空间组网与异构网络互联-航天恒星程子敬
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开放式发展 从小规模、低轨道DTN实验平台开始，逐渐过渡到涵盖月球、火星等更 加完善的实验平台，并进一步向深空、太阳系外拓展
开放式参与 多家高水平研究所、高校参与计划实施，允许所有的高校和研究单位利 用HINET开展科学研究与技术试验
HINET计划包含多个阶段，各阶段无缝衔接、规模逐步扩 大。每个阶段依托一项或多项航天型号任务，采用试验载荷搭 载方式，进行积木式组合建设。
（4）GEO广播通信卫星
GEO广播通信卫星负责主要天地通信链路的建立，在飞船和地 面站之间进行信号的中继传输。
（5）实验平台主控中心
实验平台主控中心包含五部分：实验载荷地面飞控支持系统、 DTN实验平台管控系统、本地DTN节点、DTN网关/节点、VSAT 主站。
利用VSAT系统实现地面站和飞船之间的通信。
资源利用率低。 缺少星间链路，在轨计算及存储能力不足，导致系统之间
相互孤立，容易形成信息孤岛。 通信卫星的覆盖范围、传输带宽有限，满足遥感实时传输
需求能力不足。 没有建成统一的空间数据存储与计算中心，不能高效满足
数据共享与融合应用需求。 没有建成统一的安全防护体系，系统安全性有待增强。
3.2 DTN的提出
DTN最初起源于1998年NASA的JPL实验室对星际互联网(IPN)的研
究
• IPN研究得出的结论是：地面Internet协议不适用于星际互联网，需要 开发一种新型的网络体系架构和协议栈，DTN技术应运而生
因特网研究任务组(IRTF)的容迟网络研究组(DTNGR)自2007年起
航电计算机：运行预先安装的协议栈和应用程序，根据控制指令选择 执行不同的功能，以完成不同种类的实验。 软件定义无线电平台：完成基带信号处理功能，负责编解码和调制解 调等。 对天天线与射频系统：负责与GEO卫星通信，通过卫星建立飞船和地 面的主要数传链路。 对地天线与射频系统：负责与位于实验平台控制中心的主地面站联系 ，提供窄带数传信道，完成低速重要数据的收发。
（6）合作单位节点
在主要合作单位建立DTN网关/节点，节点配有VSAT小站。节 点通过因特网进行数据传输时是普通的DTN节点；通过VSAT小站 与飞船进行数据传输，或者与其他节点进行数据传输时，是DTN 网关。其身份的转换由DTN实验平台主控中心统一控制。
（7）因特网
因特网提供各种地面节点的互联。
2022年-2035年
HINET-III
依托空间站运营期 的航天器，逐步扩展 HINET-II，建成涵盖多 种空间网络、地面网 络，支持网络架构、高 速传输、信息融合、网 络安全等研究与实验的
大规模实验平台。
2016年-2018年——HINET-I 依托某型号试验船，建设验证DTN技术的小规模异构互
报告人：程子敬
目录
2
1.1 航天发展与卫星应用
我国航天事业飞跃式发展
2003年10月15日，
神州五号载人飞
1970年4月24日， 中国“东方红”
船升空
一号飞向太空 1987年8月，中国
2007年10月24日， 搭载着中国首颗探 月卫星嫦娥一号的
来自百度文库
返回式卫星为法国
长征三号甲运载火
搭载试验装置
箭成功发射
HINET-I
HINET-II
HINET-III、IV……
先进性：
目前国际上还没有如此设想的包含天基网络在内的大规 模实验网络，本计划是开创性的，具有重要的理论研究和工 程实践价值。
持续性：
实验平台可以随着技术的进步和航天事业的发展，不断 更新换代，并在不断实施的航天任务（载人探月、火星探 测、行星探测…… ）的支持下逐步演进为HINET-N……
HINET涵盖多种空间飞行 器、多个地面站以及多种网 络，构成一种天基网络和地 面网络的异构互联架构。此 架构能够支持各种面向空间 应用的基础学科理论成果与 关键技术的集成演示与试验 验证。
开放式结构 各种不同天基、地基网络自由接入
开放式实验 支持自定义的技术测试与实验
开放式功能 平台架构可重定义，实验支持功能可软硬件重构
为我国基础学科理论研究成果的测试与验证提供一个随时可用 的科研实验平台，为技术成熟度、产品成熟度的提升提供真实 的应用环境；
基于校企联合与协同创新，引领我国天基网络信息体系与天地 一体化信息技术前沿研究。
HINET计划是一个渐进的、连续的、长期的、开放的空间 信息网络、天基网络信息体系以及天地一体化信息技术研究与 实验支撑工程，其建设和运维将伴随我国空间探索全过程。
（2）飞船实验支持系统
飞船实验支持系统位于飞船内部，接收地面飞行控制中心传来 的DTN实验平台控制指令，完成实验载荷的控制，并监测试验载 荷的运行，把必要的状态监测信息发回地面飞行控制中心。
（3） DTN实验载荷
DTN实验载荷位于新一代飞船内部，由航电计算机、软件定义无线电平 台、对天天线与射频系统、对地天线与射频系统四部分组成。
多维、多尺度空间信息的获取、处理、网络化共享与 应用，与链路传输与处理瓶颈的矛盾。
2.3 本领域重大研究项目 国家自然科学基金委
“空间信息网络基础理 论与关键技术”重大研 究计划 科技部“天地一体化信 息网络”重大工程专项
目录
14
3.1 空间异构网络互联技术
CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems，空间数据 通信系统咨询委员会)总结了五种可以用于空间网络的协议架构
2016年9月15日， 太空实验室“天宫 二号”成功发射
第一颗人造
跨入载人航
卫星
天史
……
……
打入世界航天市
开启探月时
第一个真正意义上
场的首次尝试
代
的太空实验室
3
卫星系统的重要价值 是我国信息基础设施建设不可或缺的重要组成部分，体现
一个国家在高新技术领域的综合实力，具有重要的经济与社 会价值：
• 提供安全保障，支撑国家重大战略行动 • 提供全球服务，支撑国家战略利益拓展 • 提供快速响应，确保国家应急信息服务
陆续公布了一系列协议规范
• RFC4838：DTN体系结构文档，对容迟网络的发展目标、应用背景、 运行机制、相关概念、协议标准等内容进行了较为系统的规范
• RFC5050：对主要协议BP进行了规范 • RFC5325、5326、5327：对容迟网络长距传输协议LTP进行了规范，
同时对容迟网络的安全功能进行了拓展 • RFC6255-6260六个规范：进一步对DTN协议栈的各个方面进行细化
• 用户自定义转发 • 使用CCSDS的空间包作为互联网络的包格式 • 使用CCSDS的CFDP协议 • 直接使用IP协议（特别是IPV6） • 使用容延/容断网络(Delay/Disruption Tolerant Network, DTN)
CCSDS认为DTN是最适合作为空间网络互连的形式。
3.3 DTN协议栈
DTN作为一个覆盖网运行在已有 网络的协议栈上，采用非交互式 消息传输机制，在应用层上以代 理的形式实现。
DTN网络体系以BP为主要协议， 采用协议数据单元“束”(bundle) 以及以LTP为核心的汇聚层协议 进行信息传输，使得DTN适用于 各种网络状况。
BP协议
是DTN结构中的覆盖层协议，使用存储转发机制和托管传 输功能来保证通信环境中数据信息的可靠传输。 LTP协议
采用低容量或非对称链路上的最小开销进行设计，支持中 断连接中的数据可靠传输服务。
3.4 美国进行的DTN实验 基于空间站的实验(DTN-on-ISS)
• 2009年，利用国际空间站的一 个商业级生物处理装置5 （CGBA5）进行了DTN BP协议 实验。
卫星导航系统 • 北斗卫星导航系统： 北斗一号、北斗二号 • 系统功能：在全球范围内全 天候、全天时为各类用户提 供高精度、高可靠定位、导 航、授时服务，并具短报文 通信能力
北斗卫星导航系统示意图
6
卫星遥感系统 • 遥感卫星：气象卫星、地球资源卫星、陆地卫星、海洋卫 星；红外遥感、激光遥感、微波遥感 • 系统功能：用于科学试验、国土资源普查、农作物估产及 防灾减灾等领域
7
中继卫星系统 • 系统组成：由地球同步轨 道上的3颗组成（天链一号 01星、02星、03星） • 系统用途：对航天器进行 跟踪、测量；为对地观测 卫星实时转发数据；承担 航天器的通信和数据传输 中继业务
中继卫星系统示意图
1.3 现有卫星系统的不足 卫星系统大多是封闭、孤立、自治的，协同应用能力弱，
这个平台提供给欧洲各研 究机构和大学使用，是一个开 放的DTN网络实验平台。
目录
21
异构互联网络实验平台计划（HINET）
Plan of Experimental Platform for
Heterogeneous Interconnection Networks
以空间信息网络基础理论与关键技术研究为目标，以构建天地 一体化实验网络为手段，将基础研究与工程任务无缝融合；
HINET-I实验平台由八部分组成： ① 飞船地面飞行控制中心 ② 飞船实验支持系统 ③ DTN实验载荷 ④ GEO广播通信卫星 ⑤ 实验平台主控中心 ⑥ 合作单位节点 ⑦ 因特网 ⑧ 科研用户节点
（1）飞船地面飞行控制中心
地面飞行控制中心通过测控信道与位于飞船上的实验支持系 统相连，负责发送控制指令，接收飞船回传信息。实验平台借用 飞行控制中心发送位于飞船上的DTN实验载荷的控制指令，完成 系统开关机等关键控制功能，并接收状态监测信息。
（1）Bundle协议的托管转发技术； （2）DTN的路由技术； （3）DTN网络的命名技术； （4）DTN协议汇聚技术； （5）DTN参数优化配置策略； （6）DTN跨层优化技术； （7）DTN协议栈配置策略； （8）DTN节点存储容量优化技术； （9）DTN网络的时间同步技术； （10）DTN网络访问控制、认证机制、漏洞检测、攻击 监测、容错机制、防病毒、加密通信等安全技术。
目录
10
2.1 卫星空间组网的必要性
信息获取的全球化 信息交换的立体化 信息处理的智能化 基础设施的集成化 信息防护的体系化
2.2 卫星空间组网的难点
空间节点高动态运动、网络时空行为复杂、业务类型 差异大、网络异构。
空间节点和链路动态变化且稀疏分布，导致多点到多 点的信息传输容量随网络拓扑的时变空变而发生变化。
HINET-III
HINET-II
HINET-I
2016年-2018年
HINET-I
依托新一代飞 船试验船，建设验 证DTN技术的小规 模异构互联网络实 验平台。
2018年-2022年
HINET-II
依托空间站实验 舱II，在HINET-I基 础上，扩展成为基于 软件定义的、功能可 重构、中等规模异构 互联网络实验平台。
基于深度撞击号进行的实验 (DINET)
• 利用火星探测器“深度撞击飞 行 器 ”， 开 展 了 DTN LTP 以 及 CCSDS的CFDP协议实验。
3.5 欧盟进行的DTN实验 在 地面建立 DTN 仿真 系 统
(SPICE),用硬件仿真卫星链路， 在特殊需要时也可以选择性使 用真实的卫星转发器。
（8）科研用户节点
科研用户节点是普通DTN节点，由安装了DTN协议栈和应用程 序的普通计算机构成。节点通过因特网可以连接任意其他节点和 飞船，进行各种类型的DTN实验。
科研用户节点可以配置在任何地方（科研机构或者高校）。只 要用户申请，就可以在普通计算机上安装专门开发的软件系统， 通过因特网接入，完成各种类型的自定义DTN实验。
1.2 典型卫星系统 卫星广播通信系统
• 通信卫星：大型通信卫星系列(东方 红一号～四号)、通信广播卫星系列 (鑫诺一号～六号)、中星系列六颗、 亚太系列四颗
• 卫星通信系统由卫星端、地面端、用 户端三部分组成。卫星端在空中起中 继站的作用，即把地面站发上来的电 磁波放大后再返送回另一地面站
5
联网络实验平台。
2018年-2022年——HINET-II 依托空间站实验舱II，在HINET-I基础上，扩展成为基
于软件定义技术的中等规模异构互联网络实验平台。
2023年-2035年——HINET-III 依托空间站运营期的多个
航天器，进一步扩充、完善 HINET-II，逐步建成涵盖多种 空间和地面网络，支持大规模 开展空间信息网络、天地一体 化信息技术的基础研究与技术 试验。
开放式参与 多家高水平研究所、高校参与计划实施，允许所有的高校和研究单位利 用HINET开展科学研究与技术试验
HINET计划包含多个阶段，各阶段无缝衔接、规模逐步扩 大。每个阶段依托一项或多项航天型号任务，采用试验载荷搭 载方式，进行积木式组合建设。
（4）GEO广播通信卫星
GEO广播通信卫星负责主要天地通信链路的建立，在飞船和地 面站之间进行信号的中继传输。
（5）实验平台主控中心
实验平台主控中心包含五部分：实验载荷地面飞控支持系统、 DTN实验平台管控系统、本地DTN节点、DTN网关/节点、VSAT 主站。
利用VSAT系统实现地面站和飞船之间的通信。
资源利用率低。 缺少星间链路，在轨计算及存储能力不足，导致系统之间
相互孤立，容易形成信息孤岛。 通信卫星的覆盖范围、传输带宽有限，满足遥感实时传输
需求能力不足。 没有建成统一的空间数据存储与计算中心，不能高效满足
数据共享与融合应用需求。 没有建成统一的安全防护体系，系统安全性有待增强。
3.2 DTN的提出
DTN最初起源于1998年NASA的JPL实验室对星际互联网(IPN)的研
究
• IPN研究得出的结论是：地面Internet协议不适用于星际互联网，需要 开发一种新型的网络体系架构和协议栈，DTN技术应运而生
因特网研究任务组(IRTF)的容迟网络研究组(DTNGR)自2007年起
航电计算机：运行预先安装的协议栈和应用程序，根据控制指令选择 执行不同的功能，以完成不同种类的实验。 软件定义无线电平台：完成基带信号处理功能，负责编解码和调制解 调等。 对天天线与射频系统：负责与GEO卫星通信，通过卫星建立飞船和地 面的主要数传链路。 对地天线与射频系统：负责与位于实验平台控制中心的主地面站联系 ，提供窄带数传信道，完成低速重要数据的收发。
（6）合作单位节点
在主要合作单位建立DTN网关/节点，节点配有VSAT小站。节 点通过因特网进行数据传输时是普通的DTN节点；通过VSAT小站 与飞船进行数据传输，或者与其他节点进行数据传输时，是DTN 网关。其身份的转换由DTN实验平台主控中心统一控制。
（7）因特网
因特网提供各种地面节点的互联。
2022年-2035年
HINET-III
依托空间站运营期 的航天器，逐步扩展 HINET-II，建成涵盖多 种空间网络、地面网 络，支持网络架构、高 速传输、信息融合、网 络安全等研究与实验的
大规模实验平台。
2016年-2018年——HINET-I 依托某型号试验船，建设验证DTN技术的小规模异构互
报告人：程子敬
目录
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1.1 航天发展与卫星应用
我国航天事业飞跃式发展
2003年10月15日，
神州五号载人飞
1970年4月24日， 中国“东方红”
船升空
一号飞向太空 1987年8月，中国
2007年10月24日， 搭载着中国首颗探 月卫星嫦娥一号的
来自百度文库
返回式卫星为法国
长征三号甲运载火
搭载试验装置
箭成功发射
HINET-I
HINET-II
HINET-III、IV……
先进性：
目前国际上还没有如此设想的包含天基网络在内的大规 模实验网络，本计划是开创性的，具有重要的理论研究和工 程实践价值。
持续性：
实验平台可以随着技术的进步和航天事业的发展，不断 更新换代，并在不断实施的航天任务（载人探月、火星探 测、行星探测…… ）的支持下逐步演进为HINET-N……
HINET涵盖多种空间飞行 器、多个地面站以及多种网 络，构成一种天基网络和地 面网络的异构互联架构。此 架构能够支持各种面向空间 应用的基础学科理论成果与 关键技术的集成演示与试验 验证。
开放式结构 各种不同天基、地基网络自由接入
开放式实验 支持自定义的技术测试与实验
开放式功能 平台架构可重定义，实验支持功能可软硬件重构
为我国基础学科理论研究成果的测试与验证提供一个随时可用 的科研实验平台，为技术成熟度、产品成熟度的提升提供真实 的应用环境；
基于校企联合与协同创新，引领我国天基网络信息体系与天地 一体化信息技术前沿研究。
HINET计划是一个渐进的、连续的、长期的、开放的空间 信息网络、天基网络信息体系以及天地一体化信息技术研究与 实验支撑工程，其建设和运维将伴随我国空间探索全过程。
（2）飞船实验支持系统
飞船实验支持系统位于飞船内部，接收地面飞行控制中心传来 的DTN实验平台控制指令，完成实验载荷的控制，并监测试验载 荷的运行，把必要的状态监测信息发回地面飞行控制中心。
（3） DTN实验载荷
DTN实验载荷位于新一代飞船内部，由航电计算机、软件定义无线电平 台、对天天线与射频系统、对地天线与射频系统四部分组成。
多维、多尺度空间信息的获取、处理、网络化共享与 应用，与链路传输与处理瓶颈的矛盾。
2.3 本领域重大研究项目 国家自然科学基金委
“空间信息网络基础理 论与关键技术”重大研 究计划 科技部“天地一体化信 息网络”重大工程专项
目录
14
3.1 空间异构网络互联技术
CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems，空间数据 通信系统咨询委员会)总结了五种可以用于空间网络的协议架构
2016年9月15日， 太空实验室“天宫 二号”成功发射
第一颗人造
跨入载人航
卫星
天史
……
……
打入世界航天市
开启探月时
第一个真正意义上
场的首次尝试
代
的太空实验室
3
卫星系统的重要价值 是我国信息基础设施建设不可或缺的重要组成部分，体现
一个国家在高新技术领域的综合实力，具有重要的经济与社 会价值：
• 提供安全保障，支撑国家重大战略行动 • 提供全球服务，支撑国家战略利益拓展 • 提供快速响应，确保国家应急信息服务
陆续公布了一系列协议规范
• RFC4838：DTN体系结构文档，对容迟网络的发展目标、应用背景、 运行机制、相关概念、协议标准等内容进行了较为系统的规范
• RFC5050：对主要协议BP进行了规范 • RFC5325、5326、5327：对容迟网络长距传输协议LTP进行了规范，
同时对容迟网络的安全功能进行了拓展 • RFC6255-6260六个规范：进一步对DTN协议栈的各个方面进行细化
• 用户自定义转发 • 使用CCSDS的空间包作为互联网络的包格式 • 使用CCSDS的CFDP协议 • 直接使用IP协议（特别是IPV6） • 使用容延/容断网络(Delay/Disruption Tolerant Network, DTN)
CCSDS认为DTN是最适合作为空间网络互连的形式。
3.3 DTN协议栈
DTN作为一个覆盖网运行在已有 网络的协议栈上，采用非交互式 消息传输机制，在应用层上以代 理的形式实现。
DTN网络体系以BP为主要协议， 采用协议数据单元“束”(bundle) 以及以LTP为核心的汇聚层协议 进行信息传输，使得DTN适用于 各种网络状况。
BP协议
是DTN结构中的覆盖层协议，使用存储转发机制和托管传 输功能来保证通信环境中数据信息的可靠传输。 LTP协议
采用低容量或非对称链路上的最小开销进行设计，支持中 断连接中的数据可靠传输服务。
3.4 美国进行的DTN实验 基于空间站的实验(DTN-on-ISS)
• 2009年，利用国际空间站的一 个商业级生物处理装置5 （CGBA5）进行了DTN BP协议 实验。
卫星导航系统 • 北斗卫星导航系统： 北斗一号、北斗二号 • 系统功能：在全球范围内全 天候、全天时为各类用户提 供高精度、高可靠定位、导 航、授时服务，并具短报文 通信能力
北斗卫星导航系统示意图
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卫星遥感系统 • 遥感卫星：气象卫星、地球资源卫星、陆地卫星、海洋卫 星；红外遥感、激光遥感、微波遥感 • 系统功能：用于科学试验、国土资源普查、农作物估产及 防灾减灾等领域
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中继卫星系统 • 系统组成：由地球同步轨 道上的3颗组成（天链一号 01星、02星、03星） • 系统用途：对航天器进行 跟踪、测量；为对地观测 卫星实时转发数据；承担 航天器的通信和数据传输 中继业务
中继卫星系统示意图
1.3 现有卫星系统的不足 卫星系统大多是封闭、孤立、自治的，协同应用能力弱，
这个平台提供给欧洲各研 究机构和大学使用，是一个开 放的DTN网络实验平台。
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异构互联网络实验平台计划（HINET）
Plan of Experimental Platform for
Heterogeneous Interconnection Networks
以空间信息网络基础理论与关键技术研究为目标，以构建天地 一体化实验网络为手段，将基础研究与工程任务无缝融合；
HINET-I实验平台由八部分组成： ① 飞船地面飞行控制中心 ② 飞船实验支持系统 ③ DTN实验载荷 ④ GEO广播通信卫星 ⑤ 实验平台主控中心 ⑥ 合作单位节点 ⑦ 因特网 ⑧ 科研用户节点
（1）飞船地面飞行控制中心
地面飞行控制中心通过测控信道与位于飞船上的实验支持系 统相连，负责发送控制指令，接收飞船回传信息。实验平台借用 飞行控制中心发送位于飞船上的DTN实验载荷的控制指令，完成 系统开关机等关键控制功能，并接收状态监测信息。
（1）Bundle协议的托管转发技术； （2）DTN的路由技术； （3）DTN网络的命名技术； （4）DTN协议汇聚技术； （5）DTN参数优化配置策略； （6）DTN跨层优化技术； （7）DTN协议栈配置策略； （8）DTN节点存储容量优化技术； （9）DTN网络的时间同步技术； （10）DTN网络访问控制、认证机制、漏洞检测、攻击 监测、容错机制、防病毒、加密通信等安全技术。
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2.1 卫星空间组网的必要性
信息获取的全球化 信息交换的立体化 信息处理的智能化 基础设施的集成化 信息防护的体系化
2.2 卫星空间组网的难点
空间节点高动态运动、网络时空行为复杂、业务类型 差异大、网络异构。
空间节点和链路动态变化且稀疏分布，导致多点到多 点的信息传输容量随网络拓扑的时变空变而发生变化。
HINET-III
HINET-II
HINET-I
2016年-2018年
HINET-I
依托新一代飞 船试验船，建设验 证DTN技术的小规 模异构互联网络实 验平台。
2018年-2022年
HINET-II
依托空间站实验 舱II，在HINET-I基 础上，扩展成为基于 软件定义的、功能可 重构、中等规模异构 互联网络实验平台。
基于深度撞击号进行的实验 (DINET)
• 利用火星探测器“深度撞击飞 行 器 ”， 开 展 了 DTN LTP 以 及 CCSDS的CFDP协议实验。
3.5 欧盟进行的DTN实验 在 地面建立 DTN 仿真 系 统
(SPICE),用硬件仿真卫星链路， 在特殊需要时也可以选择性使 用真实的卫星转发器。
（8）科研用户节点
科研用户节点是普通DTN节点，由安装了DTN协议栈和应用程 序的普通计算机构成。节点通过因特网可以连接任意其他节点和 飞船，进行各种类型的DTN实验。
科研用户节点可以配置在任何地方（科研机构或者高校）。只 要用户申请，就可以在普通计算机上安装专门开发的软件系统， 通过因特网接入，完成各种类型的自定义DTN实验。
1.2 典型卫星系统 卫星广播通信系统
• 通信卫星：大型通信卫星系列(东方 红一号～四号)、通信广播卫星系列 (鑫诺一号～六号)、中星系列六颗、 亚太系列四颗
• 卫星通信系统由卫星端、地面端、用 户端三部分组成。卫星端在空中起中 继站的作用，即把地面站发上来的电 磁波放大后再返送回另一地面站
5
联网络实验平台。
2018年-2022年——HINET-II 依托空间站实验舱II，在HINET-I基础上，扩展成为基
于软件定义技术的中等规模异构互联网络实验平台。
2023年-2035年——HINET-III 依托空间站运营期的多个
航天器，进一步扩充、完善 HINET-II，逐步建成涵盖多种 空间和地面网络，支持大规模 开展空间信息网络、天地一体 化信息技术的基础研究与技术 试验。