深空通信中容迟容断网络协议体系应用研究

聂宇雷，彭锋彬，张更新，李永强，谢智东，胡　婧

(解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)



深空通信中容迟容断网络协议体系应用研究

聂宇雷，彭锋彬，张更新，李永强，谢智东，胡婧

(解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007)

摘要：针对深空通信面临的各种问题，对当前深空通信中常用的三种网络协议体系进行了简要介绍，并在此基础上对比三者优缺点，提出其各自的适应场景；阐述了未来深空通信网络面临的困难与挑战；剖析容迟容断网络体系架构，并介绍了DTN网络应用研究进展；列举深空通信网络DTN协议体系中的关键技术，例举在深空环境中使用DTN协议体系进行通信时面临的诸多问题，并展望未来深空通信中DTN的应用前景。

关键词：深空通信；容迟容断网络；包裹层协议；LTP协议

0引言

卫星应用与载人航天技术发展至今,已经取得了巨大的成就,而深空探测,是在现有这些技术基础之上,向更为广阔的宇宙空间进行的探索[1]。 与中低轨卫星或者航天器不同之处在于，深空航天器在与地面进行通信时，由于通信距离极大，通信链路存在巨大的路径损耗以及通信时延。近年来，人们着眼于采用联网结构，以深空互联网为基础，应对深空通信中的巨大时延。

1998年，由美国NASA主持的“行星际互联网(IPN)[2]”对在地球以外利用互联网实现端到端通信的方案进行了较为全面的研究。NASA深空互联网一般由主干网络、接入网络、航天器之间的网络构成[3]，在当前已经成型的火星通信网络中已有实际应用[4]。2004年NASA的空间通信体系结构工作组(SCAWG)[5]将联网结构列为其空间通信发展的长期战略；我国于2006年以建成一个综合性的星间、星地以及地面互联互通的网络为目标，提出了建设天地一体化航天互联网的构想[6]。

上述的各类空间互联体系结构，都涉及到网络的异构互联。而在深空通信场景设计一套融合多种网络技术的协议体系，就必须考虑到在链路中断、传输节点有限的情况下保证可靠地异步传输。

容迟容断网络(Delay/Disruption Tolerant Network,DTN)描述了解决行星际互联网问题所需的体系结构，于2002年由Intel公司伯克利研究实验室的Fall提出[7]。DTN支持具有断续连接、时延大、误码率高等特征的网络进行互联互通。深空探测、海底长距离网络、军事战术网络、传感器网络以及各种受限网络领域的研究者都对DTN这一概念进行了深入的研究。

1研究现状分析

1.1深空通信网络的三种主要协议体系

1.1.1空间IP协议体系

当今地球互联网飞速发展，研究者自然联想到直接采用IP技术应用于深空通信之中。以相对成熟的IP协议为基础构建空间通信网使得航天成本大幅度缩减，对未来的硬软件升级也十分便利。在如何利用地面网络已经开始使用的商用IP协议来实现空间通信方案方面，美国戈达德航天中心的研究项目OMNI(Operating Mission as Nodes on the Internet)已经开展了很多研究。然而空间IP协议体系虽然基本可以满足近地轨道航天器与地面的通信的要求，但是放在深空通信的大环境下，极高的延迟对于基于端到端重传协议的TCP来说是满足不了要求的[8]。

1.1.2CCSDS协议体系

1982年成立的空间数据系统咨询委员会(CCSDS)发布了一系列从物理层到应用层的建议[9]。该协议体系根据深空通信环境特点，改进了地面标准的TCP/IP协议，自主开发了一套空间通信协议规范(SCPS)[10]。但是，SCPS并没有提出适用于通信资源极端匮乏的深空通信环境下的路由算法，为了保证传输的可靠性，SCPS还是采用首先建立链路链接，再进行数据传输的模式。重传机制也还是地面TCP/IP协议的端到端重传。CCSDS之后提出的文件传输协议CFDP也仅现定于文件传输应用，解决办法不够完善，体系结构也不完整[11]。CCSDS协议体系域空间IP协议体系在近年来的研究中也有相互的结合。具体举例来说，在数据链路层采用CCSDS协议的建议，如分段遥测[12]、分段遥控[13]、Proximity-1等[14]；而在这些协议的网络层应用IP协议作为补充。这种灵活的解决方案没有从本质上消除两种协议体系在深空通信中的缺陷。

1.1.3DTN协议体系

容迟容断网络研究小组(DTNRG)以整合高度优化的区域网络协议能力为目标，提出了一种基于容延迟网络(DTN)的协议体系[15]。2002年12月，Licklider传输协议(LTP)提出，用于替代TCP/IP。它的协议栈如图1所示[16]。

DTN协议体系结构在一定程度上整合了前两种分层协议，并利用自身协议保证了深空环境条件下数据信息的可靠传输。需要注意的是，DTN网络协议体系与其他协议体系不同，DTN网络中并不假定发送端节点与接收端节点存在固定的路径，以存储转发的模式进行数据信息与指令信息的传递。另外，DTN网络协议以其特有的所谓包裹层，又称束层(Bundle Layer)覆盖于不同的受限网络之上，作为覆盖层，束层的作用类似于互联网中的网关[10]。

图1　DTN协议栈

1.2DTN体系结构

1.2.1束(Bundle)层协议

图1中不难看出束层在逻辑上由三部分组成，分别是：应用代理、束层协议代理[8]和汇聚层。应用层代理提供了应用层与束层之间的接口，而应用层为束层提供了相应的数据服务，在这里，应用层代理对束层进行一些相应的配置，并面向用户提供交互与配置功能。不同的网络底层使得DTN需要一个所谓“汇聚层”提供特定的接口[4]，而这些接口又通过汇聚层适配器联通汇聚层与束层。束层作为全新的协议，定义了一些全新的概念[6]，诸如DTN网络网关及域(DTN Gateways and Regions)的概念、触碰链接(contact)、标示二元组(Name Tuples)、类邮件服务(A Postal Class of Service)[7]、托管传输(Custody Transfer)、链路的拥塞和流量控制[8]等等。

如何规范地开发改进包裹层协议主要在于改进包裹格式的逻辑结构及布局，而不是对协议中的具体操作进行研究和改进。

1.2.2汇聚层LTP协议

LTP协议是由DTNRG(DTN工作组)开发的一套相对完善的协议格式，其针对点到点环境中延迟极长切中断极为频繁的问题，提供了解决办法。单个极长延迟的链路的场景中LTP协议可以发挥很大的作用。当链路中断时，航天器可以冻结所有驱动协议的计时器，当通信恢复时计时器重新开启计时。可以说 LTP协议设计中，计时器的设计是一个关键点[9]。

LTP作为一种DTN网络中的汇聚层协议，必须支持包裹层协议的其他部分要求[10]，它将协议交换与处理进行分离，并定义了如何收发等相关问题。

1.3DTN协议体系应用研究进展

DTN协议体系具有适应长时延以及中断频繁的链路的特性，所以深空通信场景是DTN网络的一个主要应用方向。对于深空通信的研究主要由两个方面，一是技术体制研究，二是项目验证。而DTN网络协议的技术层面研究又可以分为DTN网络开放性主题研究与传输协议可靠性的研究。

1.3.1开放性主题研究

DTN网络发展至今，已经从一个理论初创时期的研究平台逐渐发展成为一个体系结构相对完善，束层协议以及不同汇聚层相结合的实验协议族。如今，各国对于DTN的研究也取得了一定的进展，DTN体系结构文档RFC-4838[13]和束层协议规范RFC-5050[4]为DTN协议结构的设计提供了理论指导以及规范形式，关于安全的附加文档[14]使得DTN网络通信过程的安全性得到了一定的保证。另外还有一些理论成果诸如：LTP协议动机RFC-5325[11]、LTP协议安全扩展等。目前国内对于DTN网络的研究主要集中于在移动无线传感器网络中应用DTN、无线移动自组织网的路由算法等，然而上述这些研究仅限于理论阶段，并没有从系统的角度提出完善的解决方案[6]。

DTN网络在深空通信中的应用开放研究主题包括：流量与拥塞控制、动态路由[8]、DTN安全认证、服务质量以及可靠性等。

1.3.2传输协议研究

DTN网络中的束层对于不同的网络底层协议进行了优化，需要注意的是，这种优化并不能解决具体实际通信网络环境中的问题，所以在深空通信这种特殊的环境中应用DTN协议体系必须更为深入地对底层协议尤其是传输层协议进行研究，只有完善了底层协议才能保证在链路质量较为恶劣深空环境下端到端传输数据信息的可靠性。在Akyildiz提出的TP-Planet协议[16]中，中断状态作为一个标示，与协议操作相结合[9]，与此同时，TP-Planet协议面对宽带不对称的情况，采用了延迟选择确认(SACK)策略，这种机制有效地避免了数据包的丢失，也在一定程度上节省了链路资源。需要注意的是，这个协议机制目前只适合于单跳的深空通信链路，没有在多跳场景中测试[18]。

CCSDS在SCPS的一系列建议中提出了一个SCPS-TP[10]协议，它基于现有的TCP协议进行了修改与扩展，支持不同业务需求，也能适应各种可靠性要求。

2存在问题及解决方法

2.1未来深空通信网络难题

(1)异构网络共存

由于深空通信各个环节通信环境以及链路组成区域不同，整个深空通信将采用不同的网络技术，在未来深空通信体系架构中最重要的就是实现异构网络的互联互通[2]。

(2)前向与反向链路不对称

地面TCP/IP协议容许的宽带容量不对称性为100:1，而在空间通信中，这个值将达到1 000:1。在极端情况下，通信信道甚至是单向的。如何处理好宽带容量的不对称性也是深空通信网络的重点之一[9]。

(3)传输延迟不定，延迟长

由于通信距离的增加，深空通信的单向时延一般在分钟甚至小时级别，各单位相对位置也在不断变化

(4)射频信道误码率高

相比地面TCP/IP协议可以容忍的10-5误码率，深空通信中误码率极高，一般为10-1。

(5)链路极不稳定

通常深空通信链路不能保证永久畅通，通常情况是长时间中断或频繁中断，由于地球以及行星的自旋，航天器与地面通信节点或者地球站的通信链路平均维持8h，在对其他天体探测过程中，一般有一半以上的时间航天器被星体遮挡，航天器发出的消息经常需要经过多个运动节点才得以传输[13]，所以在深空通信网络中经常实时改变网络的拓扑结构。

(6)空间通信资源有限

深空通信链路容量极其有限，频带资源匮乏。

(7)航天器存储以及处理能力有限

深空通信中时延极大，为了解决时延问题，一般采用储存转发的通信策略，而这就对航天器性能要求更高

(8)安全性问题严峻

深空环境是开放的，通信过程易受到攻击，数据传输安全性与完整性不易保证。

2.2深空通信DTN中有待解决的问题

2.2.1数据传输可靠性问题

当前束层协议规范还没有办法探测错误报或者拒收损坏的包裹[12]，正因为缺少了这种校验机制，深空DTN网络不能保证每一跳接受包裹信息的准确性。目前行之有效的解决方法是通过包裹层安全规范对数据加以约束，并同时使用可靠性密码向各个节点收到的包提供具有安全附带作用的检查。这种检查虽然一定程度上提高了数据的可靠性，却还不是很完善，需要在之后的研究中解决校验功能存在的漏洞。

2.2.2拥塞控制问题

互联网协议研究中，有关拥塞控制的很多[11]，但是在DTN中却很少。与TCP/IP协议不同的是，DTN协议结构中不存在端到端的确认机制，这也导致了在DTN网络中不可以直接复制地面互联网中应用的拥塞控制。要解决DTN中拥塞问题，最核心的问题就是改变当前每个节点和包裹操作采用保管传输的方式[13]，这种方式大量占用了存储资源。当前DTN网络通过在网络中逆向广播当前整个网络中各个节点内存使用情况的方式，使得网络中节点自我调节，从而达到控制流量的目的。

2.2.3存储转发和保管传递策略

DTN网络采用“存储-转发”的方式传输数据信息，这种方法的优点在于它可以避免由于链路的频繁中断导致的丢包问题，存储转发的模式带来的是链路资源如何合理分配利用的问题[17]。从前文所述的深空通信特点可以看出，深空通信链路节点资源可能极为稀少，且节点间的连接是续断的，存储转发模式要求链路对于稀缺的资源必须高效地利用。DTN中提出了一种改进型的存储转发模式——“存储-保存-转发(store-carry-forward)”,这种模式与传统存储转发模式不同之处在于，上级节点在存储新接收到的包裹后，一旦发现下级节点可用，便将已接收到的包裹以分段传输的方式转发出去。相比原始的“存储转发”模式，这种模式更为灵活，它允许了包裹分段，并可以进行重新分段，并在传输过程中自治路由。这种模式需要对DTN中的包裹层协议进行修改[18]。

2.2.4路由问题

传统网络中，路由协议基于源节点和目的节点之间的一条稳定路径。而与ad-hoc网络不同的是，DTN网络结构中，节点相对稀少，采用DTN路由策略一定是典型的确定性路由方案。在深空环境中，数据传递时延大，并存在间歇性链路中断[14]，未来需要重点研究如何在这种情况下实现数据的有效多跳传输。

2.2.5传输层问题

DTN网络中可能需要两种模式的传输协议：第一种传输协议需要在DTN不能有效操作时代替DTN功能(如DTTP和LTP-T)，这种传输服务应用在高层，通过分级管理的方式为DTN提供传输服务；另一种传输协议应对多跳的端到端传输，是常规深空通信模式下的传输协议。超长距离下拥塞管理与端到端可靠性传输两个问题[15]是深空通信网络协议传输层协议有待解决的两个问题。

2.2.6安全性问题

与常规网络模型不同，DTN安全模型由以下四个部分组成：用户节点、DTN网络路由器、DTN区域网关和DTN证书认证[16]。而目前深空通信网络所应用的DTN安全技术中，束的分段交互与密码机制受到很大的限制，秘钥管理机制也十分不完善，每一跳中的安全机制也不能达到要求。

2.2.7时间同步问题

由于深空通信环境的特点，时间同步问题相对于地面DTN网络要突出得多。深空DTN网络中，只有有了基准时间、路由计算以及延迟指令的执行与自行停止才能准确无误地完成。而即使产生了正确的路由协议，链路上的各个节点也需要根据这个基准时间进行选择性丢包[15]，所以时间同步问题在深空通信环境下的DTN网络中也显得尤为重要[17]。

3结束语

行星际互联网是当前国际研究热点，而这种极大规模的空间网络，可能需要融合人类所有已建成的各种通信网络。这些底层协议互不相同的异构网络如何相辅相成地融合、可靠地传输各种数据信息，是未来深空通信中应用DTN网络的主要研究方向，这也为DTN的应用提出了迫切的需求。DTN网络是通用的且面向消息的可靠体系架构，尤其适合深空通信环境，理论研究与应用价值极高。

参考文献

[1]张乃通,李晖,张钦宇.深空探测通信技术发展趋势及思[J].宇航学报,2007,28(4):20-21.

[2]Akyildiz I F,Akan Ö B,Chen C,et al.InterPlanetary Internet:State-of-the-art and Research Challenges[J].Computer Networks,2003,43(2):75-112.

[3]Space Communication Architecture Working Group.NasaSpace Communication and Navigation Architecture Recommendations for 2005-2030[R].NASA Technical Report,Washington DC,2006.

[4]沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想[J].中国工程科学,2006,8(10):19-30.

[5]Fall K.A Delay-tolerant Network Architecture for Challenged Internets[C]∥Proceedings of the 2003 Conference on Applications,Technologies,Architectures,and Protocols for Computer Communications.ACM,2003:27-34.

[6]Hogie K,Criscuolo E,Parise R.Using Standard Internet Protocols and Applications in Space[J].Computer Networks,2005,47(5):603-650.

[7]Burleigh S,Hooke A,Torgerson L,et al.Delay-tolerant Networking:an Approach to Interplanetary Internet[J].Communications Magazine,IEEE,2003,41(6):128-136.

[8]Space Communications Protocol Standards(SCPS)[S/OL].http:∥www.scps.rog.

[9]Consultation Committeefor Space Data Systen(CCSDS).CCSDS File Delivery Protocol[S].CCSDS 727.0-b-4,January 2007.

[10]Samaras C V,Tsaoussidis V,Peccia N.DTTP:aDelay-tolerant Transport Protocol for Space Internetworks[C]∥2nd ERCIM Workshop on eMobility,Tampere,Finland,2008:188-193.

[11]DTN2Reference Implementation Documentation[EB/OL].http:∥www.dtnrg.org/wiki/dtn2documentation.

[12]Greifenberg J,Kutscher D.Rdtn:AnAgile Dtn Research Platform and Bundle Protocol Agent[M]∥Wired/Wireless Internet Communications.Springer Berlin Heidelberg,2009:97-108.

[13]Wood L,Ivancic W D,Eddy W M,et al.Use of the Delay-tolerant Networking Bundle Protocol from Space[DB/OL].IAC 2008,B2.3.10.http:∥personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/publications/wood-dtn-bundles-space-IAC-08.B2.3.10.pdf

[14]Torgerson J L,Clare L,Wang S Y,et al.The Deep Impact Network Experiment Operations Center[C]∥Aerospace conference,2009 IEEE.IEEE,2009:1-12.

[15]叶建设，宋世杰，沈荣骏.深空通信DTN应用研究[J].宇航学报，2010,3(2)：234-250.

[16]Fall K,Farrell S.DTN:An Architectural Retrospective[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,2008,26(5):828-836.

[17]黄博.延迟容忍网络包裹层协议的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010:35-40.

[18]吴海涛,梁迎春,陈英俊.深空通信现状研究[J].肇庆学院学报,2011,32(5):28-32.

Research on Application of DTN Protocol Architectures in Deep Space Communication

NIE Yu-lei,PENG Feng-shan,ZHANG Geng-xin,LI Yong-qiang,XIE Zhi-dong,HU Jing

(College of Communications Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

Abstract：This paper introduces briefly three network protocol architectures used in deep space communication,compares the advantages and disadvantages of these three architectures,and proposes the application scenarios of all three architectures based on the analysis of the challenges and existing problems in the deep space communication.Subsequently,this paper dissects the architecture and analyzes the study progress of DTN.Meanwhile the key techniques of DTN protocol architecture are introduced,and the problems in communications using DTN protocol architecture in deep space environment are discussed.The application prospect of DTN in future deep space communications is envisioned.

Key words：deep space communication;DTN;bundle protocol;LTP Protocol

中图分类号：TN927

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-22-4

作者简介：聂宇雷(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向：卫星通信。张更新(1967—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：军事卫星通信、深空通信。

基金项目：国家自然科学基金项目(91338201，91438109，61401507)

收稿日期：2016-02-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.06

引用格式：聂宇雷，彭锋彬，张更新，等.深空通信中容迟容断网络协议体系应用研究[J].无线电通信技术,2016,42(3):22-25，36.