TCP/IP、DTN网络通信协议族

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。

摘自：

郑爽,张兴,王文博.低轨卫星通信网络路由技术综述[J].天地一体化信息网络,2022,3(03):97-105.

张培颖,王超,吴胜.DTN辅助的低轨卫星网络路由技术[J].中兴通讯技术,2021,27(05):23-27.

杨冠男,李文峰,张兴敢.天地一体化信息网络协议体系与传输性能简析[J].中兴通讯技术,2016,22(04):39-45.