深空通信DTN应用研究

９４２宇航学报第３ｌ卷１未来深空通信网络的难题雹篙蓑誓淼曩譬喜蚕萎惫墨罢以火星探测为例，未来深空任务的测控通信环境特性各异，如图１所示。

图ｌ未来火星任务深空钡４控通信环境

Ｆｉｇ．１ＤｅｅｐｓｐａｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｆｕｔｕｒｅＭａｒｓｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ

要实现以空间互联网为基础的未来深空通信体系结构，需要解决许多巨大难题：

（１）异构的网络共存：深空测控通信环境不同链路组成的区域将采用不同的网络技术，如何实现异构网络的互联互操作，是未来深空通信体系结构设计面临的最主要难题。

（２）极长且可变的传输延迟：按电磁波的传播速度，地球至太阳系内各行星通信的单程时延将达到数分钟甚至数小时。考虑行星相对轨道位置，火星一地球通信网络端到端往返时间将为８．５ｍｉｎ到４０ｍｉｎ之间不等。这为可靠性传输协议的设计提出了极大的挑战。

（３）不对称的前向和返向信道：在空间通信中，典型的前／返向信道的带宽容量的不对称性将达到１０００：ｌ（地面ＴＣＰ／ＩＰ协议仅能容忍１００：１），有的甚至只有单向信道。

（４）很高的射频信道误码率：深空链路的误码率非常高，通常达到１０。１（地面ＴＣＰ／ＩＰ协议能够容忍的误码率仅为１０。）。

（５）中断或断续的链路连通性：受地球和行星的自旋影响，地面站和航天器或行星之间通信链路平均维持时间为８ｈ，航天器对地球外行星的探测过程中，有一半以上时间为该行星所遮挡，只能实行断续通信，即使在网络正常工作情况下也可能出现通信中断。当地面站与航天器之间经过多个运动节点才能实现通信时，网络的拓扑结构是实时变化的。

（６）受约束的深空通信资源：深空链路容量非常有限、带宽非常低。

（７）有限的航天器存储容量及处理能力：为了解决大时延问题，将采用存储转发通信策略，这为航天器存储处理能力提出了更高的要求。

（８）严峻的安全性问题：深空环境是开放的，极易受攻击，数据传输面临安全性和数据的完整性等问题。

２深空通信网络协议体系研究现状

深空通信网络协议体系研究主要包括三种思路：空间ＩＰ协议体系［９３、ＣＣＳＤＳ协议体系¨０’和ＤＴＮ协议体系¨“。

地球互联网的快速发展，产生了在空间通信中直接采用ＩＰ技术的想法。空间ＩＰ协议体系的优势是技术成熟度高、能大大缩减航天成本、易于升级以满足未来航天任务的需要。２００１年，美国哥达德航天中心开展了名为ＯＭＮＩ（ＯｐｅｒａｔｉｎｇＭｉｓｓｉｏｎａｓＮｏｄｅｓｏｎｔｈｅＩｎ—ｔｅｒｎｅｔ）的研究项目，主要研究利用地面商用ＩＰ协议实现空间通信方案。ＯＭＮＩ基于ＩＰ的思想开展了地面试验，并进行了“航天飞机上的通信与导航演示验证（ＣＡＮＤＯＳ）”试验。空间ＩＰ协议体系虽然可以基本满足地面与近地轨道航天器间的信息传输，但ＴＣＰ协议

是基于端到端重传的协议，需要假定传输延迟很小，

第４期叶建设等：深空通信ＤＴＮ应用研究９４７

成为快速端到端包裹传输的障碍。深空通信中，链路连接性的提供是稀少且断续的，节点应当利用所有有效的机会。“存储携带转发（ｓｔｏｒｅ—ｃａｒｒｙ．ｆｏｒｗａｒｄ）”的思想是：当前接收节点存储新来的包裹，在发现下一节点可操作时，立即将已接收的包裹分段传输到下一跳；另外，ＤＴＮ异构区域网络环境中也包括相对短的传播延迟区域，如近地（行星）轨道网络。在这种情况下，如果原来链路错误，仍有可选的路径能够服务于包裹传输。“存储后转发”不允许包裹分段或重分段以及飞行中的自治路由。“存储携带转发”功能，可能需要对包裹层协议进行修改。

图４ＤＩＮＥＴ系统组成

Ｆｉｇ．４ＤＩＮＥＴｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ

５．４路由问题

传统网络中的路由协议及算法的基本前提是：在通信期间，源节点和目的节点之间存在一条相对稳定的路径。ＤＴＮ路由没有这种假定，成为地面无线自组织类网络研究者最为关注的热点问题。不同于具有相对稠密移动节点的地面ａｄｈｏｃ网络，深空通信ＤＴＮ节点是稀疏连接，采用的ＤＴＮ路由策略将是典型的确定性路由方案。深空ＤＴＮ路由问题主要有两类：一是在深空环境中，数据的传递必然经历巨大的延时和间歇性的链路断开，如何在这种情况下实现数据的有效多跳地传输，是一个全新的约束条件；二是如何将ＤＴＮ作为一整套的框架来标准化，像ＩＰ协议～样使深空通信中所有异质和异构的底层网络互连。

５．５传输层问题

传输层不可能由链路层或应用层的功能来代替：一方面，网络协议栈传输层和链路层之间的本质区别是基于包的拥塞和流控制。星际主于网络的拥塞控制问题可能仅是局部的，中间节点（路由器）上缓冲空间占用的持续网络增长，无论如何引起的，不可能靠直接的拥塞控制方法来解决。另一方面，ＤＴＮ中传输层经常和应用层协议相混淆。ＤＴＮ可能需要两种类型的“传输”协议：一种是在高层分级管理ＤＴＮ传输服务，甚至在ＤＴＮ不能有效操作或缺乏时代替ＤＴＮ功能（如ＤＴＴＰ和Ｉ胛一Ｔ）；另一种是处理多跳的端到端传输。ＬＴＰ或ＤＳ—ＩＴ可能是一个自治传输服务的候选协议。深空通信传输层协议需要解决超长距离下拥塞管理和端到端可靠传输两个问题，值得ＤＴＮ研究者的重点关注。

５．６安全性问题

ＤＴＮ体系结构的安全模型与传统的网络安全模型有很大不同。ＤＴＮ安全模型主要由四部分组成：用户、ＤＴＮ路由器、ＤＴＮ区域网关和ＤＴＮ证书认证。ＤＴＮ安全性机制尚未完善并缺乏评估，深空ＤＴＮ安全技术的主要问题有：包裹分段的交互和密码机制的应用受限问题；密钥管理问题；ＤＴＮ中逐跳安全机制问题。

５．７时间同步问题

在地面的许多ＤＴＮ网络中，时间同步问题并不

突出。深空探测中，使用轨道预报信息协助路由计

深空通信DTN应用研究

作者：叶建设， 宋世杰， 沈荣骏， YE Jian-she， SONG Shi-jie， SHEN Rong-jun

作者单位：叶建设,YE Jian-she(装备指挥技术学院,北京,101416;北京跟踪与通信技术研究所,北京,100094)， 宋世杰,SONG Shi-jie(北京跟踪与通信技术研究所,北京,100094)， 沈荣骏

,SHEN Rong-jun(总装备部,北京,100720)

刊名：

宇航学报

英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS

年，卷(期)：2010，31(4)

被引用次数：0次

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