第四节　空天地一体化网络的应用场景及标识需求

一、研究现状和发展趋势

以卫星通信为代表的空间网络技术发展迅速，其应用除早期的广播、导航和遥感外，也逐渐实现了卫星宽带接入、卫星移动数据和卫星移动语音等。随着卫星业务的不断拓展和用户需求的多样化，以通用卫星平台和网络基础设施承载各类综合业务的模式引起了广泛关注，如我国的北斗定位导航系统不仅能提供导航业务，还能提供短信业务，在丰富传统导航卫星系统业务中做出了突出贡献，初步实现了对导航与数据业务的同步支持。

由于空间网络在覆盖范围和移动接入等方面与地面网络具有极强的互补关系，以Google、Facebook为代表的国际互联网巨头，纷纷积极开展空天地互联网基础设施的建设，以期为用户提供全球互联网接入服务。例如，从2016年起，Google推出Google热气球计划，Facebook推出无人机计划，SpaceX（由埃隆·马斯克领导的太空探索公司）则计划采用大量的低轨卫星构建空天互联网基础设施。

经过半个多世纪的发展，卫星通信系统取得显著成效，全球已经发射上千颗卫星，分布在空间各个层次，实现了区域或全球的全覆盖。按照业务划分，卫星可分为遥感卫星、导航卫星等，而空天地一体化网络研究关注的重点是空间网络，以卫星通信系统为代表。

（一）国外卫星通信系统发展历程

目前，国外卫星通信系统的网络结构发展经历了三个阶段：“天星地网”、“天基网络”和“天网地网”；而星上交换技术发展经历了透明转发、电路交换和星上IP分组交换三个阶段。本节以Inmarsat、Iridium、TSAT等受到广泛应用的典型卫星通信系统为例，介绍国外卫星通信系统的发展历程。

1. Inmarsat系统发展历程

Inmarsat系统是最早的基于同步轨道的卫星通信系统，目前该系统使用的是第4代，并且正在研发建设第5代。该系统采用“天星地网”的模式，由星上电路交换发展到星上IP技术，其业务演变可分为两个阶段。

第一阶段，1976—1997年，Inmarsat前三代使用传统电路交换技术，其承载的数据业务主要为中低速应用业务，如语音等。

第二阶段，1998—2009年，第4代Inmarsat系统出现，这一代系统改变了原有的电路交换技术，增加了对数据分组交换的支持，引入了IP技术。同时，引入了3G技术，采用3GPP（3rd Generation Partnership Project）标准，实现了最高492kbps的数据带宽，支持3G语音、数据和视频传输等功能，开始承载宽带数据业务。

2. Iridium系统发展历程

Iridium系统是美国铱星公司委托摩托罗拉公司设计的一种覆盖全球的低轨卫星通信系统。系统采用星间链路实现星间组网，相当于把地面蜂窝移动电话系统搬到了天上，开创了全球个人通信的新时代，被公认为现代通信史上的一个里程碑。从系统发展的角度来看，Iridium系统整个发展过程经历了两个阶段。

第一阶段，1997—2007年，第一代Iridium系统建成，由66颗低轨卫星组成，并采用星间链路实现星间组网，构成了完整的天基网络，系统主要为全球用户提供语音服务。

第二阶段，2007年之后，第二代Iridium系统提出，并开始初步部署。与第一代相比，第二代Iridium系统增加了IP技术以提供速度更快的数据业务。同时，由于传统的单一通信业务建设和运营的成本较高，第二代Iridium系统向多功能方向发展，支持远程传感、气象监测和对地观测等多种业务。

3. TSAT系统发展历程

2004年，美国提出了转型卫星通信系统（Transformational Satellite Communications System，TSAT）计划，计划在太空建立类似地面的网络，实现陆海空及太空的网络一体化，为地面用户、空中及太空武器平台之间的通信提供太空路由，为美军的通信能力提供强大的技术支撑。TSAT计划采用“天网地网”的架构，其中天基网络部分由5颗同步轨道卫星通过星间链路构成，这些卫星部署了IPv6等互联网技术，地面接入美军的全球信息栅格（Global Information Grid，GIG），依托美军在全球设立的卫星通信区域交换节点和电信港等实现全球互联，具体如图2-10所示。

TSAT计划打造一个空间骨干网络，最终该网络可以连接现有的多个系统。虽然该计划因为经费等原因被推迟，但其先进理念仍在后续项目中得到继承，如空间互联网路由（Internet Routing In Space，IRIS），先进极高频（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）系统等。

（二）国外卫星通信系统发展趋势

通过对上述国外典型的卫星通信系统的分析，可以得出以下结论。

（1）空间各类业务逐渐向通信类业务融合，互联网业务逐渐成为空间通信业务的主流。

（2）卫星通信的支撑技术向IP技术发展，电路交换技术逐渐被淘汰，星上采用IP技术已经成为空间网络的发展趋势。

（3）采用星间链路实现星间组网，成为卫星通信系统的发展趋势之一。

（4）星间组网结构从“天星地网”向“天网地网”模式演进。

（三）空天地一体化协议体系发展现状

1. CCSDS协议体系

空间网络标准化组织CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems，国际空间数据系统咨询委员会）于1982年1月由全球主要航天组织机构联合成立，负责开发、建立适应于航天测控、空间数据传输系统的各种通信协议和数据传输规范。

该协议体系对空间数据传输系统存在的传输距离远、节点动态性高、链路时延变化大、链路不对称和间歇性的链路连接等特点进行了优化，协议体系结构模型如图2-11所示。

CCSDS协议体系结构借鉴了传统互联网协议体系，类似于TCP/IP模型，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。其中，每一层又包括若干可供组合的空间通信协议（Space Communications Protocol Specification，SCPS），如SCPS-FP（File Protocol，文件协议）、SCPS-TP（Transport Protocol，传输协议）、SCPS-NP（Network Protocol，网络协议）和SCPS-SP（Security Protocol，安全协议）等。

CCSDS协议体系经过实践考验，被很多航天机构所采用。据统计，国际上采用CCSDS协议体系的航天任务已超过600个。同时，2012年9月CCSDS发布了“IP over CCSDS Space Links”正式推荐标准，在CCSDS的空间链路层协议上实现了IP数据的分组传输。

CCSDS协议体系也存在一些问题，如需要先进行协议转换再与地面网络互联；对静态路由支持能力强，但移动接入方面的能力不足，对动态路由的支持能力差；开发、测试、维护费用相对TCP/IP协议体系较高等。

2. DTN协议体系

DTN（Delay Tolerant Networks，时延容忍网络）起源于1998年美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）对星际互联网（Inter Planetary Internet，IPN）的研究。星际互联网与传统互联网的不同之处主要体现为其节点之间的传播时延会非常大、延迟波动范围也很大，且节点之间往往由于天体遮挡而难以持续连通（即间歇性连接）等。

DTN协议体系结构模型如图2-12所示，它在应用层之下、传输层之上引入了包裹（Bundle）层，并通过永久存储方式（如磁盘）来克服网络的间歇性连接问题。包裹层具有类似于网关的功能，可以为各个底层协议（如TCP/IP、CCSDS等）提供互操作性。

NASA通过太空DTN发展计划，进行了一系列的DTN应用试验，涵盖了遥感、深空探测、空间站和中继通信等多个领域，探索了DTN可能存在的问题及其关键技术的应用。试验表明，DTN在长时延、有中断、非对称和单向的链路上均可正常运行。

通过对比分析可知，CCSDS协议是专为航天任务这一应用场景特别定制的协议，自身的协议体系完善，被各航天机构广泛采用，但在和地面网络通信前需要协议转换；而DTN的协议为远期发展设计，目前在应用上尚不成熟，还有可靠性、路由安全性等诸多问题尚待解决。

3. TCP/IP协议体系

TCP/IP协议体系结构的设计与其当时的基本目标是紧密相连的。当时的基本目标就是在现存网络之间实现“网际互联”。该协议体系的优点包括天地网络直连、技术成熟度高、研发成本低和容易升级等。

2002年，NASA提出OMNI（Operating Missions as Nodes on the Internet）项目研究如何将传统互联网技术部署到太空，使信息能在空间网络上保持可靠传输，为未来空间任务提供网络技术支撑。具体来说，OMNI将传统互联网技术应用到航天器上，采用IP技术实现天地网络之间的互联，并采用TCP协议实现用户与航天器间的端到端连接，其协议体系结构模型如图2-13所示。目前，OMNI项目已经进行了一系列通过空间链路进行网络连接的试验，证明了在空间使用地面IP协议的可行性，为地面互联网向空间延伸提供了技术基础。

二、应用场景描述

（一）空天地一体化网络总体架构

空天地一体化网络利用互联网技术实现互联网、移动通信网络和空间网络的互联互通。空天地一体化网络不仅符合未来技术发展的趋势，也代表了国家的重大战略需求。

空天地一体化网络是一个由多种异构网络组成的复杂大型网络，它由天基网、空基网和地基网组成，在卫星之间、卫星和地面之间建立连接。天基网主要由空中各种轨道卫星组成，如地球同步轨道卫星（Geostationary Earth Orbit，GEO）、中轨道卫星（Medium Earth Orbit，MEO）和低轨道卫星（Low Earth Orbit，LEO）等；空基网主要由直升机、无人机、飞艇等组成；地基网主要由地面上的固定节点、移动节点及海上船只等组成。国际上已经有多个项目致力于建设融合了空天地一体化网络的多网合一组网结构，这些已经完成或正在开展的项目既包括民用系统，又包括军用系统。从组网结构上进行区分，当前的系统可以被分为天星地网、天基网络和天网地网三类。

（1）天星地网是目前普遍采用的一种组网结构，其特点是卫星之间不进行直接连接，而是通过全球分布的地面站实现系统核心功能并提供服务。该组网结构中卫星只负责转发，大部分的网络处理工作在地面由传统互联网完成，所以卫星上的设备简单，整个系统建设的技术复杂度较低，升级维护也较方便。

（2）天基网络以卫星间组网的方式构成，其独立于地面网络存在，整个系统可以不依赖地面网络独立运行。这种组网结构弱化了对地面网络的需求，把处理、交换、网络控制等功能都放在卫星上完成，提高了组网结构的抗毁能力，但由此也造成了卫星上设备的复杂化，导致整个组网结构建设和维护的成本较高。此类组网结构主要是基于军事上对网络抗毁性的极高要求建立的，商业价值不高。

（3）天网地网介于上述两种组网结构之间，其是由天基网和地基网共同构成空天地一体化网络。在这种组网结构中，天基网络实现全球覆盖，地基网络负责网络管理和控制，分工明确，简化了技术复杂度。

对于我国来说，卫星地面站难以全球部署，为了实现通信的全球覆盖，并提供关键应用快速响应能力，需要设计具有创新性的空天地一体化网络。综合这些因素，国内相关领域的专家经过探讨，提出了以“天网地网”为基础的、天地双主干结构的空天地一体化网络，其总体结构如图2-14所示。

如图2-14所示，由3颗以上卫星搭载高性能空间路由器，在地球同步轨道上建立天基主干网络。借助地球同步轨道卫星相对于地面静止和覆盖面广的优势，充分利用有限的地球同步轨道资源，使用高性能设备和高容量激光链路建设天基高速主干网。

利用高速光纤将地面站连接起来，组成地基主干网络。地基主干网络利用互为备份的微波链路和激光链路与天基主干网络连接，从而组成一个完整的主干网络。地基主干网络基于比较成熟的传统互联网技术，可以为天基网络提供支持和保障。

由中轨道卫星、低轨道卫星、平流层气球和其他飞行器组成多个接入网络，为各类用户提供网络接入服务。这类卫星和飞行器的优势在于距离地面较近，用较少的资源即可提供较强的通信能力，缺点在于单一节点的覆盖面积较小。因此，一方面可以由大量的节点组成覆盖面积较广的网络，通过星地链路连接到地基主干网，从而获得高速的传输通道；另一方面可以通过星间链路连接到天基主干网，利用双主干网的优势与地面站进行通信。通过地面站，将地基主干网连接到互联网与移动通信网，实现复杂异构网络的统一。

（二）空天地一体化网络研究难点

1. 体系架构

空天地一体化网络支持的业务种类多，网络规模大，拓扑结构复杂，涉及互联网、移动通信网络和空间网络三大异构网络，而对这三大异构网络进行有效融合是一大挑战。

相对于互联网，移动通信网络是垂直网络，新业务的开通需要新的业务网的支持，各业务相互独立，业务管理复杂，需要大量信令支持。为了实现互联网与移动通信网络之间的融合，需要分离信令与转发，把应用从设施中剥离。而空间网络本身呈现“烟囱式”的发展模式，不同卫星通信系统相对独立，缺乏统一的网络协议规范，使地面的网络技术难以直接部署在空间网络中。因此，如何把复杂的空天地一体化网络，抽象为结构清晰、功能简单、易于高效实现的网络结构是一大挑战。在该结构的框架指导下，构造网络的各组成部分，建立各部分的相互关系，使网络既能适应通信技术的发展与变化，又能为未来的新应用提供支持，也是一个重要的研究课题。

2. 组网结构

空天地一体化网络的空间网络部分相对于其他部分来说，具有节点种类多、时空行为复杂和网络拓扑变化快等特点。因为我国无法部署全球的地面站，各空间节点的连接必须通过空间组网实现，所以如何设计涵盖中低轨道卫星、临近空间平台和地面节点等多层次及综合应用的空间网络结构是空天地一体化网络建设的难点。

地面网络与空间网络在网络拓扑稳定性、网络规模等方面差异巨大。如果空间网络的任意卫星或其他高动态设备都可以通过地面站直接与地面网络主干相连，并进行路由交互，那么空间网络的高度动态性将会引发地面网络的路由震荡。因此，这两大网络之间的连接方式和组网结构将对空天地一体化网络整体的互联和融合带来很大的影响。

3. 网络安全

空天地一体化网络由于自身具有的结构时变性、通信平台异构性、链路易受干扰等特性，在安全防护方面受到多种多样的威胁。

（1）多域环境下源地址伪造及跨域切换时的非法接入问题。在网络通信过程中，信息传递可能会受到无授权实体或者伪造地址的攻击者窃取、篡改、伪造或者重放等攻击；空间、临近空间和地面网络隶属于不同的管理域，由于网络节点的动态接入及接入管理域的频繁切换，攻击者可能通过劫持合法用户的IP地址冒充合法节点接入到网络中，进而发起攻击。传统互联网缺乏直接跨域追溯的安全机制，而对于具备网络拓扑复杂、高度异构及实体类型种类繁多等特点的空天地一体化网络来说，可追溯性是保障网络信息安全的必要基础之一。为了实现空天地一体化网络不同移动终端的接入认证，需要各种数字签名和加解密机制来提供支持。然而，传统的密钥管理在空天地一体化网络中并不适用，因为星上设备的运算能力与传统设备的运算能力相比十分有限。所以，在保证密钥协商协议安全的同时，需设计轻量级密码，降低计算复杂度及存储复杂度，以更好地适应星上设备的特定需求。

（2）复杂时空环境中传输路径的安全验证。在空天地一体化网络的复杂环境下，空间网络与地面网络互联互通需要经过多个异构网络域，但由于用户接入多变、网络拓扑不稳定、带宽受限等链路环境特点，消息传递受到劫持、假冒和重放等攻击的可能性很高，这提高了数据传输安全防护的难度。

三、标识需求探索

空天地一体化网络中的中低轨道卫星节点具有很强的动态性。从空间链路动态建立的角度看，中低轨道卫星的运动会导致节点之间的可见性不断发生变化，这就需要空间链路具备动态建立的能力。此外，空间节点不像地面节点那样可以直接进行配置，所以空间链路动态建立和自动配置的能力是不可缺少的。具体来说，有以下五方面标识需求。

（1）空间位置的编码需求。空间网络依据到地面的不同高度，可以分成不同的卫星层。每个卫星层有多个轨道面，组网时需要考虑层内及层间的卫星通信，标识编码需要考虑空间位置的需求。

（2）信息传输时延的编码需求。地球同步轨道卫星和地球相对静止，比中轨道卫星和低轨道卫星高很多，所以对地球的覆盖面积大，但信息在空间的传输时延更长，通信可靠性较差，因此标识编码需要考虑信息传输时延的需求。

（3）移动性的编码需求。空天地一体化网络中，链路切换频繁，网络拓扑不稳定。中轨道卫星和低轨道卫星与地面的距离小于地球同步轨道卫星，信息传输时延小，其轨道高度较低，对地球的覆盖面积小，卫星的运行速度较地球更快。它们的相对移动使卫星之间链路切换频繁，网络拓扑不稳定，标识编码需要考虑位置变化的移动性需求。

（4）兼容性的编码需求。空天地一体化网络由多个异构网络组成，其中各个网络所处环境不尽相同，并且各个网络的自身特点差异极大，对组网协议的要求也都不同。例如，空间链路具有时延长、丢包率较高的特点，TCP/IP协议可能不适用。虽然CCSDS协议和DTN协议适用于空间网络，但研究成熟度尚不足，存在无法与地面网络直接互联的问题。整个空天地一体化网络覆盖面积极大，从地面、海洋，到天空和太空，所涉及的协议数量众多，包括CCSDS协议、TCP/IP协议等。这些协议之间存在兼容性问题，标识编码需要考虑各种协议标识的兼容性需求。

（5）安全性的编码需求。空天地一体化网络面临着各种恶劣环境，包括信道条件复杂、通信资源紧张、节点位置变化迅速、链路难以持续连通、软硬件设计和实现难度大、空间环境恶劣等，导致其安全性难以有效保障。因此，空天地一体化网络更易受到网络攻击，如窃听、假冒和信息重放等。另外，卫星节点由于所处环境和技术的制约，其负载能力受到限制，随着人们业务类型和业务量的增加，卫星处理能力已到了瓶颈，诸多计算和存储都需要借助地面网络处理，而与地面网络通信会带来诸多安全问题，标识编码需要考虑安全性的需求。

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