空間互聯網傳輸協議和存在的問題

左梅+郁佳佳

摘 要

空間通信需求的迅猛發展使得空間互聯服務成為研究熱點。由于空間網絡具有子網異構，網絡拓撲復雜，鏈路時斷時續，傳輸時延大等特點，在傳輸協議上區別于地面互聯網。本文從空間互聯技術的特點和要求出發，綜合分析了空間互聯網的關鍵協議，并闡述了目前存在的若干問題。

【關鍵詞】空間互聯網 空間數據系統咨詢委員會（CCSDS） 延遲中斷容忍網絡（DTN）

隨著航天技術的發展和互聯網的廣泛應用，使得目前可以在不同的任務之間共享地面和空間通信資源，人類產生的日益增長的空間通信需求越來越得到滿足，空間任務不斷增加。如何借助當今的互聯網技術，將地面互聯網引申到空間，構建空間互聯網，為通信中繼，對地觀測和導航定位等應用提供基礎支撐，是目前科學家研究的熱點。

1 空間互聯網

空間互聯網是指利用地面互聯網的技術優勢，以衛星星際鏈路為物理傳輸媒介，按照高效利用、綜合集成的原則，將太空中的信息資源進行有機連接，構建具有與地面互聯網類似的應用服務能力以及能與地面良好互通的綜合一體的太空信息網絡。相比與傳統的地面互聯網，空間互聯網中數據鏈路模型中包含著運動的衛星和航天器，因此隨著運動引起的位置變化，會導致網絡拓撲動態變化。同時，太空網中設備無線連接，和地面通信連接時斷時續、傳輸延時大、誤差率高、上下行傳輸速率不對稱，這都要求空間互聯網要采用統一的傳輸協議，盡量減少不必要的協議轉換。但是地面網絡廣泛使用的TCP/IP協議體系并不能適應上述空間互聯網的特征，因此需要研究適應空間網絡性能的協議。

2 關鍵協議

2.1 CCSDS協議

CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）即空間數據系統咨詢委員會，從20世紀90年代開始，致力于開發空間通信系統和數據系統，對地面TCP/IP協議進行了改進，提出了一系列的空間網絡協議，包括數據鏈路層至傳輸應用層一系列協議，現已廣泛應用于世界范圍的空間通信中。在CCSDS退出的百份建議書中，提出了大量有前瞻性和創新性的概念和技術，比如以分包遙控（TC）、分包遙測（TM）為核心的常規在軌系（COS），解決了中低速率異步數據流的傳輸問題；之后進一步提出高級在軌系統（AOS），將航天器的載荷數據和工程數據合二為一，統一為一個數據流，能夠支持寬帶數據傳輸，是目前大多數航天器的數據處理機制的首選方案。在網絡層到應用層，其提出的空間通信協議（SCPS）和文件傳輸協議（CFDP），能夠支持空間大數據文件的安全可靠得傳輸處理。2001年初，我國的神舟二號飛船是國內公用航天器首次采用CCSDS標準，實現了高速多路復接器。根據我國航天科技發展規劃，在未來的月球與深空探測任務中，將通過國際互聯網形式增加軌道覆蓋率，同時要為國外航天任務提供更多的測控支持服務，因此在航天測控通信領域逐漸采用DDSDS標準已經成為必然。

2.2 DTN協議

DTN起源于美國噴氣推進實驗室對行星際互聯網的研究，其數據處理模式為收集盡可能多的信息，打包發送到下一個節點，基于空間傳輸特點，提出了延遲容忍網絡（Delay Tolerant Networking，DTN），后來DTN又融合了中斷的概念，適用于處理時斷時續的連接和傳輸延遲大的網絡互聯體系。這種體系架構特點是用同一種網絡技術的網絡節點構成域，域之間通過DTN網關連接，這種傳輸模式可以保證當網絡斷開時，或者當網絡延時較長時，在端與端之間傳輸的穩定性。BP（Bundle Protocol）協議是DTN協議體系的網絡互聯協議，類似地面互聯網中的IP協議。它是一個無會話協議，基于存儲轉發的路由管理，支持異種網絡之間的端到端通信。當下一跳路由不可用時，可以將數據暫時保存等待再次建立連接，使得傳輸更可靠。LTP（Licklider Transmission Protocol）協議是將數據信息聚合成較長的LTP塊進行傳輸，能檢測丟失或損壞的塊，并采用自動重傳的機制，提高相鄰節點間傳輸效率和可靠性。

3 存在的若干問題

針對上述空間互聯網的關鍵協議，相比傳統TCP在空間網絡傳輸時性能和穩定性都有所提高，但是也存在一些問題。

3.1 路由技術

空間網絡環境復雜多樣，網絡拓撲不斷變化，需要優化路由策略，比如采用多種路由方式組合，同時對于多播的需求，如何進行可靠路由都有待進一步研究。

3.2 安全問題

空間網絡子網異構，鏈路易受干擾，因此在安全接入、安全切換、安全路由等方面受到不同方面、不同層次的安全威脅。比如物理層要考慮連接完整性，數據鏈路層要考慮連接機密性和認證，網絡層和傳輸層要考慮認證、訪問控制等。DTN網絡中的BP協議將密鑰分發機制和驗證機制分離，提升了網絡節點無法實時交互的安全性。

3.3 網絡仿真

空間互聯網的建設需要高投入，通過搭建仿真平臺，可以對要建設的通信網絡進行研究和評估，使得系統的研發成本得以控制。

4 結論

空間互聯網是地面互聯網向空中、地球軌道空間以及深空空間的延伸和拓展，是未來互聯網發展的方向，用以滿足衛星、空間飛行器和地面的互聯互通，有廣闊的前景。但是由于網絡自身的特點，現在還有許多待研究和解決的技術問題，針對這一挑戰的研究和分析，以及隨著通信技術和互聯網技術的發展，空間互聯網技術必將穩步前進。

參考文獻

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