基于分层、分域控制的空间信息网络体系结构研究

孟祥利，吴玲达，于少波，张喜涛

(航天工程大学,北京 101416)

0 引 言

当前，随着空间科学探索的逐步深入和空间信息技术的不断发展，空间信息系统的建设呈现出爆发式发展的状态。然而，各类空间信息系统的建设依然是各自为阵，形成重复建设、“烟囱式发展”的局面，各类导航、通信、遥感等卫星占用了大量的轨道资源，单个卫星系统在完成既定任务后，会出现较多的空闲状态，造成空间资源的浪费。空间信息网络的提出为解决上述问题提供了方案，成为全球领域的研究热点[1]。

空间信息网络是以各类空间平台(如同步卫星或中、低轨卫星、平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[2]。由于其具有独特的空间位置优势，与地面网络相比，空间信息网络在对地观测、应急通信、航空运输、航天测控和国家战略利益扩展等方面都具有不可替代的作用，已逐渐成为国家战略利益的高边疆。相比于传统的卫星网络，空间信息网络具有结构复杂、拓扑动态变化、跨域空间尺度大等一系列特点，因此，构建合理的空间信息网络体系结构，提高整个空间信息网络的管理和运行效率，对于空间信息网络的建设具有重要意义[3]。

空间信息网络是当今世界重要的国际科学前沿和战略制高点，事关国家发展战略和国家安全，是国家综合实力和生存能力的重要组成部分，国内外相关院校和科研团队已针对空间信息网络体系结构进行了一些初步的探索[4]。张登银等人提出一种基于Mesh的空间信息网络结构[5]；吕本伟等人在将空间信息网络分为骨干网及非骨干网的基础上，提出主服务小区的概念[6]；Pasquale等提出了一种卫星与升空平台结合的结构[7]；张威等人提出一种分层自治域的网络结构模型[8]；孙晨华提出了一种栅格化网络结构，将地基和天基核心双平面称为“核心栅格”，而在两者间的多平面移动接入网络，包括天基、空基、地基网络，称为“机动栅格”；于全等人提出了一种基于分布式星群的空间信息网络体系结构[9]。此外，美国提出的TSAT计划，欧洲提出的全球通信一体化空间架构(ISICOM)，均已具备了空间信息网络的雏形[10]。

然而，随着大量航天器的发射升空，空间信息网络的发展越来越快，所以星间组网可扩展性的需求越来越高，空间信息网络的建设要具备弹性扩展和灵活控制的特点，当空间信息网络中的平台出现损坏以及新的平台加入时，要具备较强的重构能力，保证网络的正常运行。此外，空间信息网络的发展模式已从单纯将飞行器送入空间执行单项任务，向网络化系统级的模式发展，因此，需要建立一个统一的控制平台使空间信息网络中的各节点实现协同工作。因此，在空间信息网络规划与建设中，应使其具备弹性扩展、灵活管理、集中控制的能力，现有文献没有很好的解决这一特点下的网络结构和控制问题。

针对上述问题，借鉴软件定义网络的思想[11]，本文提出了一种基于分层、分域控制的空间信息网络体系结构。基于软件定义网络的结构，将空间信息网络的控制架构分为三层：应用层，控制层，基础设施层，通过集中化的管理，能够实时地优化路由表、部署细粒度的管理策略，同时能够达到更灵活的通信和协议配置，有利于资源的统一管理，并给出了两种典型的任务应用场景。通过建立该体系结构，实现了空间信息网络拓扑的动态重构、空间异构网络资源的全局分配与全局优化，以及空间任务的快速接入与切换。

1 空间信息网络体系结构

在本文提出的基于分层、分域控制的空间信息网络体系结构中，从分层角度，将空间信息网络体系结构分为空间层、平流层和地面三部分。空间部分主要由多种不同轨道的卫星构成，其由远到近依次为同步轨道卫星(GEO) 、中轨道卫星(MEO)与低轨道卫星(LEO)。平流层部分主要有平流层飞艇、气球、有人或无人驾驶飞机等。地面部分主要由网关基站和空间网络控制器、平流层网络控制器、地面网络控制器，空间信息网络资源管理与调度中心构成。其中，由于空间信息网络资源管理与调度中心的重要作用，应当设置备份中心。

从分域角度，将地面、平流层和空间根据区域划分为多个域，每个域由一个网络控制器控制。其中，整个空间信息网络有三种网络控制器，空间网络控制器，平流层网络控制器，地面网络控制器，分别控制空间网络、平流层网络和地面网络。其中，为了综合利用GEO卫星的全局覆盖能力和地面控制器的高速计算能力，空间网络控制器又分为地面空间网络控制器和GEO卫星空间网络控制器，地面空间网络控制器负责计算和存储大量数据等复杂功能，GEO卫星空间网络控制器负责全局视图的收集，完成简单的路由存储和流表分发等功能。每个网络控制器构成单域控制器，多个单域控制器统一由空间信息网络资源管理与调度中心控制[12]。

本文建立的基于分层、分域控制的空间信息网络体系架构如图1所示。

图1 基于分层、分域控制的空间信息网络体系结构

此外，空间信息网络结构从功能上又分为核心网、骨干网和接入网。核心网由空间信息网络资源管理与调度中心，空间网络控制器、平流层网络控制器和地面网络控制器构成，负责链路计算以及全网资源的控制与调配。骨干网络主要是起到骨干传输作用，包括骨干宽带卫星、中继星、地面网关基站。接入网络负责完成具体任务，将骨干网与用户连接，主要包括信息获取卫星、小卫星编队网络、专用星座、平流层飞行器、地面网络中的非骨干节点。

2 空间信息网络控制架构

基于软件定义网络的结构，将空间信息网络的控制架构分为三层：应用层，控制层，基础设施层[13]。最上面为应用层，指空间信息网络所完成的应急通信、深空探测等一系列任务。最下面是基础设施层，指为空间信息网络提供服务的不同轨道的卫星、平流层飞行器、网关基站等。中间为控制层，由网络控制器和空间信息网络资源管理与调度中心构成。基于分层、分域控制的空间信息网络控制结构如图2所示。

图2 基于分层、分域控制的空间信息网络控制架构

在基于分层、分域控制的空间信息网络控制架构中，北向协议和南向协议起到了重要的作用。北向协议是应用层与控制层之间的一系列接口，其接口协议目前尚未有统一标准，因此，控制层为应用层的不同用户提供了很多可扩展的 API 接口，每一个 API 接口都对应一个相应的应用程序，因此该控制架构能够实现多种应用服务。典型的南向协议就是OpenFlow[14]，主要负责控制层与基础实施交换机的交互，完成基础设施层数据的转发。

在控制层，单域控制器收集该域内各个节点的拓扑信息，当域内业务到来时，单域控制器计算域内链路，通过流表下发的方式控制节点，实现路径建路以及对业务的处理。资源调度与管理中心负责全网资源的控制与调配，从单域控制器中获取各域拓扑资源，建立全网整体拓扑，当跨域资源到来时，负责跨域路经计算，实现业务跨域传输，除此之外，由于不同域间网络的异构性，资源调度与管理中心还负责统一异构设备接口，实现异构设备跨域的互联互通。

由空间信息网络控制架构可知，其核心部分是空间信息网络资源管理与调度中心。对于资源管理与调度中心，其结构如图3所示。

图3 空间信息网络资源管理与调度中心结构

空间信息网络资源管理与调度中心，按照统一的标准架构，集中各项专用数据资源和应用软件，为空间任务提供统一的通信、计算、存储等软硬件资源，为用户提供定制化、专业化的空间信息服务。

在基于分层、分域控制的空间信息网络建设过程中，涉及到的关键技术主要包含以下方面：

(1)空间信息高速传输方法研究。空间信息网络的节点和链路动态变化，不同类型的信息在空间信息网络中快速交换，为保障海量用户及海量信息的高速及时通信，需对空间时变网络的信息传输方法，空间信息的分布式协作传输方法展开研究。

(2)空间信息网络协同处理机制及在轨处理方法研究。空间信息网络能够统一协调天地一体化网络资源，为此需要对时空基准与统一表征、星上通用数据处理平台等关键技术展开研究。

(3)通信、遥感、导航多载荷集成与协同应用研究。空间信息网络的显著特色之一是卫星平台集成不同类型的有效载荷，网络中各个节点以一种用途为主，兼顾其他功能。为此，需要对载荷配置与布局协同设计、多载荷一体化任务规划与调度等关键技术展开研究。

(4)空间信息网络的安全与可靠性方法研究。由于空间信息网络环境复杂，卫星链路易受到宇宙射线等恶意电磁信号的干扰，甚至受到太空武器的攻击。为保障空间信息网络中信息传输的机密性与安全性，需要对空间信息网络可靠性方法、信息加密、节点动态感知与网络自愈等关键技术展开研究。

3 典型应用场景

空间信息网络控制架构的基本工作流程为：应用层不同用户的不同任务通过北向协议向网络控制器发送任务请求，由空间信息网络资源管理与调度中心进行全网资源的控制与调配，采用网络虚拟化技术及动态资源调度技术，将相关指令通过南向协议接口发送到基础设施层，由相应的基础设施完成各项任务。

这里针对两个典型应用场景：1)两个热点地区进行信息获取、处理、传输，假设相距十分遥远的地区 A 需要同距该地区遥远的 B 通信。2)远洋航行编队调用不同域的多颗通信、中继、侦察等卫星资源执行一项复杂任务。通过以上两个场景详细阐述基于分层、分域控制的空间信息网络架构下任务建立和全网控制的流程:

(1)典型应用场景1的工作流程示意图如图4。

图4 典型应用场景1工作流程示意图

步骤一：A点提出通信任务需求，首先向其通信质量最优的低轨卫星发送请求，如果该低轨卫星的转发流表与目的地址匹配，则直接转发，流程结束，否则执行步骤二。

步骤二：将任务移交到空间网络控制器A，根据控制器掌握的信息，首先查询本域内是否有卫星能够转发，若能，则由空间网络控制器转发给满足条件的卫星。若不能，执行步骤三，进行跨域通信。

步骤三：向空间信息网络资源管理与调度中心上报任务。资源调度与管理中心进行跨域的路径计算，计算出最优路径。将新的流表项发送到空间网络控制器A、B与地面网络控制器A、B。网络控制器对路径上所经过的节点配置相应的流表项。此处暂不考虑平流层网络控制器。

步骤四：卫星节点根据收到的流表协议，安装相应的流表项并转发数据包。地面网络控制器A、B根据结果下发流表并改变光收发机状态，空间网络控制器根据结果调整星载激光器角度等，建立一条由 A 到 B 的通路。

步骤五：当空间信息网络的拓扑发生周期变化时，资源管理与调度中心和各个单域控制器更新网络拓扑信息，根据新的拓扑计算新的路由，产生流表协议包，发送给新的路径上的节点。

(2)典型应用场景2的工作流程示意图如图5。

图5 典型应用场景2工作流程示意图

步骤一：远洋编队通过卫星，向对应的空间网络控制器提出任务请求，空间网络控制器将任务上报到空间信息网络资源管理与调度中心。

步骤二：资源管理与调度中心根据各节点资源使用情况，进行资源计算和跨域的路径计算，计算出最优路径和最优资源组合，构建针对该项任务的虚拟网络，将任务流表发送给相应的网络控制器。

步骤三：控制层通过虚拟网络映射，调用中继卫星、同步通信卫星、跨域的低轨遥感卫星等相应的资源，执行该项任务。

基于以上两个典型案例，可以看出本文在基于软件定义网络的基础上建立的分层、分域控制的空间信息网络体系结构具有以下优点：

(1)简化星上设备：在该体系中，基础设施层的卫星等网络设备仅仅实现转发功能，这可以大大简化网络设备的设计，降低星载设备的运行成本和要求，便于维护，具有更大的便利性。

(2)增强空间信息网络的集中控制能力：控制层的空间信息网络资源管理与调度中心和各个单域控制器负责维护全局统一的网络视图，进行虚拟化的集中式管理，使空间信息网络具有更强的灵活管理和集中控制的能力

(3)底层基础设施资源虚拟化：控制结构中的北向协议屏蔽了底层细节，能够简化控制应用，而只关注自身逻辑，利用网络虚拟化和资源虚拟化技术，使网络整体能力得到抽象和开放。

(4)屏蔽网络协议异构：通过采用标准南向协议OpenFlow，将基础设施层的数据包转发处理和网络配置信息进行了统一抽象和封装，屏蔽了不同底层设施协议的异构性问题，从而使得多种异构网络设备能够共同组网，实现了空间信息网络的弹性扩展。

(5)快速响应能力：通过控制层对资源的统一调度与管理，可以针对不同任务的动态需求实现自动化快速配置，从而实现空间任务的快速接入与切换。

4 空间信息网络组网协议

当前，在地面用户、地面网关基站等地面网络中主要采用基于TCP/IP的协议，深空飞行器、同步轨道卫星中主要采用CCSDS-SCPS协议，在中低轨道卫星及航天器中，除了采用CCSDS-SCPS协议外，还包括DTN组网协议[15]。

(1) TCP/IP协议是指包含了应用层、传输层、网络层、链路层、物理层五层网络互联架构，TCP/IP协议采用IP协议完成网络节点的编址和寻址；在传输层，采用TCP、UDP等协议完成信息传输；在应用层，采用SMTP、HTTP、FTP等满足不同的应用需求。TCP/IP协议适用于地面网络，但不符合空间网络时延大、误码率高等特点，空间节点难以承受IP路由所带来的计算和存储开销，无法满足空间网络的组网需求。

(2)CCSDS-SCPS协议是面向卫星与地面之间的数据传输而设计的一种协议，它在遵循TCP/IP五层网络架构的基础上，改进了TCP协议的通信握手、拥塞控制等机制，使其更适用于空间网络时延大、误码率高等特点。在网络层，其采用CCSDS-SCPS/NP完成网络节点的编址和寻址；在传输层，采用CCSDS-SCPS/TP、CCSDS-SCPS/SP、CCSDS-SCPS/FP等协议完成信息传输。CCSDS-SCPS协议尽管相比于TCP/I协议做了改进，但存在开发成本较高，兼容性差的缺点，在时延过长、误码率较高情况下，传输性能仍然不高，不能满足高突发数据的传输需求[16]。

(3)DTN协议主要是面向空间接入网络里中低轨卫星的组网协议，采用存储-转发和逐跳传输的机制，能够解决拓扑动态变化的情况，适用于空间接入网与地面骨干网的链接。DTN协议在遵循TCP/IP协议五层架构的基础上，在传输层和应用层之间加入了Bundle层，克服了链路中断和信息重传等问题。当前，DTN协议尚未有统一的标准，关键技术仍未成熟，LTP、Saratoga和DTTP是目前比较有代表性的协议[17,18]。

通过对三种协议的分析可以看出，在当前空间信息网络的建设中，没有一种通用的协议可以应用于整个空间信息网络，但所有卫星都要接入空间网络控制器等地面网络中，因此，可以考虑在所有网络的协议层采用IP协议编址，在传输层采用专用协议，设计相应的网关，完成不同协议之间的相互转换[19,20]。针对本文设计的基于分层、分域控制的空间信息网络体系结构，其主要组网协议架构如图6所示。

图6 空间信息网络组网协议架构

5 结 语

本文结合空间信息网络具有结构复杂、拓扑动态变化、跨域空间尺度大等一系列特点，针对其弹性扩展、灵活管理、统一控制等问题，借鉴软件定义网络思想，提出了基于分层、分域控制的空间信息网络体系结构。对该体系结构进行了设计，将空间信息网络的控制结构分为三层：应用层，控制层，基础设施层。结合两个典型应用场景，详细阐述了该体系架构下任务建立和全网控制的流程。同时，以该体系结构为基础，本文详细分析了其组网协议架构，在所有网络的协议层采用IP协议编址，在传输层采用专用协议。基于分层、分域控制的空间信息网络体系结构通过集中化的管理，能够达到更灵活的通信和协议配置，有利于资源的统一管理，实现了空间信息网络拓扑的动态重构、空间异构网络资源的全局分配与全局优化。本文的研究只是初步提出了一种空间信息网络体系结构设计方案，对于空间信息网络节点资源与链路资源的动态分配，针对不同任务构建的虚拟网络如何映射到底层物理资源上等问题，是后续研究的重点内容。