發布/訂閱通信模式在空間信息網絡中的應用

魏　伍，徐　衛，呂　晶

(1.中國人民解放軍理工大學 通信工程學院， 江蘇 南京210007;2.空軍通信網絡技術管理中心，北京 100843)

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發布/訂閱通信模式在空間信息網絡中的應用

魏伍1，徐衛2，呂晶1

(1.中國人民解放軍理工大學 通信工程學院， 江蘇 南京210007;2.空軍通信網絡技術管理中心，北京 100843)

通過對發布/訂閱(P/S)通信模式和空間信息網絡體系架構的分析，論證了發布/訂閱(P/S)通信模式與點到點通信方式相比有一定的優勢，并在此基礎上，研究了基于發布/訂閱通信模式的空間信息網絡應用架構，設計并實現了一個基于局域網的空間信息網絡發布/訂閱通信模式軟件模擬環境，實現了數據在網絡上緩存，用戶無需從數據發布者處獲得資源，可直接通過網內緩存下載。

空間信息網絡；發布/訂閱；軟件設計

0　引言

隨著人類空間科學活動的逐步深入和空間應用研究的不斷發展，空間信息網絡的相關研究受到高度關注?？臻g信息網絡旨在高動態條件下空間信息的快速獲取、實時傳輸、協同處理和智能服務，將人類科學、生產和軍事活動擴展至外層空間。

近年來，圍繞著空間信息網絡，以美國為首的西方國家相繼展開了一系列研究，其中包括IPN項目[1]、OMNI項目[2]、TSAT項目[3]和SCaN項目[4]等。我國的空間信息網絡的相關研究受到高度關注。沈榮駿等提出了我國天地一體化航天互聯網的總體目標、組成、網絡體系結構及網絡協議的初步構想[5]。李德仁等對空天地一體化對地觀測網進行了概念研究[6]。

空間信息網絡[7]是一個立體動態異構網絡，節點種類和數量多，異構特性明顯。發布/訂閱通信模式(P/S)與傳統的網絡通信模式(端到端通信)相比，減少了信息傳輸的中間環節，能夠很好地適應節點運動帶來的切換、拓撲變化及斷續連接等情況，且秉承ICN[8]和DTN[9]網絡的數據存儲轉發機制，數據將在網內進行緩存，然后通過網絡直接發送給接收節點，通過多點多路勁的網絡化傳輸機制克服單點單路徑傳輸靈活性、魯棒性、柔韌性及可擴展性差的缺點。因此有效的信息緩存機制和方法就成為網絡有效運行和信息高效可靠傳輸的一個關鍵問題。

1　發布/訂閱通信方式

發布/訂閱通信模式[10]是一種使分布式系統中的各參與者，能以發布/訂閱的方式進行交互的通信模式。其中，信息的生產者和消費者之間所交互的信息被稱為事件。事件的生產者稱為發布者(publisher)，事件的消費者稱為訂閱者(subscriber)，發布者和訂閱者統稱為客戶端。發布者產生事件并發送給事件服務器，所有訂閱者都可以表達對事件的興趣，事件服務器可以將事件異步傳播到所有對該事件感興趣的用戶上。這種基于事件的交互方式的優勢在于發布者和用戶之間的時間，空間和同步完全解耦。

發布/訂閱通信模式為用戶提供了表達自己興趣的能力。發布者是產生事件的主體。在另一方面發布者將信息發送到事件服務器上，用戶向事件服務器訂閱想獲得的內容。

基本的系統模型如圖1所示，事件服務為訂閱者提供存儲與管理，和有效的發送事件給訂閱者。事件服務是發布者與訂閱者之間的中介。訂閱者登記他們對事件的興趣，而無需知道這些事件的資源在哪。此訂閱信息直到被退訂，不然一直儲存在事件服務器中，而不會轉發給發布者。

目前，發布/訂閱通信系統分為基于渠道的發布/訂閱，基于主題的發布/訂閱，基于內容的發布/訂閱，基于類型的發布/訂閱。

圖1　發布/訂閱模型

2　空間信息網絡體系架構概述

空間信息網絡[11]是以多種空間平臺(如同步衛星或中、低軌道衛星、平流層氣球和有人或無人駕駛飛機等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統。其系統組成如圖2所示。

從圖2可以看出，相比其他信息系統，空間信息網絡具有以下明顯特征：① 空間分布上是一個立體多層的網絡；② 節點類型多，網絡具有異構性；③ 節點、鏈路隨時空變化，拓撲具有動態性；④ 業務種類多，需求差異性大；⑤ 系統資源(軌位、頻率、功率、處理、計算、存儲)嚴重受限。

圖2　空間信息網絡系統組成

根據網絡中節點屬性、鏈路能力、任務特點和分布空間等，將空間信息網[12]劃分為以下幾個主要組成部分，系統中節點分布與相互間連接關系如圖3所示。

圖3　空間信息網節點分布與相互連接關系

① GEO衛星骨干網：整個骨干網由3～5個分布在不同軌道位置上的同步軌道(GEO)衛星簇組成。每個GEO衛星簇可由一顆或多顆GEO衛星組成，物理上可能包括通信、中繼、遙感和導航等多種衛星，邏輯上可以看作一個衛星節點，簇內衛星協作完成包括信息獲取、處理、傳輸、交換、存儲、計算和分發等功能。GEO衛星簇之間和簇內各衛星之間可通過高速的微波或激光星間鏈路實現信息交換。

② 服務增強衛星網：服務增強衛星網作為GEO衛星骨干網的補充，改善高緯度地區和極區的服務性能，可根據需要在空間信息網絡的建設過程中逐步擴展完成。服務增強衛星可能工作在傾斜同步軌道(IGSO)、高橢圓軌道(HEO)、中軌道(MEO)或低軌道(LEO)上，可以通過星間鏈路或地面信關站實現與GEO衛星簇之間的信息交換。

③ 升空平臺網：升空平臺(HAPS)主要布設在應急救援、城市熱點等區域，實現區域內的通信、導航和遙感增強。各升空平臺之間、升空平臺與地面/衛星節點之間可以通過微波或激光鏈路實現相互間的信息交換。

④ 運行控制網：其主要任務是管理整個空間信息網絡，維持各類空間平臺的正?？煽窟\行，為用戶提供業務支持，滿足各類用戶的使用需求。

⑤ 接入網和地面網。

這里以針對熱點地區進行信息獲取、處理、傳輸和分發的應用場景為例，給出空間信息網的工作流程示意圖，如圖4所示。其業務流程主要包括以下幾個步驟：

① 對地觀測衛星根據指令運行到熱點區域上空后進行信息獲取，并將獲取到的遙感數據進行必要的預處理；

② 對地觀測衛星將信息傳輸到GEO衛星骨干網，在GEO衛星骨干網中進行一定的信息處理、傳輸和交換；

③ 信息在軌或者傳輸到地面信息柵格后生成可供用戶使用的遙感產品；

④ 用戶通過GEO衛星、服務增強衛星、升空平臺等途徑獲取存儲在地面信息柵格或GEO衛星骨干網中的遙感產品。

圖4　空間信息網一種典型應用場景的工作流程示意圖

3　發布/訂閱的空間信息網絡應用架構

目前，許多學者開始關注信息為中心的網絡(Information Centric Networking，ICN)在衛星網絡中的運用[13]，與發布/訂閱通信模式相比，它們都是著重于信息本身，忽略終端用戶，不同點在于ICN并非采用IP協議簇，發布/訂閱通信模式是在IP協議簇的基礎上結合了網絡緩存。文獻[12]表明網絡緩存可以提高衛星網絡的通信資源效率，減少衛星帶寬資源浪費。

在空間信息網中，發布者是上文所指的信息產生節點可以是升空平臺、GEO衛星或其他衛星系統等，訂閱者并非所有的信息接收者，而是特指用戶終端，因為目前發布/訂閱的事件指的是遙感信息和傳統的通信業務，測控信息與指控信息并不在考慮范圍之類。

由于空間節點的多樣性，將空間信息網絡分為多個自治域[14](Autonomous System，AS)，每個自治域和子自治域都設有一個邊界節點，負責不同域之間網絡狀態和理由等信息的交換。這樣，既把每個AS域內部的拓撲變化相互屏蔽，減小了網絡管理和路由計算的復雜度，又便于衛星和升空平臺的“即插即用”。具體網絡拓撲結構如圖5所示。

圖5　空間信息網絡拓撲

該模型將路由控制信息和業務信息的傳輸進行分離，AS域間邊界節點用于路由計算與控制，地面運控中心站所發出的控制和路由信息通過控制鏈路發送到邊界節點，邊界節點再根據各自治域內部路由發給域內其它節點。而與用戶相連的邊界節點充當事件服務器，實現業務的發布/訂閱，這樣可以降低控制鏈路的信息傳輸和網絡擁塞的概率，提高控制管理信息傳輸的效率和可靠性，確保有效的網絡管理和路由信息的分發，從而提高全網運行效率和可靠性。

假定一種場景如圖6所示，來描述基于發布/訂閱通信模式的空間信息網絡應用架構。在該場景中，遙感衛星A作為事件的生產者，將遙感信息發布到其所在的AS1域中，AS1域與AS2域相連的邊界節點進行數據的交互，這樣，AS2域中也就存在了此事件，此時用戶F需要下載該信息，則只需要向其所對應的AS2域內邊界節點D提出請求即可。如果采用點到點的通信模式，那么此時的通信距離至少是鏈路1與鏈路2的長度之和(區域內鏈路忽略)。假設鏈路1與鏈路2的長度相同，每段鏈路無差錯的概率是a，那么進行一次通信，點到點的通信模式比發布/訂閱通信模式的通信長度多一倍即通信時間長一倍，出錯概率多1+a2倍。假設AS2是一個低軌衛星域，低軌衛星的過頂時間大約十幾分鐘，如果用戶與D的通信中斷了，由于網內有緩存，則用戶可以直接向切換后的衛星提出下載要求，而在點到點通信中，切換后衛星還需再次向F提出請求。所以在空間信息網絡中，由于鏈路的高時延，高誤碼率，易中斷的特點，會放大點到點的通信模式的缺點。此外，安全性也是發布/訂閱通信模式的優點之一，因為發布者對用戶是不可見的，所以增加了非法用戶對其惡意攻擊的難度。綜上所述，將發布/訂閱通信模式與空間信息網絡相結合有一定的意義。

圖6　基于發布/訂閱通信模式的空間信息網絡應用架構

3.1發布/訂閱通信模式軟件模擬環境

在此軟件模擬環境中，可以在用戶端與服務器上設置發送文件的睡眠時間值來模擬空間信息網絡中的時延，通過設置備用服務器，中斷用戶所連接的主服務器來模擬空間信息網絡鏈路中斷的情況。由于TCP協議在衛星通信系統中存在回傳時間長、擁塞窗口增長緩慢、丟失數據包的恢復時間長和接收窗口受限等問題[15]，所以采用UDP協議進行數據傳輸。此外，發布/訂閱通信方式設有兩種工作模式：

① 如圖7所示，發布者將事件發布到事件服務器上，服務器會在整個網絡中泛洪，告之其它事件服務器該事件并將其緩存下來，用戶可查詢與之相連的服務器中所有已發布的事件并進行下載，這是一種傳統的存儲轉發模式。為了解決網絡中的可靠性問題，采用的最簡單的復制冗余策略，即對每個發布的事件都在不同的節點上存儲一模一樣的備份。只要這些備份有一個沒有發生故障，數據就不會丟失。這種復制策略結構簡單，易于實現，并且節點修復也很簡單，新節點只需從存活節點上找到與發生故障的節點同樣的數據拷貝過來即可。但其有個嚴重的缺點，就是冗余存儲量過高，例如假設單個節點可靠性為0.5，想要維持整個系統可靠性大于0.999的話就需要至少10個冗余節點。

圖7　復制策略的發布/訂閱流程圖

② 如圖8所示，第二種工作模式利用糾刪來碼改進復制策略存儲開銷太大的缺點，發布者先將原始文件分成K份，原始文件長度為L。每一份子文件長度為L/K。然后產生一個N×K的生成矩陣G(N>K)，該矩陣是一個范德蒙矩陣，其中的元素取自有限域(有限域的范圍大于N)，所以該生成矩陣的秩為K。這樣原始文件經過生成矩陣產生N個子文件，獲得任意K個子文件即可恢復成原始文件?？蛻舳藢?個子文件上傳至邊緣服務器，邊緣服務器將這N個子文件按照一定策略發送給其余服務器(本文所采用的策略是依次發送)；其他用戶下載時需將任意K個子文件取回至邊緣服務器并下載到用戶進行解碼獲得原始文件。通過對數據進行編碼，來降低維持系統可靠性所需的存儲開銷并將風險均攤的方法來提高整個系統的可靠性，并且還有保密作用，只截獲一塊數據并不能還原源文件。

圖8　分布式存儲的發布/訂閱流程圖

3.2軟件運行示例

本文采用delphi應用程序開發工具實現基于局域網的空間信息網絡發布/訂閱通信模式軟件模擬環境。Delphi是windows平臺下著名的快速應用程序開發工具(Rapid Application Development，簡稱RAD)。

圖9給出了一個實例，文件“Delphi組件參考大全.pdf”在PC1經過4×3的生成矩陣共產生4個子文件，上傳給邊緣服務器A，A將子文件依次發送給B和C，B和C中分別有兩個子文件，PC2下載該文件時，由于C中子文件小于3需要從A或B中任意下載一個不同的子文件即可在客戶端進行解碼。圖10為源文件與編碼后文件的示意圖。

圖9　發布/訂閱模擬場景

圖10　源文件與編碼后文件

4　結束語

本文主要對空間信息網絡的發布/訂閱的通信方式進行研究，旨在明確P/S通信方式在空間信息網絡中的重要意義。分析了發布/訂閱(P/S)通信模式時間、空間、同步的解耦特點與空間信息網絡的域間、域內通信架構，論述了在空間信息網絡中，發布/訂閱(P/S)通信模式與點到點的通信模式相比，可以減少時延降低差錯概率的優勢。并且，通過delphi應用程序開發工具設計了一個基于局域網的空間信息網絡發布/訂閱通信模式軟件模擬環境。

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Application of Publish/Subscribe Communication Model in Space Information Network

WEI Wu1，XU Wei2，LV Jing1

(1.College of Communication Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China; 2.Air Force Communications Network Technology Management Center，Beijing 100843，China)

Based on analysis of Publish/Subscribe (P/S) and space information network architecture，this paper proves that the publish/subscribe (P/S) communication mode has some advantages comparing to point-to-point communication mode，and studies the space information network architecture based on Publish/Subscribe communication mode.The software simulation environment of Publish/subscribe communication mode of space information network based on LAN is designed.In this environment，the data is cached in the network，and users need access to cache within network instead of data publisher.

space information network；publish/Subscribe；software design

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.19

引用格式：魏伍，徐衛，呂晶.發布/訂閱通信模式在空間信息網絡中的應用[J].無線電通信技術,2016,42(5):75-79.

2016-06-20

國家自然科學基金項目(91338201)

魏伍(1991—),男，碩士研究生，主要研究方向：衛星通信。呂晶(1965—),男，教授，主要研究方向：衛星通信、衛星導航、衛星測控。

TN927

A

1003-3114(2016)05-75-5