天地一体化网关设计与实现

徐 琪，周华春，李光磊，高德云，李泰新，李海峰

(北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044)

自20世纪70年代提出互联网至今，互联网技术给全世界各行各业带来了天翻地覆的变化，也彻底改变了人们以往获取信息的方式。随着我国经济、航天、军事等诸多领域的迅速发展，对于现有信息网络提出了更高的要求。比如在航天测控领域，我国无法在全球部署测控站，只能通过测控船收发指令，采集数据。在其他领域，人们也希望能够在任何地点、任何时间、以任何方式获得信息。因此，如何将地面互联网延伸至空间，将空间卫星互联起来，构建天地一体化网络变得十分迫切。

但现有互联网体系在空间网络中的性能并不令人满意[1]。空间网络具有高动态、间歇性连接、上下行链路速率不对称、长时延、高误码率等链路特性。为了克服限制，提高网络性能，文献[2]提出了时延容忍网络架构DTN(Delay-Tolerant Network)。DTN体系架构在传输层和应用层之间设计了一层端到端的面向应用层数据的覆盖层，称作“Bundle层”。采用持续存储帮助克服网络中断，通过逐跳转发方式保障数据的可靠传输。此外还设计了多种“汇聚层”协议，与Bundle层配合工作，提高链路的利用率，适应不同链路状况下的数据传输。由基于DTN架构的空间网络和地面网络可构建天地一体化网络，由于DTN架构与地面互联网现有协议存在差异，空间网络相对孤立，因此，需要设计协议转换网关，实现两者互联互通。

在该背景下，本文基于“一体化标识网络”架构，针对空间网络和地面网络互联互通问题，设计了天地一体化网关，实现DTN协议和TCP/IP协议两者之间的转换，并结合Web服务设计WebCache功能模块。此外通过地月通信实验场景，在不同的上下行带宽比和误码率情况下进行地月间数据传输实验，测试网关的基本功能和适应能力。通过获取Web服务的测试实验，验证WebCache功能模块对空间链路利用率的改善。

1 相关工作

近年来，尽管有很多关于天地网关的研究工作在进行，但还没有一致的解决方案，很大一部分原因在于空间网络中尚无明确统一的协议体系，因此人们围绕各种空间网络协议提出了诸多天地网关的设计。一般情况下，天地网关的实现方式主要有两种：隧道方式和协议转换。

1.1 隧道方式

隧道方式一般是指将地面网络的整个IP包作为空间网络数据包的数据载荷部分封装起来进行传输。文献[3]基于CCSDS/SCPS通信协议的IP over CCSDS协议[4]设计实现了天地网关。文献[5]结合虚拟以太网设备设计实现了BPTAP。上述两种方式分别利用CCSDS和DTN在空间网络中的优势，互联了空间网络和地面网络，但是两者均增加了报头开销，降低了传输效率。

1.2 协议转换

文献[6]描述了星上分段TCP代理，配合地面网关将天地之间的端到端连接分成若干段TCP连接，采用性能增强代理[7]PEP(Performance Enhancing Proxy)克服空间网络中的长时延和高误码率，有效利用了卫星资源，但是PEP并不能很好地解决受限网络的传输问题。文献[8]提出的Intelligent gateway虽然利用MPTCP在一定程度上优化了地面终端用户的服务体验，但仍用PEP协议进行空间数据传输。文献[9]提出了面向高动态多跳航天测控网络的跨层协议架构，设计AeroTP/AeroNP协议完成飞行器之间的数据传输，并在文献[10]中描述了实现AeroTP/AeroNP协议与TCP/IP互联的AeroGW。

文献[11]基于OPNET仿真设计了DTN网关，实现TCP/IP协议与DTN协议之间的转换，但是该设计只将空间实体作为中间转发节点，没有提及空间实体如何与地面网络相互通信，并且缺少针对TCP协议转换的仿真验证。文献[12]采用DTN协议克服车联网“受限”的问题，并针对异构域跨域传输问题，分析了IP over DTN和DTN over IP两种网关结构，提出IP-cum-DTN网关结构，设计实现IP和Bundle的协议转换，但是在DTN协议栈中的传输层使用Freeze-TCP，不能较好地适应空间链路。

天地一体化网关参考星上分段TCP代理的设计思想以及IP-cum-DTN网关结构，网关与地面网络之间采用TCP/IP协议，网关与空间网络之间采用DTN协议，通过DTN协议和TCP/IP协议两者之间的协议转换，避免了隧道方式的报头开销，而且能够充分利用DTN协议和LTP传输协议的特性来应对空间链路的约束。实验结果证明通过天地一体化网关能够较好地适应空间链路特性，可以实现空间和地面之间的相互通信。

2 一体化标识网络

现有互联网面临着许多问题，比如网络资源利用率低、网络安全性差、可扩展性差、移动性差、能耗高等，导致这些弊端的根源在于现有互联网的原始设计思想存在不足。具体来说，现有互联网具有“三重绑定”的特征，即：服务的“资源和位置绑定”、网络的“控制和数据绑定”及“身份和位置绑定”[13]。这种网络体系和机制是相对静态和僵化的，无法满足当今快速增长的用户规模以及不断增加的网络需求。

因此，通过一体化标识网络[13，14]中身份与位置分离、资源与控制分离、控制与转发分离的思想，可从根本上解决现有互联网的诸多问题，同时吸收DTN体系架构在空间网络中的研究成果，构建天地一体化网络，实现天地网络互联互通。本文的工作主要集中于身份与位置分离机制。

如图1所示给出了一体化标识网络用于实现身份与位置分离机制的基本架构。该架构采用双核心、多从属的组网方式，双核心是指地面核心网和空间核心网，多从属是指核心网边缘的接入网，它们通过边界路由器接入双核心实现互联互通。此外，为解决身份与位置绑定的问题，即IP地址即代表用户的身份信息又代表用户的位置信息，根据身份与位置分离的设计思想，要求网络中每个对象均有两个标识，一个是身份标识，表示用户的身份；另一个是位置标识，表示用户在网络中的位置，用于网络路由。身份标识与位置标识的映射关系保存在各个域的位置映射系统和天地一体化网关中。用户首次接入网络时，位置映射系统会给用户分配一个位置标识，用户侧只使用身份标识进行通信，通过接入路由器在接入网中的通信过程使用接入网位置标识进行路由，通过边界路由器在核心网中的通信过程使用核心网位置标识进行路由，通过天地一体化网关进行异构域网络身份标识转换。

图1 一体化标识网络用于实现身份与位置分离的基本架构

每个网络根据自身所处物理环境的实际情况，使用合适的路由和传输协议。一体化标识网络采用DTN协议对各类卫星、空间站等空间节点进行组网。其中Bundle协议设计使用了端点ID EID(Endpoint IDs)的命名方式来表征DTN网络内每个节点的身份与位置信息。为了能在不同网络采用相应的路由与传输协议，同时实现空间网络与地面网络的互联互通，设计了天地一体化网关。网关结合位置映射系统为每个空间网络身份标识分配了地面网络代理身份标识，同样也为每个地面网络身份标识分配了空间网络代理身份标识。网关实现DTN协议和TCP/IP协议转换的同时也实现了域间不同标识的转换，该网关也称为标识转换网关IDCG，该设计主要针对IPv6与EID标识之间的转换。

3 网关设计与实现

3.1 协议栈设计

相比Internet体系结构，DTN体系架构在传输层与应用层之间，添加了一层面向消息的端到端的覆盖层，称作“Bundle层”。根据RFC5050对Bundle协议[15](BP)的定义，BP的协议数据单元称为Bundle，每个Bundle由一个主Bundle块和至少一个Bundle载荷块以及可选的Bundle扩展块组成。BP使用一个或多个EID表示DTN网络中的实体，EID采用URI(Uniform Resource Identifier)通用结构：工程名：端点号.节点号。

例如ipn：1.1和ipn：1.2都是工程名为ipn、端点号为1的实体EID，即每个实体只能有一个端点号，但可以有多个节点号。特别的是，端点号与网络层IP地址属于后绑定关系，即在Bundle层完成路由选路，并且发送到网络之后再进行EID与IP地址的解析，网络层不再进行路由而是直接向后绑定解析得到的下一跳IP地址进行转发。

Bundle协议为通信过程提供持续的存储转发以克服网络中断，通过逐跳转发、可选的端到端确认机制以及大量的诊断和管理机制保障传输的可靠性。由于空间网络无法保证通信全过程中持续可靠的端到端连接，因此Bundle协议采用逐跳存储转发方式进行消息传递，消息被封装入Bundle负载块中，沿着源节点到目的节点之间的路径逐跳转发，每个经过的DTN节点根据可选的保管机制选择是否存储该Bundle，直至顺利抵达目的节点。如果由于某条链路长时间的中断导致某个正在传递中的Bundle生命周期耗尽，那么最近一个保管该Bundle的DTN节点继续进行该Bundle的传递。

为保障Bundle层存储转发机制的正常工作，还需要基于EID的可靠路由协议，比如连接图路由协议CGR( Contact Graph Routing)。针对长往返时延和频繁中断的链路环境，DTNRG提出了LTP(Licklider Transmission Protocol)[16]汇聚层协议，旨在提供长时延、高误码率和不对称链路下的可靠传输。另外，DTN架构中还有其他汇聚层协议和上层应用协议，适用于不同的环境。虽然关于DTN的研究仍在讨论完善中，但已经有不少学者实现了DTN体系结构，并且做了大量验证实验，这些研究主要关注DTN网络内部的协议设计和改进。比如DTNRG开发的dtn、JPL实验室开发的ion[17]、MORGENROTH J等[18]开发的ibrdtn。

天地一体化网关协议栈如图2所示，网关与地面网络之间采用TCP/IP协议，网关与空间网络之间采用基于ion的DTN协议。对于地面网络不同类型的传输协议，空间网络可根据需要配置相应的传输协议。如对不要求可靠传输的UDP协议配置BP/UDPCL/UDP(如果空间域要求可靠也可配置为BP/LTPCL/UDP，因为空间链路质量相对较差)，要求可靠传输的TCP协议对应BP/LTPCL/UDP协议。因此天地一体化网关是一个双协议栈网关，通过身份标识以及协议报文格式的相互转换，实现空间网络与地面网络的互联互通。

图2 天地一体化网关协议栈

3.2 程序实现

天地一体化网关主要由4部分组成，分别是包过滤模块、身份标识转换模块、协议转换模块和身份标识数据库。图3显示了各个模块在网关中的逻辑位置以及各模块的相互关系。

图3 天地一体化网关模块结构

包过滤模块的主要功能是实时监听收到的数据包，并查询身份标识数据库进行过滤。如图3所示，网关包含地面、空间两个接口，地面接口是IPv6身份标识，空间接口是EID身份标识，分别负责接收各自网络的数据包。

身份标识数据库负责为来自两个核心网络位置映射系统的身份标识分配代理身份标识，同时将身份标识与代理身份标识之间的映射关系存储下来。网关拥有多个EID，除了一个用于表示空间接口外，其余均用于分配空间代理身份标识。类似的，网关使用与地面接口相同地址前缀的IPv6网段为空间实体EID的端点号分配地面代理身份标识，并根据节点号设定地面传输协议的目的端口号，源端口随机分配。所有身份标识的分配过程都遵循先后顺序，比如地面身份标识为1:1::1/64、空间身份标识为ipn:1.1的网关收到了来自两个网络的身份标识信息，分别是4ffe:8000:ffff:2/64和ipn:3.2，前者获得空间代理身份标识为ipn:1.2，后者获得地面代理身份标识为1:1::3/64，地面传输协议目的端口号为2。

身份标识转换模块负责标识转换机制的正常工作，即根据数据包的身份标识匹配身份标识数据库中的映射信息，并进行身份标识转换。

协议转换模块的主要功能是继身份标识转换之后，接着完成数据包格式的转换。众所周知，地面网络的应用大多基于TCP/UDP传输协议，TCP协议是面向连接的可靠传输协议，UDP协议是无连接的尽力交付的传输协议。根据文献[15]的描述，主Bundle块中Bundle处理控制标志字段的第9～13位是保留字段，本文利用该保留字段表征协议转换之后对应的地面网络传输协议类型。UDP协议和DTN协议的转换相对简单，转换时只需提取一种协议的负载作为另一种协议的负载，因此这里主要阐述TCP协议与DTN协议之间的转换。

TCP的协议转换采用伪应答的方式进行TCP欺骗，实现TCP的分段连接，让网关作为空间网络节点的代理与地面网络节点建立TCP连接，然后在空间网络使用DTN协议传输TCP协议中的数据，从而实现TCP传输协议与DTN协议之间的相互转换。

以地面网络向空间网络节点发起传输为例，如图4所示，包过滤模块截获来自地面网络接口的数据包，并判断数据包的传输协议类型，选择相应的转换机制。对于TCP传输协议，网关识别SYN报文、FIN报文和数据报文，根据SYN报文中的信息与地面网络节点建立TCP连接，当FIN报文到来时断开相应的连接。TCP数据报文的协议转换与UDP相同，根据身份标识数据库进行身份标识转换，然后经过协议转换模块，提取应用层数据，重新封装成Bundle报文发往空间网络。

图4 TCP协议转换流程示意图

当地面节点与空间节点通信时，网关通过提取数据载荷和转换标识实现域间数据传输。对于TCP协议，网关作为空间节点的代理与地面节点建立连接。地面网络和空间网络的拥塞避免和流量控制由各自网络内部的传输层或汇聚层协议负责。由于地面网络数据包负载往往较小，且可能受严格的拥塞和流量控制，而空间网络以较大的Bundle为单位传输数据才能体现其协议优势，因此可为来自或发往地面网络的数据设计包缓存机制以提高Bundle协议效率。网关通过提取和聚合来自地面网络的应用数据再发往空间域，可提高空间网络上行链路利用率；通过接收和分解来自空间域的大块应用数据再发往地面网络，可提高空间域下行链路的利用率。

3.3 WebCache实现

前文所述内容实现了协议转换的基本功能，而考虑到空间网络具有高动态、长时延、间歇性连接等特点，为了使得各种应用如Web服务、流媒体和文件传输等更好地适应空间网络，可对天地一体化网关进行功能扩展。比如，针对载人飞船上的宇航员访问地面Web服务的场景和需求设计了WebCache模块。

宇航员可以通过“天链一号”[19]等数据中继系统和地面保持较长时间的通信，而在没有数据中继系统或在其覆盖范围之外的情况下，空间节点可能需要利用能够建立通信的时间段尽可能多的获取Web数据，并在没有连接的情况进行离线浏览。因此，WebCache扩展模块需要有缓存和Web文件传输的功能，以提高传输效率并支持离线浏览。

图5给出了WebCache的工作原理，此时网关不仅作为协议转换网关，而且具有Http代理功能和缓存功能。空间节点发送一个基于DTN协议的Web请求，网关中的WebCache服务模块负责接收Web请求，并且根据请求中的URL与相应的Web服务器建立TCP连接，WebCache获取Web文件并将其存储在本地。若Web数据获取完成后网关仍然和空间节点能够建立通信链路，且能在中断前完成Web数据的发送，网关则将Web数据以Bundle形式发送给空间节点，否则将数据缓存于本地，等待下一次连接时再传输。

图5 WebCache工作原理

WebCache借助Httrack[20]软件实现离线缓存，并为请求方提供丰富的控制参数，如控制递归深度和文件类型。宇航员可根据自身需求定制请求内容，控制回传数据的大小。在和地面站建立连接或在数据中继系统的覆盖范围之内时，对于内容具有随机性和实时性要求高的网页请求(如搜索服务)，往往只需要获取一个网页，通过控制递归深度为一，只获取搜索结果界面。对访问频率高、内容多和实时性要求不高的网站，宇航员通过增大递归深度能请求存储更多的内容，并可在本次或下一次建立连接的时间段内通过DTN协议传输WebCache存储的内容。这种设计方式可充分利用空间链路的连接时间，提高链路利用率，更好地支持在间歇性连接的空间网络中获取地面Web服务。

4 实验和结果分析

基于一体化标识网络原型系统，设计了地月通信场景进行传输链路性能实验，分别在不同的误码率、上下行链路比的情况下，测试即时吞吐量，验证网关在不同链路条件下的适用性。此外还进行了WebCache测试实验，验证网关的WebCache功能。

4.1 地月通信实验场景

如图6所示，实验使用了14台设备搭建了地月通信场景，整个场景由地面接入网、地面核心网和空间网络组成，地面网络和空间网络之间通过天地一体化网关互联互通。

图6 地月场实验场景拓扑图

空间网络包含4台空间节点模拟器，分别模拟“嫦娥三号”绕月卫星[21]和3颗“天链一号”卫星。使用STK仿真软件[22]分析空间节点之间的可见性，计算空间链路的时延，可知“嫦娥三号”与“天链一号”之间往返时延大约为2.7 s，“天链一号”与网关(假设位于西昌)之间往返时延大约为0.28 s。

传输链路性能实验的空间链路连接情况见表1，为了便于实验，根据STK的仿真结果按比例缩短了实验时间。实验过程中，地面用户向绕月卫星发起请求回传数据，绕月卫星收到请求后根据空间链路连接情况选择合适的路径发送数据，期间空间链路发生了两次切换。根据文献[23]所述。当上下行链路带宽比低于1∶50时，TCP/IP协议会受较大影响，因此选择了5组上下行链路带宽比1∶10、1∶25、1∶50、1∶100、1∶500，分析地面接收端的吞吐量变化。同样，选取了3组误码率0、10-6、10-5，分析它们对网关传输的影响，其中10-6是深空通信中普遍能够接受的误码率值[23]。

表1 空间链路连接情况

在频繁的链路切换情况下，通过控制链路的上下行速率以及误码率，分别测量地面用户的平均吞吐量，以此验证网关在恶劣空间环境下的适用性。

此外，假设“嫦娥三号”绕月卫星能够载人，模拟绕月卫星上的宇航员获取地面Web服务的过程，分别对小数据量网页的情况和大数据量网页的情况进行测试，验证WebCache在链路中断情况下的离线缓存功能。实验拓扑如图6所示，Web服务器通过接入路由器接入地面核心网，表2给出了空间链路的连接情况，其中前100 s进行小数据量网页实验，之后再进行大数据量网页实验，可以看出链路8发生了大约20 s的链路中断。两次实验空间链路的上下行带宽比均为1∶50，误码率设置为10-6。

表2 WebCache实验空间链路连接情况

4.2 基本功能测试

实验使用Wireshark软件随机抓包进行分析，验证网关的身份标识转换功能和协议转换功能。

从图7和图8可以看出，网关收到的BP包来自“嫦娥三号”绕月卫星，因为EID与IP的后绑定关系，BP包在Bundle层根据EID进行路由，在网络层根据IP进行逐跳转发。

图7 UDP与DTN协议转换

图8 TCP与DTN协议转换

身份标识转换机制实现成功。源EID中的端点号2转换为地面代理身份标识1:1::2，节点号转换为传输协议目的端口号，目的EID转换为地面用户的身份标识。

协议转换机制实现成功。图7为UDP与DTN协议转换过程中的数据包格式变换情况，网关将Bundle/LTP协议转换为UDP协议。图8为TCP与DTN协议转换结果，可以看到网关将Bundle包转换为TCP包之后，先发送请求给地面目的用户，建立连接之后再发送数据。

4.3 上下行链路带宽比分析

空间链路误码率设为10-6，发送速率为50 Kbyte/s，下行链路带宽固定在50 Kbyte/s，分别在上下行链路带宽比为1∶10、1∶25、1∶50、1∶100、1∶500的情况下，每隔10 s测量一次地面用户的平均吞吐量。

实验结果如图9所示，当上下行带宽比高于1∶100时，地面接收端的吞吐量稳定在45 Kbyte/s左右，当上下行带宽比为1∶500时，平均吞吐量出现大幅下降。此外，在实验开始的前150 s中，地面用户接收端平均吞吐量浮动较大，因为在实验开始时空间网络尽最大努力发送数据，但是由于链路条件制约，导致有些Bundle数据包被存储在中间节点，不能及时转发，因此在实验前期出现了浮动。

图9 地面用户数据接收平均吞吐量

4.4 误码率分析

在相同实验场景中，设定同样链路时延，上下行带宽比为1∶10的条件下，控制空间链路的误码率，测试其对天地一体化网关性能的影响。本文进行了3组不同链路误码率的实验，分别是0、10-6、10-5。

根据图10的实验结果，无误码率时，接收端平均吞吐量基本与发送速率持平，因为此时空间链路状况较为理想。当误码率为10-6时，平均吞吐量略微有所下降，当误码率为10-5时，平均吞吐量只有发送速率的一半，并且出现大量的数据包重传请求，由此可见过高的误码率会降低传输效率。

图10 地面用户数据接收平均吞吐量

4.5 WebCache实验结果分析

WebCache实验的前100 s进行小数据量网页实验，测试在持续连接的情况下宇航员多次发送请求，请求内容限制为单个网页，大小为2 kbyte。图11为5次传输过程中网关和服务器端基于TCP/IP通信的吞吐量，网关和空间节点基于DTN通信的吞吐量。每次传输过程中，网关与服务器数据传输的吞吐量获得一个采样值，大小为1 805 byte，紧随其后，可发现网关和空间节点之间DTN协议有两个采样值，分别是275 byte和1 540 byte，可见Web数据在经过网关的前后过程中是等量的。每次从请求到获得服务，所用时间在1s以内，基本满足轻量级请求的实时性需求。

图11 小数据量网页实验网关吞吐量

从100 s之后，测试请求大数据量的网页，测试结果如图12所示。可以看到从发送请求之后，由于递归深度较大，在连接时间内(100～206 s)网关未能完成Web数据的获取，因此等到下一次连接时才发送存储的文件(共存储约3 Mbyte数据)。网关和服务器端基于TCP/IP通信的吞吐量，网关和空间节点基于DTN通信的吞吐量如图12所示。网关从服务器获取Web数据的过程中，由于各个文件的大小不同，且链路带宽充裕，主要由单个文件大小决定吞吐量的大小，因而效率相对较低。从实验结果可以看出，IP吞吐量在该过程中的某些时间点遇到相对大的文件而出现尖峰。在第二次连接的时间段内，网关向空间节点发送WebCache存储的数据，数据传输过程中吞吐量达到且基本保持为链路饱和值，提高了链路的利用率。

图12 大数据量网页实验网关吞吐量

5 结束语

本文基于一体化标识网络总体架构设计了天地一体化地面网关，实现了TCP/IP传输协议与DTN协议的转换。通过设计地月通信场景，根据STK仿真结果设定空间链路的连接情况和时延，在空间网络链路误码率不同、上下行速率比不对称的情况下，进行可靠数据传输实验，并测试了所设计的WebCache的基本功能。实验结果表明天地一体化网关可实现空间网络与地面网络的互联互通，在一定程度上可以适应空间链路不对称和链路质量差的特点。结合针对Web服务设计的WebCache模块，能够满足空间网络获取地面Web服务和离线浏览的需求，并在传输大量Web数据时提高了链路的利用率。

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