空间组网与异构网络互联-航天恒星程子敬

报告人：程子敬2目录31970年4月24日，中国“东方红”一号飞向太空1987年8月，中国返回式卫星为法国搭载试验装置2003年10月15日，神州五号载人飞船升空2007年10月24日，搭载着中国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭成功发射2016年9月15日，太空实验室“天宫二号”成功发射1.1航天发展与卫星应用我国航天事业飞跃式发展第一颗人造卫星打入世界航天市场的首次尝试跨入载人航天史开启探月时代……第一个真正意义上的太空实验室……卫星系统的重要价值是我国信息基础设施建设不可或缺的重要组成部分，体现一个国家在高新技术领域的综合实力，具有重要的经济与社会价值：•提供安全保障，支撑国家重大战略行动•提供全球服务，支撑国家战略利益拓展•提供快速响应，确保国家应急信息服务51.2典型卫星系统卫星广播通信系统•通信卫星：大型通信卫星系列(东方红一号～四号)、通信广播卫星系列(鑫诺一号～六号)、中星系列六颗、亚太系列四颗•卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站6北斗卫星导航系统示意图卫星导航系统•北斗卫星导航系统：北斗一号、北斗二号•系统功能：在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力7卫星遥感系统•遥感卫星：气象卫星、地球资源卫星、陆地卫星、海洋卫星；红外遥感、激光遥感、微波遥感•系统功能：用于科学试验、国土资源普查、农作物估产及防灾减灾等领域中继卫星系统•系统组成：由地球同步轨道上的3颗组成（天链一号01星、02星、03星）•系统用途：对航天器进行跟踪、测量；为对地观测卫星实时转发数据；承担航天器的通信和数据传输中继业务中继卫星系统示意图1.3现有卫星系统的不足卫星系统大多是封闭、孤立、自治的，协同应用能力弱，资源利用率低。缺少星间链路，在轨计算及存储能力不足，导致系统之间相互孤立，容易形成信息孤岛。通信卫星的覆盖范围、传输带宽有限，满足遥感实时传输需求能力不足。没有建成统一的空间数据存储与计算中心，不能高效满足数据共享与融合应用需求。没有建成统一的安全防护体系，系统安全性有待增强。10目录2.1卫星空间组网的必要性信息获取的全球化信息交换的立体化信息处理的智能化基础设施的集成化信息防护的体系化2.2卫星空间组网的难点空间节点高动态运动、网络时空行为复杂、业务类型差异大、网络异构。空间节点和链路动态变化且稀疏分布，导致多点到多点的信息传输容量随网络拓扑的时变空变而发生变化。多维、多尺度空间信息的获取、处理、网络化共享与应用，与链路传输与处理瓶颈的矛盾。2.3本领域重大研究项目国家自然科学基金委“空间信息网络基础理论与关键技术”重大研究计划科技部“天地一体化信息网络”重大工程专项14目录3.1空间异构网络互联技术CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems，空间数据通信系统咨询委员会)总结了五种可以用于空间网络的协议架构•用户自定义转发•使用CCSDS的空间包作为互联网络的包格式•使用CCSDS的CFDP协议•直接使用IP协议（特别是IPV6）•使用容延/容断网络(Delay/DisruptionTolerantNetwork,DTN)CCSDS认为DTN是最适合作为空间网络互连的形式。3.2DTN的提出DTN最初起源于1998年NASA的JPL实验室对星际互联网(IPN)的研究•IPN研究得出的结论是：地面Internet协议不适用于星际互联网，需要开发一种新型的网络体系架构和协议栈，DTN技术应运而生因特网研究任务组(IRTF)的容迟网络研究组(DTNGR)自2007年起陆续公布了一系列协议规范•RFC4838：DTN体系结构文档，对容迟网络的发展目标、应用背景、运行机制、相关概念、协议标准等内容进行了较为系统的规范•RFC5050：对主要协议BP进行了规范•RFC5325、5326、5327：对容迟网络长距传输协议LTP进行了规范，同时对容迟网络的安全功能进行了拓展•RFC6255-6260六个规范：进一步对DTN协议栈的各个方面进行细化3.3DTN协议栈DTN作为一个覆盖网运行在已有网络的协议栈上，采用非交互式消息传输机制，在应用层上以代理的形式实现。DTN网络体系以BP为主要协议，采用协议数据单元“束”(bundle)以及以LTP为核心的汇聚层协议进行信息传输，使得DTN适用于各种网络状况。BP协议是DTN结构中的覆盖层协议，使用存储转发机制和托管传输功能来保证通信环境中数据信息的可靠传输。LTP协议采用低容量或非对称链路上的最小开销进行设计，支持中断连接中的数据可靠传输服务。3.4美国进行的DTN实验基于空间站的实验(DTN-on-ISS)•2009年，利用国际空间站的一个商业级生物处理装置5（CGBA5）进行了DTNBP协议实验。基于深度撞击号进行的实验(DINET)•利用火星探测器“深度撞击飞行器”，开展了DTNLTP以及CCSDS的CFDP协议实验。3.5欧盟进行的DTN实验在地面建立DTN仿真系统(SPICE),用硬件仿真卫星链路，在特殊需要时也可以选择性使用真实的卫星转发器。这个平台提供给欧洲各研究机构和大学使用，是一个开放的DTN网络实验平台。21目录异构互联网络实验平台计划（HINET）PlanofExperimentalPlatformforHeterogeneousInterconnectionNetworks以空间信息网络基础理论与关键技术研究为目标，以构建天地一体化实验网络为手段，将基础研究与工程任务无缝融合；为我国基础学科理论研究成果的测试与验证提供一个随时可用的科研实验平台，为技术成熟度、产品成熟度的提升提供真实的应用环境；基于校企联合与协同创新，引领我国天基网络信息体系与天地一体化信息技术前沿研究。HINET计划是一个渐进的、连续的、长期的、开放的空间信息网络、天基网络信息体系以及天地一体化信息技术研究与实验支撑工程，其建设和运维将伴随我国空间探索全过程。HINET涵盖多种空间飞行器、多个地面站以及多种网络，构成一种天基网络和地面网络的异构互联架构。此架构能够支持各种面向空间应用的基础学科理论成果与关键技术的集成演示与试验验证。开放式结构各种不同天基、地基网络自由接入开放式实验支持自定义的技术测试与实验开放式功能平台架构可重定义，实验支持功能可软硬件重构开放式发展从小规模、低轨道DTN实验平台开始，逐渐过渡到涵盖月球、火星等更加完善的实验平台，并进一步向深空、太阳系外拓展开放式参与多家高水平研究所、高校参与计划实施，允许所有的高校和研究单位利用HINET开展科学研究与技术试验HINET计划包含多个阶段，各阶段无缝衔接、规模逐步扩大。每个阶段依托一项或多项航天型号任务，采用试验载荷搭载方式，进行积木式组合建设。HINET-IIHINET-IHINET-III、IV……先进性：目前国际上还没有如此设想的包含天基网络在内的大规模实验网络，本计划是开创性的，具有重要的理论研究和工程实践价值。持续性：实验平台可以随着技术的进步和航天事业的发展，不断更新换代，并在不断实施的航天任务（载人探月、火星探测、行星探测……）的支持下逐步演进为HINET-N……HINET-I依托新一代飞船试验船，建设验证DTN技术的小规模异构互联网络实验平台。HINET-II依托空间站实验舱II，在HINET-I基础上，扩展成为基于软件定义的、功能可重构、中等规模异构互联网络实验平台。HINET-III依托空间站运营期的航天器，逐步扩展HINET-II，建成涵盖多种空间网络、地面网络，支持网络架构、高速传输、信息融合、网络安全等研究与实验的大规模实验平台。2016年-2018年2018年-2022年HINET-IHINET-IIHINET-III2022年-2035年2016年-2018年——HINET-I依托某型号试验船，建设验证DTN技术的小规模异构互联网络实验平台。2018年-2022年——HINET-II依托空间站实验舱II，在HINET-I基础上，扩展成为基于软件定义技术的中等规模异构互联网络实验平台。2023年-2035年——HINET-III依托空间站运营期的多个航天器，进一步扩充、完善HINET-II，逐步建成涵盖多种空间和地面网络，支持大规模开展空间信息网络、天地一体化信息技术的基础研究与技术试验。HINET-I实验平台由八部分组成：①飞船地面飞行控制中心②飞船实验支持系统③DTN实验载荷④GEO广播通信卫星⑤实验平台主控中心⑥合作单位节点⑦因特网⑧科研用户节点（1）飞船地面飞行控制中心地面飞行控制中心通过测控信道与位于飞船上的实验支持系统相连，负责发送控制指令，接收飞船回传信息。实验平台借用飞行控制中心发送位于飞船上的DTN实验载荷的控制指令，完成系统开关机等关键控制功能，并接收状态监测信息。（2）飞船实验支持系统飞船实验支持系统位于飞船内部，接收地面飞行控制中心传来的DTN实验平台控制指令，完成实验载荷的控制，并监测试验载荷的运行，把必要的状态监测信息发回地面飞行控制中心。（3）DTN实验载荷DTN实验载荷位于新一代飞船内部，由航电计算机、软件定义无线电平台、对天天线与射频系统、对地天线与射频系统四部分组成。航电计算机：运行预先安装的协议栈和应用程序，根据控制指令选择执行不同的功能，以完成不同种类的实验。软件定义无线电平台：完成基带信号处理功能，负责编解码和调制解调等。对天天线与射频系统：负责与GEO卫星通信，通过卫星建立飞船和地面的主要数传链路。对地天线与射频系统：负责与位于实验平台控制中心的主地面站联系，提供窄带数传信道，完成低速重要数据的收发。（4）GEO广播通信卫星GEO广播通信卫星负责主要天地通信链路的建立，在飞船和地面站之间进行信号的中继传输。（5）实验平台主控中心实验平台主控中心包含五部分：实验载荷地面飞控支持系统、DTN实验平台管控系统、本地DTN节点、DTN网关/节点、VSAT主站。利用VSAT系统实现地面站和飞船之间的通信。（6）合作单位节点在主要合作单位建立DTN网关/节点，节点配有VSAT小站。节点通过因特网进行数据传输时是普通的DTN节点；通过VSAT小站与飞船进行数据传输，或者与其他节点进行数据传输时，是DTN网关。其身份的转换由DTN实验平台主控中心统一控制。（7）因特网因特网提供各种地面节点的互联。（8）科研用户节点科研用户节点是普通DTN节点，由安装了DTN协议栈和应用程序的普通计算机构成。节点通过因特网可以连接任意其他节点和飞船，进行各种类型的DTN实验。科研用户节点可以配置在任何地方（科研机构或者高校）。只要用户申请，就可以在普通计算机上安装专门开发的软件系统，通过因特网接入，完成各种类型的自定义DTN实验。（1）Bundle协议的托管转发技术；（2）DTN的路由技术；（3）DTN网络的命名技术；（4）DTN协议汇聚技术；（5）DTN参数优化配置策略；（6）DTN跨层优化技术；（7）DTN协议栈配置策略；（8）DTN节点存储容量优化技术；（9）DTN网络的时间同步技术；（10）DTN网络访问控制、认证机制、漏洞检测、攻击监测、容错机制、防病毒、加密通信等安全技术。（1）天地一体化信息技术国家重点实验室面向我国未来空间基础设施天地一体化运行服务的新手段、新途径、新模式和新装备，开展应用基础理论研究和前沿技术研发，提升天地信息协同应用效能，增强我国天地一体化信息系统基础理论、顶层规划、关键技术等创新性研究能力，带动卫星应用产业发展。2014年3月13日，实验室通过立项评审2015年2月3日，实验室通过建设计划任务书评审2015年8月28日，实验室获得科技部正式批复（2）基金项目：基于空间站的集成演示系统设计与试验方法研究（91538202）合作单位：清华大学、北京航空航天大学项目概况：利