空间信息网络路由与传输协议研究

Spatial Information Networks (SINs) have experienced explosive growth in recent years. The SIN is characterized by the highly topologic dynamics, the frequent data link handoff, the larger end-to-end latency and the high bandwidth-delay-product. Also the network shows the characters of high bit error rate and the limited network resources. Aimed at the security routing and efficient transmission requirements in the SINs, this project (1) studies the dynamic behaviors of SIN, including the delay variations, the topological change rates, the link handoff models, and the causes of packet losses to model the dynamic behavior of SINs; (2) investigates the routing protocol to support the requirement of different services; (3) explores the key causes which affect the transmission efficiency, provides the improved and newly designed efficient transmission protocols for the upper layer SIN traffic; finally (4) the simulation platform is developed to evaluate the availability and performance of the proposed mechanisms and algorithms. .With our work, the project will explore new ideas and methods for the design of routing and reliable transmission control protocol for SINs. It will not only provide a theoretical guidance for further explorations of routing and reliable transmission protocol for SINs, but also provide technological basis for the construction of SINs backbone in our country and deployment of SINs in the future.

空间信息网络作为空天地一体化动态网络，具有链路切换频繁、时延大、带宽时延乘积大、面临安全威胁、高链路误码率、链路带宽不对称及带宽资源有限等特点。课题从影响空间信息网络路由与高效传输的基础性问题着手，重点分析动态网络时延特性、拓扑变化特性、链路切换与丢包机理等基本问题，初步构建空间信息网络行为特征模型；研究并提出适应于空间信息网络环境的动态自组织路由协议；从研究影响动态网络传输效率的关键因素出发，分析动态链路TCP吞吐量分析模型、研究基于网络编码的传输层纠错机制和跨层优化的拥塞控制算法，提出适用于空间信息网络的新型高效可靠传输协议。课题的开展将丰富目前空间信息网络组网技术的研究，为未来深入探索与研发路由协议和可靠高效传输协议提供技术基础，对我国未来空间信息网络与空间信息系统的建设与部署都将具有积极意义。

基于空间信息网络链路切换频繁、时延大、带宽时延乘积大、面临安全威胁、高链路误码率、链路带宽不对称及带宽资源有限等特点，本课题从影响安全路由与高效传输的基础性问题着手，重点分析动态网络时延特性、拓扑变化特性、链路切换与丢包机理、开放网络环境下节点的安全性等基本问题，初步构建空间信息网络行为特征模型。.　　针对空间信息网络安全可靠性路由问题，课题提出了快速自组织的可信单播和组播路由交换协议，协议不依赖于特定的组网方式，具有抗毁坏自愈能力，典型星座结构网络重构时间不大于10秒。课题通过研究影响动态网络传输效率关键因素，设计并提出了一系列适用于空间信息网络的传输协议，包括：提出基于网络编码策略的可靠传输协议，通过冗余编码恢复出错数据，该协议与传统TCP协议相比协议最大开销增加不超过3.5%，链路吞吐量提高达1.5倍；针对动态、异构化的空间网络环境，提出基于TCP/IP架构的自适应拥塞控制框架，通过支持目前主流拥塞控制机制的切换，最大化空间信息网络吞吐量，实验结果表明该方案较传统协议加速比提升高达225.83%；在不影响高优先级数据传输情况下，提出基于TCP/IP架构的低优先级的自适应可靠传输协议，用于支撑空间信息网络中不同类型、不同优先级业务的可靠传输，研究显示，在与传统TCP协议共存时整体链路利用率提高384.33%；基于CCSDS架构，提出了一种利用带宽估计和修正滤波的自适应传输协议，该协议同时兼容CCSDS架构中SCPS-TP协议，该协议对空间信息网络吞吐量提升高达46.06%。.　　由课题资助，已在IEEE、Elsevier、IET等国际期刊和国内杂志上发表（含已录用）论文13篇，其中在国际期刊（如IEEE IoT、Computer Networks, Electronics Letters等）发表SCI检索论文9篇，由科学出版社出版《空间信息网络组网技术》论著一部；申请国家发明专利16项、已授权专利3项、提交3项国际专利申请；培养研究生22名，其中博士生4人，在读硕博士生13人；项目组通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，多次与国外同行进行了深入的学术交流与合作。