空間互聯網協議技術及應用

楊志華+袁鵬+張欽宇

摘要：認為空間互聯網作為地面互聯網向臨近空間、地球軌道空間甚至深空空間的拓展，在通信中繼、對地觀測和導航定位等多領域發揮了重要作用。介紹了典型空間互聯網的體系結構，針對鏈路差異、拓撲動態和網絡異構的特點，提出了空間互聯網中協議體系、路由技術、網絡安全和網絡仿真等關鍵技術。

關鍵詞：空間互聯網；協議體系；路由；網絡安全

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0046-003

1 空間互聯網

無線通信和控制技術的快速發展與未來信息全球化和宇宙探測的迫切需求，促使傳統地面互聯網絡向臨近空間、地球軌道空間甚至深空空間拓展[1]。通過空間無線通信和地面有線通信技術，將在軌衛星、空間飛行器和地面設施等構成互聯互通的空間互聯網，在通信中繼、對地觀測和導航定位等領域發揮重要作用。

1.1 網絡結構

典型的空間互聯網包含衛星通信系統、臨近空間通信系統和地面通信系統[2]，如圖1所示。衛星通信系統由地球軌道衛星構成，包括地球同步軌道衛星、中軌衛星和低軌衛星等，節點間通過星間鏈路（ISLs）互聯，與臨近空間和地面節點通過星地鏈路（SGLs）連接。衛星通信系統能夠提供空間互聯網中其他節點廣泛穩定的通信接入中繼服務，并能為更遠距離深空探測器提供通信支持。臨近空間通信系統包括亞軌道區間飛行器，如處于準靜止狀態的高空飛艇、氣球和高速飛行的無人機等。地面通信系統包括地面接收站、車輛、船只和人員等，通過有線網、無線移動和自組織網絡等方式互聯組網。

1.2 網絡特點

空間互聯網由在軌衛星、臨近空間飛行器和地面網絡構成，與傳統地面通信網絡相比，具有3個特點[3]。

（1）鏈路差異：空間互聯網中鏈路模型方面包含衛星和臨近空間無線連接，地面無線和有線連接等。其中衛星和臨近空間無線連接鏈路傳輸時延大、誤碼率高、上下行傳輸速率不對稱，與地面無線和有線連接環境存在顯著差異。

（2）拓撲動態：空間互聯網中拓撲結構包含周期運動的衛星，固定的地面接收，準靜止的高空飛艇、氣球和動態的無人機、地面車輛、船只和人員等。不同節點間連接中斷頻繁，導致網絡拓撲高度動態。

（3）網絡異構：空間互聯網中不同通信子網通信環境不同，存在單播、組播和廣播的傳輸模式，面向連接和非連接的傳輸協議，直接通信和中繼通信方式，網絡高度異構。

2 空間互聯網應用

空間互聯網將臨近空間、地球軌道空間甚至深空空間的飛行器、衛星和探測器組網，集成兼容了衛星通信系統、臨近空間通信系統和地面通信系統，支撐全球范圍通信覆蓋需求，部署靈活多樣，在通信中繼、對地觀測和導航定位等領域發揮重要作用。

2.1 通信中繼

空間互聯網覆蓋范圍廣，在軌衛星、臨近空間飛行器和地面通信設備互聯，不僅能夠與現有通信系統配合，為全球任意地區特別是遠洋、山區等基礎設施匱乏的區域提供通信中繼支持，而且能夠在地震和海嘯等災后或戰爭期間現有通信系統遭到破壞的場景下，提供應急通信服務。

2.2 對地觀測

對地觀測衛星搭載多種成像載荷飛行器和地面監測平臺相互配合，能夠實現對地球熱點區域快速、全方位精確觀測，并通過空間互聯網將數據傳輸至地面監測中心處理。

2.3 導航定位

導航衛星通過發送導航信號，能夠為陸地、海上和空中用戶提供導航、定位和授時等服務，同時臨近空間飛行器和地面設施能夠提供輔助增強定位，并在衛星導航功能失效或收到干擾為用戶提供替代服務。

3 空間互聯網關鍵技術

空間互聯網是地面互聯網向空間方向的擴展。然而鏈路差異大、拓撲動態和集成異構等特點，對空間互聯網應用提出了挑戰，因此亟需在協議體系、路由技術、網絡安全和網絡仿真等關鍵技術領域開展研究。

3.1 協議體系

為完成通信任務，網絡中各節點在收發數據時應遵守相應準則，即網絡協議。網絡協議體系是針對網絡各層環境和需求而形成的網絡協議集合，是網絡節點互聯互通的必要條件。目前空間互聯網使用的協議體系可分為3類：傳輸控制協議（TCP）/IP協議及改進，空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）協議及容遲/容斷網絡（DTN）協議[4]。

3.1.1 TCP/IP協議及改進

傳統TCP/IP協議針對地面網絡設計，假定了網絡中鏈路傳播時延短、誤碼率低且存在端到端的連接。而空間互聯網長傳播時延、高誤碼率特性降低了TCP/IP協議效率，甚至無法完成數據傳輸。對此研究人員提出了改進協議，包括基于參數的改進協議，基于端到端的改進協議和基于分割的改進協議[5]。基于參數的改進協議優化了參數配置；基于端到端的改進協議修改了傳統協議中擁塞控制和差錯檢測方案，如TP-Planet和TCP-Westwood協議；基于分割的改進協議根據具體網絡環境，分割數據傳輸鏈路并分別對應處理，如空間通信協議標準-傳輸協議（SCPS-TP）和比例顯式控制協議（P-XCP）。TCP/IP協議及改進技術成熟，和地面網絡互聯簡便，然而空間互聯網不同子網對其適應程度不同，因此效率較低。

3.1.2 CCSDS協議

CCSDS協議是空間數據系統咨詢委員會提出的針對空間通信的協議體系，包括數據鏈路層至傳輸應用層一系列協議，如CCSDS文件傳輸協議（CFDP），空間通信協議網絡規范協議（SCPS-NP），高級在軌系統（AOS）協議等[6]。CCSDS協議雖然較為完善，但是不適于移動接入情況，不能直接與傳統地面網絡互聯。

3.1.3 DTN協議

DTN協議是由Fall等于2003年提出針對空間互聯網提出的協議體系。為實現不同子網間異構互聯，DTN協議體系在應用層與傳輸層之間引入覆蓋層，使子網底層協議能夠與子網環境相匹配，包含Bundle協議，Licklider傳輸協議（LTP）和Saratoga協議等[7]。DTN采用存儲轉發的方式，應對網絡斷續連接的特性。DTN協議將連接分為兩類：永久連接和間斷連接（包括安排、機會和預測連接），定義了3種數據傳輸優先級和8種傳輸選項，實現數據在異構動態網絡中的傳輸，為空間互聯網建設提供可行方案。

3.2 路由技術

數據在網絡中傳輸路徑規劃需要路由技術的支持。高效、可靠的路由技術可以提高網絡吞吐量，減少網絡擁塞，減少端到端的時延。而鏈路差異、動態拓撲和網路異構特點使得傳統地面路由技術不適用于空間互聯網。空間互聯網的路由技術亟需深入研究。

3.2.1 衛星通信系統路由技術

衛星網絡拓撲周期性變化，經典的衛星通信系統路由設計都采用了離散化的方法，包括虛擬拓撲路由、區域劃分路由和按需驅動路由。

虛擬拓撲路由采用時間離散，根據衛星運動周期性規律，將網絡周期劃分為時隙，在時隙內網絡拓撲保持不變，將動態的網絡映射為時間離散的網絡快照[8]。該類路由借鑒了靜態路由計算方案，但對于突發狀況適用性不強，對節點存儲需求較高。區域劃分路由采用空間離散，將地球表面劃分成不同的邏輯區域，衛星邏輯地址為星下點對應區域編號[9]，在路由計算時依據邏輯地址進行規劃。該類路由屏蔽了衛星節點的移動，但只適用于規則拓撲結構網絡，計算出的路徑未必最優。按需驅動路由根據數據傳輸的需求更新網絡拓撲，無數據發送時保持拓撲結構不變[10]。該類路由在網絡節點數和傳輸數據量較小的場景中能減小網絡離散數目，但是對復雜網絡適應性不強。

3.2.2 臨近空間通信系統路由技術

臨近空間通信系統包含準靜止的高空飛艇、氣球和高速飛行的無人機，主要通過節點移動和鏈路狀態預測[11]，或針對衛星-臨近空間飛行器-地面站多層次的網絡結構，設計負載均衡或最小跳數的路由方案。

3.3 網絡安全

空間互聯網中開放式的通信環境和異構的網絡結構，易受到不同層次不同程度的干擾和攻擊，帶來網絡安全威脅[12]。網絡安全與網絡建設和應用息息相關，針對空間互聯網的安全問題需要進一步研究。

3.3.1 安全協議體系

空間互聯網具有多層次的協議體系，針對不同層位置和功能設計相應的安全機制[13]。安全協議體系應遵守上層安全機制不能違反底層安全機制和各層安全機制相互關聯等要求。具體而言，物理層安全服務指數據流機密完整性，數據鏈路層安全服務指連接機密性和認證，網絡層和傳輸層安全指認證、訪問控制，應用層安全指機密完整性、認證和訪問控制等。同時針對空間互聯網動態拓撲特性，跨層設計的安全協議引起廣大學者關注。

3.3.2 安全機制

空間互聯網安全需要相應的安全服務機制，如加密、認證和訪問控制等[14]。加密是指為保證機密性，通過對稱或非對稱的密碼算法，對數據進行加密，防止非授權用戶獲取信息的技術。認證是指通過密碼等方式獲取接入或訪問網絡的權限，防止偽裝用戶攻擊的技術，可細分為身份、數據源認證和秘鑰交換等。訪問控制是指限制訪問和使用網絡資源的技術。主要有3種方式，即主動性、執行性和基于角色的訪問控制。

3.4 網絡仿真

空間互聯網的建設具有高投入、高風險特點。因此，通過搭建仿真平臺，對擬建設的通信系統進行評估，確定其具體性能指標，并對數據的網絡傳輸過程進行直觀的顯示顯得尤為重要[15]。現有的仿真平臺主要有NS2、OPNET、ION等。此外，中國的一些高校和科研院所也自主開發了相應的仿真平臺。其中，西安電子科技大學在物理層仿真方面成果顯著，哈爾濱工業大學提出并設計了基于高層體系結構的分布式仿真平臺。

4 結束語

空間互聯網是地面互聯網絡向臨近空間、地球軌道空間甚至深空空間的拓展。在軌衛星、空間飛行器和地面設施互聯互通，滿足全球范圍的通信覆蓋，部署靈活多樣，在通信中繼、對地觀測和導航定位等領域發揮重要作用。空間互聯網具有鏈路差異、拓撲動態和網絡異構的特點，對空間互聯網的應用提出了挑戰，因此亟需對協議體系、路由技術、網絡安全和網絡仿真等關鍵技術開展研究。

參考文獻

[1] 李紀舟， 路璐， 郭利民. 空間互聯網技術發展現狀及趨勢[J]. 通信技術， 2015， 48（1）：1-7. DOI：10.3969/j.issn.1002-0802.2015.01.001

[2] 吳偉強. 面向空天信息網絡的數據傳輸策略研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2012

[3] MUKHERJEE J， RAMAMURTHY B. Communication Technologies and Architectures for Space Network and Interplanetary Internet[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2013， 15（2）：881-897. DOI：10.1109/SURV.2012.062612.00134

[4] WANG R H， TALEB T， JAMALIPOUR A， et al. Protocols for Reliable Data Transport in Space Internet[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2009， 11（2）：21-32. DOI：10.1109/SURV.2009.090203

[5] 劉洋. 空間通信網絡中可靠傳輸協議研究[D]. 西安：西安電子科技大學， 2011

[6] JIAO J， ZHANG Q Y， LI H. An Optimal ARQ Timer Design of File Delivery Time in CFDP NAK Model[C]//2009 5th International Conference on Wireless Communications， NETWORKING and Mobile Computing. USA， IEEE：1-5， 2009. DOI：10.1109/WICOM.2009.5302912

[7] CAINI C， CORNICE P， FIRRINCIELI R， et al. A DTN Approach to Satellite Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2008， 26（5）：820-827. DOI：10.1109/JSAC.2008.080608

[8] GOUNDER V V， PRAKASH R， ABU-AMARA H. Routing in LEO-based Satellite Networks[C]//Proceedings of IEEE Emerging Technologies Symp： Wireless Communications and Systems. USA， IEEE： 221-226， 1999. DOI：10.1109/ETWCS.1999.897340

[9] CHAN T H. A Localized Routing Scheme for LEO Satellite Networks[C]// ICSSC 2003. Yokohama， AIAA：2357- 2364， 2003

[10] PAPAPETROU E. Distributed on-demand Routing for LEO Satellite Systems [J]. Computer Networks， 2007， 51（15）： 4356-4376. DOI：10.1016/j.comnet.2007.05.008

[11] 徐世權. 臨近空間平臺的路由技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2010

[12] 彭長艷. 空間網絡安全關鍵技術研究[D]. 長沙：國防科學技術大學， 2010

[13] 黃展. 寬帶衛星網絡安全協議研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2009

[14] QI L， ZHI L. Authentication and Access Control in Satellite Network[C]// Electronic Commerce and Security （ISECS）， 2010 Third International Symposium on. USA， IEEE： 17-20， 2010. DOI：10.1109/ISECS.2010.12

[15] 張利強， 鄭昌文， 胡曉惠， 等. 一種基于HLA的衛星仿真系統的設計與實現[J]. 系統仿真學報， 2009， 21（20）：6487-6491