一文读懂：天地一体化信息网络的那点事

天地一体化信息网络由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成，并与地面互联网和移动通信网络互联互通，建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。依据发展进程，可分为三类：天星地网、天基网络、天网地网。

1、天星地网

是目前的主流在用模式，指的是地面信关站、运控站、测控站、控管中心等节点联网，对各种轨道飞行器实施测控、运控和提供数传服务。优点是节点布设便捷成本低，架构成熟，应用广泛；缺点是全球布站现实难度大，单个站点覆盖效率低。

2、天基网络

是近年的重点发展方向，主要指的是运行于GEO轨道的数据中继卫星和“鸽群”、“铱星”、OneWeb、StarLink、鸿雁工程、虹云工程等。把处理、交换、网络控制等功能都放在星上完成，提高了系统的抗毁能力。优点是：覆盖范围广；不受地理环境和自然灾害影响，可靠性高；各种轨道飞行器节点异构组网，在网率高，实时性强；系统可不依赖地面节点独立运行。缺点是技术复杂，星上设备维护难度大，建设成本高。

3、天网地网

天地配合，联合组网，兼顾了前述二者的优点，充分利用了天基网络的广域覆盖能力及地面丰富的传输和处理能力，大大降低了整个系统的技术复杂度和成本。

四种空间网络通信协议

空间信息网络是包含地面互联网和天基测控网在内的一体化网络，是空间信息获取、存储和分发的统一平台。研究网络结构的意义在于：扩大覆盖率、控制通信时延、平衡网络负载。

1、基于CCSDS的协议体系

CCSDS定义的协议体系结构包括：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。其中，每层包含几个可组合的协议。

▲CCSDS协议体系

1）物理层：CCSDS 定义了射频和调制系统，规定了航天器和地面测控站间的物理层协议。该协议中 Prox－1 链路协议定义了邻近空间链路的物理层特性。

2）数据链路层：CCSDS 数据链路子层定义了在空间链路上用数据包( 如数据帧) 传输数据的方法。同步和信道编码子层定义了在空间链路上传输“帧”的同步和信道编码的方法。CCSDS 数据链路协议子层包含四个协议: TC 空间数据链路协议、TM 空间数据链路协议、AOS 空间数据链路协议、Prox－1 空间链路协议的数据链路层。以上协议规定了空间链路中传输数据的能力，统称为 SDLP( space data link protocol，空间数据链路协议) 。与之对应，CCSDS 还规定了数据链路层的同步和信道编码子层的三个规范: TM 同步和信道编码、TC 同步和信道编码、Prox－1 空间链路协议的编码和同步层协议。

3）网络层：CCSDS 规定了两个网络层协议: 空间分包协议 SPP、SCPS－NP，实现了空间网络的路由功能。SPP 基于无连接，不保证数据的顺序发送和完整性。SPP 的核心是 提 前 配 置 LDP ( Logical DataPath) ，并用 Path ID 代替完整的端地址来标识 LDP，从而提高空间信息传输效率，但只适合静态路由的通信场合。LDP 是单向的，可以是点到点或组播路由。不同用户( 对应于不同的 LDP) 可以利用复用 /去复用方法共享逻辑信道。

与标准 IP 协议相比，SCPS-NP 协议有三方面改进: NP 提供 4 种包头供用户在效率和功能之间选用;既支持面向连接的路由也支持面向无连接的路由; 与ICMP 相比，SCPS 控制信息协议 SCMP 提供了链路中断消息。因特网的 IPv4 和 IPv6 分组也可以通过空间数据链路协议传输，与 SPP、SCPS-NP 可以复用或独用空间数据链路。

4） 传输层：CCSDS 传输协议 SCPS-TP，向空间通信用户提供端到端传输服务。TP 针对网络拥塞、误码或链路中断导致的数据丢失，能够进行识别和区分处理，并实现了头部压缩、选择否定确认、时间戳、速率控制等功能。传输层数据一般由网络层协议传输，在一些情况下传输层数据也可以直接由链路层协议传输，Internet的 TCP 和 UDP 可以运行于 IPv4、IPv6、SCPS-NP 之上。SCPS 安全协议 ( SCPS-SP ) 和 Internet 安全协议( IPSec) 可以和传输层协议配合使用，提供端到端的数据保护。

2、基于TCP/IP的协议体系

2002 年，NASA 哥达德航天中心设立了 OMNI 项目，该项目的目的是为未来空间任务提供寻址能力、标准互联网协议及网络应用能力，使用户能够随时随地与其航天器之间建立端到端连接。为此，OMNI 将地面商用 Internet 技术用于航天器，把空间网络和地面网络进行整合，确保所有网络节点如同运行在 Internet节点上，实现地面终端用户到航天器的全 IP 互联，体现出与 CCSDS 不同的技术发展思路。

▲OMNI 使用的基于 TCP / IP 协议体系

1）数据链路层

2）网络层：在网络层，OMNI 选用 IP 协议。使用 IETF 标准路由协议，如 RIP、OSPF、BGP 等。使用移动 IP ( RFC 3344 ) 等协议来解决单址航天器飞过多个地面站的移动问题。使用移动网络 ( RFC3963) 等协议解决多址航天器经过多个地面站的移动问题。

3）传输层：OMNI 选用 TCP 和 UDP 协议（以及RTP协议）（三个协议用于三种用途）。利用 UDP 协议传输航天器实时遥测数据和有效载荷数据。在异常情况下，对航天器进行盲控。

在正常情况下，利用 TCP 协议对航天器进行控制、传送与移动 IP 协议等相关的信令信息等。

选用实时传输协议( RTP) 支持实时多媒体通信。RTP协议族包括二个协议：数据传输协议( RTP) 和控制协议( RTCP) 。RTP 负责传输带有实时信息的数据包，一般在UDP之上工作，在此基础上增加时标、序列号等信息，接收端使用 RTP 同步视频、音频数据。RTCP 负责监视网络服务质量、通信带宽等，并将其通知给发送端。

3、将CCSDS与TCP/IP结合的协议体系

2000 年 10 月，喷气动力实验室启动 Next Genera-tion Space Internet( NGSI) 项目，研究使用 CCSDS 协议和 IP 协议将空间网络和地面网络进行互联，实现支持未来航天任务的“空间因特网”。NGSI 使用将 CCSDS和商业标准相结合的方式，其在数据链路层继续使用 CCSDS建议，而在网络层使用 IP 及其扩展技术。在传输层和应用层使用商业标准协议和 CCSDS 协议，或其他适合空间任务的协议。

▲CCSDS 与 TCP /IP 结合的协议体系

4、基于容忍延迟/中断网络的协议体系

容延迟/中断网络( Delay/Disruption Tolerant Net-works，DTN) 是指能够在长延时、断续连接等受限网络环境中进行通信的新型网络体系。DTN 的概念在2003 年由美国推进试验室最先提出，之后因特网研究任务组( IRTF) 在星际网络研究组( IPNRG) 的基础之上组建了容延迟/中断网络研究组( DTNRG) 对 DTN进行研究，于 2007 年提出了 DTN 网络体系结构和Bundle 协议( BP)，2008 年定义了汇聚层协议，包括TCPCLP ( TCP Convergence Layer Protocol )协 议、Saratoga协议、Licklider ( Licklider Transmission Proto-col，LTP )协议等，同时，为了改进 BP 协议的不足，制定了补充方案。目前，研究人员在 DTN 的相关领域里进行广泛研究，并且开展了具体部署和试验。容延迟/中断网络体系的核心方法是在应用层和下层( 数据链路层或传输层) 之间加入中间层，即束层( bundle layer) 。

▲容延迟 /中断网络协议栈体系结构