海洋互联网介绍

1、海洋互联网介绍一、海洋互联网的含义和结构海洋时空基准网与海洋环境监测网融合建设，各个网站 之间通过光缆或无线（声波或者蓝绿光）进行数据传输及信息 交换，便形成一个海洋物联网，亦即海洋时空大数据网。该 网和现有的Internet互联就构成一个全球性的网络，可称为 海洋互联网。它为水下每个对象建立全球可访问的虚拟实体， 在全球统一的时空框架内记录并存储该对象当前及历史的 物理属性和环境背景。人类可利用Internet获取这些信息，并通过人与人、人与物和物与物的通信方式对海洋中的各类 人造设备进行远程控制，进而把整个立体海洋纳入人类的认 知和控制范围。海洋互联网的关键部分是水下节点和边界路由。水下节

2、 点可由主机远程控制，负责收集、处理和传输数据；边界路 由主要安置在航船、浮标、岸基、无人水下航行器（UUV）和观测舱等平台上，负责桥接水下网络段与传统IP网络，通过电信通信网和卫星通信网接入Internet。海洋互联网综合了资源非常有限的无线传感器网和传播时延非常长的延迟容忍 网，与Internet有着明显的区别。陆地通信常用的无线电波 在海水中衰减严重，且频率越高，衰减越大，只能用于短距 离高速通信，无法满足远距离的传输要求。声波信号在水中 衰减较弱，可长距离传播，故常被用作水下无线通信系统的 传输载体。然而，它存在时延长、误码率高、多路径效应强、 带宽受距离限制、传播速率受环境（压力、洋

3、流、温度、深度、 噪声）影响大等特征。海洋互联网可参照 Internet分为局域网、区域网和广域 网。局域网是实现某特定功能的局部网络，由静态节点和移 动节点构成，网络中的数据可通过水声、条件容许时也可用 光学或超低频通信等手段在中继节点中传输。水下静态节点 彼此之间组成一个稀疏水声通信网络，节点间先可以水声方 式构成通信链路。移动节点由携带多种传感器的下潜器组成， 节点间可相互链接成一个动态的自组织子网，用于扩大水下 网络的通信范围。由于水下环境的复杂性，不同深度、不同 传输距离、水平及垂直方向等分别适用于不同通信方式，水 下网络节点可综合传感器感知的外界环境，根据信道条件自 动地选择恰当的

4、通信模式来建立通信链接。区域网是将若干功能不同的局域网络通过接驳盒链接 到海底光电缆上实现国家级或区域级的覆盖。接驳盒相当于 网络中的一个路由节点，其基本功能是中继和路由，并将海 底光电缆中传来的电能进行转换和分配，实现基站和各局域 网的信息通信。区域网的光电缆可与海底通信电缆对接，实 现网络的扩展。若干区域网络连接在海底通信电缆上，或通过海面基准浮标观测舱和海岛基准站与通信卫星实现无线 链接，便可以构成跨国家、跨洲际的广域网，组成整个海洋 互联网。届时任何连接互联网的终端（如手机）都可以通过IPV6协议访问到水下的网络节点。 海底通信电缆是目前互联 网的骨干网络，全球总长超过 80.5万km

5、，但它们对外部海 洋环境是聋、哑、盲的。如果在部署新的海底通信电缆系统 时，增加5%10%的费用，将其升级为海洋互联网骨干网络， 就可构建出全球统一的广域网，既可远程控制各类水下人造 设备，也可对海啸、地震及海洋环境进行建模和预测，甚至 挽救无数条生命和数十亿的财产。二、海洋互联网的关键问题海洋互联网的建设和发展包含6个关键问题：时钟同步、定位问题、路由问题、能源问题、通信问题及安全问题。时 间同步是海洋互联网极其重要的问题，通信协议中的时间戳、 数据融合中用到的时间标签、睡眠调度机制和基于时隙分配 的多路访问控制（MAC）协议等都需要进行不同程度的时间同 步。由于水声通信延迟大，且各节点时钟

6、间存在系统偏差， 水下时钟同步成为了一个研究难点，需利用海洋时空基准网 组合GNSS和原子钟，并综合声学、光学和无线电多种手段 解决这个问题。定位问题就是水下各节点获取自身空间位置的过程。海 洋中存在持续的海流，水体中的网络节点具有流动性，定位 难度较大。基于海洋时空基准网，利用水声定位和压力计技 术可获得各节点的实时高精度空间位置信息。海洋互联网的 路由问题是基于网点的移动性和稀疏性，需要重点研究减少 延时和通信能耗、降低存储空间和路由信息维护成本的方法。目前海洋互联网能源主要为电缆和电池，电缆的覆盖范 围有限，而海洋环境中电池更换也较困难，故亟待发展新的 能量采集技术，如微生物燃料电池、海

7、洋温差能、垂直压差 能、海流能、潮汐能、波浪能和盐差能等。海洋网点过于稀 疏分散，额外增加了通信与维护成本，故也需研究高效的通 信方式。海洋互联网的无线通信主要依靠水声信道，而该信道具 有开放性，利用水听器便能窃取通信数据；同时海洋互联网 是动态拓扑结构的网络，网络节点容易被俘获和攻击。海洋 互联网安全问题非常突出，需对其进行威胁建模，构建一致 性、结构化的威胁模型。借鉴现有Internet建模过程，以数据或信息为主干，建立系统流程图，依据交互活动出现的位 置设立信任边界（权限边界），进而在信任边界处分析可能出 现的威胁，解决什么时间在哪里会有攻击及如何有效地防范 攻击等问题。网络协议栈是互联

8、网进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合，故可用于系统地分析网络的数据流程。网络协议栈包括物理层、数据链路层及网络层3方面内容。物理层研究网络实体在水下环境中的自适应变化，包括水下通信 信道建模与编解码、多模式调制与解调、资源管理与分配、 信号发送与接收等内容。数据链路层负责寻址以及信道的访 问控制，尽量避免通信冲突、节省能量。由于水声信道的特 殊性，水下数据链路层的协议与陆地上的协议有很大不同。 网络层主要负责路由的选择， 以便数据的传输、搜索、确定、 分发，并维护源节点与目的节点间的路由信息，完成邻居发 现、分组路由、拥塞控制和网络互联等功能。可按照数据产 生、传输以及接收的系统脉络进

9、行威胁分析。数据产生阶段 会遇到物理破坏、数据注入和数据修改等攻击；数据传输时 会遭受数据窃取、协议攻击和泛洪攻击等；数据接收阶段会 遇到伪装攻击、内部攻击、汇聚攻击等。现有Internet上出现的攻击同样也会出现在海洋互联网中，故借鉴现行互联网 的威胁模型，结合海洋互联网的特征可对其进行完备的威胁 建模。三、海洋时空基准网建设海洋强国是一个全球性、综合性、系统性的海洋发 展战略，是海洋技术、能力和实力的全面超越。建设海洋时 空基准网不仅是海洋强国战略的重要体现，也是人类共同开 发利用海洋的重要组成部分。但是，建立全球海洋时空基准 网，需要解决面临的诸多技术挑战，需靠多学科交叉，靠国 家集中优

10、势和国际广泛合作，靠落实到全球性监测和网络体 系基础设施建设。全球海洋时空基准网首先是将全球统一的GNSS时空框架引入到海洋海面浮标作为动态基准，水下和海底段的海洋 时空基准网围绕声学定位技术进行建设。当前已发展了包括 长基线、短基线、超短基线、组合声学定位及网状长基线等 5种水下三维导航定位方法，并基于它们建立了局部的海洋 定位基准。通过国际合作实现当前各国所建的局域性海洋时 空基准网的全球联网，既保持一定的自主可控，又能实现数 据的全球共享，还有很长的路要走。但应是未来必然趋势， 这也可以参照国际 GNSS服务组织模式来解决这一问题。为支撑地球科学的研究，大地测量学家提出了基于声学 测距技

11、术建立海洋高精度水平定位基准，研发新型压力计建 立海洋高精度垂直定位基准。这种组合空间卫星定位、水下 声学定位以及压力传感器等技术的方法，将全球统一的时空 基准传递到海洋内部，能满足地球科学的研究需要和海洋时 空基准建设的需求。然而，由于水声信道的高延迟特性，水 下时钟同步成为了一项亟待解决的难题。有学者提出以浮标 为中继，采用北斗/GNSS时作为基准定时源，利用水下原子 钟时间的短稳和长稳都很好的特性和海底光电缆等设备进 行综合授时，给水下时间同步问题提供了新思路。为满足海 洋世纪对精准时空信息的巨大需求，以中美为代表的海洋大 国均已立项进行水下全球定位系统的研究，利用上述思路可 建设较为完

12、备的海洋时空基准网和具有时空位置属性的海 洋互联网。随着海洋环境监测重要性的不断凸现，日本、加拿大、 美国、欧盟及中国等国家和地区都针对特定需求成立了众多 海洋环境监测网建设项目，但这些监测网络大多为零散分布、 各自独立的局部网络，未与时空基准网融合。故需加强海洋 时空基准与环境监测网的融合建设，提升资源利用效率，形 成全球性具有时空位置属性的环境感知认知网络。这一网络 和现有的Internet通过海底光缆和卫星通信互联后构成海洋 互联网，可支撑信息的传播和共享，确保各类水下设备在统 一的精准时空下感知环境、协同作业，进而将立体海洋纳入 人类的认知体系和控制范围。海洋时空基准网是海洋定位导航、海洋环境监测网及海 洋互联网的共性基础设施，已成为地球科学未来1030a急需和必须解决的重要科学技术