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面对规模庞大、动态拓扑的近地空间卫星通信网络，距离遥远、受天体遮挡而频繁中断的深空通信网络，迅速增多的航天器、探测器等多种空间组织，以及高速、可靠的空间任务通信需求，构建一个延伸到空间领域的网络，在其上为多个空间组织提供类似于地面互联网的服务功能已经成为迫切的需求。空间网络互联服务（Space Internetworking Service，SIS） [62] 的目标是为CCSDS提供空间通信实体间的网络化交互，最早由NASA/JPL开始IPN研究 [63] ，旨在寻求合适的协议体系嵌入SIS，解决空间任务中异构网络的互联问题，实现端到端连接和数据传输。
空间DTN的构想是将地球外部空间的所有空间组织连通为一个整体化网络，借助架构于传输层之上的束层，提供和互联网关相似的功能，实现异构空间网络之间的无障碍交互。空间DTN整合了整个空间环境中区域网络的资源和能力，利用共享能力保障多种空间任务的高效执行，降低损耗和成本。要想构建空间DTN，首先需要克服空间环境带来的客观难题。
（1）极端且多变的传播时延。主要针对深空通信网络，地球至各大行星的单程传播时延达到分钟甚至小时级，且受到近/远地点的影响，即使对于同一行星，传播时延差也可能达到几十分钟。
（2）不对称的前向和反向信道。在空间通信中，前向和返回链路的通信负载能力将达到1000∶1，甚至只有单向信道。
（3）无线电和射频通信链路误码。近地和深空空间的通信链路误码率均很高，甚至达到10 −1 。
（4）频繁中断的通信链路。受到行星自转的影响，探测器和航天器与地球的通信频繁中断，即使在链路可见的情况下，由于空间复杂的电磁环境，也会出现通信中断。
（5）有限的空间飞行器存储和计算能力。DTN的存储转发特性对卫星和飞行器的存储空间提出了新的要求，多网络互联对节点的计算能力也提出了挑战。
空间DTN的建立分为3个步骤：第一步是在深空通信网络、近地卫星网络等网络内部构建DTN体系结构，为网络内部多种空间任务提供数据交互支持；第二步是以DTN网关为连接点，连通地面、空间的多个网络，可实现网络与网络间、设备与不同网络间、不同网络中的设备与设备间的交互通信，提供灵活高效的空间任务执行能力；第三步是利用互联网络实现空间资源的智能自主化统筹和优化。成熟的空间DTN具备以下特性。
（1）即使面对超远距离和星体自传引起的频繁链路中断，导致部分数据丢失、损坏，依旧可以实现端到端的可靠通信。
（2）飞行器、探测器、卫星等空间设备均可以在应急任务或突发情况下缓存关键数据，等待通信链路的稳定并优先传输，以保证准确性和时效性。
（3）在有设备损坏或断开连接的情况下，可以根据网络资源情况自主搜寻到最优路径，保证任务的连续执行。
（4）在网络中，空间设备产生的大量数据能自动在轨处理，缓解内存和通信链路压力。
（5）自主化、智能化整合和优化网络资源，统筹安排多类型空间任务的有序高效执行。
图2-12所示为未来空间DTN的构想，它适用于所有的空间网络环境，为复杂多样的空间任务建立自主一体化通信网络描绘了蓝图。但是，DTN的各项技术还不成熟，距离商用还存在一定的距离。
图2-12 未来空间DTN的构想
空间DTN 体系结构在物理环境上类似于IPN，是一个将各种轨道飞行器、探测器、登陆车、卫星及其他空间设备连接起来的互联网络，主要包括如下5 种子网。
1.地面基站网络
由地面卫星基站组成的通信网络，负责所有空间设备回传数据的可靠接收和高速转发，同时分发任务，为设备正常运行和突发情况提供地面干预能力。随着卫星数量的激增和卫星能力的提升，地面基站在选址、功能和标准化方面都需要进行全方位的优化，目前国内外地面基站网络情况如下。
（1）美国民用遥感卫星接收站网主要包括美国地质勘探局、国家海洋和大气管理局、国家航空航天局的接收站网。美国地质勘探局接收站网由其下属的地球资源观测和科学数据中心（Earth Resources Observation and Science Center，EROS）运行管理，EROS通过复杂的计算机系统将美国地质勘探局的接收站统筹管理起来，可进行遥测和数据接收。对于环境卫星数据接收，美国国家海洋和大气管理局建有自己的接收站网，负责接收“静止业务气象卫星”和“极轨环境卫星”数据，以及Suomi NPP、“贾森-2”、“国防气象卫星”、“电离层和气候星座观测系统”和“深空气候观测台”等卫星数据。该站网由美国国家海洋和大气管理局下属的国家环境卫星数据信息服务中心（NESDIS）负责运营管理，由 5 个地面站组成。
（2）欧洲航天局接收站网由下属的欧洲航天研究所（European Space Research Institute，ESRIN）负责管理操作和使用，ESRIN 接收站主要分布在欧洲和加拿大，由14个接收站组成，接收的卫星包括“欧洲遥感卫星-2”（ERS-2）、“环境卫星”（Envisat）、“星上自主项目”（Proba）、“土壤湿度和海洋盐度”（SMOS）、“重力场和海洋环流探测卫星”（GOCE）和“冷星”（CryoSat） [64] 等。欧洲航天局对自有接收站和合作接收站进行了统筹管理，通过提高接收站之间的协调性，实现“数据只需采集一次”的目标，因而极大地降低了管理、处理和分发成本。
（3）日本实行寓军于民的航天政策，遥感卫星接收站由宇宙航空研究开发机构管理，运营由宇宙航空研究开发机构下属的对地观测研究中心（Earth Observation Centre，EOC）管理，具体负责遥感卫星数据的接收、处理。
（4）印度遥感卫星接收站由印度空间研究组织下属的国家遥感中心（National Remote Sensing Centre，NRSC）负责管理，NRSC总部位于印度Hyderabad，其管理的站主要是印度Shadngar的IMGEOS站和南极的巴蒂站。
（5）中国历经三十余年的砥砺建设，地面站已经形成了陆地观测卫星和空间科学卫星数据接收站网，规模体量和卫星任务接收数量均位居世界民用卫星地面站的前列，运行调度系统、数据传输系统、数据处理系统、数据管理系统、数据检索与服务系统、数据深加工系统等在北京总部协同运行，负责调度卫星任务，汇聚接收的卫星数据，进行卫星数据的归档、处理、共享和分发，提供各类遥感卫星数据服务。密云、喀什、三亚、昆明、北极站形成的接收站网，能够覆盖中国全部领土和亚洲70% 的陆地区域，并初步具备了全球数据的快速获取能力。地面站通过多年的自主研发、协调合作和技术创新，成为目前中国卫星地面接收系统中兼容和扩展能力最强的卫星数据地面接收系统之一，总体指标达到国际先进水平，部分指标达到国际领先水平。
2 ．地球空间网络
地球空间网络包括全部环地球卫星，是一个低轨、中轨到高轨的多层次网络，承载卫星数量庞大，主要承担对地观测、导航定位和全球无缝互联等任务，同时还能作为深空通信的中转节点。
SpaceX最初计划发射12000颗星链卫星，现今已发射的在轨星链卫星已成为全球最大的商业卫星星座，这些星链卫星将首先部署在290千米的轨道高度，之后再利用它们搭载的推进器将轨道高度提升到550千米，并开始提供网络服务。OneWeb公司是星链计划的重要竞争对手。OneWeb希望通过部署近地轨道卫星，让网络覆盖全球每一个角落、每一个人。与其他同类项目相比，OneWeb在北极地区的网络部署领先一步，且网络容量是其他项目的200倍以上。2021年，OneWeb将为整个北极圈内所有地区提供全天24小时的网络覆盖。亚马逊的太空互联网计划名为“柯伊伯项目”。这个项目计划把3236颗卫星发射入轨，并为全球提供低时延、高速率的太空互联网服务。加拿大通信卫星公司Telesat已有几十年的历史，目前是世界上最大、最成功的全球卫星运营商之一。Telesat计划发射的卫星进入距离地面1000千米以内的近地轨道，预计发射298颗卫星来组成覆盖加拿大及全球的星座。该项目开始运行后，可使用户享受至少50Mbps的网络下载速率。截至目前，我国最大的两期卫星互联网工程为中国航天科技和中国航天科工两大央企主导的“鸿雁星座”和“虹云工程”，前者的目标为国内首套宽窄带结合的全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统，后者则致力于满足单颗卫星4Gbps的高速接入需求。
3 ．空间骨干网络
空间骨干网络是太空信息交互的主体，主要由空间站、平动点中继卫星等组成，为不同的空间网络提供互联的基础设施。
利用平动点和空间站是实现超远空间互联的方法之一，如今已经存在多个这样的中继卫星。欧洲航天局于2010年开展的“阿蒂米斯”任务，成功将两颗探测器部署于地月系L1和L2平动点轨道，但没有进行中继通信与导航应用。我国于2018年实施了“嫦娥四号”探测任务，利用地月系L2点Halo轨道的“鹊桥号”卫星实现探测任务的中继通信，成为世界上第一颗进入地月系Halo轨道进行中继通信的卫星。国际空间站（International Space Station，ISS）作为目前在轨运行最大的空间平台，主要由美国国家航空航天局（NASA）、俄罗斯联邦航天局（ROSCOSMOS）、加拿大航天局（CSA）、欧洲航天局（ESA）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）等共同运营 [65] 。2022年12月，中国空间站全面建成，建成后的中国空间站包括天和核心舱、梦天实验舱、问天实验舱、载人飞船（即已经命名的“神舟”号飞船）和货运飞船（“天舟”飞船）五个模块，总质量可达180吨，装载着空间生命和生物科学、材料科学、燃料和微重力流体科学、基础物理等领域的大量先进实验装置。
4 ．星际网络
星际网络包含在太空中飞行的空间飞行器、探测器等设备，它们在飞行过程中通过与不同的子网之间互联，实现信息传输，或者利用与地球的直接通信完成任务。
一直以来，人类的飞行器都在向更遥远的空间探索，在深空通信网络中已经对以往的空间探索设备进行了分析。
5 ．行星网络
行星网络由两层组成，第一层是环行星网络，包含轨道卫星和高空悬浮器等中继节点，为行星表面网络提供与空间骨干网的连通服务。第二层是行星表面网络，主要为着陆器、探测车、传感器等运行于行星表面的设备提供通信链路。
不同于星际网络，行星网络类似于地球空间网络，主要目的是为行星探测提供连续、可靠的通信环境，保障任务的顺利执行。行星网络更加多样化，数据量也更大，现在已经在月球和火星上初步建立起了相应的行星网络。
在物理环境上构建的空间DTN体系结构，需要借助DTN体系结构的通信能力实现实际意义上的互联。不同子网络的内部协议会充分适应现有的网络环境，实现网络内信息传输与可靠性保障。而异构网络之间利用DTN网关节点相连，设计与子网络匹配的汇聚层，利用束层的信息通用格式实现端到端通信，而且包含了DTN体系结构的全部功能和特性。图2-13所示为根据物理环境构建出的空间DTN的基本体系结构。
在网络中，BP层被布置在所有空间设备上，实现网络间的信息交互。
（1）对地面基站网络来说，设备质量和体积均不受限，网络计算能力和存储能力充足且能够保持持续连接，传输速率高，因此，网络内部采用TCP/IP来提供更好的网络内部性能。在传输层以上加入BP层，作为与其他空间子网络的连通手段。
（2）对地球空间网络来说，由于处于地球外层空间，通信环境受到空间复杂环境的影响，多跳传输链路同样会导致TCP/IP等地面协议产生严重的传输时延。为了保证端到端信息传输的高效和可靠，网络内部就需要使用DTN协议进行通信，利用保管传输能力克服多跳和空间环境的影响，因此，无须部署独立的DTN网关辅助与其他网络的互联。
（3）对空间骨干网络来说，节点分散于整个太空内，相互之间距离遥远，其作用极为重要，是多个子网络能够快速交互的中继节点，这些节点的部署避免了遥远的飞行器、探测器与地面设备的直接传输引起的高误码和高时延。因此，每个节点均为DTN网关。
（4）对星际网络来说，遥远的飞行器和探测器与地球的直线通信微弱甚至无法传递数据，大量的科学数据需要通过骨干网络网关中继回地球。而且，通信窗口极其有限，更加需要DTN的保管传输能力，因此，内部也采用DTN通信。
（5）对行星网络来说，行星表面网络距离较近，可以使用TCP/IP进行内部交互，与环行星网络之间的交互也可以运用同样的方式，但是环行星网络或者行星表面网络与其他异构子网之间需要借助BP层互联。
图2-13 根据物理环境构建出的空间DTN的基本体系结构
对于所有子网来说，子网内部可能采用LTP、TCP或UDP作为传输层，数据链路层和物理层采用CCSDS定义的相关协议，子网之间必须运用DTN网关互联。与DTN体系结构一样，空间DTN中BP和LTP是空间异构网络互联和可靠通信的核心。
庞大的网络规模和节点数量，让DTN的命名、寻址机制和动态拓扑路由协议成为构建体系结构的重要基础。在命名与寻址方面，DTN采用URI命名网络中的端点和节点地址。为适应穿越异构网络的需求，DTN采用延迟绑定的机制，根据路由算法计算到下一跳DTN节点后，根据当前节点和下一跳节点的连接方式，完成底层协议地址解析工作，直到传输到最后一个DTN节点前才执行目标节点的解析。空间网络内部和网络间的拓扑均是动态变化的，对于空间设备来说，任务规划是确定的、可预知的，适合具有较强确定性的路由方法。
面对未来庞大而复杂的空间网络，现在的DTN技术不足以支撑空间DTN承担繁重且多样的任务，DTN与空间网络的结合存在很多技术挑战。
1 ．路由技术
传统网络中的路由协议及算法的基本前提是，在通信期间源节点和目的节点存在一条相对稳定的路径。但空间DTN的高动态拓扑无法满足这一条件，考虑到空间网络环境的多样性，实际可能需要多种路由机制混合使用。对于可预知的网络动态性，可以采用确定性路由；对于随机性的拓扑变化，可以采用基于拓扑发现的路由和随机性路由方式。在现有的路由知识的基础上，依旧有如下几个主要问题：①确定性路由，基于发现的路由和随机性路由在空间DTN中的混合工作方式；②面对当前链路长时间的中断和巨大的时延，路由技术如何保证数据的多跳高效传输；③需要标准化网络内的路由协议框架，使空间DTN内所有异构的底层网络互联。
2 ．组播技术
对于未来庞大的空间DTN，源信息被分发至多个目的节点将成为常态，组播服务支持一组用户的数据分发，有助于提升网络传输能力，更好地节约资源和提高通信效率，但空间链路的超远距离和频繁中断需要对组播进行新的定义，研究针对空间网络特性的可靠多播路由策略势在必行。
3 ．QoS 机制
现有的空间资源较为稀缺，难以实现大规模空间DTN的性能验证，需要开展基于模型的评价，对服务质量进行充分的测试和验证。典型的网络服务质量模型评价方法包括排队模型、马尔可夫过程模型、随机Petri网模型，但依然缺少一个标准化、统一化的评价体系。建立多维度、多任务、多场景下网络性能的评价体系框架是一个难题，也是帮助网络整体性能提升的关键。
4 ．网络化拥塞控制机制
拥塞控制是互联网协议研究中的热点问题，在DTN中的研究相对困难，特别是面对空间网络。第一，链路中断后在未来一段时间可能无法重建，数据不断积压；第二，除非发生极端情况或者数据保存超时，否则，保管的信息不会被丢弃；第三，空间网络为节点带来更多的中转信息，会加速长期内存的损耗。可以看出，拥塞的根本是每个节点和包裹操作采用保管传输方式，因而其基本控制方法是通过反向网络传播以调整流量。如何联合主动和被动管理两种方式，适应网络特性，设计性能更优、损耗更低的拥塞控制机制有待进一步研究。
5 ．网络调度和缓存管理策略
空间DTN是高动态性的，经常处于中断连接状态，现有IP网络的调度和缓存管理策略将不再适用，需要根据网络特性设计新的更加复杂的调度机制和缓存管理策略，特别是对于多用户的情况，以便有效降低丢包率，提高服务质量。
6 ．高效传输策略与评价机制
DTN的保管传输策略虽然保障了复杂空间环境下数据的可靠传输，但从资源利用的角度来说，该策略成为快速端到端传输的障碍，特别是对于链路繁杂的空间网络。如何针对不同的子网络，利用不同网络互联特性，设计实用高效的协议和算法、提升高速传输能力、是亟待解决的问题。同时，在没有任何业务流模式消息的情况下，如何评价提出的DTN传输策略和其性能的优劣，关系到设计策略的有效性，需要进一步研究。
7 ．数据束分割问题
网络内和不同网络间的数据大小差异可能很大，如何约束Bundle尺寸，保证其在空间DTN内的自由传输是一个问题。特别对于典型监测任务的大块数据，在传递时提高可靠性和有效性是保证空间DTN正常运行的关键。在传输过程中，可能因为中断或者下一网络的尺寸限制，数据束无法被完整传输，需要对其进行分割。现在的前瞻式和反应式分割方式多针对点对点链路，在更复杂的网络拓扑下的数据束分割算法需要进一步研究。
8 ．安全机制
DTN体系结构的安全模型与传统的网络安全模型有很大的不同。DTN安全模型主要由4部分组成：用户、DTN路由器、DTN区域网关和DTN证书认证。DTN安全性机制尚未完善并缺乏评估，深空DTN安全技术的主要问题如下：数据束分段的交互和密码机制的应用受限问题；密钥管理问题；DTN中逐跳安全机制问题。DTN的应用背景决定了它所传输消息的重要性。设计可靠的认证机制和设计保证转发节点可信性的安全机制，将有助于DTN中消息传输的保密性、高效性。当前DTN安全中另一个主要的开放性问题是对密钥的管理缺少容迟的方法。