发布/订阅通信模式在空间信息网络中的应用

魏　伍，徐　卫，吕　晶

(1.中国人民解放军理工大学 通信工程学院， 江苏 南京210007;2.空军通信网络技术管理中心，北京 100843)



发布/订阅通信模式在空间信息网络中的应用

魏伍1，徐卫2，吕晶1

(1.中国人民解放军理工大学 通信工程学院， 江苏 南京210007;2.空军通信网络技术管理中心，北京 100843)

通过对发布/订阅(P/S)通信模式和空间信息网络体系架构的分析，论证了发布/订阅(P/S)通信模式与点到点通信方式相比有一定的优势，并在此基础上，研究了基于发布/订阅通信模式的空间信息网络应用架构，设计并实现了一个基于局域网的空间信息网络发布/订阅通信模式软件模拟环境，实现了数据在网络上缓存，用户无需从数据发布者处获得资源，可直接通过网内缓存下载。

空间信息网络；发布/订阅；软件设计

0　引言

随着人类空间科学活动的逐步深入和空间应用研究的不断发展，空间信息网络的相关研究受到高度关注。空间信息网络旨在高动态条件下空间信息的快速获取、实时传输、协同处理和智能服务，将人类科学、生产和军事活动扩展至外层空间。

近年来，围绕着空间信息网络，以美国为首的西方国家相继展开了一系列研究，其中包括IPN项目[1]、OMNI项目[2]、TSAT项目[3]和SCaN项目[4]等。我国的空间信息网络的相关研究受到高度关注。沈荣骏等提出了我国天地一体化航天互联网的总体目标、组成、网络体系结构及网络协议的初步构想[5]。李德仁等对空天地一体化对地观测网进行了概念研究[6]。

空间信息网络[7]是一个立体动态异构网络，节点种类和数量多，异构特性明显。发布/订阅通信模式(P/S)与传统的网络通信模式(端到端通信)相比，减少了信息传输的中间环节，能够很好地适应节点运动带来的切换、拓扑变化及断续连接等情况，且秉承ICN[8]和DTN[9]网络的数据存储转发机制，数据将在网内进行缓存，然后通过网络直接发送给接收节点，通过多点多路劲的网络化传输机制克服单点单路径传输灵活性、鲁棒性、柔韧性及可扩展性差的缺点。因此有效的信息缓存机制和方法就成为网络有效运行和信息高效可靠传输的一个关键问题。

1　发布/订阅通信方式

发布/订阅通信模式[10]是一种使分布式系统中的各参与者，能以发布/订阅的方式进行交互的通信模式。其中，信息的生产者和消费者之间所交互的信息被称为事件。事件的生产者称为发布者(publisher)，事件的消费者称为订阅者(subscriber)，发布者和订阅者统称为客户端。发布者产生事件并发送给事件服务器，所有订阅者都可以表达对事件的兴趣，事件服务器可以将事件异步传播到所有对该事件感兴趣的用户上。这种基于事件的交互方式的优势在于发布者和用户之间的时间，空间和同步完全解耦。

发布/订阅通信模式为用户提供了表达自己兴趣的能力。发布者是产生事件的主体。在另一方面发布者将信息发送到事件服务器上，用户向事件服务器订阅想获得的内容。

基本的系统模型如图1所示，事件服务为订阅者提供存储与管理，和有效的发送事件给订阅者。事件服务是发布者与订阅者之间的中介。订阅者登记他们对事件的兴趣，而无需知道这些事件的资源在哪。此订阅信息直到被退订，不然一直储存在事件服务器中，而不会转发给发布者。

目前，发布/订阅通信系统分为基于渠道的发布/订阅，基于主题的发布/订阅，基于内容的发布/订阅，基于类型的发布/订阅。

图1　发布/订阅模型

2　空间信息网络体系架构概述

空间信息网络[11]是以多种空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。其系统组成如图2所示。

从图2可以看出，相比其他信息系统，空间信息网络具有以下明显特征：① 空间分布上是一个立体多层的网络；② 节点类型多，网络具有异构性；③ 节点、链路随时空变化，拓扑具有动态性；④ 业务种类多，需求差异性大；⑤ 系统资源(轨位、频率、功率、处理、计算、存储)严重受限。

图2　空间信息网络系统组成

根据网络中节点属性、链路能力、任务特点和分布空间等，将空间信息网[12]划分为以下几个主要组成部分，系统中节点分布与相互间连接关系如图3所示。

图3　空间信息网节点分布与相互连接关系

① GEO卫星骨干网：整个骨干网由3～5个分布在不同轨道位置上的同步轨道(GEO)卫星簇组成。每个GEO卫星簇可由一颗或多颗GEO卫星组成，物理上可能包括通信、中继、遥感和导航等多种卫星，逻辑上可以看作一个卫星节点，簇内卫星协作完成包括信息获取、处理、传输、交换、存储、计算和分发等功能。GEO卫星簇之间和簇内各卫星之间可通过高速的微波或激光星间链路实现信息交换。

② 服务增强卫星网：服务增强卫星网作为GEO卫星骨干网的补充，改善高纬度地区和极区的服务性能，可根据需要在空间信息网络的建设过程中逐步扩展完成。服务增强卫星可能工作在倾斜同步轨道(IGSO)、高椭圆轨道(HEO)、中轨道(MEO)或低轨道(LEO)上，可以通过星间链路或地面信关站实现与GEO卫星簇之间的信息交换。

③ 升空平台网：升空平台(HAPS)主要布设在应急救援、城市热点等区域，实现区域内的通信、导航和遥感增强。各升空平台之间、升空平台与地面/卫星节点之间可以通过微波或激光链路实现相互间的信息交换。

④ 运行控制网：其主要任务是管理整个空间信息网络，维持各类空间平台的正常可靠运行，为用户提供业务支持，满足各类用户的使用需求。

⑤ 接入网和地面网。

这里以针对热点地区进行信息获取、处理、传输和分发的应用场景为例，给出空间信息网的工作流程示意图，如图4所示。其业务流程主要包括以下几个步骤：

① 对地观测卫星根据指令运行到热点区域上空后进行信息获取，并将获取到的遥感数据进行必要的预处理；

② 对地观测卫星将信息传输到GEO卫星骨干网，在GEO卫星骨干网中进行一定的信息处理、传输和交换；

③ 信息在轨或者传输到地面信息栅格后生成可供用户使用的遥感产品；

④ 用户通过GEO卫星、服务增强卫星、升空平台等途径获取存储在地面信息栅格或GEO卫星骨干网中的遥感产品。

图4　空间信息网一种典型应用场景的工作流程示意图

3　发布/订阅的空间信息网络应用架构

目前，许多学者开始关注信息为中心的网络(Information Centric Networking，ICN)在卫星网络中的运用[13]，与发布/订阅通信模式相比，它们都是着重于信息本身，忽略终端用户，不同点在于ICN并非采用IP协议簇，发布/订阅通信模式是在IP协议簇的基础上结合了网络缓存。文献[12]表明网络缓存可以提高卫星网络的通信资源效率，减少卫星带宽资源浪费。

在空间信息网中，发布者是上文所指的信息产生节点可以是升空平台、GEO卫星或其他卫星系统等，订阅者并非所有的信息接收者，而是特指用户终端，因为目前发布/订阅的事件指的是遥感信息和传统的通信业务，测控信息与指控信息并不在考虑范围之类。

由于空间节点的多样性，将空间信息网络分为多个自治域[14](Autonomous System，AS)，每个自治域和子自治域都设有一个边界节点，负责不同域之间网络状态和理由等信息的交换。这样，既把每个AS域内部的拓扑变化相互屏蔽，减小了网络管理和路由计算的复杂度，又便于卫星和升空平台的“即插即用”。具体网络拓扑结构如图5所示。

图5　空间信息网络拓扑

该模型将路由控制信息和业务信息的传输进行分离，AS域间边界节点用于路由计算与控制，地面运控中心站所发出的控制和路由信息通过控制链路发送到边界节点，边界节点再根据各自治域内部路由发给域内其它节点。而与用户相连的边界节点充当事件服务器，实现业务的发布/订阅，这样可以降低控制链路的信息传输和网络拥塞的概率，提高控制管理信息传输的效率和可靠性，确保有效的网络管理和路由信息的分发，从而提高全网运行效率和可靠性。

假定一种场景如图6所示，来描述基于发布/订阅通信模式的空间信息网络应用架构。在该场景中，遥感卫星A作为事件的生产者，将遥感信息发布到其所在的AS1域中，AS1域与AS2域相连的边界节点进行数据的交互，这样，AS2域中也就存在了此事件，此时用户F需要下载该信息，则只需要向其所对应的AS2域内边界节点D提出请求即可。如果采用点到点的通信模式，那么此时的通信距离至少是链路1与链路2的长度之和(区域内链路忽略)。假设链路1与链路2的长度相同，每段链路无差错的概率是a，那么进行一次通信，点到点的通信模式比发布/订阅通信模式的通信长度多一倍即通信时间长一倍，出错概率多1+a2倍。假设AS2是一个低轨卫星域，低轨卫星的过顶时间大约十几分钟，如果用户与D的通信中断了，由于网内有缓存，则用户可以直接向切换后的卫星提出下载要求，而在点到点通信中，切换后卫星还需再次向F提出请求。所以在空间信息网络中，由于链路的高时延，高误码率，易中断的特点，会放大点到点的通信模式的缺点。此外，安全性也是发布/订阅通信模式的优点之一，因为发布者对用户是不可见的，所以增加了非法用户对其恶意攻击的难度。综上所述，将发布/订阅通信模式与空间信息网络相结合有一定的意义。

图6　基于发布/订阅通信模式的空间信息网络应用架构

3.1发布/订阅通信模式软件模拟环境

在此软件模拟环境中，可以在用户端与服务器上设置发送文件的睡眠时间值来模拟空间信息网络中的时延，通过设置备用服务器，中断用户所连接的主服务器来模拟空间信息网络链路中断的情况。由于TCP协议在卫星通信系统中存在回传时间长、拥塞窗口增长缓慢、丢失数据包的恢复时间长和接收窗口受限等问题[15]，所以采用UDP协议进行数据传输。此外，发布/订阅通信方式设有两种工作模式：

① 如图7所示，发布者将事件发布到事件服务器上，服务器会在整个网络中泛洪，告之其它事件服务器该事件并将其缓存下来，用户可查询与之相连的服务器中所有已发布的事件并进行下载，这是一种传统的存储转发模式。为了解决网络中的可靠性问题，采用的最简单的复制冗余策略，即对每个发布的事件都在不同的节点上存储一模一样的备份。只要这些备份有一个没有发生故障，数据就不会丢失。这种复制策略结构简单，易于实现，并且节点修复也很简单，新节点只需从存活节点上找到与发生故障的节点同样的数据拷贝过来即可。但其有个严重的缺点，就是冗余存储量过高，例如假设单个节点可靠性为0.5，想要维持整个系统可靠性大于0.999的话就需要至少10个冗余节点。

图7　复制策略的发布/订阅流程图

② 如图8所示，第二种工作模式利用纠删来码改进复制策略存储开销太大的缺点，发布者先将原始文件分成K份，原始文件长度为L。每一份子文件长度为L/K。然后产生一个N×K的生成矩阵G(N>K)，该矩阵是一个范德蒙矩阵，其中的元素取自有限域(有限域的范围大于N)，所以该生成矩阵的秩为K。这样原始文件经过生成矩阵产生N个子文件，获得任意K个子文件即可恢复成原始文件。客户端将 个子文件上传至边缘服务器，边缘服务器将这N个子文件按照一定策略发送给其余服务器(本文所采用的策略是依次发送)；其他用户下载时需将任意K个子文件取回至边缘服务器并下载到用户进行解码获得原始文件。通过对数据进行编码，来降低维持系统可靠性所需的存储开销并将风险均摊的方法来提高整个系统的可靠性，并且还有保密作用，只截获一块数据并不能还原源文件。

图8　分布式存储的发布/订阅流程图

3.2软件运行示例

本文采用delphi应用程序开发工具实现基于局域网的空间信息网络发布/订阅通信模式软件模拟环境。Delphi是windows平台下著名的快速应用程序开发工具(Rapid Application Development，简称RAD)。

图9给出了一个实例，文件“Delphi组件参考大全.pdf”在PC1经过4×3的生成矩阵共产生4个子文件，上传给边缘服务器A，A将子文件依次发送给B和C，B和C中分别有两个子文件，PC2下载该文件时，由于C中子文件小于3需要从A或B中任意下载一个不同的子文件即可在客户端进行解码。图10为源文件与编码后文件的示意图。

图9　发布/订阅模拟场景

图10　源文件与编码后文件

4　结束语

本文主要对空间信息网络的发布/订阅的通信方式进行研究，旨在明确P/S通信方式在空间信息网络中的重要意义。分析了发布/订阅(P/S)通信模式时间、空间、同步的解耦特点与空间信息网络的域间、域内通信架构，论述了在空间信息网络中，发布/订阅(P/S)通信模式与点到点的通信模式相比，可以减少时延降低差错概率的优势。并且，通过delphi应用程序开发工具设计了一个基于局域网的空间信息网络发布/订阅通信模式软件模拟环境。

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

[2]Rash J，Hogie K，Casasanta R.Internet Technology for Future Space Missions[J].Computer Network，2005，47(5):651-659.

[3]Tarleton R，Shively S，Armstrong B，et al.TransformationalCommunications Architecture for the Department of Defense，Intelligence Community and NASA，AIAA-2006-5424[R].Washington D C:AIAA，2006.

[4]Younes B A，Schier J S.Space Communications and Navigation (SCaN) Network Architecture Definition Document(ADD) Volume 1:Executive Summary[R/OL].Washington D C:NASA Headquarters，2010.

[5]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.

[6]李德仁.论空天地一体化对地观测网络[J].地球信息科学学报，2012，14(4):419-425.

[7]常青，李显旭，何善宝.我国空间信息网发展探讨[J].遥测遥控，2015，36(1):1-10.

[8]夏春梅，徐明伟.信息中心网络研究综述[J].计算机科学与探索，2013，7(6):481-493.

[9]林闯，董扬威，单志广.基于DTN的空间网络互联网服务研究综述[J].计算机科学与探索，2014，51(5):931-943.

[10]Eugster P T ，Felber P A ，Guerraoui R，et al.The Many Faces of Publish/Subscribe[J].Acm Computing Surveys，2003，35(2):114-131.

[11]李德仁，沈欣，龚健雅，等.论我国空间信息网络的构建[J].武汉大学学报，2015，40(6):711-715.

[12]Galluccio L，Morabito G，Palazzo S.Caching in Information-Centric Satellite Networks[C]//Communications (ICC)，2012 IEEE International Conference on，2012:3306-3310.

[13]Detti A，Caponi A.Blefari-Melazzi N.Exploitation of Information Centric Networking Principles in Satellite Networks[C]//Satellite Telecommunications (ESTEL)，2012 IEEE First AESS European Conference on，2012：1-6.

[14]Zhang W，Zhang G X，Gou L，et al.A hierarchical Autonomous System Based Topology Control Algorithm in Space Information Network[J].KSII Transactions on Internet and Information Systems，2015，9(9):3572-3593.

[15]李立.TCP协议在卫星通信系统中性能改进研究[D].长沙：国防科学科技大学，2008.

Application of Publish/Subscribe Communication Model in Space Information Network

WEI Wu1，XU Wei2，LV Jing1

(1.College of Communication Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China; 2.Air Force Communications Network Technology Management Center，Beijing 100843，China)

Based on analysis of Publish/Subscribe (P/S) and space information network architecture，this paper proves that the publish/subscribe (P/S) communication mode has some advantages comparing to point-to-point communication mode，and studies the space information network architecture based on Publish/Subscribe communication mode.The software simulation environment of Publish/subscribe communication mode of space information network based on LAN is designed.In this environment，the data is cached in the network，and users need access to cache within network instead of data publisher.

space information network；publish/Subscribe；software design

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.19

引用格式：魏伍，徐卫，吕晶.发布/订阅通信模式在空间信息网络中的应用[J].无线电通信技术,2016,42(5):75-79.

2016-06-20

国家自然科学基金项目(91338201)

魏伍(1991—),男，硕士研究生，主要研究方向：卫星通信。吕晶(1965—),男，教授，主要研究方向：卫星通信、卫星导航、卫星测控。

TN927

A

1003-3114(2016)05-75-5