CN110493130A - 天地一体化网络动静态混合路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种天地一体化网络动静态混合路由方法，旨在提供一种适应天地一体化网络拓扑持续动态变化、节点星上载荷能力有限、星间链路传输时延长、承载数据流量分布不均衡等特点的动静态一体的混合路由方法。本发明通过下述技术方案予以实现：静态路将星基节点运动轨迹信息发送给地面运维管控中心，发起路由请求，获得星基节点运动轨迹信息；运维管控中心采用时间虚拟化路由算法，进行时间片划分、虚拟拓扑图构建和原始路由表创建；星基节点响应路由请求，受理任务后，根据静态路由表构建任务路由，获得星上载荷任务，判断发送数据分组是否成功，若分组发送失败，则采用DSR路由算法动态重构路由，若发送数据分组成功，数据分组传输完成。

Description

天地一体化网络动静态混合路由方法

技术领域

本发明涉及卫星测控网络通信协议技术领域，具体涉及一种可用于天地一体化网络中满足高低轨卫星节点的数据业务传输的动静态混合路由方法。

背景技术

由于地面网络的局限性以及传统网络无法实现真正意义上的全球覆盖，结合地面网络的延时小和卫星网络的覆盖范围广，组成地面网络与空间网络相结合的空天地一体化混合网络。空天地一体化网络在无线网等物理传输技术进行互连，主干节点和链路相对固定、传输时延较短，且链路时空的变化较小。

空天一体化网络的端到端数据传输需跨越多个异构的网络域，带宽受限、高延迟的信道环境会严重降低安全传输通道的建立、维护和数据传输过程。空天地一体化网络节点问相对位置是动态变化的，为了保证终端节点之间通过卫星或邻近空间网络进行不问断的通信，必须使用安全切换机制用以提供无缝网络接人服务。空天地一体化网络由天基、空基和地基网络组成，其中天基网络由卫星星座网络构成，与地面网络节点通信链路延迟大。由于天地一体化网络涉及天基骨干节点(高轨)、天基接入节点(低轨)、地基节点，这些节点间存在相对运动，网络拓扑是一个动态变化的过程。面向连接的路由中大致可以分为两类：基于虚拟拓扑的路由算法和基于切换策略的路由算法。基于虚拟拓扑的路由算法其基本思想是充分利用卫星运转的周期性和可预测性，将整个卫星星座运行的周期划分为若干个连续的时间片，每个时间片对应一个虚拟的固定拓扑结构，这些虚拟拓扑结构按照时间的顺序串联起来就能够模拟低轨卫星网络动态拓扑过程。这样为每个虚拟拓扑所建立的静态路由串联起来就成为一个伪动态路由。这种机制减轻了星上处理设备运算量，但是大量的静态路由表需要占据星上大量的存贮空间。这类路由技术把动态拓扑结构划分成按时间段分割的一系列连续的静态拓扑结构，在静态拓扑结构的基础上采用事先计算好的静态路由；大量的时间分段需要大量的存储空间存放路由信息；对通信流量变化、链路拥塞以及故障等实时情况适应性差。静态路由可以采用网络拓扑虚拟化结构技术，通过网络拓扑结构的虚拟化来屏蔽卫星系统拓扑结构的动态变化，从而适应天地一体化动态变化的特性。网络拓扑结构虚拟化包含时间虚拟化和空间虚拟化等两种形式。网络拓扑结构时间虚拟化是根据卫星星座运行的可预见性和周期性的特性，从时间上对卫星网络拓扑结构进行虚拟化。网络拓扑结构空间虚拟化是利用卫星星座结构特性将卫星网络划分为若干静态逻辑区域，从而在空间上对卫星网络拓扑结构进行虚拟化。网络拓扑结构时间虚拟化将卫星网络系统按一定的周期(可配置)划分为一系列时间片段。每个时间片内，认为卫星网络拓扑固定不变，即网络拓扑被看作虚拟的固定拓扑，时间片足够小，链路代价认为是固定值。拓扑变化发生在时间片之间的切换点上，这样就可以根据可预测的网络信息提前为各节点采用最短路径算法找到最优路径及备选路径。网络拓扑结构的空间虚拟化从空间上将星座覆盖区域以及星座本身进行虚拟化，分为覆盖区域的虚拟化和星座网络的虚拟化。覆盖区域虚拟化将地表划分为若干区域，每个区域分配固定的逻辑地址，逻辑地址带有地面节点的地理位置信息，在给定时刻最靠近某区域中心的卫星的逻辑地址为该区域的逻辑地址，卫星的逻辑地址根据运行过程中覆盖区域的变化动态调整。把地球表面划分为M*N个区域，这里以48颗星(6个轨道面，每个轨道面8颗卫星) 的极轨星座为例。对每个逻辑区域分别用(P，S)表示。在经度方向上将地球表面进行12 等分，从本初子午线(0°经线)开始，每隔30°一条分隔线，对P的划分。由于该星座系统中相邻轨道的卫星之间存在相位差，在划分逻辑区域时需考虑相位差的存在带来的逻辑位置更新等问题。

天地一体化网络具有拓扑持续动态变化、节点星上载荷能力有限、星间链路传输时延长、承载数据流量分布不均衡等特点，而现有地面成熟的路由发现对计算资源有较高要求，使得路由技术成为天地一体化网络需要研究的关键技术之一。空间路由器是构建天地一体化信息网络的核心设备之一。由于沙漠、山脉和海洋等自然环境因素，全球仍有近一半人口无法接入互联网。以空间路由器为核心的天地一体化网络系统将着力解决这一问题，为全球无网络覆盖区域的互联网接入提供有力支撑，为空、天、地、海的各类用户提供互联网服务。空天地一体化信息网络综合了地面、航空和航天各个系统资源，构成的一体化信息网络能够为具有不同需要的用户提供全方位的通信、广播、定位、导航等各类信息服务，是未来信息融合的手段之一。做为天基网络一部分的低轨卫星网络在传输实时和非实时业务提供 QoS保障方面具有高轨和中轨卫星具有不可比拟的优势。由于低轨卫星网络节点数目较多，而且存在相对运动，使得路由问题仍然具有很大的困难：受空间自然条件和卫星有效载荷技术的影响，如高强度的电离辐射、功耗限制等，星上处理资源和星上存储资源十分有限，且卫星发射后难以升级。这样的星上处理能力要求星载路由器所运行路由算法必须具有较低的实施复杂性(包括计算复杂性、存储复杂性和通信开销等)才能真正适用于卫星网络环境。低轨卫星绕地球高速飞行，星与星之间的相对运动导致异轨卫星间的星间链路长度持续变化，从而使星座网络拓扑产生动态变化；在某些特定时刻和特定区域，星间可视角变化导致维持轨道面间星间链路比较困难，需要暂时断开某些链路，规则的网络拓扑被打破，星座网络拓扑呈时变特性。此外，可能出现的卫星故障和星间链路间断性的通断变化也将导致网络拓扑发生变化。网络拓扑结构的这种高度动态特性将使星上路由算法链路状态收集所引入的通信开销急剧增长。由于低轨卫星网络是全球性网络，网络内部数据分布不均衡，并且由于星地之间的切换使得单条链路上的数据流量变化剧烈。目前一些以固定QoS指标(例如最小星上跳数，最小传播延时)做为优化目标的路由算法不能够很好的适应低轨卫星网络动态特性。对于承载多种业务应用的网络来说，单一的QoS指标不能够很好的反映业务的QoS需求，也不能够充分利用网络资源。目前多数的QoS路由只能够优化类似最小延时，最低成本等这类加性和乘性QoS，而对于剩余带宽这类最大最小QoS无能为力。多径路由能够充分利用网络带宽，提高网络吞吐能力，但是多径路由会造成TCP连接数据失序到达现象。此外低轨卫星网络中的星地切换也会产生数据包失序现象。

发明内容

本发明的目的是针对天地一体化网络拓扑持续动态变化、节点星上载荷能力有限、星间链路传输时延长、承载数据流量分布不均衡，现有地面成熟的路由对计算资源要求较高，为适应星基节点功率有限、计算资源受限、处理能力弱的特点，提供一种能够减少星上路由计算带来的资源消耗和星上节点路由开销，可用于天地一体化网络中满足高低轨卫星节点的数据业务传输的动静态混合路由方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于包括如下步骤：进入静态路由阶段，信关站将星基节点运动轨迹信息发送给地面运维管控中心，发起路由请求，获得星基节点运动轨迹信息；运维管控中心采用时间虚拟化路由算法，进行时间片划分、虚拟拓扑图构建和原始路由表创建，并进行相同路由表合并简化，将路由表上注至各个星基节点；星基节点响应路由请求，进行路由请求受理，在业务数据分组到来时使用已有路由表进行路由；进入动态路由阶段，星上节点受理任务后，根据静态路由表构建任务路由，获得星上载荷任务，采用静态路由表构建路由，判断发送数据分组是否成功，若分组发送失败，则采用DSR路由算法动态重构路由，进行路由表维护，若发送数据分组成功，数据分组传输完成，等待下一任务。

本发明有益效果在于：

1、本发明在静态路由阶段，采用计算处理能力较强的运维管控中心进行时间片划分，构建虚拟拓扑图，创建原始路由表，进行相同路由表合并简化，地面运维管控中心将创建的路由表并上注至各个星基节点，星基节点则在业务分组到来时使用已有路由表进行路由，必要时进行动态路由表维护，可大大减少星上节点的计算开销和处理开销。上注路由表，解决了星基节点由于功率有限、计算资源受限、处理能力弱导致在星上进行路由拓扑构建开销大的问题。

2、本发明在动态路由阶段，获得星上载荷任务，采用静态路由表构建路由，发送数据分组；若分组发送失败，则动态重构路由，进行路由表维护，数据分组传输完成，满足高低轨卫星节点的数据业务传输，等待下一任务，减少了星上路由计算带来的资源消耗，解决了天地一体化网络星基节点计算资源、处理能力有限导致的星上实时路由能力受限问题。

本发明分别采用数据包转发区域划分以及预切换的方法，避免了这两种数据包失序现象的产生。从路由的层面上，实现了对TCP协议的支持，为TCP连接提尽力供稳定有序的数据流。使用本发明所采用的方法，星上节点不必计算网络拓扑，只需采用地面运维管控中心上注的路由表，大大减少了星上节点的路由开销。

附图说明

图1为本发明天地一体化网络动静态混合路由流程示意图。

下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，进入静态路由阶段，信关站将星基节点运动轨迹信息发送给地面运维管控中心，发起路由请求，获得星基节点运动轨迹信息；运维管控中心采用时间虚拟化路由算法，进行时间片划分、虚拟拓扑图构建，原始路由表创建，并进行相同路由表合并简化，并将路由表上注至各个星基节点；星基节点响应路由请求，进行路由请求受理，在业务数据分组到来时使用已有路由表进行路由；进入动态路由阶段，星上节点受理任务后，根据静态路由表构建任务路由，获得星上载荷任务，采用静态路由表构建路由，判断发送数据分组是否成功，若分组发送失败，则采用DSR路由算法动态重构路由，进行路由表维护，若发送数据分组成功，数据分组传输完成，等待下一任务。

天地一体化网络路由包括静态路由和动态路由两部分，其中，天地一体化网络路由包括静态路由和动态路由两部分，其中，静态路由采用时间虚拟化的方法构建路由拓扑，生成路由表，合并简化形成路由表；动态路由采用DSR路由方法进行动态路由重构。

动态路由只在使用静态路由表发送数据分组失败的前提下，进行动态路由重构。

静态路由通过时间虚拟化创建包括卫星节点、地基节点d全网节点拓扑及路由表，初始化网内各个节点的联通关系；动态路由以当前时刻静态路由为先验输入，为业务构建最优路径，并维护当前数据业务路由。

具体包括如下步骤。

(1)信关站将星基节点运动轨迹信息发送给地面运维管控中心，响应路由请求；

(2)进入静态路由阶段，运维管控中心首先进行时间片划分；

(3)运维管控中心进行虚拟拓扑图构建；

(4)运维管控中心进行原始路由表创建：

(5)运维管控中心进行简化路由表创建；

(6)运维管控中心将路由表上注至星上节点；

(7)进入动态路由阶段，星上节点受理任务，根据静态路由表构建任务路由；

(8)发送数据分组，若数据分组发送失败，则进行路由表维护，转(7)，成功则转(9)；

(9)完成业务分组传输；

(10)等待下一任务。

为满足高低轨卫星节点的数据业务，动态路由采用包括距离矢量AODV(Ad-hocOn-DemandDistanceVector,AODV)、多径距离矢量路由AODMV(Ad-hocOn-DemandMultipathDistanceVector,AOMDV)、源动态路由协议DSR(DynamicSourceRouting，DSR)等类型进行按需路由请求。

AODV是Ad-hoc按需距离矢量路由协议时专门为Ad-hoc网络设计的。AODV 路由是按需路由协议同时也是逐跳路由，在AODV路由中，有路由请求(RouteRequest， RREQ)、路由应答(RREP)、路由错误(RERR)三种控制消息，其中，RREQ包中包含源节点信息、目的节点信息和路由请求识别码(RREQID)。运行该AODV协议的节点维护到达当前目的节点的路由，但是并不维护到达其他所有节点的路由。当网络中节点对需要进行通信的时候，源节点立即发起路由请求，寻找到达目的节点的路径。所以AODV具有适应链路状况的变化，处理开销和存储开销低，路由控制开销低的特点。当网络中的节点需要向另外的节点通信的时候，首先检查本节点的路由表里面是否存在到达目的节点的路由，如果本节点不存在到达目的节点的路由或者到达目的节点的路由信息已经过期，则本节点就会广播RREQ消息发起路由请求。一个节点收到RREQ分组后，根据源节点IP地址和路由请求识别码ID判断在PATH_DISCOVERY_TIME时间内是否收到相同的RREQ分组，如果相同则丢弃该RREQ分组，如果不同，则判断自己是否是目的节点，是则回复RREP消息，如果不是则查找当前节点是否存在到达目的节点的路由，如果存在则向源节点回复RREP，如果不存在则继续转发RREQ分组。中间节点收到RREP报文后，根据RREP报文中的信息跟新到达目的节点的路由；然后单播把RREP报文转发给上一跳节点，当源节点收到RREP 报文后，源节点和目的节点建立起有效的通信路径；AODV路由通过周期性的广播HELLO 消息进行路由维护，当发现当前到达目的节点的路由失效的时候，则发起局部路由修复，若局部路由修复失效，则向源节点发送RERR报文，中间节点收到RERR报文后，根据RERR 删除无效路由信息，并向上一跳转发，并在源节点收到RERR报文后，则重新发起路由请求。

按需多径距离矢量路由(AOMDV)协议是一种典型的按需多径路由，它是在 AODV协议的基础上通过获取多条无环、链路不相交或节点不相交的路径来实现多路径的。 AOMDV协议的主要思想是在路由发现过程中保存多条路径，使得在源节点和目的节点之间拥有多条可用的完整路径。按需多径距离矢量路由协议除包含路由协议中的路由寻找和路由维护两大功能外，还需要包括流量分配功能。路由寻找过程中，一般需要完成从源节点到目的节点中不相交路径的确定，而路由维护过程则与按需距离矢量路由协议类似。而流量分配过程解决的是通过多条路径完成数据包发送时的路径选择问题。移动终端在数据通信时会选择其中一条作为主路径，其余作为备份路径，如果主路径发生断裂，不会立刻发起路由重查，而是通过启用备份路径继续通信，当所有路径都失效时才会重新发起路由查找。这样可以减少不必要的资源浪费、提高路由协议的工作效率。同AODV协议一样，源节点只有在数据通信进行过程中找不到通往目的节点的路由表项才会发起路由请求过程，体现＂按需＂的思想。为了获取无环路径，AOMDV协议仍然采用AODV协议的目的序列号机制，目的节点每收到路由请求包时，都会产生一个新的目的序列号来表示路由信息的更新情况，数据传输过程尽量使用最新的路径来进行通信，并且在此基础上将原有路由表结构中的跳数项，替换为广告跳数，用来表明源节点到达目的节点的最大跳数，将原有路由表结构中＂下一跳＂项扩展为下一跳和相关的跳数，用于记录通往目的节点的多条路径。

源动态路由协议(DSR)也是专门为Ad-hoc网络设计的简单高效的路由协议。 DSR协议也是按需路由协议，但它不是逐跳转发而是采用源路由转发的方式。所谓源路由就是源节点把源到目的的完整路径信息放入要发送的数据包的IP头部，数据包转发的时候无需进行路由表查询，直接从数据包的头部获取下一跳节点进行转发。

DSR路由协议是完全按需路由，路由寻找机制和路由维护机制时完全按需操作。DSR路由协议不使用任何周期性路由广播报文、周期性链路探测报文以及周期性邻接点探测报文。

路由寻找机制：当源节点S希望和目的节点D进行通信的时候，使用路由寻找机制获取到达目的节点D的源路由，而且只有在当前源节点S并不知道到达目的节点的路由的时候才发起路由寻找机制。

路由维护机制：只有在源节点和目的节点正在通信的时候，源节点才使用路由维护机制维护当前这条源路由。所以，DSR路由协议路由开销、控制开销、处理开销都非常小，是一个简单而高效的路由协议。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于包括如下步骤：进入静态路由阶段，信关站将星基节点运动轨迹信息发送给地面运维管控中心，发起路由请求，获得星基节点运动轨迹信息；运维管控中心采用时间虚拟化路由算法，进行时间片划分、虚拟拓扑图构建和原始路由表创建，并进行相同路由表合并简化，将路由表上注至各个星基节点；星基节点响应路由请求，进行路由请求受理，在业务数据分组到来时使用已有路由表进行路由；进入动态路由阶段，星上节点受理任务后，根据静态路由表构建任务路由，获得星上载荷任务，采用静态路由表构建路由，判断发送数据分组是否成功，若分组发送失败，则采用DSR路由算法动态重构路由，进行路由表维护，若发送数据分组成功，数据分组传输完成，等待下一任务。

2.根据权利要求1所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于，天地一体化网络路由包括静态路由和动态路由两部分，其中，静态路由采用时间虚拟化的方法构建路由拓扑，生成路由表，合并简化形成路由表；动态路由采用DSR路由方法进行动态路由重构；动态路由只在使用静态路由表发送数据分组失败的前提下，进行动态路由重构。

3.根据权利要求1所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于：静态路由通过时间虚拟化创建包括卫星节点、地基节点的全网节点拓扑及路由表，初始化网内各个节点的联通关系；动态路由以当前时刻静态路由为先验输入，为业务构建最优路径，并维护当前数据业务路由。

4.根据权利要求1所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于，为满足高低轨卫星节点的数据业务，动态路由采用包括距离矢量AODV、多径距离矢量路由AODMV、源动态路由协议DSR进行按需路由请求。

5.根据权利要求4所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于，在AODV路由中，有路由请求(RouteRequest，RREQ)、路由应答RREP、路由错误RERR三种控制消息，其中，RREQ包中包含源节点信息、目的节点信息和路由请求识别码(RREQID)。

6.根据权利要求1所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于，当网络中节点对需要进行通信的时候，源节点立即发起路由请求，寻找到达目的节点的路径；当网络中的节点需要向另外的节点通信的时候，首先检查本节点的路由表里面是否存在到达目的节点的路由，如果本节点不存在到达目的节点的路由或者到达目的节点的路由信息已经过期，则本节点就广播RREQ消息发起路由请求。

7.根据权利要求6所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于，一个节点收到路由应答RREQ分组后，运维管控中心根据源节点IP地址和路由请求识别码ID判断在PATH_DISCOVERY_TIME时间内是否收到相同的路由应答RREQ分组，如果相同则丢弃该RREQ分组，如果不同，则判断自己是否是目的节点，是则回复RREP消息，如果不是则查找当前节点是否存在到达目的节点的路由，若存在，则向源节点回复RREP，如果不存在，则继续转发RREQ分组。

8.根据权利要求7所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于，当源节点收到RREP报文后，源节点和目的节点建立起有效的通信路径；AODV路由通过周期性的广播HELLO消息进行路由维护，当发现当前到达目的节点的路由失效的时候，则发起局部路由修复，若局部路由修复失效，则向源节点发送RERR报文，中间节点收到RERR报文后，根据RERR删除无效路由信息，并向上一跳转发，并在源节点收到RERR报文后，则重新发起路由请求。

9.根据权利要求7所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于，为了获取无环路径，AOMDV协议仍然采用AODV协议的目的序列号机制，目的节点每收到路由请求包时，产生一个新的目的序列号来表示路由信息的更新情况，数据传输过程使用最新的路径来进行通信，并且在此基础上将原有路由表结构中的跳数项；替换为广告跳数，用来表明源节点到达目的节点的最大跳数，将原有路由表结构中＂下一跳＂项扩展为下一跳和相关的跳数，用于记录通往目的节点的多条路径。

10.根据权利要求9所述的天地一体化网络动静态混合路由方法，其特征在于，当源节点S希望和目的节点D进行通信的时候，运维管控中心使用路由寻找机制获取到达目的节点D的源路由，而且只有在当前源节点S并不知道到达目的节点的路由的时候才发起路由寻找机制。