（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

延遲／中斷容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay／Disruption Tolerant Network，DTN）最初起源于1998年美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）對行星際因特網(wǎng)（Interplanetary Internet，IPN）的研究。NASA 希望將地面因特網(wǎng)擴(kuò)展到整個(gè)太陽系，從而為散布在太陽系中的航天器和探索其他行星的機(jī)器人提供像地面因特網(wǎng)一樣的通信服務(wù)［1］。

地面因特網(wǎng)協(xié)議一般假定數(shù)據(jù)源和目的之間存在端到端路徑，節(jié)點(diǎn)之間時(shí)延不會(huì)太長且網(wǎng)絡(luò)丟包率較小。IPN 具有不同于傳統(tǒng)地面因特網(wǎng)的特點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)之間的傳播延時(shí)會(huì)非常大，節(jié)點(diǎn)之間往往由于天體遮擋而無法實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的連接，通信鏈路誤碼率高且鏈路帶寬不對稱等。IPN 研究小組最后得出以下結(jié)論：地面因特網(wǎng)不適合IPN，應(yīng)開發(fā)一種新的DTN 體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)最終IPN 的建立［2］。后來，IPN 研究小組發(fā)展成IPN 特別興趣小組（IPN Special Interest Group，IPNSIG）。由于IPN 的理念同樣適用于一些地面網(wǎng)絡(luò)，因特網(wǎng)研究任務(wù)組（Internet Research Task Force，IRTF）成立了一個(gè)新的工作組來研究更通用的DTN，即DTN研究小組（DTN Research Group，DTNRG），該小組是目前DTN 體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的主要公開組織［3］。2004年，美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）提出中斷容忍網(wǎng)絡(luò)（Disruption Tolerant Networking，也稱為DTN），希望同一個(gè)體系結(jié)構(gòu)或協(xié)議能夠同時(shí)支持延遲和中斷這兩種情況。

DTN 是實(shí)現(xiàn)IPN 的一種重要技術(shù)途徑，NASA啟動(dòng)了多項(xiàng)旨在提高DTN 技術(shù)成熟度的飛行驗(yàn)證計(jì)劃，以期將DTN 技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的太空飛行任務(wù)中，最終實(shí)現(xiàn)IPN 的建立。我國早在20世紀(jì)末就有科研院校提出了建立天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)想，并通過專項(xiàng)研究取得了顯著成果［4］。本文首先對DTN 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、路由算法和軟件實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，總結(jié)了NASA 的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)的技術(shù)特點(diǎn)，針對我國天基綜合信息網(wǎng)建設(shè)的需求，提出了DTN 研究應(yīng)關(guān)注的問題。

2 DTN 關(guān)鍵技術(shù)

在研究IPN 時(shí)研究者發(fā)現(xiàn)，沒有一種現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能在IPN 的所有路徑上獲得很好的性能，而且沒有一種應(yīng)用層下面的端到端協(xié)議適合IPN 應(yīng)用場景的端到端應(yīng)用［2］。因此，研究者提出了一種新的稱為DTN 的端到端的覆蓋層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，將不同的間斷網(wǎng)絡(luò)互連起來，形成一個(gè)間斷網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)［5-6］。

2.1 DTN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

2.1.1 束協(xié)議

束協(xié)議（Bundle Protocol，BP）運(yùn)行于不同種類的底層協(xié)議之上，形成一個(gè)覆蓋層，稱為“束層”（Bundle Layer）［7］。束協(xié)議是DTN 體系結(jié)構(gòu)中覆蓋層網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)實(shí)際例子，既可以運(yùn)行在當(dāng)前的因特網(wǎng)上，也可以運(yùn)行在深空通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等其他苛刻的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。束層和不同網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議互相配合，從而使不同的網(wǎng)絡(luò)互連起來，而不同網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議可以采用本網(wǎng)絡(luò)最適合的協(xié)議，因此，束協(xié)議可以看作是一個(gè)覆蓋層網(wǎng)絡(luò)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。圖1顯示了束協(xié)議在因特網(wǎng)模型中的位置，其中有3個(gè)不同的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，分別用T1／N1，T2／N2，T3／N3表示［8］。

圖1 束協(xié)議在因特網(wǎng)模型中的位置Fig.1 Position of bundle protocol in Internet model

束協(xié)議的主要功能有：①基于保管方式的重傳；②可以處理間斷的連接；③除持續(xù)性的連接，還能夠利用可以預(yù)測的連接和機(jī)會(huì)連接；④通過覆蓋層網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)地址進(jìn)行后綁定（Late-binding），形成網(wǎng)絡(luò)地址?；诒９芊绞降闹貍魇鞘鴧f(xié)議非常重要的一個(gè)策略，數(shù)據(jù)段的可靠傳輸會(huì)隨著數(shù)據(jù)段在網(wǎng)絡(luò)中每一跳的前進(jìn)而向前推移，這樣數(shù)據(jù)段的可靠傳輸從傳統(tǒng)的基于端到端轉(zhuǎn)變?yōu)榛谔教?，從而更適合在高時(shí)延和鏈路中斷情況下的可靠傳輸。

束協(xié)議詳細(xì)的基本術(shù)語、格式和處理過程等由RFC5050定義［8］。它構(gòu)造了一個(gè)存儲-轉(zhuǎn)發(fā)的覆蓋網(wǎng)，并需要一個(gè)“匯聚層適配器”完成與底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的交互，實(shí)現(xiàn)束的發(fā)送和接收。

2.1.2 利克里德傳輸協(xié)議

利克里德傳輸協(xié)議（Licklider Transmission Protocol，LTP）是為了紀(jì)念美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家J.C.R.Lichlider而命名的，它能在鏈路具有長延時(shí)、間歇性連接的情況下，提供遠(yuǎn)距離的、基于重傳的可靠連接［9-10］。深空探測任務(wù)中的通信就是這種環(huán)境里的一個(gè)非常典型的例子，深空通信鏈路的延時(shí)非常長，而且有時(shí)會(huì)被其他天體遮擋或者受到地球站調(diào)度的限制而發(fā)生鏈路中斷。LTP 采用凍結(jié)定時(shí)器的方式處理間歇性連接的鏈路，而傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）的“兩分鐘超時(shí)”機(jī)制會(huì)導(dǎo)致TCP連接斷開。同時(shí)，由于在深空通信中的通信機(jī)會(huì)非常少且往返延時(shí)非常長，因此LTP中并沒有采用傳統(tǒng)TCP 的“三次握手”機(jī)制、“擁塞窗口協(xié)商”機(jī)制和慢啟動(dòng)過程，從而提高了鏈路的利用率。同時(shí)，LTP提供了兩種數(shù)據(jù)塊（可靠部分和非可靠部分）的傳輸機(jī)制，因此能夠同時(shí)提供類似TCP的可靠傳輸和類似用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）的非可靠傳輸。LTP通過選擇性的應(yīng)答（Selective Acknowledgement）機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

LTP是一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議，不必考慮路由和擁塞控制的問題。它也能夠支持束協(xié)議，所以可配置成BP／LTP的協(xié)議結(jié)構(gòu)。

2.1.3 CCSDS文件傳輸協(xié)議

CCSDS文件傳輸協(xié)議（CCSDS File Delivery Protocol，CFDP）是一個(gè)面向傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議，能夠靈活、高效地運(yùn)行于近地軌道到行星際空間具有不同傳輸延時(shí)的通信鏈路［11］。CFDP 不僅能夠適應(yīng)單工、半雙工和全雙工通信鏈路，還能夠支持跨越多個(gè)地面站連接機(jī)會(huì)的傳輸。它既能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，也能通過自動(dòng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)完成從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的多跳傳輸；通過采用否定應(yīng)答（Negative Acknowledgement，NAK）的方式提供可靠的傳輸，應(yīng)答方式根據(jù)NAK 信號發(fā)送時(shí)間的不同又可分為延遲NAK、立即NAK、提示NAK 和異步NAK。

在工程應(yīng)用方面，2004年發(fā)射的“信使”（Messenger）水星探測器是首個(gè)使用CFDP 的深空探測任務(wù)，其地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完整的CFDP，而考慮到探測器的處理和存儲約束，只是實(shí)現(xiàn)了CFDP 的核心功能和文件下載功能［12］。2005年發(fā)射成功的“深度撞擊”（Deep Impact）彗星探測器，也采用了CFDP作為文件傳輸協(xié)議［13］。

2.1.4 Saratoga協(xié)議

Saratoga協(xié)議是一個(gè)可提供點(diǎn)到點(diǎn)文件傳輸服務(wù)的輕量級協(xié)議，能夠工作于間歇性連接鏈路和極不對稱鏈路情況下［14］。與CFDP相比，Saratoga協(xié)議具有更小的代碼空間和更小的處理開銷。在專用鏈路下，Saratoga協(xié)議通過提高鏈路利用率來充分利用有限的連接時(shí)間。同時(shí)，它采用選擇性的否定應(yīng)答（Selective NAK）自動(dòng)重傳機(jī)制來提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為DTN 的匯聚層協(xié)議來支持束協(xié)議［15］。

在工程應(yīng)用方面，Saratoga協(xié)議從2004年開始就已經(jīng)用于“災(zāi)害監(jiān)測星座”（DMC）遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)下傳中。DMC遙感衛(wèi)星每次和地面站的連接時(shí)間僅有8～12min，其下行速率為8.1 Mbit／s，上行速率為9.6kbit／s，上下行鏈路通信速率極為不對稱，而Saratoga協(xié)議能夠在這類通信鏈路上達(dá)到非常高的鏈路利用率［14］。

2.2 DTN 路由算法

文獻(xiàn)［16］首先提出了DTN 的路由問題，并提出了知識庫（Knowledge Oracle）的概念，同時(shí)，根據(jù)利用知識庫的多少，提出了不同的路由算法。關(guān)于地面DTN 的路由算法已有多篇綜述文章［17-18］，本文主要介紹應(yīng)用于航天任務(wù)的DTN 路由算法。

由于航天器和天體之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是確定的，因此針對航天任務(wù)的DTN 路由算法與傳統(tǒng)的基于預(yù)測的地面DTN 路由算法具有本質(zhì)的不同。NASA 專門針對IPN 提出了連接圖路由（Contact Graph Routing，CGR）算法［19］。在CGR 算法中，假定鏈路的連接機(jī)會(huì)是計(jì)劃好或者規(guī)劃好的，而不是預(yù)測或發(fā)現(xiàn)的。CGR 算法依賴于連接計(jì)劃（Contact Plan）生成網(wǎng)絡(luò)的連接圖，連接計(jì)劃包括連接消息和距離消息兩類。每條連接消息包含連接的起始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻、發(fā)送節(jié)點(diǎn)號、接收節(jié)點(diǎn)號和在該時(shí)段內(nèi)的通信速率；每條距離消息包含連接的起始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻、發(fā)送節(jié)點(diǎn)號、接收節(jié)點(diǎn)號和在該時(shí)段內(nèi)預(yù)測的通信距離。在每個(gè)本地節(jié)點(diǎn)，CGR 算法利用一種稱為連接檢查過程（Contact Review Procedure，CRP）的算法在連接圖的基礎(chǔ)上計(jì)算束可以轉(zhuǎn)發(fā)的鄰居節(jié)點(diǎn)，并通過一定的策略選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。在下一跳節(jié)點(diǎn)，CGR 算法會(huì)執(zhí)行相同的處理過程來計(jì)算可轉(zhuǎn)發(fā)的鄰居節(jié)點(diǎn)，因此是一種分布式路由算法。圖2為CGR 算法的處理流程。

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)完整的連接計(jì)劃建立自己的連接圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算束的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。CGR 算法定義結(jié)構(gòu)良好的路徑是指一個(gè)連接序列，該連接序列滿足第一個(gè)連接是從源節(jié)點(diǎn)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)，接下來的每個(gè)連接都從上一個(gè)連接的接收節(jié)點(diǎn)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后一個(gè)連接從某個(gè)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)，且此路徑?jīng)]有環(huán)路。一條路徑的最早失效（Earliest Forfeit）時(shí)間定義為該條路徑中所有連接機(jī)會(huì)的最早結(jié)束時(shí)間。

圖2 CGR 算法的處理流程Fig.2 Process flow of CGR algorithm

CGR 算法給出了一個(gè)啟發(fā)式的路由算法，通過遞歸的調(diào)用連接檢查過程來實(shí)現(xiàn)路徑的計(jì)算。其最終的結(jié)果是得到可以轉(zhuǎn)發(fā)該束的鄰居節(jié)點(diǎn)集合，然后選擇相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)完成轉(zhuǎn)發(fā)。CGR 算法根據(jù)當(dāng)前的連接關(guān)系為每一個(gè)到達(dá)的束計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并通過預(yù)測鏈路容量的消耗來避免擁塞的發(fā)生。該算法能夠區(qū)分關(guān)鍵束和非關(guān)鍵束，會(huì)將關(guān)鍵束發(fā)送到所有可轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點(diǎn)，將非關(guān)鍵束只發(fā)送到某個(gè)最優(yōu)的可轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點(diǎn)。

對于最優(yōu)路徑的選擇，CGR 算法提供了幾種不同的標(biāo)準(zhǔn)。在地球軌道航天器網(wǎng)絡(luò)中，CGR 算法根據(jù)最早到達(dá)（Earliest Delivery）標(biāo)準(zhǔn)來選擇路徑；而在深空探測任務(wù)中，由于通信連接非常少，為盡量高效地利用鏈路連接機(jī)會(huì)，提高鏈路利用率，根據(jù)最早失效標(biāo)準(zhǔn)來選擇路徑。在進(jìn)行“深度撞擊”網(wǎng)絡(luò)（Deep Impact Network，DINET）試驗(yàn)時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)，由于最早失效標(biāo)準(zhǔn)并非單調(diào)的，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拢钤缡窂綍?huì)產(chǎn)生路由環(huán)路，因此在DINET 試驗(yàn)中采用了最早到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)［20］。

文獻(xiàn)［21］提出了CGR-擴(kuò)展塊（CGR-Extension Block，CGR-EB）路由，利用在擴(kuò)展塊中記錄路徑的方式避免最早失效路徑的路由環(huán)路問題。CGR-EB采用一種類似源路由的方式，在源節(jié)點(diǎn)計(jì)算路徑并記錄該完整路徑，中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)會(huì)初步地檢查該路徑的下一跳，如果與原來計(jì)算的路徑差別較大，會(huì)重新計(jì)算完整路徑，否則，繼續(xù)使用原來計(jì)算的路徑。CGR-EB不僅能夠使用鏈路利用率作為路徑代價(jià)，還能夠減少路由計(jì)算的次數(shù)。

2.3 DTN 軟件的實(shí)現(xiàn)

DTN 研究小組負(fù)責(zé)維護(hù)DTN 在各種應(yīng)用環(huán)境下的軟件代碼，并在其網(wǎng)站上對外公布。目前，主要有應(yīng)用于地面DTN 節(jié)點(diǎn)的DTN2和應(yīng)用于航天器等嵌入式系統(tǒng)的行星際覆蓋網(wǎng)絡(luò)（Interplanetary Overlay Network，ION）。ION 軟件實(shí)現(xiàn)了束協(xié)議、LTP協(xié)議、CFDP協(xié)議和異步消息服務(wù)等，所有的代碼都用C語言編寫，目前支持各種Linux、FreeBSD和Solaris平臺，也支持VxWorks和RTEMS操作系統(tǒng)。

3 DTN 在IPN 中的應(yīng)用

DTN能夠解決不同間斷網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問題，因此NASA啟動(dòng)了一個(gè)太空DTN 發(fā)展計(jì)劃，以提高DTN技術(shù)應(yīng)用于各種航天任務(wù)的技術(shù)成熟度，最終實(shí)現(xiàn)IPN 的建 立［22］。圖3為NASA 已 開 展 的DTN 飛 行驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖3 NASA 已開展的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.3 DTN flight validation experiments conducted by NASA

3.1 “災(zāi)害監(jiān)測星座”試驗(yàn)

2008年1月，NASA 格林研究中心（GRC）在“災(zāi)害監(jiān)測星座”（DMC）的UK-DMC衛(wèi)星上第1次在軌測試了DTN 的性能［23］。衛(wèi)星與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸采用了IP 技術(shù)，并采用Saratoga協(xié)議下傳成像數(shù)據(jù)。由于代碼空間受限，UK-DMC衛(wèi)星上只實(shí)現(xiàn)了DTN 的束轉(zhuǎn)發(fā)部分。試驗(yàn)利用UK-DMC衛(wèi)星的3次經(jīng)過地面站的機(jī)會(huì)，測試了DTN 的分段、保管轉(zhuǎn)發(fā)和可靠性等特性。由于操作系統(tǒng)命名長度的限制，分段測試中的第2個(gè)段沒有生成成功。不過，整個(gè)試驗(yàn)在測試DTN 本身的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能上是成功的，而且可以使用Saratoga協(xié)議和束協(xié)議實(shí)現(xiàn)DTN 束的轉(zhuǎn)發(fā)。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，DTN 未處理可靠性的問題，沒有采用校驗(yàn)和技術(shù)來支持錯(cuò)誤檢測和丟棄出錯(cuò)的束；時(shí)間同步對DTN 很關(guān)鍵，而DTN 的節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)間同步并不容易。如果節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間失步，節(jié)點(diǎn)將會(huì)拒絕其他節(jié)點(diǎn)的束，也會(huì)拒絕其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)間請求束。

3.2 “深度撞擊”網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)

2008年10月和11月，NASA 的JPL在“深度撞擊”彗星探測器上測試了DTN 的一些必要的功能，即進(jìn)行了“深度撞擊”網(wǎng)絡(luò)（DINET）試驗(yàn)，這是IPN 的第一個(gè)實(shí)例［24］。研究人員將DTN 軟件成功加載到“深度撞擊”探測器上，并在備用計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)DTN軟件，該軟件采用ION 代碼實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，“深度撞擊”探測器大約距離地球49～81光秒，共利用8次與深空網(wǎng)（Deep Space Network，DSN）的低速率連接機(jī)會(huì)。試驗(yàn)中，研究人員從地球上的JPL節(jié)點(diǎn)向“深度撞擊”探測器發(fā)送約300幅圖像，探測器自動(dòng)將這些圖像轉(zhuǎn)發(fā)到其他的JPL 節(jié)點(diǎn)。在27天的試驗(yàn)過程中，研究人員測試了DTN 中束的生成、發(fā)送、動(dòng)態(tài)路由計(jì)算、擁塞控制、保管傳輸和自動(dòng)重傳等功能。所有發(fā)送出去的束，都自動(dòng)地經(jīng)過“深度撞擊”探測器的轉(zhuǎn)發(fā)，被正確地接收。

圖4為DINET試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，試驗(yàn)?zāi)M了火星探測任務(wù)情景中的中轉(zhuǎn)機(jī)制，通過地面節(jié)點(diǎn)模擬火星著陸器和火星巡視器，通過“深度撞擊”探測器模擬中繼數(shù)據(jù)的軌道器，地球作為地面接收節(jié)點(diǎn)。

圖4 DINET 試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Network topology of DINET experiment

經(jīng)過DINET 試驗(yàn)后，JPL 實(shí)現(xiàn) 的DTN 技術(shù)成熟度水平（Technology Readiness Level，TRL）達(dá)到了8級（試驗(yàn)階段的最高等級），后續(xù)的實(shí)際飛行任務(wù)可以較低風(fēng)險(xiǎn)的使用DINET 軟件［25］。DINET飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了DTN 可以在延時(shí)非常長的鏈路條件下正常工作，路徑利用率可以超過90%，且能夠通過自動(dòng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制處理鏈路中斷的情況［24］。

3.3 “國際空間站”商業(yè)通用生物處理設(shè)備試驗(yàn)

2009年1月，科羅拉多大學(xué)與NASA合作，在“國際空間站”的5號商業(yè)通用生物處理設(shè)備（Commercial Generic Bioprocessing Apparatus，CGBA5）上進(jìn)行了DTN 的試驗(yàn)［26］。CGBA5是一個(gè)用于生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境控制容器，提供了一個(gè)嵌入式的計(jì)算和通信平臺。它的下行鏈路可以支持400kbit／s，上行鏈路需要和其他空間站上的載荷共享帶寬，每5s只能發(fā)送一個(gè)束（90byte），因此下行鏈路是上行鏈路的2800倍，形成了一種極為不對稱的鏈路，這對束協(xié)議反向信道中保管信令的傳輸是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。研究人員設(shè)計(jì)了一種束協(xié)議信令壓縮機(jī)制，使一個(gè)保管信令可以應(yīng)答多個(gè)束，從而使束協(xié)議能夠成功運(yùn)行在這種極不對稱鏈路上。

科羅拉多大學(xué)計(jì)劃將CGBA5上的DTN 繼續(xù)擴(kuò)展到CGBA4上，將DTN 擴(kuò)展為2個(gè)太空節(jié)點(diǎn)，從而可以繼續(xù)對DTN 的路由問題展開研究。另外，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）也計(jì)劃與NASA 和科羅拉多大學(xué)合作，在東京附近的筑波任務(wù)運(yùn)行中心布置一個(gè)DTN 節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)與CGBA5科學(xué)載荷的通信［26］。

3.4 “跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”試驗(yàn)

NASA 戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）針對“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（TDRSS）進(jìn)行了DTN 協(xié)議測試，旨在探索束協(xié)議和IP協(xié)議在非對稱鏈路和單向鏈路情況下的性能［27］，因?yàn)榉菍ΨQ鏈路和單向鏈路是地球科學(xué)任務(wù)和低軌任務(wù)通信鏈路的典型特點(diǎn)。試驗(yàn)中，地球科學(xué)任務(wù)航天器通過“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”的東星向任務(wù)運(yùn)行中心（MOC）發(fā)送一個(gè)1.6Mbyte的文件，通信鏈路帶寬為128kbit／s。文件通過東星的非對稱鏈路進(jìn)行傳輸，非對稱鏈路有一段時(shí)間是單向鏈路，從而可以測試DTN 在非對稱鏈路和單向鏈路上的性能。圖5為該試驗(yàn)的系統(tǒng)概覽和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概覽。航天器和任務(wù)運(yùn)行中心采用CFDP類別1作為文件傳輸協(xié)議，由于LTP已經(jīng)提供了可靠的傳輸服務(wù)，采用CFDP類別2和LTP會(huì)造成冗余。東星與航天器和白沙地面站之間采用高級在軌系統(tǒng)（AOS）作為鏈路層協(xié)議，而白沙地面站和任務(wù)運(yùn)行中心則采用以太網(wǎng)（Ethernet）作為鏈路層協(xié)議。

圖5 “跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”試驗(yàn)的系統(tǒng)概覽和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概覽Fig.5 System overview and protocol overview of TDRSS experiment

3.5 地球觀測-1試驗(yàn)

2010年12月-2011年2月，NASA 戈達(dá)德航天飛行中心成功利用地球觀測-1（EO-1）衛(wèi)星展示了一個(gè)在軌DTN 節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證DTN 技術(shù)能否用于“地球觀測”衛(wèi)星和其他低軌航天任務(wù)［27］。整個(gè)試驗(yàn)分為3 個(gè)階段，共利用14 次通信機(jī)會(huì)。階段1中主要驗(yàn)證了DTN 基本的束發(fā)送和接收功能，包括地球觀測-1 和任務(wù)運(yùn)行中心（MOC）2 個(gè)節(jié)點(diǎn)。階段2 增加了科學(xué)運(yùn)行中心（SOC）節(jié)點(diǎn)，從而組成了包括3個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，并驗(yàn)證了DTN 的自動(dòng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)和優(yōu)先級機(jī)制。階段3增加了瓦勒普斯地面站（Wallops Ground Station，WGS）作為一個(gè)DTN 節(jié)點(diǎn)，從而組成了一個(gè)四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置如圖6所示。

所有的DTN 節(jié)點(diǎn)都使用了束協(xié)議，但不同的鏈路采用了不同的傳輸協(xié)議。對于在地球觀測-1和任務(wù)運(yùn)行中心之間的天地鏈路，使用LTP提供可靠的傳輸服務(wù)，鏈路層則使用了AOS協(xié)議，LTP段的大小被設(shè)置為正好可以放入AOS幀內(nèi)。在上行鏈路中，LTP段被放入CCSDS遙控包的數(shù)據(jù)域中進(jìn)行傳輸。在階段2和階段3的試驗(yàn)中，所有的地面節(jié)點(diǎn)之間均采用TCP作為傳輸層協(xié)議，以提供節(jié)點(diǎn)之間的可靠傳輸服務(wù)。地球觀測-1 試驗(yàn)中采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如圖7所示。

圖6 地球觀測-1試驗(yàn)中的網(wǎng)絡(luò)配置Fig.6 Network configuration of EO-1experiment

圖7 地球觀測-1試驗(yàn)中采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議Fig.7 Network protocol of EO-1experiment

3.6 “太空因特網(wǎng)路由器”試驗(yàn)

“太空因特網(wǎng)路由器”（Internet Router in Space，IRIS）試驗(yàn)是由NASA 戈達(dá)德航天飛行中心發(fā)起的一項(xiàng)協(xié)同傳感網(wǎng)（Sensor Web）演示試驗(yàn)，旨在展示聯(lián)網(wǎng)之后快速的事件響應(yīng)和自動(dòng)的信息分發(fā)對協(xié)同傳感網(wǎng)帶來的性能提升［27］。協(xié)同傳感網(wǎng)是NASA構(gòu)想的一個(gè)包括從地球亞表面到地球軌道及深空的各種傳感器組成的智能觀測網(wǎng)絡(luò)，可以提供及時(shí)、按需的數(shù)據(jù)和分析，從而為科學(xué)探索、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然災(zāi)害緩解和探索其他行星提供必要的信息。隨著協(xié)同傳感網(wǎng)的擴(kuò)展，傳統(tǒng)的手工配置方式將使運(yùn)行成本增加，甚至變得不可行，而采用DTN 技術(shù)的自動(dòng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和路由機(jī)制，可以大大縮短系統(tǒng)的響應(yīng)延遲。

圖8為整個(gè)演示試驗(yàn)的系統(tǒng)概覽和協(xié)議棧概覽，數(shù)據(jù)流的方向?yàn)閺挠业阶?，模擬了一個(gè)地球科學(xué)任務(wù)航天器將包含數(shù)據(jù)的束，如事件預(yù)警信息，發(fā)送到現(xiàn)場的傳感器，以進(jìn)一步觀測航天器發(fā)現(xiàn)的敏感事件。航天器首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到任務(wù)運(yùn)行中心和科學(xué)合作中心（SCC），科學(xué)合作中心再通過國際通信衛(wèi)星-14（Intelsat-14）上的“太空因特網(wǎng)路由器”轉(zhuǎn)發(fā)到傳感器任務(wù)運(yùn)行中心（Sensor MOC），傳感器任務(wù)運(yùn)行中心通過各種傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的傳感器，以實(shí)現(xiàn)事件的進(jìn)一步觀測。傳感器主要包括谷歌手機(jī)、攝像頭和天氣傳感器，各種傳感器獲取必要的信息后，把信息回傳給科學(xué)合作中心，通過綜合利用航天器的信息和現(xiàn)場傳感器的信息，可以實(shí)現(xiàn)更加全面的事件觀測。傳感器的信息也可以發(fā)回航天器，以便航天器開展進(jìn)一步的觀測。

圖8 “太空因特網(wǎng)路由器”試驗(yàn)的系統(tǒng)概覽和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概覽Fig.8 System overview and network protocol overview of IRIS experiment

整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)議棧根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境采用不同的協(xié)議，以更好地適應(yīng)本地的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。例如：航天器和任務(wù)運(yùn)行中心的鏈路層采用AOS 協(xié)議，傳輸層采用LTP，而“太空因特網(wǎng)路由器”的底層協(xié)議采用了DVB-S2協(xié)議，傳感器運(yùn)行中心與各種傳感器之間的底層協(xié)議則采用了IEEE 802.11、以太網(wǎng)和串行接口。

在整個(gè)通信過程中，人為地加入了一些鏈路中斷情況。例如：航天器和任務(wù)運(yùn)行中心的鏈路設(shè)置為連通5min，中斷5min，再連通10min；“太空因特網(wǎng)路由器”的鏈路也人為中斷了2次。試驗(yàn)表明，DTN 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)而無需人工配置，從而可以提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.7 “國際空間站”控制樂高機(jī)器人試驗(yàn)

2012年11月，NASA 和歐洲航天局（ESA）使用IPN 的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，從“國際空間站”成功實(shí)現(xiàn)了對ESA 達(dá)姆施塔特運(yùn)行中心的樂高（Lego）機(jī)器人的控制［28］。這項(xiàng)試驗(yàn)使用了NASA 的DTN 發(fā)送消息，模擬行星軌道飛行器上的航天員控制行星表面機(jī)器人的情景。航天員使用NASA 開發(fā)的筆記本通過DTN 實(shí)現(xiàn)對地面樂高機(jī)器人的控制。試驗(yàn)中的DTN 將可用于火星軌道器上的航天員控制火星表面上的機(jī)器人，也可以利用圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星當(dāng)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)站。

3.8 總結(jié)

表1給出了NASA 開展的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)的研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域。可以看出，這些飛行驗(yàn)證試驗(yàn)由多家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)參與，應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了遙感、空間站、中繼通信和深空探測等。雖然DTN最初起源于深空探測任務(wù)需要的IPN，但從NASA開展的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)來看，DTN 也可以應(yīng)用于地球科學(xué)任務(wù)。

表1 NASA開展的DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)的研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域Table 1 Research institutes and application fields of DTN flight validation experiments conducted by NASA

DTN 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)探索了DTN 運(yùn)行過程中可能會(huì)遇到的問題，對DTN 技術(shù)的自動(dòng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、路由算法和軟件實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)也進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，DTN 能夠正常運(yùn)行在長延時(shí)和有中斷情況的鏈路上，也能夠運(yùn)行在非對稱鏈路和單向鏈路上，從而為DTN 最終實(shí)現(xiàn)在IPN 的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4 啟示與建議

DTN 最初起源于NASA 對IPN 的研究，而繁榮于地面DTN 的廣泛應(yīng)用，地面DTN 的深入研究又會(huì)促進(jìn)IPN 的發(fā)展。從最初提出IPN 的設(shè)想到現(xiàn)在已經(jīng)過去了十多年，NASA 正在一步步地實(shí)現(xiàn)IPN 的設(shè)想。

我國早在20世紀(jì)末就提出了天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)想，DTN 技術(shù)為我國建立天基綜合信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)天地一體化的信息網(wǎng)絡(luò)提供了一種重要的技術(shù)途徑。針對我國未來天基綜合信息網(wǎng)建設(shè)的需求，應(yīng)在以下幾方面對DTN 技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1）體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

天基綜合信息網(wǎng)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，首先要在體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，以指導(dǎo)天基綜合信息網(wǎng)的建設(shè)實(shí)施。建議在地面采用基于IP 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，天基采用基于CCSDS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；采用基于束協(xié)議的覆蓋層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為天地一體化的信息網(wǎng)絡(luò)。這種體系結(jié)構(gòu)既能夠利用現(xiàn)有基于TCP／IP 的地面網(wǎng)絡(luò)的成熟技術(shù)，又能利用現(xiàn)有CCSDS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在我國航天任務(wù)中應(yīng)用的成熟技術(shù)。NASA 已開展的在軌飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，均采用了類似的體系結(jié)構(gòu)。

2）各種匯聚層協(xié)議在不同鏈路情景下的性能

LTP、CFDP 和Saratoga 協(xié)議均可作為DTN的匯聚層協(xié)議，提供可靠的傳輸服務(wù)。但是，由于不同協(xié)議是針對不同的應(yīng)用情景提出的，如LTP專門針對長延時(shí)鏈路，而Saratoga協(xié)議的資源消耗特別少，因此，在確定具體采用哪種匯聚層協(xié)議之前，還要針對不同的鏈路情景對各種匯聚層協(xié)議進(jìn)行詳盡的性能測試。例如，對于延時(shí)長短不同、誤碼率不同的鏈路，以及不對稱程度不同的鏈路，各種匯聚層協(xié)議的性能如何，還要進(jìn)行深入的研究。

匯聚層協(xié)議的最終選取，應(yīng)是針對不同的鏈路情景選用不同的、最優(yōu)的協(xié)議。對于近地鏈路和深空鏈路的匯聚層協(xié)議，應(yīng)是兩種分別針對各自鏈路特點(diǎn)經(jīng)過優(yōu)化的匯聚層協(xié)議，而地面網(wǎng)絡(luò)可以采用基于TCP的匯聚層協(xié)議?；谑鴧f(xié)議的覆蓋層協(xié)議，使采用不同匯聚層協(xié)議的底層網(wǎng)絡(luò)能夠互聯(lián)起來，類似于地面IP協(xié)議將采用不同鏈路層協(xié)議的底層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來。

3）DTN 路由算法

NASA 目前開展的在軌飛行驗(yàn)證試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一般不大，參與節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，拓?fù)湎鄬唵?，對于連接圖路由算法的測試還不夠充分。我國未來的天基綜合信息網(wǎng)，將包括各種遙感、通信等在軌應(yīng)用衛(wèi)星和載人飛船、空間站等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，DTN路由算法能否在如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎抡９ぷ?，還要進(jìn)行深入的研究。同時(shí)，未來的天基綜合信息網(wǎng)對服務(wù)質(zhì)量（QoS）也提出了很高的要求，如某些預(yù)警信息要可靠、及時(shí)地分發(fā)到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，某些獲取的數(shù)據(jù)要盡可能多地下傳到地面等，DTN 路由算法能否滿足這些服務(wù)質(zhì)量要求，也是一個(gè)值得研究的問題。

4）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在天基綜合信息網(wǎng)中，某些航天器將不可避免地成為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)要支持較為復(fù)雜、完備的協(xié)議體系，提供較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信息處理能力和存儲能力，這要求星上數(shù)據(jù)系統(tǒng)要具備更高的性能。在目前國內(nèi)航天電子器件水平條件下，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理更復(fù)雜的功能和更高的性能，并保證絕對的可靠性，是對現(xiàn)有航天器數(shù)據(jù)管理和綜合電子技術(shù)的新挑戰(zhàn)，要在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法方面進(jìn)行創(chuàng)新研究。

（References）

［1］Hooke A.The Interplanetary Internet［J］.Communications of the ACM，2001，44（9）：38-40

［2］Burleigh S，Hooke A，Torgerson L，et al.Delay-tolerant networking：an approach to interplanetary internet［J］.IEEE Communications Magazine，2003，41（6）：128-136

［3］Farrell S，Cahill V，Geraghty D.When TCP breaks delay-and disruption-tolerant networking［J］.IEEE Internet Computing，2006，10（4）：72-78

［4］閔士權(quán).我國天基綜合信息網(wǎng)構(gòu)想［J］.航天器工程，2013，22（5）：1-14 Min Shiquan.An idea of China’s space-based integrated information network［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（5）：1-14（in Chinese）

［5］Cerf V，Burleigh S，Hooke A，et al.Delay-tolerant networking architecture，RFC4838［EB／OL］.［2013-10-10］.http：／／tools.ietf.org／html／rfc4838.html

［6］Fall K.A delay-tolerant network architecture for challenged internets［C］／／Proceedings of ACM SIGCOMM’03.New York：ACM，2003：27-34

［7］Mcmahon A，F(xiàn)arrell S.Delay-and disruption-tolerant networking［J］.IEEE Internet Computing，2009，13（6）：82-87

［8］Scott K，Burleigh S.Bundle protocol specification，RFC5050［EB／OL］.［2013-10-10］.http：／／tools.ietf.org／html／rfc5050.html

［9］Burleigh S，Ramadas M，F(xiàn)arrell S.Licklider Transmission Protocol-motivation，RFC 5325［EB／OL］.［2013-10-10］.http：／／tools.ietf.org／html／rfc5325.html

［10］Ramadas M，Burleigh S.Licklider Transmission Protocol-specification，RFC5326 ［EB／OL］.［2013-10-10］.http：／／tools.ietf.org／html／rfc5326.html

［11］CCSDS.CCSDS 727.0-B-1CCSDS File Delivery Protocol（CFDP）recommendation for space data systems standards［S］.Washington D.C.：CCSDS，2007

［12］Krupiarz C J，Artis D A，Calloway A B，et al.Filebased data processing on Messenger［J］.Acta Astronautica，2006，59（8／9／10／11）：1071-1078

［13］Sanders F A，Jones G，Levesque M.Transferring files between the Deep Impact spacecraft and the ground data system using the CCSDS File Delivery Protocol（CFDP）：a case study［C］／／Proceedings of IEEE Aerospace Conference 2007.New York：IEEE，2007：1-6

［14］Wood L，Eddy W M，Ivancic W.Saratoga：a delaytolerant networking convergence layer with efficient link utilization［C］／／Proceedings of the 3rd International Workshop on Satellite and Space Communications（IWSSC’07）.New York：IEEE，2007：168-172

［15］Wood L，Mckim J，Eddy W M.Using Saratoga with a bundle agent as a convergence layer for delay-tolerant networking，IRTF internet-draft ［EB／OL］.［2013-10-10］.http：／／tools.ietf.org／html／draft-wood-dtnrgsaratoga-07

［16］Jain S，F(xiàn)all K，Patra R.Routing in a delay tolerant network［C］／／Proceedings of ACM SIGCOMM’04.New York：ACM，2004：145-157

［17］蘇金樹，胡喬林，趙寶康，等.容延容斷網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)［J］.軟件學(xué)報(bào)，2010，21（1）：119-132 Su Jinshu，Hu Qiaolin，Zhao Baokang，et al.Routing techniques on delay／disruption tolerant networks［J］.Journal of Software，2010，21（1）：119-132（in Chinese）

［18］李向群，劉立祥，胡曉惠，等.延遲／中斷可容忍網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2009，46（8）：1270-1277 Li Xiangqun，Liu Lixiang，Hu Xiaohui，et al.Delay／disruption-tolerant network study［J］.Journal of Computer Research and Development，2009，46（8）：1270-1277（in Chinese）

［19］Burleigh S.Contact graph routing，IRTF internet-draft［EL／OL］.［2013-10-10］.http：／／tools.ietf.org／html／draft-burleigh-dtnrg-cgr-00

［20］SeguíJ，Jennings E，Burleigh S.Enhancing contact graph routing for delay tolerant space networking［C］／／Proceedings of IEEE Globecom 2011.New York：IEEE，2011：1-6

［21］Birrane E，Burleigh S，Kasch N.Analysis of the contact graph routing algorithm：Bounding interplanetary paths［J］.Acta Astronautica，2012，75：108-119

［22］Ackerman E.Interplanetary internet tested［J］.IEEE Spectrum，2009，46（7）：13-14

［23］Ivancic W，Eddy W M，Stewart D，et al.Experience with delay-tolerant networking from orbit［J］.International Journal of Satellite Communications and Networking，2010，28（5／6）：335-351

［24］Wyatt J，Burleigh S，Jones R.Disruption Tolerant Networking flight validation experiment on NASA’s EPOXI mission［C］／／Proceedings of the First International Conference on Advances in Satellite and Space Communications （SPACOMM 2009）.New York：IEEE，2009：187-196

［25］Jones R M.Disruption tolerant network technology flight validation report DINET［R］.Pasadena，california：NASA JPL，2009

［26］Jenkins A，Kuzminsky S，Gifford K K.Delay／disruption-tolerant networking：flight test results from the International Space Station［C］／／Proceedings of 2010 IEEE Aerospace Conference.New York：IEEE，2010：1-8

［27］Davis F A，Marquart J K，Menke G.Benefits of delay tolerant networking for earth science［C］／／Proceedings of 2012IEEE Aerospace Conference.New York：IEEE，2012：1-11

［28］Kraft R.NASA，ESA use experimental interplanetary internet to test robot form International Space Station［EB／OL］.［2013-10-10］.http：／／www.nasa.gov／home／hqnews／2012／nov／HQ＿12-391＿DTN.html