一种面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法

摘要

一种面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，根据空间区域及节点通信范围，根据连接计划可以选择出各个域内的汇聚节点作为该域的域服务器，对内负责域内信息管理，对外负责构建域间传输链路，实现数据跨域传输；通过该域服务器，各个域之间构成顶级域拓扑网络，进行组网通信，数据和信息在这些顶级域之间进行同步和传输；每个顶级域内的数据传输及组网管理通过分层域的概念实现；根据经纬度、海拔高度地理信息空间位置，将顶级域或域空间细分为多个二级域，每个二级域也具有域服务器，所有域服务器之间互联，构成全网骨干传输网络和树状的网络拓扑管理，解决未来载人深空探测域间灵活组网、容忍延时问题。

权利要求

1.一种面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，根据空间区域及节点通信范围，按照一定的规则划分为不同的域，根据连接计划能选择出各个域内的汇聚节点作为该域的域服务器，对内负责域内信息管理，对外负责构建域间传输链路，实现数据跨域传输；通过该域服务器，各个域之间构成顶级域拓扑网络，进行组网通信，数据和信息在这些顶级域之间进行同步和传输；每个顶级域内的数据传输及组网管理通过分层域的概念实现；

根据空间位置将顶级域或域空间细分为多个二级域，每个二级域也具有域服务器，属于同一顶级域的所有二级域可组网构成二级域拓扑网络，数据和信息可在这些二级域之间进行同步和传输；而每个二级域也可根据情况细分第三级域；以此类推，最终形成分层树状的网络拓扑，所有域服务器之间互联，构成全网骨干传输网络；域外的任何信息都需要经过多层域服务器的检测；

根据经纬度、海拔高度地理信息空间位置，将顶级域或域空间细分为多个二级域，每个二级域也具有域服务器，属于同一顶级域的所有二级域可组网构成二级域拓扑网络，数据和信息可在这些二级域之间进行同步和传输；而每个二级域也可根据情况细分第三级域；

以此类推，最终形成分层树状的网络拓扑，所有域服务器之间互联，构成全网骨干传输网络和树状的网络拓扑管理；

利用信息中心网络的订阅发布机制，结合信息多源传输、组网、网络拓扑技术，解决未来载人深空探测的多业务/服务管理、网络管理、域间灵活组网、容忍延时问题；

包括如下步骤：

步骤1、控制平面构建，该步骤根据空间区域及节点通信范围，顶级域内按照空间规则划分为不同的域空间，网络内所有节点都可归属于不同的域空间；并根据连接计划选择出各个域空间内的汇聚节点作为该域的域服务器，对内负责域内信息管理，对外负责构建域间传输链路，实现数据跨域传输；同时域服务器相互连接，形成上层控制拓扑网络，同时各类信息在各个域空间中进行传输和同步；

步骤2、服务发现，该步骤至少包括服务发现、服务管理、发布或订阅中的一项；域空间的各个节点在域服务器上进行注册，并发布或订阅某种类型的服务或数据；

步骤3、数据传输步骤，订阅者与域服务器或发布者之间进行数据传输，其中存在多个发布者具有相同的数据，即数据的多源传输；

步骤4、服务取消，该步骤，用户取消发布或者订阅某种服务或数据，并在服务器上进行注销；

其中步骤1‑4的实现过程，通过下述方式进行具体实现：

1)控制平面构建，包括域服务器的开机初始化，域服务器相互连接通信；

2)服务发现，包括以下几个步骤：用户注册；服务器对于用户注册请求的回复(ACK)；用户发布数据/服务请求；服务器对于发布请求的回复(ACK)；用户订阅数据/服务请求；服务器对于订阅请求的回复(ACK)；

3)数据传输，包括订阅者与发布者、订阅者与服务器之间的数据传输；其中存在多个发布者具有相同的数据，即数据的多源传输；

4)服务取消，包括取消发布、取消订阅、用户自身注销；分别分为以下几个步骤：A.取消发布：用户取消对数据的发布；服务器对于用户取消发布数据的回复(ACK)；

B.取消订阅：用户取消对数据的订阅；服务器对于用户取消订阅数据的回复(ACK)；

C.用户自身注销：用户注销退出网络；服务器对于注销请求的回复(ACK)。

2.根据权利要求1的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，所述的服务发现步骤的用户注册过程中，用户的注册请求信息应涵盖用户的一切信息；包括信息类型(Message_TYPE)：用于说明信息的类型；用户ID(USER_ID)：用户唯一标识；数据类型（DATA_TYPE）:说明用户订阅或发布的信息种类，包括静态数据、动态数据和指令数据；用户域(scope)：说明用户所在的地理位置；心跳时间(KEEP_ALIVE)：用户与服务器协商的心跳时间；服务接口保留位(Reserved)：用于提供服务/业务接口要素。

3.根据权利要求1的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，所述的用户发布数据/服务请求过程中，发布的静态元数据，应包含发布者ID，文件的名称，源地址路径，文件分块大小，文件分块的哈希值信息；

所述的服务发现步骤的用户发布数据/服务请求过程中，指令数据、静态数据和动态数据的元信息格式存在差异；指令数据的元信息包括所需指令的类别(Command)，以及指定该指令的来源(Command‑source)，即只有来自指定来源的指令才会被接受；静态数据采用文件名(name)进行唯一标识；其中文件名可根据发布者的所在域和具体地理位置进行命名；

动态数据采用时间戳(time stamp)+文件名(name)进行唯一标识；其中时间戳用于对动态数据进行标识，文件名可根据发布者的所在域和具体地理位置进行命名。

4.根据权利要求1的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，所述的服务发现步骤的用户发布数据/服务请求过程中，发布者能允许服务器缓存热门的数据，有助于数据的多源分发；对于热门数据的判定，服务器会对每一个订阅信息进行记录，统计一段时间内订阅次数较多的内容，对该内容进行本地缓存；

所述的服务发现步骤的用户订阅数据/服务请求过程中，订阅应区分为单次订阅和持续订阅；单次订阅大多发生在静态数据的订阅，持续订阅发生在对指令和动态数据的订阅，持续订阅不会被服务器删除；订阅信息帧中应包含该选项。

5.根据权利要求1的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，所述的数据传输过程中，数据的多源传输方案；多源传输将文件分成大小统一的数据块，每个发布者只传输一部分数据块给订阅者，订阅者接收到所有发布者的数据块后可重新组合成文件，在这其中订阅者需要与所有发布者保持信息的同步，告知已有块和缺少块，以此决定每个发布者发送的数据块；此外，订阅者完整接收到数据后，通过发布请求，告知服务器作为该数据的发布者，通过该逻辑实现多源传输的源拓展。

6.根据权利要求1的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，所述的服务取消步骤，无论是订阅者或发布者，在关机或者脱离当前域时，都需要进行注销，发布者注销时，需告知服务器是否删除服务器的缓存数据；此外，若用户突然死机或突然移动，导致无法主动发送注销信息，域服务器的心跳机制会检测到用户的失联，然后主动注销该用户。

7.根据权利要求1的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，域与域之间、域内之间的通信形成一个控制平面，网络的组网方式在这之上形成，整个网络的组网结构层次化；

结合域的概念，整体网络架构在功能划分上分为两大功能平面：控制平面，数据平面；

控制平面：由各个域的服务器连接而成，构成信息控制网络，域服务器负责数据信息管理和网络拓扑管理；用户注册、发布、订阅和注销请求信息在控制平面进行传输和同步；

数据平面：由各个通信节点组成，实现数据、服务发现之后的数据传输和加载服务，包括多源传输和路由选择，各节点担任订阅者和发布者角色；各节点都位于自己所属域并会与所属域的域服务器通过一跳或多跳实现通信，发送发布信息或订阅请求信息。

8.根据权利要求1的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，控制平面的节点类型是各个域的服务器；而控制平面中的链路要素类型包括如下几种：

1)域间中继链路：主要是星际间的中继卫星网络，包括激光链路和RF链路；

2)域间直连链路：卫星与地面站直连网络，包括激光链路和RF链路；

3)域内通信链路：各个域服务器之间的通信链路以及域服务器与数据中心之间的数据传输链路；

4)交叉链路：同步卫星与低轨卫星之间的通信链路；

5)临近链路：低轨卫星或同步卫星与地面站、通信基站、探测车、宇航员直连的通信链路；

6)W‑LAN：宇航员、用户和探测车与通信基站、服务器之间的近距离通信链路，包括W‑LAN、蓝牙。

9.根据权利要求1的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于， 数据平面的节点类型包括如下几种：

1)探测车：星球表面的探测器，探测行星的信息，包括温度、湿度和大气成分；可担任订阅者和发布者的角色；

2)宇宙探测器卫星：游荡在宇宙中的探测器卫星，探测宇宙信息，包括射线、温度；可担任订阅者和发布者的角色；

3)宇航员：可担任订阅者和发布者的角色；

4)数据中心：存放数据；担任发布者角色；

5)中继卫星：包括同步中继卫星和中、低轨中继卫星；担任通信的骨干传输网角色；

6)卫星地面站：担任通信的接入单元；

7)信号站：地球及其他星球上的网络信号中继基站；

8)极地平台：探测车及宇航员的基地平台。

10.根据权利要求9的面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法，其特征在于，其中1)‑4)节点类型都属于用户类型，能担任订阅者或发布者的角色；5)‑8)节点类型都属于域服务器类型，在域内担任存储信息、同步信息的角色，存储和同步的信息包括发布信息和订阅信息，在域外则担任域间传输链路的骨干节点；

数据平面中存在多种类型的数据，这些数据按类型分为以下几种：

1)指令数据：地球域的控制中心发送给各个行星域中的探测器和宇航员的指令；

2)静态数据：不会变更的数据，包括文本数据、图像、离线音频和离线视频；

3)动态数据：随时间变化或更新的数据；包括通话语音、探测器探测的数据。

说明书

一种面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及空间信息网络领域，具体而言涉及一种面向载人深空探测的信息中心网络架构的方法。

背景技术

[0002] 随着航天技术的发展，人类对于深空的探测从未停止。我国深空探测活动于2004年开始，历经十几年的高速发展，从月球起步走向了全面发展的新步骤，并预计在2020年前
完成“绕”、“落”、“回”探月工程三步走，同年启动火星探测任务，开启深空探测的新篇章。

[0003] 当前的深空网络结构呈现出节点稀少、通信业务单一的特征，在这种情况下，延时容忍网络(Delay Tolerant Networks，DTN)能够较好地满足通信需求，解决长延时、常中断
环境下的传输问题。但是随着世界各大航天强国深空探测计划的推动，未来的深空网络结
构也会发生很大的变化。首先节点数量与种类会大幅度增加，如移动栖息地、通信基站、无
人探测车、中继卫星和宇航员等；探测任务仍然包括机器遥测，但这些操作可由宇航员和他
们的运载工具来执行；各节点之间会进行频繁的数据交互，数据传输量大大增加；通信业务
更加多样化，除了传统数据的推送业务，还会包括email、语音、视频等多媒体业务，在业务
的时敏性和优先级方面也会有更高要求。通信业务不仅包含周期性探测数据的推送，各节
点也会对特定数据有主动获取需求。在这种情况下，DTN单一的推送模式和在高效内容分发
策略上的缺失会严重阻碍其在未来载人深空探测场景下的应用。因此，设计一个合适的网
络协议以满足当前及未来深空探测需求是极其重要的。

[0004] 信息中心网络(Information Centric Networking，ICN)抛弃传统的以主机为中心的思想，将网络重心放在数据的获取上，即用户在对数据进行请求时，不必知道内容源地
址，只需把需求信息发送至网络即可。相比于DTN，ICN拥有更多组网、内容分发上的优势。首
先，ICN提供了更加多样化的传输方式以满足未来不同通信场景的业务需求，如周期性探测
数据推送、特定内容主动获取和指令数据推送等等；另外缓存机制允许中间节点对热门数
据进行备份，这样在其他节点对此数据进行重复请求时，中间节点就能够直接回复，以此减
少传输路径，降低往返时延；多源传输机制可以使多个数据源对同一请求进行回复，以此提
高数据传输可靠性，同时也能够实现不同数据源传输同一数据的不同内容块，从而降低内
容提供者的负载压力，提高传输效率。除此之外，ICN对安全性和移动性等方面也有一定的
支持。

[0005] 因此，虽然DTN能够较好地解决当前场景的传输问题，但随着未来深空网络结构和通信需求的复杂化，本发明认为信息中心网络ICN在高效组网及内容分发上的优势会使其
更适合未来载人深空探测场景。

发明内容

[0006] 技术问题：

[0007] 本发明旨在提供一种面向未来载人深空探测的网络架构的方法，解决载人探测网络中的网络节点类型多样化、网络规模化、网络异构等特征问题，以及由此带来的组网管
理、域划分等组网问题；解决未来载人探测网络中的业务和服务需求的多样化，以及多样化
所带来的服务发现、服务管理等问题；解决深空的长时延、高误码乃至中断以及非对称等链
路特性所带来的数据传输效率低下等问题，使得该网络架构设计方法能应用于未来复杂的
载人深空探测场景之中。

[0008] 技术方案：

[0009] 为实现上述目的，本发明提出了一种基于信息中心网络的网络架构的方法，利用信息中心网络的订阅发布机制，结合信息多源传输、组网、网络拓扑等技术思想，解决未来
载人深空探测的多业务/服务管理、网络管理、域间灵活组网、容忍延时等问题。

[0010] 结合图1，本发明提出了一种未来载人深空场景的构想，并对场景中整网架构、拓扑关系、域划分进行详细描述。整个网络架构可分为若干个顶级域，比如地球域、火星域、深
空域以及其他星球域等。

[0011] 包括如下步骤：

[0012] 步骤1、控制平面构建，该步骤根据空间区域及节点通信范围，顶级域内按照一定的规则(如坐标、经纬度等)划分为不同的域空间，网络内所有节点都可归属于不同的域空
间；并根据连接计划选择出各个域空间内的汇聚节点作为该域的域服务器，对内负责域内
信息管理，对外负责构建域间传输链路，实现数据跨域传输。同时域服务器相互连接，形成
上层控制拓扑网络，同时各类信息在各个域空间中进行传输和同步；

[0013] 步骤2、服务发现，该步骤包括服务发现、服务管理、发布、订阅等；域空间的各个节点在域服务器上进行注册，并发布或订阅某种类型的服务或数据；

[0014] 步骤3、数据传输步骤，订阅者与域服务器或发布者之间进行数据传输，其中可能存在多个发布者具有相同的数据，即数据的多源传输。

[0015] 步骤4、服务取消，该步骤，用户取消发布或者订阅某种服务或数据，并在服务器上进行注销。

[0016] 其中步骤1‑4的实现过程，通过下述方式进行具体实现：

[0017] 1)控制平面构建，包括域服务器的开机初始化，域服务器相互连接通信。

[0018] 2)服务发现，包括以下几个步骤：用户注册；服务器对于用户注册请求的回复(ACK)；用户发布数据/服务请求；服务器对于发布请求的回复(ACK)；用户订阅数据/服务请
求；服务器对于订阅请求的回复(ACK)。

[0019] 3)数据传输，包括订阅者与发布者、订阅者与服务器之间的数据传输。其中可能存在多个发布者具有相同的数据，即数据的多源传输。

[0020] 4)服务取消，包括取消发布、取消订阅、用户自身注销。分别分为以下几个步骤：

[0021] A.取消发布：用户取消对数据的发布；服务器对于用户取消发布数据的回复(ACK)；

[0022] B.取消订阅：用户取消对数据的订阅；服务器对于用户取消订阅数据的回复(ACK)；

[0023] C.用户自身注销：用户注销退出网络；服务器对于注销请求的回复(ACK)。

[0024] 其中上述的订阅和发布之间不存在先后顺序。

[0025] 所述的服务发现步骤的节点注册过程中，用户的注册请求信息应涵盖用户的一切信息。包括信息类型(Message_TYPE)：用于说明信息的类型；用户ID(USER_ID)：用户唯一标
识；数据类型(DATA_TYPE)：说明用户订阅或发布的信息种类，有静态数据、动态数据、指令
数据等；用户域(scope)：说明用户所在的地理位置；心跳时间(KEEP_ALIVE)：用户与服务器
协商的心跳时间；服务接口保留位(Reserved)：用于提供服务/业务接口要素。

[0026] 所述的信息发布过程中，发布的静态元数据，应包含发布者ID，文件的名称，源地址路径，文件分块大小，文件分块的哈希值等信息。

[0027] 所述的服务发现步骤的信息发布过程中，指令数据、静态数据和动态数据的元信息格式存在差异性。指令数据的元信息包括所需指令的类别(Command)，以及指定该指令的
来源(Command‑source)，即只有来自指定来源的指令才会被接受，提高了安全性。静态数据
采用文件名(name)进行唯一标识。其中文件名可根据发布者的所在域和具体地理位置进行
命名。动态数据采用时间戳(time stamp)+文件名(name)进行唯一标识。其中时间戳用于对
动态数据进行标识，文件名可根据发布者的所在域和具体地理位置进行命名。

[0028] 所述的服务发现步骤的信息发布过程中，发布者可允许服务器缓存热门的数据，有助于数据的多源分发。对于热门数据的判定，服务器会对每一个订阅信息进行记录，统计
一段时间内订阅次数较多的内容，对该内容进行本地缓存。而潜在的法律问题在于服务器
缓存的数据内容的归属者，由于是发布者告知服务器可以缓存数据，因此归属权仍应属于
原始发布者。

[0029] 所述的服务发现步骤的信息订阅过程中，订阅应区分为单次订阅和持续订阅。单次订阅大多发生在静态数据的订阅，持续订阅可能发生在对指令和动态数据的订阅，持续
订阅不会被服务器删除。订阅信息帧中应包含该选项。

[0030] 所述的数据传输过程中，数据的多源传输方案。多源传输将文件分成大小统一的数据块，每个发布者只传输一部分数据块给订阅者，订阅者接收到所有发布者的数据块后
可重新组合成文件，在这其中订阅者需要与所有发布者保持信息的同步，告知已有块和缺
少块，以此决定每个发布者发送的数据块。此外，订阅者完整接收到数据后，可通过发布请
求，告知服务器作为该数据的发布者，通过该逻辑实现多源传输的源拓展。

[0031] 所述的服务取消步骤，无论是订阅者或发布者，在关机或者脱离当前域时，都需要进行注销，发布者注销时，需告知服务器是否删除服务器的缓存数据。此外，若用户突然死
机或突然移动等意外原因导致无法主动发送注销信息，域服务器的心跳机制会检测到用户
的失联，然后主动注销该用户。

[0032] 根据空间区域及节点通信范围，按照一定的规则(如坐标、经纬度等)可以划分为不同的域，根据连接计划可以选择出各个域内的汇聚节点作为该域的域服务器(顶级域可
能会存在若干个服务器)，对内负责域内信息管理，对外负责构建域间传输链路，实现数据
跨域传输。通过该域服务器，各个域之间可以构成顶级域拓扑网络，进行组网通信，数据和
信息可在这些顶级域之间进行同步和传输。每个顶级域内的数据传输及组网管理通过分层
域的概念实现；

[0033] 根据空间位置(例如经纬度、海拔高度等地理信息)可将顶级域或域空间细分为多个二级域，每个二级域也具有域服务器，属于同一顶级域的所有二级域可组网构成二级域
拓扑网络，数据和信息可在这些二级域之间进行同步和传输。而每个二级域也可根据情况
细分第三级域。以此类推，最终形成分层树状的网络拓扑，所有域服务器之间互联，不仅可
作为控制网络，也可构成全网骨干传输网络。这种树状的网络拓扑管理，不但提高了信息检
索和信息管理的效率，也提高了信息的安全性，域外的任何信息都需要经过多层域服务器
的检测。

[0034] 这些域与域之间、域内之间的通信形成一个控制平面，网络的组网方式在这之上形成，整个网络的组网结构更加层次化。

[0035] 结合域的概念，整体网络架构在功能划分上可分为两大功能平面：控制平面，数据平面。

[0036] 控制平面：由各个域的服务器连接而成，构成信息控制网络，域服务器负责数据信息管理和网络拓扑管理。用户注册、发布、订阅和注销请求信息在控制平面进行传输和同
步。

[0037] 数据平面：由各个通信节点组成，实现数据、服务发现之后的数据传输和加载服务，包括多源传输和路由选择等，各节点担任订阅者和发布者角色。各节点都位于自己所属
域并会与所属域的域服务器通过一跳或多跳实现通信，发送发布信息或订阅请求信息。

[0038] 具体而言，结合图1，控制平面的节点类型主要是各个域的服务器。而控制平面中的链路要素类型主要包括如下几种：

[0039] 1)域间中继链路。主要是星际间的中继卫星网络，可以是激光链路和RF链路。

[0040] 2)域间直连链路。卫星与地面站直连网络，可以是激光链路和RF链路。

[0041] 3)域内通信链路。主要是各个域服务器之间的通信链路以及域服务器与数据中心之间的数据传输链路。

[0042] 4)交叉链路。同步卫星与低轨卫星之间的通信链路。

[0043] 5)临近链路。低轨卫星或同步卫星与地面站、通信基站、探测车、宇航员直连的通信链路。

[0044] 6)W‑LAN。主要是宇航员、用户和探测车与通信基站、服务器之间的近距离通信链路(不局限于W‑LAN，还可以是蓝牙等其他通信方式)。

[0045] 而数据平面的节点类型主要包括如下几种：

[0046] 1)探测车。星球表面的探测器。探测行星的温度、湿度，大气成分等信息。可担任订阅者和发布者的角色。

[0047] 2)宇宙探测器卫星。游荡在宇宙中的探测器卫星，探测宇宙射线、温度等信息。

[0048] 可担任订阅者和发布者的角色。

[0049] 3)宇航员。可担任订阅者和发布者的角色。

[0050] 4)数据中心。存放数据。担任发布者角色。

[0051] 5)中继卫星，包括同步中继卫星、低轨中继卫星等。担任通信的骨干传输网角色。

[0052] 6)卫星地面站。担任通信的接入单元。

[0053] 7)信号站。地球及其他星球上的网络信号中继基站。

[0054] 8)极地平台。探测车及宇航员的基地平台。

[0055] 其中1‑4节点类型都属于用户类型，可担任订阅者或发布者的角色；5‑8节点类型都属于域服务器类型，在域内担任订阅发布等信息存储、同步的角色，在域外则担任域间传
输链路的骨干节点。

[0056] 数据平面中存在多种类型的数据，这些数据按类型主要可分为以下几种：

[0057] 1)指令数据。地球域的控制中心发送给各个行星域中的探测器和宇航员的指令。

[0058] 2)静态数据。不会变更的数据，比如文本数据、图像、离线视频等。

[0059] 3)动态数据。随时间变化或更新的数据。比如通话语音、探测器探测的数据。

[0060] 最后考虑到未来载人深空探测场景中可能出现的业务和服务多样化，比如邮件业务，甚至还有实时语音或者视频等业务。为了保证架构对业务/服务拓展的友好性，需要在
传输信息时留出预留位和接口提供给业务与服务。需要指明的是，业务/服务的底层数据类
型仍属于静态数据、动态数据和指令数据中的一种，因此传输方式不会改变。具体实施方式
会在下文进一步说明。

[0061] 本发明利用信息中心网络基本的订阅发布机制，结合信息多源传输、组网、网络拓扑等技术思想，设计了一套完整的应用于载人深空探测场景的网络架构方案，并对方案中
的多个流程步骤以及数据帧格式进行详细说明。该架构的设计可分为控制平面和数据平
面。根据空间区域及节点通信范围，按照一定的规则(如坐标、经纬度等)可以划分为不同的
域，根据连接计划可以选择出各个域内的汇聚节点作为该域的域服务器，对内负责域内信
息管理，对外负责构建域间传输链路，实现数据跨域传输。控制平面由各个域的服务器连接
而成，构成信息控制网络，用户注册、发布、订阅和注销请求信息在控制平面进行传输和同
步。数据平面由各个通信节点组成，实现文件数据传输，包括多源传输和路由选择等，各节
点担任订阅者和发布者角色。各节点都位于自己所属域并会与所属域的域服务器通过一跳
或多跳实现通信，发送发布信息或订阅请求信息。本发明为未来载人深空探测的多业务/服
务管理、网络管理、域间灵活组网、链路特性(信道带宽、误码率、传播时延等)等问题提供了
一种解决方案。

[0062] 有益效果：本发明设计了一种基于信息中心网络(ICN)的网络架构，能够满足未来载人深空探测对于网络协议架构的多业务/服务管理、网络管理、域间灵活组网、容忍延时
等功能需求；对于不同的数据类型：动态数据、静态数据和指令数据采用较为一致的发布订
阅流程，形式上更加统一；结合多源传输原理，能有效减少深空链路中单条链路的流量负
载，提高数据传输效率。

附图说明

[0063] 图1是本发明的面向载人深空探测的信息中心网络架构图。

[0064] 图2是本发明的网络节点功能运行流程图。

[0065] 图3是本发明的节点发布、订阅数据的示意图。

[0066] 图4是本发明的节点多源传输数据的示意图。

[0067] 图5是本发明的数据帧格式图。

具体实施方式

[0068] 下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

[0069] 结合图1‑图5所示，本发明提出了一种适用于载人深空探测网络的信息中心网络架构设计方法，即面向载人深空探测的信息中心网络架构设计方法，分为控制平面和数据
平面两个部分。

[0070] 控制平面：由各个域的服务器连接而成，构成信息控制网络，域服务器负责数据信息管理和网络拓扑管理。用户注册、发布、订阅和注销请求信息在控制平面进行传输和同
步。

[0071] 数据平面：由各个通信节点组成，实现文件数据传输，包括多源传输和路由选择等，各节点担任订阅者和发布者角色。各节点都存在自己所属域并会与所属域的域服务器
通信，发送发布信息或订阅请求信息。

[0072] 对于域的划分，采用的是分层结构的划分方法。最顶层的域是最广泛的范围，比如深空域、火星域等。在每个顶层域的下层子域是更为细分的地理区域，每个域还可以继续往
下细分。域划分的越细，信息管理和信息检索的效率越高。每个域都会有域服务器，用于管
理本域内的发布订阅信息，同属于一个父域的子域之间服务器可以互相通信，保持对发布
订阅信息的同步与更新。而分布在两个父域之间的子域之间的服务器不能直接通信，需要
通过上层域也就是父域的服务器进行通信。对于发布的数据，采用域+数据名称作为该数据
的唯一标识，在本域内，可以忽略上一层的父域名，同层域服务器间同步本域内的发布内容
时，需要加上该域的域名标记。这种树状的分层域划分方法，不但提高了信息检索的效率，
也提高了信息的安全性，域外的任何信息都需要经过多层域服务器的检测。

[0073] 如图2所示，其主要运行步骤及传输信息的配置如下：

[0074] 步骤1、构建域组网架构。该步骤根据空间区域及节点通信范围，按照一定的规则(如坐标、经纬度等)划分为不同的域，网络内所有节点都可归属于不同的域空间；并根据连
接计划选择出各个域内的汇聚节点作为该域的域服务器，对内负责域内信息管理，对外负
责构建域间传输链路，实现数据跨域传输。

[0075] 步骤2、深空网络中的各个节点在域服务器上进行注册，构建出整个网络的架构和拓扑连接，域服务器之间相互连接，形成上层的控制平面，主要包括服务发现、服务管理、发
布、订阅等功能。在两种情况下，用户会在域服务器上进行注册；

[0076] (1)用户刚开机或上线时进行注册；

[0077] (2)用户移动到新的域时，会在旧域注销并在新域进行注册，这种域的切换较为常见。

[0078] 注册时，服务器对于注册用户的唯一标识是用户ID。在注册信息中要包含用户所在域的信息，这有利于信息的管理，比如提高信息的检索效率；注册用户借助域内其他节点
一跳或多跳与域服务器相连，服务器和注册用户之间需要保持心跳联系，以确保注册用户
始终与服务器保持连接。

[0079] 步骤3、服务器对于用户注册请求的回复(ACK)。服务器需要告知用户是否注册成功，若注册失败，则需要告知原因；若发布后在设定时间内未收到请求回复，则认为发布失
败，需要重新发布。

[0080] 步骤4、对于发布者，产生的数据形成发布请求，发送给服务器，服务器进行一系列的验证，通过后将该发布请求记录到发布列表中，同时向上一层域服务器进行信息同步。

[0081] 发布的数据类型主要分为静态数据、动态数据和指令。其中指令发布较为特殊，指令发布是接收指令者发布的对于指令的需求。而其他两种数据则是产生数据者(生产者)发
布的对于已有数据的声明。发布的信息声明中应含有发布数据的元数据，用于对数据的唯
一标识。此外，服务器并不是无条件接收所有发布数据的发布请求，在一些情况下，不允许
发布，比如域不匹配、服务器存储空间不足、达到服务器发布数据数上限、动态文件的时间
戳不匹配等。指令发布比其他数据具有更高的优先级，对于发布者，指令发布请求优先进行
传输，对于服务器，当达到服务器发布数据数上限时，指令发布请求可以置换现有已发布的
普通数据。对于动态数据的发布，采用加上时间戳的方法，以数据名+时间戳的形式对动态
数据进行唯一标识，以此区分相同命名、不同版本的动态数据。

[0082] 对于发布的信息，还应考虑到对于热门数据(或共有信息)的高效提供。实际上，服务器会对每一个订阅信息进行记录，并且统计一段时间内订阅次数较多的内容，对该内容
进行本地缓存，这样下次订阅时，用户可直接从服务器进行下载，无需再与发布者取得联
系。缓存数据的所属权仍归属于发布者，发布者在发布步骤与服务器进行协商，告知服务器
是否允许缓存发布内容以及发布者是否可以主动要求删除服务器缓存。发布者在本地删除
内容时，告知服务器对应的删除缓存。

[0083] 步骤5、服务器对于发布信息的回复(ACK)。服务器需要告知发布者是否发布成功，若发布失败，则需要告知原因，比如时间戳不匹配，域不匹配，存储空间不足等。

[0084] 步骤6、用户可能会取消/删除对数据的发布。用户可能会取消/删除对数据的发布，采用与发布请求相同的元数据，确保取消对应的发布。

[0085] 步骤7、服务器对于用户取消发布数据的回复(ACK)。服务器需告知用户取消发布是否成功。

[0086] 步骤8、对于订阅者，产生的请求形成订阅信息，发送给服务器，服务器进行一系列的验证，通过后则在发布列表中寻找是否有对应的发布记录，若存在，则服务器告知发布者
和订阅者，两者开始进行数据传输；若不存在发布记录，则将该订阅请求记录到订阅列表
中，同时传递给上一层域服务器进行查找。

[0087] 相同的，订阅的数据类型主要分为静态、动态和指令，对于订阅不同类型的数据，订阅请求中的元数据信息是不同的。其中指令订阅较为特殊，指令订阅是地面控制中心订
阅的对于指令的需求。而其他两种数据则是用户(宇航员、地球用户等)订阅的所需数据。指
令的订阅比其他数据具有更高的优先级，对于订阅者，指令订阅请求优先进行传输，对于服
务器，当达到服务器订阅用户数上限，指令订阅请求可以置换现有的普通数据订阅。对于动
态数据的订阅，采用数据名字+时间戳的方式来精确订阅，若时间戳为空，则表示指定当前
的数据。最后要注意，订阅应分为单次订阅和持续订阅。单次订阅大多发生在静态数据的订
阅，持续订阅可能发生在对指令和动态数据的订阅，持续订阅不会被服务器删除。

[0088] 步骤9、服务器对于订阅请求的回复(ACK)。服务器需告知订阅者是否订阅成功，若订阅失败，则需要告知原因，比如时间戳错误，域不存在，指令接收者不存在等。若订阅后在
设定时间内未收到请求回复，则认为订阅丢失，需要重新订阅。

[0089] 步骤10、用户(宇航员、地球用户等)可能取消对数据的订阅。采用与订阅请求相同的元数据，确保取消对应的订阅。

[0090] 步骤11、服务器对于用户(宇航员、地球用户等)取消订阅数据的回复(ACK)。服务器需告知用户取消订阅是否成功。

[0091] 步骤12、服务器与发布者(探测车、探测卫星等)沟通，确保发布者适合发布数据，然后服务器将发布的元信息给订阅者，告知发布者的信息。可以开始进行数据传输。

[0092] 步骤13、订阅者与发布者进行通信，主要解决数据的传输问题。发布者可能存在多个，因此可以通过多源传输来提高数据传输效率和容错率，同时可以减少单条通信链路的
流量负担。

[0093] 为了适应深空特殊传输条件，需要改进数据传输方式，例如利用DTN中的托管传输机制和可靠重传机制。此外也可以实现文件的多源传输机制来保障传输质量。

[0094] 文件的多源传输，将文件分成大小统一的数据块，每个发布者只传输一部分数据块给订阅者，订阅者接收到所有发布者的数据块后可重新组合成文件，在这其中订阅者需
要与所有发布者保持信息的同步，告知已有块和缺少块，以此决定每个发布者发送的数据
块。此外，订阅者完全接收到数据后，可通过发布请求，告知服务器作为该数据的发布者，通
过该逻辑实现多源传输的源拓展。

[0095] 步骤14、信息传输完毕，订阅者或发布者若需要退出网络，需要向服务器发送注销请求，将服务器上的相关数据和条目消除。

[0096] 需要注意的是，对于服务器缓存的数据，随着发布者的注销，也需要进行处理。在发布者注销时，告知服务器是否删除服务器的数据。

[0097] 步骤15、服务器对于注销请求的回复(ACK)，服务器需告知用户的注销请求是否成功，若注销失败，需告知原因，原因可能为域不匹配，没有此订阅者或发布者，数据删除失败
等。

[0098] 其中订阅和发布之间不存在先后顺序。其中上述步骤1‑15实现过程中，可以采用以图5为例的数据帧格式进行数据交互。

[0099] 数据帧的类型通过Message_TYPE来区分，包含注册、发布、订阅等7种类型；length字段只在发布/订阅/取消发布相关信息中出现，指明了发布消息的长度，用以保证信息的
完整接收；USER_ID字段是用户的唯一标识；DATA_TYPE字段表示数据类型，数据类型可能有
多种：静态数据(STATIC_DATA)、动态数据(Dynamic_DATA)、控制指令数据(Command_DATA)；
DATA_INFO字段只在发布/订阅/取消发布相关信息中出现，用于对数据的唯一标识，DATA_
INFO具体内容如图5中所示，第一字段是Info_length，整个DATA info结构的长度，第二字
段是name，这边称为name，实际指与文件内容相关的名称属性，对于静态和动态数据，name
即表示数据的名字，对于指令数据，name指的是与指令相关的名字，将指令涵盖在命名中，
动态数据的特殊性在于多了一个Time Stamp(时间戳)位，该位表示文件的生成时间，另外
还有一个Source字段，表示发布信息、订阅信息或是指令信息的来源，对于指令信息，只有
来自指定来源的指令才会被接收；Scope字段说明用户所在的地理位置，这有利于信息的管
理，比如提高信息的检索效率；之后是可选字段，该字段中对应于不同种类的数据帧具有不
同的值，心跳(KEEP_ALIVE)只出现在注册信息中，确保注册用户始终与服务器保持连接，
Cache_data只出现在发布信息中，告知服务器是否被允许缓存该发布的内容，Continuty只
出现在订阅信息中，用于区分单次订阅和持续订阅，该字段只对动态和指令数据有效，Del_
data只出现在注销信息中，表示用户注销时是否需要抹除服务器上的缓存数据；Success字
段只出现在回复信息中，指明发布/订阅/取消发布是否成功；Reason字段只出现在回复信
息中，当用户对应操作失败时，说明错误原因，ERR_Time_stamp(时间戳错误)，ERR_Scope
(域错误)，存储空间不足(ERR_Mem)；数据帧中的最后都存在保留位(reserved)，该位是作
为未来多业务/服务的接口保留位。

[0100] 综上所述，本发明通过利用信息中心网络的发布‑订阅模型，以及多源传输等思想，设计了适用于载人深空探测的网络架构；同时详细描述了发布、订阅、信息传输的步骤
流程和其中的数据帧格式。使得该方法更清晰详尽，且更易于实现。

[0101] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因
此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。