深空通信網(wǎng)絡協(xié)議的發(fā)展與展望

安建平，靳松，許軍，張宇，邵立偉

（1.北京理工大學信息與電子學院，北京 100081；2. 中山北京理工大學研究院，廣東 中山 528400）

深空通信網(wǎng)絡協(xié)議的發(fā)展與展望

安建平1，靳松1，許軍1，張宇1，邵立偉2

（1.北京理工大學信息與電子學院，北京 100081；2. 中山北京理工大學研究院，廣東 中山 528400）

分析了發(fā)展深空通信網(wǎng)絡的需求，結(jié)合深空通信網(wǎng)絡的特點，對深空通信網(wǎng)絡協(xié)議體系和路由策略等的技術(shù)現(xiàn)狀進行了綜述，對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，并對深空通信網(wǎng)絡的未來發(fā)展進行了展望。

深空探測；CCSDS；協(xié)議體系架構(gòu)；DTN；路由協(xié)議

1 引言

深空探測是在人造衛(wèi)星、載人航天等領(lǐng)域取得重大成就的基礎(chǔ)上，向更廣闊的太陽系及太陽系外空間發(fā)展和探索的空間活動，對于人類認識宇宙的起源與發(fā)展、開發(fā)利用空間資源具有重要意義。隨著人類對宇宙的探索愈發(fā)深入，深空探測越來越得到世界各國的重視。

作為人類在新世紀的3大航空活動之一，深空探測不僅在民用方面有著廣泛的前景，在軍事、政治方面也有著舉足輕重的地位，世界各航天大國已制定了探測計劃，甚至制定了登陸火星的時間表[1]，并展開了激烈的競爭。進入21世紀，人類迎來了深空探測活動的新熱潮。迄今為止，人類已經(jīng)探測了太陽系的8大行星和太陽、彗星、小行星以及月球，并實現(xiàn)了在火星、金星、土衛(wèi)六等天體上的軟著陸[1]。

2007年1月，中國國防科學技術(shù)工業(yè)委員會發(fā)布了《“十一五”空間科學發(fā)展規(guī)劃》，將火星探測作為中國“十一五”期間太陽系探測領(lǐng)域的關(guān)鍵科學問題[2]。2011年7月，科技部發(fā)布的《國家“十二五”科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，將深空探測作為大力開展的前沿技術(shù)研究內(nèi)容之一[3]。隨著中國火星探測任務于2016年5月正式立項[4]，我國空間探測進入深空探測時代。以載人登月、火星探測、小行星探測為標志的未來載人深空探測任務，對通信的可靠性、實時性、多類型業(yè)務（包括圖像、語音等）調(diào)度能力及數(shù)據(jù)吞吐率等要求將大大提升，這就對深空通信網(wǎng)絡提出了新的需求及挑戰(zhàn)。

深空通信網(wǎng)絡以空間星座節(jié)點、探測器節(jié)點及地面節(jié)點構(gòu)成，以滿足數(shù)據(jù)可靠高效傳輸、網(wǎng)絡覆蓋范圍大、組網(wǎng)靈活迅速、不受地理環(huán)境限制的發(fā)展需求，為各種空間探測任務提供通信支持服務。深空通信網(wǎng)具有以下特點。

1) 網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化、物理鏈路間歇中斷、延遲大。在深空通信網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡節(jié)點之間距離可能大，物理鏈路具有大尺度特性，導致通信延遲大。此外，各中繼節(jié)點、衛(wèi)星及航天器都處于高速相對運動狀態(tài)，導致通信鏈路高速動態(tài)變化以及網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化。同時，數(shù)據(jù)傳輸容易受到各種外界因素影響而產(chǎn)生失真，如宇宙射線、陰影效應、電離效應等影響，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高。穩(wěn)定可靠的點對點連接不復存在，鏈路處于間歇式通信狀態(tài)。上述特性為網(wǎng)絡設計帶來了困難，要求網(wǎng)絡從系統(tǒng)架構(gòu)上要有相應的策略來保證網(wǎng)絡的連通性和可靠性。

2) 網(wǎng)絡高度異構(gòu)、協(xié)議多樣。深空通信網(wǎng)絡需要整合現(xiàn)有的基礎(chǔ)設施和現(xiàn)存空間探測通信網(wǎng)絡互連互通，同時與現(xiàn)有的多種通信協(xié)議兼容。然而，空間節(jié)點業(yè)務種類繁多、不同節(jié)點的功能、運行狀態(tài)、接入及傳輸能力等方面的較大差異，使通信協(xié)議標準自成體系，深空通信網(wǎng)絡成為一種高度異構(gòu)的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

3) 資源受限。受空間平臺制約，星上通信設備通常要求體積小、重量輕、功耗低，各模塊間功率資源分配受到嚴格的限制，同時，空間平臺所使用的宇航級抗輻照器件性能遠低于地面商用器件，這就要求組網(wǎng)過程中所涉及的協(xié)議、算法和策略的復雜度盡可能低。

4) 數(shù)據(jù)量大且需要數(shù)據(jù)共享。未來深空探測會涉及到行星表面網(wǎng)絡中的行星車、飛行器、著陸器等多航天器的協(xié)同工作，將會有大量形式多樣（科學數(shù)據(jù)、音/視頻等）的信息需要在衛(wèi)星和多航天器間共享，為深空通信網(wǎng)絡的吞吐量、兼容性等帶來了新的挑戰(zhàn)。

基于深空通信網(wǎng)絡的特點，本文將從深空通信網(wǎng)絡的體系架構(gòu)和傳輸控制協(xié)議、路由策略等方面，介紹深空通信組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究進行分析，并對深空通信網(wǎng)絡的未來發(fā)展前景進行展望。

2 深空通信網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

為了滿足未來深空探測的需求，世界各國在繼續(xù)完善衛(wèi)星及探測器系統(tǒng)的種類和提高空間平臺系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，開展了深空通信網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)研究，旨在充分利用各類空間平臺資源，建立一體化的深空通信網(wǎng)絡。

深空通信網(wǎng)絡經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，逐漸產(chǎn)生了多種網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，其中包括空間IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS,Consultative Committee for Space Data Systems）協(xié)議體系結(jié)構(gòu)和容忍延遲/中斷網(wǎng)絡（DTN, delay/disruption tolerant network）協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。

2.1 空間IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

由于地面 Internet取得了巨大成功，美國國家航空和宇宙航行局（NASA, National Aeronautics and Space Administration）也致力于將TCP/IP協(xié)議體系作用于空間通信環(huán)境的研究中。研究人員最初試圖將 TCP/IP協(xié)議族直接移植至空間探測網(wǎng)，如美國哥達德航天中心在2001年啟動了OMNI（operating mission as nodes on the Internet）研究項目[5]。該項目旨在利用成熟的地面商用 TCP/IP協(xié)議進行空間通信，強調(diào)盡量使用地面商用協(xié)議來解決空間組網(wǎng)問題，實現(xiàn)地面終端至空間平臺全IP化，取得了較好的實驗效果[6]。

TCP/IP協(xié)議體系能縮減空間組網(wǎng)成本，同時易于升級，協(xié)議兼容性強，但也存在諸多問題。

TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，設計傳輸延遲很小，在數(shù)據(jù)交換之前需要先交換報文，完成“3次握手”并建立連接，同時TCP協(xié)議所具有的慢啟動等擁塞控制機制必須通過收端發(fā)送應答(ACK, acknowledgement)來調(diào)整發(fā)送窗口大小，動態(tài)調(diào)整信息發(fā)送速率，以避免網(wǎng)絡阻塞，這些措施在高時延、高誤碼率的深空信道中會帶來較大的延遲。以火星探測為例，當火地距離最近時，電磁波從地球到達火星需要4 min，而往返時間（RTT，round trip time）為8 min，文獻[7]在數(shù)據(jù)分組長為1 500 byte，且每分組數(shù)據(jù)均需要反饋的前提下，計算出了 TCP在RTT為8 min時，不同分組丟失率（假設分組長為1 500 byte）對應的吞吐量。其中，要達到百萬比特速率量級的傳輸速率要求分組丟失率需要在 10?10數(shù)量級，對應的誤比特率更低，不符合深空信道高時延、高誤碼率的特點。

針對大時延斷續(xù)的空間應用環(huán)境, 國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（IETF, Internet Engineering Task Force）對TCP協(xié)議進行了一些改進。在RFC1072中提出了選擇應答方式（SNACK），在一個 ACK信號中包含多個分組成功接收的應答信息，減少了 ACK次數(shù)[8]。在 RFC1379中提出了 T/TCP（transaction TCP），只需要在第一個TCP 連接時進行3次握手，其后的連接過程可跳過握手過程直接傳送數(shù)據(jù)信息[9]。在RFC1323中，使用了窗口擴大選項和時間戳選項，增加TCP的最大窗口，使TCP對RTT的測量更加精確，同時還針對在高速率下可能發(fā)生的序號回繞問題提供保護[10]等。

文獻[11]提出了 TCP-Peach，采用了突發(fā)啟動和快速恢復算法，但其需要在鏈接路徑上的路由器具有優(yōu)先權(quán)鑒別機制，且會導致額外的開銷。而在TP-Planet[12]中，提出了一種基于比特的 AIMD（additive increase and multiplicative decrease）擁塞控制機制，用于替代 TCP的慢啟動機制，提升了鏈路資源利用率，但需要節(jié)點支持相應的服務質(zhì)量保證，且在超長時延和時斷時續(xù)鏈路場景下效果有限。

綜上所述，TCP/IP協(xié)議的流量及擁塞控制等傳輸控制機制在延遲較低，誤碼率較低的空間鏈路得到了成功應用，但在延遲大、網(wǎng)絡拓撲快速變化、鏈路時斷時續(xù)、信道誤碼率高的深空環(huán)境中并不適用。而目前提出的諸多改進的TCP方案雖然一定程度緩解了由深空環(huán)境高延遲、高誤碼率及鏈路時斷時續(xù)帶來的數(shù)據(jù)傳輸問題，但其只考慮了端到端的情況，并未考慮整個網(wǎng)絡的行為特性，缺乏針對整體網(wǎng)絡的優(yōu)化。

2.2 CCSDS協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會成立于1982年，旨在制定通用的空間數(shù)據(jù)及信息系統(tǒng)標準。經(jīng)過多年發(fā)展，CCSDS協(xié)議體系已較為成熟，整體協(xié)議棧功能較為完善，具有較為靈活的協(xié)議配置能力。在我國的航天工程中，神舟飛船、風云衛(wèi)星和嫦娥探月衛(wèi)星等均采用了CCSDS標準協(xié)議[13]。由于CCSDS協(xié)議的標準性，其在一定程度上解決了不同國家的航天器的互連互通問題。CCSDS標準網(wǎng)絡體系架構(gòu)如圖1所示。

CCSDS協(xié)議體系包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。其中，每一層又包括若干子層及多種可供組合的協(xié)議。

對不同的通信場景，CCSDS定義了4種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：用于遙測的 TM 協(xié)議[14]、用于遙控的TC[15]協(xié)議、高級在軌系統(tǒng) AOS協(xié)議[16]和近距離Proximity-1通信協(xié)議[17]。而針對網(wǎng)絡層，針對不同應用，CCSDS建議采用空間分組協(xié)議（SPP）[18]、SCPS-NP或成熟的TCP/IP協(xié)議族[19]。在傳輸層及應用層，則可選用 SCPS-SP[20]、CCSDS文件傳輸協(xié)議等協(xié)議。

圖1 CCSDS標準網(wǎng)絡體系架構(gòu)

空間通信協(xié)議規(guī)范(SCPS, space communication protocol specification)于1999年提出，其針對空間數(shù)據(jù)傳輸特性，以地面互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，修改并擴展了 TCP/IP協(xié)議族，制定了空間通信協(xié)議規(guī)范—網(wǎng)絡協(xié)議（SCPS-NP）、空間通信協(xié)議規(guī)范—安全協(xié)議（SCPS-SP）、空間通信協(xié)議規(guī)范—傳輸協(xié)議（SCPS-TP）及空間通信協(xié)議規(guī)范—文件協(xié)議（SCPS-FP）[21]。其中，SCPS-TP是SCPS協(xié)議的必備協(xié)議，而其他3個協(xié)議可用TCP/IP協(xié)議族中相關(guān)協(xié)議進行替換[22]。

針對空間通信場景，CCSDS對TCP協(xié)議做出修改和擴展，提出 SCPS-TP協(xié)議[23]，增加了對事務TCP的支持，免除了3次握手機制[9]，擴大了窗口大小，改進 RTT估計機制和防止序號回繞[10]，增加了選擇否定應答（SNACK, selective negative acknowledgement）反饋方式等，擴展選項支持基于速率的流量控制機制，使其適應鏈路的高時延和不對稱等特性[24]。

傳統(tǒng) TCP協(xié)議屬于端到端協(xié)議，在中間節(jié)點不存在 TCP協(xié)議層，導致網(wǎng)絡無法迅速感知發(fā)生在中間節(jié)點的分組丟失現(xiàn)象，造成不必要的時延。其派生的 SCPS-TP也不具有中間節(jié)點感知屬性，對于空間多跳網(wǎng)絡，SCPS-TP將會造成鏈路利用率下降[25～27]。

針對地面Internet網(wǎng)絡中FTP協(xié)議無法多連接傳輸、不支持傳輸暫停和續(xù)傳、難以處理錯序數(shù)據(jù)分組等問題，以及TCP協(xié)議“握手機制”在空間數(shù)據(jù)通信中效率較低，空間數(shù)據(jù)咨詢委員提出了CCSDS文件傳輸協(xié)議(CFDP, CCSDS file delivery protocol)[28]。

CFDP協(xié)議可以與傳輸層協(xié)議協(xié)同工作，也可直接作為傳輸層使用。 CFDP協(xié)議的典型特點是采用肯定應答（ACK）和否定應答（NAK）混合的應答機制。ACK信息只用于控制數(shù)據(jù)分組的交互，僅在文件尾部傳輸或者在傳輸過程結(jié)束時出現(xiàn)。NAK信息則在接收協(xié)議數(shù)據(jù)單元發(fā)生錯誤或者丟失時，由接收端反饋發(fā)出，其定義了4種NAK模式：立即NAK、異步NAK、觸發(fā)NAK和延時NAK[28]。CFDP協(xié)議的反饋機制效率高于TCP/IP協(xié)議，但為了確?？煽總鬏?，仍必須將少量確認信息反饋多次，當傳輸距離較大時，信息交互時間較長，降低了的鏈路吞吐率。

2.3 行星際互聯(lián)網(wǎng)和DTN協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

1998年，美國噴氣推進實驗室(JPL)開始著手進行行星際互聯(lián)網(wǎng)(IPN, interplanetary network)的研究，其基本元素包括骨干網(wǎng)、外部網(wǎng)及行星網(wǎng)[29]，其基本設想是在距離較近的網(wǎng)絡節(jié)點之間部署基于 TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)絡并同時建立適用于長延遲、高誤碼率信道的IPN空間骨干網(wǎng)絡，用于連接這些外部網(wǎng)及行星網(wǎng)，創(chuàng)建低延時與高延時環(huán)境的中繼網(wǎng)關(guān)[30]。

通過研究發(fā)現(xiàn)，在通信時延高、信道誤碼率大的深空空間環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸只能通過逐跳（hop-by-hop）傳輸?shù)男问健?002 年，Intel公司伯克利研究實驗室 Fall 等科學家首次提出了DTN的概念[31,32]，并于 2007年公布了第一份體系結(jié)構(gòu)文檔——RFC4838[33]，針對 DTN網(wǎng)絡的發(fā)展目標，應用背景和運行機制等給出了系統(tǒng)的說明，其網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DTN網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

DTN網(wǎng)絡的核心是Bundle層[34]，它是一種面向消息的端到端的覆蓋層，位于傳輸層和應用層之間，形成一個網(wǎng)絡覆蓋層。為了互操作性，Bundle層的命名采用統(tǒng)一的資源識別符，可用同樣的命名語法來封裝多種命名尋址模式。Bundle層提供了一種近似于網(wǎng)關(guān)（gateway）的功能，兼容底層各個協(xié)議，為它們提供了一定的互操作性。

Bundle層分為3個子層，其中，應用代理子層的功能是為 Bundle層與應用層提供接口服務,Bundle層協(xié)議運行在協(xié)議代理子層，匯聚層則負責Bundle層協(xié)議與下層協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換及接口處理工作，使Bundle層能夠獨立于下層協(xié)議之上[34]。

DTN網(wǎng)絡協(xié)議是以Bundle協(xié)議為核心構(gòu)建的，且兼容CCSDS及TCP/IP協(xié)議體系，包括以下協(xié)議。

1) Bundle協(xié)議

Bundle協(xié)議[35]由DTNRG提出，是一種覆蓋層協(xié)議，運行于Bundle層，主要功能包括：基于保管方式的重傳機制、處理鏈路時斷時續(xù)的情況、可利用預先設定、預測和隨機的鏈路連接、覆蓋層端綁定網(wǎng)絡終端標識符并形成網(wǎng)絡地址[36]。

Bundle協(xié)議具有2大特性：存儲轉(zhuǎn)發(fā)的消息交換和保管傳遞協(xié)議。其協(xié)議數(shù)據(jù)單元被稱為Bundle，一個 Bundle至少包含 2個 Bundle塊，即一個主Bundle塊和一個Bundle承載塊[35]。主塊包含了一些Bundle路由的基本信息，應用數(shù)據(jù)單元被置于Bundle承載塊中。整個Bundle沿著一個可以到達目的地的路徑，從一個節(jié)點上的存儲單元轉(zhuǎn)發(fā)至另一個節(jié)點上的存儲單元中，直至到達目的節(jié)點。節(jié)點是否接收消息并進行存儲取決于該節(jié)點的當前資源、路由情況、消息的優(yōu)先級、生存時間及網(wǎng)絡安全情況等因素。在不存在端到端直達路徑的情況下，若一個中繼網(wǎng)絡節(jié)點選擇保管一個 Bundle，它就對這個Bundle負有全部的責任，從而將可靠傳輸?shù)呢熑芜M行逐跳轉(zhuǎn)移，改善了端到端的可靠性[34]。

2) LTP協(xié)議

LTP（licklider transmission protocol）協(xié)議[37]可作為一種匯聚層或者傳輸層協(xié)議，其設計初衷是為在高延遲、頻繁中斷鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供可靠性保障，其核心設計思路繼承于CFDP協(xié)議，典型應用是解決深空探測器和地面站之間的一跳式長距離通信的問題[38]。該協(xié)議可完美支持 Bundle層協(xié)議，可配置并搭建Bundle/ LTP的協(xié)議結(jié)構(gòu)。

LTP是一種點到點協(xié)議, 它采用選擇性自動重傳機制以恢復丟失的數(shù)據(jù)，并未考慮路由或者擁塞控制等問題。

3) Saratoga協(xié)議

Saratoga協(xié)議[39]最初用于LEO衛(wèi)星星座的遙感圖像傳遞，是一種簡潔的輕量級內(nèi)容分發(fā)協(xié)議，下層通常采用 UDP方式[40]。為了充分利用有限的鏈路連通時間，Saratoga協(xié)議在共享鏈路上停止使用標準的擁塞控制機制，同時采用簡單的自動重發(fā)請求（ARQ, automatic repeat request）機制實現(xiàn)分組丟失控制。其支持節(jié)點間斷續(xù)傳輸，適用于高延遲且鏈路時斷時續(xù)的非對稱網(wǎng)絡[41]。

由于采用了ARQ機制，Saratoga協(xié)議在數(shù)據(jù)傳播時延較大時，接收端的應用層將會等待很長時間才能收到數(shù)據(jù)，特別是在鏈路分組丟失率較高的情況下，數(shù)據(jù)將會多次重傳，協(xié)議表現(xiàn)較差。

4) DS-TP

DS-TP（data space transfer protocol）協(xié)議[42]是一種適用于深空環(huán)境的文件傳輸協(xié)議，其繼承了基于傳輸速率變化的協(xié)議處理方式及 SNACK，同時針對高誤碼率環(huán)境下的文件傳輸問題，在重傳機制上進行了改進。

DS-TP協(xié)議采用了雙自動重傳技術(shù)。在高誤碼率環(huán)境下，采用這種機制可以使丟失數(shù)據(jù)分組在一個固定的時延內(nèi)成功接收。但由于其在整個傳輸數(shù)據(jù)分組中加入了一定的冗余，使其在帶寬利用率方面效率不高。

5) DTTP協(xié)議

針對火星任務設計的 DTTP(delay-tolerant transport protocol for space Internet work)協(xié)議參考了DTN網(wǎng)絡架構(gòu)中Bundle協(xié)議的存儲轉(zhuǎn)發(fā)與保管傳輸制定保證可靠性的傳輸機制，同時引入了并行數(shù)據(jù)傳輸理念，將數(shù)據(jù)分組進行網(wǎng)絡編碼，并劃分成細小的數(shù)據(jù)塊并通過不同信道傳輸，提升了傳輸可靠性，降低了數(shù)據(jù)分組重傳概率，在深空環(huán)境中協(xié)議性能較好[43]。

結(jié)合以上協(xié)議，國際上一些研究機構(gòu)已經(jīng)針對DTN網(wǎng)絡進行了驗證測試實驗，其中，最具代表性的有UK-DMC 衛(wèi)星、星際覆蓋網(wǎng)絡ION、深度撞擊網(wǎng)絡實驗以及DTN2。

薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司制造的災害監(jiān)視星座（UK-DMC）衛(wèi)星是第一次使用 Bundle層協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡。衛(wèi)星拍攝的高清圖像被分為一個個Bundle，分3跳逐跳傳到地面，最終到達接收節(jié)點[44]。最新的DMC衛(wèi)星下行鏈路最快可達80 Mbit/s，并且使用Sataroga協(xié)議從衛(wèi)星上下載數(shù)據(jù)，使近地空間網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡得到了互連互通。

JPL開發(fā)了一種新型 DTN體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)平臺，稱為行星際覆蓋網(wǎng)絡(ION, interplanetary overlay network)[45]。ION專用于深空環(huán)境，具有代碼開源化、結(jié)構(gòu)模塊化等特點，采用了Bundle層協(xié)議，同時結(jié)合CFDP和LTP協(xié)議，保證網(wǎng)絡的順利運行?；诖耍?008 年NASA實施了DTN網(wǎng)絡架構(gòu)的第一次深空飛行驗證，稱為深度撞擊網(wǎng)絡(DINET,deep impact network)[40]。項目組向距地3.2×107km的空間區(qū)域發(fā)射實驗探測器，地面操作中心產(chǎn)生和接收實驗通信數(shù)據(jù)流、遙測遙控指令及探測器控制信息，在地面數(shù)據(jù)庫中實時存儲空間節(jié)點飛行器的相關(guān)測試信息，以監(jiān)視網(wǎng)絡的操作狀態(tài)和性能（如包裹吞吐量、傳輸時延等）。在實驗中，專家成功向空間探測器節(jié)點傳輸了 12張高清圖像，初步驗證了DTN網(wǎng)絡的實用性[45]。

DTN2由加州大學伯克利開發(fā)，其采用了資源受限的嵌入式方式，以模擬空間平臺，同時內(nèi)嵌了DTN協(xié)議架構(gòu)中各個層的模塊，并提供了標準的應用程序界面（API, application program interface），很好地支持了實驗測試、擴展功能及實用部署[46]。DTN2的核心組件是Bundle路由模塊，它收集詳細的網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)信息（如鏈路傳播時延、信道中斷情況等）來計算路由，然后將計算好的最優(yōu)路由信息轉(zhuǎn)發(fā)給Bundle轉(zhuǎn)發(fā)模塊，做到路由平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，提高了系統(tǒng)的可擴展性[47]。

2.4 小結(jié)

綜合分析以上深空通信網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及傳輸協(xié)議的研究成果及技術(shù)現(xiàn)狀，得出以下特點。

1) 受限于 TCP的擁塞控制及反饋重傳機制，空間 TCP/IP協(xié)議體系適用于延遲相對較低，拓撲變化較小，鏈路質(zhì)量相對穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡，而對節(jié)點距離較大的深空環(huán)境則不適用。

2) 盡管CCSDS協(xié)議體系得到了成功應用，但針對不同場景，必須人工切換不同的協(xié)議，協(xié)議間不能進行自適應切換，各協(xié)議間存在兼容問題，同時其設計初衷是為了星地點對點通信，缺乏對整體網(wǎng)絡的優(yōu)化。

3) DTN協(xié)議體系與前2種協(xié)議體系相比，不假設存在端到端直射路徑，數(shù)據(jù)分組采用逐跳和存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式進行傳輸，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；摒棄了TCP協(xié)議的建鏈方式及擁塞控制機制，采取了新的分組丟失重傳控制機制，大幅降低了數(shù)據(jù)傳輸所需重傳頻率，使 DTN協(xié)議體系下的傳輸協(xié)議更適合于延遲很高、鏈路通斷頻繁、鏈路質(zhì)量變化較快的深空通信網(wǎng)絡；引入了Bundle層作為處理不同類型網(wǎng)絡協(xié)議的覆蓋層，一定程度上解決了不同協(xié)議間的兼容問題。

綜上所述，3種協(xié)議體系結(jié)構(gòu)并非單純的技術(shù)演進，而是互相依存的，而DTN協(xié)議體系的思想更適合深空環(huán)境，必將成為深空通信網(wǎng)絡的主流協(xié)議體系。未來深空通信網(wǎng)絡應借鑒其他2種協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，在DTN網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對不同空間探測任務，進一步研究新型傳輸協(xié)議及擁塞控制機制等關(guān)鍵技術(shù)，提升網(wǎng)絡的有效性及可靠性。

3 深空通信網(wǎng)絡路由協(xié)議

深空通信網(wǎng)絡的路由算法最早的研究均借鑒于地面 Internet網(wǎng)絡，但是由于深空通信網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)與地面網(wǎng)絡有著本質(zhì)不同，使深空通信網(wǎng)絡存在一些獨特的問題：1）空間節(jié)點間相對運動，網(wǎng)絡拓撲實時變化；2）網(wǎng)絡中的負載變化，造成了不均勻的流量分布；3）空間平臺節(jié)點資源受限，星上設備信號處理能力較低，路由算法復雜度不能過高；4）空間節(jié)點間信號傳播時延遠大于地面Internet網(wǎng)絡，同時存在鏈路時斷時續(xù)，信道誤碼率較大等特征。結(jié)合以上特點，研究人員提出了多種解決方案，可將相關(guān)路由算法分為以下4類[48]。

3.1 基于擴散方式的路由

Vahdat和Becker于2000年提出基于泛洪轉(zhuǎn)發(fā)機制的傳染路由算法（epidemic routing）[49]，其核心思想是網(wǎng)絡中的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)分組后，盡可能將其轉(zhuǎn)發(fā)至所有能夠接觸到的其他節(jié)點。網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均需要保存并維護一張摘要矢量信息表以記錄本地緩存中數(shù)據(jù)分組信息。當兩節(jié)點可見并建立連接后，交換各自的摘要矢量信息表，并向?qū)Ψ焦?jié)點請求本節(jié)點沒有的數(shù)據(jù)分組，之后對摘要矢量信息表完成更新，以此類推。當網(wǎng)絡鏈路帶寬及節(jié)點緩存資源充足時，傳染路由協(xié)議能保持很高的信息投遞率和較低的傳輸時延[50]。

由于傳染路由協(xié)議采用泛洪方式進行路由，沒有利用網(wǎng)絡先驗知識，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時，具有極大的盲目性，網(wǎng)絡中傳輸并緩存著大量重復分組，極易造成網(wǎng)絡擁塞及帶寬和存儲資源不足。

為了減少網(wǎng)絡資源的消耗及浪費，文獻[51]提出了噴射等待（SW, spray and wait）路由算法，旨在限制重復傳送的副本數(shù)量以優(yōu)化傳染路由的效率，節(jié)省了網(wǎng)絡節(jié)點的緩存資源，增加了數(shù)據(jù)傳輸時延。文獻[52]則分析了節(jié)點能量對于傳染路由選擇的影響，研究了DTN網(wǎng)絡中各節(jié)點能量與網(wǎng)絡整體服務質(zhì)量的關(guān)系，提出最佳能量感知的傳染路由策略。

3.2 基于鏈路代價的路由

鑒于傳染路由協(xié)議的低效性及盲目性，文獻[53]從節(jié)點能夠獲取的網(wǎng)絡先驗知識數(shù)量出發(fā)，相繼提出了最先接觸（FC, first contact）算法、最小期望時延（MED, minimum expected delay）算法、最早投遞（ED, earliest delivery）算法、基于本地緩存隊列的最早投遞（EDLQ, earliest delivery with local queue）算法、基于全局緩存隊列的最早投遞（EDAQ, earliest delivery with all queue）算法和線性規(guī)劃（LP, linear program）算法等的設計思想，其詳細信息及所需先驗知識關(guān)系如圖3所示。這些算法為基于鏈路代價的路由協(xié)議設計提供了研究思路和方向。

圖3 算法所需先驗知識與算法預期性能關(guān)系

基于鏈路代價的路由協(xié)議要求在數(shù)據(jù)分組傳遞過程中，中繼節(jié)點首先需要對某一種或多種網(wǎng)絡先驗信息進行統(tǒng)計，并依照相應準則計算出轉(zhuǎn)發(fā)鏈路代價函數(shù)，并以該結(jié)果決定數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)或繼續(xù)存儲在節(jié)點中直至找到合適的鏈路。

通過考察兩節(jié)點間的鏈路通斷規(guī)律，文獻[48]介紹了以鏈路的最小評估期望時延（MEED,minimum estimated expected delay）作為路由轉(zhuǎn)發(fā)的代價函數(shù)，在鏈路最小評估期望時延的計算時，節(jié)點不需要全網(wǎng)絡的先驗知識，僅根據(jù)本地信息進行計算，同時在中間節(jié)點處進行路由重算，以保證中間節(jié)點對機會鏈路的利用率。

文獻[54]將以不同節(jié)點之間的分組轉(zhuǎn)發(fā)概率為每條鏈路的代價值，提出了路由協(xié)議，該算法基于節(jié)點之間的歷史相遇信息，網(wǎng)絡中全部節(jié)點需要統(tǒng)計并保存一段時間內(nèi)所有相遇節(jié)點的歷史信息，并以該信息為判據(jù)，制定相應的路由策略。實驗結(jié)果表明，在網(wǎng)絡資源受限的前提下，其數(shù)據(jù)分組投遞成功率比傳染路由高約 40%[54]。文獻[55]在路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對節(jié)點短時間內(nèi)多次可見引發(fā)的鏈路代價值增長過快等情況，進一步優(yōu)化了路由策略，提高了PRoPHET路由協(xié)議在突發(fā)狀況下的性能。文獻[56]提出MaxProp協(xié)議，該協(xié)議利用最短路徑算法評估消息傳輸?shù)母怕食杀静ο⑦M行優(yōu)先級劃分，節(jié)點優(yōu)先傳輸隊列中優(yōu)先級高的消息，網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時則刪除優(yōu)先級低的消息。

3.3 基于移動模型的路由

實際深空通信網(wǎng)絡中的節(jié)點，其運動軌跡均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，而并非完全隨機的運動。因此，應該在路由協(xié)議設計中加入對節(jié)點移動模型的考慮。

接觸圖路由算法（CGR, contact graph routing）[58,59]是一種典型的基于移動模型的路由協(xié)議，由NASA噴氣動力實驗室的Burleigh等提出。該算法最初是用于IPN網(wǎng)絡以克服空間信道延時大、鏈路時斷時續(xù)的問題。由于空間探測器及衛(wèi)星的相對位置已知，節(jié)點間的鏈路通斷時間等信息可以事先預知，可以比較準確地對節(jié)點的運動軌跡進行建模，使網(wǎng)絡中節(jié)點的移動模型信息可以得到充分利用。圖 4為CGR路由算法的整個處理流程。

圖4 CGR算法處理流程

CGR需要根據(jù)接觸計劃（contact plan）來構(gòu)造整個網(wǎng)絡的接觸圖，該計劃中包含了接觸消息和距離消息，并在網(wǎng)絡生成時提前分發(fā)至所有網(wǎng)絡節(jié)點。接觸計劃隨著時間推移會不斷更新，增加新的接觸機會并刪除舊的接觸機會。在轉(zhuǎn)發(fā)信息時，節(jié)點利用連接檢查過程（CRP, contact review procedure）算法，基于該節(jié)點當前的接觸圖，依據(jù)預先設定的標準（跳數(shù)最少、最低時延及最長可見時間等）選擇相匹配的最優(yōu)相鄰節(jié)點完成信息轉(zhuǎn)發(fā)。在下一跳節(jié)點，CGR會執(zhí)行相同的處理過程，直至到達目的節(jié)點[60]。

文獻[61]針對空間環(huán)境，對CGR路由進行了改進，分析了CGR-ETO（CGR with earliest transmission opportunity）和超額預訂管理2種機制的性能。CGR-ETO通過利用各節(jié)點中存儲隊列的信息，旨在增加預測Bundle傳輸時間的準確性，優(yōu)化路由選擇。超額預訂管理機制主動處理Bundle超額申請的問題，旨在保證高優(yōu)先級Bundle的順利傳輸。文獻[62]將 CGR算法用于近地衛(wèi)星組網(wǎng)，并通過OPNET工具進行了性能仿真，結(jié)果顯示，CGR算法具有較高的資源利用率。

3.4 基于編碼的路由

深空信道條件惡劣，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高。針對這個問題，有研究人員將網(wǎng)絡編碼引入路由協(xié)議并證明網(wǎng)絡編碼可提高網(wǎng)絡利用率[53]。

基于編碼的路由協(xié)議需要在源節(jié)點數(shù)據(jù)進行分塊及編碼操作，在目的節(jié)點進行數(shù)據(jù)重組和譯碼。與上述路由算法相比，在網(wǎng)絡負載相同的前提下，具有較低的傳輸延遲，但編解碼操作會引入較高的計算復雜度，增加編碼時延。目前，基于編碼的路由協(xié)議主要采用糾刪碼及網(wǎng)絡編碼[63]。

Wang 等[64]提出了一種基于糾刪碼的路由算法，能夠保證在網(wǎng)絡連接最差情況下的性能，但是在鏈路狀態(tài)較好時，存在不能充分利用接觸機會傳輸數(shù)據(jù)的問題，性能不具備優(yōu)勢。

文獻[65]在 PRoPHET路由算法中引入網(wǎng)絡編碼的思想并進行了仿真，結(jié)果表明，采用網(wǎng)絡編碼后，數(shù)據(jù)投遞率的平均值得到了大幅度提升。

針對網(wǎng)絡編碼對信息傳輸時延的影響，文獻[66]分析了網(wǎng)絡編碼之中端對端的統(tǒng)計時延性能。文獻[67]研究了會話間網(wǎng)絡編碼的最小解碼延遲問題。文獻[68]考慮了帶反饋的刪除信道模型，并提出了信息丟失與解碼時延的延遲最小化問題，證明了該問題是NP困難問題，并提出了啟發(fā)式的在線算法。文獻[69]分別從已知信道信息和未知信道信息2種情況分析了網(wǎng)絡編碼對下行鏈路文件傳輸延遲的改善情況。

3.5 小結(jié)

綜合以上分析，基于擴散方式的路由算法擁有較好的信息投遞率和較低的傳輸時延，但是需要占用大量的網(wǎng)絡帶寬及存儲資源，資源利用率低?；阪溌反鷥r評估的路由結(jié)合網(wǎng)絡的先驗知識，大幅度提升了網(wǎng)絡資源利用率，在網(wǎng)絡資源受限時，具有更好的數(shù)據(jù)投遞成功率和延遲，但是要求網(wǎng)絡中節(jié)點具有較強大的計算能力?；谝苿幽Ｐ偷穆酚蓪⒐?jié)點運動模型加入算法中，更適用于節(jié)點運動模型可準確獲得情況。基于編碼的路由協(xié)議通過網(wǎng)絡編碼方式提高了系統(tǒng)的吞吐量，但編解碼算法會引入冗余信息并具有較高的計算復雜度，增加編碼時延，消耗更多能量。未來空間探測任務具有不同場景及不同網(wǎng)絡拓撲，很難找到一種通用的路由協(xié)議，必須根據(jù)特定的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及節(jié)點資源情況設計與之相匹配的路由策略。

4 深空通信網(wǎng)絡的技術(shù)展望

由于空間探測任務種類繁多，各任務對網(wǎng)絡性能的需求也不盡相同，再加上現(xiàn)有空間應用設備多采用專一設備，兼容性及可擴展性較差，造成多種網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)并存，多種網(wǎng)絡協(xié)議交織，網(wǎng)絡的管理復雜且成本高昂[70]。針對以上問題，本文認為需要引入新的組網(wǎng)思路和技術(shù)來構(gòu)建深空通信網(wǎng)，以下舉例說明。

1) 軟件定義網(wǎng)絡架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(SDN, software defined networking)是一種新型的網(wǎng)絡架構(gòu)[71]，它將網(wǎng)絡的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進行分離，從而簡化了網(wǎng)絡設備的結(jié)構(gòu)，并通過統(tǒng)一、開放的應用程序接口，將網(wǎng)絡設備、資源進行抽象、虛擬化表達，從而實現(xiàn)可編程化控制底層硬件，實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源靈活的按需調(diào)配[72]。

在SDN中，定義了網(wǎng)絡操作系統(tǒng)(network operating system)[73]的概念，其負責對全網(wǎng)絡進行適配及管理，可以針對采用不同的體系結(jié)構(gòu)、不同協(xié)議的網(wǎng)絡進行可編程化的配置與管理。這種集中式的管理方式從根本上實現(xiàn)了網(wǎng)絡的融合，降低了網(wǎng)絡管理和維護開銷，提高了網(wǎng)絡性能，并且具有良好的可擴展性，可以通過模塊的升級來實現(xiàn)對未來新協(xié)議的兼容。SDN網(wǎng)絡架構(gòu)如圖5所示。

圖5 SDN網(wǎng)絡架構(gòu)

2) 內(nèi)容中心網(wǎng)絡

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)“以主機為中心”的思想在深空通信網(wǎng)絡中存在著一些問題[74]：① 網(wǎng)絡中相同的內(nèi)容有可能存儲在多個節(jié)點，如果用戶指定的節(jié)點距離較遠，用戶將經(jīng)歷很大的服務時延，如果用戶指定的節(jié)點負載較重，則用戶的內(nèi)容請求可能無法獲得響應；② 不易實現(xiàn)內(nèi)容共享，具體來說，當多個用戶請求同一內(nèi)容對象時，需要為每個用戶與擁有該內(nèi)容對象的節(jié)點間建立端到端連接，造成了在多條端到端通信所經(jīng)過的相同鏈路上可能反復傳輸相同內(nèi)容對象。這些問題在鏈路資源寶貴，鏈路狀態(tài)時斷時續(xù)，傳播時延很長的深空通信網(wǎng)絡中更為突出。

作為一種重要的未來網(wǎng)絡架構(gòu)，內(nèi)容中心網(wǎng)絡（CCN, content-centric networking）用解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)“以主機為中心”的通信模式與快速增長的內(nèi)容遞送需求之間的矛盾[75]。用戶更關(guān)心的是內(nèi)容本身，而非從哪個節(jié)點獲取。為此，CCN摒棄了“主機地址”，而是賦予內(nèi)容對象一個唯一的標識，顛覆了傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)。用戶直接通過使用內(nèi)容 ID請求所需求的數(shù)據(jù)內(nèi)容。網(wǎng)絡節(jié)點在識別內(nèi)容ID后，根據(jù)內(nèi)容所處節(jié)點位置及用戶位置等信息，找到最優(yōu)的內(nèi)容提供者，并根據(jù)內(nèi)容ID而不是IP地址對所獲取內(nèi)容進行路由，避免重復信息在網(wǎng)絡中傳播[74]。同時，CCN通過在每個節(jié)點設置緩存，節(jié)省了大量的傳輸帶寬資源。目前已有一些 CCN架構(gòu)被提出，其中，最具代表性的 3種為 DONA[76]（ data-oriented network architecture）、NDN[77]（named data networking）和 PURSUIT[78]（publish subscribe internet technology）。

3) 結(jié)合噴泉編碼的多路徑并行路由

深空通信網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化，鏈路間歇中斷，這使空間節(jié)點必須高效利用有限的鏈路持續(xù)時間。而又由于空間節(jié)點可能同時與多個其他空間節(jié)點可見并建立連接，所以可通過引入多路徑并行傳輸技術(shù)，提高鏈路利用率，提升網(wǎng)絡吞吐量。

早在 1999年，互聯(lián)網(wǎng)中出現(xiàn)了適用于多路由傳輸?shù)?OSPF-OMP[79]協(xié)議。2001年，支持 ECMP（equal-cost multipath routing）多徑路由的 MPLS（multiple protocol label switching）協(xié)議[80]被公布。Byers[81]從速度和冗余等方面對基于 Tornado碼的多源并行下載性能進行了分析，提出了一種基于Tornado碼、在廣播和多播情況下傳輸可靠數(shù)據(jù)的噴泉編碼方案[82]。Li等[83,84]提出了一種基于滲流的并行路由架構(gòu)。這些研究展示了噴泉編碼與并行路由相結(jié)合對性能的提升，描述了噴泉碼和并行路由的聯(lián)合機制。

除以上3種技術(shù)之外，全新互聯(lián)網(wǎng)設計（clean state design for the Internet）、全球網(wǎng)絡創(chuàng)新環(huán)境（GENI, global environment for network innovations）等研究項目的思路也可為未來深空通信網(wǎng)絡提供啟發(fā)、借鑒與參考[85]?？傊磥砩羁胀ㄐ啪W(wǎng)絡需結(jié)合 DTN與新型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對多種探測任務需求，構(gòu)建一體化深空通信網(wǎng)絡。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合深空通信網(wǎng)絡的特點，綜述了深空通信網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，包含網(wǎng)絡協(xié)議體系架構(gòu)和路由策略，分析了不同技術(shù)的優(yōu)缺點，并結(jié)合對深空探測任務需求，對深空通信網(wǎng)絡技術(shù)未來發(fā)展方向進行了展望。

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Development and outlook of deep space communication network protocol

AN Jian-ping1, JIN Song1, XU Jun1, ZHANG Yu1, SHAO Li-wei2
（1. School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2. Research Institute of BIT in Zhongshan, Zhongshan 528400, China）

The demand of developing deep space communication network was analyzed. Combining the characteristics of the deep space communication network, the deep space communication network architecture and transport protocols were summarized. Through introducing some key technology of the deep space communication network, the development direction of future deep space communication network is put forward and bright prospects are shown.

deep space exploration, CCSDS, network protocol architecture, DTN, routing protocol

s: The Science Foundation of Guangdong Province (No.2015B010101002), The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No.2015AA015701), National Defense Key Laboratory Foundation of China (No.60421040101162104002)

TN927+.23

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016133

2016-05-09；

2016-06-15

廣東省省級科技計劃基金資助項目（No.2015B010101002）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2015AA015701）；國防重點實驗基金資助項目（No.60421040101162104002）

安建平（1965-），男，山西原平人，北京理工大學教授，主要研究方向為衛(wèi)星與空間通信、無線寬帶通信與網(wǎng)絡、空間信號處理技術(shù)。

靳松（1990-），男，山西臨汾人，北京理工大學博士生，主要研究方向為深空通信技術(shù)、DTN網(wǎng)絡。

許軍（1991-），男，陜西寶雞人，北京理工大學碩士生，主要研究方向為通信網(wǎng)絡與協(xié)議、下一代互聯(lián)網(wǎng)NDN。

張宇（1972-），男，山西原平人，北京理工大學講師，主要研究方向為通信網(wǎng)絡性能分析與優(yōu)化、協(xié)議設計、建模與仿真。

邵立偉（1979-），男，河北保定人，中山北京理工大學研究院助理研究員，主要研究方向為無線通信技術(shù)、空間通信技術(shù)及網(wǎng)絡協(xié)議。