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
浅谈天地一体化信息网络
浅谈天地一体化信息网络作者：薛毅松通信与信息工程学院通信三班 2015010903005摘要：天地一体化网络以其战略性、基础性、带动性和不可替代性的重要意义，成为发达国家国民经济和国家安全的重大基础设施，其所具有的独特位置与地域优势以及特有的信息服务能力，可带动我国新兴产业的发展，形成具有巨大潜力的核心竞争力和民族创造力。
本文着重于大致的介绍天地一体化信息网络的含义与特点、建设天地一体化信息网络的必要性，以及国内外发展现状的对比。
关键字：天地一体化信息网络，卫星1天地一体化信息网络的定义空天地一体化信息网络是由多颗不同轨道上、不同种类、不同性能的卫星形成星座覆盖全球，通过星间、星地链路将地面、海上、空中和深空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合，以IP为信息承载方式，采用智能高速星上处理、交换和路由技术，面向光学、红外多谱段的信息，按照信息资源的最大有效综合利用原则，进行信息准确获取、快速处理和高效传输的一体化高速宽带大容量信息网络，即天基、空基和陆基一体化综合网络。
2 天地一体化信息网络的特点天地一体化网络的目标是对事件进行全面高效协同的处理。
利用多维信息，协同各个工作模块，增强事件的处理能力；结合空、天、地各类网络和系统各自的优势，实现功能互补，扩大可处理事件的范围；利用空、天、地一体化网络综合信息系统强大的机动性能、广泛的覆盖范围、全局的协作能力和对信息的智能处理能力，实现对事件和任务的高效处理。
天地一体化网络，简称一体化网络，是由通信、侦察、导航、气象等多种功能的异构卫星/卫星网络、深空网络、空间飞行器以及地面有线和无线网络设施组成的，通过星间星地链路将地面、海上、空中和深空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合。
地面和卫星之间可以根据应用需求建立星间链路，进行数据交换。
它既可以是现有卫星系统的按需集成，也可以是根据需求进行“一体化”设计的结果，具有多功能融合、组成结构动态可变、运行状态复杂、信息交换处理一体化等功能特点。
DTN发展综述
DTN发展综述一、简介DTN，即时延容忍网络(DelayTolerantNetwork)。
在一些特定的网络环境下会经常出现网络断开的现象,导致报文在传输过程中不能确保端到端的路径，这类网络被称为时延容忍网络，又叫容迟网络。
二、发展背景基于网络延迟很长、周期性连接、经常中断的缺点，1998年，NASA开始了深空网络即IPN的研究，其基本想法是让地球和距离很远的太空船之间的数据通信能够简化到像发生在地球上的两个节点之间一样。
该组人员后来发展成为Internet的IPNSIG工作组，由于没有可以进行试验星际网络，一部分成员开始研究如何将IPN的概念运用到陆地应用中。
为此，IETF成立了新的工作组寻找更通用的延迟容忍网络，这个工作组称为DTNRG，是现在DTN体系结构和协议研究的主要公开组织。
2004年初，DARPA提出了中断容忍网络，也简称为DTN，可以看作同一概念下的另一种叙述。
三、研究发展DTN是一个新兴的研究领域，它是由Kevin等人于2002年提出的一种通用的面向消息的可靠的覆盖层网络体系结构，它是一种位于区域网络(包括因特网)之上的覆盖网络，处理受限网络中频繁网络断开高延迟和异构性等问题。
目前DTN研究的热点包括网络中的机会主义路由、拥塞控制、网络安全等等。
这里分别介绍各热点问题的研究进展状况，并阐述其难点及可以面向的研究热点。
（一）路由技术DTN路由技术是DTN中的关键，路由协议包括三个部分：如何建立网络的拓扑结构、如何维护网络拓扑和路由算法。
在DTN中，网络是时断时续的，即网络的拓扑结构是变化的。
与传统路由相比，DTN路由的主要目的并不是选择最短路径或者最少跳数，而是最大化报文传输的可能性。
目前很多路由协议如TCP/IP是在一些网络前提下提出的，DTN并不符合这些基本假设条件，DTN路由的指的是在DTN层上进行的选路策略，并没有涉及到下层网络。
DTN路由涉及到采用何种路由策略进行选路、路由信息的扩散、组成员管理、报文转发、状态维护和报文重传等等。
天地一体化信息网络协议体系与传输性能简析
天地一体化信息网络协议体系与传输性能简析作者：杨冠男李文峰张兴敢来源：《中兴通讯技术》2016年第04期摘要：对于中国天地一体化信息网络（ISTIN）的构建，针对可能采用的两种网络协议体系，即传输控制协议（TCP）/IP和容迟容断网络（DTN），以3颗地球静止轨道（GEO）卫星组成天基骨干网络为例，分析了3种基本传输场景下的主要挑战，通过计算机半实物仿真开展了协议传输性能的测试。
试验结果表明：尽管DTN协议与TCP-Hybla改进协议能够获得较好的传输性能，由于时延与误码率（BER）等参数存在较大的动态范围，没有一种协议能够在所有传输场景下保持传输性能始终最优。
天地一体化信息网络协议体系的性能仍有待进一步提高。
关键词：ISTIN；协议；传输性能中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2016） 04-0039-007天地一体化信息网络是中国国防信息化和信息化社会建设的重要基础设施。
天地一体化信息网络中的“天”是指由卫星等航天器作为主要节点组成的天基网络，而“地”主要指由地面站网络、卫星应用专网、互联网以及各类地面用户等共同组成的地球表面网络。
通过网络架构与协议体系层面的设计，屏蔽天、地各类系统在技术体制层面的差异，为用户提供跨系统的、无需区分天地的各种服务与应用，实现一体化信息获取、共享与利用是未来天地一体化信息网络发展的主要目标[1]。
根据是否采用星间链路，我们可以将天地一体化信息网络分为：（1）天星地网。
典型系统如国际海事卫星（Inmarsat）的宽带全球网络（BGAN）系统，由3颗Inmarsat IV卫星与地面站网络组成，民用数据业务采用星状拓扑，经过卫星中继落地后通过地面站实现区内数据交换，互联网接入或通过地面站网络实现跨区的数据交换。
BGAN 从2012年开始提供航空宽带卫星业务（SB-Sat），通过原航空宽带网络面向低轨道（LEO）卫星提供近实时的IP业务，速率最高可达475 kbit/s[2]，由此实现了以地面网络为骨干的天空地一体化的网络。
天基传输网络和天地一体化信息网络发展现状与问题思考
天基传输网络和天地一体化信息网络发展现状与问题思考孙晨华【摘要】近年来,太空(或称为天基)和网络空间成为全球新一轮竞争热点.随着我国天地一体化信息网络工程被列为重大专项,行业内对以天基为重点的天地一体化信息网络的关注度达到新高.天基传输网络因其天然的天地一体化特征、信息的承载平台等特征,成为天地一体化信息网络的重要抓手.给出了立足天基传输网络,发展天地一体化信息网络的相关问题和下一步研究重点及建议思路,可为后续研究工作开展提供参考.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2017(047)001【总页数】6页(P1-6)【关键词】天基传输网络;天地一体化信息网络;天基信息网络;天基接入网;天基骨干网【作者】孙晨华【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081【正文语种】中文【中图分类】TN927目前，抢占空天信息竞争制高点、发展相关新兴产业成为发达国家的又一次战略机遇。
我国经济、政治和军事处于复杂国际环境中距世界舞台中心最近时期。
总体上看，天基信息系统建设成就突出，但没有完全摆脱技术追赶和试验应用型发展状态，系统仍立足本土服务，天地融合技术水平、服务能力、产业链发展与发达国家相比差距较大，与国家“一带一路”战略和大国地位不协调。
因此，找准、弥补天基信息系统的薄弱环节，发展天地一体化信息网络，提高天地一体服务能力，实现信息系统伴随“一带一路”走出去战略十分必要[1]。
天地一体化信息网络工程重大专项正是在此背景下提出。
地面信息网络和天基信息网络经过多年发展，从天地一体化角度来看，基础和不足并存。
如何在摸清基础、找准不足的情况下进行天地一体化信息网络创新、优化设计是关键问题。
摸清基础方面，重点对现有天基传输网络的天地一体化特征进行分析理解，对天地一体化信息网络概念内涵及与天基传输网络的关系进行分析理解；找准不足方面，重点是准确地识别尚未突破的关键技术。
1.1 天基传输网络通常想到的天基传输网络是卫星通信网络，广义上，天基传输网络包括卫星通信[2]、卫星中继[3]和遥感类卫星的星-地传输网络[4]。
深空通信DTN应用研究
第31卷第4期2010年4月 宇 航 学 报Journal of AstronauticsV ol.31April N o.42010深空通信DT N 应用研究叶建设1,2,宋世杰2,沈荣骏3(1.装备指挥技术学院,北京101416;2.北京跟踪与通信技术研究所,北京100094;3.总装备部,北京100720) 摘 要:容延迟网络(DT N )体系结构依靠一种新的严格的框架,能够集成深空环境异构网络技术,为解决深空通信面临的许多重要问题提供了有效解决途径。
分析了未来深空通信网络面临的难题;阐述了深空通信网络协议的研究现状;深入剖析了DT N 体系结构,并从研究和项目两个层面详细介绍了深空通信DT N 研究进展;讨论了深空通信中应用DT N 的一些关键技术问题,并分析了DT N 在我国未来深空测控通信的应用前景。
关键词:深空通信;容延迟网络;包裹层协议中图分类号:T N927 文献标识码:A 文章编号:100021328(2010)0420941209DOI :10.3873Πj.issn.100021328.2010.04.001收稿日期:2009209214; 修回日期:2009212211基金项目:国家高技术发展计划(863)项目(2008AA12A204)0 引言深空探测,是人类在卫星应用和载人航天取得重大成就的基础上向更广阔的太阳系空间进行的探索[1]。
深空测控通信技术发展的目标之一是实现太阳系内任何时间、任何地点的连续通信。
深空航天器与地球的通信,与当前我们所熟知的中低轨道航天器的通信链路有很大的不同,主要表现在路径损失和巨大的时延。
深空探测领域的研究者多数是基于通信原理解决路径损失问题,研究并采用了许多有效的方法。
近年来,采用联网结构解决深空通信问题,也越来越受到人们的关注,空间互联网作为未来深空通信的基础,成为解决深空通信大时延问题的主要对策。
美国NAS A/J P L 于1998年起开展“行星际互联网(IPN )”的项目研究[2],主要研究地球以外使用互联网实现端到端通信的方案。
DTN协议在空间信息网络中的应用探究
发展天地一体化空间信息网络现阶段是我国航天事业
2.DNT的主要特点
■■2.1 节点资源有限
布在战场、深空等特殊环境中，因此其节点将会受到重量和 体积两者的双重限制，这也直接导致其在电源以及其它各种 设备的携带受到一定程度限制，同时也限制了其应用效能， 因此在节点的处理上，需要采用一定的策略，达到节省资源 使用量的目的，这也将会对链路性能造成一定影响。 ■■2.2 连接间接性 导致 DTN 网络连接过程中经常出现间接性的原因种类
随着异构性和高延迟等各项问题的发生 。从目前的情况来 看，DTN 研究热点主要集中在机会主义路由、网络安全、 拥塞控制等多个方面。 ■■1.2 相关应用
3.DTN协议体系需求与设计
环境。DTN 对端到端连接和节点资源，有一种限时网络解 决方案，因此在具体应用过程中，可以完成异步效益传递。 随着人们对 DTN 的研究与发展的深入，将会对航天通信、 灾难恢复等不同领域的消息交互提供技术和科学理论支持， 并且可以推动未来网络通信向融合化、智能化等方向发展。
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数字产业
的具体应用情况进行了构想 [4]。其由地面网络、地球空间信 息网络、火星通信卫星、火星探测车四部分共同构成，最终 形成一个闭环传输网络，火星探通信卫星为中继节点，然后 将信息传输给地球空间信息网络，最后转发给地面站。在 整体体系中，控制中心、地球空间信息网络地面站都支持 DTN；而位于地面段的网络则通过 IP 网络实现相应的连接。
非对称数据速率表示输入和输出流量两者的速率存在较
1.DTN发展空间及相关应用
网络，在具体处理过程中，受限网络会频繁断开，并且会伴
空间数据系统咨询委员会的专业领域及其发展综述
空间数据系统咨询委员会的专业领域及其发展综述黄薇;张乐【期刊名称】《国际太空》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】8页(P72-79)【作者】黄薇;张乐【作者单位】北京空间科技信息研究所;北京空间科技信息研究所【正文语种】中文空间数据系统咨询委员会（CCSDS）致力于空间数据系统的标准化，以促进空间机构之间地面与空间资源的共享，降低任务开发与集成成本。
经过30多年的发展，CCSDS已经发展成为该领域事实上的标准化组织，所开发的标准得到广泛认可与应用。
在此，对CCSDS的专业领域以及近期技术发展动态进行介绍与分析。
CCSDS成立于1982年，致力于解决空间数据系统开发与操作过程中的共性问题，通过采用通用功能取代任务专用设计来降低开发费用；促进空间机构之间的互操作和互支持，通过共享设施来降低操作费用。
经过30余年的发展，CCSDS已经有11个正式成员、29个观察员，涵盖了国际上所有重要空间机构。
CCSDS与其他相关国际组织保持着紧密的合作关系。
CCSDS行使国际标准化组织（ISO）下属航空航天标准化技术委员会的第13分技术委员会—空间数据与信息传输系统标准化分技术委员会（ISO/ TC20/SC13）的职能，目前已经有28份CCSDS建议书被直接转换为国际标准化组织标准。
机构间操作指导组（IOAG）在交互支持领域的顶层规划是CCSDS标准化工作的重要指导性输入。
欧洲空间标准化合作组织（ECSS）、美国航空航天学会（AIAA）等国家或区域标准化组织也与CCSDS相互协调，保持相互之间的标准兼容性；AIAA还为CCSDS提供了秘书处支持。
此外，CCSDS还积极关注对象管理组织（OMG）、国际互联网工程任务组（IETF），国际互联网研究任务组（IRTF）的工作成果，积极采纳其开发的商业标准。
目前，CCSDS已经建立了比较完整的标准体系，发布了近90本规范性建议书，涉及空间段及地面段的信息传输、信息接口、信息安全、信息交换和信息处理等。
空间信息网络DTN互联方法研究论文
空间信息网络DTN互联方法研究论文当前通信网络的应用范围飞速扩展，地面有线网、地面无线网、空间卫星网均已成为承载网络，信息在传输过程中可能会经历几种不同的网络环境，端与端之间的通信不再是单一的协议形式．而空间网络通信的主要挑战来自于链路误码率高、传输时延长、上下行带宽不对称、链路可用时间有限、拓扑变化频繁等，此外不同空间位置（远地链路、星间链路、星地链路等）的通信子网也有很大的性能差异［１］，使其难以实现传统地面网络技术所达到的Ｑｏｓ及可靠性要求，要想使其成为未来网络系统的一个重要且可靠的组成部分，则需要针对以上挑战设计有效的协议体系．目前面向空间网络的协议主要分为４类：ＣＣＳ－ＤＳ协议体系［２］、ＴＣＰ／ＩＰ协议体系［３］、ＣＣＳＤＳ与ＴＣＰ／ＩＰ结合的协议体系［４］、ＤＴＮ协议体系．基于ＤＴＮ的协议体系相比其他体系，在空间网络环境下具有更好的性能和可扩展性［５］，被ＣＣＳＤＳ作为空间网络互联的发展方向．随着天地一体化的发展，基于ＤＴＮ的空间网络与基于ＴＣＰ／ＩＰ的地面网络的互联问题亟待解决，本文面向此问题提出ＤＴＮ环境下异构协议网络互联的设计方法，并通过半物理仿真实验对其性能进行分析．１相关工作目前很多针对空间网络异构性的研究面向改进传统的ＴＣＰ／ＩＰ协议［６，７］，使之适应空间通信的特点，但这些工作未实现根本机制的改变，所实现的性能改善程度有限．文献［８－１０］在地面节点上实现了互联卫星网和地面网的功能，但没有考虑到卫星网中的间断连通特性．空间网络的一个根本特点是链路通断切换频繁，必须以ＤＴＮ的角度展开设计，文献［１１］设计了面向ＤＴＮ的协议适配网关，但主要面向各种版本ＴＣＰ协议的兼容．为了促进ＤＴＮ的快速部署以及与传统ＴＣＰ／ＩＰ网络的互联，ＮＡＳＡ提出了ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＤＴＮ方案［１２］．其核心思想是在网络中优先采用ＩＰ技术，只有当数据通过受限网络或者网络出现链路中断时才将ＩＰ包封装到ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ包中，由ＤＴＮ继续完成数据的传输．这种方案的优点是既可以利用ＤＴＮ技术在受限网络环境下保证数据的可靠传输，又不用牺牲ＩＰ技术的高效性和兼容性，但由于将ＩＰ包直接封装到Ｂｕｎｄｌｅ包中，这种方案有较大的开销．本文的异构协议互联方法则采用协议代理方案实现空间节点上的ＤＴＮ网关及协议转换功能．该方案不仅开销小，而且突破了ＤＴＮ网络对传统ＴＣＰ应用的限制．２协议代理方案空间异构协议互联方法在客户端和服务器端使用标准的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，在ＴＣＰ／ＩＰ网络与ＤＴＮ网络的交界处由ＤＴＮ网关实现ＴＣＰ／ＩＰ协议与ＤＴＮ协议间的转换．ＤＴＮ的核心思想是在应用层与下层之间引入“Ｂｕｎｄｌｅ层”作为连接不同网络的覆盖层．Ｂｕｎｄｌｅ层可以通过汇聚层适配器（如ＴＣＰ适配器、ＵＤＰ适配器等）在ＩＰ网络之上传输ＤＴＮ流量，从而实现ＤＴＮ网络与ＴＣＰ／ＩＰ网络的互联．应用层协议需要基于Ｂｕｎｄｌｅ层接口进行重构，但目前传统ＩＰ应用所提供的功能在这种协议体系下还不够成熟．为了实现Ｂｕｎｄｌｅ协议与ＴＣＰ协议（卫星链路对ＴＣＰ／ＩＰ数据传输的影响主要体现在ＴＣＰ协议）的转换，需要定义一个合适的映射协议，解决应用协议负载的传递、地址映射、传输可靠性等问题．以下是协议代理中实现的主要功能：１）ＡＣＫ欺骗：客户端的ＤＴＮ网关会伪装成服务器与客户端建立并维持ＴＣＰ连接．这需要客户端将ＤＴＮ网关设置为代理服务器或者直接将ＤＴＮ网关设置为默认网关．另外还要在ＤＴＮ网关上设置需要代理的协议，并监听相应的ＴＣＰ端口．２）地址映射：ＤＴＮ端点和应用可以用端点号（ＥＩＤ）来标识，本文所使用的ＥＩＤ格式为：应用协议名：／／ＩＰ地址／传输层协议／端口号例如，ＩＰ地址为１９２．１６８．１．１００的客户端的ＨＴＴＰ应用的ＥＩＤ为ＨＴＴＰ：／／１９２．１６８．１．１００／ＴＣＰ／８０．当客户端应用第一次与ＤＴＮ网关建立ＴＣＰ连接时，ＤＴＮ网关按照这一格式自动根据源和目的ＩＰ地址、应用协议名、传输层协议、端口号等信息生成相应的源和目的ＥＩＤ，并且在该ＤＴＮ网关的Ｂｕｎｄｌｅ层中为代理的客户端应用注册ＥＩＤ．而靠近服务器方的ＤＴＮ网关则采用后绑定的方式在Ｂｕｎｄｌｅ层中注册该目的ＥＩＤ，从目的ＥＩＤ中解析出应用协议名、服务器ＩＰ地址、传输层协议和端口等信息，主动与服务器建立连接．３）应用数据的封装和解封装：已经在Ｂｕｎｄｌｅ协议中注册ＥＩＤ的应用可以使用Ｂｕｎｄｌｅ协议提供的服务发送和接收数据．当收到普通应用发过来的数据时，ＴＣＰ代理需要从ＴＣＰ协议中取出应用数据，然后调用Ｂｕｎｄｌｅ协议服务，把应用数据封装成Ｂｕｎｄｌｅ包发送出去．当ＴＣＰ代理收到Ｂｕｎｄｌｅ协议交付的数据时，会从相应的ＴＣＰ连接把应用数据发送出去．此外，在调用Ｂｕｎｄｌｅ协议的服务时，需要提供Ｂｕｎｄｌｅ的处理控制参数，指定Ｂｕｎｄｌｅ所要提供的服务，如是否允许Ｂｕｎｄｌｅ分片、是否需要托管传输、是否需要状态报告等．这些参数需要ＴＣＰ代理根据应用的特点以及预先配置的规则决定．３空间ＤＴＮ转发节点设计ＤＴＮ采用异步通信模式（类似Ｅｍａｉｌ），通过ＤＴＮ路由转发Ｂｕｎｄｌｅ包以实现源节点到目的节点的信息传输．ＤＴＮ的Ｂｕｎｄｌｅ层处于应用层之下，但Ｂｕｎｄｌｅ下层不一定是传输层，也可以是链路层．这种结构可以实现任意下层协议栈网络间的互联．在托管模式下，ＤＴＮ路由通过将交付责任委派给下一个有能力交付的ＤＴＮ路由来确保数据的可靠传输．Ｂｕｎｄｌｅ可以通过状态报告传送数据交付过程中的状态信息，如来自中间路由的转发和托管信号以及来自目的节点的交付信号．ＣＣＳＤＳ针对空间通信的特点提出了一系列链路层协议，在图１所示的空间ＤＴＮ转发系统架构中，采用ＩＰＯＶＥＲＣＣＳＤＳＡＯＳ［１３］作为链路层协议，可用于空对空、空对地和地对空的通信链路中，在ＣＣＳＤＳ链路上实现ＩＰ数据报的携带、建立路由、交换和空间ＩＰ网际元素的管理等，使空间和地面采用一致的网络协议，实现天基网络与地基网络的无缝连接；采用ＳＣＰＳ－ＴＰ［１４］作为传输层协议，与ＴＣＰ协议和ＵＤＰ协议保持良好的兼容和互操作性；在地面站以及星上局域网中则采用标准的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈．ＤＴＮ转发节点的具体设计如图２所示，Ｂｕｎｄｌｅ协议代理包括５个模块：Ｂｕｎｄｌｅ管理、Ｂｕｎｄｌｅ路由、链路管理、汇聚层适配器和邻居发现．其中Ｂｕｎｄｌｅ管理实现了Ｂｕｎｄｌｅ协议的核心功能，包括Ｂｕｎｄｌｅ封装、注册、保管传输、分片与重组、Ｂｕｎｄｌｅ冗余等；考虑到卫星都按规划的轨道运行，星间、星地间的连通性可以推导出来，故Ｂｕｎｄｌｅ路由模块实现了静态路由和接触图路由［１５］；邻居发现模块用于发现周围邻节点；链路管理模块利用邻居发现模块提供的接触信息来管理链路有效性信息；汇聚层适配器利用汇聚层的服务发送和接受Ｂｕｎｄｌｅ包．Ｂｕｎｄｌｅ进程中添加的本地协议代理模块实现了传输层代理的功能，包括ＩＰ过滤、传输层欺骗和自动注册等．使用本地代理前，需要先设置过滤条件，ＤＴＮ转发节点起到网关的作用，会将符合过滤规则的ＩＰ包提交给上层，经过传输层提取出数据，然后交给本地代理，本地代理根据传输层协议以及端口号区分不同应用，自动为它们注册ＥＩＤ．注册成功后，来自Ｉｎｔｅｒｎｅｔ应用的数据会直接交给Ｂｕｎｄｌｅ协议代理，由Ｂｕｎｄｌｅ协议代理对数据进行Ｂｕｎｄｌｅ封装、发起托管传输，当Ｂｕｎｄｌｅ包到达目的端ＤＴＮ网关节点时，本地代理会自动为目的节点应用在目的端ＤＴＮ网关上进行注册，注册成功后，ＤＴＮ网关发起交付规程将数据从Ｂｕｎｄｌｅ包中解封并交付给目的节点．４半物理仿真与验证４．１实验场景设置半物理仿真的目的是用真实的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ应用验证ＤＴＮ互联方法的功能，其实现基于来自ＯＰＮＥＴＭｏｄｅｌｅｒ１４．５的系统在环（ＳｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅＬｏｏｐ，简称ＳＩＴＬ）模块，提供物理网络与ＯＰＮＥＴ仿真网络连接的接口，通过真实数据包与虚拟数据包格式的转换来完成数据包在真实网络与虚拟网络间的流动．图３为半物理仿真场景图，总共使用３台计算机，ＰＣ１和ＰＣ３分别运行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的客户端和服务器，而ＰＣ２运行ＯＰＮＥＴ仿真场景，它具有两个网卡，分别连接到ＰＣ１和ＰＣ３．ＯＰＮＥＴ仿真场景中，两个ＳＩＴＬ模块用于数据的实虚转换，两个ＤＴＮ转发节点用作网关，分别为ＰＣ１和ＰＣ２上的`Ｉｎｔｅｒｎｅｔ应用提供本地代理以及接入ＤＴＮ网络的服务．图４为基于ＯＰＮＥＴ的空间网络域，ｍｅｏ＿ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿４为一颗中轨卫星，ｇｅｏ＿ｓｕｂｎｅｔ＿１为一颗同步卫星，它们的轨道通过ＳＴＫ生成然后导入ＯＰ－ＮＥＴ中，Ｇｒｏｕｄ－ｓａｔ＿ｓｕｂｎｅｔ＿６为地面站，中轨卫星和地面站中分别包含了一个ＳＴＩＬ模块和一个ＤＴＮ网关（Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿１和Ｔｏ＿ｎｏｄｅ＿３为ＳＩＴＬ模块，ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ１和ＤＴＮ＿ｇａｔｅｗａｙ２为星地间综合网关结点），同步卫星中包含一个ＤＴＮ路由节点．以上场景中中轨卫星与地面站是不可见的，需要通过同步卫星进行路由转发．为了模拟节点移动造成的链路中断，采用ＯＰＮＥＴ中的节点失效模型，让同步卫星节点在２０～３０ｓ、４０～５０ｓ、６０～７０ｓ、８０～９０ｓ、１００～１１０ｓ、１２０～１３０ｓ等时间段内失效.４．２基于Ｉｐｅｒｆ的实验结果与分析基于Ｉｐｅｒｆ［１６］展开网络性能测试，客户端向服务器端发送数据流，服务器监听接收来自客户端的数据，统计收包速率、丢包率和延迟抖动．客户端向服务器的ＵＤＰ协议的５００１端口发送数据包，发送速率为１Ｍｂｐｓ／ｓ，ＵＤＰ包大小为１ｋｂｙｔｅ．图５（ａ）为采用ＩＰ互联测试的结果，实线为客户端发送数据，虚线为服务器收到的数据，结果显示在没有端到端连接的这段时间内，客户端发送的数据全部丢失．图５（ｂ）为ＤＴＮ互联方法的测试结果，结果显示虽然没有端到端的连接，数据仍可以通过保管转发，最终交付给服务器．统计结果显示，使用ＩＰ互联方法的丢包率为３３％，使用ＤＴＮ互联方法的丢包率为０．４．３ＶＬＣ视频点播实验结果与分析ＶＬＣ（ＶｉｄｅｏＬＡＮＣｌｉｅｎｔ）是ＶｉｄｅｏＬＡＮ［１７］计划的开源多媒体播放器，它能作为单播或多播的流服务器在ＩＰｖ４或ＩＰｖ６的高速网络连接下使用．客户端向服务器的１０００１端口发送一个视频流．格式为ａｖｉ，分辨率为１１０４×６２２，速率１２１０ｋｂｐｓ．图６（ａ）为使用ＩＰ互联方法传输视频的统计结果，在链路断开时传输的视频流丢失．图６（ｂ）为使用ＤＴＮ互联方法传输视频的统计结果，可以看到在链路重新连接上时，服务器收到的数据远比客户端发送的数据多，这些多出来的数据就是ＤＴＮ互联方法在链路断开时间内所保管的视频流数据．５结语开发具有协议代理功能的空间ＤＴＮ转发节点，实现了其中Ｂｕｎｄｌｅ层的关键功能，能实现ＣＣＳ－ＤＳ协议体系、ＴＣＰ／ＩＰ协议体系、ＤＴＮ协议体系的功能一体化．设计半物理仿真环境模拟异构协议空间通信场景，在其中对比了采用传统ＩＰ互联方法和本文的ＤＴＮ互联方法进行ＵＤＰ数据流和视频流业务传输的性能，结果体现了ＤＴＮ互联方法在数据保管能力上的优越性．。
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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]。