CN108881029A - 基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法及系统，其中，方法包括：进行星间网络编址；进行用户编址；建立确定卫星自身标识和地面分区关系的第一映射表和确定卫星自身标识和地面信关站关系的第二映射表，并通过第一映射表和第二映射表进行位置管理，以通过星间网络路表由快照进行路由转发，并根据IP地址配置和每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由。该方法可以节省星间网络的带宽资源和卫星的计算资源，可以解决大区用户密度不均匀和地址使用的不充分的问题，节省卫星的快照储存资源以及提高路由的完备性。

Description

基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星移动通信技术领域，特别涉及一种基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法及系统。
背景技术
卫星移动通信系统具有覆盖区域广、受地形地貌影响小和不受自然灾害影响等特点，非常适合偏远地区通信、特种行业应用、边海防防务、境外通信和重大灾害中的应急通信等应用。当前及未来，航天测控、对地观测及空间科学实验等领域应用保障需求，对空间信息网提出了覆盖率、时效性、灵活性、动态链接、传输能力等迫切需求。
卫星通信在应急、国防、政府、商业领域均占有重要的一席之地，与GEO卫星相比，具有较低功率损耗和传播延时的LEO卫星更适合承载实时业务。路由是LEO卫星网络研究的关键技术之一，必须适应星座高移动性、功率和处理能力受限的特征。
星座路由面临的挑战主要表现在以下几个方面：
(1)卫星高速运动，星间链路和卫星对应的地面终端具有高度动态性。
卫星与地面终端之间处于高速的相对运动中，典型运动速度约7km/s。对于地面终端而言，每颗卫星的可视时间非常短，切换(包括卫星切换和波束切换)的速度非常快，星间链路的极区切换也使得网络拓扑始终处于快速的变化中。
(2)相对地面网络链路传播延时较大。
低轨卫星的轨道高度在700～1500km之间，典型的星间链路一跳传播延时在几十毫秒，地面终端之间的传播延时一般在100～200ms之间。例如Iridium系统中，地面终端之间平均传播延时在110～140ms量级。链路传播延时不仅不可忽略，也成为系统中端到端延时的重要组成部分。
(3)资源严格受限要求算法简单。
星载设备的设计不同于地面设备，严格受到功率、重量、尺寸的限制，因此导致星上设备的运算能力、存储容量均受到限制，要求星上可实现的路由算法简单，对存储器的容量要求不能过高。
在现有地面网络中，路由一般分为静态路由和动态路由。静态路由一般是在路由器中预先储存好静态路由表，一般适用于拓扑固定并且简单的网络。当拓扑发生变化时，需要手动进行静态路由表的修改。静态路由的优势是路由算法不会占用带宽，并且网络安全保密性高，但是手动更新会带来更新效率低，时效性差等问题，不适用于大型的复杂的网络。与静态路由相对的是动态路由，动态路由(如RIP、OSPF等路由协议)是指路由器通过互相的路由信息的交互自主建立起路由表，并且可以随网络运行状况的变化进行动态的调整。动态拓扑的优势是避免了每次路由表更新所需的手动配置，适用于大型的复杂的网络，但是路由器之间频繁的路由信息交互会占用网络带宽，并且路由的收敛会使用部分计算资源。
为了解决上述问题，根据所使用的网络拓扑形式，现有三大类LEO卫星网络路由算法：动态拓扑路由、快照序列/有限状态机拓扑路由、虚拟节点路由。
动态拓扑路由算法依据实时的卫星星座拓扑进行路由，主要优点是对不同星座拓扑适应性强，能够对卫星失效、链路拥塞等情况做出及时反应；缺点是要求卫星节点之间频繁交换网络拓扑和链路信息，对星上处理能力要求较高，系统开销大。
而虚拟节点路由在实际应用上尚存在一些问题。对于卫星网络空间段，节点的连接关系、传播延时可以预知。
快照序列(或离散时间网络模型、有限状态机)路由算法利用星座的周期性，按时间段从实时变化的星座中提取出N个拓扑，每个时间段内的网络拓扑被看作静止不变，从而可以离线分段计算路由，卫星在时间段边界切换路由表。
现有技术中，基于覆盖域划分的路由算法在卫星网络运行的不同时刻,每颗卫星覆盖不同地面区域，地面用户也对应不同服务卫星。由于星上可保存整个网络的动态拓扑结构及彼此间的相对位置,而地面用户的位置具有随机性，如果数据分组能够携带地面用户所处的地理位置信息，那么将有利于地面用户间通过卫星网络进行分组路由。基于覆盖域划分的路由算法就是把地球表面覆盖域划分成不同区域,并给各个区域赋予不同的固定逻辑地址。在给定时刻，对于最靠近区域中心的卫星，其逻辑地址就是该区域的逻辑地址。卫星在运行过程中根据覆盖区域的变化动态改变其逻辑地址。在路由转发时，路由器只要根据地理信息就可以知道该转发到哪一个卫星，所以卫星上的表项数量只跟分区数量有关，与用户数量无关，大大缩减了表项数量。
如图1所示，一种基于IP的卫星网络路由框架(SIPR)，该框架采用IP分层编址和移动IP的思想,根据卫星的覆盖域把地球表面分为一定数量的蜂窝(Cell)和宏蜂窝(SuperCell)并对它们进行编号,地面终端在卫星网络中的地址按照其所属蜂窝的编号确定,从而把地面终端的位置和卫星的位置对应起来。在星上转发分组时，依据定义的编址规则,当前卫星节点依据分组头部所携带的目的终端地址确定下一跳的转发方向,直至分组被传送至目的端卫星。
与此思想类似，下面所述的一种基于地理分区的极地轨道低轨卫星网络IP编址方法及系统，根据卫星节点分布规律，将地球表面划分为多个地理分区，为各地理分区分配固定的IP地址，根据各卫星节点对应的地理分区为各卫星的对地端口分配IP地址，根据移动用户所在的地理分区为移动用户分配IP地址。只有当用户进行跨区移动的时候才会重新分配IP地址。此种编址方式做到了地址聚合，减少星上路由表项，同时大大降低了移动用户IP地址的更新频率。
在基于覆盖域划分的路由算法中，卫星保存有整个网络系统的拓扑结构图,在任何时刻都知道自己及邻居卫星所在的地理位置,因此,使用卫星分组头中目的终端的地址信息,能够计算出下一跳的转发方向。所以此算法的应用需要地面网关系统协同工作,由地面网关生成卫星分组头。但是，低轨卫星网络存在一类通信模式——“用户-低轨卫星网-用户”，这种通信并不会经过地面站，现有方案(由地面生成分组头)不能兼容此种通信模式。
在现有基于覆盖域划分的路由算法中，用的是分布式的动态路由算法，这会导致大量的信令开销和星上计算资源。除此之外，由洪泛带来的收敛时间也会导致丢包率的上升。
现有技术为地面大区、卫星对地端口和地面用户进行了编址，并考虑到了不同大区的用户密度。但是，此方案并未考虑由卫星移动带来的星间链路端口编址的复杂性。
低轨卫星网络的主要特点是拓扑频繁地周期性变化，同时星上的计算资源、储存资源和星间带宽有限。面对频繁变化的网络拓扑，地面网络中的静态路由算法需要频繁的手动配置，由于地面到卫星的传输距离过长，不能及时地进行路由表的更新。而面对有限的星上资源，动态路由的频繁的路由计算会带来大量的计算和通信开销，并且由于星间传输时延，网络路由收敛时间会达到秒级，造成丢包。为了适应拓扑动态变化的特征，同时节省星上资源，提出了快照序列算法。
快照序列(Snap Shot Sequence，SSS)算法的基本思想是将卫星系统周期划分为许多小的时间片(快照)，在时间片内假定星座拓扑不变且ISL代价恒定，路由可按照最优策略(例如最短路径或最小代价)预先计算。
具体实现方法是利用卫星拓扑变化的周期性，按时间从实时性变化的拓扑中提取出S个拓扑，在每个时间段中拓扑是不发生变化的，从而可以在地面上根据这些拓扑分别计算相应的路由表。将这些路由表快照传到卫星上，由卫星在这些时间段边缘进行切换，可以保证转发正确。
快照序列的优点在于利用预先储存的方式，消除了由路由计算带来的信令交互和收敛时间，极大地降低了星上处理负担。
现有的快照序列算法应用在卫星网络空间段，卫星的路由器根据预存在路由快照将包转发到其他卫星。但是低轨卫星网络中，绝大多数数据包最终会转发到地面段的用户或者地面的公共网络中，所以卫星在查路由表时，目的地址应该是用户或者是公共网络的IP地址。若使用传统的快照序列算法，百万级的用户需要百万级的路由表项，会极大的占用储存资源。同时无法兼容目的地址在地面公共网络的情况。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，具有节省卫星的快照储存资源以及提高路由的完备性的优点。
本发明的另一个目的在于提出一种基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，包括：进行星间网络编址，其中，对每个卫星进行唯一的星上编址，且设置一条链路两端的端口处在同一个网段，并获取网络中所有链路端口的IP地址配置；进行用户编址，其中，对全球进行地理分区，以分为多个大区，并设定每一个大区为一个子网，并建立与所述每一个大区一一对应的子网号和主机号；以及建立确定卫星自身标识和地面分区关系的第一映射表和确定所述卫星自身标识和地面信关站关系的第二映射表，并通过所述第一映射表和所述第二映射表进行位置管理，以通过星间网络路表由快照进行路由转发，并根据所述IP地址配置和所述每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由。
本发明实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，通过进行星间网络编址和进行用户编址，并建立两种映射表，且根据IP地址配置和每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由，可以节省星间网络的带宽资源和卫星的计算资源，可以解决大区用户密度不均匀和地址使用的不充分的问题，节省卫星的快照储存资源以及提高路由的完备性。
另外，根据本发明上述实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对卫星网进行星间网络编址，进一步包括：对所述卫星网同轨端口编址、异轨端口编址、星上设备编址和从星编址。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每一条链路的网段唯一。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对用户的地址进行用户编址，具体包括：将地球表面排列成50个大区，其中，从南纬80度到北纬80度之间，排列成4行，每行12列，北纬80度以北和南纬80度以南各设置1个大区，以进行用户编址。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在用户的终端进行跨大区移动时，更改终端的子网号，并通过所述地面信关站重新分配主机号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对用户的地址进行用户编址，还包括：对所述每一个大区，通过地址汇聚确保卫星对地端口和所述大区里所有的用户划分在同一个子网中。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述每颗卫星上储存一组星间网络的全局拓扑快照，以及与拓扑一一对应的路由表的快照，所述卫星根据自身的经纬度调用相应的路由快照以进行路由转发。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在低轨卫星网络中，以所述数据包的目的地址为依据，将通信模式分为目的地址是星上设备或者从星的通信，目的地址是地面移动用户的通信和目的地址是地面IP公网的通信；并根据所述映射表生成路由表，通过查询生成路由表实现三种通信模式的路由转发。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统。
本发明实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统，包括：第一编址模块，用于进行星间网络编址，其中，对每个卫星进行唯一的星上编址，且设置一条链路两端的端口处在同一个网段，并获取网络中所有链路端口的IP地址配置；第二编址模块，用于进行用户编址，其中，对全球进行地理分区，以分为多个大区，并设定每一个大区为一个子网，并建立与所述每一个大区一一对应的子网号和主机号；以及路由模块，用于建立确定卫星自身标识和地面分区关系的第一映射表和确定所述卫星自身标识和地面信关站关系的第二映射表，并通过所述第一映射表和所述第二映射表进行位置管理，以通过星间网络路表由快照进行路由转发，并根据所述IP地址配置和所述每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由。
本发明实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统，通过进行星间网络编址和进行用户编址，并建立两种映射表，且根据IP地址配置和每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由，可以节省星间网络的带宽资源和卫星的计算资源，可以解决大区用户密度不均匀和地址使用的不充分的问题，节省卫星的快照储存资源以及提高路由的完备性。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述路由模块还用于：在所述每颗卫星上储存一组星间网络的全局拓扑快照，以及与拓扑一一对应的路由表的快照，所述卫星根据自身的经纬度调用相应的路由快照以进行路由转发。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明现有技术中卫星覆盖域划分示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的流程图；
图3为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的低轨卫星网络架构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的卫星端口示意图；
图5为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的轨道编址示意图；
图6为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的卫星自身编址示意图；
图7为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的地表大区分区示意图；
图8为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的卫星编址示意图；
图9为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的用户数为218的子网示意图；
图10为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法。
低轨卫星网络中存在两种移动机制，一是星间网络卫星的移动，二是卫星对地面大区的移动。若使用传统的路由快照策略，若星间网络的运动周期为N，卫星对大区的运动周期为M，则快照数为N*M个，当卫星个数较多时，快照的数量会非常大。采取星地解耦的方式，分开考虑这两种移动机制，将快照分为星间网络路由快照和映射表快照，储存快照的数量即为N+M个，节省星上的储存容量。
如图3所示，两种快照表代表了两种不同的移动性，所以针对这两种移动机制提出了两套编制。对于每个卫星，由于星间网络的链接较为稳定(同轨道面卫星链接不变，异轨道面卫星只存在升轨和降轨两种状态)，IP地址不会频繁变化，所以为每一个卫星进行唯一的星上编址，星间网络路由快照使用的是这一套编址。用户编址沿用基于地理分区的极地轨道低轨卫星网络IP编址，同时提出了一种新型的考虑大区用户密度的编址方式，映射表使用的是星上编址和用户编址。
为了更清晰地展示本方案，采用“鸿雁”低轨卫星网络的星座，其特征是有6个过极点的同轨道面，每个同轨道面9颗卫星，每颗卫星可连接5个从星(暂不考虑从星与地面通信)。本方案可扩展到其他极地轨道低轨卫星网络。
图2为根据本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法的流程图。
如图2所示，该基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法包括以下步骤：
在步骤S101中，进行星间网络编址，其中，对每个卫星进行唯一的星上编址，且设置一条链路两端的端口处在同一个网段，并获取网络中所有链路端口的IP地址配置。
在本发明的一个实施例中，星间网络编址包括同轨端口编址、异轨端口编制、星上设备编址和从星编址。按照地址聚合规则，一条链路两端的端口处在同一个网段，给出网络中所有链路端口的IP地址配置，包括IP地址和子网掩码。具体要求为：
(1)星间端口(4个)：要考虑升轨区和降轨区的相邻异轨道面卫星端口的切换，以及相邻异轨道面卫星之间的链路在高纬度地区的断开。
(2)星上设备的端口：每颗卫星上有一定数量的星上设备。
(3)卫星与从星系统连接的端口：每颗主星与5颗从星存在星间连接。
在本发明的一个实施例中，对编址进行说明，将星间网络看做一个私网，使用172.16.X.X的私网网段。通过进一步划分子网，针对每一条链路都设置一个独一无二的网段。
卫星端口的设置如图4所示，其中，0～1端口是同轨链路的端口，每颗卫星的0号端口和它相邻的同轨卫星的1号端口相连。2～3是异轨链路的端口，每颗卫星的2号端口和它相邻的异轨卫星的3号端口相连,5端口是馈电端口(连接到信关站的端口，当卫星连不到地面信关站时可连接到一个地面用户)。星上还有与从星和自身设备连接的端口。
由于子网号的位数的不同，将星间编址分为轨道编址和卫星自身编址。轨道编址包括同轨端口编址、异轨升轨编址和异轨降规编址，子网掩码为255.255.255.128，如图5所示。卫星自身编址包括对卫星承载的设备、所连接的从星的编址和两个馈电端口，子网掩码为255.255.255.192，如图6。
进一步地，进行同轨端口编址，同轨端口的编址如下：
A占2位，为01时表示是同轨道面的端口。
B占3位，在6*9的星座当中，同轨道面有6条，使用B来确定同轨道面的轨道号，在同轨道面1中，S111与S112连接的为第一条，S112与S113连接的为第2条，以此类推，取值范围为000～101。
C占4位，在6*9的星座当中，每一个同轨道面有9条链路，使用C来确定一个同轨道面中的链路号，取值范围为0000～1000。
为每条同轨道面的链路分配了唯一子的子网号，在每一个网段内，第一个主机号留给网关，所以规定端口号为0的主机号为2，端口号为0的主机号为3。至此，为每一个同轨端口都分配了一个IP地址，子网掩码为255.255.255.128。
进一步地，进行异轨升轨编址，异轨升轨端口的编址如下：
A占2位，为10时表示是异轨升轨的端口。
B占3位，在6*9的星座当中，在升轨一侧，除去两侧的反向缝，6条同轨道面之间形成了5条异轨缝，使用B来确定异轨缝的编号，取值范围为000～100。
C占4位，在6*9的星座当中，根据异轨链路的相位，可以确定9条异轨轨道，如115-125-135-145-155-165是其中的一条异轨链路，使用C来确定一个异轨轨道的轨道号，取值范围为0000～1000。
通过异轨轨道号和轨道缝，为每条异轨升轨的链路分配了唯一子的子网号，在每一个网段内，第一个主机号留给网关，所以规定端口号为2的主机号为2，端口号为3的主机号为3。至此，为每一个异轨升轨端口都分配了一个IP地址，子网掩码为255.255.255.128。
进一步地，进行异轨降规编址，异轨降轨端口的编址如下：
A占2位，为11时表示是异轨降轨的端口。
B占3位，在6*9的星座当中，在降轨一侧，除去两侧的反向缝，6条同轨道面之间形成了5条异轨缝，使用B来确定异轨缝的编号，取值范围为000～100。
C占4位，在6*9的星座当中，根据异轨链路的相位，可以确定9条异轨轨道，如165-155-145-135-125-115是其中的一条异轨链路，使用C来确定一个异轨轨道的轨道号，取值范围为0000～1000。
通过异轨轨道号和轨道缝，为每条异轨升轨的链路分配了唯一子的子网号，在每一个网段内，第一个主机号留给网关，所以规定端口号为2的主机号为2，端口号为3的主机号为3。至此，为每一个异轨降轨端口都分配了一个IP地址，子网掩码为255.255.255.128。
进一步地，进行卫星自身编址，卫星自身端口的编址如下：
A占2位，为00时表示是卫星自身的端口。
B占6位，在6*9的星座当中，一共有54颗卫星，使用B来确定卫星的编号，取值范围为000000～110101。
C占2位，分别使用00、01、10来标识卫星所连从星、卫星自身设备和馈电端口。
对于每一颗卫星，在每一个网段内，第一个主机号留给网关。所以，对于卫星所连从星，主机号设为2～6；对于卫星自身设备，主机号从2开始设置；对于两个馈电端口，主机号设为2。至此，为每一个卫星自身的端口都分配了一个IP地址，子网掩码为255.255.255.192。
在步骤S102中，进行用户编址，其中，对全球进行地理分区，以分为多个大区，并设定每一个大区为一个子网，并建立与每一个大区一一对应的子网号和主机号。
在本发明的一个实施例中，如图7所示，地理分区方法如下，地球表面排列成50个大区，满足：从南纬80度到北纬80度之间，排列成4行，每行12个。北纬80度以北和南纬80度以南各设置1个大区。
这样的分区方法，在南纬80度～北纬80度之间，基本保证任意时刻，一个大区中有且只有一颗卫星。在北纬80度以北和南纬80度以南，可以要求只有一颗卫星对地工作。
基于以上分区的概念，下面详细阐述基于大区的终端编址机制：
进行，用户编址：设定每一个大区为一个子网，为每一个大区分配一个唯一的子网号，此大区内的所有用户的终端都是用这个大区的子网号，主机号由信关站分配，并且在此大区内唯一。采用这种编址方式，根据子网号可以判断出该终端所处的大区位置，做到地址汇聚的效果。只有当用户的终端进行跨大区移动时，终端的子网号才会发生更改，主机号由信关站重新分配。表1为用户编址方式。
表1
地面大区子网号 用户主机号
进行卫星编址：
如图8所示，一个卫星会根据注册表管控卫星大量用户，卫星和用户之间的直接通信通过广播实现。因此，卫星的对地接口视为对应地面分区的广播地址，依然沿用用户编址所用的IPv4地址格式，卫星会周期性地计算卫星与地面分区的映射表，当发现当前的对地接口地址的分区号发生变化时，则根据映射表找到对应分区号信息，修改其对地接口的地址，保持与其所对应的地面分区的区号一致。
进一步地，用户编址使用10.X.X.X的私网网段。对于每一个大区，卫星对地端口和大区里所有的用户划分在同一个子网中。同时，考虑到用户分布不均匀的现象，用户多的大区将会被分配到更多的地址，可以采用地址汇聚方案来实现。
如果子网号的长度相等，50个大区需要占用14位，主机号可占18位，则每个子网中，主机总数为218，约为26万个。考虑到有的大区的用户数量可能超过26万个，我们采用地址汇聚的方案来解决这个问题。
由于用户总量为300万个，我们假设有且只有一个大区的用户数达到100万，为了使用户的容量达到最大，有如下编制方案：
在本发明的一个实施例中，图9-(a)、9-(b)、9-(c)分别为用户数为220、219、218的子网。使用14位作为子网号，可以划分64个子网地址。对于唯一的用户数量达到100万用户的子网，子网号为000000～000011的网段可以汇聚为0000的子网，即子网号为10.0.0.0，子网掩码为255.240.0.0，可容纳220个主机。剩下的60个子网地址可以分配给49个大区，可以分为11个子网号占13位的大区和38个子网号占14位的大区。
有如下编址，表2为用户编址策略：
表2
其中主机号为全1的地址分配给卫星对地的广播端口，如用户数量为100万的大区上方卫星的对地广播端口为10.15.255.255，子网掩码为255.240.0.0。可知用户总容量远远大于300万。
综上所述，表3为S145的编址示例，若对卫星S145(若当前所对应大区有100万用户)进行编址：
表3
在步骤S103中，建立确定卫星自身标识和地面分区关系的第一映射表和确定卫星自身标识和地面信关站关系的第二映射表，并通过第一映射表和第二映射表进行位置管理，以通过星间网络路表由快照进行路由转发，并根据IP地址配置和每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由。
在本发明的一个实施例中，由于星间网络路由与星地网络路由的解耦，卫星上需要维护一张所有卫星自身标识和地面分区的映射表和一张卫星自身标识和地面信关站的映射表。映射表可以由卫星根据自身的经纬度更新。通过将星间网络路由表和两张映射表结合，可以最终实现包的路由转发。首先介绍这三张表的格式。
在本发明的一个实施例中，每颗卫星上会储存一组星间网络的全局拓扑快照，以及与拓扑一一对应的路由表的快照。卫星根据自身的经纬度调用相应的路由快照，进行转发。
除了目的地址为从星或星上设备的情况，路由表中的目的地址都是地面的用户或者地面的运控站之后的数据网络，对于星间网络而言，目的地址应该是卫星的对地端口。由于解耦，卫星上储存的路由快照并得不到这个对地端口，但是在上述卫星编址中，我们为每颗卫星设置了卫星自身编址，卫星编址的四个子网可以聚合成为一个子网，这个子网可以作为此卫星的自身标识网段，即在其他卫星的路由表中，到这个卫星的表项的目的地址是这个聚合后的网段，到编号为S145的卫星的目的地址为172.16.36.0，子网掩码为255.255.255.0。
在路由表中，表项1、2、3预留给信关站，表项4预留给对地广播端口，这4个表项会在映射表完成之后填写。表项5、6是星上设备和从星(端口号不做标注)，表项7、8是两个馈电端口，当此卫星通过馈电电路与信关站相连时，这两个表项置空。表项9之后的都是到其他卫星的表项，有53项。
综上所述，每个卫星的表项有61项。
表4为S111星间网络路由表，以S111的路由表为例，星间网络的路由表4所示：
表4
表项 目的地址 子网掩码 下一跳(网关) 端口 跳数
1 0.0.0.0 0.0.0.0
2 0.0.0.0 0.0.0.0
3 0.0.0.0 0.0.0.0
4 4
5 172.16.0.0 255.255.255.192 172.16.0.1
6 172.16.0.64 255.255.255.192 172.16.0.65
7 172.16.0.128 255.255.255.192 172.16.0.129 5
8 172.16.36.0 255.255.255.0 172.16.68.1 1
9 172.16.6.0 255.255.255.0 172.16.64.1 0
… ……
卫星与地面分区的映射表记录着当前卫星所对应的地面大区，完成了卫星默认IP到对地端口网段的映射。根据卫星数量，映射表一共有54项。极地分区上方有三颗卫星，当卫星运动到极点时，极地分区的上方只会有一颗卫星的对地端口工作(如172.16.50.0)，其他两颗卫星的对地端口IP置空。表5为卫星与地面分区的映射表。
表5
卫星自身IP网段 子网掩码 对地大区网段 子网掩码
172.16.0.0 255.255.255.0 10.16.0.0 255.248.0.0
172.16.36.0 255.255.255.0 10.0.0.0 255.240.0.0
172.16.6.0 255.255.255.0 10.128.0.0 255.252.0.0
172.16.50.0 255.255.255.0 NULL NULL
……
信关站与对应卫星的映射表记录着当前与信关站直连的卫星的自身IP网段和子网掩码。
需要说明的是，馈电端口的编址策略，由于信关站通过馈电电路与卫星直连，两个端口需要在同一个网段下，我们使卫星的馈电端口IP地址不变，当信关站所连卫星发生改变时，信关站改变自身的端口的网段。当卫星不与信关站相连时，馈电端口会与用户相连，这两个用户更改自身的IP地址以适应卫星的馈电端口。采用这种方式，我们可以减少星上的IP编址变动，并且可以减少信关站与对应卫星的映射表的表项，表6为信关站与对应卫星的映射表，如表6，只需要3项即可完成。
表6
信关站编号 卫星自身IP网段 子网掩码
1 172.16.6.0 255.255.255.0
2 172.16.8.0 255.255.255.0
3 172.16.10.0 255.255.255.0
在本发明的一个实施例中，在低轨卫星网络中，以数据包的目的地址为依据，通信模式一般分为以下三类：目的地址是星上设备或者从星的通信，目的地址是地面移动用户的通信，目的地址是地面IP公网的通信。根据以上三张表可以得出生成路由表，通过查询生成路由表实现以上三种通信模式的路由转发。
首先，生成路由表，生成路由表的生成过程如下：
首先根据信关站与对应卫星的映射表，找到每个信关站对应的卫星的自身IP网段，再查找星间网络路由表中这个卫星的自身IP网段对应的下一跳、端口、跳数，将其填到星间网络路由表的表项1、2、3中。
进一步地，根据卫星与地面分区的映射表。首先，将自身对地区域的网段替换到星间网络路由表中对应的表项4之中，由于最终的目的主机与4端口直连，则下一跳即为卫星对地广播(即端口4)IP地址。
进一步地，复制当前有对应大区的其他卫星的表项，添加到路由表的结尾，并将目的地址和子网掩码替换成各卫星的对地网段和子网掩码。如表项61是表项8的复制，所表示的是到IP是172.16.36.0、子网掩码是255.255.255.0的卫星，由映射表得此卫星当前所对应的大区IP为10.0.0.0，子网掩码是255.240.0.0，将目的地址和子网掩码进行替换，得到最终的表项61。
最后，当卫星不与信关站直连，表项5、6、7不变，当卫星与信关站直连时，表项5、6不变，表项7置空，并且把当前工作的馈电链路的下一跳、端口、跳数写到默认路由中。
综上所述，形成生成路由表，共有111项表项。星间网络路由表和映射表只存在于计算过程中，在实际的包的转发的过程中，路由器只会去查找最终的生成路由表。
表7为S111生成路由表(不与信关站相连)、表为8S111生成路由表(与信关站相连)。当映射表或星间网络路由快照刷新时，低轨卫星网络路由表也会随之刷新，生成路由表如表7、表8所示。
表7
表8
表项 目的地址 子网掩码 下一跳(网关) 端口 跳数
1 0.0.0.0 0.0.0.0 172.16.0.129 5 0
2 0.0.0.0 0.0.0.0 172.16.68.1 1 3
3 0.0.0.0 0.0.0.0 172.16.64.1 1 5
4 10.16.0.0 255.248.0.0 10.23.255.255 4
5 172.16.0.0 255.255.255.192 172.16.0.1
6 172.16.0.64 255.255.255.192 172.16.0.65
7 172.16.0.128 255.255.255.192 NULL NULL
8 172.16.36.0 255.255.255.0 172.16.68.1 1
9 172.16.6.0 255.255.255.0 172.16.64.1 0
… ……
61 10.0.0.0 255.240.0.0 172.16.68.1 1
62 10.128.0.0 255.252.0.0 172.16.64.1 0
… ……
在本发明的一个实施例中，路由表查表流程包括：当卫星不与信关站直连时，数据包的转发流程：
当数据包的目的地址为公网用户时，IP包的目的地址无法与表项4之后的表项匹配，则只能通过默认路由(表项1、2、3)，选择一个跳数最小的表项进行转发，直到转发到与信关站直连的卫星；
当数据包的目的地址为此卫星对应区域的用户时，查表项4，通过端口4转发出去；
当数据包的目的地址为此卫星上的从星、星上设备、馈电电路连接的两个大用户时，查表项5、6、7，通过相应端口转发出去；
当数据包的目的地址为其他卫星上的从星、星上设备、馈电电路连接的两个大用户时，查表项8至60，通过相应端口转发出去；
当数据包的目的地址为其他卫星所对应区域的用户时，查61及61之后的表项。
当卫星与信关站直连时，数据包的转发流程：
当数据包的目的地址为公网用户时，IP包的目的地址无法与表项4之后的表项匹配，则只能通过默认路由(表项1、2、3)，选择一个跳数最小的表项，这个时候一定是此卫星下的5端口进行转发，直接转发到信关站；
当数据包的目的地址为此卫星对应区域的用户时，查表项4，通过端口4转发出去；
当数据包的目的地址为此卫星上的从星、星上设备时，查表项5、6，通过相应端口转发出去；
当数据包的目的地址为其他卫星上的从星、星上设备、馈电电路连接的两个大用户时，查表项8至60，通过相应端口转发出去；
当数据包的目的地址为其他卫星所对应区域的用户时，查61及61之后的表项。
本发明实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，通过进行星间网络编址和进行用户编址，并建立两种映射表，且根据IP地址配置和每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由，可以节省星间网络的带宽资源和卫星的计算资源，可以解决大区用户密度不均匀和地址使用的不充分的问题，节省卫星的快照储存资源以及提高路由的完备性。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统。
图10是本发明一个实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统的结构示意图。
如图10所示，该基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统10包括：第一编址模块100、第二编址模块200和路由模块300。
第一编址模块100用于进行星间网络编址，其中，对每个卫星进行唯一的星上编址，且设置一条链路两端的端口处在同一个网段，并获取网络中所有链路端口的IP地址配置。第二编址模块200用于进行用户编址，其中，对全球进行地理分区，以分为多个大区，并设定每一个大区为一个子网，并建立与每一个大区一一对应的子网号和主机号。路由模块300用于建立确定卫星自身标识和地面分区关系的第一映射表和确定卫星自身标识和地面信关站关系的第二映射表，并通过第一映射表和第二映射表进行位置管理，以通过星间网络路表由快照进行路由转发，并根据IP地址配置和每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由。该系统具有节省卫星的快照储存资源以及提高路由的完备性的优点。
在本发明的一个实施例中，路由模块300还用于：在每颗卫星上储存一组星间网络的全局拓扑快照，以及与拓扑一一对应的路由表的快照，卫星根据自身的经纬度调用相应的路由快照以进行路由转发。
需要说明的是，前述对基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统，此处不再赘述。
本发明实施例的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统，通过进行星间网络编址和进行用户编址，并建立两种映射表，且根据IP地址配置和每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由，可以节省星间网络的带宽资源和卫星的计算资源，可以解决大区用户密度不均匀和地址使用的不充分的问题，节省卫星的快照储存资源以及提高路由的完备性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
进行星间网络编址，其中，对每个卫星进行唯一的星上编址，且设置一条链路两端的端口处在同一个网段，并获取网络中所有链路端口的IP地址配置；
进行用户编址，其中，对全球进行地理分区，以分为多个大区，并设定每一个大区为一个子网，并建立与所述每一个大区一一对应的子网号和主机号；以及
建立确定卫星自身标识和地面分区关系的第一映射表和确定所述卫星自身标识和地面信关站关系的第二映射表，并通过所述第一映射表和所述第二映射表进行位置管理，以通过星间网络路表由快照进行路由转发，并根据所述IP地址配置和所述每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由。
2.根据权利要求1所述的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，其特征在于，所述对卫星网进行星间网络编址，进一步包括：
对所述卫星网同轨端口编址、异轨端口编址、星上设备编址和从星编址。
3.根据权利要求1所述的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，其特征在于，所述每一条链路的网段唯一。
4.根据权利要求1所述的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，其特征在于，所述对用户的地址进行用户编址，具体包括：
将地球表面排列成50个大区，其中，从南纬80度到北纬80度之间，排列成4行，每行12列，北纬80度以北和南纬80度以南各设置1个大区，以进行用户编址。
5.根据权利要求4所述的基于星地解耦的低轨卫星网络编址方法和路由方法，其特征在于，其中，在用户的终端进行跨大区移动时，更改终端的子网号，并通过所述地面信关站重新分配主机号。
6.根据权利要求5所述的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，其特征在于，所述对用户的地址进行用户编址，还包括：
对所述每一个大区，通过地址汇聚确保卫星对地端口和所述大区里所有的用户划分在同一个子网中。
7.根据权利要求1所述的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，其特征在于，其中，在所述每颗卫星上储存一组星间网络的全局拓扑快照，以及与拓扑一一对应的路由表的快照，所述卫星根据自身的经纬度调用相应的路由快照以进行路由转发。
8.根据权利要求7所述的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由方法，其特征在于，在低轨卫星网络中，以所述数据包的目的地址为依据，将通信模式分为目的地址是星上设备或者从星的通信，目的地址是地面移动用户的通信和目的地址是地面IP公网的通信；并根据所述映射表生成路由表，通过查询生成路由表实现三种通信模式的路由转发。
9.一种基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统，其特征在于，包括：
第一编址模块，用于进行星间网络编址，其中，对每个卫星进行唯一的星上编址，且设置一条链路两端的端口处在同一个网段，并获取网络中所有链路端口的IP地址配置；
第二编址模块，用于进行用户编址，其中，对全球进行地理分区，以分为多个大区，并设定每一个大区为一个子网，并建立与所述每一个大区一一对应的子网号和主机号；以及
路由模块，用于建立确定卫星自身标识和地面分区关系的第一映射表和确定所述卫星自身标识和地面信关站关系的第二映射表，并通过所述第一映射表和所述第二映射表进行位置管理，以通过星间网络路表由快照进行路由转发，并根据所述IP地址配置和所述每一个大区一一对应的子网号和主机号实现路由。
10.根据权利要求9所述的基于星地解耦的低轨卫星网络编址和路由系统，其特征在于，所述路由模块还用于：
在所述每颗卫星上储存一组星间网络的全局拓扑快照，以及与拓扑一一对应的路由表的快照，所述卫星根据自身的经纬度调用相应的路由快照以进行路由转发。
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