李紀(jì)舟，路 璐，郭利民

0 引言

隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已滲透到政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、科技的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類第二生存空間。如何將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到太空，將人類文化、生產(chǎn)、科學(xué)等活動(dòng)拓展到太空空間，為遠(yuǎn)洋航行、導(dǎo)航定位、深空探測(cè)等空間應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐，為全球通信欠發(fā)達(dá)地區(qū)提供互聯(lián)互通服務(wù)，是全球科學(xué)家正在研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 空間互聯(lián)網(wǎng)

1． 1 概念及內(nèi)涵

目前，空間互聯(lián)網(wǎng)還沒(méi)有統(tǒng)一的概念和正式權(quán)威的定義，是人類為了充分發(fā)揮地面互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為探測(cè)太空和拓展地面互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)而構(gòu)畫(huà)的一個(gè)藍(lán)圖。一般認(rèn)為［1－2］，空間互聯(lián)網(wǎng)是指，將地面互聯(lián)網(wǎng)概念引申到空間信息網(wǎng)絡(luò)，利用地面互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以衛(wèi)星星際鏈路為物理傳輸媒介，按照高效利用、綜合集成的原則，將太空中不同軌道的各種衛(wèi)星、星座及航天器等太空信息資源進(jìn)行有機(jī)連接，構(gòu)建的集成化、智能化、綜合一體的太空信息網(wǎng)絡(luò)，具有與地面互聯(lián)網(wǎng)類似的應(yīng)用服務(wù)能力，并且與地面互聯(lián)網(wǎng)具有良好的互聯(lián)互通性能。

空間互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵可以從兩個(gè)方面來(lái)理解［2］:第一，是利用地面互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)空間信息資源進(jìn)行的統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，而不是對(duì)單一用戶或?qū)ｍ?xiàng)任務(wù)進(jìn)行的單一解決方案;第二，在采用地面互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有技術(shù)和協(xié)議的同時(shí)，要充分考慮太空通信和太空任務(wù)的自身特點(diǎn)及特殊需求。

空間互聯(lián)網(wǎng)的能力應(yīng)滿足如下基本要求［3］:一是地面上的任何一個(gè)地點(diǎn)，能在任何時(shí)刻直接或通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)關(guān)口站，與至少一顆網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)星進(jìn)行星地通信;二是太空中的任何一個(gè)航天器，能在任何時(shí)刻直接與至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)星進(jìn)行星間通信;三是任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)星，能在任何時(shí)刻能與其他至少兩顆網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)星進(jìn)行雙向星間通信;四是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)星具備動(dòng)態(tài)自動(dòng)路由功能，即任何一顆網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)星的退出或加入，都不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，并能自動(dòng)重組網(wǎng)絡(luò);五是能滿足不同業(yè)務(wù)質(zhì)量要求(QOS)的通信傳輸;六是能在空域和時(shí)域上無(wú)縫連接的進(jìn)行文件操作;七是具備各種網(wǎng)絡(luò)高層應(yīng)用能力(如基于網(wǎng)絡(luò)的Web應(yīng)用等);八是具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全保障能力。

1． 2 組成及結(jié)構(gòu)

空間互聯(lián)網(wǎng)由地面段和空間段兩部分組成［4］。地面段主要包括與航天器有關(guān)的地面網(wǎng)絡(luò):數(shù)據(jù)接收網(wǎng)、空間監(jiān)視網(wǎng)、天文觀測(cè)網(wǎng)、陸基航天測(cè)控網(wǎng)、業(yè)務(wù)測(cè)控網(wǎng)、用戶業(yè)務(wù)服務(wù)網(wǎng)、在軌服務(wù)保障網(wǎng)、空間網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維網(wǎng)、中繼衛(wèi)星地面系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)?？臻g段主要包括所有航天器:中繼衛(wèi)星、具有星地和星際鏈路的單顆航天器、只有星地鏈路的單顆航天器、有星間鏈路的飛行器編隊(duì)和星座、其他航天器等。

空間互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分成三部分，主要包括［4－5］:骨干網(wǎng)、外部網(wǎng)和行星網(wǎng)。

1)骨干網(wǎng)。通過(guò)衛(wèi)星為地球、月球、其他行星、航天器和太空探測(cè)器之間的通信提供基礎(chǔ)設(shè)施支撐。其中，航天器和各種星體可作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信傳輸。

2)外部網(wǎng)。由在行星、軌道空間站和空間探測(cè)器之間飛行的航天器節(jié)點(diǎn)組成。其中，航天器節(jié)點(diǎn)之間可進(jìn)行遠(yuǎn)程和短程通信靈活選擇。在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí)，使用遠(yuǎn)程通信，相距較近時(shí)，使用近程通信，能有效節(jié)約耗能。

3)行星網(wǎng)。由行星表面網(wǎng)和行星衛(wèi)星網(wǎng)兩方面組成。表面網(wǎng)主要為表面節(jié)點(diǎn)(如傳感器節(jié)點(diǎn)等)提供傳輸鏈路，也可為行星表面不能與衛(wèi)星進(jìn)行直接通信的節(jié)點(diǎn)提供無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)通信服務(wù)。衛(wèi)星網(wǎng)主要包括行星表面結(jié)點(diǎn)、軌道衛(wèi)星和骨干節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路，具體負(fù)責(zé)表面網(wǎng)與骨干網(wǎng)之間或表面網(wǎng)之間的通信中繼。

1． 3 特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

空間互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)地面互聯(lián)網(wǎng)相比，具有如下自身鮮明的特點(diǎn)［4，6－7］:

1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化?？臻g互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是由各種不斷運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星所擔(dān)負(fù)，其在空間的位置按照一定的規(guī)律動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致空間互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也隨時(shí)間進(jìn)行有規(guī)律的變化。

2)網(wǎng)絡(luò)資源及能力受限。太空網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能相對(duì)于地面網(wǎng)絡(luò)較差，比如，計(jì)算機(jī)芯片的計(jì)算能力、存儲(chǔ)器的容量以及通信傳輸能力均受到很大限制，要求空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)庫(kù)容量不能太大。

3)網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)斷時(shí)續(xù)。空間互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路會(huì)隨著衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的位置變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整，兩點(diǎn)之間的通信時(shí)斷時(shí)續(xù)。

4)傳輸延時(shí)大?？臻g互聯(lián)網(wǎng)的傳輸路徑比地面互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)，造成傳輸時(shí)延較長(zhǎng)，深空探測(cè)時(shí)時(shí)延更大。

5)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率高?？臻g互聯(lián)網(wǎng)的微波傳輸或激光鏈路與地面網(wǎng)絡(luò)的光纖通信相比，受環(huán)境的影響大，鏈路性能不穩(wěn)定，造成傳輸?shù)恼`碼率高，也有可能中斷鏈路。

6)鏈路帶寬不對(duì)稱。即空間互聯(lián)網(wǎng)的空間段與地面段的傳輸帶寬不對(duì)稱，地面段速率高，空間段速率低。

7)可靠性和安全性較低。由于空間互聯(lián)網(wǎng)的暴露性，更容易遭受第三方的竊聽(tīng)、摧毀和網(wǎng)絡(luò)攻擊。

8)綜合性強(qiáng)?？臻g互聯(lián)網(wǎng)融合了衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、測(cè)控、遙感等多種綜合性衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種軌道衛(wèi)星星座優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

空間互聯(lián)網(wǎng)相較于傳統(tǒng)的空間信息網(wǎng)絡(luò)，具有如下優(yōu)勢(shì)［4］:

1)減少協(xié)議轉(zhuǎn)換。目前，空間信息網(wǎng)絡(luò)的星上、地面和星地三方面的傳輸協(xié)議沒(méi)有統(tǒng)一，至少需要2次協(xié)議轉(zhuǎn)換才能完成數(shù)據(jù)傳輸，空間互聯(lián)網(wǎng)將采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，減少不必要的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

2)統(tǒng)一傳輸協(xié)議。目前的空間信息網(wǎng)絡(luò)由于采用了多種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，造成多種傳輸協(xié)議并存，地面接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議也不盡相同?？臻g互聯(lián)網(wǎng)采用了地面互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一協(xié)議，增加了規(guī)范性。

3)促進(jìn)信息共享。空間互聯(lián)網(wǎng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將太空、地面的信息資源互聯(lián)互通，極大地促進(jìn)了信息資源的流動(dòng)和共享。

4)避免重復(fù)建設(shè)?？臻g互聯(lián)網(wǎng)提供了信息資源的共享能力，減少了空間資源的重復(fù)建設(shè)。

5)適應(yīng)未來(lái)發(fā)展。隨著地球資源的枯竭，太空將是一個(gè)新的利益增長(zhǎng)點(diǎn)，必須利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一的空間互聯(lián)網(wǎng)，來(lái)適應(yīng)未來(lái)更加頻繁和更加復(fù)雜的航天應(yīng)用活動(dòng)。

2 空間互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

空間互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)綜合性的復(fù)雜信息網(wǎng)絡(luò)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)除了天線技術(shù)、高效調(diào)制技術(shù)、射頻技術(shù)、高效編碼技術(shù)、信源壓縮技術(shù)、光通信技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)、星上網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等空間信息領(lǐng)域的共性技術(shù)外，最具特色的關(guān)鍵技術(shù)是空間互聯(lián)網(wǎng)路由技術(shù)、空間互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議技術(shù)。

2． 1 空間互聯(lián)網(wǎng)路由技術(shù)

空間路由器主要用于連接空間各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，屏蔽物理網(wǎng)絡(luò)間的細(xì)節(jié)，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)協(xié)議、保障數(shù)據(jù)安全、控制網(wǎng)絡(luò)流量和提供服務(wù)質(zhì)量保證等功能，是空間互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備和空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議執(zhí)行的主要部件。目前，研究的空間路由主要分為邊界路由、接入路由和衛(wèi)星間路由三種［8］。其中，邊界路由主要用于地面網(wǎng)與天基網(wǎng)、空基網(wǎng)與天基網(wǎng)、深空網(wǎng)與天基網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接。接入路由主要用于為地面網(wǎng)、空基網(wǎng)和深空網(wǎng)用戶尋找接口衛(wèi)星。衛(wèi)星間路由是為了尋找從源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)到目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的路徑，擔(dān)負(fù)著星間數(shù)據(jù)的傳輸、分發(fā)和業(yè)務(wù)QoS保證等功能，是空間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換的關(guān)鍵技術(shù)，也是空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的一個(gè)重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，研究比較熱門(mén)的衛(wèi)星間路由技術(shù)主要是DTN路由技術(shù)［5］。容遲網(wǎng)絡(luò)或容斷網(wǎng)絡(luò)DTN(delay/disruption－tolerantnetwork)泛指，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)移動(dòng)等原因而造成端到端傳輸路徑的不穩(wěn)定，甚至長(zhǎng)時(shí)間處于中斷狀態(tài)的一類網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)最早是針對(duì)行星際間的深空通信提出來(lái)的，其主要思想是，針對(duì)深空中節(jié)點(diǎn)連接機(jī)會(huì)少、遠(yuǎn)程通信能力弱的情況，設(shè)計(jì)一個(gè)空間路由，讓信息數(shù)據(jù)先在節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)起來(lái)，等待連接時(shí)機(jī)或是通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的攜帶轉(zhuǎn)發(fā)，將信息數(shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點(diǎn)，即具有“存儲(chǔ)、攜帶、轉(zhuǎn)發(fā)”功能的路由。目前，已提出的DTN路由技術(shù)大概分為四類:

1)先驗(yàn)未知路由:即空間網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜推渌?jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式及位置等信息完全未知，必須依賴節(jié)點(diǎn)自身的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)并結(jié)合一些必要的編碼方法或復(fù)制刪除策略來(lái)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳輸。該類路由的解決方案主要有:洪泛和流行病路由、可控洪泛路由、基于編碼的路由等，但都存在信息傳輸率低和時(shí)延長(zhǎng)問(wèn)題，并且能量消耗大。

2)部分先驗(yàn)已知路由:該類方案主要有基于連接指標(biāo)的SEPR和MEED路由;基于概率的PreDA，PROPHET、MV路由;基于節(jié)點(diǎn)特性的由 Shabbir Ahmed等提出的基于簇的轉(zhuǎn)發(fā)路由;基于資源利用的AODV路由等。

3)完全先驗(yàn)已知路由:該類方案主要有路徑樹(shù)(Greedy Tree)、線性規(guī)劃(Linear Program)、空時(shí)方案(Space and Time)等路由。

4)利用節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)輔助路由:該類方案主要有DataMULE路由;信息輪渡方案，包括節(jié)點(diǎn)執(zhí)行MF方案(NIMF)和輪渡執(zhí)行MF方案(FIMF);Yu等人提出的基于速率的最快MF方案;Guo等人提出的基于家和鴿子傳信的DTN路由等。

2． 2 空間互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成與良好運(yùn)行的關(guān)鍵支撐和核心技術(shù)。由于空間互聯(lián)網(wǎng)存在高鏈路延遲、鏈路誤碼率高、連接時(shí)斷時(shí)續(xù)、節(jié)點(diǎn)資源不足等缺點(diǎn)，致使傳統(tǒng)的地面互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議無(wú)法完全應(yīng)用到空間網(wǎng)絡(luò)中，為了充分發(fā)揮地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在空間網(wǎng)絡(luò)中的作用，人們提出了多種空間互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，可分為如下三類［4，6，9］:空間 IP 協(xié)議、CCSDS 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、DTN協(xié)議。

2．2．1 空間IP協(xié)議

空間IP協(xié)議的思路是，地面基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)除了射頻系統(tǒng)外直接使用商用的IP設(shè)備，而在太空的物理層使用傳統(tǒng)的天線和射頻設(shè)施，在商用路由器和射頻設(shè)備之間增加信道糾錯(cuò)編/譯碼部分，以彌補(bǔ)商用路由器沒(méi)有糾錯(cuò)編/譯碼的功能，鏈路層可直接利用或局部修改后使用地面IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其他各層均采用地面TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議?？臻gIP協(xié)議優(yōu)點(diǎn)是:能直接利用商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)施與地面互聯(lián)網(wǎng)互操作，進(jìn)行端到端通信;組網(wǎng)靈活;支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)路由及移動(dòng)接入;空間與地面執(zhí)行同一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。存在的主要缺點(diǎn)是:一是IP協(xié)議是基于傳輸延遲小環(huán)境的，不適合空間網(wǎng)絡(luò)，尤其是深空通信;二是IP協(xié)議比傳統(tǒng)的空間傳輸協(xié)議效率低;三是按照分級(jí)方式實(shí)現(xiàn)的地面路由協(xié)議不適用于空間操作環(huán)境。

2．2．2 CCSDS 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)針對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)地面TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)了一系列CCSDS空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于空間網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸［10－11］。在數(shù)據(jù)鏈路層，使用分包遙控(TC)、分包遙測(cè)(TM)和先進(jìn)軌道系統(tǒng)(AOS)協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層，使用SCPS協(xié)議，主要包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(SCPS－NP)、安全協(xié)議(SCPS－SP)、傳輸協(xié)議(SCPS－TP)、文件傳輸協(xié)議(SCPS－FTP)。在無(wú)線子網(wǎng)使用近空鏈路(proximity space link)協(xié)議。在地面網(wǎng)絡(luò)，采用TCP/IP協(xié)議，但根據(jù)太空特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，并可結(jié)合使用CCSDS的空間鏈路擴(kuò)展(SLE)協(xié)議。CCSDS互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是:專為空間網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，效率高;自身原有的協(xié)議比較完善;全球大多數(shù)航天機(jī)構(gòu)已采納、應(yīng)用。存在的主要缺點(diǎn)是:一是需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，不能與地面互聯(lián)網(wǎng)直接互操作;二是靜態(tài)路由能力較強(qiáng)，移動(dòng)接入能力較差，動(dòng)態(tài)路由的開(kāi)銷大;三是相對(duì)于地面TCP/IP協(xié)議，開(kāi)發(fā)、測(cè)試、維護(hù)費(fèi)用高。

2．2．3 DTN 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

DTN協(xié)議起源于1998年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)對(duì)行星際互聯(lián)網(wǎng)(IPN，Interplanetary Internet)的研究，其主要目的是將地面互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到整個(gè)太陽(yáng)系，為太陽(yáng)系中的航天器、空間站和探索其他行星的機(jī)器人等提供像地面互聯(lián)網(wǎng)一樣的通信服務(wù)［12－14］。DTN 協(xié)議與前兩種協(xié)議的區(qū)別是:一是DTN引入了“捆綁層(Bundle Layer)”作為連接不同受限網(wǎng)絡(luò)的覆蓋層，采用此覆蓋的節(jié)點(diǎn)依靠發(fā)送“捆綁”的異步信息進(jìn)行通信。捆綁層提供與地面互聯(lián)網(wǎng)關(guān)類似功能，但集中于虛信息的轉(zhuǎn)發(fā)，并不是分組交換。二是DTN協(xié)議不假定存在發(fā)送端與接收端的端到端路徑，捆綁采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行傳輸。DTN協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是:解決了高延時(shí)、高誤碼率、帶寬不對(duì)稱和間斷性連接的問(wèn)題，同時(shí)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了數(shù)據(jù)丟失率和不同級(jí)別的可靠性。存在的缺點(diǎn)是:只是給出了一個(gè)框架，許多關(guān)鍵技術(shù)仍在開(kāi)發(fā)中，體系結(jié)鉤建議還不成熟。

目前，學(xué)術(shù)界研究的DTN空間傳輸協(xié)議主要有:①DS－TP(Deep－Space Transport Protocol)協(xié)議，面向深空網(wǎng)絡(luò)，特點(diǎn)是:帶寬利用率高，但會(huì)造成擁塞;采用雙重自動(dòng)重傳策略，提升了數(shù)據(jù)傳輸率;采用混合應(yīng)答方式，提高了差錯(cuò)控制有效性。缺點(diǎn)是:傳輸時(shí)延大、實(shí)施復(fù)雜;②BP(Bundle Protocol)協(xié)議，支持不同網(wǎng)絡(luò)間端到端通信，是一個(gè)無(wú)會(huì)話協(xié)議。特點(diǎn)是:傳輸過(guò)程中，發(fā)生鏈路中斷時(shí)，能將數(shù)據(jù)暫存，等再次連接時(shí)進(jìn)行傳輸;發(fā)生數(shù)據(jù)丟失時(shí)，能夠進(jìn)行快速重傳，提高了傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ秉c(diǎn)是數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)拈_(kāi)銷大;③CFDP(CCSDS File Delivery Protocol)協(xié)議，是一個(gè)文件傳輸協(xié)議，可根據(jù)不同任務(wù)，選擇不同的傳輸模式，并提供不同級(jí)別的可靠性和數(shù)據(jù)有效性。CFDP的優(yōu)勢(shì)是:有助于間斷性連接的處理，特別適合鏈路錯(cuò)誤率高的數(shù)據(jù)傳輸。缺點(diǎn)是:對(duì)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力要求高，并且實(shí)施的復(fù)雜性高;④LTP(Licklider Transmission Protocol)協(xié)議，分為 green－part和 red－part兩部分，greenpart支持不可靠傳輸，并對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)設(shè)置數(shù)個(gè)檢查點(diǎn)，提高可靠性;red－part支持可靠傳輸。LTP協(xié)議的優(yōu)勢(shì)是:即使鏈路失效，也不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。缺點(diǎn)是:對(duì)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)和處理能力要求高，實(shí)施復(fù)雜度高等。

3 空間互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r

從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，人們就提出了建立空間互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想，本世紀(jì)初期的深空飛行和航天應(yīng)用加速了空間互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究與工程實(shí)踐的步伐，期間，世界各國(guó)相繼提出和驗(yàn)證了多個(gè)空間互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃或項(xiàng)目，取得了較大的技術(shù)進(jìn)展。

3． 1 行星際互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃

1998年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)聯(lián)合噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)啟動(dòng)了行星際互聯(lián)網(wǎng)(IPN，Interplanetary Internet)計(jì)劃，提出將地面互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)延伸到空間信息網(wǎng)絡(luò)，在地球、月球、火星等行星之間，建立基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的行星際互聯(lián)網(wǎng)［4］。隨后，CCSDS發(fā)布了2020年的行星際互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想，提出未來(lái)行星際互聯(lián)網(wǎng)要完成各類空間信息資源的融合、提升和分發(fā)，以行星際骨干網(wǎng)(Interplanetary Backbone)為核心，在各行星航天器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過(guò)星際關(guān)口站(In terp lanetary Gateways)互聯(lián)互通［3］。2004年2月，美國(guó)NASA宣布，“勇氣號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面接受到了歐洲火星軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的指令，并把數(shù)據(jù)回傳到了NASA，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程使用了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，沒(méi)有丟失數(shù)據(jù)，也沒(méi)有出現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)。證明行星際互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目測(cè)試獲得初步成功，為今后建立太陽(yáng)系行星間的通訊網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)可行性。目前，行星際互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃已完成體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式的定義，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真、地面及飛行試驗(yàn)，形成了相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及建議書(shū)。

美國(guó)的行星際互聯(lián)網(wǎng)由主干網(wǎng)、接入網(wǎng)、星座或編隊(duì)網(wǎng)、近距網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成［4］。其中，主干網(wǎng)(Backbone Networks)是由數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、地面測(cè)控網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)、深空網(wǎng)等構(gòu)成的高速寬帶網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)信息傳輸與分發(fā)。接入網(wǎng)(Access Networks)是由負(fù)責(zé)航天器和主干網(wǎng)建立連接和數(shù)據(jù)交換的設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。星座或編隊(duì)飛行網(wǎng)絡(luò)(Inter－spacecraft Networks)是由協(xié)作飛行的航天器(星座)或衛(wèi)星編隊(duì)內(nèi)用于交換數(shù)據(jù)的星間鏈路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。近距無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(Pro－ximity Wireless Networks)是指在主航天器與其他航天器之間建立的網(wǎng)絡(luò)。

3． 2 空間互聯(lián)網(wǎng)路由器計(jì)劃

1996年，美國(guó)就開(kāi)啟了空間互聯(lián)網(wǎng)路由器的研發(fā)歷程［15］。1996年，NASA的JPL為STRV－1b衛(wèi)星上的一個(gè)軟件分配了一個(gè)IP地址，開(kāi)始進(jìn)行通信測(cè)試。2000年，NASA在 UoSAT－12衛(wèi)星上載TCP/IP堆棧，采用了IP技術(shù)。2003年1月，NASA發(fā)射了芯片衛(wèi)星，使用了TCP/IP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與所有地面站的通信。2003年9月，美國(guó)思科公司的CLEO移動(dòng)路由器搭載“英國(guó)－災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座”(UK－DMC進(jìn)入太空，并首次驗(yàn)證了DTN技術(shù)。2005年9月，思科的CLEO經(jīng)過(guò)兩年的測(cè)試，證明了空間IP協(xié)議通信的可行性。2007年，美國(guó)國(guó)防部、思科公司和國(guó)際通信衛(wèi)星公司啟動(dòng)了空間互聯(lián)網(wǎng)路由項(xiàng)目(IRIS，Internet Routing in Space)，旨在利用地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)空間路由器的互聯(lián)網(wǎng)功能。使用IRIS路由器后，原來(lái)的“雙跳”(double－h(huán)op)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸方式，變成“單跳”傳輸方式，不必通過(guò)地面遠(yuǎn)程端口，直接經(jīng)由衛(wèi)星提供IP路由，減少了通信帶寬占用率，也降低了傳輸中的數(shù)據(jù)延遲，提升了數(shù)據(jù)傳輸量和通信鏈路的效率及靈活性。IRIS支持話音、數(shù)據(jù)和視頻通信，能使用小型天線。2009年11月，世界上第一臺(tái)IRIS進(jìn)入太空，在進(jìn)行兩個(gè)月的調(diào)試及三個(gè)月的軍用測(cè)試后，開(kāi)始了為期一年的商用測(cè)試。期間，地面人員對(duì)IRIS的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(IOS)進(jìn)行了升級(jí)。2010年12月，IRIS路由器實(shí)現(xiàn)了在不利用任何地面設(shè)施的情況下，完成了首次網(wǎng)絡(luò)通話(VoIP)。2011年5月7日，美國(guó)空軍的GEO－1衛(wèi)星發(fā)射升空，也搭載了 IRIS路由器，目前，IRIS已基本完成商業(yè)化運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備。

3． 3 空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議試驗(yàn)情況

2000年10月，美國(guó)JPL啟動(dòng)下一代空間互聯(lián)網(wǎng)(NGSI)項(xiàng)目，開(kāi)展研究多協(xié)議標(biāo)簽交換協(xié)議和移動(dòng)IP等問(wèn)題，提出了一系列基于CCSDS的空間互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議［4］。2001年，美國(guó)哥達(dá)德航天中心啟動(dòng)了OMNI(Operating Mission as Nodes on the Internet)項(xiàng)目，開(kāi)展利用地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)空間通信的研究，論證了將地面IP協(xié)議應(yīng)用到空間的可行性，為在軌航天器接入互聯(lián)網(wǎng)提供了技術(shù)支撐。2002年，Intel公司的Fall等人提出了DTN網(wǎng)絡(luò)概念，用以實(shí)現(xiàn)行星際互聯(lián)網(wǎng)所需的體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議［9］。2003年9月，美國(guó)NASA通過(guò)英國(guó)的“災(zāi)害監(jiān)視星座”(DMC)衛(wèi)星，利用DTN協(xié)議成功傳輸了圖像數(shù)據(jù)，首次驗(yàn)證了 DTN星際互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議。2008年11月，美國(guó)JPL利用DTN協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的測(cè)試，成功實(shí)現(xiàn)地面與距離地球32萬(wàn)公里的空間探測(cè)器之間的圖像往返傳輸，整個(gè)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了10個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)是位于太空的空間探測(cè)器，其他9個(gè)節(jié)點(diǎn)位于地面，仿真模擬了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這是空間互聯(lián)網(wǎng)的首輪成功測(cè)試。2009年5月，研究人員從國(guó)際空間站向太空發(fā)射了第一個(gè)基于DTN協(xié)議的永久節(jié)點(diǎn)，開(kāi)展了高強(qiáng)度測(cè)試，希望一年之內(nèi)允許宇航員直接訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。2010年1月23日，航天員從國(guó)際空間站成功發(fā)送首條Twitter信息。2012年11月，美國(guó)NASA和歐洲航天局(ESA)宣布，已經(jīng)成功測(cè)試DTN協(xié)議，國(guó)際空間站上的宇航員使用專用計(jì)算機(jī)，通過(guò)DTN協(xié)議控制了位于德國(guó)的歐洲航天指揮中心的機(jī)器人，并稱DTN協(xié)議將成為未來(lái)行星間互聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)［16］。

3． 4 俄羅斯空間互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃

2010年12月22日，俄羅斯宣布，正在計(jì)劃構(gòu)建“Kosmonet”空間互聯(lián)網(wǎng)［17］。“Kosmonet”網(wǎng)絡(luò)是在俄羅斯目前的“信使”多用途通信衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)的，其主要任務(wù)是提高空間通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，保證航天器或飛行器與地面間的通信與控制，為俄羅斯偏遠(yuǎn)地區(qū)及全球提供語(yǔ)音、寬帶上網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)廣播、視頻會(huì)議和短信息等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能。俄羅斯計(jì)劃在太空部署48顆衛(wèi)星，所有衛(wèi)星都位于1 500 km高度的低軌道運(yùn)行，預(yù)計(jì)建設(shè)投資200億盧布，擬在5年內(nèi)完成衛(wèi)星部署，全面實(shí)現(xiàn)空間互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

3． 5 “O3B”空間互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃

目前，由于地理、經(jīng)濟(jì)、科技等因素，造成全球還有30億人未能接入互聯(lián)網(wǎng)。為此，Google、衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商 SES、匯豐銀行、Liberty Globa和John Malone等公司投資成立了O3B公司，提出了O3B空間互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，旨在讓無(wú)法享受地面互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)的“其他30 億人”(Other 3 Billion)接入互聯(lián)網(wǎng)［17］。O3B計(jì)劃發(fā)射16顆MEO衛(wèi)星，通過(guò)載有空間路由器的近地衛(wèi)星向全球發(fā)展中國(guó)家或地區(qū)發(fā)射無(wú)線上網(wǎng)信號(hào)，初步提供10 Gb/s的數(shù)據(jù)服務(wù)，使其他30億人享受到廉價(jià)的地面互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)。2013年6月25日，O3B計(jì)劃的首批4枚衛(wèi)星發(fā)射成功。2014年7月10日，第二批四枚O3B衛(wèi)星進(jìn)入太空，與前四枚衛(wèi)星一起組成一個(gè)由八顆衛(wèi)星建立起來(lái)的的全球互聯(lián)網(wǎng)框架基礎(chǔ)。2014年9月，O3B公司宣布，由8顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群已開(kāi)始全面運(yùn)營(yíng)，可以提供600 Mb/s的中繼帶寬，而時(shí)延不超過(guò)150 ms，相關(guān)服務(wù)指標(biāo)均達(dá)到或超出了協(xié)議要求。此外，F(xiàn)acebook和MDIF公司，也計(jì)劃與美國(guó)NASA合作發(fā)射衛(wèi)星，發(fā)展自己的空間互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，利用衛(wèi)星或無(wú)人機(jī)等技術(shù)，讓信息基礎(chǔ)薄弱地區(qū)的用戶接入互聯(lián)網(wǎng)。

4 空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面臨的問(wèn)題

空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)歷了近二十多年的研究和實(shí)踐，得到了快速的發(fā)展，但要實(shí)現(xiàn)空間互聯(lián)網(wǎng)的完全能力目標(biāo)還面臨如下幾方面的主要問(wèn)題［8－9，18］:

1)網(wǎng)絡(luò)存在物理環(huán)路?？臻g互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)接入隨意性大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域存在物理環(huán)路，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)引起數(shù)據(jù)惡性循環(huán)的發(fā)送，導(dǎo)致區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的中斷。

2)傳輸距離遠(yuǎn)，時(shí)延大，誤碼率高?？臻g互聯(lián)網(wǎng)中的各資源相距較遠(yuǎn)，如地面設(shè)施、空間衛(wèi)星與其他航天器距離較遠(yuǎn)，造成通信時(shí)延大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路易受到空間環(huán)境的干擾，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，給研發(fā)可靠性的傳輸協(xié)議帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

3)空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不完善。目前發(fā)展的三類空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，都存在一定的問(wèn)題，缺少與地面互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議兼容，并且效率低，花費(fèi)大，也不能適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展變化，離全面實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)功能的指標(biāo)要求還有差距。

4)空間網(wǎng)絡(luò)帶寬受限。目前，空間互聯(lián)網(wǎng)的帶寬和地面互聯(lián)網(wǎng)提供的通信帶寬嚴(yán)重不對(duì)稱，有的只有單向信道，還不能提供類似地面互聯(lián)網(wǎng)的寬帶骨干通信網(wǎng)絡(luò)，使得擁有海量信息的一方無(wú)法與使用方建立足夠的連接，制約了空間資源的互聯(lián)互操作。

5)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通問(wèn)題?？臻g互聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)類型繁多，不同鏈路組成的子網(wǎng)絡(luò)采用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)兼容、多平臺(tái)互通及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互操作，是空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展面臨的主要難題。

6)安全性問(wèn)題?？臻g互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，極易受到來(lái)自地面、空中或天基武器的物理攻擊，加之許多技術(shù)還不成熟，相對(duì)于地面互聯(lián)網(wǎng)更易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾悦媾R著嚴(yán)峻問(wèn)題。

7)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展問(wèn)題。空間網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是一個(gè)逐步完善的過(guò)程，建設(shè)時(shí)間跨度大，期間會(huì)不斷出現(xiàn)新的技術(shù)和新的業(yè)務(wù)，要求空間互聯(lián)網(wǎng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)所有接入資源的互聯(lián)互通。

5 空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)地面互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和空間應(yīng)用的未來(lái)需求，空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將向如下幾個(gè)方面發(fā)展［4，6，18，19］:

1)優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)?？臻g互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模龐大、涉及面廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、業(yè)務(wù)繁多，并且網(wǎng)絡(luò)的伸縮性強(qiáng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)和合理優(yōu)化，將是未來(lái)空間互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向之一。

2)完善網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。目前正在發(fā)展的三類空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，各有利弊，也都存在一定的缺點(diǎn)，需要不斷完善，以適應(yīng)未來(lái)空間通信的要求，其中，DTN協(xié)議最適合于空間通信環(huán)境，將是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

3)發(fā)展空間網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)?？臻g路由器是空間互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，是執(zhí)行空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要部件，但由于空間環(huán)境特殊，數(shù)據(jù)鏈路誤碼率高、時(shí)延大、實(shí)時(shí)性要求高，給空間路由器的研制帶來(lái)很大困難。因此，改進(jìn)路由和交換協(xié)議、提高空間信息處理能力、研發(fā)高性能的路由器將是未來(lái)空間互聯(lián)網(wǎng)的主要發(fā)展方向。

4)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)管理是空間互聯(lián)網(wǎng)的核心，承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)視和預(yù)警、空間資源的分配和管理等任務(wù)。因此，要使高度復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和異構(gòu)的空間互聯(lián)網(wǎng)能夠高效、可靠運(yùn)行，必須研發(fā)出有效的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。

5)研發(fā)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)?？臻g互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)龐大、接入方便、環(huán)境開(kāi)放，易受物理和網(wǎng)絡(luò)攻擊，其安全性和保密性相對(duì)于地面互聯(lián)網(wǎng)比較低。因此，在未來(lái)的設(shè)計(jì)中，研發(fā)安全防護(hù)技術(shù)、安全標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和保密性能好的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，提高網(wǎng)絡(luò)的生存能力，將是各方關(guān)注的重點(diǎn)。

6)發(fā)展寬帶通信技術(shù)?？臻g互聯(lián)網(wǎng)面臨著通信速率低、帶寬小等問(wèn)題，制約了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。因此，在發(fā)展空間互聯(lián)網(wǎng)專用技術(shù)的同時(shí)，全球?qū)⒗^續(xù)發(fā)展空間通信技術(shù)，以提升空間通信的速率和質(zhì)量，如天線組陣技術(shù)、高效調(diào)制技術(shù)、寬帶射頻技術(shù)、高效編碼技術(shù)、信源壓縮技術(shù)、激光通信技術(shù)等。其中，空間激光通信技術(shù)具有良好的抗干擾和抗截獲性、通信帶寬大、數(shù)據(jù)速率高、天線小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，將是空間通信的重點(diǎn)發(fā)展方向。

6 結(jié)語(yǔ)

空間互聯(lián)網(wǎng)是地面互聯(lián)網(wǎng)向空中、太空空間的延伸和拓展，是實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)互通的基礎(chǔ)支撐，是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，空間互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展中還面臨著許多需要解決的問(wèn)題，隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是人類對(duì)空間應(yīng)用的旺盛需求，將推動(dòng)空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速穩(wěn)步前進(jìn)。

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