空间信息网络协议体系关键技术研究

The key challenges for space environment contain the interrupted network structure of large temporal-spacial scale and communication protocols in dynamic space network environment. For meeting above challenges, first, we propose a peer-to-peer heterogeneous networking model base on existing spacecraft resources, which include all kinds of medium, high and low earth orbit satellites, other spacecrafts, ground stations, ground users and so on. In order to establish the protocol stack and evaluate network performance, we give the abstract network topology model and the corresponding close-form solution. Second, since dynamic network environment introduces long delay, disruption, asymmetric link, high speed, hard convergence and complicated traffic, we propose a universal and effective network protocol architecture, which merges the famous network layers into three-dimensional protocol layers including the control panel, traffic panel and manage panel. And this network protocol architecture is able to maximize the network utility. Third, the detailed protocols of application layer, transport layer and network layer are given as follows: 1. we propose a cooperative computation-communication protocol in application layer to increase the traffic load capacity. 2. The enhanced Delay Tolerant Network (DTN) protocol is researched for the interrupted network topology. Considering the robustness, the temporal and spacial redundancy by network coding is introduced to enable the network error tolerant transmission. Besides, for security space transmission, the channel coding and encrypting are combined to accommodate the Quality of Service (QoS) of space communications. 3. A creative routing algorithm is proposed based on the above the control panel and traffic panel to improve the computation convergence of the algorithm. At last, we implement the software test-bed of space network protocol to verify the networking model, protocol architecture and its measurements.

针对空间环境的大时空跨度网络结构、动态网络环境下的通信协议等基础性挑战，提出了针对现有空间航天器资源的异构对等组网方式，囊括各类中、高、低轨卫星和其它航空器及地面用户和相应地面站等，并给出抽象网络模型和近似拓扑解析式，用于协议体系构建和网络性能评估。其次针对动态网络环境下的长延时，断续、链路不对称、高速、难收敛、业务繁杂等挑战，提出了普适高效的协议体系，将现有分层协议整合为控制面、业务面、管理面分离的三维协议体系，更有利于达到空间网络效用的最大化。具体的协议细节，则分别从应用层、传输层和网络层角度出发，提出应用层计算通信协同体制，提升网络的业务承载容量；改进DTN传输协议，考虑网络容错性和安全性，引入网络编码的时间和空间冗余性，以及编码和密码融合机制，实现空间信息的QoS传输；提出了控制和业务面分离的路由策略，有效提升路由收敛性能。最后形成一套空间信息网络协议平台，验证组网方案和协议性能。

针对空间环境的大时空跨度网络结构、网络节点异质化、空间资源受限及服务时效性差等基础性挑战，提出了基于软件定义网络的三层空间信息网络架构，并对中轨星座设计进行了优化。在此架构中，基于地面或者中高轨卫星的控制器节点被引入进来承担网络管控功能，能实现网络控制优化、灵活的硬件功能升级和有效的资源利用。针对中继卫星任务分配，提出了非一致并机服务模型和广义多时间窗口任务模型，并设计了基于非对称路径重连和种群联合进化的求解方法，有效提升系统服务时效性。对于基于数字信道化器的新型星载交换网络，建立了满足转发器和链路约束条件下的频率、功率优化模型，设计了高效的优化算法，以较低的计算复杂度提升网络容量。针对空间信息网络动态环境下长延时，断续、链路不对称、高速、难收敛等难题，从各个协议层研究设计优化方案。在网络层路由控制层面，提出分段控制框架，将先验信息和动态信息解耦，通过不同的控制点选取方法可满足多种业务流的不同服务质量要求和网络优化目标，以最大化网络吞吐为例对优化模型求解，设计了路由控制算法和路由协议，达到优化的流量工程目标。针对文件传输这一典型应用，提出了一种基于否定确认机制的RFPP文件传输协议，比CFDP具有更高的传输效率，并已成功应用于灵巧通信试验卫星，实测信道利用率大于90%。此外，对于空天自组织网络下高优先级业务具有服务质量特殊要求的场景，提出了一种无反馈介质访问控制协议建模方法，以保证高优先级数据分组的时效性及可靠性。空间信息网络具有较高的可靠性和容错需求，分别从端到端和网络节点角度提出容错控制与可靠传输优化方案。RFPP文件传输协议是解决可靠性问题的端到端控制方法的典型代表。在节点容错方面，提出了一种输入输出并行的Clos交换结构和一种互连并行Clos网络IP-Clos，以及相应的优先级调度算法，可应用于大容量宽带星载交换，显著提高空间环境下的故障容错能力。最后形成一套空间信息网络仿真平台，验证组网方案和协议性能。