TCP/IP、DTN网络通信协议族

news2024/11/20 14:20:20

TCP/IP

从 19 世纪 60 年代计算机网络发展开始，网络协议技术已经经历了半个多世纪的发展，地面互联网已经形成了以传输控制协议（TCP）/IP 协议体系为主的网络架构。TCP/IP体系发源于计算机网络，是一种以主机为中心的网络协议体系，IP 地址直接对应到主机，主机与主机之间的数据可靠传输采用“端到端原则”。随着移动通信技术的发展，移动互联网的兴起使得 IP 地址动态变化问题日益显著，通过移动 IP 技术可以保证节点漫游过程中的网络连接。从 2000 年左右，主要针对当前以点对点通信为基础的TCP/IP 网络体系架构中的关键先天缺陷，主要包括可扩展性问题、动态性问题和安全可控性问题。未来网络的研究试图从根本上解决这些制约网络未来发展的问题。

在还没有光纤的年代，最早的跨洋网络线路是通过卫星中继实现的。卫星通信网络起源于卫星广播系统，物理层、数据链路层协议多采用数字视频广播（DVB）系列协议。由于互联网应用以地面为主，作为地面互联网在空间的延伸，卫星通信网络主要采用 TCP/IP 协议体系，然而，起源于计算机网络的传统 TCP 协议在面临具有较大带宽、较长时延、较高误码率的卫星信道时，其传输效率大打折扣。

DTN

航天测控通信相关的网络协议国际标准主要由国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）制定，由于航天任务自身的特殊业务需求，CCSDS 有针对性地制定了大量物理层、数据链路层协议的国际标准，为不同国家航天任务之间开展协作与资源共享提供了统一的通信接口。CCSDS 还曾经根据空间特性制定了空间通信协议规范（SCPS），包含重新定义的其文件协议（SCPS- FP）、传输协议（SCPS-TP）、网络协议（SCPS-NP）和安全协议（SCPS-SP）等完整的网络协议体系，用以实现空间信息系统的组网。

DTN 协议起源于美国国家航空航天局（NASA）星际互联网的研究，主要克服星际通信中可能出现的长时间中断、延迟、恶劣的信道质量等挑战。。与传统 TCP/IP5 层结构相比，DTN 协议体系在应用层和传输层之间引入了一个束协议层（BP），并通过其中的汇聚层（CLA）实现不同传输协议的转换。BP 可以通过使用持久存储+ 转发的方式来克服网络的间歇性连接问题。DTN 中定义的另外一个重要的新协议是 Licklider 传输协议。

LTP 既可以实现类似 TCP 的可靠传输，又可以设置成类似用户数据报协议（UDP）的不可靠传输。 LTP 可以不需要网络层协议而直接工作在数据链路层之上,可以应对具有较大带宽延迟积的通信环境,使数据在长延迟、可变长中断的通信环境中无丢失的传输，不需要依靠稳定的通信往返延迟。由此可见，DTN 与 TCP/IP 相比是两种完全不同的协议体系。需要特别指出的是：DTN 由于采用覆盖网络的形式，通过 CLA 兼容各种网络协议，并且提供了一种网络协议演进的可能。目前，DTN 中的两个最主要的协议 BP 和 LTP 协议已经在 CCSDS 完成了空间网络协议的标准化，并已在国际互联网工程任务组（IETF）开展作为互联网协议的标准化工作。在实际应用中，国际空间站上的实验载荷数据传输业务正全面采用 DTN 协议。

延迟 / 中断容忍网络（DTN）是一种面向消息的覆盖层网络体系结构。通过在传输层之上集成一个 Bundle 层，DTN 协议实现了应用层和 Bundle 层单元的存储和运输。空间网络通信缺少端到端连接，因此链路延迟大、链路频繁通断并且误码率高。DTN 具有适应长延迟以及中断频繁的链路特性。DTN 中输入流量与输出流量的速率往往存在巨大差异，双向速率比可达 1 000：1。另外，因为 DTN 经常部署在恶劣环境下，所以信息不能有效传达到目的地，这导致接收端的信噪比和误码率等性能均不理想。常见的光通信网络中误码率可达 10-15~10-12，深空通信系统中仅能达到 10-1，所以深空通信是 DTN 的一个主要应用场景。DTN 采用“存储 - 携带 - 转发”的通信方式，当源节点与目的节点之间没有直接相连的链路时，消息会被封装成束并暂存在源节点；当源节点与相邻节点之间建立链路时，消息会被传输给相邻节点，相邻节点又会择机将消息传输给下一跳节点，直至最终把消息传递给目的节点。由此可见，DTN 适用于难以形成稳定端到端链路以及高延迟的通信环境中，能够有效适应空间网络的特点。