CN101459946B - 基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法 - Google Patents

Abstract

基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法是一种应用在类似极地轨道星座模型下的单层路由协议，主要用于解决卫星节点获得路由信息的复杂性问题，该方法为：卫星由被其覆盖的地面逻辑区域地址标识，即被赋予特定的角色；通过发出链路探测包了解周边虚拟节点的连通情况，生成本虚拟节点下的路由更新信息包，设定泛洪跳数为N后向满足要求的链路接口发送；接收到该路由更新信息包的卫星虚拟节点，对路由更新信息包里的参数进行修正后，提取出更新信息包各个路由项信息的可达跳数J，通过理想最短路径长度的计算方法，得到本卫星虚拟节点到目的地面逻辑区域的理论最短路径长度L，该路由方法屏蔽了卫星网的动态拓扑特性，提高了路由的收敛性，降低了数据包转发的时延。

Description

基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法

技术领域

本发明是一种适用于卫星网的动态路由方法，主要用于解决在卫星网动态拓扑结构下，卫星节点获得路由信息的复杂性问题，属于网络协议设计领域。

背景技术

近年来，卫星网以其重要的战略地位逐渐成为当前世界各航天大国研究的热点。卫星网通过卫星星际和星地通信链路将不同轨道、种类和性能的卫星、航天飞行器和其他空间实体以及地面设施连接起来，成为一个可以覆盖全球的综合通信网络，并按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互联互通，有机构成的智能化体系。卫星网具有自主的信息获取、储存、处理及分发能力，能与陆、海、空基的信息系统互联，因此在军事侦察监视、防御与对抗、环境与灾害监测、资源探测、预警、导航定位和通信广播等领域发挥着重要的作用。中低轨卫星能提供较低的时延特性，所以能够提供几乎所有应用的需求，包括一些视频、语音等实时业务，因此由中低轨卫星组成的卫星网络是国内外目前主要发展的对象。

卫星网路由技术是实现卫星网上高效信息传输与交换的关键技术之一。由于卫星不断地沿着各自的轨道运转，导致整个卫星网络的拓扑结构快速而又有规律的变化着，这使得卫星网络中的路由机制有特殊的需求。现有网络路由选择机制不能适应卫星网的特点和需求，已经有许多卫星网上的路由算法被提出来，具有代表性的卫星网络路由算法主要有：

●基于IP的路由：定义了一个由卫星网络、地面关口站、标准终端和移动终端构成的网络结构，给出了由地面网关和卫星共同完成路由和用户跟踪的混合模型。以Teledesic卫星系统作为研究问题的参考模型，通过把地球表面按卫星覆盖域进行逻辑编址，然后运用这些逻辑编址的虚拟结点进行路由选择。

●分布式的路由算法：将整个地球表面按照卫星的轨道平面P以及其在哪个轨道的编号S的组合来对卫星进行逻辑编址<P，S>，而地球表面的逻辑地址固定不变，最靠近区域的卫星被认为其逻辑地址是对于这个区域的逻辑地址，卫星在运动的过程中改变其逻辑地址为同一轨道内前一个卫星的逻辑编址。在卫星网络中，数据包的转发路由主要根据卫星的逻辑地址计算跳数。

●快照序列路由算法：把一个卫星系统周期内的卫星网络动态拓扑结构分离成一系列的静态拓扑结构，卫星系统在某一特定时刻的网络拓扑结构都有一个已定义的卫星网络“快照”与之对应，而且每当ISL发生变化时，则认为是一个新的快照。卫星根据这些预先由地面网络中心计算得到的拓扑快照，生成各个时刻的网络路由信息。

●基于ATM的路由：基于ATM技术的卫星网络需要解决VP路由，根据卫星的移动动态建立和维护VP路由表，而卫星网络拓扑结构的频繁改变使得VP路由的切换也非常频繁，这给系统带来较高的开销。由ISL链路动态变化的可预知性，Werner提出了一种VP路由的方法，采用了快照序列思想，将卫星系统周期平均分为N个时间间隔，在每个时间间隔内假定网络的拓扑结构没有变化或变化很小，这样路由的问题转化为静态拓扑结构下的VP路由计算。

随着卫星网络更多地承担多媒体信息服务、个人通信终端的视频和音频服务，现有的卫星网络路由算法还存在不足之处，因此需要研究全新的路由选择算法、协议与实现机制。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法，来解决卫星节点路由信息获取的复杂性问题。通过使用本发明提出的方法可以在满足一定卫星星座模型的基础上，实现卫星系统及时、可靠的路由功能。

技术方案：本发明的方法是在类似极地轨道星座模型(例如铱星系统)基础上，将地面划分成固定的逻辑区域，卫星节点实际作为“虚拟节点”来使用，且用被其覆盖下的地面逻辑区域地址来标识。通过这种“虚拟节点”的卫星网定义，将原本动态变化的网络拓扑结构变成了一张静态不变的图结构，设其为图结构A；卫星在用某个地面逻辑区域标识的同时，也获得了该地面逻辑区域在图A上的位置信息，从而确定了数据包到达目的地的转发路径。本发明同时给出了一个可靠的路由获取方式。在“虚拟节点”组成的卫星网环境下，运用了可靠的路由获取方法后，将大大降低由于路径改变造成的数据包转发错误，减少了不必要的星上处理负荷和星际链路可用带宽的浪费，提高了卫星系统的处理效率。

本发明的基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法为：卫星由被其覆盖的地面逻辑区域地址标识，即被赋予特定的角色；通过发出链路探测包了解周边虚拟节点的连通情况，生成本虚拟节点下的路由更新信息包，设定泛洪跳数为N后向满足要求的链路接口发送；接收到该路由更新信息包的卫星虚拟节点，对路由更新信息包里的参数进行修正后，提取出更新信息包各个路由项信息的可达跳数J，通过理想最短路径长度的计算方法，得到本卫星虚拟节点到目的地面逻辑区域的理论最短路径长度L，比较L+1与J是否相等，只有满足相等条件才允许该更新路由项对本虚拟节点路由表项进行修改；当卫星的“虚拟节点”角色需要改变时，首先进行继承可行性的判断，满足可行性要求的卫星节点进行路由的继承操作，

其中理论最短路径长度的计算步骤如下：

步骤1：为每个虚拟环境下的节点定义一个索引结构，该结构的索引标识值由虚拟节点属性值赋予，索引的内容由理论最短路径长度、虚拟节点属性值信息对构成；信息对中理论最短路径长度域表示索引标识值代表的虚拟节点与信息对中虚拟节点之间的理论最短矢量距离，

步骤2：为每个虚拟节点定义的索引结构被放在实际卫星网每个卫星实体上，当卫星虚拟节点获得路由更新信息包后，提取出其中包含的路由项条目，对其中可达域中的值加1，

步骤3：根据本卫星虚拟节点属性值，查找指定的索引结构，再根据提取出的路由项条目中的目的逻辑区域地址，查找对应的信息对，将对应信息对的理论最短路径长度赋给L，这样就完成了理论最短路径长度的计算。

所述的卫星虚拟节点可通过继承操作获得路由信息，即路由信息在同一轨道上相邻卫星之间传递，从而达到卫星依据该路由信息快速转发数据包的目的，基于虚拟节点的路由信息继承步骤描述如下：

步骤21：假设在极地轨道星座模型下卫星运行周期为T，在同一轨道上存在N颗卫星的情况下，每隔S分钟存在一次虚拟节点角色转换；

步骤22：由于地球的自转，同时又因为基于虚拟节点的路由信息继承机制只能在同一轨道相邻两颗卫星之间进行，从而基于虚拟节点的路由信息存在失效问题，假设该路由信息失效发生的平均周期时间为H；

步骤23：判断此卫星虚拟节点是否会在S时间内发生路由信息失效现象，即看该卫星虚拟节点的路由信息有效期是否超过H的生存时间；如果超过H的生存时间，则在虚拟节点路由信息失效时重新由虚拟节点角色分配器分配属性；

步骤24：当基于虚拟节点的路由信息有效期不超过H的生存时间，则在S时间后，卫星虚拟节点将启动继承模块功能，将该虚拟节点的路由信息封装后传递到同一轨道上下一个覆盖该地面逻辑区域的卫星上；

步骤25：封装后的虚拟节点路由信息包到达指定卫星上后，将同样由继承模块解封装该包，装入新环境中的卫星路由表中，并由虚拟节点角色分配器从中取出属性值，完成一次基于虚拟节点的路由信息继承工作。

有益效果：本发明方法提出了一种基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法，主要用于解决卫星节点获取路由信息的复杂性问题，通过使用本发明提出的方法可以在类似极地轨道卫星星座基础上，屏蔽卫星网拓扑的变化，降低不必要的卫星计算负荷和星际链路可用带宽浪费，对数据包能够在“虚拟节点”环境下达到快速地路由判断，从而极大地提高了卫星系统的工作效率；同时基于本发明提出的路由方法构建的多层卫星网络具有很好的扩展性，有利于更好地实现单个卫星节点对网络整体拓扑信息的把握。

良好的网络拓扑表示：通常以卫星本身作为网络节点标识的路由方法，会由于星际链路的频繁通断等原因造成网络拓扑变化太快；而采用本发明中的“虚拟节点”思想构建的网络拓扑，将卫星映射为被其覆盖下的某个地面逻辑区域地址，将变化太快的网络拓扑映射为一张静态图，大大加强了“虚拟节点”路由信息的可用性。

良好的路由收敛性：本发明中引入可靠的路由信息获取途径方式。利用该方式，卫星“虚拟节点”对周边其他“虚拟节点”的可达情况有了一个正确的认识，减少了数据包的转发时延。

高效性：本发明引入“虚拟节点”路由信息的继承机制。利用该机制，卫星“虚拟节点”可在第一时间获得对应的路由信息，不需要更多的协议开销就可执行快速地数据包转发任务。

可扩展性：本发明方法适用于类似极地轨道星座的单层卫星网络，同时也可在多层卫星体系结构中进行扩展。

附图说明

图1是基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法总体结构。

图2是将地球表面划分为逻辑区域的示意图。

图3是可靠路由信息获取模块工作流程。

图4是“虚拟节点”路由信息继承模块工作流程。

图5是基于本发明方法提出的一种双层卫星网动态路由协议模型。

具体实施方式

本发明的卫星网路由方法由“虚拟节点”的定义、可靠路由信息的获取和“虚拟节点”路由信息的继承部分组成。通过“虚拟节点”的定义，我们将被卫星系统覆盖的地球表面划分成了若干由(经度值、纬度值)表示的地面逻辑区域，实际卫星用被其覆盖下的某个地面逻辑区域地址表示；在将卫星用“虚拟节点”表示以后，就需要通过可靠的路由信息获取途径得到周边“虚拟节点”的连通情况；由于卫星网系统的动态拓扑特性，当卫星扮演的“虚拟节点”角色改变时，又希望能够将“虚拟节点”所拥有的路由信息传递给下一个扮演该角色的卫星，在拓扑改变情况下实际不改变系统的转发路径。其中可靠的路由信息获取途径被描述如下：

1).某一时刻，卫星网中所有卫星都以正确的“虚拟节点”表示，表示的正确性与否由卫星通过地面询问或继承途径判断；

2).卫星代表的“虚拟节点”向相邻的“虚拟节点”询问连通性与否，获得连通信息以后生成代表本卫星“虚拟节点”的路由更新信息包，以泛洪跳数N的方式向相邻连通的“虚拟节点”发送；

2a).生成路由更新信息包的卫星“虚拟节点”，根据包中的链路属性，选择发送的链路不应是该路由更新信息包中反映的对象；即从某个链路获得的链路信息生成的路由更新信息包，将不被发送到该链路所对应的接口上；

2b).从接口(设为A)获得路由更新信息包的卫星“虚拟节点”，根据该包的内容修改本卫星“虚拟节点”的路由表项，同时将泛洪跳数N减1后判断是否继续进行泛洪过程；假如需要再进行泛洪，则向除链路接口A以外的其他接口发送该路由更新信息包。对获得的路由更新信息包进行操作的过程中，定义了一个可靠性规则：

●设本卫星“虚拟节点”所对应的地面逻辑区域地址为Addr_本；获得的路由更新信息包中目的区域所对应的地面逻辑区域地址为Addr_目，到Addr_目的可达跳数为J；

●计算Addr_本与Addr_目之间的理论最短路径长度，设为L；

●判断L+1是否与J相等，只有相等情况下才允许该路由更新信息包对本卫星“虚拟节点”的路由表项进行修改。

3).随着泛洪跳数N的增加，一方面使卫星“虚拟节点”了解到更多的地面逻辑区域可达信息，同时也必须看到卫星计算负荷的增长和星际链路可用带宽的减少，选择合适的泛洪跳数是要根据卫星网系统中卫星个数、星际链路可用带宽、卫星计算能力等因素决定。通常对于中等规模的卫星网，N选为2或3已经是满足要求了。

“虚拟节点”路由信息的继承过程是本发明中比较有特色的部分，正因为我们将卫星用“虚拟节点”表示，卫星根据“虚拟节点”的地址进行转发，所以“虚拟节点”掩盖了卫星网的动态特性，也使得“虚拟节点”的路由表信息在某种程度上是相同的，对其在后继卫星上进行继承操作有利于数据包在卫星系统中的快速转发，提高数据包处理效率。

一、体系结构

基于“虚拟节点”的卫星网可靠路由方法是一种运行在单层卫星网络上的路由协议框架，很好地屏蔽了卫星网络拓扑的快速变化，提高了路由信息的收敛性，加快了数据包的转发速率。“虚拟节点”角色分配器、可靠路由信息获取模块和“虚拟节点”路由信息继承模块是实现本发明方法的主要功能部件，下面就对几个具体部分给出说明：

“虚拟节点”角色分配器：在角色分配器中，实际卫星被当作分布式对象来进行处理，角色分配器根据多种途径获取当前某个分布式对象卫星的“虚拟节点”属性，完成卫星网络的“虚拟节点”化。角色分配器获取属性途径有：

(1).通过“虚拟节点”路由信息继承模块获得当前分布式对象卫星的“虚拟节点”属性；这意味着当前卫星能够承担继承而来的“虚拟节点”角色，不会引起实际网络在“虚拟节点”环境下的错误标识；

(2).通过角色分配器自身产生当前分布式对象卫星的“虚拟节点”属性，角色分配器可以通过当前卫星覆盖地球的(经度值、纬度值)来得到“虚拟节点”环境下的某个属性值，或借助于地面计算中心的帮助也可以实现角色的分配。

可靠路由信息获取模块：在该模块中，我们定义了理论最短路径长度的计算算法，由于在“虚拟节点”环境下节点的位置都是固定不变的，对于任何一个“虚拟节点”我们都构造一个索引结构，索引值为该“虚拟节点”的属性值，索引内容表示为{最短路径长度，“虚拟节点”属性值}这样的信息对。理论最短路径长度计算过程为：

在索引结构中查找索引值为本卫星“虚拟节点”属性值的部分，在下一级索引中找出路由更新信息包中目的“虚拟节点”属性值对应的信息对，并将最短路径长度赋给L。

可靠路由信息获取模块判断L+1与路由更新信息包中目的“虚拟节点”可达跳数J是否相等，决定是否用该路由更新信息包更改本卫星“虚拟节点”路由表项。

“虚拟节点”路由信息继承模块：在该模块中，我们完成“虚拟节点”路由信息的封装、继承可行性的判断和对接收来的“虚拟节点”路由信息进行解封装，提取出重要的属性信息。

继承可行性的判断是因为在地球自转和卫星网快速拓扑变化情况下，“虚拟节点”代表的路由信息在实际卫星网拓扑中可能不再有用，这时需要“虚拟节点”角色分配器重新为卫星分配虚拟属性值。

如果满足继承可行性条件，“虚拟节点”路由信息的封装与解封装过程就是将虚拟环境下的路由信息传递到下一个卫星，完成路由信息的装入过程。

二、方法流程

首先，“虚拟节点”角色分配器分布式地完成所有卫星的虚拟化，用被卫星覆盖下的地面逻辑区域地址对该卫星进行标识。代表“虚拟节点”的卫星通过链路询问探测周边“虚拟节点”的连通情况，生成本“虚拟节点”的路由更新信息包，在路由更新信息包中设定一个泛洪跳数N，向满足要求的链路接口发送该路由更新信息包。收到路由更新信息包的卫星“虚拟节点”对该信息包处理步骤如下：

1).将路由更新信息包中所有路由信息的泛洪跳数当前值减1；将路由更新信息包中所有路由项的可达跳数加1；根据具体要求修改路由更新信息包中所有路由项的其他特定参数；

2).拆分路由更新信息包，将其中每一个路由项通过可靠路由信息获取模块进行处理，具体处理方法如体系结构中描述的一致；通过可靠路由信息获取模块检查的路由项才被允许修改本卫星“虚拟节点”路由表；

3).对路由更新信息包进行再处理，如果泛洪跳数不为0则向满足要求的链路接口继续泛洪该路由更新信息包；如果泛洪跳数为0则丢弃该路由更新信息包。

通过“虚拟节点”路由信息继承模块与“虚拟节点”角色分配器，我们实现了实际卫星网络到“虚拟节点”环境下的正确映射，具体方法流程如下：

1).假设初始时刻卫星由角色分配器分配了正确的属性，即被其覆盖下的地面逻辑区域地址正确标识；过了一段时间T，T由卫星周期与地面逻辑划分大小决定，卫星的“虚拟节点”角色需要进行改变；

2).“虚拟节点”路由信息继承模块首先判断在该卫星进行继承的可行性，由于“虚拟节点”路由信息继承发生在同一轨道上的相邻卫星节点之间，因此当地球自转造成“虚拟节点”路由信息的失效，我们就认为此时该卫星不具备继承的可行性；

3).如果通过继承的可行性判断，“虚拟节点”路由信息继承模块将完成在父卫星端封装虚拟路由表信息，在子卫星端解封装得到虚拟路由表信息，并完成虚拟路由表信息在新的卫星上的装入操作，同时子卫星端“虚拟节点”角色分配器将得到父卫星端的“虚拟节点”属性值。

4).如果没有通过继承的可行性判断，“虚拟节点”路由信息继承模块将不会起作用，取而代之的是“虚拟节点”角色分配器将重新进行“虚拟节点”属性值的分配。

Claims (2)

1.一种基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法，其特征在于该方法为：卫星由被其覆盖的地面逻辑区域地址标识，即被赋予特定的角色；通过发出链路探测包了解周边虚拟节点的连通情况，生成本虚拟节点下的路由更新信息包，设定泛洪跳数为N后向满足要求的链路接口发送；接收到该路由更新信息包的卫星虚拟节点，对路由更新信息包里的参数进行修正后，提取出更新信息包各个路由项信息的可达跳数J，通过理想最短路径长度的计算方法，得到本卫星虚拟节点到目的地面逻辑区域的理论最短路径长度L，比较L+1与J是否相等，只有满足相等条件才允许该更新路由项对本卫星虚拟节点路由表项进行修改；当卫星虚拟节点角色需要改变时，首先进行继承可行性的判断，满足可行性要求的卫星虚拟节点进行路由的继承操作，

其中理论最短路径长度的计算步骤如下：

步骤1：为每个虚拟环境下的节点定义一个索引结构，该结构的索引标识值由虚拟节点属性值赋予，索引的内容由理论最短路径长度、虚拟节点属性值信息对构成；信息对中理论最短路径长度表示索引标识值代表的虚拟节点与信息对中虚拟节点之间的理论最短矢量距离，

步骤2：为每个虚拟节点定义的索引结构被放在实际卫星网每个卫星上，当卫星虚拟节点获得路由更新信息包后，提取出其中包含的路由项条目，对其中可达跳数J加1，

步骤3：根据本卫星虚拟节点属性值，查找指定的索引结构，再根据提取出的路由项条目中的目的逻辑区域地址，查找对应的信息对，将对应信息对的理论最短路径长度赋给L，这样就完成了理论最短路径长度的计算。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟节点的卫星网可靠路由方法，其特征在于所述的卫星虚拟节点通过继承操作获得路由信息，即路由信息在同一轨道上相邻卫星之间传递，从而达到卫星依据该路由信息快速转发数据包的目的，基于卫星虚拟节点的路由信息继承步骤描述如下：

步骤21：假设在极地轨道星座模型下卫星运行周期为T，在同一轨道上存在N颗卫星的情况下，每隔S分钟存在一次虚拟节点角色转换；

步骤22：由于地球的自转，同时又因为基于卫星虚拟节点的路由信息继承机制只能在同一轨道相邻两颗卫星之间进行，从而基于卫星虚拟节点的路由信息存在失效问题，假设该路由信息失效发生的平均周期时间为H；

步骤23：判断此卫星虚拟节点是否会在S时间内发生路由信息失效现象，即看该卫星虚拟节点的路由信息有效期是否超过H的生存时间；如果超过H的生存时间，则在卫星虚拟节点路由信息失效时重新由卫星虚拟节点角色分配器分配属性；

步骤24：当卫星虚拟节点的路由信息有效期不超过H的生存时间，则在S时间后，卫星虚拟节点将启动继承模块功能，将该卫星虚拟节点的路由信息封装后传递到同一轨道上下一个覆盖该地面逻辑区域的卫星上；

步骤25：封装后的卫星虚拟节点路由信息包到达指定卫星上后，将同样由继承模块解封装该包，装入新环境中的卫星路由表中，并由卫星虚拟节点角色分配器从中取出属性值，完成一次基于卫星虚拟节点的路由信息继承工作。

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