9-2-w011基于信息中心网络的未来天地一体化信息网络(公开).doc

基于信息中心网络的未来天地一体化信息网络赵康僆1 孙智立1,2 张乃通1,31. 南京大学， 南京 210093E-mail: 2. 萨里大学，英国E-mail: z.sunee.surrey.ac.uk3. 哈尔滨工业大学， 哈尔滨 150001E-mail: 摘 要:随着空间信息感知技术的发展，各类空间信息系统在国民经济建设、国家安全等领域正发挥着无可替代的重要作用。建设天基骨干网络并与地面互联网相融合实现天地一体化信息传输对于我国空间信息的实时获取、高效传输、充分利用至关重要。本文从未来天地一体化信息网络发展的需求出发，针对卫星通信固有的广域覆盖与广播优势以及高动态、弱链路等约束，分析卫星组网并实现与地面网络融合的过程中所面临的主要挑战。在简单回顾欧美等空间信息网络强国发展现状的基础上，着重研究新型信息中心网络技术在建设未来天地一体化信息网络中与传统IP网络相比所具备的主要优势和有待突破的关键技术，探索适应卫星通信特殊条件的未来天地一体化信息网络架构。关键词: 未来网络， 信息中心网络，天地一体化网络Information Centric Network (ICN) based Future Space-Terrestrial Integrated Information NetworkZHAO Kanglian1 SUN Zhili1,2 ZHANG Naitong1,31. Nanjing University, Nanjing 210093E-mail: 2. University of Surrey, United KingdomE-mail: z.sunee.surrey.ac.uk3. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001E-mail: Abstract: With the flourish of the space sensing technology, various space information systems are playing an irreplaceable role in Chinas economy, national security, and etc. The implementation of the space-based backhaul and its integration with the terrestrial internet is the key point to achieve real-time information acquisition, efficient transmission and the full utilization of the shared information. In this paper, we study the demand of developing space-terrestrial integrated information network. Considering the advantages of satellite communications, such as its wide coverage and the inherent broadcast communication, and the disadvantages, such as high mobility and weak link, we analyze the main challenges for the integration of the space and terrestrial network. After a brief review of the state-of-the-art practice in those leading countries in space information network, such as the United States or the European Union, we focus on the advantages of the new information centric network over the traditional IP network and we also propose the key technologies which are expected to be developed. New network architecture are expected for future space-terrestrial integrated information network. Key Words: Future Internet, Information Centric Networks, Space-Terrestrial Integrated Networks*资助项目：受江苏省未来网络创新研究院未来网络前瞻性研究项目资助支持。（编号：BY2013095-3-10）1 引言在过去半个世纪中，信息网络从最初的若干台计算机互联实现实验数据共享发展到今天已经成为全球社会经济生活不可或缺的重要基础设施，满足人们获取信息、处理信息和分享信息的基本需求。随着信息技术的进步与业务需求的发展，传统地面信息网络也逐渐演化发展出无线自组织网络、移动互联网、物联网、网格、云、未来网络等各种各样不同的形式或分支，网络架构、协议体系与相关关键技术正不断发展演进1。由各类卫星或各类航天器组成的实现信息获取、处理与传输的网络系统称为天基信息网络2，是传统地面信息网络的重要补充。从信息网络发展之初，卫星一直发挥着至关重要的作用。由于卫星通信具有覆盖范围广、广播特性等天然的优势，通信卫星始终是通信网络的重要形式，也是实现真正意义全球无缝覆盖的基本保障3。其次，各类专用卫星系统，包括测绘、环境、气象、海洋、导航定位等，可以看作是一类特殊的传感器节点，能够提供地球表面无法获得的信息。同时，随着小卫星（如Cubesat）、运载火箭（如SpaceX）等空间技术的发展和普及，发射卫星获取空间信息的成本已大大下降，对于小型企业、机构甚至是个人不再是遥不可及的梦想。在可预见的未来，空间信息技术将不再仅仅服务于国家安全、应急救灾、环境气象等特殊行业，而将如同智能手机、导航定位等技术一样，催生各类创新应用和服务，推动经济产业快速发展，而为了保障空间信息实时高效可靠传输，各类空间信息系统需要天基信息网络的支持。此外，各类航天器，包括卫星、空间站、探测器、着陆器等，自身具有测控和信息获取、传输、处理、共享的需求，需要天基信息网络支持。然而，无论是在国内还是国外，各类卫星、航天器系统通常按照不同的功能需求独立发展，形成条块分割、自成体系的发展局面，导致一方面难以实现信息充分共享，信息需求无法得到充分满足；另一方面又造成大量设施重复建设、资源闲置的发展局面。当然，我们也应看到，受卫星平台技术、系统开发成本、行业划分等客观因素的影响，空间信息系统发展“烟囱林立”的局面有其必然性，各种专业空间信息系统难以统一整合替代。由于各类空间信息系统在信息获取、传输中具有不可替代的作用，未来信息网络发展必然要求突破当前以地面网络为主体的发展局面，形成未来天地一体化信息网络。面向我国当前对空间信息获取、传输、共享的迫切需求，本文将从天基信息网络的定位出发，针对国内一体化信息网络发展的问题与挑战，着重探讨未来天地一体化信息网络可采用的网络架构与相应的协议体系，应具有智能化信息获取、存储、传输、处理、融合和分发的能力，且具备一定的自主运行和管理能力。2 我国天地一体化信息网络的定位与目标目前全球再贵卫星数量超过1000颗，其中我国各类卫星超过100颗，包括各类专用卫星：资源、测绘、环境、海洋、气象、通信、北斗导航定位系统、天链中继星，以及空间站等。随着对于空间信息与服务的迫切需求，我国空间信息系统正加紧建设，预计到2020年，在轨卫星数量将超过200颗。通过星间、星地链路将不同轨道、种类、性能的飞行器及相应地应用设施和应用系统连接在一起，按照空间信息资源的最大有效利用原则所组成的信息网络称为天地一体化信息网络4-6。未来天地一体化信息网络的发展将通过网络化打破各种信息系统分散独立“烟囱式”的发展局面，其中天基信息网络是发展的主体，地面互联网是其承载网，其发展方向是各种信息系统的综合7：（1） 实现三大卫星通信系统的综合：卫星固定通信、卫星移动通信、卫星广播；（2） 实现三大卫星应用系统的综合：卫星通信、卫星对地观测、卫星导航定位；（3） 实现三大通信领域的综合：空间通信，临近空间通信，地面通信；（4） 实现三大通信类型的综合：人与人通信，人与物通信，物与物通信。3 天地一体化信息网络架构3.1 网络架构与实现形式根据网络节点间的关系，借用互联网先驱Paul Baran提出的网络架构概念8并稍做调整，网络可分为集中式网络（centralized network）和分散式网络（decentralized network），而分散式网络又可进一步划分为分布式网络（distributed network）和联邦网络（federated network），如图 1所示。集中式网络通常有一个中心节点（服务器），所有节点都将数据发送到中心节点并转发给接收者。传统的专用卫星系统通常采用集中式网络架构，地面站、地面控制中心是整个系统的核心，其优势在于便于集中管理，功能接口统一，但是同样导致了当前系统孤立发展的现状。分布式网络没有中心服务器，节点间相互连接，数据通过路由按跳（hop）的方式到达接受者。联邦网络可以看作是若干集中式网络通过中心节点互联形成的分布式网络。图 1 不同网络架构示意8联邦网络的概念来源于政治制度中的联邦制度，指一组独立的实体或网络域在保持各自管理能力的基础上，通过构件的虚拟化，在相互独立的网络之上形成对虚拟构件的统一的或分布式的管理与调度能力，从而实现网络资源与信息的可协商共享。在联邦体系架构下，各独立网络管理者可根据各自情况，将网络中的各种资源提交给联邦网络上的其他用户共享，同时联邦网络也允许共享资源的随时进入与退出。联邦网络除了是一种异构网络互联互通的技术方案，本质上更是为资源所有者提供资源共享并与用户协商协作提供了一种实现机制。联邦的实现形式分为两种：分别是垂直联邦（vertical federation）和水平联邦（horizontal federation）9。垂直联邦指提供资源方通过接口向其他实体提供服务或资源，这类通过有限度的、静态的方式实现的联邦关系在现实中已较为普遍。与之相比，水平联邦更强调联邦成员通过相互协作、灵活的共享资源以实现共同目标。3.2 主要问题与挑战为实现未来天地一体化信息网络，尤其是其主体天基信息网络，我们面临的主要问题事实上来自于两方面，一是技术层面，一是经济文化层面。从技术层面而言，主要面临的挑战包括：（1）多年以来空间信息系统发展形成的复杂异构的网络环境：各类专用、通用网络协议，不同的物理层标准使得系统之间难以兼容，网络环境各不相同，通过协议体系的设计克服网络异构是技术上面临的首要挑战；（2）安全性、可靠性问题：如何保障资源的安全共享是实现一体化的关键；复杂网络环境面临的网络要素的不可靠问题，也需要通过网络管理功能的设计加以避免与克服；（3）空间通信中的特殊问题：空间传输中面临较大的路径损耗；较长的通信时延（GEO卫星单向至少128ms的时延）；尽管空间节点轨迹可以预测，但是LEO卫星节点高速运动，通信链路、网络拓扑面临高度动态的特性；受信道质量、节点轨道变化的影响，可能出现较长的中断；空间节点处理能力严重受限等，这些问题都不同于传统地面网络，需要专门应对。相较于技术层面的问题，更难以突破的或许是经济文化层面的问题。此前，我们已经指出，空间信息系统发展出现的条块分割相互独立的现象有其发展的必然性。无论国内国外，从长远来看，各类专用卫星系统依然会掌握在不同的运营机构或行业单位手中。不同的主体对空间信息系统有不同的需求，如何平衡网络运营商、资源提供者和用户之间的利益关系是能否实现真正意义上的天地一体化信息网络的核心问题。3.3 实现形式根据以上对网络架构和主要问题与挑战的分析，我们建议以水平联邦网络架构实现未来天地一体化信息网络，打破信息共享的各种壁垒，实现空间信息的高效充分共享。事实上，通过联邦网络形式实现复杂网络互联在地面未来网络研究中同样也是当前关注的焦点，美国GENI，欧盟FIRE项目都在考虑通过联邦技术研究除了TCP/IP外可能的未来网络形式，并建立了多个联邦网络测试床10。对于空间信息的获取，由于负责信息获取的卫星系统大部分都运行在LEO轨道，以12小时为周期围绕地区运动，一般信息传输主要集中在卫星飞过地面站上空的窗口期，通信时间通常在10分钟或更短。传统的信息共享发生在数据回传处理之后，有较长的延迟。因此，为了保证信息的时效性，天地一体化信息网络架构设计中一个普遍关注的问题在于通信覆盖问题。通过设备保障7/24不中断的信息传输是未来天地一体化信息骨干网络具体实现形式的主要设计目标，目前主要包含以下三种：图 2 基于IP网络和VPN的联邦地面站网络（1）联邦地面站网络11：各国机构、公司、企业甚至高校在全球范围已建立了大量地面站设施，通过地面站间的联邦互联，能够提供更多数据回传窗口，提高信息获取的实时性。需要明确的是这一方案不同于NASA的近地网络（NEN），由于NEN中的大部分地面站都属于NASA所有，因此实现地面站互联较为简单，联邦地面站网络强调不同机构间地面站的协作。其优势在于可以充分调动现有地面站资源，降低建设成本和周期。其主要问题在于该方案不适用于国家安全等应用场景。图 2是一个基于IP和VPN的联邦地面站网络的示意图。（2）带星间链路的GEO数据中继实现联邦天基信息网络美国NASA的TDRSS，日本JAXA的DRTSS和欧盟ESA的EDRS等一定程度上都属于这一实现方式。如同实现地面覆盖一样，空间中的3颗GEO卫星同样可以保障非常高的可用性（两极地区无法覆盖，当然可通过增加高椭圆轨道（HEO）卫星实现全球无缝覆盖）。相对于地面站方案，由于GEO与LEO轨道之间距离的增长，可实现的通信速率将大大下降，以为例，INMARSAT4提供的LEO卫星数据传输设备仅支持最高475kbps的速率，与LEO卫星与地面站之间10Mbps甚至更高的通信速率差距较大。但其优势在于可自主建设，不受地面设站限制的影响，通过统一的由若干颗GEO+HEO组成的天基骨干网络可较快速的实现7/24的信息获取能力。图 3 GEO中继联邦信息网络（3）联邦卫星机会传输网络12最近12中提出了利用LEO卫星相互之间的联邦机制，将LEO自身的通信资源进行共享，通过LEO卫星的星间链路利用机会传输提高卫星数据传输概率的联邦卫星方案。与前两种方案不同，在未来小卫星模块化技术进一步成熟的条件下，该方案或许是一种能够实现完全分布式自动化管理、无须专门机构运营的自组织天基信息网络的方案。但是，由于资源共享完全自愿、成本自担，当联邦卫星数量达不到一定数量时，就有较大的失败风险。考虑到我国空间信息获取共享的迫切需求与现有基础，方案2或方案2与方案1的结合可能是实现我国未来天地一体化信息骨干网络的主要形式。3.4 关键技术根据以上分析，横向联邦天地一体化信息网络涉及的关键技术包括：（1）星间链路技术，星间链路是实现空间信息系统互联互通的关键技术，有无线电和激光两种形式，无线电技术较为成熟，但是通信带宽较窄，频谱资源面临枯竭；激光通信的通信速率高，但技术还未完全成熟，有待进一步完善。星间链路必须保障可靠的高动态接入，此外，还需要多波束天线提高GEO中继卫星系统的系统容量；（2）网络协议体系，是实现天地一体化信息网络的核心。考虑到空间信息系统多采用专用通信协议（如CCSDS建议的系列协议等），地面网络目前主要以TCP/IP协议体系为主，各种网络具有复杂异构的特性，要实现天地一体化必须考虑协议体系保障复杂异构网络的互联互通，同时，考虑空间通信中面临的各项挑战，未来天地一体化信息网络协议体系还必须克服节点资源严重受限、大动态、较长时延、可能的中断等不同于传统地面网络的各种问题；（3）资源构件虚拟化技术：联邦网络中资源的共享依赖于资源构件的虚拟化，包括网络设备核心功能的分解与组件化，同时这些核心组件或服务应抽象为统一的层次化API接口从而保证跨网络功能、资源的发现与调用；（4）联邦网络安全与管理技术：资源共享是发展天地一体化信息网络的主要任务，联邦机制是实现共享的主要手段，安全可控是其主要保障。通过有效的网络管理机制实现高效的资源发现、请求、授权、计价、释放是联邦网络的核心管理功能。4 天一体化信息网络协议体系在前述网络架构基础上，我们进一步讨论实现天地一体化网络可行的协议体系形式。4.1 现有协议体系4.1.1 TCP/IP协议TCP/IP协议是当前地面互联网的主要形式，然而当把TCP/IP协议应用与卫星网络或天基信息网络时（仅考虑GEO以下的近地网络），面临以下四方面的主要挑战：（1）较长的时延：GEO一跳的延时超过256ms，较大的网络传播时延对TCP协议是一个巨大的挑战；（2）可能的中断：与时延类似，空间节点运行中可能出现的中断，例如即使采用GEO覆盖，在两极区域仍会存在通信中断情况，TCP协议难以保障中断后的通信自我恢复；（3）网络拓扑动态变化：由于LEO高速运动，与骨干网络的连接会造成拓扑的动态变化，包括IP地址的变化，会对TCP/IP协议造成比较大的困扰； （4）严峻的安全性问题：一系列TCP性能增强协议（PEP）通过TCP连接的分段在某种程度上克服长时延的影响，Mobile IP等协议也可以在一定程度上解决动态接入问题，然而这类改进都将破坏原本协议分层的完整性，造成重大的安全隐患。因此，虽然商用TCP/IP协议已经开展过在轨实验13，验证了其可用性，并且由于其较低的开发应用成本而受到欢迎，但是面向地面计算机互联开发的TCP/IP协议体系本身对于天基信息网络依然存在大量适应性改进的问题。4.1.2 CCSDS协议1982年，国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）由全球主要航天组织机构联合成立，负责开发和建立适应航天测控和空间数据传输系统的各种通信协议和数据传输规范，旨在促进不同航天机构间的资源共享，增强系统的互联互通能力，减少航天发展的风险、时间、代价。CCSDS协议体系14，如图 4所示，专为空间链路设计，针对传输距离远、节点动态性高、链路时延变化大、链路不对称、间歇性的链路连接等问题进行优化。图 4 CCSDS协议体系为适应地面互联网的快速发展、与TCP/IP协议族兼容，CCSDS针对空间通信协议相继进行了多次修改和升级，2012年9月CCSDS发布了“IP over CCSDS Space Links”蓝皮书，允许在网络层使用地面互联网IPv4和IPv6数据包，并参考地面IP技术开发了一套涵盖网络层到应用层的空间通信协议规范：SCPS-FP（文件协议）、SCPS-TP（传输协议）、SCPS-NP（网络协议）、SCPS-SP（安全协议）等，在其空间链路层协议（AOS、TC、TM、Proximity-1）上实现IP数据分组的传输。CCSDS协议体系的问题主要在于：（1）难以与地面互联网直接互操作，需要进行协议转换；（2）静态路由支持能力强，但动态接入能力差。4.1.3 DTN协议容迟容断网络（Disruption/Delay Tolerant Networking，DTN）15是NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Lab，JPL）针对星际互联网的研究提出的一种协议体系。DTN体系结构如图 5所示，它在应用层之下传输层之上引入了一个Bundle层（覆盖层），并通过使用存储转发方式克服网络的间歇中断问题。Bundle层提供了类似于网关的功能，在各个底层协议之间（如TCP/IP、CCSDS等）提供互操作性，具有节点命名、保管传输、优先级划分等功能。DTN通过存储转发方式解决了网络中存在的间断连接、长时延、数据传输速率不对称、误码率高等问题。存储转发方式将信息从一个存储节点传送到另一个节点，最终到达目的节点。由于空间飞行器运行轨迹通常是可预测的，在JPL星际覆盖网络（ION）的DTN实现中采用了连接图路由（Contact Graph Routing，CGR），利用已知的连接计划（contact plan）寻找最优的传播路径。图 5 DTN协议模型DTN协议体系目前还处于研究阶段，标准的制定刚刚起步，主要存在如下几方面的问题：（1）可靠性问题：目前Bundle层协议无法解决可靠性问题，它没有面向错误探测，拒收破损的Bundle或Bundle元数据的校验的支持。（2）拥塞控制问题：拥塞控制是互联网协议研究中的热点问题，但在DTN中这方面的研究还比较缺乏。4.1.4 ICN协议为解决地面TCP/IP在可扩展性、动态接入和安全可控方面的问题，实现高度可扩展、高效分发、支持移动接入的安全可控网络，已有多种演进式的(evolutional)或变革性的(clean-slate)未来网络体系架构被提出来。其中，基于NDO（named data objects）的未来网络体系架构正受到广泛而深入的研究，这类网络又被称为ICN（information-centric networking）16，与之相对，当前的网络架构也被称为HCN（host-centric networking）。与DTN相类似，ICN主要利用网络缓存（caching）技术，基于副本的多方通信和将发送与接收脱钩等技术实现高效可靠的内容分发；通过NDO，分离身份与位置，克服IP网络中对移动接入支持较差的问题；通过命名数据完整性和NDO的来源验证，提供安全保障。由此，ICN可以很好的解决现有网络体系架构中的核心问题。当前ICN具备的一系列共同的关键功能包括：（1）命名（naming）：对信息的命名是ICN体系架构的关键特征，在各类项目中命名与位置相独立，起到将位置与身份相分离的作用，克服了IP网络中IP地址既是身份标志又是实际地址的问题。ICN中的命名方式分为两类，一是扁平化的（flat），一是层次化的（hierarchical）。（2）命名解析（name resolution）与数据路由（data routing）：命名解析是指将信息命名与能够提供相应信息的提供者/信源建立起映射关系，而数据路由指从信息提供者到请求主机（requesting host）之间建立起传输信息的通道。在TCP/IP架构中，两者是统一的，而在ICN架构中，数据路由可依赖与命名解析，例如NDN，也可以是完全独立的，例如PURSUIT。（3）缓存（Caching）：在ICN架构中，各个节点中的存储设备可以作为缓存，提供类似P2P的数据传输模式以及类似DTN的功能。可实现on-path caching或off-path caching，其主要差别在于on-path caching只采用信息请求（information request）所通过的路径上的缓存内容，不需要额外的命名解析；而off-path caching中的缓存相当于普通的信息发布者，需要命名解析的支持。（4）移动性（mobility）：信息订阅者（subscriber）的移动性在ICN中是先天支持的，因为订阅者在切换后只需要发出新的信息请求即可。而发布者（publisher）的移动性则由于需要更新命名解析系统和路由表而显得较为困难。（5）安全性（security）：在ICN中，通过分离信息与信息传输的路径，基本的安全模型由传统的保障点对点的传输安全转变为内容安全。同时，安全性与命名方式紧密相连：采用扁平化命名，命名方式属于机读方式，但可包含内容校验，实现自验证；采用层次化命名类似url，命名内容可读，但是需要额外的信任关系来保障安全。目前，基于ICN体系架构的研究主要集中在以上五个方面，与第3节中讨论的主要问题相比较，ICN协议体系对于天地一体化信息网络面临的问题与挑战具有较好的针对性。4.2 基于ICDTN的未来天地一体化信息网络对于ICN和DTN两类新型网络协议体系，DTN起源于深空通信的研究，而ICN起源于地面网络协议的演进，在天地一体化信息网络的发展中，两者的交融有望实现适应于天地一体化的主要挑战的未来网络协议体系：（1）ICN、DTN都可以通过覆盖网络的形式实现，能够很好的兼容各种底层通信协议，具有良好的支持异构网络互联互通的能力；（2）缓存技术是ICN和DTN中共同的核心技术，都具有存储转发的能力，因此能够（a）克服IP协议动态接入较差的问题，实现对网络节点高动态支持；（b）实现延迟和中断的容忍能力；（3）支持信息命名机制，信息命名与路由是ICN的一项关键技术，DTN不支持信息路由，但同样支持信息命名机制，因此在DTN基础上能够实现ICN机制17；（4）DTN相对成熟的协议体系能够帮助在空间信息网络中快速部署ICN协议机制，而类似信息路由、发布/注册等机制对于骨干节点能力严重受限的天基信息网络具有重要的价值。图 6 ICDTN协议体系5 结论未来天地一体化信息网络发展的目标是通过天地一体化的手段实现高效的信息获取、传输、处理和共享，当前的主要任务是建设能够联通各种空间信息系统的天基骨干信息网络。就可实现的功能与作用而言，与当前地面互联网一样，天地一体化信息网络将会成为未来国民经济建设的一项重要基础设施。在分析各类网络架构和现有协议体系的基础上，考虑各种空间信息系统的发展现状和趋势以及面临的主要挑战，我们建议采用横向联邦网络架构实现网络资源的充分共享，实现打破“烟囱林立”发展局面这一根本目标，同时，通过研究和发展ICDTN协议体系真正实现未来天地一体化信息网络。参考文献1 Matsubara D., Egawa T., Nishinaga N. 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