DTN在星际因特网中的研究进展及对天地一体化信息网络的启示

DTN在星际因特网中的研究进展及对天地一体化信息网络的启示燕洪成张庆君孙勇顾明北京空间飞行器总体设计部，北京，100094摘要：DTN网络为美国NASA提出的星际因特网的设想提供了一种可行的技术途径，本文首先介绍了DTN的发展历程、网络协议、路由算法和软件实现，然后介绍了NASA在利用DTN网络实现星际因特网方面的研究进展，包括在地球科学和深空探测等应用领域的飞行验证实验，并分析了其技术特点和实现方法。

最后，提出了DTN技术对我国天地一体化信息网络建设的启示。

关键词：DTN 星际因特网网络协议飞行验证实验一体化信息网络1 引言延迟/中断容忍网络（Delay/Disruption tolerant network，DTN）最初起源于1998年美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Lab，JPL）对星际因特网（InterPlaNetary Internet，IPN）的研究。

NASA希望将地面因特网扩展到整个太阳系，来为散布在太阳系中的航天器和探索其它星球的机器人提供像地面因特网一样的通信服务[1]。

但是由于地面因特网假定数据源和目的之间存在端到端路径，节点之间时延不会太长而且网络丢包率较小。

而星际互联网具有不同于传统地面因特网的特点，如节点之间的传播延时会非常大，节点之间往往由于天体遮挡而不存在可持续的连接，通信链路误码率高而且链路带宽不对称等。

IPN研究小组最后得出的结论为地面因特网不适合星际因特网，需要开发一种新的延迟容忍网络体系结构和网络协议来实现最终星际因特网的建立[2]。

后来IPN研究小组发展成为了一个Internet协会特别兴趣小组，即IPNSIG（IPN Special Interest Group）①。

但是IPNSIG遇到了一个问题，因为现实中还没有这样一个星际网络可以用来做实验，而建造这样一个实验网络又非常非常昂贵。

所以，其他一部分研究者开始探索如何将IPN的理念应用到地面网络中，比如传感器网络。

研究者们发现传感器网络与IPN 有许多共同点，而针对传感器网络做实验非常容易，所以因特网研究任务组（Internet Research Task Force，IRTF）成立了一个新的DTN研究小组（DTNRG，DTN Research Group）②，该小组目前是DTN体系结构和网络协议研究的主要公开组织[3]。

2004年，DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）提出了“Disruption tolerant networking”，也称为DTN，可以看作同一种概念下的另一种描述，很多时候，希望同一个体系结构或协议能够同时支持延迟和中断这两种情况。

DTN使星际因特网的实现变得可行，NASA也因此启动了多项旨在提高DTN技术成熟度，以使其能够用于太空任务的飞行验证计划。

本文首先介绍了DTN网络的协议、路由算① ② 法和软件实现，然后介绍了NASA发起的DTN飞行验证实验，最后提出了对我国天地一体化信息网络建设的启示。

2 DTN网络介绍在研究星际因特网的时候，研究者们发现现有的网络协议没有一种能够在星际因特网所有路径上表现的令人满意，而且没有一种应用层下面的端到端协议适合星际因特网应用场景的端到端应用[2]。

因此，研究者们提出了一种新的端到端的覆盖层网络体系结构，将不同的间断网络互连起来，形成一个间断网络的互联网络[4, 5]。

如果说IP协议将不同的持续连接子网互联起来的话，那么DTN网络将把不同的间断网络互连起来。

2.1 DTN网络协议（1）bundle协议DTNRG提出的束协议（bundle protocol），运行于不同种类的底层协议之上，形成一个覆盖层，称之为“束层（bundle layer）”[6]。

束协议是DTN体系结构中覆盖层网络的一个实际例子，束协议既可以运行在当前的Internet之上，也可以运行在深空通信网络、传感器网络等其它苛刻的网络环境中。

束层和不同网络的底层协议互相配合，从而使不同的网络互连起来，而不同网络的底层协议可以采用本网络最适合的协议，因此，束协议可以看作是一个覆盖层网络的存储转发协议。

图1显示了束协议在Internet模型应用层的位置，图1中有3个不同的传输和网络协议（分别用T1/N1，T2/N2，T3/N3表示）[7]。

图1 束协议在Internet模型应用层的位置束协议的主要功能有：①基于保管方式的重传；②可以处理间断的连接；③（除了持续性的连接）还能够利用预先规划的、可以预测的和机会的连接；④通过覆盖层网络端点地址后绑定，形成网络地址。

基于保管方式的重传是束协议非常重要的一个策略，数据段的可靠传输职责会随着数据段在网络中每一跳的前进而向前推移，这样数据段的可靠传输从传统的基于端到端转变为基于跳到跳，从而更适合在高时延和链路中断情形下的可靠传输。

RFC5050详细介绍了束协议的基本术语、格式、处理过程和管理记录过程等[7]。

束协议用来构造一个存储-转发的覆盖网，同时还需要一个“汇聚层适配器”来完成束协议与底层网络协议的交互，实现束的发送和接收。

汇聚层协议为束在不同通信路径上的传输提供了一种标准的方法。

（2）LTP协议LTP（Licklider Transmission Protocol）协议用于在链路具有长延时、间歇性连接的情况下，提供长距离的、基于重传的可靠连接[8, 9]。

深空探测任务中的通信就是这种环境的一个非常典型的例子，深空通信链路的延时非常大，而且有时会被其它天体遮挡或者受到地球站调度的限制而发生链路中断。

LTP采用冻结定时器的做法来处理间歇性连接的链路，而传统TCP的两分钟超时机制会导致TCP连接断开。

同时，LTP提供了两种数据块的传输机制，分别为可靠的红色部分和非可靠的绿色部分，所以LTP能够同时提供类似TCP的可靠传输和类似UDP的非可靠传输。

另外，由于深空通信中链路连接机会非常宝贵，而传统的TCP 需要进行的三次握手机制、拥塞窗口协商机制和慢启动过程将会造成链路的低效利用，因此LTP中并没有传统TCP的三次握手机制、拥塞窗口协商机制和慢启动过程，从而提高了链路的利用率。

LTP协议是一个点到点协议，所以不需要考虑路由和拥塞控制的问题。

LTP也能够支持束协议，所以可以配置成BP/LTP的协议结构。

（3）Saratoga协议Saratoga协议使用了UDP来提供简单、轻量级的分发服务，用于在间歇性连接链路和非常不对称链路情况下，提供可靠的大数据量传输[10]。

在需要的时候，Saratoga可以支持完全单向的数据传输。

在专用链路下，Saratoga通过提高链路利用率来充分利用有限的连接时间，同时，Saratoga采用否定应答自动重传机制来提供可靠的数据传输。

Saratoga协议也可以作为DTN的汇聚层协议来支持束协议[11]。

2.2 DTN网络路由文献[12]首先提出了DTN网络的路由问题，并提出了知识库的概念，成为后来DTN路由算法研究的重要基础。

根据路由算法利用的知识的多少，可以将路由算法分为全部知识路由算法、部分知识路由算法和零知识路由算法。

关于地面DTN网络的路由算法已有多篇综述文章[13, 14]，本部分主要介绍应用于航天任务中的DTN路由算法。

由于航天器和天体之间的运动规律是确定的，所以研究者提出了连接图路由算法（Contact Graph Routing，CGR）[15]。

CGR能够在DTN网络中计算将束从源BP端节点转发到目的BP端节点的高效路径，CGR假定链路的连接机会是计划好的或者规划好的，而不是通过预测的或发现的。

CGR提供了两种连接计划消息，一种为连接消息，一种为距离消息。

连接消息提供了连接的起始和结束时刻、源和目的节点，以及连接的通信速率；距离消息提供了连接的起始和结束时刻、源和目的节点，以及连接的通信距离。

连接计划消息会分发到所有的DTN网络节点，CGR在每个DTN网络节点根据这些时变的网络连接信息计算束的转发路径。

由于深空通信中通信机会非常宝贵，为了尽量高效的利用链路连接机会，CGR采用了路径中的链路最早失效（earliest forfeit）度量来计算转发路径，即待转发的束通过最早失效的路径转发出去。

在进行DINET实验时，研究者发现由于最早失效度量并非单调的，所以在复杂的网络拓扑下会产生路由环路，所以，又提出了最早到达（earliest delivery）度量，从而避免了路由环路的产生[16]。

2.3 DTN网络软件实现DTN研究小组维护了DTN的各种应用环境下的软件代码实现，并在DTNRG网站上对外公开。

目前主要有应用于地面DTN节点的DTN2和应用于航天器等嵌入式系统的星际覆盖网络（InterPlaNetary Overlay Network，ION）。

ION软件实现中实现了束协议、LTP、CCSDS 文件传输协议（CCSDS File Delivery Protocol，CFDP）[17]和异步消息服务，所有的代码都用C编写。

ION软件实现目前支持各种Linux平台、FreeBSD、Solaris，也支持VxWorks和RTEMS。

3 DTN网络在星际因特网中的研究目前航天任务中的通信都是由航天器运行小组来管理的，数据的发送和接收都是由遥控指令来分别配置、启动和结束的。

深空通信的可靠传输也是通过人工管理实现的，如果数据丢失了，会发送遥控指令命令航天器进行重传。

这种人工管理的方法，将耗费大量的人力物力财力。

同时，由于航天任务所处太空环境的特殊性和航天通信链路所具有的特殊性，航天任务中的通信系统或者一些简单的通信网络，一般都采用一些专用的协议或部分的采用空间数据系统咨询委员会（CCSDS）协议，与地面网络不能互联互通，这对于天地一体化信息网络的建立造成了巨大的障碍。

DTN网络最初起源于星际因特网的探索研究，而繁荣于地面DTN网络的广泛应用，地面DTN网络的深入研究反过来又会促进星际因特网的发展。

建立天地一体化信息网络需要解决不同间断网络之间的互联问题，而这正是DTN网络设计的初衷。

DTN网络是实现天地一体化信息网络，促进天地信息互通，提高整个航天产业效益的可行途径。

NASA也因此启动了一个太空DTN发展计划，来提高DTN技术应用于各种航天任务的技术成熟度，以最终实现星际因特网的建立[18]。

本部分主要介绍了NASA启动的DTN网络飞行验证实验研究进展，图2为迄今为止NASA已经进行的DTN飞行验证实验，下面将详细介绍各个飞行验证实验。

图2 迄今为止NASA进行的DTN飞行验证实验3.1 灾害监测星座实验2008年1月，NASA格里研究中心（Glenn Research Center，GRC）在UK-DMC上第一在轨测试了DTN的性能[19]。