深空通信网络协议的发展与展望
发布时间：2020-07-22 04:45
【摘要】：分析了发展深空通信网络的需求,结合深空通信网络的特点,对深空通信网络协议体系和路由策略等的技术现状进行了综述,对其中的关键技术进行了分析,并对深空通信网络的未来发展进行了展望。
【图文】：
恪Ｆ渲校噢恳徊阌职闼ㄈ舾?子层及多种可供组合的协议。对不同的通信场景，CCSDS定义了4种数据链路层协议：用于遥测的TM协议[14]、用于遥控的TC[15]协议、高级在轨系统AOS协议[16]和近距离Proximity-1通信协议[17]。而针对网络层，针对不同应用，CCSDS建议采用空间分组协议（SPP）[18]、SCPS-NP或成熟的TCP/IP协议族[19]。在传输层及应用层，则可选用SCPS-SP[20]、CCSDS文件传输协议等协议。空间通信协议规范(SCPS,spacecommunicationprotocolspecification)于1999年提出，其针对空间图1CCSDS标准网络体系架构2016133-3
渴鸹?于TCP/IP的互联网络并同时建立适用于长延迟、高误码率信道的IPN空间骨干网络，用于连接这些外部网及行星网，创建低延时与高延时环境的中继网关[30]。通过研究发现，在通信时延高、信道误码率大的深空空间环境中，数据传输只能通过逐跳（hop-by-hop）传输的形式。2002年，Intel公司伯克利研究实验室Fall等科学家首次提出了DTN的概念[31,32]，并于2007年公布了第一份体系结构文档——RFC4838[33]，针对DTN网络的发展目标，应用背景和运行机制等给出了系统的说明，其网络协议体系结构如图2所示。图2DTN网络协议体系结构DTN网络的核心是Bundle层[34]，它是一种面向消息的端到端的覆盖层，位于传输层和应用层之间，形成一个网络覆盖层。为了互操作性，Bundle层的命名采用统一的资源识别符，可用同样的命名语法来封装多种命名寻址模式。Bundle层提供了一种近似于网关（gateway）的功能，兼容底层各个协议，为它们提供了一定的互操作性。Bundle层分为3个子层，其中，应用代理子层的功能是为Bundle层与应用层提供接口服务,Bundle层协议运行在协议代理子层，汇聚层则负责Bundle层协议与下层协议的协议转换及接口处理工作，使Bundle层能够独立于下层协议之上[34]。DTN网络协议是以Bundle协议为核心构建的，且兼容CCSDS及TCP/IP协议体系，包括以下协议。1)Bundle协议Bundle协议[35]由DTNRG提出，是一种覆盖层协议，运行于Bundle层，主要功能包括：基于保管方式的重传机制、处理链路时断时续的情况、可利用预先设定、预测和随机的链路连接、覆盖层端绑定网络终端标识符并形成网络地址[36]。2016133-4
·56·通信学报第37卷图3算法所需先验知识与算法预期性能关系基于链路代价的路由协议要求在数据分组传递过程中，中继节点首先需要对某一种或多种网络先验信息进行统计，并依照相应准则计算出转发链路代价函数，并以该结果决定数据直接转发或继续存储在节点中直至找到合适的链路。通过考察两节点间的链路通断规律，文献[48]介绍了以链路的最小评估期望时延（MEED,min-imumestimatedexpecteddelay）作为路由转发的代价函数，在链路最小评估期望时延的计算时，节点不需要全网络的先验知识，仅根据本地信息进行计算，同时在中间节点处进行路由重算，以保证中间节点对机会链路的利用率。文献[54]将以不同节点之间的分组转发概率为每条链路的代价值，提出了PRoPHET路由协议，该算法基于节点之间的历史相遇信息，网络中全部节点需要统计并保存一段时间内所有相遇节点的历史信息，并以该信息为判据，制定相应的路由策略。实验结果表明，在网络资源受限的前提下，其数据分组投递成功率比传染路由高约40%[54]。文献[55]在PRoPHET路由协议的基础上，针对节点短时间内多次可见引发的链路代价值增长过快等情况，进一步优化了路由策略，提高了PRoPHET路由协议在突发状况下的性能。文献[56]提出MaxProp协议，该协议利用最短路径算法评估消息传输的概率成本并对消息进行优先级划分，节点优先传输队列中优先级高的消息，网络发生拥塞时则删除优先级低的消息。文献[57]对传染路由算法、喷射等待路由算法、PRoPHET算法及MaxProp算法进行了比较，对4种算法的数据分组传输成功率（packetdeliveryratio）、传输代价（deliverycost）及平均数据分组传输时延（averagepacketdelay）进行了仿真实验，结果显示MaxProp算法具有更好的传输成功率及
【图文】：
恪Ｆ渲校噢恳徊阌职闼ㄈ舾?子层及多种可供组合的协议。对不同的通信场景，CCSDS定义了4种数据链路层协议：用于遥测的TM协议[14]、用于遥控的TC[15]协议、高级在轨系统AOS协议[16]和近距离Proximity-1通信协议[17]。而针对网络层，针对不同应用，CCSDS建议采用空间分组协议（SPP）[18]、SCPS-NP或成熟的TCP/IP协议族[19]。在传输层及应用层，则可选用SCPS-SP[20]、CCSDS文件传输协议等协议。空间通信协议规范(SCPS,spacecommunicationprotocolspecification)于1999年提出，其针对空间图1CCSDS标准网络体系架构2016133-3
渴鸹?于TCP/IP的互联网络并同时建立适用于长延迟、高误码率信道的IPN空间骨干网络，用于连接这些外部网及行星网，创建低延时与高延时环境的中继网关[30]。通过研究发现，在通信时延高、信道误码率大的深空空间环境中，数据传输只能通过逐跳（hop-by-hop）传输的形式。2002年，Intel公司伯克利研究实验室Fall等科学家首次提出了DTN的概念[31,32]，并于2007年公布了第一份体系结构文档——RFC4838[33]，针对DTN网络的发展目标，应用背景和运行机制等给出了系统的说明，其网络协议体系结构如图2所示。图2DTN网络协议体系结构DTN网络的核心是Bundle层[34]，它是一种面向消息的端到端的覆盖层，位于传输层和应用层之间，形成一个网络覆盖层。为了互操作性，Bundle层的命名采用统一的资源识别符，可用同样的命名语法来封装多种命名寻址模式。Bundle层提供了一种近似于网关（gateway）的功能，兼容底层各个协议，为它们提供了一定的互操作性。Bundle层分为3个子层，其中，应用代理子层的功能是为Bundle层与应用层提供接口服务,Bundle层协议运行在协议代理子层，汇聚层则负责Bundle层协议与下层协议的协议转换及接口处理工作，使Bundle层能够独立于下层协议之上[34]。DTN网络协议是以Bundle协议为核心构建的，且兼容CCSDS及TCP/IP协议体系，包括以下协议。1)Bundle协议Bundle协议[35]由DTNRG提出，是一种覆盖层协议，运行于Bundle层，主要功能包括：基于保管方式的重传机制、处理链路时断时续的情况、可利用预先设定、预测和随机的链路连接、覆盖层端绑定网络终端标识符并形成网络地址[36]。2016133-4
·56·通信学报第37卷图3算法所需先验知识与算法预期性能关系基于链路代价的路由协议要求在数据分组传递过程中，中继节点首先需要对某一种或多种网络先验信息进行统计，并依照相应准则计算出转发链路代价函数，并以该结果决定数据直接转发或继续存储在节点中直至找到合适的链路。通过考察两节点间的链路通断规律，文献[48]介绍了以链路的最小评估期望时延（MEED,min-imumestimatedexpecteddelay）作为路由转发的代价函数，在链路最小评估期望时延的计算时，节点不需要全网络的先验知识，仅根据本地信息进行计算，同时在中间节点处进行路由重算，以保证中间节点对机会链路的利用率。文献[54]将以不同节点之间的分组转发概率为每条链路的代价值，提出了PRoPHET路由协议，该算法基于节点之间的历史相遇信息，网络中全部节点需要统计并保存一段时间内所有相遇节点的历史信息，并以该信息为判据，制定相应的路由策略。实验结果表明，在网络资源受限的前提下，其数据分组投递成功率比传染路由高约40%[54]。文献[55]在PRoPHET路由协议的基础上，针对节点短时间内多次可见引发的链路代价值增长过快等情况，进一步优化了路由策略，提高了PRoPHET路由协议在突发状况下的性能。文献[56]提出MaxProp协议，该协议利用最短路径算法评估消息传输的概率成本并对消息进行优先级划分，节点优先传输队列中优先级高的消息，网络发生拥塞时则删除优先级低的消息。文献[57]对传染路由算法、喷射等待路由算法、PRoPHET算法及MaxProp算法进行了比较，对4种算法的数据分组传输成功率（packetdeliveryratio）、传输代价（deliverycost）及平均数据分组传输时延（averagepacketdelay）进行了仿真实验，结果显示MaxProp算法具有更好的传输成功率及
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