CN102118456A - 一种基于地理位置信息的天地网络混合编址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地理位置信息的天地网络混合编址方法，特征是在地址中增加了节点地理位置信息，使得每个节点的地址均能够反映出该节点的地理位置，这样路由时依据路由节点与目的节点位置关系选择转发路径，无需维护一张关于网络地址信息与转发路径对应的路由表，提高路由效率；同时对于移动节点，引入了绝对地址和相对地址的概念，地址中增加了卫星标识域，可以在该卫星节点地址数据库中查找到该移动节点绝对地址与相对地址的映射关系。该混合编址方法能够实现各种节点接入卫星网络，利用数据包目的地址即可实现高效路由，在天地一体化网络中起着关键作用。

Description

一种基于地理位置信息的天地网络混合编址方法

技术领域

本发明属于数据通信技术领域，具体涉及在天地一体化综合信息通信网络中基于地理位置信息实现天地网络混合编址的方法。

背景技术

在目前广泛使用的互联网中，终端基于IP协议进行通信，通信双方使用IP地址进行标识。RFC 950规定了IP地址编址方法为：

IP地址＝网络号+子网号+主机号

其中网络号用于识别主机所在的网络，子网号用于将一个网络进一步划分为若干子网，主机号用于识别该子网中的主机。

这种编址方式，采用地域进行网段划分，即在IP地址中含有网络号和子网号，利用子网掩码进行路由选择，直到将数据包路由到目的地址所在网段的路由器处，由该路由器将数据包发送到目的主机。然而这种编址方式适用于静态拓扑，无法实现节点的自由移动，即使采用动态地址分配，也只是在同一子网中进行。为了实现节点的自由移动，互联网工程任务组(IETF)在RFC 3344中提出了移动IP技术。移动IP技术虽然可以实现节点的跨网段移动，但要将原本没有考虑移动的IP地址强行分配给移动设施，需要引入大量的管理和维护设施的资源，并不适合处理大量的移动节点。同时IP地址完全是一种逻辑的地址划分方式，数据包的传递完全依赖于路由表中对各个网段的路由方向利用路由表进行记录，路由节点需要保存包含大量转发规则的路由表，当路由表遭到损坏后，则无法完成路由。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于地理位置信息的天地网络混合编址方法，在卫星网络的基础上，通过在编址中加入节点的地理位置信息，并引入卫星的管理，达到无需复杂的路由表，即可实现地面固定节点与移动节点的接入和快速高效寻址。

本发明基于地理位置信息的天地网络混合编址方法，采用对地址划分不同域的方式，寻址方式中借鉴移动IP的寻址方法，其特征在于包括编址技术与寻址技术两部分：

所述编址技术为：

每一个节点均拥有绝对地址和相对地址两个地址，绝对地址是节点的永久标识，一经生成不再改变，相对地址是节点的当前标识，会随着节点位置的变化而改变；绝对地址和相对地址结构相同，均分为地址类型域、节点类型域、地理位置域、卫星标号域和唯一标识域五个域；

每一个节点在入网之时填充绝对地址中的五个域，从而生成绝对地址，具体填充规则和方法为：

地址类型域表明该地址为绝对地址还是相对地址，占1bit，其中绝对地址以0表示，相对地址以1表示；

节点类型域表明节点的类型，占2bit，其中卫星节点以00表示，地面固定节点以01表示，移动节点以11表示，10未做使用；

地理位置域占17bit，前8bit代表节点纬度信息，后9bit代表节点经度信息；对于卫星节点的地址，该域无意义；对于固定节点的地址，该域表明节点自身所处的地理位置；对于移动节点，若地址为绝对地址，则该域表明节点初始地理位置，若地址为相对地址，则该域表明节点的当前地理位置；

卫星标号域占8bit，对于卫星节点与固定节点的地址，该域无意义；对于移动节点的地址，该域表明该移动节点的初始注册卫星ID；

唯一标识域用来唯一标识一个节点，占36bit，通过全局分配，每个节点拥有唯一的一个36bit标识；

生成节点的绝对地址后，将绝对地址的地址类型域由0更改为1，得到节点初始的相对地址；

所述寻址技术为：

移动节点由加入网络到最终进行通信，共经历注册阶段、移动阶段和通信阶段；固定节点和卫星节点不需要注册和移动，只经历通信阶段；该三个阶段中的具体操作步骤为：

a.注册阶段

当移动节点首次进入网络时，向初始位置的地面站和卫星分别注册节点的绝对地址和相对地址，地面站和卫星将该节点绝对地址与相对地址的映射关系保存到自身维护的地址数据库中，以供通信时查询；

b.移动阶段

移动节点到达新的地理区域时，相对地址更新步骤如下：

1)移动节点将相对地址中地理位置域信息更新为当前地理位置信息，然后向初始注册的地面站与卫星节点发出相对地址更新请求；若移动节点正处于通信阶段，则同时通知通信对方相对地址的变更；

2)初始注册地面站与初始注册卫星收到请求，分别更新地址数据库中相对地址信息；

c.通信阶段

若知道目的节点的相对地址，则使用目的节点相对地址填充数据包目的地址，否则以目的节点绝对地址为数据包目的地址进行通信，中间路由节点根据数据包目的地址进行路由选择，其具体方法为：

若目的地址为卫星节点，则利用卫星ID直接转发；若目的地址为固定节点，则利用地理位置信息转发；若目的地址为移动节点，则分为：

1)当地址为绝对地址时，具体步骤为：

①依据绝对地址中的地理位置信息，将请求包路由到初始注册卫星；若初始注册卫星不可访问，则将请求包路由到初始注册地面站；

②初始注册卫星站或初始注册地面在地址数据库中查找该移动节点绝对地址对应的相对地址，将信息包目的地址更换为移动节点相对地址重新发出；

2)当地址为相对地址时，则依据地址中地理位置信息转发。

本发明编址方法不同于IP编址，由于本发明方法在地址中增加了节点地理位置信息，使得每个节点的地址均能够反映出该节点的地理位置，这样路由时依据路由节点与目的节点位置关系选择转发路径，无需维护一张关于网络地址信息与转发路径对应的路由表，提高路由效率；同时对于移动节点，引入了绝对地址和相对地址的概念，二者均可以在通信中直接使用。相对地址用来进行实时通信，但会随着节点的移动而改变。绝对地址永久不变，用来查找目前节点的相对地址。地址中增加了卫星标识域，可以在该卫星节点地址数据库中查找到该移动节点绝对地址与相对地址的映射关系。利用这种方式，可以方便实现移动节点接入网络。

由于本发明编址方法中对于每个移动节点，均对应有一个初始注册地面站与一个初始注册卫星，二者彼此独立，当其中一个数据库遭到损毁后，仍然能够维持正常的通信，提高了本方法的健壮性。

附图说明

图1为节点i绝对地址填充示意图；

图2为节点i初始相对地址填充示意图；

图3为移动节点相对地址更新流程图；

图4为节点i相对地址更新后的相对地址示意图；

图5为路由节点对数据包的处理流程图。

具体实施方式

实施例1：

网络中每个节点均拥有绝对地址(SD)与相对地址(RD)两个地址。绝对地址是节点的永久标识，不会随着时间的推移和节点位置的变化而改变。任何节点之间通信时，至少要知道对方绝对地址方能进行通信。相对地址则是节点的当前标识，会随着节点的位置以及覆盖卫星的变化而改变。

例如，对于位于合肥市(北纬31.51°，东经117.17°)的一个移动节点i，IP网络中的地址为202.38.64.29，生成绝对地址(SD_i)和相对地址(RD_i)，设该节点此时在1号卫星的覆盖范围内。图1为该节点绝对地址示意图，其绝对地址中各个域的生成为：

地址类型域(A)：该域表明该地址为绝对地址还是相对地址，占1bit，对于节点i的绝对地址，设置该域值为0。

节点类型域(B)：该域表明节点的类型，占2bit，对于节点i，该域设置为11，表示移动节点，此处移动节点指飞机等普通移动节点，不包括卫星。

地理位置域(C)：以经纬度1°为粒度，将整个地球表面按照经纬度划分为150×360的方格南纬75°～北纬75°，暂不考虑极区。每个方格都可以用一对参数确定，分别代表纬度(14～164)与经度(0～359)，纬度采用这样的方式是为以后增加极区划分提供兼容性。该域共17bit，前8bit代表方格纬度，后9bit代表方格经度。对于节点i，根据经纬度信息，前8bit为120(具体计算为89+31)，表示纬度为北纬31°，后9bit为117，表示经度为东经117°。

卫星标号域(D)：在卫星网络中，每颗卫星拥有一个唯一的卫星ID，卫星之间路由即通过该ID进行寻路。该域长为8bit，对于移动节点，利用卫星标号域可以找到初始注册卫星，得到目前的相对地址，结合相对地址中的地理位置域实现通信。对于节点i，由于生成绝对地址的时候处在1号卫星的范围内，故该域填充为1，即选择1号卫星作为其初始注册卫星。

唯一标识域(E)：唯一标识一个节点，36bit。对于同种节点类型的节点，需用不同的唯一标识。当数据包依据地理位置域的信息路由到节点所在的区域时，即通过唯一标识来确定数据包的接收节点。同一节点的绝对地址与相对地址中唯一标识域相同。该域可以用来实现对不同网络的兼容。对于卫星节点，则可以采用在卫星网络中原有的ID。对于IP网络节点，可以采用IPv4地址。对于节点i，使用其IPv4地址(32bit)，则前4bit赋值为0，后32bit即取该节点的IP地址(202.38.64.29)。

起初生成的相对地址仅仅是将绝对地址中的地址类型域由0改为1即可，图2为更改绝对地址的地址类型域后得到的节点i的初始相对地址，该地址仅与绝对地址地址类型域不同。对于卫星节点和固定节点，相对地址也将不再变动，对于移动节点，相对地址的改变只有当移动节点移动之后，根据地理位置的变更才会发生变化。

对于卫星节点和固定节点，相对地址的意义并不大。只要知道绝对地址，即可进行正常通信，故对于此两种类型节点的相对地址，仅从理论上提供地址的完整性，并无实际意义。对于移动节点，绝对地址用来永久标识节点，而相对地址则用来通信，通过二者的配合，才能进行正常通信。

实施例2：

采用以地心为中心，随地球同步旋转的赤道坐标系，地面站等固定节点在此坐标系中固定不动。对于此类节点，相对地址不变，此时相对地址并无太大用处，只是为了与移动节点统一，寻址直接通过绝对地址中的地理位置信息即可进行路由；对于卫星节点，通信时提取绝对地址中唯一标识域包含的卫星ID即可进行正常通信，故对这两种节点来说，节点地址已经确定不会变化，不需要对地址进行进一步的管理和更新。对于移动节点，其需要相对地址进行通信，而相对地址会随着节点的移动而改变。在这种情况下，需要提供移动节点的更新和管理机制，保证移动节点的正常通信。

当移动节点i首次加入网络时，需要选择一个初始注册地面站M与初始注册卫星S注册其绝对地址SD_i与相对地址RD_i，即选择此时覆盖该节点所在区域的地面站与卫星作为初始注册地面站和初始注册卫星。每个初始注册地面站和初始注册卫星都维护着一个地址数据库。表1为初始注册地面站或卫星所维护的地址数据库形式：

表1初始注册地面站(卫星)地址数据库

绝对地址	相对地址
		……	……
SDi	RDi
		SDi+1	RDi+1

SDi+2	RDi+2
		……	……

该数据库中记录了每一个在该地面站或卫星注册的移动节点绝对地址与相对地址的地址对。在运行过程中，为了对移动节点地址进行管理，地面站和卫星地址数据库提供以下服务：

1)插入地址对

向地址数据库中插入该节点的绝对地址与相对地址的地址对，返回成功信息；

2)相对地址查找

以绝对地址为索引，在地址数据库中查找并返回与之对应的相对地址。若无法找到，则返回该地址数据库无该地址对的信息；

3)相对地址更新

以绝对地址为索引，在地址数据库中查找到与之对应的相对地址，并将其修改为新的相对地址，返回更新成功信息。若无法找到，则返回该地址数据库无该地址对的信息；

4)删除地址对

以绝对地址为索引，查找并删除该地址对，返回删除成功信息。若无法找到，则返回该地址数据库无该地址对的信息。

通过提供以上服务，可以完成移动节点地址管理，通信过程相对地址的查找与节点移动导致的相对地址的更新等操作。

初始注册卫星与初始注册地面站是两个完全独立的系统，分别位于卫星网络与地面网络中。其中地面站系统为主要使用系统，卫星系统则作为后备系统，在地面站系统遭到破坏后可以由卫星系统维持移动节点通信的正常运行。卫星与地面站之间定期进行数据同步，同步时只需同步与自身相关的数据信息，例如一个地面站的数据对应于卫星网络中可能存储在若干颗卫星，一颗卫星的数据亦对应于多个地面站，当某颗卫星数据库遭到破坏后，需要从地面站数据库中恢复，此时只需选择地面站地址数据库的绝对地址中卫星标识域为该卫星ID的地址对即可。通过这种方式，当一方数据库遭到损坏后，可以通过多次同步之后恢复。

实施例3：

当节点由一个区域移动到另一个区域时，其地理位置发生改变，相对地址也需要进行相应改变。例如初始位置在合肥市的移动节点i当前移动到了北京市(北纬39.92°，东经116.46°)，此时需要进行一定的处理，保证节点相对地址的及时更新。设移动节点i的初始注册卫星为S，初始注册基站为M。

图3给出了对于移动节点i的相对地址更新流程，处理具体步骤如下：

a)移动节点i更新相对地址中的地理位置域为[128 116]，表明地址为北纬39°，东经116°，以新的地理位置区域为地理位置域内容得到新的相对地址RD_i，即相对地址更新为如图4所示。以自身绝对地址SD_i为源地址，初始注册地面站M和初始注册卫星S绝对地址为目的地址，发送相对地址更新请求(Query(RD_i))；若此时移动节点i正在通信之中，则同时需要向通信对方j发送相对地址更新通知(Notice(RD_i))。通信对方j收到相对地址更新通知之后在接下来的通信中，将以该相对地址为数据包目的地址；

b)经覆盖区域网络的转发，初始注册地面站M与卫星S收到相对地址更新请求之后，依据数据包源地址在本地地址数据库中查找到节点i相对地址，并用新的相对地址对其进行更新，同时以节点i相对地址为目的地址向节点i发送相对地址更新确认(Response(RD_i))；

c)若移动节点i在发出相对地址更新请求后，若在一定时间内未能收到来自地面站M或卫星S的相对地址更新确认，则向未确认的地面站或卫星重新发送相对地址更新请求，直到收到一次相对地址更新确认响应，保证相对地址的正确及时更新。

相对地址更新过程是不论移动节点此时是否在通信，只要到达一个新的地理位置方格，即需要进行相对地址更新。例如移动节点i由合肥移动到北京的过程中，至少需要更新9次，对应的一条移动路径相对地址更新的地理位置域分别为[120 116]，[121 116]，[122116]，[123 117]，[124 117]，[125 117]，[126 117]，[127 117]，[128 117]。

实施例4：

网络中的路由节点即卫星节点，其接收到数据包之后，则依据目的地址对数据包进行处理。图5为路由节点对数据包的处理流程图，其具体步骤如下：

当卫星收到一个数据包后，提取目的地址中节点类型域B，得到节点类型：

1)若提取内容为00，说明目的节点为卫星节点，则提取唯一标识域E得到卫星ID。若该ID与自身ID不同，则说明数据包需要转发，利用卫星路由算法即可，该ID与自身ID相同，则将数据包交由上层协议进行处理；

2)若提取内容为01，说明目的节点为固定节点，则提取地址中的地理位置域C得到位置信息进行路由选择。具体来说，若自身覆盖该区域，则将数据包直接转发给目的节点，若未能覆盖该区域，则利用用基于地理位置信息的路由算法转发；

3)若提取内容为11，说明目的节点为移动节点，提取地址类型域A中地址类型标识：

①若提取内容为1，说明地址为相对地址，则与固定节点处理方式相同，如上述步骤2)中的处理方法；

②若提取内容为0，说明地址为绝对地址，则提取卫星标号域D内容得到该节点的初始注册卫星，此后处理过程与卫星节点处理方式相同，如上述步骤1)中的处理方法，直到将数据包传输到初始注册卫星。若初始卫星无法到达，则提取地理位置域C内容得到初始注册地面站，之后处理方法如上步骤2)，直到将数据包传输到初始地面站。

对于上述步骤3)中，若数据包目的地址为绝对地址，则会首先将数据包发送到初始注册卫星。初始注册卫星利用目的节点的绝对地址在地址数据库中找到对应的相对地址，将数据包的目的地址替换为该相对地址重新发出，通过中间路由则会将数据包正确发送到目的移动节点。

Claims (1)

1.一种基于地理位置信息的天地网络混合编址方法，采用对地址划分不同域的方式，寻址方式中借鉴移动IP的寻址方法，其特征在于包括编址技术与寻址技术两部分：

所述编址技术为：

每一个节点均拥有绝对地址和相对地址两个地址，绝对地址是节点的永久标识，一经生成不再改变，相对地址是节点的当前标识，会随着节点位置的变化而改变；绝对地址和相对地址结构相同，均分为地址类型域、节点类型域、地理位置域、卫星标号域和唯一标识域五个域；

每一个节点在入网之时填充绝对地址中的五个域，从而生成绝对地址，具体填充规则和方法为：

地址类型域表明该地址为绝对地址还是相对地址，占1bit，其中绝对地址以0表示，相对地址以1表示；

节点类型域表明节点的类型，占2bit，其中卫星节点以00表示，地面固定节点以01表示，移动节点以11表示，10未做使用；

地理位置域占17bit，前8bit代表节点纬度信息，后9bit代表节点经度信息；对于卫星节点的地址，该域无意义；对于固定节点的地址，该域表明节点自身所处的地理位置；对于移动节点，若地址为绝对地址，则该域表明节点初始地理位置，若地址为相对地址，则该域表明节点的当前地理位置；

卫星标号域占8bit，对于卫星节点与固定节点的地址，该域无意义；对于移动节点的地址，该域表明该移动节点的初始注册卫星ID；

唯一标识域用来唯一标识一个节点，占36bit，通过全局分配，每个节点拥有唯一的一个36bit标识；

生成节点的绝对地址后，将绝对地址的地址类型域由0更改为1，得到节点初始的相对地址；

所述寻址技术为：

移动节点由加入网络到最终进行通信，共经历注册阶段、移动阶段和通信阶段；固定节点和卫星节点不需要注册和移动，只经历通信阶段；该三个阶段中的具体操作步骤为：

a.注册阶段

当移动节点首次进入网络时，向初始位置的地面站和卫星分别注册节点的绝对地址和相对地址，地面站和卫星将该节点绝对地址与相对地址的映射关系保存到自身维护的地址数据库中，以供通信时查询；

b.移动阶段

移动节点到达新的地理区域时，相对地址更新步骤如下：

1)移动节点将相对地址中地理位置域信息更新为当前地理位置信息，然后向初始注册的地面站与卫星节点发出相对地址更新请求；若移动节点正处于通信阶段，则同时通知通信对方相对地址的变更；

2)初始注册地面站与初始注册卫星收到请求，分别更新地址数据库中相对地址信息；

c.通信阶段

若知道目的节点的相对地址，则使用目的节点相对地址填充数据包目的地址，否则以目的节点绝对地址为数据包目的地址进行通信，中间路由节点根据数据包目的地址进行路由选择，其具体方法为：

若目的地址为卫星节点，则利用卫星ID直接转发；若目的地址为固定节点，则利用地理位置信息转发；若目的地址为移动节点，则分为：

1)当地址为绝对地址时，具体步骤为：

①依据绝对地址中的地理位置信息，将请求包路由到初始注册卫星；若初始注册卫星不可访问，则将请求包路由到初始注册地面站；

②初始注册卫星站或初始注册地面在地址数据库中查找该移动节点绝对地址对应的相对地址，将信息包目的地址更换为移动节点相对地址重新发出；

2)当地址为相对地址时，则依据地址中地理位置信息转发。

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