天地一体化网络协议研究

张亚生，孙晨华，谷聚娟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

协议规定了网络节点、服务实体之间进行信息交换的规则、流程及约定，是计算机能够进行通信的前提。为保证网络资源高效使用，协议要结合网络的运行环境、拓扑结构和所要支持的应用服务进行设计。

地面互联网和移动通信网是目前应用最广泛的网络，地面互联网使用TCP/IP协议体系[1]，该协议体系是针对地面网络传输环境开发的；地面移动通信网络综合利用了有线和无线的传输方式，采用基于2G、3G、4G的移动通信协议体系[2]。空间网络具有星地链路延时长、星际链路断续、高误码、网络拓扑动态变化的特点，不同国际组织结合不同的应用场景提出了不同的协议体系，面向航天测控应用采用CCSDS协议体系[3]，面向深空探测、星际互联应用采用DTN协议体系[4]。天地一体化网络融合了天基网络和地面网络，本文在借鉴地面网络和空间网络现有协议体系研究的基础上，提出了适用于天地一体化网络的增强融合协议体系，实现天基网络与地面网络的无缝融合。

1 地面网络协议体系

1.1 TCP/IP协议体系

互联网基于TCP/IP协议体系可以为用户提供多样化的服务，如电子邮件、网页浏览等，支持多种形式物理设备之间的互联，如光纤、电缆等。TCP/IP协议采用分层协议架构，包括应用层、传输层、网络层和数据链路层，如图1所示。

根据服务需求和设备形式的不同，每层使用不同的协议来完成业务传输。随着互联网的发展和大规模应用，TCP/IP协议作为地面应用范围最广泛的网络协议，以其开放的架构已经成为现有网络事实上的标准。TCP/IP协议具有良好端到端的能力、高层协议功能以及协议标准化能力。众多的网络产品厂家都支持TCP/IP协议。

图1 TCP/IP协议体系

但是，TCP/IP协议直接应用于卫星网络时，卫星链路的长延时、带宽受限等特性，会造成基于TCP/IP协议的业务在卫星网络传输效率很低[5]。

1.2 地面移动通信协议体系

地面移动通信系统由用户设备、接入网和核心网3部分组成[6]。其中，用户设备发起各种呼叫和数据类业务。接入网完成与无线有关的功能，包括接收、发送和处理无线信令，以及与用户设备之间的数据传输。核心网负责处理网内的呼叫请求或数据请求，涉及连接、计费和移动性管理等，并负责与外部网络互联。

针对个人移动用户间电话和数据类业务互通需求，地面移动通信系统的协议体系采用分层协议架构[6]，包括接入层和非接入层。以3G为例，地面移动通信系统协议体系如图2所示，其中接入层包括物理层、RRC层和RLC/MAC层；非接入层主要包括连接会话管理和移动性管理等功能单元，可划分为电路域和分组域，电路域功能单元主要用于处理电话呼叫类业务，分组域功能单元主要实现互联网访问等数据类业务。

图2 地面移动通信系统协议体系

地面移动通信系统协议体系的无线侧传输环境与卫星网络环境存在较大差别[7]，因此该协议体系应用于卫星网络时接入层协议需要结合卫星链路和卫星网络拓扑结构特点进行定制开发和优化设计。

2 空间网络通信协议

2.1 CCSDS协议体系

CCSDS建议是专为航天任务“量身定做”的协议，充分考虑了空间链路带宽资源的珍贵性及未来航天任务的新需求，协议效率较高。

最初CCSDS协议体系只规定了链路层组网协议，包括COS(普通在轨系统)和AOS(高级在轨系统)两部分。后来逐渐将TCP/IP引入协议体系，在网络层实现组网互联，链路层的仍采用AOS等协议，代表成果是SCPS系列规范和IP OVER AOS规范，CCSDS协议体系[8]如图3所示。

图3 CCSDS协议体系

CCSDS协议经过了多次航天任务考验，航空任务中使用该协议可以降低成本、减小风险和缩短开发时间。通过在数据链路层使用CCSDS的TM、TC、AOS、Proximity-1等协议，在网络层使用IP及其扩展技术[9]，可以保护已有投资及国际联网问题，增强不同空间组织在航天任务中开展交互操作和交互支持的能力。但是该协议侧重于对业务的承载，缺乏对动态路由、接入控制、资源分配和移动性管理等的支持。

2.2 DTN协议体系

DTN(行星际互联网协议)体系是专门针对宇宙空间中星际通信的特点而提出，用于解决大时空尺度和恶劣环境下多系统组网通信问题。

DTN协议采用持久存储、寻机转发的思想[10]。通过在传输层和应用层之间插入DTN覆盖层(Bundle)引入逐跳可靠传输和保管传递机制，在传输层使用LTP可靠传输协议，保证长延时、高误码链路上信息传输的可靠性和有效性。根据业务流特性，对实时业务流和可靠业务流分别采用不同的协议，链路层通过虚拟信道调度实现数据在链路层的可靠传输，为不同应用提供不同服务，DTN协议体系[11]如图4所示。

DTN协议能在断续、高误码的大时空跨度环境中实现数据的高效、可靠传输，构建更加安全、有效、可靠的自主通信网络。但是该协议体系还未形成完善的路由选择、密钥管理保证机制，且协议开销较大。

图4 DTN协议体系

3 天地一体化网络协议

从卫星通信系统发展来看，卫星通信系统经历了从基于透明转发器的卫星通信系统、基于星上处理转发器的卫星通信系统、基于星间组网的卫星通信系统到构建天地一体化网络的发展过程。相应地，卫星通信系统协议也在不断演进。最早基于透明转发器的协议体系主要涉及物理层与链路层，多采用专用协议；近年来随着业务IP化发展，卫星通信协议体系已经扩展到网络层、传输层及应用层[12]，基本形成了基于TCP/IP的卫星协议体系，该体系结合空间网络的特点对TCP/IP协议各层进行增强和优化设计[13]；基于星上处理转发器的卫星通信系统中，卫星节点具有路由交换能力，卫星网络在继承原有协议体系的基础上更加关注星载交换、卫星网络优化路由协议研究[14]；基于星间组网的卫星通信系统中各星载节点之间开始组网，星间组网协议成为整个网络协议设计的关键；天地一体化网络中卫星通信系统在协议设计时还要考虑与地面网络协议的融合设计。

天地一体化网络采用“天网地网”架构[15]，由天基骨干网、天基接入网和地基节点网构成，并可与地面互联网、移动通信网开放互联[16]。天地一体化网络面向陆海空天用户，支持网络通信、数据分发、空间应用、航空应用、海事应用和物联应用等服务，其协议体系在设计时应借鉴现有地面网络和空间网络成熟的协议体系，设计适用于天地一体化网络的增强空间融合协议体系，如图5所示。

图5 增强空间融合协议体系

增强空间融合协议体系基于地面网的TCP/IP分层协议模型并兼容CCSDS协议体系、DTN协议体系和卫星移动协议体系，结合天基网络特点对每一层进行协议空间增强设计，包括空间增强应用层协议、空间传输层协议、高安全增强网络层协议，链路层和物理层协议结合空间链路传输体制、应用不同分别设计，如：面向航天测控应用采用CCSDS协议，天基接入网的星地链路协议基于地面移动协议体系进行定制。

基于增强空间融合协议体系，深空探测节点和低轨移动用户分别与地面用户通信的端到端协议模型如图6所示。

空间增强应用层协议旨在提高天基网络环境中应用层协议传输性能，通过缓存、预取和流程优化[17]等技术手段进行协议增强设计；DTN协议用于实现深空节点数据的可靠传输；空间传输层协议能够克服卫星网络长延时、高误码对TCP协议带来的影响，通常采用算法改进、零窗口停发、反向ACK过滤和误码容忍控制机制等空间传输层增强手段来解决；高安全增强网络层协议通过多种天基络专用支撑协议来实现，包括卫星专用路由协议、卫星QoS路由协议等，最终实现天基网络高效路由、安全传输；深空通信节点卫星链路的链路层采用CCSDS协议，低轨移动用户卫星链路的链路层采用卫星移动链路协议。该协议体系可继承现有地面网络成熟技术，面向用户提供标准透明的TCP/IP协议接口，在空间段对各层协议进行增强，提高协议传输效率和网络资源利用率。

图6 增强空间融合协议体系的端到端协议模型

天地一体化网络协议体系在实施时可采用如下分布实施方案：

第1阶段：设计天地一体化网络的传输及组网协议，构建提供基础网络通信、数据分发服务的天地一体化信息传输网络。基于现有地面网络和空间网络协议体系的研究成果，设计天基信息网络传输及组网协议，基于开放式的协议架构构建天地一体化信息传输网络，提供基础的网络通信、数据分发服务。

第2阶段：研究天基网络服务协议，开发多样化服务。基于开放式的天基信息网络传输及组网协议，面向天基网络航空、海事和物联等领域服务应用，研究天基网络服务协议，开发多样化服务。

4 结束语

构建天地一体化网络是卫星通信系统发展的必然结果，天地一体化网络协议不应该采用全新的协议体系，应结合卫星通信系统的运行环境、网络结构和应用服务需求，继承原有地面网络和空间网络协议的基础上，积极借鉴引进地面网络的新技术，设计增强空间融合协议体系和开放式的协议架构，实现天基网络与地面互联网和移动通信网络的互联互通、信息服务共享。

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