天地一體化信息網絡協議體系與傳輸性能簡析

楊冠男+李文峰+張興敢

摘要：對于中國天地一體化信息網絡（ISTIN）的構建，針對可能采用的兩種網絡協議體系，即傳輸控制協議（TCP）/IP和容遲容斷網絡（DTN），以3顆地球靜止軌道（GEO）衛星組成天基骨干網絡為例，分析了3種基本傳輸場景下的主要挑戰，通過計算機半實物仿真開展了協議傳輸性能的測試。試驗結果表明：盡管DTN協議與TCP-Hybla改進協議能夠獲得較好的傳輸性能，由于時延與誤碼率（BER）等參數存在較大的動態范圍，沒有一種協議能夠在所有傳輸場景下保持傳輸性能始終最優。天地一體化信息網絡協議體系的性能仍有待進一步提高。

關鍵詞：ISTIN；協議；傳輸性能

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0039-007

天地一體化信息網絡是中國國防信息化和信息化社會建設的重要基礎設施。天地一體化信息網絡中的“天”是指由衛星等航天器作為主要節點組成的天基網絡，而“地”主要指由地面站網絡、衛星應用專網、互聯網以及各類地面用戶等共同組成的地球表面網絡。通過網絡架構與協議體系層面的設計，屏蔽天、地各類系統在技術體制層面的差異，為用戶提供跨系統的、無需區分天地的各種服務與應用，實現一體化信息獲取、共享與利用是未來天地一體化信息網絡發展的主要目標[1]。

根據是否采用星間鏈路，我們可以將天地一體化信息網絡分為：

（1）天星地網。典型系統如國際海事衛星（Inmarsat）的寬帶全球網絡（BGAN）系統，由3顆Inmarsat IV衛星與地面站網絡組成，民用數據業務采用星狀拓撲，經過衛星中繼落地后通過地面站實現區內數據交換，互聯網接入或通過地面站網絡實現跨區的數據交換。BGAN從2012年開始提供航空寬帶衛星業務（SB-Sat），通過原航空寬帶網絡面向低軌道（LEO）衛星提供近實時的IP業務，速率最高可達475 kbit/s[2]，由此實現了以地面網絡為骨干的天空地一體化的網絡。

（2）天基網絡。典型系統如銥星通信系統，數據的交換完全通過星間鏈路完成。

（3）天網地網。它是前兩種形式的整合，典型系統如美國軍方規劃的全球信息柵格（GIG）擬構建的通信基礎設施，原計劃天基部分轉型衛星通信系統（TSAT）通過TSAT衛星間的星間鏈路實現空間寬帶網絡，并與GIG的地面網絡，以及無線網絡實現一體化。

由于政治、經濟等原因，中國天地一體化信息網絡的建設面臨的主要制約因素之一在于地面站設站受限，地面站基本位于中國境內。與其他一些國家類似系統相比，難以實現全球分布的地面站網絡。因此，為保障信息的及時獲取與分發，必須重點發展天基網絡基礎設施，并依托天基網絡，與可利用的地面網絡資源構建中國天地一體化信息網絡。

1 天地一體化信息網絡協議體系

由于包含天基網絡和地面網絡兩個組成部分，天地一體化信息網絡將是一個復雜異構的網絡系統[3]，涉及各種網絡協議，如圖1所示。網絡一體化的發展目標必須通過網絡協議體系的統一來實現[4]。

1.1 地面網絡協議體系

從19世紀60年代計算機網絡發展開始，網絡協議技術已經經歷了半個多世紀的發展，地面互聯網已經形成了以傳輸控制協議（TCP）/IP協議體系為主的網絡架構。TCP/IP協議體系發源于計算機網絡，是一種以主機為中心的網絡協議體系，IP地址直接對應到主機，主機與主機之間的數據可靠傳輸采用“端到端原則”。隨著移動通信技術的發展，移動互聯網的興起使得IP地址動態變化問題日益顯著，通過移動IP技術可以保證節點漫游過程中的網絡連接。從2000年左右，主要針對當前以點對點通信為基礎的TCP/IP網絡體系架構中的關鍵先天缺陷，主要包括可擴展性問題、動態性問題和安全可控性問題[5]等，未來網絡的研究試圖從根本上解決這些制約網絡未來發展的問題。在這些研究工作中，研究人員已經提出了信息中心網絡（ICN）[6]等多種區別于傳統TCP/IP的新型協議體系。

1.2 天基網絡協議體系

1.2.1 衛星通信網絡協議體系

在還沒有光纖的年代，最早的跨洋網絡線路是通過衛星中繼實現的。衛星通信網絡起源于衛星廣播系統，物理層、數據鏈路層協議多采用數字視頻廣播（DVB）系列協議。隨著第4代（4G）、第5代（5G）移動通信技術的發展，衛星通信也已成為4G、5G標準中的重要組成部分。由于互聯網應用以地面為主，作為地面互聯網在空間的延伸，衛星通信網絡主要采用TCP/IP協議體系[7]。然而，起源于計算機網絡的傳統TCP協議在面臨具有較大帶寬、較長時延、較高誤碼率的衛星信道時，其傳輸效率大打折扣。解決這一問題的辦法并不復雜，主要采用TCP性能增強代理（PEP）的方式[8]，將空間段與地面段分割開來，空間段使用優化后的TCP協議，可以大大提高傳輸性能。然而，由于關口站采用PEP方式打破了端到端傳輸原則，因此無法應用原有網絡安全機制，可能給衛星網絡帶來潛在的安全風險[9]。隨著未來網絡的研究，衛星網絡在未來網絡中的地位與作用也正受到日益關注。

1.2.2 航天測控通信網絡協議體系

航天測控通信相關的網絡協議國際標準主要由國際空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）制定，由于航天任務自身的特殊業務需求，CCSDS有針對性地制定了大量物理層、數據鏈路層協議的國際標準，為不同國家航天任務之間開展協作與資源共享提供了統一的通信接口。CCSDS還曾經根據空間特性制定了空間通信協議規范（SCPS），包含重新定義的其文件協議（SCPS-FP）、傳輸協議（SCPS-TP）、網絡協議（SCPS-NP）和安全協議（SCPS-SP）等完整的網絡協議體系，用以實現空間信息系統的組網，如圖2所示。但是，由于開發維護成本高昂等問題，目前SCPS協議族中除了支持PEP方式的SCPS-TP協議仍然在一些商用設備中使用而得到繼續維護外，其他協議在CCSDS已全部停止維護更新了，并建議采用容遲容斷網絡（DTN）協議體系[10]或IP over CCSDS方式統一到TCP/IP協議體系。

DTN協議起源于美國國家航空航天局（NASA）星際互聯網的研究，主要克服星際通信中可能出現的長時間中斷、延遲、惡劣的信道質量等挑戰[11]，其協議體系如圖3所示。與傳統TCP/IP5層結構相比，DTN協議體系在應用層和傳輸層之間引入了一個束協議層（BP），并通過其中的匯聚層（CLA）實現不同傳輸協議的轉換。BP可以通過使用持久存儲+轉發的方式來克服網絡的間歇性連接問題。DTN中定義的另外一個重要的新協議是Licklider傳輸協議（LTP）[12]。LTP既可以實現類似TCP的可靠傳輸，又可以設置成類似用戶數據報協議（UDP）的不可靠傳輸。LTP可以不需要網絡層協議而直接工作在數據鏈路層之上，可以應對具有較大帶寬延遲積的通信環境，使數據在長延遲、可變長中斷的通信環境中無丟失的傳輸，不需要依靠穩定的通信往返延遲。由此可見，DTN與TCP/IP相比是兩種完全不同的協議體系。需要特別指出的是：DTN由于采用覆蓋網絡的形式，通過CLA兼容各種網絡協議，并且提供了一種網絡協議演進的可能。目前，DTN中的兩個最主要的協議BP和LTP協議已經在CCSDS完成了空間網絡協議的標準化，并已在國際互聯網工程任務組（IETF）開展作為互聯網協議的標準化工作。在實際應用中，國際空間站上的實驗載荷數據傳輸業務正全面采用DTN協議。

1.3 網絡協議的天地一體化

從上面的分析可以看出：天地一體化信息網絡涉及的各類網絡體系龐雜，盡管地面互聯網經過不斷的發展和完善已經形成了以TCP/IP為主的協議體系，但是隨著網絡規模、應用的不斷突破，這一相對成熟的體系也面臨著新的挑戰，未來網絡的研究中正在不斷探索各類新型網絡協議體系。相比而言，受到傳輸環境、星上載荷能力、網絡物理架構等多種因素的制約，天基網絡協議的研究與應用面臨不同的挑戰，并且遠遠落后于地面網絡的發展。目前較為成熟的協議體系仍然以TCP/IP為主，在NASA的推動下DTN協議也正在快速發展并逐步投入實用。兩種網絡協議體系特性的比較如表1所示。簡單來說，TCP/IP協議體系起源于地面計算機網絡，通過TCP/IP實現天地一體化的發展思路是地面網絡協議體系向上延伸，而DTN協議體系起源于深空通信，應用于天地一體化是星際互聯網協議體系向下拓展，兩者都要考慮天地一體化信息網絡的特殊性。

2 天地一體化信息網絡條件下的傳輸場景與協議性能

在分析了目前較為成熟的網絡協議體系后，我們通過實驗比較了TCP/IP、DTN兩種協議體系在天地一體化信息網絡環境下的傳輸性能。傳輸性能的改善是傳統衛星網絡研究中研究最為深入的領域，然而由于中國天地一體化信息網絡星地架構的特殊性，過往文獻對傳輸性能的分析可能并不與之符合，相關性能測試的結果和分析將對未來實際系統的建設提供重要的參考。

2.1 天地一體化信息網絡傳輸場景

中國天地一體化信息網絡必須以天基網絡為主體，網絡協議性能與天基網絡物理架構緊密相關。目前中國已經提出了多種網絡架構[13-15]方案，包括地球靜止軌道（GEO）覆蓋方案、LEO覆蓋方案及其他多層覆蓋方案等。網絡架構方案與工程建設周期、成本、技術難度等多種因素有關，我們不做深入探討。在這篇文章中，我們采用了最簡單的3顆GEO衛星實現準全球覆蓋的天基骨干網絡方案作為試驗場景。

考慮空間信息傳輸的過程，事實上經過簡化后，我們可以得到如圖4所示的3種基本傳輸場景：圖4中（a）表示的是LEO或中高軌道（MEO）過頂時，數據直接通過星地鏈路發送的場景；圖4（b）表示的是LEO或MEO衛星離開地面站通信窗口后，通過骨干網絡GEO A衛星一跳傳輸的場景；圖4（c）表示超出GEO A衛星覆蓋范圍后，通過GEO A和GEO C兩跳傳輸的場景。

傳輸場景的變化主要帶來兩方面鏈路特性的變化：傳輸時延的顯著變化，誤碼率的顯著變化。顯然，由于通信距離最短，沒有中繼，在相同的衛星地面通信設備參數條件下，場景1信道質量最好，誤碼率最小，傳輸時延最短；與之相反，由于傳輸距離最長，且經過兩次中繼，如果GEO衛星沒有星上處理，僅作透明轉發，場景3的誤碼率和傳輸時延都將顯著提高。我們需要注意的是：由于中低軌衛星的移動，傳輸時延是時變的，場景1相應的傳輸時延大約在3～60 ms；場景2相應的傳輸時延大約在200～250 ms；場景3相應的傳輸時延大約在480～500 ms。

2.2 網絡協議設置

我們主要考慮TCP/IP協議體系和DTN協議體系下的協議傳輸性能這一技術指標。對于TCP/IP的協議體系，我們主要測試了兩種不同的TCP協議，分別是TCP-Cubic和TCP-Hybla。TCP-Cubic采用Cubic擁塞控制算法，適應于高時延帶寬積的網絡（長肥網絡（LFN）），Linux系統內核默認的TCP協議通常采用Cubic算法。TCP-Hybla主要針對具有較長時延，較高誤碼率的衛星或地面無線鏈路，改進了擁塞控制算法。TCP-Hybla可以應用于PEP方式衛星段的傳輸以改善衛星網絡的傳輸效率。

對于DTN的協議體系，主要測試BP協議通過CLA結合TCP、UDP、LTP等各種不同的傳輸方法。考慮到BP適配TCP協議時，由于存在額外的BP層的協議開銷，DTN（BP+TCP）的傳輸性能必然遜于單純的TCP協議；而BP適配UDP時，由于UDP的非可靠傳輸，在挑戰性的網絡環境中其傳輸性能會急劇下降。因此，對于DTN協議體系，我們主要測試了BP+LTP的協議組合，其中BP協議未開啟托管傳輸，LTP協議采用紅色模式。

因此，文中我們主要測試比較以下3種傳輸方式：TCP-Cubic、TCP-Hybla、BP+LTP在不同的信道特性下的傳輸性能。

3 仿真環境與實驗結果

3.1 仿真環境與參數設置

為了獲得盡可能接近實際的試驗結果，我們采用計算機半實物模擬的仿真方式，利用兩臺安裝Ubuntu14.04操作系統的計算機分別模擬不同場景中的源節點和目的節點，即衛星與地面站。兩臺計算機上分別安裝了ION-DTN（v3.4）協議棧以及Linux內核自帶的TCP協議，通過命令可以設置實際使用的擁塞算法。利用廣泛應用的軟件信道模擬器Netem模擬兩個節點間的衛星鏈路的特性，具體包括鏈路時延、信道丟包率、信道帶寬等參數。需要注意的是：在實驗過程中，對于所采用的各種協議我們沒有做任何優化，全部采用了默認的參數。仿真相關參數配置如表2所示。

3.2 試驗結果與傳輸性能分析

在上述仿真環境下，我們測試了2.1節中討論的（圖4）3種典型場景下不同網絡協議的傳輸性能。

3.2.1 鏈路時延對傳輸性能的影響

考慮較低的誤碼率（10-7）、較小的信道非對稱（1∶10）條件下，傳輸時延對有效吞吐量的影響。根據表2仿真相關參數配置參數，試驗中單向傳輸時延從3 ms一直增加到1 s，圖5給出了仿真結果。從圖中可以注意到當傳輸時延非常小時，TCP-Cubic和TCP-Hybla一樣，傳輸性能都好于DTN；但隨著時延的增長，TCP-Cubic的性能出現了顯著的惡化，當時延較長時，例如經過一跳或兩跳傳輸時，TCP-Cubic的傳輸速率不足信道帶寬的30%；TCP-Hybla和BP+LTP協議性能都好于TCP-Cubic，但是也都出現了顯著的性能下降，無法實現信道容量的充分利用。TCP-Hybla取得了最好的性能，這和我們的直覺可能存在差異，通常我們會認為在時延較長的情況下，DTN顯然應該有更好的性能，但并非如此。因DTN中容遲容斷所指的長延遲是指在星際通信中分鐘級、小時級，甚至更大的時延，天地一體化信息網絡條件下的傳輸時延并不是TCP完全無法工作的。

3.2.2 誤碼對傳輸性能的影響

考慮誤碼率對不同協議傳輸性能的影響，假設1∶10信道非對稱，圖6給出了在圖4中3種傳輸場景下的有效吞吐量。首先，在3個場景中，即3種不同時延條件下，誤碼率的增加都引起了有效吞吐量的顯著惡化，TCP-Cubic性能在3種協議中是最差的。我們可以注意到：在高誤碼率（10-5）條件下，不同的協議都只能獲得非常差的傳輸性能，TCP-Cubic幾乎不可用，而TCP-Hybla和BP+LTP略好。其次，不同于想象，在時延較長（場景3）但誤碼率較低（10-7）情況下，DTN協議并沒有獲得最優的傳輸性能，反而TCP-Hybla的有效吞吐量是最佳的。這一結果好像與容遲容斷網絡的名稱不符，但事實上，同樣在有限的時延下，DTN容遲容斷的特性并不能很好的體現出來，反而較高的協議開銷可能引起了傳輸性能的下降。另一方面，在3種場景下，我們可以注意到，總的來說DTN與TCP-Hybla的傳輸性能基本相當，但是當誤碼率從10-7變化到10-6甚至更高時，TCP-Hybla的性能基本都下降了超過一半，而DTN（主要是LTP協議）受誤碼率的影響相對較小。

4 結束語

針對TCP/IP和DTN兩種相對較為成熟的網絡協議體系，從傳輸性能的實驗結果可以觀察到：

（1）在天地一體化信息網絡通過GEO衛星作為骨干網絡形成準全球覆蓋的條件下，時延和誤碼對不同協議體系的傳輸性能都有顯著的影響，TCP改進協議與DTN具有相對較好的傳輸性能。

（2）DTN協議容時容斷的特性在有限的時延和信道非對稱率條件下并不能為傳輸性能帶來顯著的提升。需要注意的是：測試中TCP協議是內核實現，而星際覆蓋網絡（ION）-DTN協議則工作在用戶空間，因此本身可能存在一定的性能差異。

（3）由于中國天地一體化信息網絡主要依賴天基網絡，在不同的場景下，傳輸時延、誤碼率存在較大的動態范圍，這對協議傳輸性能帶來了巨大的挑戰。

就實驗結果看，并沒有一種協議能夠在各種傳輸條件下始終保持傳輸性能最優。這也意味著盡管在衛星網絡等領域對網絡傳輸性能的改進與優化已經較為深入，但是天地一體化信息網絡具有完全不同的技術挑戰，即使是在傳輸性能方面仍有改進的空間，在網絡協議體系的各個層面還存在著很多問題有待于進一步探索。

致謝

本研究得到美國Lamar大學王汝海教授，南京大學范晨陽、張文瑞的幫助和支持，謹致謝意！

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