海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及挑戰(zhàn)

姜勝明，葛麗閣，徐艷麗

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院海洋互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗室，上海 201306）

1 引言

目前，在海洋環(huán)境中常用的數(shù)據(jù)傳輸手段是衛(wèi)星傳輸，但存在一些缺點(diǎn)影響其普及率[1-3]：其性價比較低，更無法用于水下通信；近地軌道衛(wèi)星的傳播時延長，需要特制的收/發(fā)終端和傳輸協(xié)議；中低軌道衛(wèi)星繞地球高速運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了高質(zhì)量通信組網(wǎng)的難度。另一個廣泛使用的海洋通信系統(tǒng)是海事無線電，由于受帶寬的限制，它主要用于語音通信，無法支持高速數(shù)據(jù)傳輸[4-5]?，F(xiàn)代移動通信技術(shù)也被少量應(yīng)用到港區(qū)和航道提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[6]，但相對于海洋，其覆蓋范圍太小，無法大規(guī)模部署在海域。目前無論海上戰(zhàn)備通信、應(yīng)急救援或常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸，還是軍用、商用或民用，都需要穩(wěn)健性強(qiáng)、性價比高和泛在的海洋數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。但目前還沒有一種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能單獨(dú)構(gòu)建一個性價比高、覆蓋范圍廣和使用方便的海洋數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，海洋數(shù)據(jù)高效傳輸是亟待解決的重要課題。

海洋涵蓋空天、海岸、水面和水下的廣闊空間（本文稱“海洋空間”），特殊的地理和氣候條件使海洋空間陸基網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的建立和維護(hù)變得非常困難和昂貴。雖然目前海洋空間中已經(jīng)部署了多種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但是它們的歸屬不同、掌管部門和運(yùn)作單位眾多、部署形式多樣以及通信制式和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。目前缺乏有效的方法和規(guī)范統(tǒng)籌使用，它們之間無法有效方便地協(xié)作和互聯(lián)互通。海洋的特殊環(huán)境及海洋數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的現(xiàn)狀決定了要改變上述局面是個艱難的任務(wù)，而且水下通信的瓶頸在短時間內(nèi)很難獲得突破，導(dǎo)致大面積水下高速組網(wǎng)仍需依賴水面及以上的通信系統(tǒng)。為了系統(tǒng)性地解決海洋數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)問題，提高海洋通信寶貴資源的利用率，需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)海洋空間中各種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空天地海潛一體化、應(yīng)急與常規(guī)系統(tǒng)、戰(zhàn)時與平時系統(tǒng)相互支撐的共同體，以此構(gòu)建穩(wěn)健性強(qiáng)和高效的海洋數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[3]。這種由多個系統(tǒng)有機(jī)組成、功能更完備、協(xié)作互助的復(fù)合通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常稱為網(wǎng)絡(luò)體系[7]。而目前國內(nèi)外對海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系的研究非常缺乏。

2 海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的概況和體系架構(gòu)

2.1 業(yè)務(wù)特征

隨著涉?；顒又饾u增加，業(yè)務(wù)多樣化，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)語音業(yè)務(wù)，這些都對通信網(wǎng)絡(luò)安全提出更高的要求。另外，海洋數(shù)據(jù)分布稀疏、多源異構(gòu)，具有高維度、時空性、敏感性和多模態(tài)等特征，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息交互獨(dú)立、共享度低。近年新型海洋應(yīng)用（如E-navigation[8]）的出現(xiàn)，以及對未來應(yīng)用（如無人船舶[9]等）的研究，都對海洋通信業(yè)務(wù)提出了新的要求，以支持相關(guān)新型數(shù)據(jù)的有效傳輸，例如及時、可靠、安全和大量的數(shù)據(jù)高速傳輸以支持船岸一體化信息集成與融合，提升航保服務(wù)的性能、節(jié)約航行能耗、減少航運(yùn)排放以及高密度無人船舶航行的安全性和穩(wěn)定性等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由覆蓋天、空、岸、海及水下的綜合性通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，是關(guān)鍵的海洋信息化基礎(chǔ)設(shè)施[10]。海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成如圖1所示，共分成四大部分[11]，即岸基、水面、空中和水下。當(dāng)前正在運(yùn)營的岸基和空中通信網(wǎng)絡(luò)主要包括海事無線電、衛(wèi)星和局部部署的移動通信系統(tǒng)。有線海底觀測網(wǎng)是目前相對成熟的水下通信系統(tǒng)，例如美國的MARS[12]和我國在南海、東海和黃海所部署的觀測網(wǎng)絡(luò)[10]。除此之外，也有一些基于中低軌道衛(wèi)星的龐大星座項目計劃，例如，美國SpaceX公司的Starlink項目計劃采用12 000顆低軌道衛(wèi)星提供寬帶服務(wù)[13]；中國航天科技集團(tuán)有限公司的“鴻雁”星座計劃用300余顆低軌道小衛(wèi)星構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，首星已在2018年年底成功發(fā)射[14]。人們也在探討其他通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如高空通信平臺和無線自組織網(wǎng)絡(luò)。高空通信平臺能提供大范圍、高速率且相對廉價的通信服務(wù)，主要問題是如何將它們長期部署在特定空域以提供不間斷的通信服務(wù)[15]。無線自組織網(wǎng)絡(luò)不依賴于特定通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，有很強(qiáng)的自組織和自愈能力[16-20]，適應(yīng)動態(tài)不穩(wěn)定的海洋網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；例如，船舶自組織網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[18,21-23]以及由飛行器構(gòu)成的航空無線自組織網(wǎng)絡(luò)[24]等。但是，這種網(wǎng)絡(luò)容量和通信質(zhì)量均不穩(wěn)定，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫咕W(wǎng)絡(luò)連通性得不到保障，無法提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[25]。水下通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加復(fù)雜多變，因為適合水下通信的主要介質(zhì)是聲波，其傳輸速率和傳播速度都非常低、通信質(zhì)量不穩(wěn)定[26-31]。

圖1 海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成[32]

2.3 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

陸基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要基于固定的光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，無線主要用在“最后一公里”的接入部分。而海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是跨時空，甚至跨介質(zhì)（如聲電融合傳輸）的動態(tài)異構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)，且以無線為主[3,11,32]，這導(dǎo)致了海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)鋭討B(tài)性、系統(tǒng)異構(gòu)性和不穩(wěn)定性以及通信資源構(gòu)成的復(fù)雜性等方面都比其他網(wǎng)絡(luò)更突出。這些特點(diǎn)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苡绊懛浅４?，?dǎo)致了現(xiàn)行數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系無法適應(yīng)于海洋空間，因為前者基于相對穩(wěn)定和單純的通信網(wǎng)絡(luò)資源、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成。它們之間主要不同之處具體表現(xiàn)在以下4個方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)邊界和路徑以及通信資源的動態(tài)性和不確定性

一條海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的路徑可能一端在水下，另一端在陸上。在衛(wèi)星被摧毀或者費(fèi)用太高時[34]，該網(wǎng)絡(luò)路徑可能不使用衛(wèi)星，而是經(jīng)過水聲自組織網(wǎng)絡(luò)、船舶自組織網(wǎng)絡(luò)、航空自組織網(wǎng)絡(luò)和岸基網(wǎng)絡(luò)等。在這些網(wǎng)絡(luò)中，除岸基網(wǎng)絡(luò)外，其余都會由于節(jié)點(diǎn)的移動性而實(shí)時動態(tài)變化，極不穩(wěn)定，甚至?xí)鹁W(wǎng)絡(luò)邊界和網(wǎng)絡(luò)形態(tài)發(fā)生頻繁變化。例如，岸基網(wǎng)絡(luò)與船舶自組織網(wǎng)絡(luò)之間的邊界以及不同自組織網(wǎng)絡(luò)之間的邊界會隨著節(jié)點(diǎn)（如船舶）移動發(fā)生變化。同樣，節(jié)點(diǎn)移動會使常規(guī)型自組織網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成機(jī)會性網(wǎng)絡(luò)，反之亦然。這些變化會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)路徑的經(jīng)常性中斷，但目前還沒有網(wǎng)絡(luò)體系考慮過如此動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，沒有相關(guān)體系能適用于這種復(fù)雜情形。

（2）通信介質(zhì)的異構(gòu)性和性能的非對稱性

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸跨越水下和水面并延伸到陸地上時，水下主要的通信介質(zhì)為聲波，其信號傳播速度和通信速率與水面及陸上所使用的電磁波相差甚遠(yuǎn)。電磁波以光速傳播，通信速率能達(dá)到Gbit/s級；而聲波在海水中的傳播速度只有1.5 km/s，最大通信速率在kbit/s級別。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)體系沒有完全考慮這些非對稱性，只是把處理這些非對稱性交給網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。這種做法只適用于具有固定邊界的網(wǎng)絡(luò)，不適用于動態(tài)邊界的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。另外，網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)主要解決傳輸速率的非對稱性（含協(xié)議的異構(gòu)性），沒有考慮信號傳播速度的巨大差異性，因為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是基于電磁波的。這種巨大差異對傳輸層端到端傳輸協(xié)議的性能造成很大影響，特別是TCP（transmission control protocol）[29]，因為它的運(yùn)作是基于端到端來回時延的。目前針對無線網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的TCP主要解決了對網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況誤判的問題[33]，并沒有考慮傳播速度的非對稱性及長時延，所以無法適用于海洋傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（3）海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源的復(fù)雜性和局限性

除衛(wèi)星外，能用于構(gòu)建岸基網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)主要包括移動通信系統(tǒng)（如3G、4G）、無線城域網(wǎng)（如WiMAX）。它們能提供高性價比的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，但其覆蓋范圍相對于海域就顯得太渺小。海事無線電雖能長距離傳輸，但速率低，主要適用于語音傳輸。各種類型的無線自組織網(wǎng)絡(luò)能一定程度彌補(bǔ)其他網(wǎng)絡(luò)的缺陷[34]，如延伸岸基網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離和提高其覆蓋效率，但其本身的性能和穩(wěn)定性無法保障。把各種海洋信網(wǎng)絡(luò)資源盡量有機(jī)地融合是非常必要的，但這種融合網(wǎng)絡(luò)是目前網(wǎng)絡(luò)體系無法支持的，主要因為該體系為轉(zhuǎn)發(fā)型網(wǎng)絡(luò)（forwarding network）而設(shè)計，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只轉(zhuǎn)發(fā)路過它的數(shù)據(jù)包，不進(jìn)行存儲。在海洋通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)型網(wǎng)絡(luò)缺失或無法提供全覆蓋時，只能寄希望于機(jī)會性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充甚至替代。機(jī)會性網(wǎng)絡(luò)需要存儲?攜帶?轉(zhuǎn)發(fā)（store-carry- forward）數(shù)據(jù)包甚至消息。目前這種機(jī)會性網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)只能在現(xiàn)有體系的應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)[35]，無法與網(wǎng)絡(luò)層的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行有機(jī)融合和聯(lián)合優(yōu)化提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

（4）海洋空間網(wǎng)絡(luò)用戶的流動性和低密度性及構(gòu)成的高復(fù)雜性

由于海洋空間的開放性，其網(wǎng)絡(luò)用戶（如海員、郵輪乘客、漁民等）往往來自不同的國家和地區(qū)，臨時性地聚集在某一國/地區(qū)內(nèi)或國際海域，并隨船舶做集體性移動。而海洋大部分區(qū)域是無人居住的區(qū)域，用戶密度比陸上低得多。目前支持陸上移動性的系統(tǒng)基于固定網(wǎng)絡(luò)邊界和固定基站；在海洋中，除動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)邊界外，網(wǎng)絡(luò)基站往往也安裝在船舶上（船上用戶通過網(wǎng)絡(luò)基站接入其他網(wǎng)絡(luò)），并隨船舶移動；目前沒有相應(yīng)的移動支持方法，因為現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系形成于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時還沒有移動性支持的概念，所以體系中缺乏相關(guān)設(shè)計。另外，目前所采用的移動性支持主要涉及網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的接入部分，對固定的骨干網(wǎng)絡(luò)是透明的。整個海洋通信網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的[36]。另外，船舶的移動性往往使得采用不同頻段、通信制式和容量設(shè)備的用戶臨時性聚集在同一海域，目前沒有相關(guān)的體系能支持他們之間的直接互聯(lián)互通。

2.4 體系架構(gòu)

為了提高海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，我們在2013年提出了海洋互聯(lián)網(wǎng)（marine internet）的概念[37-38]，2018年6月，《電信科學(xué)》期刊組織了一期“海洋互聯(lián)網(wǎng)”專題[39]。海洋互聯(lián)網(wǎng)的核心思想是綜合利用海洋空間一切可以利用的通信網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行動態(tài)實(shí)時組網(wǎng)，使系統(tǒng)不依賴任何一種特定網(wǎng)絡(luò)資源，并根據(jù)需要實(shí)時調(diào)整組網(wǎng)策略最大限度地滿足服務(wù)質(zhì)量和性價比等方面的要求[3,11,40]。一個基于海洋互聯(lián)網(wǎng)的海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)想如圖2所示，在現(xiàn)有計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過盡最大努力實(shí)時組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一體化融合的海洋數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)主要包括3部分：海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)資源的管理、可用資源探測與融合以及網(wǎng)絡(luò)體系管理。第一部分主要涉及海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)資源的表征、歸類、認(rèn)證、授權(quán)和發(fā)布等；第二部分主要涉及海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源的探測和使用、實(shí)時動態(tài)組網(wǎng)、端到端數(shù)據(jù)傳輸及用戶移動性管理等；第三部分主要涉及通信界面、協(xié)作激勵機(jī)制、優(yōu)先級支持與安全策略實(shí)施和用戶認(rèn)證等方面。

圖2 一個基于海洋互聯(lián)網(wǎng)的海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)想

3 體系架構(gòu)面臨的主要挑戰(zhàn)

海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)特殊的環(huán)境導(dǎo)致了海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化性和通信資源構(gòu)成的復(fù)雜性、系統(tǒng)異構(gòu)性以及不確定性。這些特點(diǎn)對構(gòu)建魯棒、高效、穩(wěn)定的海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系提出了巨大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系的自適應(yīng)性

海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點(diǎn)要求傳輸網(wǎng)絡(luò)體系能夠盡量利用一切可使用的通信網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)時動態(tài)組網(wǎng)，以最大限度地實(shí)現(xiàn)可靠高效傳輸。但是這些資源分布不均勻，其可用性無法得到保障。而且它們的異構(gòu)性高，邊界不清晰穩(wěn)定，通信性能差異大，標(biāo)準(zhǔn)制式和性價比也不同，無法直接互聯(lián)互通。目前比較成熟的網(wǎng)絡(luò)體系是ISO七層參照模型和TCP/IP五層實(shí)用模型，它們都是基于固定且對等層之間的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，針對具有確定邊界網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的體系。所以，它們可以在不同網(wǎng)絡(luò)的交界處設(shè)立轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)解決網(wǎng)絡(luò)之間的異構(gòu)性和網(wǎng)絡(luò)容量、傳播特性等方面的不對稱性等問題，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。但是，在海洋空間中無法確定這類轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的位置，使這種方法不適用于海洋空間網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，當(dāng)一個移動節(jié)點(diǎn)A遇到異構(gòu)節(jié)點(diǎn)B時，即使B能為A提供與外界通信的最后機(jī)會，A也無法充分利用B。這就要求傳輸網(wǎng)絡(luò)體系能快速地適應(yīng)上述特點(diǎn)和環(huán)境變化，克服非對稱性和異構(gòu)性所帶來的通信障礙，盡最大努力協(xié)作組網(wǎng)，最大化海洋通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通性。

3.2 海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源的快速探測和智能組網(wǎng)

海洋通信網(wǎng)絡(luò)資源指海洋空間中具有通信和組網(wǎng)功能的節(jié)點(diǎn)和其服務(wù)能力；海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)是缺乏協(xié)調(diào)中心、時空跨度大的分布式網(wǎng)絡(luò)。一個節(jié)點(diǎn)能擁有的通信網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)量取決于其周圍節(jié)點(diǎn)的分布密度和它們相關(guān)能力以及該節(jié)點(diǎn)本身的探測能力。發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)的速度和力度是這種能力的主要體現(xiàn)，其方法大致可分主動和被動兩種。前者是節(jié)點(diǎn)通過廣播探測消息，收到該信息的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答[41]。在被動探測中[42]，節(jié)點(diǎn)僅偵聽周圍的發(fā)送活動，并根據(jù)偵聽到的結(jié)果認(rèn)知鄰居節(jié)點(diǎn)。主動探測效率高，但消耗更多能量，也對其他通信造成干擾。而被動偵聽沒有上述問題，但當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)需要鄰居節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時，這種方式可能無法及時滿足要求。主動探測能力主要取決于節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率，被動探測能力主要取決于節(jié)點(diǎn)的接收靈敏度。發(fā)射功率越強(qiáng)，探測能力也越大，但造成的干擾也越大；同樣，探測的頻譜越寬，探測能力也越強(qiáng)，但探測時間也更長。如何在大搜索域中快速發(fā)現(xiàn)最多鄰居節(jié)點(diǎn)、減少對其他通信的干擾、滿足海洋空間動態(tài)組網(wǎng)要求需要做進(jìn)一步研究。

在廣闊海洋空間中，通信節(jié)點(diǎn)具有多樣性（如不同的通信介質(zhì)、制式和能力）、分布和可用性不確定等特點(diǎn)。另外，節(jié)點(diǎn)的移動性會導(dǎo)致鄰居關(guān)系的快速變化，影響網(wǎng)絡(luò)的連通性，尤其在節(jié)點(diǎn)分布稀疏的情況。所以，需要經(jīng)常性及時快速地探測才能有效支持實(shí)時動態(tài)組網(wǎng)。與此同時，節(jié)點(diǎn)還要掌握探測節(jié)點(diǎn)的通達(dá)能力，并量化表征其狀態(tài)和預(yù)測其未來可能的變化。針對傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)，特別是無線自組織網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)有許多類似的研究成果[43]。但是無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性、異構(gòu)性、非對稱性和動態(tài)性以及分布空間的尺度及維度都無法與海洋空間網(wǎng)絡(luò)相比，導(dǎo)致這些成果無法直接適用。海洋空間網(wǎng)絡(luò)在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時，需要考慮更多、更復(fù)雜的因素，盡量在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)路徑時，采用非對稱性和差異性小的鏈路，以最大化數(shù)據(jù)傳輸?shù)男詢r比和可靠性。

3.3 海洋數(shù)據(jù)透明傳輸和優(yōu)先級支持

數(shù)據(jù)透明傳輸指應(yīng)用層將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸給目的節(jié)點(diǎn)的過程中，相關(guān)操作獨(dú)立于下層的通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。例如，目前互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議之一的TCP，只有源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)參與相關(guān)操作，中間節(jié)點(diǎn)不參與。在這種情況下，海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系的開放性和兼容性可在不改變應(yīng)用的前提下，不斷地將新發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入海洋數(shù)據(jù)傳輸體系，以不斷提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男詢r比、可靠性和穩(wěn)定性。TCP原先是為有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，將擁塞控制功能放在了傳輸層，只有源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)參與，以簡化中間節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度。但傳輸層無法及時準(zhǔn)確掌握網(wǎng)絡(luò)層的擁塞情況，只能通過數(shù)據(jù)接收成功情況推測網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。這種做法在無線網(wǎng)絡(luò)中造成很多擁塞誤判，因為，多跳無線網(wǎng)絡(luò)有很多非擁塞因素也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失[44]。目前部分針對無線網(wǎng)絡(luò)修改的TCP方 案[34]，除了針對近地軌道衛(wèi)星外，其無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模都比較小，節(jié)點(diǎn)類型單一，無法與海洋空間無線網(wǎng)絡(luò)相比。對于近地軌道衛(wèi)星，地面站與衛(wèi)星之間沒有其他節(jié)點(diǎn)，情況簡單，在海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)情況復(fù)雜。

海洋數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系不僅融合海洋空間各種通信網(wǎng)絡(luò)資源，同時也支持海洋各種應(yīng)用和用戶。通信網(wǎng)絡(luò)資源有限不可避免地導(dǎo)致資源使用的競爭，需要優(yōu)先級機(jī)制支持不同級別的應(yīng)用和用戶。例如與應(yīng)急救援相關(guān)的數(shù)據(jù)需優(yōu)先傳輸，指揮者比一般用戶需優(yōu)先接入網(wǎng)絡(luò)等。陸基網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級機(jī)制主要基于接入控制和網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)鏈路層的調(diào)度算法，一般需要對資源實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一分配，每個中間節(jié)點(diǎn)需要安裝相應(yīng)的調(diào)度功能[45]。其在固定結(jié)構(gòu)的有線網(wǎng)絡(luò)中比較容易實(shí)現(xiàn)，而海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)空間跨度大、異構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)邊界不清晰和網(wǎng)絡(luò)連通性不穩(wěn)定，很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

3.4 海洋空間移動用戶的漫游支持

漫游支持指移動通信用戶在不需要更改其聯(lián)系信息（如手機(jī)號碼）的情況下，可以自由漫游而不失去連通性，這種特性是目前移動通信系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢。海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)的用戶大多數(shù)是移動用戶（如漁民、海員和游客等）。但是，目前陸基移動通信網(wǎng)絡(luò)支持用戶漫游的方法不適用海洋環(huán)境主要原因是兩者網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異。陸基移動通信網(wǎng)絡(luò)的無線部分主要是接入網(wǎng)，即把用戶手機(jī)連接到基站的部分（如4G、Wi-Fi），用戶漫游時會不斷地切換連接其手機(jī)的基站，這些基站通過有線連接固定的骨干網(wǎng)。雖然用戶是移動的，但基站是固定的，可通過確定用戶所連接的基站就能與該用戶進(jìn)行通信。手機(jī)號碼與用戶注冊地的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，當(dāng)用戶離開其注冊地到訪其他區(qū)域時，到訪地會給漫游用戶的手機(jī)分配一個與到訪地關(guān)聯(lián)的臨時號碼，并把這個號碼告知其注冊地。其他用戶的手機(jī)可通過其原來的號碼先訪問其注冊地而得知其臨時號碼，再連接該用戶手機(jī)。整個過程對用戶是透明的[46]。

在海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)中，海洋移動用戶往往通過安裝在船舶上的基站連接衛(wèi)星、岸基網(wǎng)絡(luò)或者另一個船舶基站。當(dāng)連接靜地軌道衛(wèi)星時，由于衛(wèi)星覆蓋范圍大，船舶的移動不影響通信，在這種情況下，可以采用陸基漫游支持方法維護(hù)海洋移動用戶的連通性。但是在后兩種情況下，其他用戶首先要設(shè)法連接移動的船舶基站，才能連接海洋移動用戶。當(dāng)該船舶基站與岸基網(wǎng)絡(luò)基站直接相連時，這個問題可采用類似于陸基漫游支持方法加以解決。當(dāng)目的船舶基站經(jīng)過一個或多個船舶基站與岸基基站相連時，中間基站的移動性會使問題變得更加復(fù)雜，陸基漫游支持方法不再適用于該場景。另外，陸基漫游支持方法基于可靠的網(wǎng)絡(luò)連通性，即網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)都能及時可靠傳輸數(shù)據(jù)。在海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)衛(wèi)星無法用時，網(wǎng)絡(luò)連通性就無法得到保障。

3.5 安全數(shù)據(jù)傳輸

海洋通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境主要由海岸線、水面、天空和水下等組成，用戶主要由高機(jī)動性用戶構(gòu)成，且往往來自不同國家或地區(qū)，并可能運(yùn)行特定應(yīng)用（如軍事通信、海上運(yùn)輸數(shù)據(jù)傳輸）。與陸地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶的構(gòu)成顯著不同，使海洋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}面臨比陸地網(wǎng)絡(luò)更多的挑戰(zhàn)。大多數(shù)陸地網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)依賴基于加/解密方案和穩(wěn)定的中央系統(tǒng)，如認(rèn)證服務(wù)器和公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）等。這些系統(tǒng)要求較高的網(wǎng)絡(luò)容量和可靠網(wǎng)絡(luò)連接支持。高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒉豢煽烤W(wǎng)絡(luò)連接和低通信容量是海洋通信網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)主要由各種基于岸基和水面的無線網(wǎng)絡(luò)、覆蓋范圍廣、可靠但昂貴的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和低速海事無線電系統(tǒng)組成，無法提供如陸地網(wǎng)絡(luò)一樣的可靠、高速網(wǎng)絡(luò)連接支持網(wǎng)絡(luò)安全方案。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的一部分是水聲網(wǎng)絡(luò)時，其安全部分將面臨更多的挑戰(zhàn)[47]。海面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)稀疏且移動，在有些情況下需要節(jié)點(diǎn)的協(xié)作組網(wǎng)才可能完成數(shù)據(jù)傳輸，如何在缺乏可靠數(shù)據(jù)傳輸保障的情況下確認(rèn)參與協(xié)作節(jié)點(diǎn)的安全性，尤其當(dāng)節(jié)點(diǎn)來自不同國家和地區(qū)時，需要研究相應(yīng)的方法。

4 結(jié)束語

本文簡要討論了高效海洋數(shù)據(jù)傳輸目前所面臨的主要問題，闡述了海洋空間通信網(wǎng)絡(luò)與陸地通信網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別，在此基礎(chǔ)上指出了研究適用于海洋通信環(huán)境的新型網(wǎng)絡(luò)體系的必要性，并提出了基于海洋互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)想以及需要進(jìn)一步研究的相關(guān)問題。由此可見，相關(guān)研究還處在初始階段，其中，通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)既為根本也是統(tǒng)領(lǐng)通信系統(tǒng)研發(fā)的核心部分，需要做深入研究。