天地一體化網絡協(xié)議研究

張亞生，孫晨華，谷聚娟

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

協(xié)議規(guī)定了網絡節(jié)點、服務實體之間進行信息交換的規(guī)則、流程及約定，是計算機能夠進行通信的前提。為保證網絡資源高效使用，協(xié)議要結合網絡的運行環(huán)境、拓撲結構和所要支持的應用服務進行設計。

地面互聯(lián)網和移動通信網是目前應用最廣泛的網絡，地面互聯(lián)網使用TCP/IP協(xié)議體系[1]，該協(xié)議體系是針對地面網絡傳輸環(huán)境開發(fā)的；地面移動通信網絡綜合利用了有線和無線的傳輸方式，采用基于2G、3G、4G的移動通信協(xié)議體系[2]?？臻g網絡具有星地鏈路延時長、星際鏈路斷續(xù)、高誤碼、網絡拓撲動態(tài)變化的特點，不同國際組織結合不同的應用場景提出了不同的協(xié)議體系，面向航天測控應用采用CCSDS協(xié)議體系[3]，面向深空探測、星際互聯(lián)應用采用DTN協(xié)議體系[4]。天地一體化網絡融合了天基網絡和地面網絡，本文在借鑒地面網絡和空間網絡現(xiàn)有協(xié)議體系研究的基礎上，提出了適用于天地一體化網絡的增強融合協(xié)議體系，實現(xiàn)天基網絡與地面網絡的無縫融合。

1 地面網絡協(xié)議體系

1.1 TCP/IP協(xié)議體系

互聯(lián)網基于TCP/IP協(xié)議體系可以為用戶提供多樣化的服務，如電子郵件、網頁瀏覽等，支持多種形式物理設備之間的互聯(lián)，如光纖、電纜等。TCP/IP協(xié)議采用分層協(xié)議架構，包括應用層、傳輸層、網絡層和數(shù)據(jù)鏈路層，如圖1所示。

根據(jù)服務需求和設備形式的不同，每層使用不同的協(xié)議來完成業(yè)務傳輸。隨著互聯(lián)網的發(fā)展和大規(guī)模應用，TCP/IP協(xié)議作為地面應用范圍最廣泛的網絡協(xié)議，以其開放的架構已經成為現(xiàn)有網絡事實上的標準。TCP/IP協(xié)議具有良好端到端的能力、高層協(xié)議功能以及協(xié)議標準化能力。眾多的網絡產品廠家都支持TCP/IP協(xié)議。

圖1 TCP/IP協(xié)議體系

但是，TCP/IP協(xié)議直接應用于衛(wèi)星網絡時，衛(wèi)星鏈路的長延時、帶寬受限等特性，會造成基于TCP/IP協(xié)議的業(yè)務在衛(wèi)星網絡傳輸效率很低[5]。

1.2 地面移動通信協(xié)議體系

地面移動通信系統(tǒng)由用戶設備、接入網和核心網3部分組成[6]。其中，用戶設備發(fā)起各種呼叫和數(shù)據(jù)類業(yè)務。接入網完成與無線有關的功能，包括接收、發(fā)送和處理無線信令，以及與用戶設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。核心網負責處理網內的呼叫請求或數(shù)據(jù)請求，涉及連接、計費和移動性管理等，并負責與外部網絡互聯(lián)。

針對個人移動用戶間電話和數(shù)據(jù)類業(yè)務互通需求，地面移動通信系統(tǒng)的協(xié)議體系采用分層協(xié)議架構[6]，包括接入層和非接入層。以3G為例，地面移動通信系統(tǒng)協(xié)議體系如圖2所示，其中接入層包括物理層、RRC層和RLC/MAC層；非接入層主要包括連接會話管理和移動性管理等功能單元，可劃分為電路域和分組域，電路域功能單元主要用于處理電話呼叫類業(yè)務，分組域功能單元主要實現(xiàn)互聯(lián)網訪問等數(shù)據(jù)類業(yè)務。

圖2 地面移動通信系統(tǒng)協(xié)議體系

地面移動通信系統(tǒng)協(xié)議體系的無線側傳輸環(huán)境與衛(wèi)星網絡環(huán)境存在較大差別[7]，因此該協(xié)議體系應用于衛(wèi)星網絡時接入層協(xié)議需要結合衛(wèi)星鏈路和衛(wèi)星網絡拓撲結構特點進行定制開發(fā)和優(yōu)化設計。

2 空間網絡通信協(xié)議

2.1 CCSDS協(xié)議體系

CCSDS建議是專為航天任務“量身定做”的協(xié)議，充分考慮了空間鏈路帶寬資源的珍貴性及未來航天任務的新需求，協(xié)議效率較高。

最初CCSDS協(xié)議體系只規(guī)定了鏈路層組網協(xié)議，包括COS(普通在軌系統(tǒng))和AOS(高級在軌系統(tǒng))兩部分。后來逐漸將TCP/IP引入?yún)f(xié)議體系，在網絡層實現(xiàn)組網互聯(lián)，鏈路層的仍采用AOS等協(xié)議，代表成果是SCPS系列規(guī)范和IP OVER AOS規(guī)范，CCSDS協(xié)議體系[8]如圖3所示。

圖3 CCSDS協(xié)議體系

CCSDS協(xié)議經過了多次航天任務考驗，航空任務中使用該協(xié)議可以降低成本、減小風險和縮短開發(fā)時間。通過在數(shù)據(jù)鏈路層使用CCSDS的TM、TC、AOS、Proximity-1等協(xié)議，在網絡層使用IP及其擴展技術[9]，可以保護已有投資及國際聯(lián)網問題，增強不同空間組織在航天任務中開展交互操作和交互支持的能力。但是該協(xié)議側重于對業(yè)務的承載，缺乏對動態(tài)路由、接入控制、資源分配和移動性管理等的支持。

2.2 DTN協(xié)議體系

DTN(行星際互聯(lián)網協(xié)議)體系是專門針對宇宙空間中星際通信的特點而提出，用于解決大時空尺度和惡劣環(huán)境下多系統(tǒng)組網通信問題。

DTN協(xié)議采用持久存儲、尋機轉發(fā)的思想[10]。通過在傳輸層和應用層之間插入DTN覆蓋層(Bundle)引入逐跳可靠傳輸和保管傳遞機制，在傳輸層使用LTP可靠傳輸協(xié)議，保證長延時、高誤碼鏈路上信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?。根?jù)業(yè)務流特性，對實時業(yè)務流和可靠業(yè)務流分別采用不同的協(xié)議，鏈路層通過虛擬信道調度實現(xiàn)數(shù)據(jù)在鏈路層的可靠傳輸，為不同應用提供不同服務，DTN協(xié)議體系[11]如圖4所示。

DTN協(xié)議能在斷續(xù)、高誤碼的大時空跨度環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、可靠傳輸，構建更加安全、有效、可靠的自主通信網絡。但是該協(xié)議體系還未形成完善的路由選擇、密鑰管理保證機制，且協(xié)議開銷較大。

圖4 DTN協(xié)議體系

3 天地一體化網絡協(xié)議

從衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展來看，衛(wèi)星通信系統(tǒng)經歷了從基于透明轉發(fā)器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、基于星上處理轉發(fā)器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、基于星間組網的衛(wèi)星通信系統(tǒng)到構建天地一體化網絡的發(fā)展過程。相應地，衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議也在不斷演進。最早基于透明轉發(fā)器的協(xié)議體系主要涉及物理層與鏈路層，多采用專用協(xié)議；近年來隨著業(yè)務IP化發(fā)展，衛(wèi)星通信協(xié)議體系已經擴展到網絡層、傳輸層及應用層[12]，基本形成了基于TCP/IP的衛(wèi)星協(xié)議體系，該體系結合空間網絡的特點對TCP/IP協(xié)議各層進行增強和優(yōu)化設計[13]；基于星上處理轉發(fā)器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星節(jié)點具有路由交換能力，衛(wèi)星網絡在繼承原有協(xié)議體系的基礎上更加關注星載交換、衛(wèi)星網絡優(yōu)化路由協(xié)議研究[14]；基于星間組網的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中各星載節(jié)點之間開始組網，星間組網協(xié)議成為整個網絡協(xié)議設計的關鍵；天地一體化網絡中衛(wèi)星通信系統(tǒng)在協(xié)議設計時還要考慮與地面網絡協(xié)議的融合設計。

天地一體化網絡采用“天網地網”架構[15]，由天基骨干網、天基接入網和地基節(jié)點網構成，并可與地面互聯(lián)網、移動通信網開放互聯(lián)[16]。天地一體化網絡面向陸?？仗煊脩簦С志W絡通信、數(shù)據(jù)分發(fā)、空間應用、航空應用、海事應用和物聯(lián)應用等服務，其協(xié)議體系在設計時應借鑒現(xiàn)有地面網絡和空間網絡成熟的協(xié)議體系，設計適用于天地一體化網絡的增強空間融合協(xié)議體系，如圖5所示。

圖5 增強空間融合協(xié)議體系

增強空間融合協(xié)議體系基于地面網的TCP/IP分層協(xié)議模型并兼容CCSDS協(xié)議體系、DTN協(xié)議體系和衛(wèi)星移動協(xié)議體系，結合天基網絡特點對每一層進行協(xié)議空間增強設計，包括空間增強應用層協(xié)議、空間傳輸層協(xié)議、高安全增強網絡層協(xié)議，鏈路層和物理層協(xié)議結合空間鏈路傳輸體制、應用不同分別設計，如：面向航天測控應用采用CCSDS協(xié)議，天基接入網的星地鏈路協(xié)議基于地面移動協(xié)議體系進行定制。

基于增強空間融合協(xié)議體系，深空探測節(jié)點和低軌移動用戶分別與地面用戶通信的端到端協(xié)議模型如圖6所示。

空間增強應用層協(xié)議旨在提高天基網絡環(huán)境中應用層協(xié)議傳輸性能，通過緩存、預取和流程優(yōu)化[17]等技術手段進行協(xié)議增強設計；DTN協(xié)議用于實現(xiàn)深空節(jié)點數(shù)據(jù)的可靠傳輸；空間傳輸層協(xié)議能夠克服衛(wèi)星網絡長延時、高誤碼對TCP協(xié)議帶來的影響，通常采用算法改進、零窗口停發(fā)、反向ACK過濾和誤碼容忍控制機制等空間傳輸層增強手段來解決；高安全增強網絡層協(xié)議通過多種天基絡專用支撐協(xié)議來實現(xiàn)，包括衛(wèi)星專用路由協(xié)議、衛(wèi)星QoS路由協(xié)議等，最終實現(xiàn)天基網絡高效路由、安全傳輸；深空通信節(jié)點衛(wèi)星鏈路的鏈路層采用CCSDS協(xié)議，低軌移動用戶衛(wèi)星鏈路的鏈路層采用衛(wèi)星移動鏈路協(xié)議。該協(xié)議體系可繼承現(xiàn)有地面網絡成熟技術，面向用戶提供標準透明的TCP/IP協(xié)議接口，在空間段對各層協(xié)議進行增強，提高協(xié)議傳輸效率和網絡資源利用率。

圖6 增強空間融合協(xié)議體系的端到端協(xié)議模型

天地一體化網絡協(xié)議體系在實施時可采用如下分布實施方案：

第1階段：設計天地一體化網絡的傳輸及組網協(xié)議，構建提供基礎網絡通信、數(shù)據(jù)分發(fā)服務的天地一體化信息傳輸網絡?；诂F(xiàn)有地面網絡和空間網絡協(xié)議體系的研究成果，設計天基信息網絡傳輸及組網協(xié)議，基于開放式的協(xié)議架構構建天地一體化信息傳輸網絡，提供基礎的網絡通信、數(shù)據(jù)分發(fā)服務。

第2階段：研究天基網絡服務協(xié)議，開發(fā)多樣化服務?；陂_放式的天基信息網絡傳輸及組網協(xié)議，面向天基網絡航空、海事和物聯(lián)等領域服務應用，研究天基網絡服務協(xié)議，開發(fā)多樣化服務。

4 結束語

構建天地一體化網絡是衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的必然結果，天地一體化網絡協(xié)議不應該采用全新的協(xié)議體系，應結合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運行環(huán)境、網絡結構和應用服務需求，繼承原有地面網絡和空間網絡協(xié)議的基礎上，積極借鑒引進地面網絡的新技術，設計增強空間融合協(xié)議體系和開放式的協(xié)議架構，實現(xiàn)天基網絡與地面互聯(lián)網和移動通信網絡的互聯(lián)互通、信息服務共享。

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