地面控制中心、地面站、空間骨干網(wǎng)絡內(nèi)各航天器、火星軌道通信衛(wèi)星的DTN入口及火星網(wǎng)絡終端設備；地面段網(wǎng)絡則由IP網(wǎng)絡連接?；鹦蔷W(wǎng)絡終端設備探測可為單一著陸器或多個移動機器人構成的Ad Hoc網(wǎng)絡或者IP網(wǎng)絡。對空間段的每一跳，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 火星探測網(wǎng)絡協(xié)議棧Fig.3 Protocol stack of Mars explorer networks

4 空間傳輸協(xié)議仿真對比分析

4.1 網(wǎng)絡實驗平臺環(huán)境搭建

為驗證以上應用構想的可實現(xiàn)性，同時對比分析DTN相關傳輸協(xié)議在空間通信中的有效性和優(yōu)越性，需搭建網(wǎng)絡實驗平臺。該平臺由5臺Linux PC主機和網(wǎng)絡仿真器組成，其中PC-1模擬火星探測器，作為數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點；PC-2作為火星中繼節(jié)點，即火星通信衛(wèi)星；PC-3通過內(nèi)置STK衛(wèi)星工具仿真軟件包，模擬不同的延時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)絡和地面站。利用Linux系統(tǒng)內(nèi)核中的隊列規(guī)則模塊TBF對網(wǎng)卡進行限速，采用的Bundle協(xié)議和LTP協(xié)議實現(xiàn)都是來自美國噴氣推進實驗室(JPL)開發(fā)的ION(V2.4.0)系統(tǒng)[13]。

在仿真過程中，用戶需首先載入場景模板，并可在軟件平臺中對于場景中的不同參數(shù)進行修改和調(diào)試；場景的演示結(jié)果會輸出到相應的輸出窗口中，供用戶查看。同時用戶可以將演示通過的場景導出到OPNET網(wǎng)絡仿真格式，并配置一些基本的網(wǎng)絡仿真參數(shù)；最后用戶可以在配置好的OPNET仿真軟件中打開導出的場景進行網(wǎng)絡仿真實驗，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 深空通信場景模板Fig.4 Deep space communication scenario

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

4.2 空間傳輸性能仿真分析

以上述仿真平臺為基礎，模擬構建場景的鏈路傳輸情況，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。當所有鏈路同時聯(lián)通時，從火星車到地球地面基站的通信延遲一般不會超過100 s。但由于鏈路的階段性聯(lián)通，有一些時刻延遲可以高達2000 s，如圖7所示。

圖6 兩端傳輸包速率對比Fig.6 Contrast curve of packets transmission rates

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

當火星中繼衛(wèi)星與地球GEO衛(wèi)星聯(lián)通并開始發(fā)送數(shù)據(jù)包時，經(jīng)過一定傳輸延遲后，地球GEO衛(wèi)星中暫存數(shù)據(jù)包個數(shù)開始增加。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，當一個數(shù)據(jù)包中的錯誤比特數(shù)超過誤碼閾值時，該包被丟棄)。該場景中的延遲，絕大多數(shù)都來源于從火星中繼衛(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)化整個場景的數(shù)據(jù)傳輸延遲。

圖8 丟包速率對比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

本文以我國空間信息網(wǎng)絡協(xié)議架構問題為背景，研究了適用于我國未來SIS業(yè)務需求的CCSDS DTN協(xié)議。首先闡述了CCSDS DTN應用于SIS的體系結(jié)構及當前的多種主流空間信息傳輸協(xié)議。針對我國空間信息網(wǎng)絡的特點，在分析了我國現(xiàn)階段對CCSDS DTN協(xié)議體系的應用需求之后，提出了適于我國實際的基于CCSDS DTN的空間信息網(wǎng)絡協(xié)議體系設計構想，同時給出了火星探測場景實例，其場景應用表明所描述的CCSDS DTN架構體系是合理的；搭建的網(wǎng)絡實驗仿真平臺場景直觀，可用于驗證空間DTN協(xié)議及其他現(xiàn)有網(wǎng)絡傳輸協(xié)議在設定場景的適用性，可為空間網(wǎng)絡的工程化實現(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

國家高新技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2015AA7015087)

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

TN92

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.006