天地一體化網絡協議研究

張亞生，孫晨華，谷聚娟

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

協議規定了網絡節點、服務實體之間進行信息交換的規則、流程及約定，是計算機能夠進行通信的前提。為保證網絡資源高效使用，協議要結合網絡的運行環境、拓撲結構和所要支持的應用服務進行設計。

地面互聯網和移動通信網是目前應用最廣泛的網絡，地面互聯網使用TCP/IP協議體系[1]，該協議體系是針對地面網絡傳輸環境開發的；地面移動通信網絡綜合利用了有線和無線的傳輸方式，采用基于2G、3G、4G的移動通信協議體系[2]。空間網絡具有星地鏈路延時長、星際鏈路斷續、高誤碼、網絡拓撲動態變化的特點，不同國際組織結合不同的應用場景提出了不同的協議體系，面向航天測控應用采用CCSDS協議體系[3]，面向深空探測、星際互聯應用采用DTN協議體系[4]。天地一體化網絡融合了天基網絡和地面網絡，本文在借鑒地面網絡和空間網絡現有協議體系研究的基礎上，提出了適用于天地一體化網絡的增強融合協議體系，實現天基網絡與地面網絡的無縫融合。

1 地面網絡協議體系

1.1 TCP/IP協議體系

互聯網基于TCP/IP協議體系可以為用戶提供多樣化的服務，如電子郵件、網頁瀏覽等，支持多種形式物理設備之間的互聯，如光纖、電纜等。TCP/IP協議采用分層協議架構，包括應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層，如圖1所示。

根據服務需求和設備形式的不同，每層使用不同的協議來完成業務傳輸。隨著互聯網的發展和大規模應用，TCP/IP協議作為地面應用范圍最廣泛的網絡協議，以其開放的架構已經成為現有網絡事實上的標準。TCP/IP協議具有良好端到端的能力、高層協議功能以及協議標準化能力。眾多的網絡產品廠家都支持TCP/IP協議。

圖1 TCP/IP協議體系

但是，TCP/IP協議直接應用于衛星網絡時，衛星鏈路的長延時、帶寬受限等特性，會造成基于TCP/IP協議的業務在衛星網絡傳輸效率很低[5]。

1.2 地面移動通信協議體系

地面移動通信系統由用戶設備、接入網和核心網3部分組成[6]。其中，用戶設備發起各種呼叫和數據類業務。接入網完成與無線有關的功能，包括接收、發送和處理無線信令，以及與用戶設備之間的數據傳輸。核心網負責處理網內的呼叫請求或數據請求，涉及連接、計費和移動性管理等，并負責與外部網絡互聯。

針對個人移動用戶間電話和數據類業務互通需求，地面移動通信系統的協議體系采用分層協議架構[6]，包括接入層和非接入層。以3G為例，地面移動通信系統協議體系如圖2所示，其中接入層包括物理層、RRC層和RLC/MAC層；非接入層主要包括連接會話管理和移動性管理等功能單元，可劃分為電路域和分組域，電路域功能單元主要用于處理電話呼叫類業務，分組域功能單元主要實現互聯網訪問等數據類業務。

圖2 地面移動通信系統協議體系

地面移動通信系統協議體系的無線側傳輸環境與衛星網絡環境存在較大差別[7]，因此該協議體系應用于衛星網絡時接入層協議需要結合衛星鏈路和衛星網絡拓撲結構特點進行定制開發和優化設計。

2 空間網絡通信協議

2.1 CCSDS協議體系

CCSDS建議是專為航天任務“量身定做”的協議，充分考慮了空間鏈路帶寬資源的珍貴性及未來航天任務的新需求，協議效率較高。

最初CCSDS協議體系只規定了鏈路層組網協議，包括COS(普通在軌系統)和AOS(高級在軌系統)兩部分。后來逐漸將TCP/IP引入協議體系，在網絡層實現組網互聯，鏈路層的仍采用AOS等協議，代表成果是SCPS系列規范和IP OVER AOS規范，CCSDS協議體系[8]如圖3所示。

圖3 CCSDS協議體系

CCSDS協議經過了多次航天任務考驗，航空任務中使用該協議可以降低成本、減小風險和縮短開發時間。通過在數據鏈路層使用CCSDS的TM、TC、AOS、Proximity-1等協議，在網絡層使用IP及其擴展技術[9]，可以保護已有投資及國際聯網問題，增強不同空間組織在航天任務中開展交互操作和交互支持的能力。但是該協議側重于對業務的承載，缺乏對動態路由、接入控制、資源分配和移動性管理等的支持。

2.2 DTN協議體系

DTN(行星際互聯網協議)體系是專門針對宇宙空間中星際通信的特點而提出，用于解決大時空尺度和惡劣環境下多系統組網通信問題。

DTN協議采用持久存儲、尋機轉發的思想[10]。通過在傳輸層和應用層之間插入DTN覆蓋層(Bundle)引入逐跳可靠傳輸和保管傳遞機制，在傳輸層使用LTP可靠傳輸協議，保證長延時、高誤碼鏈路上信息傳輸的可靠性和有效性。根據業務流特性，對實時業務流和可靠業務流分別采用不同的協議，鏈路層通過虛擬信道調度實現數據在鏈路層的可靠傳輸，為不同應用提供不同服務，DTN協議體系[11]如圖4所示。

DTN協議能在斷續、高誤碼的大時空跨度環境中實現數據的高效、可靠傳輸，構建更加安全、有效、可靠的自主通信網絡。但是該協議體系還未形成完善的路由選擇、密鑰管理保證機制，且協議開銷較大。

圖4 DTN協議體系

3 天地一體化網絡協議

從衛星通信系統發展來看，衛星通信系統經歷了從基于透明轉發器的衛星通信系統、基于星上處理轉發器的衛星通信系統、基于星間組網的衛星通信系統到構建天地一體化網絡的發展過程。相應地，衛星通信系統協議也在不斷演進。最早基于透明轉發器的協議體系主要涉及物理層與鏈路層，多采用專用協議；近年來隨著業務IP化發展，衛星通信協議體系已經擴展到網絡層、傳輸層及應用層[12]，基本形成了基于TCP/IP的衛星協議體系，該體系結合空間網絡的特點對TCP/IP協議各層進行增強和優化設計[13]；基于星上處理轉發器的衛星通信系統中，衛星節點具有路由交換能力，衛星網絡在繼承原有協議體系的基礎上更加關注星載交換、衛星網絡優化路由協議研究[14]；基于星間組網的衛星通信系統中各星載節點之間開始組網，星間組網協議成為整個網絡協議設計的關鍵；天地一體化網絡中衛星通信系統在協議設計時還要考慮與地面網絡協議的融合設計。

天地一體化網絡采用“天網地網”架構[15]，由天基骨干網、天基接入網和地基節點網構成，并可與地面互聯網、移動通信網開放互聯[16]。天地一體化網絡面向陸海空天用戶，支持網絡通信、數據分發、空間應用、航空應用、海事應用和物聯應用等服務，其協議體系在設計時應借鑒現有地面網絡和空間網絡成熟的協議體系，設計適用于天地一體化網絡的增強空間融合協議體系，如圖5所示。

圖5 增強空間融合協議體系

增強空間融合協議體系基于地面網的TCP/IP分層協議模型并兼容CCSDS協議體系、DTN協議體系和衛星移動協議體系，結合天基網絡特點對每一層進行協議空間增強設計，包括空間增強應用層協議、空間傳輸層協議、高安全增強網絡層協議，鏈路層和物理層協議結合空間鏈路傳輸體制、應用不同分別設計，如：面向航天測控應用采用CCSDS協議，天基接入網的星地鏈路協議基于地面移動協議體系進行定制。

基于增強空間融合協議體系，深空探測節點和低軌移動用戶分別與地面用戶通信的端到端協議模型如圖6所示。

空間增強應用層協議旨在提高天基網絡環境中應用層協議傳輸性能，通過緩存、預取和流程優化[17]等技術手段進行協議增強設計；DTN協議用于實現深空節點數據的可靠傳輸；空間傳輸層協議能夠克服衛星網絡長延時、高誤碼對TCP協議帶來的影響，通常采用算法改進、零窗口停發、反向ACK過濾和誤碼容忍控制機制等空間傳輸層增強手段來解決；高安全增強網絡層協議通過多種天基絡專用支撐協議來實現，包括衛星專用路由協議、衛星QoS路由協議等，最終實現天基網絡高效路由、安全傳輸；深空通信節點衛星鏈路的鏈路層采用CCSDS協議，低軌移動用戶衛星鏈路的鏈路層采用衛星移動鏈路協議。該協議體系可繼承現有地面網絡成熟技術，面向用戶提供標準透明的TCP/IP協議接口，在空間段對各層協議進行增強，提高協議傳輸效率和網絡資源利用率。

圖6 增強空間融合協議體系的端到端協議模型

天地一體化網絡協議體系在實施時可采用如下分布實施方案：

第1階段：設計天地一體化網絡的傳輸及組網協議，構建提供基礎網絡通信、數據分發服務的天地一體化信息傳輸網絡。基于現有地面網絡和空間網絡協議體系的研究成果，設計天基信息網絡傳輸及組網協議，基于開放式的協議架構構建天地一體化信息傳輸網絡，提供基礎的網絡通信、數據分發服務。

第2階段：研究天基網絡服務協議，開發多樣化服務。基于開放式的天基信息網絡傳輸及組網協議，面向天基網絡航空、海事和物聯等領域服務應用，研究天基網絡服務協議，開發多樣化服務。

4 結束語

構建天地一體化網絡是衛星通信系統發展的必然結果，天地一體化網絡協議不應該采用全新的協議體系，應結合衛星通信系統的運行環境、網絡結構和應用服務需求，繼承原有地面網絡和空間網絡協議的基礎上，積極借鑒引進地面網絡的新技術，設計增強空間融合協議體系和開放式的協議架構，實現天基網絡與地面互聯網和移動通信網絡的互聯互通、信息服務共享。

[1] 張根耀.下一代互聯網的TCP/IP協議[J].延安大學學報，2006(4)：29-31.

[2] 張春煊.基于分層體系結構的移動通信核心網組網設計與實現[D].長春：吉林大學，2009：23-59.

[3] Overview of Space Communications Protocols.Informational Report[R].CCSDS 130.0-G-2.Green Book(Issue 2)，2007.

[4] 周建國.基于DTN的空間綜合信息網絡關鍵技術研究[D].武漢：武漢大學，2013：21-53.

[5] 周兆清，陳立軍.TCP/IP協議在衛星鏈路上的應用研究[J].無線電工程，2006，36(1)：51-54.

[6] 鮑峰.一種衛星移動通信終端協議棧NAS層模塊設計[J].無線互聯科技，2017(15)：11-13.

[7] 桂琪.基于GEO衛星移動通信系統的呼叫控制協議研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2014：6-15.

[8] IP over CCSDS Space Links.Draft Recommended Practice[R].CCSDS 702.1-R-3.Red Book(Issue 3)，Washington，D.C.：CCSDS，2008.

[9] 李英玉.IP 與CCSDS 交換機制探討[D].北京：中國科學院空間科學與應用研究中心，2002：7-45.

[10] DAVID J I，FAITH D，JANE M.A DTN-Based Multiple Access Fast Forward Service for the NASA Space Network[C]∥Goddard Space Flight Center Greenbelt，MD USA，2011 Fourth IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology，2011：19.

[11] 聶宇雷.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.

[12] 周明.空間網絡傳輸控制協議研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2012：6-23.

[13] 張亞生，彭華，谷聚娟.衛星TCP加速技術研究[J].無線電通信技術，2010，36(5)：29-31.

[14] 王旭陽，孫晨華，馬廣龍.基于標識/位置分離的衛星網路由架構研究[J].無線電工程，2014，44(3)：8-10.

[15] 張軍.面向未來的空天地一體化網絡技術[J].國際航空，2008(9)：15-18.

[16] 李廣達，孫晨華，劉剛.衛星網絡與地面網絡融合的5G網絡架構[J].無線電工程，2016，46(3)：5-8.

[17] 谷聚娟，張亞生.衛星網絡中SIP業務應用研究[J].無線電通信技術，2016，42(3)：102-104.