天地一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究

張亞生，孫晨華，谷聚娟

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、服務(wù)實(shí)體之間進(jìn)行信息交換的規(guī)則、流程及約定，是計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行通信的前提。為保證網(wǎng)絡(luò)資源高效使用，協(xié)議要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所要支持的應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

地面互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，地面互聯(lián)網(wǎng)使用TCP/IP協(xié)議體系[1]，該協(xié)議體系是針對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境開(kāi)發(fā)的；地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)綜合利用了有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的傳輸方式，采用基于2G、3G、4G的移動(dòng)通信協(xié)議體系[2]?？臻g網(wǎng)絡(luò)具有星地鏈路延時(shí)長(zhǎng)、星際鏈路斷續(xù)、高誤碼、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，不同國(guó)際組織結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)景提出了不同的協(xié)議體系，面向航天測(cè)控應(yīng)用采用CCSDS協(xié)議體系[3]，面向深空探測(cè)、星際互聯(lián)應(yīng)用采用DTN協(xié)議體系[4]。天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合了天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)，本文在借鑒地面網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有協(xié)議體系研究的基礎(chǔ)上，提出了適用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)融合協(xié)議體系，實(shí)現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫融合。

1 地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

1.1 TCP/IP協(xié)議體系

互聯(lián)網(wǎng)基于TCP/IP協(xié)議體系可以為用戶(hù)提供多樣化的服務(wù)，如電子郵件、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等，支持多種形式物理設(shè)備之間的互聯(lián)，如光纖、電纜等。TCP/IP協(xié)議采用分層協(xié)議架構(gòu)，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層，如圖1所示。

根據(jù)服務(wù)需求和設(shè)備形式的不同，每層使用不同的協(xié)議來(lái)完成業(yè)務(wù)傳輸。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，TCP/IP協(xié)議作為地面應(yīng)用范圍最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以其開(kāi)放的架構(gòu)已經(jīng)成為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP協(xié)議具有良好端到端的能力、高層協(xié)議功能以及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化能力。眾多的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品廠(chǎng)家都支持TCP/IP協(xié)議。

圖1 TCP/IP協(xié)議體系

但是，TCP/IP協(xié)議直接應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)，衛(wèi)星鏈路的長(zhǎng)延時(shí)、帶寬受限等特性，會(huì)造成基于TCP/IP協(xié)議的業(yè)務(wù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸效率很低[5]。

1.2 地面移動(dòng)通信協(xié)議體系

地面移動(dòng)通信系統(tǒng)由用戶(hù)設(shè)備、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)3部分組成[6]。其中，用戶(hù)設(shè)備發(fā)起各種呼叫和數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)。接入網(wǎng)完成與無(wú)線(xiàn)有關(guān)的功能，包括接收、發(fā)送和處理無(wú)線(xiàn)信令，以及與用戶(hù)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。核心網(wǎng)負(fù)責(zé)處理網(wǎng)內(nèi)的呼叫請(qǐng)求或數(shù)據(jù)請(qǐng)求，涉及連接、計(jì)費(fèi)和移動(dòng)性管理等，并負(fù)責(zé)與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

針對(duì)個(gè)人移動(dòng)用戶(hù)間電話(huà)和數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)互通需求，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的協(xié)議體系采用分層協(xié)議架構(gòu)[6]，包括接入層和非接入層。以3G為例，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)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(huì)話(huà)管理和移動(dòng)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(huà)呼叫類(lèi)業(yè)務(wù)，分組域功能單元主要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)等數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)。

圖2 地面移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)議體系

地面移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)議體系的無(wú)線(xiàn)側(cè)傳輸環(huán)境與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在較大差別[7]，因此該協(xié)議體系應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)接入層協(xié)議需要結(jié)合衛(wèi)星鏈路和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 空間網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

2.1 CCSDS協(xié)議體系

CCSDS建議是專(zhuān)為航天任務(wù)“量身定做”的協(xié)議，充分考慮了空間鏈路帶寬資源的珍貴性及未來(lái)航天任務(wù)的新需求，協(xié)議效率較高。

最初CCSDS協(xié)議體系只規(guī)定了鏈路層組網(wǎng)協(xié)議，包括COS(普通在軌系統(tǒng))和AOS(高級(jí)在軌系統(tǒng))兩部分。后來(lái)逐漸將TCP/IP引入?yún)f(xié)議體系，在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)互聯(lián)，鏈路層的仍采用AOS等協(xié)議，代表成果是SCPS系列規(guī)范和IP OVER AOS規(guī)范，CCSDS協(xié)議體系[8]如圖3所示。

圖3 CCSDS協(xié)議體系

CCSDS協(xié)議經(jīng)過(guò)了多次航天任務(wù)考驗(yàn)，航空任務(wù)中使用該協(xié)議可以降低成本、減小風(fēng)險(xiǎn)和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。通過(guò)在數(shù)據(jù)鏈路層使用CCSDS的TM、TC、AOS、Proximity-1等協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層使用IP及其擴(kuò)展技術(shù)[9]，可以保護(hù)已有投資及國(guó)際聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，增強(qiáng)不同空間組織在航天任務(wù)中開(kāi)展交互操作和交互支持的能力。但是該協(xié)議側(cè)重于對(duì)業(yè)務(wù)的承載，缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)路由、接入控制、資源分配和移動(dòng)性管理等的支持。

2.2 DTN協(xié)議體系

DTN(行星際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)體系是專(zhuān)門(mén)針對(duì)宇宙空間中星際通信的特點(diǎn)而提出，用于解決大時(shí)空尺度和惡劣環(huán)境下多系統(tǒng)組網(wǎng)通信問(wèn)題。

DTN協(xié)議采用持久存儲(chǔ)、尋機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的思想[10]。通過(guò)在傳輸層和應(yīng)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(jī)制，在傳輸層使用LTP可靠傳輸協(xié)議，保證長(zhǎng)延時(shí)、高誤碼鏈路上信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?。根?jù)業(yè)務(wù)流特性，對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流和可靠業(yè)務(wù)流分別采用不同的協(xié)議，鏈路層通過(guò)虛擬信道調(diào)度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在鏈路層的可靠傳輸，為不同應(yīng)用提供不同服務(wù)，DTN協(xié)議體系[11]如圖4所示。

DTN協(xié)議能在斷續(xù)、高誤碼的大時(shí)空跨度環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、可靠傳輸，構(gòu)建更加安全、有效、可靠的自主通信網(wǎng)絡(luò)。但是該協(xié)議體系還未形成完善的路由選擇、密鑰管理保證機(jī)制，且協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)較大。

圖4 DTN協(xié)議體系

3 天地一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

從衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展來(lái)看，衛(wèi)星通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、基于星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、基于星間組網(wǎng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)到構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程。相應(yīng)地，衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議也在不斷演進(jìn)。最早基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器的協(xié)議體系主要涉及物理層與鏈路層，多采用專(zhuān)用協(xié)議；近年來(lái)隨著業(yè)務(wù)IP化發(fā)展，衛(wèi)星通信協(xié)議體系已經(jīng)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及應(yīng)用層[12]，基本形成了基于TCP/IP的衛(wèi)星協(xié)議體系，該體系結(jié)合空間網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)對(duì)TCP/IP協(xié)議各層進(jìn)行增強(qiáng)和優(yōu)化設(shè)計(jì)[13]；基于星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)具有路由交換能力，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在繼承原有協(xié)議體系的基礎(chǔ)上更加關(guān)注星載交換、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化路由協(xié)議研究[14]；基于星間組網(wǎng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中各星載節(jié)點(diǎn)之間開(kāi)始組網(wǎng)，星間組網(wǎng)協(xié)議成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；天地一體化網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星通信系統(tǒng)在協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮與地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的融合設(shè)計(jì)。

天地一體化網(wǎng)絡(luò)采用“天網(wǎng)地網(wǎng)”架構(gòu)[15]，由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)和地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)構(gòu)成，并可與地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)開(kāi)放互聯(lián)[16]。天地一體化網(wǎng)絡(luò)面向陸海空天用戶(hù)，支持網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)分發(fā)、空間應(yīng)用、航空應(yīng)用、海事應(yīng)用和物聯(lián)應(yīng)用等服務(wù)，其協(xié)議體系在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)借鑒現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)成熟的協(xié)議體系，設(shè)計(jì)適用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)空間融合協(xié)議體系，如圖5所示。

圖5 增強(qiáng)空間融合協(xié)議體系

增強(qiáng)空間融合協(xié)議體系基于地面網(wǎng)的TCP/IP分層協(xié)議模型并兼容CCSDS協(xié)議體系、DTN協(xié)議體系和衛(wèi)星移動(dòng)協(xié)議體系，結(jié)合天基網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)對(duì)每一層進(jìn)行協(xié)議空間增強(qiáng)設(shè)計(jì)，包括空間增強(qiáng)應(yīng)用層協(xié)議、空間傳輸層協(xié)議、高安全增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，鏈路層和物理層協(xié)議結(jié)合空間鏈路傳輸體制、應(yīng)用不同分別設(shè)計(jì)，如：面向航天測(cè)控應(yīng)用采用CCSDS協(xié)議，天基接入網(wǎng)的星地鏈路協(xié)議基于地面移動(dòng)協(xié)議體系進(jìn)行定制。

基于增強(qiáng)空間融合協(xié)議體系，深空探測(cè)節(jié)點(diǎn)和低軌移動(dòng)用戶(hù)分別與地面用戶(hù)通信的端到端協(xié)議模型如圖6所示。

空間增強(qiáng)應(yīng)用層協(xié)議旨在提高天基網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中應(yīng)用層協(xié)議傳輸性能，通過(guò)緩存、預(yù)取和流程優(yōu)化[17]等技術(shù)手段進(jìn)行協(xié)議增強(qiáng)設(shè)計(jì)；DTN協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)深空節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸；空間傳輸層協(xié)議能夠克服衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)延時(shí)、高誤碼對(duì)TCP協(xié)議帶來(lái)的影響，通常采用算法改進(jìn)、零窗口停發(fā)、反向ACK過(guò)濾和誤碼容忍控制機(jī)制等空間傳輸層增強(qiáng)手段來(lái)解決；高安全增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議通過(guò)多種天基絡(luò)專(zhuān)用支撐協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括衛(wèi)星專(zhuān)用路由協(xié)議、衛(wèi)星QoS路由協(xié)議等，最終實(shí)現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)高效路由、安全傳輸；深空通信節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星鏈路的鏈路層采用CCSDS協(xié)議，低軌移動(dòng)用戶(hù)衛(wèi)星鏈路的鏈路層采用衛(wèi)星移動(dòng)鏈路協(xié)議。該協(xié)議體系可繼承現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)成熟技術(shù)，面向用戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)透明的TCP/IP協(xié)議接口，在空間段對(duì)各層協(xié)議進(jìn)行增強(qiáng)，提高協(xié)議傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

圖6 增強(qiáng)空間融合協(xié)議體系的端到端協(xié)議模型

天地一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系在實(shí)施時(shí)可采用如下分布實(shí)施方案：

第1階段：設(shè)計(jì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的傳輸及組網(wǎng)協(xié)議，構(gòu)建提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的天地一體化信息傳輸網(wǎng)絡(luò)?；诂F(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的研究成果，設(shè)計(jì)天基信息網(wǎng)絡(luò)傳輸及組網(wǎng)協(xié)議，基于開(kāi)放式的協(xié)議架構(gòu)構(gòu)建天地一體化信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。

第2階段：研究天基網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議，開(kāi)發(fā)多樣化服務(wù)?；陂_(kāi)放式的天基信息網(wǎng)絡(luò)傳輸及組網(wǎng)協(xié)議，面向天基網(wǎng)絡(luò)航空、海事和物聯(lián)等領(lǐng)域服務(wù)應(yīng)用，研究天基網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議，開(kāi)發(fā)多樣化服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的必然結(jié)果，天地一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不應(yīng)該采用全新的協(xié)議體系，應(yīng)結(jié)合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用服務(wù)需求，繼承原有地面網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，積極借鑒引進(jìn)地面網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)，設(shè)計(jì)增強(qiáng)空間融合協(xié)議體系和開(kāi)放式的協(xié)議架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)天基網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通、信息服務(wù)共享。

[1] 張根耀.下一代互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(4)：29-31.

[2] 張春煊.基于分層體系結(jié)構(gòu)的移動(dòng)通信核心網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，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(guó).基于DTN的空間綜合信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2013：21-53.

[5] 周兆清，陳立軍.TCP/IP協(xié)議在衛(wèi)星鏈路上的應(yīng)用研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程，2006，36(1)：51-54.

[6] 鮑峰.一種衛(wèi)星移動(dòng)通信終端協(xié)議棧NAS層模塊設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2017(15)：11-13.

[7] 桂琪.基于GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的呼叫控制協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，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(jī)制探討[D].北京：中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，2002：7-45.

[10] DAVID J I，F(xiàn)AITH 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(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系應(yīng)用研究[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，2016，42(3)：22-25.

[12] 周明.空間網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2012：6-23.

[13] 張亞生，彭華，谷聚娟.衛(wèi)星TCP加速技術(shù)研究[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，2010，36(5)：29-31.

[14] 王旭陽(yáng)，孫晨華，馬廣龍.基于標(biāo)識(shí)/位置分離的衛(wèi)星網(wǎng)路由架構(gòu)研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程，2014，44(3)：8-10.

[15] 張軍.面向未來(lái)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J].國(guó)際航空，2008(9)：15-18.

[16] 李廣達(dá)，孫晨華，劉剛.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J].無(wú)線(xiàn)電工程，2016，46(3)：5-8.

[17] 谷聚娟，張亞生.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中SIP業(yè)務(wù)應(yīng)用研究[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，2016，42(3)：102-104.