深空通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展與展望

安建平，靳松，許軍，張宇，邵立偉

（1.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京 100081；2. 中山北京理工大學(xué)研究院，廣東 中山 528400）

深空通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展與展望

安建平1，靳松1，許軍1，張宇1，邵立偉2

（1.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京 100081；2. 中山北京理工大學(xué)研究院，廣東 中山 528400）

分析了發(fā)展深空通信網(wǎng)絡(luò)的需求，結(jié)合深空通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)深空通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系和路由策略等的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)深空通信網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

深空探測(cè)；CCSDS；協(xié)議體系架構(gòu)；DTN；路由協(xié)議

1 引言

深空探測(cè)是在人造衛(wèi)星、載人航天等領(lǐng)域取得重大成就的基礎(chǔ)上，向更廣闊的太陽(yáng)系及太陽(yáng)系外空間發(fā)展和探索的空間活動(dòng)，對(duì)于人類認(rèn)識(shí)宇宙的起源與發(fā)展、開(kāi)發(fā)利用空間資源具有重要意義。隨著人類對(duì)宇宙的探索愈發(fā)深入，深空探測(cè)越來(lái)越得到世界各國(guó)的重視。

作為人類在新世紀(jì)的3大航空活動(dòng)之一，深空探測(cè)不僅在民用方面有著廣泛的前景，在軍事、政治方面也有著舉足輕重的地位，世界各航天大國(guó)已制定了探測(cè)計(jì)劃，甚至制定了登陸火星的時(shí)間表[1]，并展開(kāi)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。進(jìn)入21世紀(jì)，人類迎來(lái)了深空探測(cè)活動(dòng)的新熱潮。迄今為止，人類已經(jīng)探測(cè)了太陽(yáng)系的8大行星和太陽(yáng)、彗星、小行星以及月球，并實(shí)現(xiàn)了在火星、金星、土衛(wèi)六等天體上的軟著陸[1]。

2007年1月，中國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)發(fā)布了《“十一五”空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃》，將火星探測(cè)作為中國(guó)“十一五”期間太陽(yáng)系探測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題[2]。2011年7月，科技部發(fā)布的《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，將深空探測(cè)作為大力開(kāi)展的前沿技術(shù)研究?jī)?nèi)容之一[3]。隨著中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)于2016年5月正式立項(xiàng)[4]，我國(guó)空間探測(cè)進(jìn)入深空探測(cè)時(shí)代。以載人登月、火星探測(cè)、小行星探測(cè)為標(biāo)志的未來(lái)載人深空探測(cè)任務(wù)，對(duì)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、多類型業(yè)務(wù)（包括圖像、語(yǔ)音等）調(diào)度能力及數(shù)據(jù)吞吐率等要求將大大提升，這就對(duì)深空通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的需求及挑戰(zhàn)。

深空通信網(wǎng)絡(luò)以空間星座節(jié)點(diǎn)、探測(cè)器節(jié)點(diǎn)及地面節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，以滿足數(shù)據(jù)可靠高效傳輸、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、組網(wǎng)靈活迅速、不受地理環(huán)境限制的發(fā)展需求，為各種空間探測(cè)任務(wù)提供通信支持服務(wù)。深空通信網(wǎng)具有以下特點(diǎn)。

1) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、物理鏈路間歇中斷、延遲大。在深空通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間距離可能大，物理鏈路具有大尺度特性，導(dǎo)致通信延遲大。此外，各中繼節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星及航天器都處于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致通信鏈路高速動(dòng)態(tài)變化以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸容易受到各種外界因素影響而產(chǎn)生失真，如宇宙射線、陰影效應(yīng)、電離效應(yīng)等影響，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高。穩(wěn)定可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接不復(fù)存在，鏈路處于間歇式通信狀態(tài)。上述特性為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，要求網(wǎng)絡(luò)從系統(tǒng)架構(gòu)上要有相應(yīng)的策略來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和可靠性。

2) 網(wǎng)絡(luò)高度異構(gòu)、協(xié)議多樣。深空通信網(wǎng)絡(luò)需要整合現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和現(xiàn)存空間探測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)互連互通，同時(shí)與現(xiàn)有的多種通信協(xié)議兼容。然而，空間節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)種類繁多、不同節(jié)點(diǎn)的功能、運(yùn)行狀態(tài)、接入及傳輸能力等方面的較大差異，使通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)自成體系，深空通信網(wǎng)絡(luò)成為一種高度異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3) 資源受限。受空間平臺(tái)制約，星上通信設(shè)備通常要求體積小、重量輕、功耗低，各模塊間功率資源分配受到嚴(yán)格的限制，同時(shí)，空間平臺(tái)所使用的宇航級(jí)抗輻照器件性能遠(yuǎn)低于地面商用器件，這就要求組網(wǎng)過(guò)程中所涉及的協(xié)議、算法和策略的復(fù)雜度盡可能低。

4) 數(shù)據(jù)量大且需要數(shù)據(jù)共享。未來(lái)深空探測(cè)會(huì)涉及到行星表面網(wǎng)絡(luò)中的行星車、飛行器、著陸器等多航天器的協(xié)同工作，將會(huì)有大量形式多樣（科學(xué)數(shù)據(jù)、音/視頻等）的信息需要在衛(wèi)星和多航天器間共享，為深空通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、兼容性等帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

基于深空通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，本文將從深空通信網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)和傳輸控制協(xié)議、路由策略等方面，介紹深空通信組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行分析，并對(duì)深空通信網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行展望。

2 深空通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

為了滿足未來(lái)深空探測(cè)的需求，世界各國(guó)在繼續(xù)完善衛(wèi)星及探測(cè)器系統(tǒng)的種類和提高空間平臺(tái)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了深空通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)研究，旨在充分利用各類空間平臺(tái)資源，建立一體化的深空通信網(wǎng)絡(luò)。

深空通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，逐漸產(chǎn)生了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，其中包括空間IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS,Consultative Committee for Space Data Systems）協(xié)議體系結(jié)構(gòu)和容忍延遲/中斷網(wǎng)絡(luò)（DTN, delay/disruption tolerant network）協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。

2.1 空間IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

由于地面 Internet取得了巨大成功，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA, National Aeronautics and Space Administration）也致力于將TCP/IP協(xié)議體系作用于空間通信環(huán)境的研究中。研究人員最初試圖將 TCP/IP協(xié)議族直接移植至空間探測(cè)網(wǎng)，如美國(guó)哥達(dá)德航天中心在2001年啟動(dòng)了OMNI（operating mission as nodes on the Internet）研究項(xiàng)目[5]。該項(xiàng)目旨在利用成熟的地面商用 TCP/IP協(xié)議進(jìn)行空間通信，強(qiáng)調(diào)盡量使用地面商用協(xié)議來(lái)解決空間組網(wǎng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)地面終端至空間平臺(tái)全I(xiàn)P化，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果[6]。

TCP/IP協(xié)議體系能縮減空間組網(wǎng)成本，同時(shí)易于升級(jí)，協(xié)議兼容性強(qiáng)，但也存在諸多問(wèn)題。

TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，設(shè)計(jì)傳輸延遲很小，在數(shù)據(jù)交換之前需要先交換報(bào)文，完成“3次握手”并建立連接，同時(shí)TCP協(xié)議所具有的慢啟動(dòng)等擁塞控制機(jī)制必須通過(guò)收端發(fā)送應(yīng)答(ACK, acknowledgement)來(lái)調(diào)整發(fā)送窗口大小，動(dòng)態(tài)調(diào)整信息發(fā)送速率，以避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，這些措施在高時(shí)延、高誤碼率的深空信道中會(huì)帶來(lái)較大的延遲。以火星探測(cè)為例，當(dāng)火地距離最近時(shí)，電磁波從地球到達(dá)火星需要4 min，而往返時(shí)間（RTT，round trip time）為8 min，文獻(xiàn)[7]在數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)為1 500 byte，且每分組數(shù)據(jù)均需要反饋的前提下，計(jì)算出了 TCP在RTT為8 min時(shí)，不同分組丟失率（假設(shè)分組長(zhǎng)為1 500 byte）對(duì)應(yīng)的吞吐量。其中，要達(dá)到百萬(wàn)比特速率量級(jí)的傳輸速率要求分組丟失率需要在 10?10數(shù)量級(jí)，對(duì)應(yīng)的誤比特率更低，不符合深空信道高時(shí)延、高誤碼率的特點(diǎn)。

針對(duì)大時(shí)延斷續(xù)的空間應(yīng)用環(huán)境, 國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF, Internet Engineering Task Force）對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行了一些改進(jìn)。在RFC1072中提出了選擇應(yīng)答方式（SNACK），在一個(gè) ACK信號(hào)中包含多個(gè)分組成功接收的應(yīng)答信息，減少了 ACK次數(shù)[8]。在 RFC1379中提出了 T/TCP（transaction TCP），只需要在第一個(gè)TCP 連接時(shí)進(jìn)行3次握手，其后的連接過(guò)程可跳過(guò)握手過(guò)程直接傳送數(shù)據(jù)信息[9]。在RFC1323中，使用了窗口擴(kuò)大選項(xiàng)和時(shí)間戳選項(xiàng)，增加TCP的最大窗口，使TCP對(duì)RTT的測(cè)量更加精確，同時(shí)還針對(duì)在高速率下可能發(fā)生的序號(hào)回繞問(wèn)題提供保護(hù)[10]等。

文獻(xiàn)[11]提出了 TCP-Peach，采用了突發(fā)啟動(dòng)和快速恢復(fù)算法，但其需要在鏈接路徑上的路由器具有優(yōu)先權(quán)鑒別機(jī)制，且會(huì)導(dǎo)致額外的開(kāi)銷。而在TP-Planet[12]中，提出了一種基于比特的 AIMD（additive increase and multiplicative decrease）擁塞控制機(jī)制，用于替代 TCP的慢啟動(dòng)機(jī)制，提升了鏈路資源利用率，但需要節(jié)點(diǎn)支持相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保證，且在超長(zhǎng)時(shí)延和時(shí)斷時(shí)續(xù)鏈路場(chǎng)景下效果有限。

綜上所述，TCP/IP協(xié)議的流量及擁塞控制等傳輸控制機(jī)制在延遲較低，誤碼率較低的空間鏈路得到了成功應(yīng)用，但在延遲大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓㈡溌窌r(shí)斷時(shí)續(xù)、信道誤碼率高的深空環(huán)境中并不適用。而目前提出的諸多改進(jìn)的TCP方案雖然一定程度緩解了由深空環(huán)境高延遲、高誤碼率及鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，但其只考慮了端到端的情況，并未考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的行為特性，缺乏針對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

2.2 CCSDS協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)成立于1982年，旨在制定通用的空間數(shù)據(jù)及信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，CCSDS協(xié)議體系已較為成熟，整體協(xié)議棧功能較為完善，具有較為靈活的協(xié)議配置能力。在我國(guó)的航天工程中，神舟飛船、風(fēng)云衛(wèi)星和嫦娥探月衛(wèi)星等均采用了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[13]。由于CCSDS協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)性，其在一定程度上解決了不同國(guó)家的航天器的互連互通問(wèn)題。CCSDS標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如圖1所示。

CCSDS協(xié)議體系包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。其中，每一層又包括若干子層及多種可供組合的協(xié)議。

對(duì)不同的通信場(chǎng)景，CCSDS定義了4種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：用于遙測(cè)的 TM 協(xié)議[14]、用于遙控的TC[15]協(xié)議、高級(jí)在軌系統(tǒng) AOS協(xié)議[16]和近距離Proximity-1通信協(xié)議[17]。而針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層，針對(duì)不同應(yīng)用，CCSDS建議采用空間分組協(xié)議（SPP）[18]、SCPS-NP或成熟的TCP/IP協(xié)議族[19]。在傳輸層及應(yīng)用層，則可選用 SCPS-SP[20]、CCSDS文件傳輸協(xié)議等協(xié)議。

圖1 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

空間通信協(xié)議規(guī)范(SCPS, space communication protocol specification)于1999年提出，其針對(duì)空間數(shù)據(jù)傳輸特性，以地面互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，修改并擴(kuò)展了 TCP/IP協(xié)議族，制定了空間通信協(xié)議規(guī)范—網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（SCPS-NP）、空間通信協(xié)議規(guī)范—安全協(xié)議（SCPS-SP）、空間通信協(xié)議規(guī)范—傳輸協(xié)議（SCPS-TP）及空間通信協(xié)議規(guī)范—文件協(xié)議（SCPS-FP）[21]。其中，SCPS-TP是SCPS協(xié)議的必備協(xié)議，而其他3個(gè)協(xié)議可用TCP/IP協(xié)議族中相關(guān)協(xié)議進(jìn)行替換[22]。

針對(duì)空間通信場(chǎng)景，CCSDS對(duì)TCP協(xié)議做出修改和擴(kuò)展，提出 SCPS-TP協(xié)議[23]，增加了對(duì)事務(wù)TCP的支持，免除了3次握手機(jī)制[9]，擴(kuò)大了窗口大小，改進(jìn) RTT估計(jì)機(jī)制和防止序號(hào)回繞[10]，增加了選擇否定應(yīng)答（SNACK, selective negative acknowledgement）反饋方式等，擴(kuò)展選項(xiàng)支持基于速率的流量控制機(jī)制，使其適應(yīng)鏈路的高時(shí)延和不對(duì)稱等特性[24]。

傳統(tǒng) TCP協(xié)議屬于端到端協(xié)議，在中間節(jié)點(diǎn)不存在 TCP協(xié)議層，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法迅速感知發(fā)生在中間節(jié)點(diǎn)的分組丟失現(xiàn)象，造成不必要的時(shí)延。其派生的 SCPS-TP也不具有中間節(jié)點(diǎn)感知屬性，對(duì)于空間多跳網(wǎng)絡(luò)，SCPS-TP將會(huì)造成鏈路利用率下降[25～27]。

針對(duì)地面Internet網(wǎng)絡(luò)中FTP協(xié)議無(wú)法多連接傳輸、不支持傳輸暫停和續(xù)傳、難以處理錯(cuò)序數(shù)據(jù)分組等問(wèn)題，以及TCP協(xié)議“握手機(jī)制”在空間數(shù)據(jù)通信中效率較低，空間數(shù)據(jù)咨詢委員提出了CCSDS文件傳輸協(xié)議(CFDP, CCSDS file delivery protocol)[28]。

CFDP協(xié)議可以與傳輸層協(xié)議協(xié)同工作，也可直接作為傳輸層使用。 CFDP協(xié)議的典型特點(diǎn)是采用肯定應(yīng)答（ACK）和否定應(yīng)答（NAK）混合的應(yīng)答機(jī)制。ACK信息只用于控制數(shù)據(jù)分組的交互，僅在文件尾部傳輸或者在傳輸過(guò)程結(jié)束時(shí)出現(xiàn)。NAK信息則在接收協(xié)議數(shù)據(jù)單元發(fā)生錯(cuò)誤或者丟失時(shí)，由接收端反饋發(fā)出，其定義了4種NAK模式：立即NAK、異步NAK、觸發(fā)NAK和延時(shí)NAK[28]。CFDP協(xié)議的反饋機(jī)制效率高于TCP/IP協(xié)議，但為了確保可靠傳輸，仍必須將少量確認(rèn)信息反饋多次，當(dāng)傳輸距離較大時(shí)，信息交互時(shí)間較長(zhǎng)，降低了的鏈路吞吐率。

2.3 行星際互聯(lián)網(wǎng)和DTN協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

1998年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開(kāi)始著手進(jìn)行行星際互聯(lián)網(wǎng)(IPN, interplanetary network)的研究，其基本元素包括骨干網(wǎng)、外部網(wǎng)及行星網(wǎng)[29]，其基本設(shè)想是在距離較近的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間部署基于 TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并同時(shí)建立適用于長(zhǎng)延遲、高誤碼率信道的IPN空間骨干網(wǎng)絡(luò)，用于連接這些外部網(wǎng)及行星網(wǎng)，創(chuàng)建低延時(shí)與高延時(shí)環(huán)境的中繼網(wǎng)關(guān)[30]。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在通信時(shí)延高、信道誤碼率大的深空空間環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸只能通過(guò)逐跳（hop-by-hop）傳輸?shù)男问健?002 年，Intel公司伯克利研究實(shí)驗(yàn)室 Fall 等科學(xué)家首次提出了DTN的概念[31,32]，并于 2007年公布了第一份體系結(jié)構(gòu)文檔——RFC4838[33]，針對(duì) DTN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)，應(yīng)用背景和運(yùn)行機(jī)制等給出了系統(tǒng)的說(shuō)明，其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DTN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

DTN網(wǎng)絡(luò)的核心是Bundle層[34]，它是一種面向消息的端到端的覆蓋層，位于傳輸層和應(yīng)用層之間，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋層。為了互操作性，Bundle層的命名采用統(tǒng)一的資源識(shí)別符，可用同樣的命名語(yǔ)法來(lái)封裝多種命名尋址模式。Bundle層提供了一種近似于網(wǎng)關(guān)（gateway）的功能，兼容底層各個(gè)協(xié)議，為它們提供了一定的互操作性。

Bundle層分為3個(gè)子層，其中，應(yīng)用代理子層的功能是為 Bundle層與應(yīng)用層提供接口服務(wù),Bundle層協(xié)議運(yùn)行在協(xié)議代理子層，匯聚層則負(fù)責(zé)Bundle層協(xié)議與下層協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換及接口處理工作，使Bundle層能夠獨(dú)立于下層協(xié)議之上[34]。

DTN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以Bundle協(xié)議為核心構(gòu)建的，且兼容CCSDS及TCP/IP協(xié)議體系，包括以下協(xié)議。

1) Bundle協(xié)議

Bundle協(xié)議[35]由DTNRG提出，是一種覆蓋層協(xié)議，運(yùn)行于Bundle層，主要功能包括：基于保管方式的重傳機(jī)制、處理鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)的情況、可利用預(yù)先設(shè)定、預(yù)測(cè)和隨機(jī)的鏈路連接、覆蓋層端綁定網(wǎng)絡(luò)終端標(biāo)識(shí)符并形成網(wǎng)絡(luò)地址[36]。

Bundle協(xié)議具有2大特性：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的消息交換和保管傳遞協(xié)議。其協(xié)議數(shù)據(jù)單元被稱為Bundle，一個(gè) Bundle至少包含 2個(gè) Bundle塊，即一個(gè)主Bundle塊和一個(gè)Bundle承載塊[35]。主塊包含了一些Bundle路由的基本信息，應(yīng)用數(shù)據(jù)單元被置于Bundle承載塊中。整個(gè)Bundle沿著一個(gè)可以到達(dá)目的地的路徑，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)發(fā)至另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的存儲(chǔ)單元中，直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)是否接收消息并進(jìn)行存儲(chǔ)取決于該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前資源、路由情況、消息的優(yōu)先級(jí)、生存時(shí)間及網(wǎng)絡(luò)安全情況等因素。在不存在端到端直達(dá)路徑的情況下，若一個(gè)中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇保管一個(gè) Bundle，它就對(duì)這個(gè)Bundle負(fù)有全部的責(zé)任，從而將可靠傳輸?shù)呢?zé)任進(jìn)行逐跳轉(zhuǎn)移，改善了端到端的可靠性[34]。

2) LTP協(xié)議

LTP（licklider transmission protocol）協(xié)議[37]可作為一種匯聚層或者傳輸層協(xié)議，其設(shè)計(jì)初衷是為在高延遲、頻繁中斷鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供可靠性保障，其核心設(shè)計(jì)思路繼承于CFDP協(xié)議，典型應(yīng)用是解決深空探測(cè)器和地面站之間的一跳式長(zhǎng)距離通信的問(wèn)題[38]。該協(xié)議可完美支持 Bundle層協(xié)議，可配置并搭建Bundle/ LTP的協(xié)議結(jié)構(gòu)。

LTP是一種點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議, 它采用選擇性自動(dòng)重傳機(jī)制以恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，并未考慮路由或者擁塞控制等問(wèn)題。

3) Saratoga協(xié)議

Saratoga協(xié)議[39]最初用于LEO衛(wèi)星星座的遙感圖像傳遞，是一種簡(jiǎn)潔的輕量級(jí)內(nèi)容分發(fā)協(xié)議，下層通常采用 UDP方式[40]。為了充分利用有限的鏈路連通時(shí)間，Saratoga協(xié)議在共享鏈路上停止使用標(biāo)準(zhǔn)的擁塞控制機(jī)制，同時(shí)采用簡(jiǎn)單的自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（ARQ, automatic repeat request）機(jī)制實(shí)現(xiàn)分組丟失控制。其支持節(jié)點(diǎn)間斷續(xù)傳輸，適用于高延遲且鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)的非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)[41]。

由于采用了ARQ機(jī)制，Saratoga協(xié)議在數(shù)據(jù)傳播時(shí)延較大時(shí)，接收端的應(yīng)用層將會(huì)等待很長(zhǎng)時(shí)間才能收到數(shù)據(jù)，特別是在鏈路分組丟失率較高的情況下，數(shù)據(jù)將會(huì)多次重傳，協(xié)議表現(xiàn)較差。

4) DS-TP

DS-TP（data space transfer protocol）協(xié)議[42]是一種適用于深空環(huán)境的文件傳輸協(xié)議，其繼承了基于傳輸速率變化的協(xié)議處理方式及 SNACK，同時(shí)針對(duì)高誤碼率環(huán)境下的文件傳輸問(wèn)題，在重傳機(jī)制上進(jìn)行了改進(jìn)。

DS-TP協(xié)議采用了雙自動(dòng)重傳技術(shù)。在高誤碼率環(huán)境下，采用這種機(jī)制可以使丟失數(shù)據(jù)分組在一個(gè)固定的時(shí)延內(nèi)成功接收。但由于其在整個(gè)傳輸數(shù)據(jù)分組中加入了一定的冗余，使其在帶寬利用率方面效率不高。

5) DTTP協(xié)議

針對(duì)火星任務(wù)設(shè)計(jì)的 DTTP(delay-tolerant transport protocol for space Internet work)協(xié)議參考了DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中Bundle協(xié)議的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)與保管傳輸制定保證可靠性的傳輸機(jī)制，同時(shí)引入了并行數(shù)據(jù)傳輸理念，將數(shù)據(jù)分組進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，并劃分成細(xì)小的數(shù)據(jù)塊并通過(guò)不同信道傳輸，提升了傳輸可靠性，降低了數(shù)據(jù)分組重傳概率，在深空環(huán)境中協(xié)議性能較好[43]。

結(jié)合以上協(xié)議，國(guó)際上一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)針對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其中，最具代表性的有UK-DMC 衛(wèi)星、星際覆蓋網(wǎng)絡(luò)ION、深度撞擊網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)以及DTN2。

薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司制造的災(zāi)害監(jiān)視星座（UK-DMC）衛(wèi)星是第一次使用 Bundle層協(xié)議來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星拍攝的高清圖像被分為一個(gè)個(gè)Bundle，分3跳逐跳傳到地面，最終到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)[44]。最新的DMC衛(wèi)星下行鏈路最快可達(dá)80 Mbit/s，并且使用Sataroga協(xié)議從衛(wèi)星上下載數(shù)據(jù)，使近地空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)得到了互連互通。

JPL開(kāi)發(fā)了一種新型 DTN體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，稱為行星際覆蓋網(wǎng)絡(luò)(ION, interplanetary overlay network)[45]。ION專用于深空環(huán)境，具有代碼開(kāi)源化、結(jié)構(gòu)模塊化等特點(diǎn)，采用了Bundle層協(xié)議，同時(shí)結(jié)合CFDP和LTP協(xié)議，保證網(wǎng)絡(luò)的順利運(yùn)行。基于此，2008 年NASA實(shí)施了DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的第一次深空飛行驗(yàn)證，稱為深度撞擊網(wǎng)絡(luò)(DINET,deep impact network)[40]。項(xiàng)目組向距地3.2×107km的空間區(qū)域發(fā)射實(shí)驗(yàn)探測(cè)器，地面操作中心產(chǎn)生和接收實(shí)驗(yàn)通信數(shù)據(jù)流、遙測(cè)遙控指令及探測(cè)器控制信息，在地面數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)空間節(jié)點(diǎn)飛行器的相關(guān)測(cè)試信息，以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的操作狀態(tài)和性能（如包裹吞吐量、傳輸時(shí)延等）。在實(shí)驗(yàn)中，專家成功向空間探測(cè)器節(jié)點(diǎn)傳輸了 12張高清圖像，初步驗(yàn)證了DTN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性[45]。

DTN2由加州大學(xué)伯克利開(kāi)發(fā)，其采用了資源受限的嵌入式方式，以模擬空間平臺(tái)，同時(shí)內(nèi)嵌了DTN協(xié)議架構(gòu)中各個(gè)層的模塊，并提供了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序界面（API, application program interface），很好地支持了實(shí)驗(yàn)測(cè)試、擴(kuò)展功能及實(shí)用部署[46]。DTN2的核心組件是Bundle路由模塊，它收集詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)信息（如鏈路傳播時(shí)延、信道中斷情況等）來(lái)計(jì)算路由，然后將計(jì)算好的最優(yōu)路由信息轉(zhuǎn)發(fā)給Bundle轉(zhuǎn)發(fā)模塊，做到路由平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性[47]。

2.4 小結(jié)

綜合分析以上深空通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及傳輸協(xié)議的研究成果及技術(shù)現(xiàn)狀，得出以下特點(diǎn)。

1) 受限于 TCP的擁塞控制及反饋重傳機(jī)制，空間 TCP/IP協(xié)議體系適用于延遲相對(duì)較低，拓?fù)渥兓^小，鏈路質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)節(jié)點(diǎn)距離較大的深空環(huán)境則不適用。

2) 盡管CCSDS協(xié)議體系得到了成功應(yīng)用，但針對(duì)不同場(chǎng)景，必須人工切換不同的協(xié)議，協(xié)議間不能進(jìn)行自適應(yīng)切換，各協(xié)議間存在兼容問(wèn)題，同時(shí)其設(shè)計(jì)初衷是為了星地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，缺乏對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

3) DTN協(xié)議體系與前2種協(xié)議體系相比，不假設(shè)存在端到端直射路徑，數(shù)據(jù)分組采用逐跳和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行傳輸，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕晦饤壛薚CP協(xié)議的建鏈方式及擁塞控制機(jī)制，采取了新的分組丟失重傳控制機(jī)制，大幅降低了數(shù)據(jù)傳輸所需重傳頻率，使 DTN協(xié)議體系下的傳輸協(xié)議更適合于延遲很高、鏈路通斷頻繁、鏈路質(zhì)量變化較快的深空通信網(wǎng)絡(luò)；引入了Bundle層作為處理不同類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的覆蓋層，一定程度上解決了不同協(xié)議間的兼容問(wèn)題。

綜上所述，3種協(xié)議體系結(jié)構(gòu)并非單純的技術(shù)演進(jìn)，而是互相依存的，而DTN協(xié)議體系的思想更適合深空環(huán)境，必將成為深空通信網(wǎng)絡(luò)的主流協(xié)議體系。未來(lái)深空通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)借鑒其他2種協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在DTN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對(duì)不同空間探測(cè)任務(wù)，進(jìn)一步研究新型傳輸協(xié)議及擁塞控制機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)的有效性及可靠性。

3 深空通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

深空通信網(wǎng)絡(luò)的路由算法最早的研究均借鑒于地面 Internet網(wǎng)絡(luò)，但是由于深空通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與地面網(wǎng)絡(luò)有著本質(zhì)不同，使深空通信網(wǎng)絡(luò)存在一些獨(dú)特的問(wèn)題：1）空間節(jié)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)變化；2）網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載變化，造成了不均勻的流量分布；3）空間平臺(tái)節(jié)點(diǎn)資源受限，星上設(shè)備信號(hào)處理能力較低，路由算法復(fù)雜度不能過(guò)高；4）空間節(jié)點(diǎn)間信號(hào)傳播時(shí)延遠(yuǎn)大于地面Internet網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)存在鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)，信道誤碼率較大等特征。結(jié)合以上特點(diǎn)，研究人員提出了多種解決方案，可將相關(guān)路由算法分為以下4類[48]。

3.1 基于擴(kuò)散方式的路由

Vahdat和Becker于2000年提出基于泛洪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的傳染路由算法（epidemic routing）[49]，其核心思想是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)分組后，盡可能將其轉(zhuǎn)發(fā)至所有能夠接觸到的其他節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均需要保存并維護(hù)一張摘要矢量信息表以記錄本地緩存中數(shù)據(jù)分組信息。當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)可見(jiàn)并建立連接后，交換各自的摘要矢量信息表，并向?qū)Ψ焦?jié)點(diǎn)請(qǐng)求本節(jié)點(diǎn)沒(méi)有的數(shù)據(jù)分組，之后對(duì)摘要矢量信息表完成更新，以此類推。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬及節(jié)點(diǎn)緩存資源充足時(shí)，傳染路由協(xié)議能保持很高的信息投遞率和較低的傳輸時(shí)延[50]。

由于傳染路由協(xié)議采用泛洪方式進(jìn)行路由，沒(méi)有利用網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)知識(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時(shí)，具有極大的盲目性，網(wǎng)絡(luò)中傳輸并緩存著大量重復(fù)分組，極易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞及帶寬和存儲(chǔ)資源不足。

為了減少網(wǎng)絡(luò)資源的消耗及浪費(fèi)，文獻(xiàn)[51]提出了噴射等待（SW, spray and wait）路由算法，旨在限制重復(fù)傳送的副本數(shù)量以優(yōu)化傳染路由的效率，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的緩存資源，增加了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。文獻(xiàn)[52]則分析了節(jié)點(diǎn)能量對(duì)于傳染路由選擇的影響，研究了DTN網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量與網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)質(zhì)量的關(guān)系，提出最佳能量感知的傳染路由策略。

3.2 基于鏈路代價(jià)的路由

鑒于傳染路由協(xié)議的低效性及盲目性，文獻(xiàn)[53]從節(jié)點(diǎn)能夠獲取的網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)知識(shí)數(shù)量出發(fā)，相繼提出了最先接觸（FC, first contact）算法、最小期望時(shí)延（MED, minimum expected delay）算法、最早投遞（ED, earliest delivery）算法、基于本地緩存隊(duì)列的最早投遞（EDLQ, earliest delivery with local queue）算法、基于全局緩存隊(duì)列的最早投遞（EDAQ, earliest delivery with all queue）算法和線性規(guī)劃（LP, linear program）算法等的設(shè)計(jì)思想，其詳細(xì)信息及所需先驗(yàn)知識(shí)關(guān)系如圖3所示。這些算法為基于鏈路代價(jià)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)提供了研究思路和方向。

圖3 算法所需先驗(yàn)知識(shí)與算法預(yù)期性能關(guān)系

基于鏈路代價(jià)的路由協(xié)議要求在數(shù)據(jù)分組傳遞過(guò)程中，中繼節(jié)點(diǎn)首先需要對(duì)某一種或多種網(wǎng)絡(luò)先驗(yàn)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并依照相應(yīng)準(zhǔn)則計(jì)算出轉(zhuǎn)發(fā)鏈路代價(jià)函數(shù)，并以該結(jié)果決定數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)或繼續(xù)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)中直至找到合適的鏈路。

通過(guò)考察兩節(jié)點(diǎn)間的鏈路通斷規(guī)律，文獻(xiàn)[48]介紹了以鏈路的最小評(píng)估期望時(shí)延（MEED,minimum estimated expected delay）作為路由轉(zhuǎn)發(fā)的代價(jià)函數(shù)，在鏈路最小評(píng)估期望時(shí)延的計(jì)算時(shí)，節(jié)點(diǎn)不需要全網(wǎng)絡(luò)的先驗(yàn)知識(shí)，僅根據(jù)本地信息進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)在中間節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行路由重算，以保證中間節(jié)點(diǎn)對(duì)機(jī)會(huì)鏈路的利用率。

文獻(xiàn)[54]將以不同節(jié)點(diǎn)之間的分組轉(zhuǎn)發(fā)概率為每條鏈路的代價(jià)值，提出了路由協(xié)議，該算法基于節(jié)點(diǎn)之間的歷史相遇信息，網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)需要統(tǒng)計(jì)并保存一段時(shí)間內(nèi)所有相遇節(jié)點(diǎn)的歷史信息，并以該信息為判據(jù)，制定相應(yīng)的路由策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)資源受限的前提下，其數(shù)據(jù)分組投遞成功率比傳染路由高約 40%[54]。文獻(xiàn)[55]在路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)節(jié)點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)多次可見(jiàn)引發(fā)的鏈路代價(jià)值增長(zhǎng)過(guò)快等情況，進(jìn)一步優(yōu)化了路由策略，提高了PRoPHET路由協(xié)議在突發(fā)狀況下的性能。文獻(xiàn)[56]提出MaxProp協(xié)議，該協(xié)議利用最短路徑算法評(píng)估消息傳輸?shù)母怕食杀静?duì)消息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳輸隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)高的消息，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)則刪除優(yōu)先級(jí)低的消息。

3.3 基于移動(dòng)模型的路由

實(shí)際深空通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，而并非完全隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)。因此，應(yīng)該在路由協(xié)議設(shè)計(jì)中加入對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型的考慮。

接觸圖路由算法（CGR, contact graph routing）[58,59]是一種典型的基于移動(dòng)模型的路由協(xié)議，由NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的Burleigh等提出。該算法最初是用于IPN網(wǎng)絡(luò)以克服空間信道延時(shí)大、鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)的問(wèn)題。由于空間探測(cè)器及衛(wèi)星的相對(duì)位置已知，節(jié)點(diǎn)間的鏈路通斷時(shí)間等信息可以事先預(yù)知，可以比較準(zhǔn)確地對(duì)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行建模，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型信息可以得到充分利用。圖 4為CGR路由算法的整個(gè)處理流程。

圖4 CGR算法處理流程

CGR需要根據(jù)接觸計(jì)劃（contact plan）來(lái)構(gòu)造整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的接觸圖，該計(jì)劃中包含了接觸消息和距離消息，并在網(wǎng)絡(luò)生成時(shí)提前分發(fā)至所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。接觸計(jì)劃隨著時(shí)間推移會(huì)不斷更新，增加新的接觸機(jī)會(huì)并刪除舊的接觸機(jī)會(huì)。在轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)利用連接檢查過(guò)程（CRP, contact review procedure）算法，基于該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的接觸圖，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)（跳數(shù)最少、最低時(shí)延及最長(zhǎng)可見(jiàn)時(shí)間等）選擇相匹配的最優(yōu)相鄰節(jié)點(diǎn)完成信息轉(zhuǎn)發(fā)。在下一跳節(jié)點(diǎn)，CGR會(huì)執(zhí)行相同的處理過(guò)程，直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)[60]。

文獻(xiàn)[61]針對(duì)空間環(huán)境，對(duì)CGR路由進(jìn)行了改進(jìn)，分析了CGR-ETO（CGR with earliest transmission opportunity）和超額預(yù)訂管理2種機(jī)制的性能。CGR-ETO通過(guò)利用各節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)隊(duì)列的信息，旨在增加預(yù)測(cè)Bundle傳輸時(shí)間的準(zhǔn)確性，優(yōu)化路由選擇。超額預(yù)訂管理機(jī)制主動(dòng)處理Bundle超額申請(qǐng)的問(wèn)題，旨在保證高優(yōu)先級(jí)Bundle的順利傳輸。文獻(xiàn)[62]將 CGR算法用于近地衛(wèi)星組網(wǎng)，并通過(guò)OPNET工具進(jìn)行了性能仿真，結(jié)果顯示，CGR算法具有較高的資源利用率。

3.4 基于編碼的路由

深空信道條件惡劣，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，有研究人員將網(wǎng)絡(luò)編碼引入路由協(xié)議并證明網(wǎng)絡(luò)編碼可提高網(wǎng)絡(luò)利用率[53]。

基于編碼的路由協(xié)議需要在源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊及編碼操作，在目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)重組和譯碼。與上述路由算法相比，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相同的前提下，具有較低的傳輸延遲，但編解碼操作會(huì)引入較高的計(jì)算復(fù)雜度，增加編碼時(shí)延。目前，基于編碼的路由協(xié)議主要采用糾刪碼及網(wǎng)絡(luò)編碼[63]。

Wang 等[64]提出了一種基于糾刪碼的路由算法，能夠保證在網(wǎng)絡(luò)連接最差情況下的性能，但是在鏈路狀態(tài)較好時(shí)，存在不能充分利用接觸機(jī)會(huì)傳輸數(shù)據(jù)的問(wèn)題，性能不具備優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[65]在 PRoPHET路由算法中引入網(wǎng)絡(luò)編碼的思想并進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，采用網(wǎng)絡(luò)編碼后，數(shù)據(jù)投遞率的平均值得到了大幅度提升。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)信息傳輸時(shí)延的影響，文獻(xiàn)[66]分析了網(wǎng)絡(luò)編碼之中端對(duì)端的統(tǒng)計(jì)時(shí)延性能。文獻(xiàn)[67]研究了會(huì)話間網(wǎng)絡(luò)編碼的最小解碼延遲問(wèn)題。文獻(xiàn)[68]考慮了帶反饋的刪除信道模型，并提出了信息丟失與解碼時(shí)延的延遲最小化問(wèn)題，證明了該問(wèn)題是NP困難問(wèn)題，并提出了啟發(fā)式的在線算法。文獻(xiàn)[69]分別從已知信道信息和未知信道信息2種情況分析了網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)下行鏈路文件傳輸延遲的改善情況。

3.5 小結(jié)

綜合以上分析，基于擴(kuò)散方式的路由算法擁有較好的信息投遞率和較低的傳輸時(shí)延，但是需要占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬及存儲(chǔ)資源，資源利用率低。基于鏈路代價(jià)評(píng)估的路由結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的先驗(yàn)知識(shí)，大幅度提升了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，在網(wǎng)絡(luò)資源受限時(shí)，具有更好的數(shù)據(jù)投遞成功率和延遲，但是要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)大的計(jì)算能力。基于移動(dòng)模型的路由將節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型加入算法中，更適用于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型可準(zhǔn)確獲得情況。基于編碼的路由協(xié)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼方式提高了系統(tǒng)的吞吐量，但編解碼算法會(huì)引入冗余信息并具有較高的計(jì)算復(fù)雜度，增加編碼時(shí)延，消耗更多能量。未來(lái)空間探測(cè)任務(wù)具有不同場(chǎng)景及不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌茈y找到一種通用的路由協(xié)議，必須根據(jù)特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)資源情況設(shè)計(jì)與之相匹配的路由策略。

4 深空通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)展望

由于空間探測(cè)任務(wù)種類繁多，各任務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的需求也不盡相同，再加上現(xiàn)有空間應(yīng)用設(shè)備多采用專一設(shè)備，兼容性及可擴(kuò)展性較差，造成多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)并存，多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交織，網(wǎng)絡(luò)的管理復(fù)雜且成本高昂[70]。針對(duì)以上問(wèn)題，本文認(rèn)為需要引入新的組網(wǎng)思路和技術(shù)來(lái)構(gòu)建深空通信網(wǎng)，以下舉例說(shuō)明。

1) 軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN, software defined networking)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[71]，它將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，從而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)統(tǒng)一、開(kāi)放的應(yīng)用程序接口，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、資源進(jìn)行抽象、虛擬化表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)可編程化控制底層硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源靈活的按需調(diào)配[72]。

在SDN中，定義了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(network operating system)[73]的概念，其負(fù)責(zé)對(duì)全網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適配及管理，可以針對(duì)采用不同的體系結(jié)構(gòu)、不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可編程化的配置與管理。這種集中式的管理方式從根本上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的融合，降低了網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)開(kāi)銷，提高了網(wǎng)絡(luò)性能，并且具有良好的可擴(kuò)展性，可以通過(guò)模塊的升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)新協(xié)議的兼容。SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2) 內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)“以主機(jī)為中心”的思想在深空通信網(wǎng)絡(luò)中存在著一些問(wèn)題[74]：① 網(wǎng)絡(luò)中相同的內(nèi)容有可能存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果用戶指定的節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，用戶將經(jīng)歷很大的服務(wù)時(shí)延，如果用戶指定的節(jié)點(diǎn)負(fù)載較重，則用戶的內(nèi)容請(qǐng)求可能無(wú)法獲得響應(yīng)；② 不易實(shí)現(xiàn)內(nèi)容共享，具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)多個(gè)用戶請(qǐng)求同一內(nèi)容對(duì)象時(shí)，需要為每個(gè)用戶與擁有該內(nèi)容對(duì)象的節(jié)點(diǎn)間建立端到端連接，造成了在多條端到端通信所經(jīng)過(guò)的相同鏈路上可能反復(fù)傳輸相同內(nèi)容對(duì)象。這些問(wèn)題在鏈路資源寶貴，鏈路狀態(tài)時(shí)斷時(shí)續(xù)，傳播時(shí)延很長(zhǎng)的深空通信網(wǎng)絡(luò)中更為突出。

作為一種重要的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)（CCN, content-centric networking）用解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)“以主機(jī)為中心”的通信模式與快速增長(zhǎng)的內(nèi)容遞送需求之間的矛盾[75]。用戶更關(guān)心的是內(nèi)容本身，而非從哪個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取。為此，CCN摒棄了“主機(jī)地址”，而是賦予內(nèi)容對(duì)象一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，顛覆了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。用戶直接通過(guò)使用內(nèi)容 ID請(qǐng)求所需求的數(shù)據(jù)內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在識(shí)別內(nèi)容ID后，根據(jù)內(nèi)容所處節(jié)點(diǎn)位置及用戶位置等信息，找到最優(yōu)的內(nèi)容提供者，并根據(jù)內(nèi)容ID而不是IP地址對(duì)所獲取內(nèi)容進(jìn)行路由，避免重復(fù)信息在網(wǎng)絡(luò)中傳播[74]。同時(shí)，CCN通過(guò)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置緩存，節(jié)省了大量的傳輸帶寬資源。目前已有一些 CCN架構(gòu)被提出，其中，最具代表性的 3種為 DONA[76]（ data-oriented network architecture）、NDN[77]（named data networking）和 PURSUIT[78]（publish subscribe internet technology）。

3) 結(jié)合噴泉編碼的多路徑并行路由

深空通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，鏈路間歇中斷，這使空間節(jié)點(diǎn)必須高效利用有限的鏈路持續(xù)時(shí)間。而又由于空間節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)與多個(gè)其他空間節(jié)點(diǎn)可見(jiàn)并建立連接，所以可通過(guò)引入多路徑并行傳輸技術(shù)，提高鏈路利用率，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

早在 1999年，互聯(lián)網(wǎng)中出現(xiàn)了適用于多路由傳輸?shù)?OSPF-OMP[79]協(xié)議。2001年，支持 ECMP（equal-cost multipath routing）多徑路由的 MPLS（multiple protocol label switching）協(xié)議[80]被公布。Byers[81]從速度和冗余等方面對(duì)基于 Tornado碼的多源并行下載性能進(jìn)行了分析，提出了一種基于Tornado碼、在廣播和多播情況下傳輸可靠數(shù)據(jù)的噴泉編碼方案[82]。Li等[83,84]提出了一種基于滲流的并行路由架構(gòu)。這些研究展示了噴泉編碼與并行路由相結(jié)合對(duì)性能的提升，描述了噴泉碼和并行路由的聯(lián)合機(jī)制。

除以上3種技術(shù)之外，全新互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)（clean state design for the Internet）、全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境（GENI, global environment for network innovations）等研究項(xiàng)目的思路也可為未來(lái)深空通信網(wǎng)絡(luò)提供啟發(fā)、借鑒與參考[85]。總之，未來(lái)深空通信網(wǎng)絡(luò)需結(jié)合 DTN與新型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)多種探測(cè)任務(wù)需求，構(gòu)建一體化深空通信網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合深空通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，綜述了深空通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系架構(gòu)和路由策略，分析了不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合對(duì)深空探測(cè)任務(wù)需求，對(duì)深空通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

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Development and outlook of deep space communication network protocol

AN Jian-ping1, JIN Song1, XU Jun1, ZHANG Yu1, SHAO Li-wei2
（1. School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;2. Research Institute of BIT in Zhongshan, Zhongshan 528400, China）

The demand of developing deep space communication network was analyzed. Combining the characteristics of the deep space communication network, the deep space communication network architecture and transport protocols were summarized. Through introducing some key technology of the deep space communication network, the development direction of future deep space communication network is put forward and bright prospects are shown.

deep space exploration, CCSDS, network protocol architecture, DTN, routing protocol

s: The Science Foundation of Guangdong Province (No.2015B010101002), The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No.2015AA015701), National Defense Key Laboratory Foundation of China (No.60421040101162104002)

TN927+.23

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016133

2016-05-09；

2016-06-15

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.2015B010101002）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2015AA015701）；國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)基金資助項(xiàng)目（No.60421040101162104002）

安建平（1965-），男，山西原平人，北京理工大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星與空間通信、無(wú)線寬帶通信與網(wǎng)絡(luò)、空間信號(hào)處理技術(shù)。

靳松（1990-），男，山西臨汾人，北京理工大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)樯羁胀ㄐ偶夹g(shù)、DTN網(wǎng)絡(luò)。

許軍（1991-），男，陜西寶雞人，北京理工大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)與協(xié)議、下一代互聯(lián)網(wǎng)NDN。

張宇（1972-），男，山西原平人，北京理工大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)性能分析與優(yōu)化、協(xié)議設(shè)計(jì)、建模與仿真。

邵立偉（1979-），男，河北保定人，中山北京理工大學(xué)研究院助理研究員，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)、空間通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。