深空通信中容遲容斷網絡協議體系應用研究

聶宇雷，彭鋒彬，張更新，李永強，謝智東，胡　婧

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

?

深空通信中容遲容斷網絡協議體系應用研究

聶宇雷，彭鋒彬，張更新，李永強，謝智東，胡婧

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

摘要：針對深空通信面臨的各種問題，對當前深空通信中常用的三種網絡協議體系進行了簡要介紹，并在此基礎上對比三者優缺點，提出其各自的適應場景；闡述了未來深空通信網絡面臨的困難與挑戰；剖析容遲容斷網絡體系架構，并介紹了DTN網絡應用研究進展；列舉深空通信網絡DTN協議體系中的關鍵技術，例舉在深空環境中使用DTN協議體系進行通信時面臨的諸多問題，并展望未來深空通信中DTN的應用前景。

關鍵詞：深空通信；容遲容斷網絡；包裹層協議；LTP協議

0引言

衛星應用與載人航天技術發展至今,已經取得了巨大的成就,而深空探測,是在現有這些技術基礎之上,向更為廣闊的宇宙空間進行的探索[1]。 與中低軌衛星或者航天器不同之處在于，深空航天器在與地面進行通信時，由于通信距離極大，通信鏈路存在巨大的路徑損耗以及通信時延。近年來，人們著眼于采用聯網結構，以深空互聯網為基礎，應對深空通信中的巨大時延。

1998年，由美國NASA主持的“行星際互聯網(IPN)[2]”對在地球以外利用互聯網實現端到端通信的方案進行了較為全面的研究。NASA深空互聯網一般由主干網絡、接入網絡、航天器之間的網絡構成[3]，在當前已經成型的火星通信網絡中已有實際應用[4]。2004年NASA的空間通信體系結構工作組(SCAWG)[5]將聯網結構列為其空間通信發展的長期戰略；我國于2006年以建成一個綜合性的星間、星地以及地面互聯互通的網絡為目標，提出了建設天地一體化航天互聯網的構想[6]。

上述的各類空間互聯體系結構，都涉及到網絡的異構互聯。而在深空通信場景設計一套融合多種網絡技術的協議體系，就必須考慮到在鏈路中斷、傳輸節點有限的情況下保證可靠地異步傳輸。

容遲容斷網絡(Delay/Disruption Tolerant Network,DTN)描述了解決行星際互聯網問題所需的體系結構，于2002年由Intel公司伯克利研究實驗室的Fall提出[7]。DTN支持具有斷續連接、時延大、誤碼率高等特征的網絡進行互聯互通。深空探測、海底長距離網絡、軍事戰術網絡、傳感器網絡以及各種受限網絡領域的研究者都對DTN這一概念進行了深入的研究。

1研究現狀分析

1.1深空通信網絡的三種主要協議體系

1.1.1空間IP協議體系

當今地球互聯網飛速發展，研究者自然聯想到直接采用IP技術應用于深空通信之中。以相對成熟的IP協議為基礎構建空間通信網使得航天成本大幅度縮減，對未來的硬軟件升級也十分便利。在如何利用地面網絡已經開始使用的商用IP協議來實現空間通信方案方面，美國戈達德航天中心的研究項目OMNI(Operating Mission as Nodes on the Internet)已經開展了很多研究。然而空間IP協議體系雖然基本可以滿足近地軌道航天器與地面的通信的要求，但是放在深空通信的大環境下，極高的延遲對于基于端到端重傳協議的TCP來說是滿足不了要求的[8]。

1.1.2CCSDS協議體系

1982年成立的空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)發布了一系列從物理層到應用層的建議[9]。該協議體系根據深空通信環境特點，改進了地面標準的TCP/IP協議，自主開發了一套空間通信協議規范(SCPS)[10]。但是，SCPS并沒有提出適用于通信資源極端匱乏的深空通信環境下的路由算法，為了保證傳輸的可靠性，SCPS還是采用首先建立鏈路鏈接，再進行數據傳輸的模式。重傳機制也還是地面TCP/IP協議的端到端重傳。CCSDS之后提出的文件傳輸協議CFDP也僅現定于文件傳輸應用，解決辦法不夠完善，體系結構也不完整[11]。CCSDS協議體系域空間IP協議體系在近年來的研究中也有相互的結合。具體舉例來說，在數據鏈路層采用CCSDS協議的建議，如分段遙測[12]、分段遙控[13]、Proximity-1等[14]；而在這些協議的網絡層應用IP協議作為補充。這種靈活的解決方案沒有從本質上消除兩種協議體系在深空通信中的缺陷。

1.1.3DTN協議體系

容遲容斷網絡研究小組(DTNRG)以整合高度優化的區域網絡協議能力為目標，提出了一種基于容延遲網絡(DTN)的協議體系[15]。2002年12月，Licklider傳輸協議(LTP)提出，用于替代TCP/IP。它的協議棧如圖1所示[16]。

DTN協議體系結構在一定程度上整合了前兩種分層協議，并利用自身協議保證了深空環境條件下數據信息的可靠傳輸。需要注意的是，DTN網絡協議體系與其他協議體系不同，DTN網絡中并不假定發送端節點與接收端節點存在固定的路徑，以存儲轉發的模式進行數據信息與指令信息的傳遞。另外，DTN網絡協議以其特有的所謂包裹層，又稱束層(Bundle Layer)覆蓋于不同的受限網絡之上，作為覆蓋層，束層的作用類似于互聯網中的網關[10]。

圖1　DTN協議棧

1.2DTN體系結構

1.2.1束(Bundle)層協議

圖1中不難看出束層在邏輯上由三部分組成，分別是：應用代理、束層協議代理[8]和匯聚層。應用層代理提供了應用層與束層之間的接口，而應用層為束層提供了相應的數據服務，在這里，應用層代理對束層進行一些相應的配置，并面向用戶提供交互與配置功能。不同的網絡底層使得DTN需要一個所謂“匯聚層”提供特定的接口[4]，而這些接口又通過匯聚層適配器聯通匯聚層與束層。束層作為全新的協議，定義了一些全新的概念[6]，諸如DTN網絡網關及域(DTN Gateways and Regions)的概念、觸碰鏈接(contact)、標示二元組(Name Tuples)、類郵件服務(A Postal Class of Service)[7]、托管傳輸(Custody Transfer)、鏈路的擁塞和流量控制[8]等等。

如何規范地開發改進包裹層協議主要在于改進包裹格式的邏輯結構及布局，而不是對協議中的具體操作進行研究和改進。

1.2.2匯聚層LTP協議

LTP協議是由DTNRG(DTN工作組)開發的一套相對完善的協議格式，其針對點到點環境中延遲極長切中斷極為頻繁的問題，提供了解決辦法。單個極長延遲的鏈路的場景中LTP協議可以發揮很大的作用。當鏈路中斷時，航天器可以凍結所有驅動協議的計時器，當通信恢復時計時器重新開啟計時。可以說 LTP協議設計中，計時器的設計是一個關鍵點[9]。

LTP作為一種DTN網絡中的匯聚層協議，必須支持包裹層協議的其他部分要求[10]，它將協議交換與處理進行分離，并定義了如何收發等相關問題。

1.3DTN協議體系應用研究進展

DTN協議體系具有適應長時延以及中斷頻繁的鏈路的特性，所以深空通信場景是DTN網絡的一個主要應用方向。對于深空通信的研究主要由兩個方面，一是技術體制研究，二是項目驗證。而DTN網絡協議的技術層面研究又可以分為DTN網絡開放性主題研究與傳輸協議可靠性的研究。

1.3.1開放性主題研究

DTN網絡發展至今，已經從一個理論初創時期的研究平臺逐漸發展成為一個體系結構相對完善，束層協議以及不同匯聚層相結合的實驗協議族。如今，各國對于DTN的研究也取得了一定的進展，DTN體系結構文檔RFC-4838[13]和束層協議規范RFC-5050[4]為DTN協議結構的設計提供了理論指導以及規范形式，關于安全的附加文檔[14]使得DTN網絡通信過程的安全性得到了一定的保證。另外還有一些理論成果諸如：LTP協議動機RFC-5325[11]、LTP協議安全擴展等。目前國內對于DTN網絡的研究主要集中于在移動無線傳感器網絡中應用DTN、無線移動自組織網的路由算法等，然而上述這些研究僅限于理論階段，并沒有從系統的角度提出完善的解決方案[6]。

DTN網絡在深空通信中的應用開放研究主題包括：流量與擁塞控制、動態路由[8]、DTN安全認證、服務質量以及可靠性等。

1.3.2傳輸協議研究

DTN網絡中的束層對于不同的網絡底層協議進行了優化，需要注意的是，這種優化并不能解決具體實際通信網絡環境中的問題，所以在深空通信這種特殊的環境中應用DTN協議體系必須更為深入地對底層協議尤其是傳輸層協議進行研究，只有完善了底層協議才能保證在鏈路質量較為惡劣深空環境下端到端傳輸數據信息的可靠性。在Akyildiz提出的TP-Planet協議[16]中，中斷狀態作為一個標示，與協議操作相結合[9]，與此同時，TP-Planet協議面對寬帶不對稱的情況，采用了延遲選擇確認(SACK)策略，這種機制有效地避免了數據包的丟失，也在一定程度上節省了鏈路資源。需要注意的是，這個協議機制目前只適合于單跳的深空通信鏈路，沒有在多跳場景中測試[18]。

CCSDS在SCPS的一系列建議中提出了一個SCPS-TP[10]協議，它基于現有的TCP協議進行了修改與擴展，支持不同業務需求，也能適應各種可靠性要求。

2存在問題及解決方法

2.1未來深空通信網絡難題

(1)異構網絡共存

由于深空通信各個環節通信環境以及鏈路組成區域不同，整個深空通信將采用不同的網絡技術，在未來深空通信體系架構中最重要的就是實現異構網絡的互聯互通[2]。

(2)前向與反向鏈路不對稱

地面TCP/IP協議容許的寬帶容量不對稱性為100:1，而在空間通信中，這個值將達到1 000:1。在極端情況下，通信信道甚至是單向的。如何處理好寬帶容量的不對稱性也是深空通信網絡的重點之一[9]。

(3)傳輸延遲不定，延遲長

由于通信距離的增加，深空通信的單向時延一般在分鐘甚至小時級別，各單位相對位置也在不斷變化

(4)射頻信道誤碼率高

相比地面TCP/IP協議可以容忍的10-5誤碼率，深空通信中誤碼率極高，一般為10-1。

(5)鏈路極不穩定

通常深空通信鏈路不能保證永久暢通，通常情況是長時間中斷或頻繁中斷，由于地球以及行星的自旋，航天器與地面通信節點或者地球站的通信鏈路平均維持8h，在對其他天體探測過程中，一般有一半以上的時間航天器被星體遮擋，航天器發出的消息經常需要經過多個運動節點才得以傳輸[13]，所以在深空通信網絡中經常實時改變網絡的拓撲結構。

(6)空間通信資源有限

深空通信鏈路容量極其有限，頻帶資源匱乏。

(7)航天器存儲以及處理能力有限

深空通信中時延極大，為了解決時延問題，一般采用儲存轉發的通信策略，而這就對航天器性能要求更高

(8)安全性問題嚴峻

深空環境是開放的，通信過程易受到攻擊，數據傳輸安全性與完整性不易保證。

2.2深空通信DTN中有待解決的問題

2.2.1數據傳輸可靠性問題

當前束層協議規范還沒有辦法探測錯誤報或者拒收損壞的包裹[12]，正因為缺少了這種校驗機制，深空DTN網絡不能保證每一跳接受包裹信息的準確性。目前行之有效的解決方法是通過包裹層安全規范對數據加以約束，并同時使用可靠性密碼向各個節點收到的包提供具有安全附帶作用的檢查。這種檢查雖然一定程度上提高了數據的可靠性，卻還不是很完善，需要在之后的研究中解決校驗功能存在的漏洞。

2.2.2擁塞控制問題

互聯網協議研究中，有關擁塞控制的很多[11]，但是在DTN中卻很少。與TCP/IP協議不同的是，DTN協議結構中不存在端到端的確認機制，這也導致了在DTN網絡中不可以直接復制地面互聯網中應用的擁塞控制。要解決DTN中擁塞問題，最核心的問題就是改變當前每個節點和包裹操作采用保管傳輸的方式[13]，這種方式大量占用了存儲資源。當前DTN網絡通過在網絡中逆向廣播當前整個網絡中各個節點內存使用情況的方式，使得網絡中節點自我調節，從而達到控制流量的目的。

2.2.3存儲轉發和保管傳遞策略

DTN網絡采用“存儲-轉發”的方式傳輸數據信息，這種方法的優點在于它可以避免由于鏈路的頻繁中斷導致的丟包問題，存儲轉發的模式帶來的是鏈路資源如何合理分配利用的問題[17]。從前文所述的深空通信特點可以看出，深空通信鏈路節點資源可能極為稀少，且節點間的連接是續斷的，存儲轉發模式要求鏈路對于稀缺的資源必須高效地利用。DTN中提出了一種改進型的存儲轉發模式——“存儲-保存-轉發(store-carry-forward)”,這種模式與傳統存儲轉發模式不同之處在于，上級節點在存儲新接收到的包裹后，一旦發現下級節點可用，便將已接收到的包裹以分段傳輸的方式轉發出去。相比原始的“存儲轉發”模式，這種模式更為靈活，它允許了包裹分段，并可以進行重新分段，并在傳輸過程中自治路由。這種模式需要對DTN中的包裹層協議進行修改[18]。

2.2.4路由問題

傳統網絡中，路由協議基于源節點和目的節點之間的一條穩定路徑。而與ad-hoc網絡不同的是，DTN網絡結構中，節點相對稀少，采用DTN路由策略一定是典型的確定性路由方案。在深空環境中，數據傳遞時延大，并存在間歇性鏈路中斷[14]，未來需要重點研究如何在這種情況下實現數據的有效多跳傳輸。

2.2.5傳輸層問題

DTN網絡中可能需要兩種模式的傳輸協議：第一種傳輸協議需要在DTN不能有效操作時代替DTN功能(如DTTP和LTP-T)，這種傳輸服務應用在高層，通過分級管理的方式為DTN提供傳輸服務；另一種傳輸協議應對多跳的端到端傳輸，是常規深空通信模式下的傳輸協議。超長距離下擁塞管理與端到端可靠性傳輸兩個問題[15]是深空通信網絡協議傳輸層協議有待解決的兩個問題。

2.2.6安全性問題

與常規網絡模型不同，DTN安全模型由以下四個部分組成：用戶節點、DTN網絡路由器、DTN區域網關和DTN證書認證[16]。而目前深空通信網絡所應用的DTN安全技術中，束的分段交互與密碼機制受到很大的限制，秘鑰管理機制也十分不完善，每一跳中的安全機制也不能達到要求。

2.2.7時間同步問題

由于深空通信環境的特點，時間同步問題相對于地面DTN網絡要突出得多。深空DTN網絡中，只有有了基準時間、路由計算以及延遲指令的執行與自行停止才能準確無誤地完成。而即使產生了正確的路由協議，鏈路上的各個節點也需要根據這個基準時間進行選擇性丟包[15]，所以時間同步問題在深空通信環境下的DTN網絡中也顯得尤為重要[17]。

3結束語

行星際互聯網是當前國際研究熱點，而這種極大規模的空間網絡，可能需要融合人類所有已建成的各種通信網絡。這些底層協議互不相同的異構網絡如何相輔相成地融合、可靠地傳輸各種數據信息，是未來深空通信中應用DTN網絡的主要研究方向，這也為DTN的應用提出了迫切的需求。DTN網絡是通用的且面向消息的可靠體系架構，尤其適合深空通信環境，理論研究與應用價值極高。

參考文獻

[1]張乃通,李暉,張欽宇.深空探測通信技術發展趨勢及思[J].宇航學報,2007,28(4):20-21.

[2]Akyildiz I F,Akan ? B,Chen C,et al.InterPlanetary Internet:State-of-the-art and Research Challenges[J].Computer Networks,2003,43(2):75-112.

[3]Space Communication Architecture Working Group.NasaSpace Communication and Navigation Architecture Recommendations for 2005-2030[R].NASA Technical Report,Washington DC,2006.

[4]沈榮駿.我國天地一體化航天互聯網構想[J].中國工程科學,2006,8(10):19-30.

[5]Fall K.A Delay-tolerant Network Architecture for Challenged Internets[C]∥Proceedings of the 2003 Conference on Applications,Technologies,Architectures,and Protocols for Computer Communications.ACM,2003:27-34.

[6]Hogie K,Criscuolo E,Parise R.Using Standard Internet Protocols and Applications in Space[J].Computer Networks,2005,47(5):603-650.

[7]Burleigh S,Hooke A,Torgerson L,et al.Delay-tolerant Networking:an Approach to Interplanetary Internet[J].Communications Magazine,IEEE,2003,41(6):128-136.

[8]Space Communications Protocol Standards(SCPS)[S/OL].http:∥www.scps.rog.

[9]Consultation Committeefor Space Data Systen(CCSDS).CCSDS File Delivery Protocol[S].CCSDS 727.0-b-4,January 2007.

[10]Samaras C V,Tsaoussidis V,Peccia N.DTTP:aDelay-tolerant Transport Protocol for Space Internetworks[C]∥2nd ERCIM Workshop on eMobility,Tampere,Finland,2008:188-193.

[11]DTN2Reference Implementation Documentation[EB/OL].http:∥www.dtnrg.org/wiki/dtn2documentation.

[12]Greifenberg J,Kutscher D.Rdtn:AnAgile Dtn Research Platform and Bundle Protocol Agent[M]∥Wired/Wireless Internet Communications.Springer Berlin Heidelberg,2009:97-108.

[13]Wood L,Ivancic W D,Eddy W M,et al.Use of the Delay-tolerant Networking Bundle Protocol from Space[DB/OL].IAC 2008,B2.3.10.http:∥personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/publications/wood-dtn-bundles-space-IAC-08.B2.3.10.pdf

[14]Torgerson J L,Clare L,Wang S Y,et al.The Deep Impact Network Experiment Operations Center[C]∥Aerospace conference,2009 IEEE.IEEE,2009:1-12.

[15]葉建設，宋世杰，沈榮駿.深空通信DTN應用研究[J].宇航學報，2010,3(2)：234-250.

[16]Fall K,Farrell S.DTN:An Architectural Retrospective[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,2008,26(5):828-836.

[17]黃博.延遲容忍網絡包裹層協議的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010:35-40.

[18]吳海濤,梁迎春,陳英俊.深空通信現狀研究[J].肇慶學院學報,2011,32(5):28-32.

Research on Application of DTN Protocol Architectures in Deep Space Communication

NIE Yu-lei,PENG Feng-shan,ZHANG Geng-xin,LI Yong-qiang,XIE Zhi-dong,HU Jing

(College of Communications Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

Abstract：This paper introduces briefly three network protocol architectures used in deep space communication,compares the advantages and disadvantages of these three architectures,and proposes the application scenarios of all three architectures based on the analysis of the challenges and existing problems in the deep space communication.Subsequently,this paper dissects the architecture and analyzes the study progress of DTN.Meanwhile the key techniques of DTN protocol architecture are introduced,and the problems in communications using DTN protocol architecture in deep space environment are discussed.The application prospect of DTN in future deep space communications is envisioned.

Key words：deep space communication;DTN;bundle protocol;LTP Protocol

中圖分類號：TN927

文獻標志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-22-4

作者簡介：聶宇雷(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：衛星通信。張更新(1967—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向：軍事衛星通信、深空通信。

基金項目：國家自然科學基金項目(91338201，91438109，61401507)

收稿日期：2016-02-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.06

引用格式：聶宇雷，彭鋒彬，張更新，等.深空通信中容遲容斷網絡協議體系應用研究[J].無線電通信技術,2016,42(3):22-25，36.