深空通信網絡協議的發展與展望

安建平，靳松，許軍，張宇，邵立偉

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

深空通信網絡協議的發展與展望

安建平1，靳松1，許軍1，張宇1，邵立偉2

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

分析了發展深空通信網絡的需求，結合深空通信網絡的特點，對深空通信網絡協議體系和路由策略等的技術現狀進行了綜述，對其中的關鍵技術進行了分析，并對深空通信網絡的未來發展進行了展望。

深空探測；CCSDS；協議體系架構；DTN；路由協議

1 引言

深空探測是在人造衛星、載人航天等領域取得重大成就的基礎上，向更廣闊的太陽系及太陽系外空間發展和探索的空間活動，對于人類認識宇宙的起源與發展、開發利用空間資源具有重要意義。隨著人類對宇宙的探索愈發深入，深空探測越來越得到世界各國的重視。

作為人類在新世紀的3大航空活動之一，深空探測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，世界各航天大國已制定了探測計劃，甚至制定了登陸火星的時間表[1]，并展開了激烈的競爭。進入21世紀，人類迎來了深空探測活動的新熱潮。迄今為止，人類已經探測了太陽系的8大行星和太陽、彗星、小行星以及月球，并實現了在火星、金星、土衛六等天體上的軟著陸[1]。

2007年1月，中國國防科學技術工業委員會發布了《“十一五”空間科學發展規劃》，將火星探測作為中國“十一五”期間太陽系探測領域的關鍵科學問題[2]。2011年7月，科技部發布的《國家“十二五”科學和技術發展規劃》，將深空探測作為大力開展的前沿技術研究內容之一[3]。隨著中國火星探測任務于2016年5月正式立項[4]，我國空間探測進入深空探測時代。以載人登月、火星探測、小行星探測為標志的未來載人深空探測任務，對通信的可靠性、實時性、多類型業務（包括圖像、語音等）調度能力及數據吞吐率等要求將大大提升，這就對深空通信網絡提出了新的需求及挑戰。

深空通信網絡以空間星座節點、探測器節點及地面節點構成，以滿足數據可靠高效傳輸、網絡覆蓋范圍大、組網靈活迅速、不受地理環境限制的發展需求，為各種空間探測任務提供通信支持服務。深空通信網具有以下特點。

1) 網絡拓撲動態變化、物理鏈路間歇中斷、延遲大。在深空通信網絡中，網絡節點之間距離可能大，物理鏈路具有大尺度特性，導致通信延遲大。此外，各中繼節點、衛星及航天器都處于高速相對運動狀態，導致通信鏈路高速動態變化以及網絡拓撲的動態變化。同時，數據傳輸容易受到各種外界因素影響而產生失真，如宇宙射線、陰影效應、電離效應等影響，數據傳輸誤碼率較高。穩定可靠的點對點連接不復存在，鏈路處于間歇式通信狀態。上述特性為網絡設計帶來了困難，要求網絡從系統架構上要有相應的策略來保證網絡的連通性和可靠性。

2) 網絡高度異構、協議多樣。深空通信網絡需要整合現有的基礎設施和現存空間探測通信網絡互連互通，同時與現有的多種通信協議兼容。然而，空間節點業務種類繁多、不同節點的功能、運行狀態、接入及傳輸能力等方面的較大差異，使通信協議標準自成體系，深空通信網絡成為一種高度異構的網絡系統。

3) 資源受限。受空間平臺制約，星上通信設備通常要求體積小、重量輕、功耗低，各模塊間功率資源分配受到嚴格的限制，同時，空間平臺所使用的宇航級抗輻照器件性能遠低于地面商用器件，這就要求組網過程中所涉及的協議、算法和策略的復雜度盡可能低。

4) 數據量大且需要數據共享。未來深空探測會涉及到行星表面網絡中的行星車、飛行器、著陸器等多航天器的協同工作，將會有大量形式多樣（科學數據、音/視頻等）的信息需要在衛星和多航天器間共享，為深空通信網絡的吞吐量、兼容性等帶來了新的挑戰。

基于深空通信網絡的特點，本文將從深空通信網絡的體系架構和傳輸控制協議、路由策略等方面，介紹深空通信組網技術發展現狀，對相關關鍵技術研究進行分析，并對深空通信網絡的未來發展前景進行展望。

2 深空通信網絡協議體系結構

為了滿足未來深空探測的需求，世界各國在繼續完善衛星及探測器系統的種類和提高空間平臺系統功能的基礎上，開展了深空通信網絡協議體系結構研究，旨在充分利用各類空間平臺資源，建立一體化的深空通信網絡。

深空通信網絡經過近半個世紀的發展，逐漸產生了多種網絡協議體系結構，其中包括空間IP協議體系結構、空間數據系統咨詢委員會（CCSDS,Consultative Committee for Space Data Systems）協議體系結構和容忍延遲/中斷網絡（DTN, delay/disruption tolerant network）協議體系結構。

2.1 空間IP協議體系結構

由于地面 Internet取得了巨大成功，美國國家航空和宇宙航行局（NASA, National Aeronautics and Space Administration）也致力于將TCP/IP協議體系作用于空間通信環境的研究中。研究人員最初試圖將 TCP/IP協議族直接移植至空間探測網，如美國哥達德航天中心在2001年啟動了OMNI（operating mission as nodes on the Internet）研究項目[5]。該項目旨在利用成熟的地面商用 TCP/IP協議進行空間通信，強調盡量使用地面商用協議來解決空間組網問題，實現地面終端至空間平臺全IP化，取得了較好的實驗效果[6]。

TCP/IP協議體系能縮減空間組網成本，同時易于升級，協議兼容性強，但也存在諸多問題。

TCP協議是面向連接的協議，設計傳輸延遲很小，在數據交換之前需要先交換報文，完成“3次握手”并建立連接，同時TCP協議所具有的慢啟動等擁塞控制機制必須通過收端發送應答(ACK, acknowledgement)來調整發送窗口大小，動態調整信息發送速率，以避免網絡阻塞，這些措施在高時延、高誤碼率的深空信道中會帶來較大的延遲。以火星探測為例，當火地距離最近時，電磁波從地球到達火星需要4 min，而往返時間（RTT，round trip time）為8 min，文獻[7]在數據分組長為1 500 byte，且每分組數據均需要反饋的前提下，計算出了 TCP在RTT為8 min時，不同分組丟失率（假設分組長為1 500 byte）對應的吞吐量。其中，要達到百萬比特速率量級的傳輸速率要求分組丟失率需要在 10?10數量級，對應的誤比特率更低，不符合深空信道高時延、高誤碼率的特點。

針對大時延斷續的空間應用環境, 國際互聯網工程任務組（IETF, Internet Engineering Task Force）對TCP協議進行了一些改進。在RFC1072中提出了選擇應答方式（SNACK），在一個 ACK信號中包含多個分組成功接收的應答信息，減少了 ACK次數[8]。在 RFC1379中提出了 T/TCP（transaction TCP），只需要在第一個TCP 連接時進行3次握手，其后的連接過程可跳過握手過程直接傳送數據信息[9]。在RFC1323中，使用了窗口擴大選項和時間戳選項，增加TCP的最大窗口，使TCP對RTT的測量更加精確，同時還針對在高速率下可能發生的序號回繞問題提供保護[10]等。

文獻[11]提出了 TCP-Peach，采用了突發啟動和快速恢復算法，但其需要在鏈接路徑上的路由器具有優先權鑒別機制，且會導致額外的開銷。而在TP-Planet[12]中，提出了一種基于比特的 AIMD（additive increase and multiplicative decrease）擁塞控制機制，用于替代 TCP的慢啟動機制，提升了鏈路資源利用率，但需要節點支持相應的服務質量保證，且在超長時延和時斷時續鏈路場景下效果有限。

綜上所述，TCP/IP協議的流量及擁塞控制等傳輸控制機制在延遲較低，誤碼率較低的空間鏈路得到了成功應用，但在延遲大、網絡拓撲快速變化、鏈路時斷時續、信道誤碼率高的深空環境中并不適用。而目前提出的諸多改進的TCP方案雖然一定程度緩解了由深空環境高延遲、高誤碼率及鏈路時斷時續帶來的數據傳輸問題，但其只考慮了端到端的情況，并未考慮整個網絡的行為特性，缺乏針對整體網絡的優化。

2.2 CCSDS協議體系結構

空間數據系統咨詢委員會成立于1982年，旨在制定通用的空間數據及信息系統標準。經過多年發展，CCSDS協議體系已較為成熟，整體協議棧功能較為完善，具有較為靈活的協議配置能力。在我國的航天工程中，神舟飛船、風云衛星和嫦娥探月衛星等均采用了CCSDS標準協議[13]。由于CCSDS協議的標準性，其在一定程度上解決了不同國家的航天器的互連互通問題。CCSDS標準網絡體系架構如圖1所示。

CCSDS協議體系包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。其中，每一層又包括若干子層及多種可供組合的協議。

對不同的通信場景，CCSDS定義了4種數據鏈路層協議：用于遙測的 TM 協議[14]、用于遙控的TC[15]協議、高級在軌系統 AOS協議[16]和近距離Proximity-1通信協議[17]。而針對網絡層，針對不同應用，CCSDS建議采用空間分組協議（SPP）[18]、SCPS-NP或成熟的TCP/IP協議族[19]。在傳輸層及應用層，則可選用 SCPS-SP[20]、CCSDS文件傳輸協議等協議。

圖1 CCSDS標準網絡體系架構

空間通信協議規范(SCPS, space communication protocol specification)于1999年提出，其針對空間數據傳輸特性，以地面互聯網為基礎，修改并擴展了 TCP/IP協議族，制定了空間通信協議規范—網絡協議（SCPS-NP）、空間通信協議規范—安全協議（SCPS-SP）、空間通信協議規范—傳輸協議（SCPS-TP）及空間通信協議規范—文件協議（SCPS-FP）[21]。其中，SCPS-TP是SCPS協議的必備協議，而其他3個協議可用TCP/IP協議族中相關協議進行替換[22]。

針對空間通信場景，CCSDS對TCP協議做出修改和擴展，提出 SCPS-TP協議[23]，增加了對事務TCP的支持，免除了3次握手機制[9]，擴大了窗口大小，改進 RTT估計機制和防止序號回繞[10]，增加了選擇否定應答（SNACK, selective negative acknowledgement）反饋方式等，擴展選項支持基于速率的流量控制機制，使其適應鏈路的高時延和不對稱等特性[24]。

傳統 TCP協議屬于端到端協議，在中間節點不存在 TCP協議層，導致網絡無法迅速感知發生在中間節點的分組丟失現象，造成不必要的時延。其派生的 SCPS-TP也不具有中間節點感知屬性，對于空間多跳網絡，SCPS-TP將會造成鏈路利用率下降[25～27]。

針對地面Internet網絡中FTP協議無法多連接傳輸、不支持傳輸暫停和續傳、難以處理錯序數據分組等問題，以及TCP協議“握手機制”在空間數據通信中效率較低，空間數據咨詢委員提出了CCSDS文件傳輸協議(CFDP, CCSDS file delivery protocol)[28]。

CFDP協議可以與傳輸層協議協同工作，也可直接作為傳輸層使用。 CFDP協議的典型特點是采用肯定應答（ACK）和否定應答（NAK）混合的應答機制。ACK信息只用于控制數據分組的交互，僅在文件尾部傳輸或者在傳輸過程結束時出現。NAK信息則在接收協議數據單元發生錯誤或者丟失時，由接收端反饋發出，其定義了4種NAK模式：立即NAK、異步NAK、觸發NAK和延時NAK[28]。CFDP協議的反饋機制效率高于TCP/IP協議，但為了確?？煽總鬏?，仍必須將少量確認信息反饋多次，當傳輸距離較大時，信息交互時間較長，降低了的鏈路吞吐率。

2.3 行星際互聯網和DTN協議體系結構

1998年，美國噴氣推進實驗室(JPL)開始著手進行行星際互聯網(IPN, interplanetary network)的研究，其基本元素包括骨干網、外部網及行星網[29]，其基本設想是在距離較近的網絡節點之間部署基于 TCP/IP的互聯網絡并同時建立適用于長延遲、高誤碼率信道的IPN空間骨干網絡，用于連接這些外部網及行星網，創建低延時與高延時環境的中繼網關[30]。

通過研究發現，在通信時延高、信道誤碼率大的深空空間環境中，數據傳輸只能通過逐跳（hop-by-hop）傳輸的形式。2002 年，Intel公司伯克利研究實驗室 Fall 等科學家首次提出了DTN的概念[31,32]，并于 2007年公布了第一份體系結構文檔——RFC4838[33]，針對 DTN網絡的發展目標，應用背景和運行機制等給出了系統的說明，其網絡協議體系結構如圖2所示。

圖2 DTN網絡協議體系結構

DTN網絡的核心是Bundle層[34]，它是一種面向消息的端到端的覆蓋層，位于傳輸層和應用層之間，形成一個網絡覆蓋層。為了互操作性，Bundle層的命名采用統一的資源識別符，可用同樣的命名語法來封裝多種命名尋址模式。Bundle層提供了一種近似于網關（gateway）的功能，兼容底層各個協議，為它們提供了一定的互操作性。

Bundle層分為3個子層，其中，應用代理子層的功能是為 Bundle層與應用層提供接口服務,Bundle層協議運行在協議代理子層，匯聚層則負責Bundle層協議與下層協議的協議轉換及接口處理工作，使Bundle層能夠獨立于下層協議之上[34]。

DTN網絡協議是以Bundle協議為核心構建的，且兼容CCSDS及TCP/IP協議體系，包括以下協議。

1) Bundle協議

Bundle協議[35]由DTNRG提出，是一種覆蓋層協議，運行于Bundle層，主要功能包括：基于保管方式的重傳機制、處理鏈路時斷時續的情況、可利用預先設定、預測和隨機的鏈路連接、覆蓋層端綁定網絡終端標識符并形成網絡地址[36]。

Bundle協議具有2大特性：存儲轉發的消息交換和保管傳遞協議。其協議數據單元被稱為Bundle，一個 Bundle至少包含 2個 Bundle塊，即一個主Bundle塊和一個Bundle承載塊[35]。主塊包含了一些Bundle路由的基本信息，應用數據單元被置于Bundle承載塊中。整個Bundle沿著一個可以到達目的地的路徑，從一個節點上的存儲單元轉發至另一個節點上的存儲單元中，直至到達目的節點。節點是否接收消息并進行存儲取決于該節點的當前資源、路由情況、消息的優先級、生存時間及網絡安全情況等因素。在不存在端到端直達路徑的情況下，若一個中繼網絡節點選擇保管一個 Bundle，它就對這個Bundle負有全部的責任，從而將可靠傳輸的責任進行逐跳轉移，改善了端到端的可靠性[34]。

2) LTP協議

LTP（licklider transmission protocol）協議[37]可作為一種匯聚層或者傳輸層協議，其設計初衷是為在高延遲、頻繁中斷鏈路中傳輸的數據提供可靠性保障，其核心設計思路繼承于CFDP協議，典型應用是解決深空探測器和地面站之間的一跳式長距離通信的問題[38]。該協議可完美支持 Bundle層協議，可配置并搭建Bundle/ LTP的協議結構。

LTP是一種點到點協議, 它采用選擇性自動重傳機制以恢復丟失的數據，并未考慮路由或者擁塞控制等問題。

3) Saratoga協議

Saratoga協議[39]最初用于LEO衛星星座的遙感圖像傳遞，是一種簡潔的輕量級內容分發協議，下層通常采用 UDP方式[40]。為了充分利用有限的鏈路連通時間，Saratoga協議在共享鏈路上停止使用標準的擁塞控制機制，同時采用簡單的自動重發請求（ARQ, automatic repeat request）機制實現分組丟失控制。其支持節點間斷續傳輸，適用于高延遲且鏈路時斷時續的非對稱網絡[41]。

由于采用了ARQ機制，Saratoga協議在數據傳播時延較大時，接收端的應用層將會等待很長時間才能收到數據，特別是在鏈路分組丟失率較高的情況下，數據將會多次重傳，協議表現較差。

4) DS-TP

DS-TP（data space transfer protocol）協議[42]是一種適用于深空環境的文件傳輸協議，其繼承了基于傳輸速率變化的協議處理方式及 SNACK，同時針對高誤碼率環境下的文件傳輸問題，在重傳機制上進行了改進。

DS-TP協議采用了雙自動重傳技術。在高誤碼率環境下，采用這種機制可以使丟失數據分組在一個固定的時延內成功接收。但由于其在整個傳輸數據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協議

針對火星任務設計的 DTTP(delay-tolerant transport protocol for space Internet work)協議參考了DTN網絡架構中Bundle協議的存儲轉發與保管傳輸制定保證可靠性的傳輸機制，同時引入了并行數據傳輸理念，將數據分組進行網絡編碼，并劃分成細小的數據塊并通過不同信道傳輸，提升了傳輸可靠性，降低了數據分組重傳概率，在深空環境中協議性能較好[43]。

結合以上協議，國際上一些研究機構已經針對DTN網絡進行了驗證測試實驗，其中，最具代表性的有UK-DMC 衛星、星際覆蓋網絡ION、深度撞擊網絡實驗以及DTN2。

薩里衛星技術有限公司制造的災害監視星座（UK-DMC）衛星是第一次使用 Bundle層協議來傳輸數據的衛星網絡。衛星拍攝的高清圖像被分為一個個Bundle，分3跳逐跳傳到地面，最終到達接收節點[44]。最新的DMC衛星下行鏈路最快可達80 Mbit/s，并且使用Sataroga協議從衛星上下載數據，使近地空間網絡與地面網絡得到了互連互通。

JPL開發了一種新型 DTN體系結構的實現平臺，稱為行星際覆蓋網絡(ION, interplanetary overlay network)[45]。ION專用于深空環境，具有代碼開源化、結構模塊化等特點，采用了Bundle層協議，同時結合CFDP和LTP協議，保證網絡的順利運行?；诖?，2008 年NASA實施了DTN網絡架構的第一次深空飛行驗證，稱為深度撞擊網絡(DINET,deep impact network)[40]。項目組向距地3.2×107km的空間區域發射實驗探測器，地面操作中心產生和接收實驗通信數據流、遙測遙控指令及探測器控制信息，在地面數據庫中實時存儲空間節點飛行器的相關測試信息，以監視網絡的操作狀態和性能（如包裹吞吐量、傳輸時延等）。在實驗中，專家成功向空間探測器節點傳輸了 12張高清圖像，初步驗證了DTN網絡的實用性[45]。

DTN2由加州大學伯克利開發，其采用了資源受限的嵌入式方式，以模擬空間平臺，同時內嵌了DTN協議架構中各個層的模塊，并提供了標準的應用程序界面（API, application program interface），很好地支持了實驗測試、擴展功能及實用部署[46]。DTN2的核心組件是Bundle路由模塊，它收集詳細的網絡鏈路狀態信息（如鏈路傳播時延、信道中斷情況等）來計算路由，然后將計算好的最優路由信息轉發給Bundle轉發模塊，做到路由平面與轉發平面分離，提高了系統的可擴展性[47]。

2.4 小結

綜合分析以上深空通信網絡體系結構及傳輸協議的研究成果及技術現狀，得出以下特點。

1) 受限于 TCP的擁塞控制及反饋重傳機制，空間 TCP/IP協議體系適用于延遲相對較低，拓撲變化較小，鏈路質量相對穩定的空間網絡，而對節點距離較大的深空環境則不適用。

2) 盡管CCSDS協議體系得到了成功應用，但針對不同場景，必須人工切換不同的協議，協議間不能進行自適應切換，各協議間存在兼容問題，同時其設計初衷是為了星地點對點通信，缺乏對整體網絡的優化。

3) DTN協議體系與前2種協議體系相比，不假設存在端到端直射路徑，數據分組采用逐跳和存儲轉發方式進行傳輸，提升了數據傳輸的可靠性；摒棄了TCP協議的建鏈方式及擁塞控制機制，采取了新的分組丟失重傳控制機制，大幅降低了數據傳輸所需重傳頻率，使 DTN協議體系下的傳輸協議更適合于延遲很高、鏈路通斷頻繁、鏈路質量變化較快的深空通信網絡；引入了Bundle層作為處理不同類型網絡協議的覆蓋層，一定程度上解決了不同協議間的兼容問題。

綜上所述，3種協議體系結構并非單純的技術演進，而是互相依存的，而DTN協議體系的思想更適合深空環境，必將成為深空通信網絡的主流協議體系。未來深空通信網絡應借鑒其他2種協議體系結構的優點，在DTN網絡體系結構基礎上，針對不同空間探測任務，進一步研究新型傳輸協議及擁塞控制機制等關鍵技術，提升網絡的有效性及可靠性。

3 深空通信網絡路由協議

深空通信網絡的路由算法最早的研究均借鑒于地面 Internet網絡，但是由于深空通信網絡的拓撲結構與地面網絡有著本質不同，使深空通信網絡存在一些獨特的問題：1）空間節點間相對運動，網絡拓撲實時變化；2）網絡中的負載變化，造成了不均勻的流量分布；3）空間平臺節點資源受限，星上設備信號處理能力較低，路由算法復雜度不能過高；4）空間節點間信號傳播時延遠大于地面Internet網絡，同時存在鏈路時斷時續，信道誤碼率較大等特征。結合以上特點，研究人員提出了多種解決方案，可將相關路由算法分為以下4類[48]。

3.1 基于擴散方式的路由

Vahdat和Becker于2000年提出基于泛洪轉發機制的傳染路由算法（epidemic routing）[49]，其核心思想是網絡中的節點接收到數據分組后，盡可能將其轉發至所有能夠接觸到的其他節點。網絡中的所有節點均需要保存并維護一張摘要矢量信息表以記錄本地緩存中數據分組信息。當兩節點可見并建立連接后，交換各自的摘要矢量信息表，并向對方節點請求本節點沒有的數據分組，之后對摘要矢量信息表完成更新，以此類推。當網絡鏈路帶寬及節點緩存資源充足時，傳染路由協議能保持很高的信息投遞率和較低的傳輸時延[50]。

由于傳染路由協議采用泛洪方式進行路由，沒有利用網絡先驗知識，轉發數據分組時，具有極大的盲目性，網絡中傳輸并緩存著大量重復分組，極易造成網絡擁塞及帶寬和存儲資源不足。

為了減少網絡資源的消耗及浪費，文獻[51]提出了噴射等待（SW, spray and wait）路由算法，旨在限制重復傳送的副本數量以優化傳染路由的效率，節省了網絡節點的緩存資源，增加了數據傳輸時延。文獻[52]則分析了節點能量對于傳染路由選擇的影響，研究了DTN網絡中各節點能量與網絡整體服務質量的關系，提出最佳能量感知的傳染路由策略。

3.2 基于鏈路代價的路由

鑒于傳染路由協議的低效性及盲目性，文獻[53]從節點能夠獲取的網絡先驗知識數量出發，相繼提出了最先接觸（FC, first contact）算法、最小期望時延（MED, minimum expected delay）算法、最早投遞（ED, earliest delivery）算法、基于本地緩存隊列的最早投遞（EDLQ, earliest delivery with local queue）算法、基于全局緩存隊列的最早投遞（EDAQ, earliest delivery with all queue）算法和線性規劃（LP, linear program）算法等的設計思想，其詳細信息及所需先驗知識關系如圖3所示。這些算法為基于鏈路代價的路由協議設計提供了研究思路和方向。

圖3 算法所需先驗知識與算法預期性能關系

基于鏈路代價的路由協議要求在數據分組傳遞過程中，中繼節點首先需要對某一種或多種網絡先驗信息進行統計，并依照相應準則計算出轉發鏈路代價函數，并以該結果決定數據直接轉發或繼續存儲在節點中直至找到合適的鏈路。

通過考察兩節點間的鏈路通斷規律，文獻[48]介紹了以鏈路的最小評估期望時延（MEED,minimum estimated expected delay）作為路由轉發的代價函數，在鏈路最小評估期望時延的計算時，節點不需要全網絡的先驗知識，僅根據本地信息進行計算，同時在中間節點處進行路由重算，以保證中間節點對機會鏈路的利用率。

文獻[54]將以不同節點之間的分組轉發概率為每條鏈路的代價值，提出了路由協議，該算法基于節點之間的歷史相遇信息，網絡中全部節點需要統計并保存一段時間內所有相遇節點的歷史信息，并以該信息為判據，制定相應的路由策略。實驗結果表明，在網絡資源受限的前提下，其數據分組投遞成功率比傳染路由高約 40%[54]。文獻[55]在路由協議的基礎上，針對節點短時間內多次可見引發的鏈路代價值增長過快等情況，進一步優化了路由策略，提高了PRoPHET路由協議在突發狀況下的性能。文獻[56]提出MaxProp協議，該協議利用最短路徑算法評估消息傳輸的概率成本并對消息進行優先級劃分，節點優先傳輸隊列中優先級高的消息，網絡發生擁塞時則刪除優先級低的消息。

3.3 基于移動模型的路由

實際深空通信網絡中的節點，其運動軌跡均呈現一定的規律性，而并非完全隨機的運動。因此，應該在路由協議設計中加入對節點移動模型的考慮。

接觸圖路由算法（CGR, contact graph routing）[58,59]是一種典型的基于移動模型的路由協議，由NASA噴氣動力實驗室的Burleigh等提出。該算法最初是用于IPN網絡以克服空間信道延時大、鏈路時斷時續的問題。由于空間探測器及衛星的相對位置已知，節點間的鏈路通斷時間等信息可以事先預知，可以比較準確地對節點的運動軌跡進行建模，使網絡中節點的移動模型信息可以得到充分利用。圖 4為CGR路由算法的整個處理流程。

圖4 CGR算法處理流程

CGR需要根據接觸計劃（contact plan）來構造整個網絡的接觸圖，該計劃中包含了接觸消息和距離消息，并在網絡生成時提前分發至所有網絡節點。接觸計劃隨著時間推移會不斷更新，增加新的接觸機會并刪除舊的接觸機會。在轉發信息時，節點利用連接檢查過程（CRP, contact review procedure）算法，基于該節點當前的接觸圖，依據預先設定的標準（跳數最少、最低時延及最長可見時間等）選擇相匹配的最優相鄰節點完成信息轉發。在下一跳節點，CGR會執行相同的處理過程，直至到達目的節點[60]。

文獻[61]針對空間環境，對CGR路由進行了改進，分析了CGR-ETO（CGR with earliest transmission opportunity）和超額預訂管理2種機制的性能。CGR-ETO通過利用各節點中存儲隊列的信息，旨在增加預測Bundle傳輸時間的準確性，優化路由選擇。超額預訂管理機制主動處理Bundle超額申請的問題，旨在保證高優先級Bundle的順利傳輸。文獻[62]將 CGR算法用于近地衛星組網，并通過OPNET工具進行了性能仿真，結果顯示，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，數據傳輸誤碼率較高。針對這個問題，有研究人員將網絡編碼引入路由協議并證明網絡編碼可提高網絡利用率[53]。

基于編碼的路由協議需要在源節點數據進行分塊及編碼操作，在目的節點進行數據重組和譯碼。與上述路由算法相比，在網絡負載相同的前提下，具有較低的傳輸延遲，但編解碼操作會引入較高的計算復雜度，增加編碼時延。目前，基于編碼的路由協議主要采用糾刪碼及網絡編碼[63]。

Wang 等[64]提出了一種基于糾刪碼的路由算法，能夠保證在網絡連接最差情況下的性能，但是在鏈路狀態較好時，存在不能充分利用接觸機會傳輸數據的問題，性能不具備優勢。

文獻[65]在 PRoPHET路由算法中引入網絡編碼的思想并進行了仿真，結果表明，采用網絡編碼后，數據投遞率的平均值得到了大幅度提升。

針對網絡編碼對信息傳輸時延的影響，文獻[66]分析了網絡編碼之中端對端的統計時延性能。文獻[67]研究了會話間網絡編碼的最小解碼延遲問題。文獻[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延的延遲最小化問題，證明了該問題是NP困難問題，并提出了啟發式的在線算法。文獻[69]分別從已知信道信息和未知信道信息2種情況分析了網絡編碼對下行鏈路文件傳輸延遲的改善情況。

3.5 小結

綜合以上分析，基于擴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延，但是需要占用大量的網絡帶寬及存儲資源，資源利用率低?；阪溌反鷥r評估的路由結合網絡的先驗知識，大幅度提升了網絡資源利用率，在網絡資源受限時，具有更好的數據投遞成功率和延遲，但是要求網絡中節點具有較強大的計算能力?；谝苿幽Ｐ偷穆酚蓪⒐濣c運動模型加入算法中，更適用于節點運動模型可準確獲得情況?；诰幋a的路由協議通過網絡編碼方式提高了系統的吞吐量，但編解碼算法會引入冗余信息并具有較高的計算復雜度，增加編碼時延，消耗更多能量。未來空間探測任務具有不同場景及不同網絡拓撲，很難找到一種通用的路由協議，必須根據特定的網絡拓撲結構及節點資源情況設計與之相匹配的路由策略。

4 深空通信網絡的技術展望

由于空間探測任務種類繁多，各任務對網絡性能的需求也不盡相同，再加上現有空間應用設備多采用專一設備，兼容性及可擴展性較差，造成多種網絡體系結構并存，多種網絡協議交織，網絡的管理復雜且成本高昂[70]。針對以上問題，本文認為需要引入新的組網思路和技術來構建深空通信網，以下舉例說明。

1) 軟件定義網絡架構

軟件定義網絡(SDN, software defined networking)是一種新型的網絡架構[71]，它將網絡的控制平面與數據轉發平面進行分離，從而簡化了網絡設備的結構，并通過統一、開放的應用程序接口，將網絡設備、資源進行抽象、虛擬化表達，從而實現可編程化控制底層硬件，實現對網絡資源靈活的按需調配[72]。

在SDN中，定義了網絡操作系統(network operating system)[73]的概念，其負責對全網絡進行適配及管理，可以針對采用不同的體系結構、不同協議的網絡進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現了網絡的融合，降低了網絡管理和維護開銷，提高了網絡性能，并且具有良好的可擴展性，可以通過模塊的升級來實現對未來新協議的兼容。SDN網絡架構如圖5所示。

圖5 SDN網絡架構

2) 內容中心網絡

傳統互聯網“以主機為中心”的思想在深空通信網絡中存在著一些問題[74]：① 網絡中相同的內容有可能存儲在多個節點，如果用戶指定的節點距離較遠，用戶將經歷很大的服務時延，如果用戶指定的節點負載較重，則用戶的內容請求可能無法獲得響應；② 不易實現內容共享，具體來說，當多個用戶請求同一內容對象時，需要為每個用戶與擁有該內容對象的節點間建立端到端連接，造成了在多條端到端通信所經過的相同鏈路上可能反復傳輸相同內容對象。這些問題在鏈路資源寶貴，鏈路狀態時斷時續，傳播時延很長的深空通信網絡中更為突出。

作為一種重要的未來網絡架構，內容中心網絡（CCN, content-centric networking）用解決傳統互聯網“以主機為中心”的通信模式與快速增長的內容遞送需求之間的矛盾[75]。用戶更關心的是內容本身，而非從哪個節點獲取。為此，CCN摒棄了“主機地址”，而是賦予內容對象一個唯一的標識，顛覆了傳統網絡架構。用戶直接通過使用內容 ID請求所需求的數據內容。網絡節點在識別內容ID后，根據內容所處節點位置及用戶位置等信息，找到最優的內容提供者，并根據內容ID而不是IP地址對所獲取內容進行路由，避免重復信息在網絡中傳播[74]。同時，CCN通過在每個節點設置緩存，節省了大量的傳輸帶寬資源。目前已有一些 CCN架構被提出，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) 結合噴泉編碼的多路徑并行路由

深空通信網絡拓撲動態變化，鏈路間歇中斷，這使空間節點必須高效利用有限的鏈路持續時間。而又由于空間節點可能同時與多個其他空間節點可見并建立連接，所以可通過引入多路徑并行傳輸技術，提高鏈路利用率，提升網絡吞吐量。

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

除以上3種技術之外，全新互聯網設計（clean state design for the Internet）、全球網絡創新環境（GENI, global environment for network innovations）等研究項目的思路也可為未來深空通信網絡提供啟發、借鑒與參考[85]?？傊?，未來深空通信網絡需結合 DTN與新型互聯網技術，針對多種探測任務需求，構建一體化深空通信網絡。

5 結束語

本文結合深空通信網絡的特點，綜述了深空通信網絡技術的發展，包含網絡協議體系架構和路由策略，分析了不同技術的優缺點，并結合對深空探測任務需求，對深空通信網絡技術未來發展方向進行了展望。

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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

廣東省省級科技計劃基金資助項目（No.2015B010101002）；國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2015AA015701）；國防重點實驗基金資助項目（No.60421040101162104002）

安建平（1965-），男，山西原平人，北京理工大學教授，主要研究方向為衛星與空間通信、無線寬帶通信與網絡、空間信號處理技術。

靳松（1990-），男，山西臨汾人，北京理工大學博士生，主要研究方向為深空通信技術、DTN網絡。

許軍（1991-），男，陜西寶雞人，北京理工大學碩士生，主要研究方向為通信網絡與協議、下一代互聯網NDN。

張宇（1972-），男，山西原平人，北京理工大學講師，主要研究方向為通信網絡性能分析與優化、協議設計、建模與仿真。

邵立偉（1979-），男，河北保定人，中山北京理工大學研究院助理研究員，主要研究方向為無線通信技術、空間通信技術及網絡協議。