魏　伍，徐　衛(wèi)，呂　晶

(1.中國人民解放軍理工大學 通信工程學院， 江蘇 南京210007;2.空軍通信網(wǎng)絡技術(shù)管理中心，北京 100843)

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發(fā)布/訂閱通信模式在空間信息網(wǎng)絡中的應用

魏伍1，徐衛(wèi)2，呂晶1

(1.中國人民解放軍理工大學 通信工程學院， 江蘇 南京210007;2.空軍通信網(wǎng)絡技術(shù)管理中心，北京 100843)

通過對發(fā)布/訂閱(P/S)通信模式和空間信息網(wǎng)絡體系架構(gòu)的分析，論證了發(fā)布/訂閱(P/S)通信模式與點到點通信方式相比有一定的優(yōu)勢，并在此基礎上，研究了基于發(fā)布/訂閱通信模式的空間信息網(wǎng)絡應用架構(gòu)，設計并實現(xiàn)了一個基于局域網(wǎng)的空間信息網(wǎng)絡發(fā)布/訂閱通信模式軟件模擬環(huán)境，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上緩存，用戶無需從數(shù)據(jù)發(fā)布者處獲得資源，可直接通過網(wǎng)內(nèi)緩存下載。

空間信息網(wǎng)絡；發(fā)布/訂閱；軟件設計

0　引言

隨著人類空間科學活動的逐步深入和空間應用研究的不斷發(fā)展，空間信息網(wǎng)絡的相關(guān)研究受到高度關(guān)注?？臻g信息網(wǎng)絡旨在高動態(tài)條件下空間信息的快速獲取、實時傳輸、協(xié)同處理和智能服務，將人類科學、生產(chǎn)和軍事活動擴展至外層空間。

近年來，圍繞著空間信息網(wǎng)絡，以美國為首的西方國家相繼展開了一系列研究，其中包括IPN項目[1]、OMNI項目[2]、TSAT項目[3]和SCaN項目[4]等。我國的空間信息網(wǎng)絡的相關(guān)研究受到高度關(guān)注。沈榮駿等提出了我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)的總體目標、組成、網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡協(xié)議的初步構(gòu)想[5]。李德仁等對空天地一體化對地觀測網(wǎng)進行了概念研究[6]。

空間信息網(wǎng)絡[7]是一個立體動態(tài)異構(gòu)網(wǎng)絡，節(jié)點種類和數(shù)量多，異構(gòu)特性明顯。發(fā)布/訂閱通信模式(P/S)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通信模式(端到端通信)相比，減少了信息傳輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)，能夠很好地適應節(jié)點運動帶來的切換、拓撲變化及斷續(xù)連接等情況，且秉承ICN[8]和DTN[9]網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，數(shù)據(jù)將在網(wǎng)內(nèi)進行緩存，然后通過網(wǎng)絡直接發(fā)送給接收節(jié)點，通過多點多路勁的網(wǎng)絡化傳輸機制克服單點單路徑傳輸靈活性、魯棒性、柔韌性及可擴展性差的缺點。因此有效的信息緩存機制和方法就成為網(wǎng)絡有效運行和信息高效可靠傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵問題。

1　發(fā)布/訂閱通信方式

發(fā)布/訂閱通信模式[10]是一種使分布式系統(tǒng)中的各參與者，能以發(fā)布/訂閱的方式進行交互的通信模式。其中，信息的生產(chǎn)者和消費者之間所交互的信息被稱為事件。事件的生產(chǎn)者稱為發(fā)布者(publisher)，事件的消費者稱為訂閱者(subscriber)，發(fā)布者和訂閱者統(tǒng)稱為客戶端。發(fā)布者產(chǎn)生事件并發(fā)送給事件服務器，所有訂閱者都可以表達對事件的興趣，事件服務器可以將事件異步傳播到所有對該事件感興趣的用戶上。這種基于事件的交互方式的優(yōu)勢在于發(fā)布者和用戶之間的時間，空間和同步完全解耦。

發(fā)布/訂閱通信模式為用戶提供了表達自己興趣的能力。發(fā)布者是產(chǎn)生事件的主體。在另一方面發(fā)布者將信息發(fā)送到事件服務器上，用戶向事件服務器訂閱想獲得的內(nèi)容。

基本的系統(tǒng)模型如圖1所示，事件服務為訂閱者提供存儲與管理，和有效的發(fā)送事件給訂閱者。事件服務是發(fā)布者與訂閱者之間的中介。訂閱者登記他們對事件的興趣，而無需知道這些事件的資源在哪。此訂閱信息直到被退訂，不然一直儲存在事件服務器中，而不會轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)布者。

目前，發(fā)布/訂閱通信系統(tǒng)分為基于渠道的發(fā)布/訂閱，基于主題的發(fā)布/訂閱，基于內(nèi)容的發(fā)布/訂閱，基于類型的發(fā)布/訂閱。

圖1　發(fā)布/訂閱模型

2　空間信息網(wǎng)絡體系架構(gòu)概述

空間信息網(wǎng)絡[11]是以多種空間平臺(如同步衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星、平流層氣球和有人或無人駕駛飛機等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡系統(tǒng)。其系統(tǒng)組成如圖2所示。

從圖2可以看出，相比其他信息系統(tǒng)，空間信息網(wǎng)絡具有以下明顯特征：① 空間分布上是一個立體多層的網(wǎng)絡；② 節(jié)點類型多，網(wǎng)絡具有異構(gòu)性；③ 節(jié)點、鏈路隨時空變化，拓撲具有動態(tài)性；④ 業(yè)務種類多，需求差異性大；⑤ 系統(tǒng)資源(軌位、頻率、功率、處理、計算、存儲)嚴重受限。

圖2　空間信息網(wǎng)絡系統(tǒng)組成

根據(jù)網(wǎng)絡中節(jié)點屬性、鏈路能力、任務特點和分布空間等，將空間信息網(wǎng)[12]劃分為以下幾個主要組成部分，系統(tǒng)中節(jié)點分布與相互間連接關(guān)系如圖3所示。

圖3　空間信息網(wǎng)節(jié)點分布與相互連接關(guān)系

① GEO衛(wèi)星骨干網(wǎng)：整個骨干網(wǎng)由3～5個分布在不同軌道位置上的同步軌道(GEO)衛(wèi)星簇組成。每個GEO衛(wèi)星簇可由一顆或多顆GEO衛(wèi)星組成，物理上可能包括通信、中繼、遙感和導航等多種衛(wèi)星，邏輯上可以看作一個衛(wèi)星節(jié)點，簇內(nèi)衛(wèi)星協(xié)作完成包括信息獲取、處理、傳輸、交換、存儲、計算和分發(fā)等功能。GEO衛(wèi)星簇之間和簇內(nèi)各衛(wèi)星之間可通過高速的微波或激光星間鏈路實現(xiàn)信息交換。

② 服務增強衛(wèi)星網(wǎng)：服務增強衛(wèi)星網(wǎng)作為GEO衛(wèi)星骨干網(wǎng)的補充，改善高緯度地區(qū)和極區(qū)的服務性能，可根據(jù)需要在空間信息網(wǎng)絡的建設過程中逐步擴展完成。服務增強衛(wèi)星可能工作在傾斜同步軌道(IGSO)、高橢圓軌道(HEO)、中軌道(MEO)或低軌道(LEO)上，可以通過星間鏈路或地面信關(guān)站實現(xiàn)與GEO衛(wèi)星簇之間的信息交換。

③ 升空平臺網(wǎng)：升空平臺(HAPS)主要布設在應急救援、城市熱點等區(qū)域，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的通信、導航和遙感增強。各升空平臺之間、升空平臺與地面/衛(wèi)星節(jié)點之間可以通過微波或激光鏈路實現(xiàn)相互間的信息交換。

④ 運行控制網(wǎng)：其主要任務是管理整個空間信息網(wǎng)絡，維持各類空間平臺的正?？煽窟\行，為用戶提供業(yè)務支持，滿足各類用戶的使用需求。

⑤ 接入網(wǎng)和地面網(wǎng)。

這里以針對熱點地區(qū)進行信息獲取、處理、傳輸和分發(fā)的應用場景為例，給出空間信息網(wǎng)的工作流程示意圖，如圖4所示。其業(yè)務流程主要包括以下幾個步驟：

① 對地觀測衛(wèi)星根據(jù)指令運行到熱點區(qū)域上空后進行信息獲取，并將獲取到的遙感數(shù)據(jù)進行必要的預處理；

② 對地觀測衛(wèi)星將信息傳輸?shù)紾EO衛(wèi)星骨干網(wǎng)，在GEO衛(wèi)星骨干網(wǎng)中進行一定的信息處理、傳輸和交換；

③ 信息在軌或者傳輸?shù)降孛嫘畔鸥窈笊煽晒┯脩羰褂玫倪b感產(chǎn)品；

④ 用戶通過GEO衛(wèi)星、服務增強衛(wèi)星、升空平臺等途徑獲取存儲在地面信息柵格或GEO衛(wèi)星骨干網(wǎng)中的遙感產(chǎn)品。

圖4　空間信息網(wǎng)一種典型應用場景的工作流程示意圖

3　發(fā)布/訂閱的空間信息網(wǎng)絡應用架構(gòu)

目前，許多學者開始關(guān)注信息為中心的網(wǎng)絡(Information Centric Networking，ICN)在衛(wèi)星網(wǎng)絡中的運用[13]，與發(fā)布/訂閱通信模式相比，它們都是著重于信息本身，忽略終端用戶，不同點在于ICN并非采用IP協(xié)議簇，發(fā)布/訂閱通信模式是在IP協(xié)議簇的基礎上結(jié)合了網(wǎng)絡緩存。文獻[12]表明網(wǎng)絡緩存可以提高衛(wèi)星網(wǎng)絡的通信資源效率，減少衛(wèi)星帶寬資源浪費。

在空間信息網(wǎng)中，發(fā)布者是上文所指的信息產(chǎn)生節(jié)點可以是升空平臺、GEO衛(wèi)星或其他衛(wèi)星系統(tǒng)等，訂閱者并非所有的信息接收者，而是特指用戶終端，因為目前發(fā)布/訂閱的事件指的是遙感信息和傳統(tǒng)的通信業(yè)務，測控信息與指控信息并不在考慮范圍之類。

由于空間節(jié)點的多樣性，將空間信息網(wǎng)絡分為多個自治域[14](Autonomous System，AS)，每個自治域和子自治域都設有一個邊界節(jié)點，負責不同域之間網(wǎng)絡狀態(tài)和理由等信息的交換。這樣，既把每個AS域內(nèi)部的拓撲變化相互屏蔽，減小了網(wǎng)絡管理和路由計算的復雜度，又便于衛(wèi)星和升空平臺的“即插即用”。具體網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　空間信息網(wǎng)絡拓撲

該模型將路由控制信息和業(yè)務信息的傳輸進行分離，AS域間邊界節(jié)點用于路由計算與控制，地面運控中心站所發(fā)出的控制和路由信息通過控制鏈路發(fā)送到邊界節(jié)點，邊界節(jié)點再根據(jù)各自治域內(nèi)部路由發(fā)給域內(nèi)其它節(jié)點。而與用戶相連的邊界節(jié)點充當事件服務器，實現(xiàn)業(yè)務的發(fā)布/訂閱，這樣可以降低控制鏈路的信息傳輸和網(wǎng)絡擁塞的概率，提高控制管理信息傳輸?shù)男屎涂煽啃?，確保有效的網(wǎng)絡管理和路由信息的分發(fā)，從而提高全網(wǎng)運行效率和可靠性。

假定一種場景如圖6所示，來描述基于發(fā)布/訂閱通信模式的空間信息網(wǎng)絡應用架構(gòu)。在該場景中，遙感衛(wèi)星A作為事件的生產(chǎn)者，將遙感信息發(fā)布到其所在的AS1域中，AS1域與AS2域相連的邊界節(jié)點進行數(shù)據(jù)的交互，這樣，AS2域中也就存在了此事件，此時用戶F需要下載該信息，則只需要向其所對應的AS2域內(nèi)邊界節(jié)點D提出請求即可。如果采用點到點的通信模式，那么此時的通信距離至少是鏈路1與鏈路2的長度之和(區(qū)域內(nèi)鏈路忽略)。假設鏈路1與鏈路2的長度相同，每段鏈路無差錯的概率是a，那么進行一次通信，點到點的通信模式比發(fā)布/訂閱通信模式的通信長度多一倍即通信時間長一倍，出錯概率多1+a2倍。假設AS2是一個低軌衛(wèi)星域，低軌衛(wèi)星的過頂時間大約十幾分鐘，如果用戶與D的通信中斷了，由于網(wǎng)內(nèi)有緩存，則用戶可以直接向切換后的衛(wèi)星提出下載要求，而在點到點通信中，切換后衛(wèi)星還需再次向F提出請求。所以在空間信息網(wǎng)絡中，由于鏈路的高時延，高誤碼率，易中斷的特點，會放大點到點的通信模式的缺點。此外，安全性也是發(fā)布/訂閱通信模式的優(yōu)點之一，因為發(fā)布者對用戶是不可見的，所以增加了非法用戶對其惡意攻擊的難度。綜上所述，將發(fā)布/訂閱通信模式與空間信息網(wǎng)絡相結(jié)合有一定的意義。

圖6　基于發(fā)布/訂閱通信模式的空間信息網(wǎng)絡應用架構(gòu)

3.1發(fā)布/訂閱通信模式軟件模擬環(huán)境

在此軟件模擬環(huán)境中，可以在用戶端與服務器上設置發(fā)送文件的睡眠時間值來模擬空間信息網(wǎng)絡中的時延，通過設置備用服務器，中斷用戶所連接的主服務器來模擬空間信息網(wǎng)絡鏈路中斷的情況。由于TCP協(xié)議在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在回傳時間長、擁塞窗口增長緩慢、丟失數(shù)據(jù)包的恢復時間長和接收窗口受限等問題[15]，所以采用UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，發(fā)布/訂閱通信方式設有兩種工作模式：

① 如圖7所示，發(fā)布者將事件發(fā)布到事件服務器上，服務器會在整個網(wǎng)絡中泛洪，告之其它事件服務器該事件并將其緩存下來，用戶可查詢與之相連的服務器中所有已發(fā)布的事件并進行下載，這是一種傳統(tǒng)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式。為了解決網(wǎng)絡中的可靠性問題，采用的最簡單的復制冗余策略，即對每個發(fā)布的事件都在不同的節(jié)點上存儲一模一樣的備份。只要這些備份有一個沒有發(fā)生故障，數(shù)據(jù)就不會丟失。這種復制策略結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，并且節(jié)點修復也很簡單，新節(jié)點只需從存活節(jié)點上找到與發(fā)生故障的節(jié)點同樣的數(shù)據(jù)拷貝過來即可。但其有個嚴重的缺點，就是冗余存儲量過高，例如假設單個節(jié)點可靠性為0.5，想要維持整個系統(tǒng)可靠性大于0.999的話就需要至少10個冗余節(jié)點。

圖7　復制策略的發(fā)布/訂閱流程圖

② 如圖8所示，第二種工作模式利用糾刪來碼改進復制策略存儲開銷太大的缺點，發(fā)布者先將原始文件分成K份，原始文件長度為L。每一份子文件長度為L/K。然后產(chǎn)生一個N×K的生成矩陣G(N>K)，該矩陣是一個范德蒙矩陣，其中的元素取自有限域(有限域的范圍大于N)，所以該生成矩陣的秩為K。這樣原始文件經(jīng)過生成矩陣產(chǎn)生N個子文件，獲得任意K個子文件即可恢復成原始文件。客戶端將 個子文件上傳至邊緣服務器，邊緣服務器將這N個子文件按照一定策略發(fā)送給其余服務器(本文所采用的策略是依次發(fā)送)；其他用戶下載時需將任意K個子文件取回至邊緣服務器并下載到用戶進行解碼獲得原始文件。通過對數(shù)據(jù)進行編碼，來降低維持系統(tǒng)可靠性所需的存儲開銷并將風險均攤的方法來提高整個系統(tǒng)的可靠性，并且還有保密作用，只截獲一塊數(shù)據(jù)并不能還原源文件。

圖8　分布式存儲的發(fā)布/訂閱流程圖

3.2軟件運行示例

本文采用delphi應用程序開發(fā)工具實現(xiàn)基于局域網(wǎng)的空間信息網(wǎng)絡發(fā)布/訂閱通信模式軟件模擬環(huán)境。Delphi是windows平臺下著名的快速應用程序開發(fā)工具(Rapid Application Development，簡稱RAD)。

圖9給出了一個實例，文件“Delphi組件參考大全.pdf”在PC1經(jīng)過4×3的生成矩陣共產(chǎn)生4個子文件，上傳給邊緣服務器A，A將子文件依次發(fā)送給B和C，B和C中分別有兩個子文件，PC2下載該文件時，由于C中子文件小于3需要從A或B中任意下載一個不同的子文件即可在客戶端進行解碼。圖10為源文件與編碼后文件的示意圖。

圖9　發(fā)布/訂閱模擬場景

圖10　源文件與編碼后文件

4　結(jié)束語

本文主要對空間信息網(wǎng)絡的發(fā)布/訂閱的通信方式進行研究，旨在明確P/S通信方式在空間信息網(wǎng)絡中的重要意義。分析了發(fā)布/訂閱(P/S)通信模式時間、空間、同步的解耦特點與空間信息網(wǎng)絡的域間、域內(nèi)通信架構(gòu)，論述了在空間信息網(wǎng)絡中，發(fā)布/訂閱(P/S)通信模式與點到點的通信模式相比，可以減少時延降低差錯概率的優(yōu)勢。并且，通過delphi應用程序開發(fā)工具設計了一個基于局域網(wǎng)的空間信息網(wǎng)絡發(fā)布/訂閱通信模式軟件模擬環(huán)境。

[1]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.

[2]Rash J，Hogie K，Casasanta R.Internet Technology for Future Space Missions[J].Computer Network，2005，47(5):651-659.

[3]Tarleton R，Shively S，Armstrong B，et al.TransformationalCommunications Architecture for the Department of Defense，Intelligence Community and NASA，AIAA-2006-5424[R].Washington D C:AIAA，2006.

[4]Younes B A，Schier J S.Space Communications and Navigation (SCaN) Network Architecture Definition Document(ADD) Volume 1:Executive Summary[R/OL].Washington D C:NASA Headquarters，2010.

[5]沈榮駿.我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想[J].中國工程科學，2006，8(10):19-30.

[6]李德仁.論空天地一體化對地觀測網(wǎng)絡[J].地球信息科學學報，2012，14(4):419-425.

[7]常青，李顯旭，何善寶.我國空間信息網(wǎng)發(fā)展探討[J].遙測遙控，2015，36(1):1-10.

[8]夏春梅，徐明偉.信息中心網(wǎng)絡研究綜述[J].計算機科學與探索，2013，7(6):481-493.

[9]林闖，董揚威，單志廣.基于DTN的空間網(wǎng)絡互聯(lián)網(wǎng)服務研究綜述[J].計算機科學與探索，2014，51(5):931-943.

[10]Eugster P T ，F(xiàn)elber P A ，Guerraoui R，et al.The Many Faces of Publish/Subscribe[J].Acm Computing Surveys，2003，35(2):114-131.

[11]李德仁，沈欣，龔健雅，等.論我國空間信息網(wǎng)絡的構(gòu)建[J].武漢大學學報，2015，40(6):711-715.

[12]Galluccio L，Morabito G，Palazzo S.Caching in Information-Centric Satellite Networks[C]//Communications (ICC)，2012 IEEE International Conference on，2012:3306-3310.

[13]Detti A，Caponi A.Blefari-Melazzi N.Exploitation of Information Centric Networking Principles in Satellite Networks[C]//Satellite Telecommunications (ESTEL)，2012 IEEE First AESS European Conference on，2012：1-6.

[14]Zhang W，Zhang G X，Gou L，et al.A hierarchical Autonomous System Based Topology Control Algorithm in Space Information Network[J].KSII Transactions on Internet and Information Systems，2015，9(9):3572-3593.

[15]李立.TCP協(xié)議在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中性能改進研究[D].長沙：國防科學科技大學，2008.

Application of Publish/Subscribe Communication Model in Space Information Network

WEI Wu1，XU Wei2，LV Jing1

(1.College of Communication Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China; 2.Air Force Communications Network Technology Management Center，Beijing 100843，China)

Based on analysis of Publish/Subscribe (P/S) and space information network architecture，this paper proves that the publish/subscribe (P/S) communication mode has some advantages comparing to point-to-point communication mode，and studies the space information network architecture based on Publish/Subscribe communication mode.The software simulation environment of Publish/subscribe communication mode of space information network based on LAN is designed.In this environment，the data is cached in the network，and users need access to cache within network instead of data publisher.

space information network；publish/Subscribe；software design

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.19

引用格式：魏伍，徐衛(wèi)，呂晶.發(fā)布/訂閱通信模式在空間信息網(wǎng)絡中的應用[J].無線電通信技術(shù),2016,42(5):75-79.

2016-06-20

國家自然科學基金項目(91338201)

魏伍(1991—),男，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星通信。呂晶(1965—),男，教授，主要研究方向：衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導航、衛(wèi)星測控。

TN927

A

1003-3114(2016)05-75-5