CN101022412A - 天基网络星载路由交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天基网络星载路由交换方法，判断数据的源用户和目的用户在同一波束内时，若在同一波束内，对数据进行数据链路层交换；若不在同一波束内，根据连接头中的帧序列号将数据组成数据包，判断数据是否携带有多协议标签，若是，则对数据进行多协议标签交换，否则，对数据进行IP路由交换。本发明的技术方案将卫星同波束内局域交换、同一卫星覆盖下波束间交换与星间路由交换有机结合，分别从链路层帧交换、网络层标签交换和网络层IP路由三个层次解决天基网络用户通信问题，降低了网络层处理耗费，缓解了由于路由单元低速、复杂造成的交换机吞吐量瓶颈，使天基网络交换速度与系统容量获得显著提高。

Description

天基网络星载路由交换方法

技术领域

本发明涉及航天信息领域，尤其涉及天基网络星载路由交换方法。

背景技术

天基网络是一种以卫星网络(天基)为主，融合空地信息，由不同轨道上多种类型的卫星系统，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互通互联，有机构成的智能化体系。该网络综合了多种航天信息系统，具有自主的信息获取、存储、处理及分发能力，能与陆、海、空基的信息系统互联，实现信息的多元、立体共享，是未来信息系统的重要组成部分。

交换技术是实现网络互通及业务传输的基础。天基网络的主要中继节点为卫星节点，单个节点覆盖范围广，承载业务量大，业务交互频繁，需要实现高速数据交换，但卫星载荷能力有限，存在低载荷能力与高交换性能需求之间的矛盾，这使得地面通用分组交换的单位载荷性能不能满足天基网络需求，无法有效应用。

现有的宽带卫星系统设计主要采用卫星ATM技术，利用面向连接的虚通路设计以及流量分类等方法可为不同的业务提供很好的服务质量(Qualityof Service，简称QoS)保证。但该技术无法与目前广泛使用的基于IP的Internet网有效兼容，且存在：1)对多播支持困难；2)对于拓扑频繁变化的卫星网络，ATM复杂的信令系统难以适应，信令开销巨大；3)信元头开销过大，带宽利用率不高等缺点。

现在出现了卫星IP技术，该技术可提供与地面Internet网的无缝连接，且实现简单，具有很好的应用前景，但由于IP头的源地址和目的地址比较长，在路由交换时，比对IP头会花费比较长的时间，这会引起节点传输延时，交换速率较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术所存在的缺陷，提供一种天基网络的路由交换方法，既可实现天基网络与基于IP的Internet网的无缝连接，又可减小节点传输延时，加快传输速率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种天基网络星载路由交换方法，所述方法包括：

判断数据的目的用户是否在同一波束内时，若在同一波束内，对数据进行数据链路层交换；若不在同一波束内，根据连接头中的帧序列号将数据组成数据包，判断数据是否携带有多协议标签，若是，则对数据进行多协议标签交换，否则，对数据进行IP路由交换。

在上述技术方案中，可根据连接标识头判断源用户与目的用户是否在同一波束；以连接标识作为上行连接标识检索连接标识转发表，查找相应的下行连接标识，将所述数据的上行连接标识号置换为所述下行连接标识，并将该数据帧送入下行发送队列。

IP转发表包括接口单元IP转发表以及主控路由交换单元IP转发表。主控路由交换单元IP转发表包括所有通过该星进行IP路由交换的表项；接口单元IP转发表包括在一段时间内使用频率较高的表项。在进行IP路由交换时，先根据IP头源地址及目的地址检索接口单元上的IP转发表，若存在匹配项，则根据该匹配项转发数据，否则，根据IP头源地址及目的地址检索主控路由交换单元的IP转发表，根据匹配表项转发数据。若主控路由交换单元IP转发表的某一表项的使用频率达到预定阈值，则将该表项加入到相应的接口单元IP转发表中。

当目的用户不在同一波束内，并且数据为语音流时，根据连接标识头检索连接标识多协议标签表，将连接标识头置换为相应的多协议标签，然后根据多协议标签转发表转发。

本发明的技术方案实现了天基网络与基于IP的Internet网的无缝连接，并可减小节点传输延时，加快传输速率。本发明的技术方案针对卫星多波束无线通信的应用背景，利用天基网络中大量业务聚集在同一卫星波束覆盖范围内，无需经过星间链路的特点，将卫星同波束内局域交换、同一卫星覆盖下波束间交换与星间路由交换有机结合，分别从链路层帧交换、网络层标签交换和网络层IP路由三个层次解决天基网络用户通信问题，降低了网络层处理耗费，缓解了由于路由单元低速、复杂造成的交换机吞吐量瓶颈，使天基网络交换速度与系统容量获得显著提高。同时，针对卫星节点内通信流向相对固定的特点(如大多数业务都是流向关口站)，本专利中星载路由交换采用快慢通道设计，利用转发表的快速转发来提高系统的吞吐量，降低主控CPU的负荷，利用主控路由表逐跳选路的慢通道提高系统的自主路由能力，从而综合解决了在资源受限条件下实现高速数据接入与交换的难题。另外，本设计还充分考虑到天基网络承载多种业务的需求，根据不同业务种类的QoS要求，采用不同的交换处理方式，链路层交换单独建表，表长小，且采用相对简单的CID作为查表交换依据，无需比对较长的IP头，减小了节点传输延时，增大了交换速率，有利于实时业务传输。网络层采用了IP/MPLS相结合的交换方法，利用MPLS面向连接的特性保证语音业务传输的实时性，利用其流量工程，保证服务质量要求严格业务的QoS需求。同时，还保留了传统的IP交换方式，以提高业务传输的灵活性和带宽利用率。在解决星载交换能力的基础上有效实现对综合业务的传输交换。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为应用本发明的天基网络星载路由交换方法的路由交换系统结构示意图；

图2为本发明的天基网络星载路由交换方法实施例一流程图；

图3为本发明的天基网络星载路由交换方法实施例二流程图；

图4为本发明的天基网络星载路由交换方法实施例三流程图；

图5为本发明的天基网络星载路由交换方法实施例四流程图。

具体实施方式

如图1所示，为应用本发明的天基网络星载路由交换方法的星载交换机的结构示意图。星载交换机由外围的多个接口单元和中心的主控路由交换单元组成。其中，各个接口单元负责链路层的数据帧处理、用户接入和快速帧交换等功能，主控路由交换单元负责网络层的路由、多协议标签交换(Multi-protocol Label Switch，简称MPLS)信令交换等功能。图1所示的星载交换机包括：多个用户接口单元，每个用户接口单元处理一个用户波束的上下行数据；多个星间链路接口单元，每个星间链路接口单元处理多个星间链路天线的输入输出数据；一个馈线链路接口单元，处理馈线链路上下行的数据。

如图2所示，为本发明的天基网络星载路由交换方法实施例一流程图，包括如下步骤：

步骤1、判断数据的目的用户是否在同一波束内时，若在同一波束内，执行步骤2，否则，执行步骤3；

步骤2、对数据进行数据链路层交换；

步骤3、根据CID头的帧序列号组成数据包；

步骤4、判断数据包是否携带有MPLS标签，若是，执行步骤5，否则，执行步骤6；

步骤5、对数据进行MPLS交换；

步骤6、对数据进行IP路由交换。

本实施例实现了天基网络与Internet网络的无缝连接，利用天基网络中大量业务聚集在同一卫星波束覆盖范围内，无需经过星间链路的特点，将卫星同波束内局域交换、同一卫星覆盖下波束间交换与星间路由交换有机结合，分别从链路层帧交换、网络层标签交换和网络层IP路由三个层次解决天基网络用户通信问题，降低了网络层处理耗费，缓解了由于路由单元低速、复杂造成的交换机吞吐量瓶颈，使天基网络交换速度与系统容量获得显著提高。

当用户需要发起通信时，首先要建立连接。在建立连接时，源星载交换机会根据用户提出的服务质量要求，判断用户的业务连接是否允许。若连接允许，星载路由交换机将为用户其分配连接标识(Connect Identifier，简称CID)，该CID是小区内在链路层上标识无线连接的唯一标识符，便于用户管理和提供指定业务服务，同时为该连接预留资源，提供用户业务的QoS保证。源星载路由交换机通过星间路由发起寻呼信令，中间星上路由交换机为该连接预留资源并转发该寻呼信令，直至达到目的星载路由交换机。期间寻呼信令经过的星载路由交换机还需要维护相关星上列表，包括CID转发表、MPLS转发表、IP转发表、标签分配表等列表，并作相关记录。

在MAC帧头中增加CID头，CID头中设一标识位，用于标识源用户与目的用户是否在同一波束内。各用户接口单元的输入端口对应一个CID转发表，CID转发表以CID作为查表交换依据。CID转发表可如表1所示，以上行CID号为索引，各表项记录了上行CID号对应的下行CID号，并可进一步加入下行队列调度优先级。

表1用户接口单元的CID转发表

上行CID号	下行CID号	下行队列调度优先级

当用户接口单元接收到携带业务CID头的上行MAC帧流后，解析CID头，根据其中的标识位判断目的用户是否在同一波束，若是，则查询该接口单元输入端口的CID转发表，将MAC帧的上行CID号置换为对应的下行CID号，并将该帧送至下行发送队列准备发送。

若上行MAC帧流的目的用户未在同一波束内，则根据CID头中的帧序列号将MAC帧组成IP/MPLS包，判断是否携带有MPLS标签，若有，则根据MPLS标签查询用户接口单元输出端口的MPLS标签转发表进行数据的转发。用户接口单元输出端口的MPLS转发表如表2所示，以入口MPLS标签为索引，根据连接的具体情况，每一标签对应着输出端口号或者输出星间链路号。输出端口表示同一卫星的不同接口单元，输出端口有标示说明数据为同一卫星下不同接口单元间的业务数据。星间链路号有标识说明数据为不同卫星下用户间的业务数据，需要在星间链路上进行转发。

表2用户接口单元上行MPLS转发表

入口MPLS标签	输出端口号	输出星间链路号
			标签1	接口单元2	无
标签2	无	星间链路2

若上行MAC帧流的目的用户未在同一波束内，并且根据CID头的帧序列号组成的数据包又不带有MPLS标签，那么则需要将数据发送至主控路由交换单元，对数据进行IP路由转发，根据IP头的源地址和目的地址检索路由表，根据匹配表项转发数据。路由表如表3所示，该表中记录了源IP地址和目的IP地址对应的下一跳IP地址、输出端口号、输出星间链路号以及代价。

表3 用户接口单元上行IP转发表

源IP地址	目的IP地址	下一跳IP地址	输出端口号	输出星间链路号	代价

如图3所示，为本发明的天基网络星载路由交换方法实施例二流程图。本实施例以用户接口单元处理携带业务CID头的上行MAC帧流为例进行说明。

步骤101、解析CID头，根据其中的标识位判断目的用户是否在同一波束，若是，若在同一波束内，则执行步骤102，否则，执行步骤103；

步骤102、查询位于该接口单元输入端口的CID转发表，比对上行CID号，寻找到与该帧相同的CID号所对应的表项，将该帧的上行CID号用该表项中对应的下行CID号置换，并将该帧送到下行发送队列准备发送；

步骤103、根据CID头中的帧序列号组成数据包；

步骤104、判断数据包是否携带有MPLS标签，若是，执行步骤105，否则，执行步骤106；

步骤105、根据MPLS标签检索用户接口单元输出端口的MPLS转发表，根据匹配表项进行转发；

步骤106、将数据包发送至主控路由交换单元，由主控路由交换单元根据源IP地址和目的IP地址检索IP转发表并进行转发。

本实施例实现了对用户上行MAC数据的分级交换，分别从链路层帧交换、网络层MPLS标签交换和网络层IP路由三个层次实现天基用户上行MAC数据交换，降低了网络层处理耗费，缓解了由于路由单元低速、复杂造成的交换机吞吐量瓶颈，使天基网络交换速度与系统容量获得显著提高。

对于用户接口单元接收到的下行数据，数据的目的用户为通过该用户接口单元接入的用户，由于该数据是主控路由交换单元转发的来自于星间链路单元、馈线链路接口单元或是其他用户接口单元的数据，因此数据的源用户和目的用户不可能在同一波束，不会采用链路层帧交换，而只可能进行网络层MPLS交换或IP路由交换。

用户接口单元接收到下行数据后，判断是否携带有MPLS标签，若有，则根据该MPLS标签检索用户接口单元的下行MPLS转发表，该表如表4所示，该表以入口MPLS标签为索引，记录了入口MPLS标签对应的下行业务CID，并可进一步记录下行队列调度优先级。

表4  用户接口单元下行MPLS转发表

入口MPLS标签	下行业务CID号	下行队列调度优先级

在根据用户接口单元下行MPLS转发表转发时，用户接口单元将MPLS标签置换为相应的下行业务CID，并送至下行队列等待发送。

若用户接口单元接收到的下行数据没有MPLS标签，那么用户接口单元根据源IP地址和目的IP地址检索用户接口单元下行IP转发表。该表如表5所示，以源IP地址和目的IP地址为索引，记录了对应的下行业务CID号及下行队列调度优先级。

表5用户接口单元下行IP转发表

源IP地址	目的IP地址	下行业务CID号	下行队列调度优先级

用户接口单元对接收到的IP数据包进行处理，分段，将用户接口单元下行IP转发表中对应的业务CID号作为业务下行CID加到MAC帧头中，形成MAC帧，送到下行队列中等待发送。

星间链路接口单元可能会收到来自于星间链路的数据以及主控路由交换单元的数据。

星间接口单元接收到的来自于星间链路的数据为MPLS包或IP包。星间接口单元接收到来自星间链路的数据后，判断是否MPLS业务，若是，则根据入口MPLS标签查询星间链路接口单元MPLS转发表。该表如表4所示，以入口MPLS标签为索引，记录了对应的出口MPLS标签、输出端口号或者输出星间链路号。其中，输出端口号对应于用户接口单元。

表6星间接口单元MPLS转发表

入口MPLS标签	出口MPLS标签	输出端口号	输出星间链路号
				标签1	标签3	无	星间链路1
标签2	无	接口单元1	无

星间接口单元根据MPLS转发表转发数据时，其根据入口MPLS标签查询星间链路接口单元MPLS转发表，若该表项中输出端口号有标示，则按照该端口号转发，若输出星间链路号有标示，则将入口MPLS标签更换为出口MPLS标签，并依据输出星间链路号进行转发。

若星间链路接口单元收到IP数据包，则会检索IP转发表。该表的结构与表3所示的用户接口单元上行IP转发表相同。星间链路接口单元接收到IP数据报，根据源IP地址和目的IP地址检索星间接口单元转发表，根据对应的下一跳IP地址、星间链路号或输出端口号进行直接转发。

针对卫星节点内通信流向相对固定的特点(如大多数业务都是流向关口站或其他用户接口单元)，星载网络层IP路由交换采用了快慢通道设计，将在某段时间内查询频率较高的表项，从主控路由交换单元下载至相应的接口单元，分别用于处理经过该单元的IP业务交换。主控路由交换单元的IP转发表为慢通道的转发依据，包括所有通过该星进行IP路由交换的表项；接口单元的IP转发表作为快通道的转发依据，包括在一段时间内使用频率较高的表项。这样，利用快通道，快速转发，可以提高系统的吞吐量，降低主控CPU的负荷，同时利用慢通道，逐跳路由，可以提高系统的自主路由能力。

如图4所示，为本发明的天基网络星载路由交换方法实施例三流程图。本实施例与实施例二的区别在于在IP路由交换时，先检索用户接口单元中的IP转发表，若没有匹配项，再发送至主控路由交换单元进行路由。

步骤101、解析CID头，根据其中的标识位判断目的用户是否在同一波束，若是，若在同一波束内，则执行步骤102，否则，执行步骤103；

步骤102、查询位于该接口单元输入端口的CID转发表，比对上行CID号，寻找到与该帧相同的CID号所对应的表项，将该帧的上行CID号用该表项中对应的下行CID号置换，并将该帧送到下行发送队列准备发送；

步骤103、根据CID头中的帧序列号组成数据包；

步骤104、判断数据包是否携带有MPLS标签，若是，执行步骤105，否则，执行步骤106；

步骤105、根据MPLS标签检索用户接口单元输出端口的MPLS转发表，根据匹配表项进行转发；

步骤1061、根据源IP地址和目的IP地址检索用户接口板输出端口的IP转发表，若存在匹配项，执行步骤1062，否则，执行步骤1063；

步骤1062、根据匹配表项中相应的下一跳IP地址、输出端口号及输出星间链路号转发数据；

步骤1063、将数据包发送至主控路由交换单元，由主控路由交换单元根据源IP地址和目的IP地址检索路由表并进行转发。

本实施例网络层IP路由交换采用了快慢通道设计，既能提高系统的吞吐量，降低主控CPU的负荷，同时又能提高系统的自主路由能力。

考虑到语音流对实时性要求高，利用MPLS面向连接的特性保证语音业务传输的实时性。在CID头中设置语音流标识位，当目的用户不在同一波束内时，根据CID头中的该语音流标识位判断MAC帧内是否为语音流，若是，则直接查询CID/MPLS标签表，根据对应表项将CID头置换为相应的MPLS标签，查询用户接口单元输出端口的MPLS转发表，按照对应表项中输出端口或星间链路号进行转发；否则，说明数据不是语音流，采用一般的处理流程，根据CID头中的帧序列号进行组成IP/MPLS包，并根据MPLS标签特征判断是否MPLS业务，若是，查询用户接口单元输出端口的MPLS转发表进行转发。根据将CID头置换为MPLS标签也可以由用户端实现，只需在连接建立过程中将CID及MPLS告知用户终端。

如图5所示，为本发明的天基网络星载路由交换方法实施例四流程图。

步骤201、解析CID头，根据其中的标识位判断目的用户是否在同一波束，若是，若在同一波束内，则执行步骤202，否则，执行步骤203；

步骤202、查询位于该接口单元输入端口的CID转发表，比对上行CID号，寻找到与该帧相同的CID号所对应的表项，将该帧的上行CID号用该表项中对应的下行CID号置换，并将该帧送到下行发送队列准备发送；

步骤203、根据CID头判断MAC帧是否为语音流，若是，执行步骤204，否则，执行步骤205；

步骤204、查询CID/MPLS标签表，根据对应表项将CID头置换为相应的MPLS标签，执行步骤207；

步骤205、根据CID头中的帧序列号组成数据包；

步骤206、判断数据包是否携带有MPLS标签，若是，执行步骤207，否则，执行步骤208；

步骤207、根据MPLS标签检索用户接口单元输出端口的MPLS转发表，根据匹配表项进行转发；

步骤208、根据源IP地址和目的IP地址检索用户接口板输出端口的IP转发表，若存在匹配项，执行步骤209，否则，执行步骤210；

步骤209、根据匹配表项中相应的下一跳IP地址、输出端口号或输出星间链路号转发数据；

步骤210、将数据包发送至主控路由交换单元，由主控路由交换单元根据源IP地址和目的IP地址检索路由表并进行转发。

本实施例对语音流采用了单独的处理方式，语音流中均携带有MPLS标签，使语音流可以快速转发，满足语音业务的实时性要求。

本发明的技术方案针对卫星多波束无线通信的应用背景，利用天基网络中大量业务聚集在同一卫星波束覆盖范围内，无需经过星间链路的特点，将卫星同波束内局域交换、同一卫星覆盖下波束间交换与星间路由交换有机结合，分别从链路层帧交换、网络层标签交换和网络层IP路由三个层次解决天基网络用户通信问题，降低了网络层处理耗费，缓解了由于路由单元低速、复杂造成的交换机吞吐量瓶颈，使天基网络交换速度与系统容量获得显著提高。同时，针对卫星节点内通信流向相对固定的特点(如大多数业务都是流向关口站)，本专利中星载路由交换采用快慢通道设计，利用转发表的快速转发来提高系统的吞吐量，降低主控CPU的负荷，利用主控路由表逐跳选路的慢通道提高系统的自主路由能力，从而综合解决了在资源受限条件下实现高速数据接入与交换的难题。另外，本设计还充分考虑到天基网络承载多种业务的需求，根据不同业务种类的QoS要求，采用不同的交换处理方式，链路层交换单独建表，表长小，且采用相对简单的CID作为查表交换依据，无需比对较长的IP头，减小了节点传输延时，增大了交换速率，有利于实时业务传输。网络层采用了IP/MPLS相结合的交换方法，利用MPLS面向连接的特性保证语音业务传输的实时性，利用其流量工程，保证服务质量要求严格业务的QoS需求。同时，还保留了传统的IP交换方式，以提高业务传输的灵活性和带宽利用率。在解决星载交换能力的基础上有效实现对综合业务的传输交换。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1、一种天基网络星载路由交换方法，其特征在于，所述方法包括：

判断数据目的用户是否在同一波束内时，若在同一波束内，对数据进行数据链路层交换；

若不在同一波束内，根据连接头中的帧序列号将数据组成数据包，判断数据是否携带有多协议标签，若是，则对数据进行多协议标签交换，否则，对数据进行IP路由交换。

2、根据权利要求1所述的天基网络星载路由交换方法，其特征在于，根据连接标识头判断源用户与目的用户是否在同一波束。

3、根据权利要求1所述的天基网络星载路由交换方法，其特征在于，所述对数据进行数据链路层帧交换的步骤具体为：以连接标识作为上行连接标识检索连接标识转发表，查找相应的下行连接标识，将所述数据的上行连接标识号置换为所述下行连接标识，并将该数据帧送入下行发送队列。

4、根据权利要求1所述的天基网络星载路由交换方法，其特征在于，所述对数据帧进行多协议标签交换的步骤具体为：根据多协议标签检索多协议标签转发表，根据匹配表项转发数据。

5、根据权利要求1所述的天基网络星载路由交换方法，其特征在于，所述对数据进行IP路由交换的步骤具体为：根据IP头源地址及目的地址检索IP转发表，根据匹配表项转发数据帧。

6、根据权利要求5所述的天基网络星载路由交换方法，其特征在于，所述IP转发表包括接口单元IP转发表及主控路由交换单元IP转发表，所述根据IP头源地址及目的地址检索IP转发表，根据匹配表项转发数据具体为：根据IP头源地址及目的地址检索接口单元IP转发表，若存在匹配项，则根据该匹配项转发数据，否则，根据IP头源地址及目的地址检索主控路由交换单元IP转发表，根据匹配表项转发数据。

7、根据权利要求6所述的天基网络星载路由交换方法，其特征在于，若路由表的某一表项的使用频率达到预定阈值，则将该表项加入到相应的快速转发表中。

8、根据权利要求1所述的天基网络星载路由交换方法，其特征在于，在判断数据是否携带有多协议标签之前还包括：根据连接标识头检索连接标识多协议标签表，将连接标识头置换为相应的多协议标签。

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