CN111526090B - 一种天地一体化信息网络的路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于通信网络技术改进领域，提供一种天地一体化信息网络的路由方法，包括：S1、天基网络基于时延的分布式自适应卫星路由算法；S2、地基网络基于双曲几何的贪婪路由策略，将网络拓扑映射到双曲空间，模拟网络生长逐步建立互联网的路由算法；S3、基于天基网络和地基网络在网络架构与设备性能等方面存在的差异，针对不同的应用场景灵活设计的天‑天、天‑地、地‑地设备之间的融合路由方案。该方法具有很低的空间和时间复杂度，能有效适应星上存储空间不足以及运算能力不足的环境。通过将地面网络拓扑嵌入双曲空间，并对网络域进行分层，有效解决了转发表规模指数膨胀问题，优化转发策略并提高了路由成功率，支持海量级网络标识空间。

Description

一种天地一体化信息网络的路由方法
技术领域
本发明属于通信网络技术改进领域，尤其涉及一种天地一体化信息网络的路由方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，人类由工业社会向信息社会迈进，与此同时，航天技术的飞跃也使太空成为各国战略部署的关键领域，人类不再仅仅将卫星发射至空间来执行单一任务，而是朝着网络化综合服务方向发展。地面偏远地区、海洋、空中等全球范围的互联网服务需求逐年增长，能够满足通信范围覆盖全球的天地一体化信息网络（Space-Terrestrial Integrated Networks, STINs）作为未来网络的发展趋势，引起了各个国家的广泛关注。
国内外关于天地一体化信息网络的相应技术研究已开展多年，实际应用投入巨大。美国国防部在2000年提出了全球信息栅栏项目（Global Information Grid, GIG），主要由地面层，航空航天层，近空间层和卫星层四层组成，是通信网络，传感器网络和运营网络的集成，目标是实现全球无缝通信以及信息资源共享，并预计在2020年实现端到端的无缝连接。之后，美国、英国以及欧洲各国都相继研发和发射了星座系统，如地球静止轨道（GEO）卫星系统变换卫星（TSAT），以及非地球静止轨道（NGEO）系统，如铱星（Iridium）、GlobalStar、OneWeb、SpaceX的星链（StarLink）计划等。目前，我国有近百颗在轨运行的空间飞行器，涵盖了导航、遥感、深空探测、载人航天等多个领域，“天地一体化信息网络”作为《“十三五”国家科技创新计划》的重大工程项目，其研究对于我国在未来全球网络空间的主权地位具有重大战略意义。
天基网络的覆盖范围极广，对于地面系统难以覆盖的偏远山区、沙漠、海洋、空中等地区的通信具有明显优势。由于人类大部分的活动仍以地面为主，因此各类卫星系统的研究与应用始终要与地面紧密结合。天地一体化信息网络的发展方向就是通过天基网络与地面网络的融合，实现海、陆、空各类用户之间信息的高效传输与共享。
天地一体化信息网络的建设面临着诸多挑战，包括合理的网络体系架构的设计、星座轨道的设计、组网技术、传输技术、网络管理与安全技术等。组网技术是实现处在天基部分的卫星网络与地面互联网异构互联的基础，而其中的路由问题就是建设有效的天地一体化信息网络所面临的关键挑战之一。
由于天基、空基、地基网络的高度异构，传统地面网络路由技术不能很好地适应天地一体化信息网络各个层面的特点。天基部分的卫星网络主要由同步轨道卫星（Geostationary Earth Orbit，GEO）、中轨道卫星（Medium Earth Orbit，MEO）和低轨道卫星（Low Earth Orbit，LEO）组成。其中，各类卫星系统具有不同的运动规律。同步轨道卫星距离地面35786km，与地球保持相对静止，一颗同步轨道卫星的覆盖面积约等于三分之一的地球表面积，覆盖范围十分广泛，但由于同步轨道卫星的轨道高度很高，卫星信号在空间的传播时间过长，且易受到干扰，无法满足实时通信的需求。中轨道卫星和低轨道卫星距离地面的高度低于同步轨道卫星，数据传输时延小，可满足实时通信，但由于其轨道高度较低，一颗中轨道卫星或低轨道卫星对地球表面的覆盖面积较小，且卫星围绕地球的运行速度远远大于地球自转速度，无法和地球保持相对静止，使得地面终端设备无法长时间与空间卫星保持联系，有可能导致通信中断，因此需要根据通信需求设置多颗卫星并进行组网来达到通信范围全球覆盖的目的。卫星网络的结构导致其拓扑动态性强，且星载能力有限，空间链路结构复杂，信息传输的损耗、误码率、时延、速率都会受到影响，若直接套用传统的路由方法，会面临链路状态变化通告频繁、路由重计算开销大、路由收敛缓慢、路径所提供的服务质量难以满足要求等问题。因此，需要根据天基、空基、地基的不同特点设计适合天地一体化信息网络的路由方案。
天地一体化信息网络中业务种类繁多，传统路由方案通常在网络内运行路由协议以获取网络节点和链路的状态，从而得到整个网络拓扑信息并计算出整个网络的最优路径信息，建立全网的路由表。这种方式需要处理大规模的路由表和庞大的数据转发量，随着网络规模的迅速增长，路由表项数一直处于急剧膨胀的状态，使得网络建设不得不投入大量成本解决巨量路由表项引发的各种问题，严重影响了天地一体化信息网络的性能和稳定性。除此之外，由于天地一体化信息网络的空间环境较为复杂，空间内的节点和链路并不是一成不变的，例如卫星节点和链路存在一定的故障可能性，以及卫星、无人机等空间节点的动态性，会导致上层空间网络的拓扑结构不断变化。在发生此类状况时，传统的路由方案缺乏自适应能力，需要将拓扑变化信息通告给全网节点，重新计算最佳路由路径，导致了大量的路由开销，而天地一体化信息网络需要高效、稳健、快速、精准的完成空间信息传输任务，以保障各种通信需求。因此，需要设计一种高效鲁棒且具有自适应能力的天地一体化信息网络的路由策略。
综上所述，在通信业务日益多样化的背景下，结合天地一体化信息网络各层的特点，研究切实可行、可扩展的天地一体化路由方案，有效利用空间网络资源，提供高效、鲁棒的数据传输服务，是当前天地一体化网络建设亟待解决的问题。
基于时延或者地理位置信息的分布式路由算法是移动自组织网络（mobile ad-hoc network，MANET）的热门方向。然而，由于移动自组织网络与天地一体化信息网络的结构并不完全相同，现有的大多数移动自组织网络中的路由算法不能直接应用于卫星网络，需要对其进行进一步的改进，使其适应于天地一体化信息网络的各种特性。由于卫星网络的动态拓扑呈现周期性和可预测性，这使它区别于自组织网络、传感器网络等动态网络，在路由计算时考虑空间传输的时延，并充分利用卫星周期性运动中可预测的地理位置信息，有利于设计星载轻量的分布式自适应卫星网络路由方案。
随着天地一体化信息网络规模的扩展，路由转发表规模的急剧膨胀是目前面临的严峻挑战之一，引入双曲坐标作为一种标识信息，指引地面网络的路由，可以有效解决转发表规模指数膨胀问题，优化转发策略并提高路由成功率。
双曲路由的思想来源于以下事实：计算机网络具有无标度性，即节点的度数分布服从幂定律。在无标度网络中，大多数节点仅和少数节点相连接，而有极少数节点存在非常高的连接数，网络拓扑中两个节点的连接概率与期望度数k和k'呈正相关关系。由于两个节点的相连概率具有和牛顿万有引力定律相近似的形式，人们从爱因斯坦的思想中得到启发，将每个节点的期望连接度数视作节点的重量，而重量会造成空间的弯曲，通过这种方式，就可以将节点的期望度数以几何量的方式进行对待。为此，将计算机网络映射到曲率非0的空间上，不但可以更深刻地揭露网络的本质特征，还可以为基于距离的路由策略打下理论基础。
双曲路由采用简单的贪婪策略，依赖很少的路由信息，当前节点仅需计算每个邻居节点和目的地节点之间的双曲距离，并优先选择距离最小者进行转发。在欧几里得空间进行复杂网络的贪婪嵌入需要很高的维度，网络嵌入和距离计算相对复杂，而在双曲嵌入网络中，一个双曲平面就可以嵌入任意规模和节点度的网络拓扑，不需要降维嵌入和高维度计算。双曲坐标为可以为贪婪路由提供较高的路由成功率，理论上良好的网络双曲嵌入可以使得路由成功率达到100%。对于无标度网络，基于双曲坐标的贪婪路由选路结果接近最优路由路径。现阶段主流的双曲嵌入算法是2015年Papadopoulos等人在“NetworkMapping by Replaying Hyperbolic Growth”一文中提出的HyperMap算法，该算法可以将任意网络拓扑嵌入到双曲空间中，计算出映射后节点的双曲坐标，但其双曲嵌入过程的计算复杂度较高，为O(n^3)。2018年，Bläsius等人在“Efficient Embedding of Scale-FreeGraphs in the Hyperbolic Plane”一文中对HyperMap算法的最大似然估计计算过程进行了改进，将双曲嵌入的计算复杂度降低至线性。
相比于基于链路状态的路由协议，将双曲路由应用于天地一体化信息网络的地基网络可以获得如下优势：
（1）双曲路由不需要依赖路由表，仅需知晓邻居节点和目的地节点的相关信息，因而有效解决了转发表指数膨胀的问题。
（2）将网络拓扑映射到双曲空间的过程模拟了网络生长的过程，更加符合现实世界互联网拓扑逐步建立的本质，并且映射后的节点坐标较少受到网络规模扩展的影响，具有良好的稳定性。
（3）通过赋予信关站双曲坐标和记录其地理位置信息，可以有效实现天基网络路由与地基网络路由之间的切换。
在军事方面，天地一体化信息网络作为各国战略发展关注的热门领域，是未来网络空间安全的核心要塞，对国防安全至关重要。天地一体化网络通过星地、星间链路将天、空、地多维的节点与通讯服务平台紧密结合，充分利用网络中的各种资源，为军事作战提供一体化的侦查、对抗、导航、作战指挥等各类服务。基于时延和双曲几何的天地一体化信息网络路由方法具有稳健性和有效性，保障天地一体化信息网络的实时、稳定的信息传输，有助于提高整体作战效能，掌握战场信息主动权。
在民事方面，天地一体化信息网络能满足各种通信服务需求，可以广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、地理测绘、森林防火、电力调度、抢险救灾、紧急救援等多个领域，服务人类生产生活的方方面面。基于时延和双曲几何的天地一体化信息网络路由方法充分适应网络的动态性，有效保障路由成功率，并能良好的满足实时通信的需求，有助于向社会提供全方位的信息服务支持。
2019年杨增印等人面向天地一体化信息网络，在传统边界网关协议BGP的基础上提出了一种网络拓扑解耦的天地一体化信息网络边界网关协议NTD-BGP（NetworkTopology Decoupled Border Gateway Protocol），屏蔽了空间网络高动态性的影响。该协议利 用卫星运动的规律性，将空间网络物理链路与BGP邻居关系和路由更新的映射关系进行解耦。首先，NTD-BGP采用独立于物理链路变化的回环地址建立边界路由器间的BGP邻居关系，并根据物理链路变化的预测信息实时更新BGP邻居关系的传输 路径，保持域间邻居关系持续不变；其次，NTD-BGP引入主动路由更新模块，利用物理链路变化的预测信息主动修改BGP路由信息，实现快速路由更新。
NTD-BGP利用回环地址建立BGP邻居关系，有效避免了域间邻居关系的标识随物理链路切换而改变，为后续协议设计提供了基础。同时，NTD-BGP不影响回环地址被路由器内的其他程序所使用，保证了NTD-BGP的兼容性。对于IPv6路由器，虚接口支持多个回环地址配置，天然地保证了NTD-BGP的兼容性。对于IPv4路由器，NTD-BGP将回环地址的默认地址修改为全局地址，此时，其他程序可直接使用全局地址或以默认域名“localhost"的方式使用回环地址。甚至可以通过创建虚拟网卡的方式在路由器上保留一个回环地址的默认地址。
NTD-BGP路由更新机制通过引入域间拓扑路由表的方式，实现了邻居关系传输的更新以及快速路由更新。由于域间拓扑路由表中记录的是到达邻居边界路由器的路由信息而非邻居边界路由器宣告路由前缀的路由信息，开销是很小的，大小主要跟边界路由器数量成正比，一个边界路由器对应一个表项。该方案有效降低了对卫星计算能力和存储能力的要求，并能减少卫星上的能源消耗，延长卫星的使用寿命。
另外，当物理链路变化预测失败时，NTD-BGP可像传统BGP一样工作，即断开并重建BGP邻居关系，并触发传统 BGP路由更新。
上述方法也存在一定的问题。随着网络规模的增加，NTD-BGP的信息存储开销呈线性增加，该方法并没有利用卫星运动的周期性导致的边界路由器间链路连接关系变化的重复规律，致使卫星上的信息存储较高，路由收敛时间较长，不具备较好的扩展性。
2015年黄谷客分析了国内外天地一体化网络设计的发展概况，提出了天地一体化网络分层路由协议模型，利用复合四叉树对天地一体化网络中各节点进行统一编址来减少存储开销。为了提高贪婪-复合四叉树路由的可靠性和健壮性，对复合四叉树进行了详细的分析与研究。另一方面，由于节点的移动性，网络中会产生大量额外的通信开销，因此根据复合四叉树的特点设计了基于固定节点复合四叉树位置服务。
该贪婪-复合四叉树路由算法的优点主要包括：
（1）保证端到端路由。算法采用的复合四叉树结构的冗余性决定了节点之间的可靠路由。由于复合四叉树网络的连通性，网络内的所有节点包括地面移动节点、海上节点、空中飞行器节点以及卫星节点都存在于复合四叉树结构中，通过树上路由能够保证找到目的节点。
（2）抗毁性强。由于在复合四叉树结构中存在冗余，假如某个中间节点失效，与之连接的父节点以及子节点可能会存在另外一条链路连接，不至于对整个四叉树网络产生毁灭性的影响。所以贪婪-复合四叉树路由算法具有很强的抗毁性。由于天地一体化网络具有复杂的环境，需要具有强抗毁性的路由算法来保证端到端传输，所以该协议适用于天地一体化网络的复杂环境。
（3）充分利用底层链路，负载均衡。天地一体化网络复合四叉树由地面移动网络复合四叉树以及空间卫星网络复合四叉树共同组成。由于卫星网络的通信距离远、覆盖范围广，形成对地面移动网络的完整覆盖，空间卫星网络复合四叉树处于地面移动网络复合四叉树之上，也就是说地面移动网络复合四叉树处在空天地一体化网络复合四叉树的底层，空间卫星网络复合四叉树处在顶层。空间卫星具有通信时延长的缺点正好可以通过地面移动网络节点实时通信的特点来弥补。地面移动节点在算法的第二个阶段即复合四叉树路由，根据树上距离寻找到目的节点最近的邻居节点，处于相同等级的地面移动节点比上层卫星节点更优先作为下一跳节点。因此，更多的通信流量消耗在底层链路，只有底层节点不存在连通链路的情况下才会通过上层卫星链路进行路由，有着很好的负载均衡。
上述方法也存在着一定的问题。首先，如果对象在空间区域内分布密度不均，过多地集中在区域的某个部分而其他部分分布较少甚至没有，那么将导致生成的四叉树左右分支不均衡，从而导致急剧下降的查询效率。其次，该方案需要预先计算好卫星的位置，并需要周期性进行四叉树的划分构建复合四叉树结构，当节点移动速度偏快时，则需要频繁进行四叉树划分及编址，从而造成较大的计算开销。
1.F. Papadopoulos, C. Psomas and D. Krioukov, "Network Mapping byReplaying Hyperbolic Growth," in IEEE/ACM Transactions on Networking, vol.23, no. 1, pp. 198-211, Feb. 2015, doi: 10.1109/TNET.2013.2294052。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天地一体化信息网络的路由方法，旨在解决天地之间的信息传输距离较远，会带来传输时延大、误码率高、传输损耗大的技术问题。
本发明是这样实现的，一种天地一体化信息网络的路由方法，所述天地一体化信息网络由异构的天基网络、空基网络、地基网络组成，所述天地一体化信息网络的路由方法包括以下步骤：
S1、天基网络基于时延的分布式自适应卫星路由算法；
S2、地基网络基于双曲几何的贪婪路由策略，将网络拓扑映射到双曲空间，模拟网络生长逐步建立互联网的路由算法；
S3、基于天基网络和地基网络在网络架构与设备性能等方面存在的差异，针对不同的应用场景灵活设计的天-天、天-地、地-地设备之间的融合路由方案。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤S1中还包括以下步骤：
S11、通过计算每个候选下一跳的传播时延和队列时延，得到选择每个下一跳的概率并按照获取的概率转发数据包。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤S1中当天基网络在负载低、状态良好时，天基网络设备之间数据传输优先通过天基网络进行；当天基网络负载过高、链路状态失效时，数据被下发到信关站，由地基网络进行中继。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤S1中在天基网络设备中卫星节点收到数据分组时，判断其标识类型，如是拉取语义标识（如NDN，Named Data Networking）的兴趣包，则在CS（Content Store，内容缓存库）中查找兴趣包，如查到，则直接反馈数据包；如未查到，则查找PIT（Pending Interest Table，待定兴趣表），如查到，则在表项增加查到的接口信息，如未查到，则在PIT中新增该表项，接着按正常路由流程处理；如是拉取语义标识的数据包，则在PIT中的接口信息转发，若找不到则丢弃；如是推送语义标识（如IPv4，IPv6），则直接按正常路由流程处理。
本发明的进一步技术方案是：所述正常路由流程包括以下步骤：
S31、从数据分组的包头中取出目的地址
Figure 239041DEST_PATH_IMAGE001
和地理位置信息，判断目的设备是 否位于本地的接入信息表
Figure 779350DEST_PATH_IMAGE002
（Access information table）中，若存在，则把分组转发给 对应的设备，否则执行步骤S32；
S32、判断目的设备是否位于
Figure 683721DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 705029DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 644035DEST_PATH_IMAGE005
或
Figure 925604DEST_PATH_IMAGE006
中，若存在，则把数据分组转发 给对应方向的卫星设备，否则执行步骤S33；
S33、判断数据分组的负载过高标志位
Figure 317271DEST_PATH_IMAGE007
，如果标志位置1且自身连接地面信关 站，则将分组下发到信关站；若数量为多个，选择负载最低的节点，将分组转发给邻居节点； 否则选择负载最低的邻居节点进行转发；
S34、根据地理位置信息，步骤S11判断下一跳的个数N，若个数为1，则执行步骤S35，若个数为2，则执行步骤S36；
S35、判断下一跳节点的缓冲队列负载
Figure 142270DEST_PATH_IMAGE008
，若高于设定的阈值
Figure 935782DEST_PATH_IMAGE009
，若将分组的负载过 高标志位置1，则执行步骤S33；若下一跳负载不高，则将数据分组发向下一跳；
S36、判断两个节点的缓冲队列负载
Figure 286736DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 431278DEST_PATH_IMAGE011
，若
Figure 794389DEST_PATH_IMAGE012
，则将分组的负载过高标 志位置1，则执行步骤S33；若
Figure 176828DEST_PATH_IMAGE013
，将数据包发向
Figure 229842DEST_PATH_IMAGE011
所在节点；若
Figure 330522DEST_PATH_IMAGE014
，则根 据S11中得的概率选择节点，向其发送数据包；
为了实现卫星网络基于地理位置信息的分布式路由，每个卫星建立接入信息表 （Access information table）和状态信息表（Status information table）。在接入信息表 中，表项
Figure 966165DEST_PATH_IMAGE015
记录与当前卫星相连接的用户和信关站信息，表项
Figure 734269DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 427025DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 15002DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 454335DEST_PATH_IMAGE019
分别 记录当前卫星上、下、左、右方向卫星连接的用户和信关站信息。在状态信息表中，表项
Figure 811367DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 442069DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 750297DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 491857DEST_PATH_IMAGE023
分别记录当前卫星上、下、左、右方向卫星的链路状态、缓冲队列数据包的 大小
Figure 204860DEST_PATH_IMAGE024
、缓冲队列负载
Figure 6463DEST_PATH_IMAGE025
和信道衰减系数
Figure 801987DEST_PATH_IMAGE026
。
本发明的进一步技术方案是：所述地基网络的标识空间将网络域划分为多个层级，并将各层级域的网络拓扑分别映射到双曲空间，每个域节点的边界路由器均被分配一个双曲坐标作为该域节点的双曲标识。
本发明的进一步技术方案是：在地基网络中通过HyperMap[1]算法，计算出映射后 节点的双曲坐标
Figure 81659DEST_PATH_IMAGE027
。
本发明的进一步技术方案是：在地基网络域间基于双曲标识的贪婪路由包括以下步骤：
S21、假设源节点的双曲坐标为
Figure 914748DEST_PATH_IMAGE028
，目的节点的双曲坐标为
Figure 887252DEST_PATH_IMAGE029
，将目的节点 的双曲坐标封装在报文中，由源节点经由各中间节点进行转发；
S22、中间节点收到此报文后，根据双曲距离公式
Figure 671537DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 253435DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 173987DEST_PATH_IMAGE032
，计算中间节点的各个邻居节点
Figure 818857DEST_PATH_IMAGE033
到目的节点
Figure 90438DEST_PATH_IMAGE029
的双曲距离，选择距离目的节点最近的邻居节点作为下一跳，将报文转发给该邻居 节点，使得报文最终到达目的节点
Figure 476027DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 251085DEST_PATH_IMAGE034
为两个节点的角距离。
天地一体化路由总体可以分为天-天路由、天-地路由、地-天路由和地-地路由。①天-天路由是指直接连接到卫星网络的设备之间发送的数据分组的路由；②天-地路由是指卫星网络设备给地面网络设备发送数据分组的路由；③地-天路由是指地面网络设备给卫星网络设备发送数据分组的路由；④地-地路由是指接连接到卫星网络的设备之间发送的数据分组的路由。
在天-天路由中，通信的建立过程为：发送方通过接收方的身份标识向地面解析系统查得接收方的北斗地空标识，将该北斗地空标识作为数据分组的目的地址，随后向网络中发送该分组，在天基网络状态良好的情况下，分组通过天基网络到达接收方接入的卫星，否则下发到地面网络进行中继，最后分组到达接收方。
在天-地路由中，通信的建立过程为：发送方通过接收方的身份标识向地面解析系统查得接收方的双曲坐标标识，随后发送方通过本地计算附近几个信关站到达接收方的双曲距离，选择距离最小的信关站作为下发分组的目的信关站，到达地面网络后各中间节点通过计算邻居节点到目的节的双曲距离，选择距离目的节点最近的邻居节点作为下一跳，到达接收方所属最低层次自治域后通过域内路由到达接收方。
在地-天路由中，通信的建立过程为：发送方通过接收方的身份标识向解析系统查得接收方的北斗地空标识和负责接收方所在区域数据传输的一个或多个信关站的双曲坐标标识，然后通过本地计算，选择距离最小的信关站作为上发数据分组的目的信关站，通过双曲路由的方式到达信关站后数据分组被上发到天基网络，随后网络通过接收方北斗标识进行路由到达其接入的卫星，最后下发分组到接收方。
在地-地路由中，通信的建立过程为：发送方通过接收方的身份标识向解析系统查得接收方的双曲坐标，如果是跨域通信，则将分组通过域内路由至边界路由器后，通过双曲路由的方式到达接收方所属最低层次自治域后通过域内路由到达接收方；如果是域内通信，直接通过域内路由协议进行路由。
本发明的有益效果是：面向天地一体化信息网络的基于时延和双曲几何的路由方法，可以完成天基网络、空基网络、地基网络三层异构网络之间的实时通讯。利用卫星网络拓扑可预测的周期性地理位置信息，基于空间传输时延设计分布式自适应卫星网络路由算法，最小化路由方案的计算复杂度和丢包率，降低了数据传输的时延并缓解了数据报过多情况下的网络拥塞可能性，可以有效适应星上存储空间不足以及计算能力不足的环境，平衡网络负载。将地面网络拓扑嵌入双曲空间，并对网络域进行分层，有效解决了转发表规模指数膨胀问题，优化转发策略并提高了路由成功率，支持海量级网络标识空间。
使天地一体化信息网络的路由不依赖于网络拓扑全局信息进行分发和调度，并且可以很好地适应动态变化的空间环境。基于时延在卫星网络分布式自适应路由，每颗卫星节点只需要存储相连的一到三颗卫星的有关用户的信息，不需要存储大量的与拓扑相关的路由表项，使内存和信号开销大大降低。另外，将地面网络拓扑映射到双曲空间的过程模拟了网络生长的过程，更加符合现实世界互联网拓扑逐步建立的本质，并且映射后的节点坐标较少受到网络规模扩展的影响，具有良好的稳定性。在对网络进行双曲嵌入后，网络拓扑中的每个节点均被赋予了双曲坐标，基于双曲坐标可以计算出任意两点的双曲距离。双曲路由采用简单的贪婪策略，依赖很少的路由信息，当前节点仅需计算每个邻居节点和目的地节点之间的双曲距离，并优先选择距离最小者进行转发，有效节约了数据存储空间并降低了路由查找开销，因此提供了一种可扩展的路由方案。
附图说明
图1是本发明实施例提供的北极方向极轨道星座示意图。
图2是本发明实施例提供的卫星路由算法流程图。
图3是本发明实施例提供的双曲路由在庞加莱圆盘的体现示意图。
图4是本发明实施例提供的天地融合路由示意图。
具体实施方式
天地一体化信息网络由异构的天基网络、空基网络、地基网络组成，拓扑结构具有高度动态性。由于天地之间的信息传输距离较远，会带来传输时延大、误码率高、传输损耗大等问题，对天地一体化信息网络的有效路由带来了巨大的挑战。原有的传统路由技术不能良好的适应天地一体化信息网络的不同层次需求，随着网络规模的不断扩张，指数型增长的路由表项也引发了一系列问题，影响着天地一体化信息网络的性能与稳定。
本发明技术针对天地一体化信息网络架构各层的特点，基于时延和双曲几何，提出了一种面向天地一体化信息网络的路由方案，可以满足天基、空基、地基各层的业务需求。一方面，面向卫星网络可预测的周期性拓扑变化，本发明技术提出基于时延的分布式自适应卫星网络路由算法，最小化计算复杂性和丢包概率，同时基于时延的自适应路由在一定程度上可以减少数据包传输的时延以及降低在数据包过多的情况出现拥塞的可能性，该算法具有很低的空间和时间复杂度，能有效适应星上存储空间不足以及运算能力不足的环境，并且通过通知机制来实施概率路由方案以平衡网络流量负载。另一方面，通过将地面网络拓扑嵌入到双曲空间，本发明技术有效解决了转发表指数规模增长的问题，并具有较高的路由成功率。总体上讲，本发明技术具备高扩展性并能自适应天地一体化信息网络动态变化的网络拓扑，解决了不同层面节点信息传输的路由寻址问题，大大节省了路由表存储开销，具有星载轻量和低时延等特点。
本发明技术给出了天基网络和地基网络的路由算法，采用天地协同的思想解决了天基设备和地基设备之间的通信问题，支持推送语义（如NDN，Named Data Networking）、拉取语义（如IPv4、IPv6）等多种标识的路由，可以完成不同标识数据包的路径选择和转发。
本发明技术在天基网络中采用基于时延的分布式自适应卫星路由算法，通过计算每个候选下一跳的传播时延和队列时延，得到选择每个下一跳的概率，然后按照概率转发数据包。另外，在天基网络负载低、状态良好的情况下，天基网络设备之间的数据传输优先通过天基网络进行；当天基网络出现负载过高、链路状态失效的情况，数据会被下发到信关站，由地基网络进行中继，因此具有自适应的性质。该算法在一定程度上减少了数据包传输的时延，降低了网络出现拥塞的可能性，并且给出了拥塞出现时的解决方案。
本发明技术在地基网络中采用基于双曲几何的贪婪路由策略，不仅有效解决了转发表指数膨胀的问题，而且由于将网络拓扑映射到双曲空间的过程模拟了网络生长的过程，更加符合现实世界互联网拓扑逐步建立的本质，映射后的节点坐标也会较少受到网络规模扩展的影响，具有良好的稳定性。
本发明技术中的天基网络路由策略面向极轨道星座系统。极轨道星座系统中，所有卫星轨道均为极轨道，每个轨道面的星座参数和卫星数目均相同，且各轨道面上的卫星均匀分布。每颗卫星具有4条星间链路，两条用来与同轨道平面的前后卫星相连，两条用来与相邻轨道的左右卫星相连。
图1为从北极方向看的极轨道星座示意图，缝隙左侧卫星均由南向北运动，缝隙右侧卫星均由北向南运动。由于缝隙两侧的卫星运动方向相反，因此缝隙也被称为反向缝。由于反向缝两侧的卫星处于高速运动中，因此反向缝所在两侧卫星难以建立可靠的星间链路。当卫星运动到极地区域时，相邻轨道间的星间距离将急剧减少，卫星天线将难以校准，导致无法建立可靠的星间链路。
为了实现卫星网络基于地理位置信息的分布式路由，本发明技术要求每个卫星建 立接入信息表（Access information table）和状态信息表（Status information table）。 在接入信息表中，如表1所示，表项
Figure 299812DEST_PATH_IMAGE002
记录与当前卫星相连接的用户和信关站信息，表项
Figure 560154DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 719740DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 136857DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 356485DEST_PATH_IMAGE006
分别记录当前卫星上、下、左、右方向卫星连接的用户和信关站信息。 在状态信息表中，如表2所示，表项
Figure 337080DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 67401DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 551472DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 440537DEST_PATH_IMAGE039
分别记录当前卫星上、下、左、右方 向卫星的链路状态、缓冲队列数据包的大小
Figure 642848DEST_PATH_IMAGE040
、缓冲队列负载
Figure 675395DEST_PATH_IMAGE008
和信道衰减系数
Figure 781017DEST_PATH_IMAGE041
。
表1 卫星节点接入信息表
Figure 342448DEST_PATH_IMAGE042
表2 卫星节点状态信息表
Figure 796170DEST_PATH_IMAGE043
本算法设计了如下的通知机制：每个卫星节点定期向邻居节点发送通知消息，该 消息包括当前卫星的接入信息表
Figure 632407DEST_PATH_IMAGE044
、缓冲队列中数据包的大小
Figure 91071DEST_PATH_IMAGE040
、缓冲队列的负载
Figure 590447DEST_PATH_IMAGE008
和信 道衰减系数
Figure 767351DEST_PATH_IMAGE045
。
根据当前卫星节点和目的卫星节点所在的轨道和轨道内位置的不同，候选下一跳 的数量通常为一个或两个。如果候选下一跳只有一个，则此节点为下一跳的概率为
Figure 374656DEST_PATH_IMAGE046
。 如果有两个候选下一跳，我们就应该计算选择下一跳的概率。假设从当前节点出发，面临着 垂直方向和水平方向的下一跳的选择，而两跳后的路径完全重合，则概率的计算只考虑后 两跳的延迟情况。设垂直方向的下一跳为
Figure 953405DEST_PATH_IMAGE047
，水平方向的下一跳为
Figure 856639DEST_PATH_IMAGE048
，则下一跳的概率与 从当前节点出发，分别经由
Figure 287883DEST_PATH_IMAGE047
和
Figure 934765DEST_PATH_IMAGE048
到达第二跳的节点的两条路径的总延迟成反比。总延迟 为传播时延和队列时延之和，其计算公式为：
Figure 866555DEST_PATH_IMAGE049
作为分布式算法，概率的计算忽略其他卫星节点上的队列延迟。选择垂直方向下 一跳的概率
Figure 940690DEST_PATH_IMAGE050
和水平方向下一跳的概率
Figure 826607DEST_PATH_IMAGE051
通过以下方程式求得：
Figure 778645DEST_PATH_IMAGE052
其中
Figure 66406DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 809978DEST_PATH_IMAGE054
指的是传播延迟和队列延迟。设R, H和c为地球半径，轨道高度和光的 传播速度，N为一个轨道内的卫星数量，M为卫星轨道的数量。同一个轨道的相邻卫星之间的 传播延迟的计算如下式：
Figure 448770DEST_PATH_IMAGE055
设
Figure 437454DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 81188DEST_PATH_IMAGE047
的纬度是
Figure 762705DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure 623213DEST_PATH_IMAGE057
，则从当前节点到
Figure 914124DEST_PATH_IMAGE048
和从
Figure 910899DEST_PATH_IMAGE047
到第二跳的节点的轨道 间传播延迟分别为：
Figure 264782DEST_PATH_IMAGE058
Figure 612587DEST_PATH_IMAGE059
设
Figure 943074DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 558470DEST_PATH_IMAGE061
分别为
Figure 581789DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 151311DEST_PATH_IMAGE047
缓冲队列中数据包的大小，
Figure 521375DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 23900DEST_PATH_IMAGE063
分别为
Figure 474515DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 796912DEST_PATH_IMAGE047
的信道 衰减系数，
Figure 469201DEST_PATH_IMAGE064
为理想信道容量，则两个候选下一跳的队列延迟为：
Figure 62119DEST_PATH_IMAGE065
Figure 161662DEST_PATH_IMAGE066
最后，根据
Figure 971355DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 680292DEST_PATH_IMAGE051
的比值，可以算出垂直方向和水平方向下一跳的概率，继而根据 概率进行数据包的转发。
基于时延的分布式自适应卫星网络路由算法通过计算每个候选下一跳的传播时延和队列时延，得到选择下一跳的概率，然后按照概率转发数据包。另外，在天基网络负载低、状态良好的情况下，天基网络设备之间的数据传输优先通过天基网络进行；当天基网络出现高负载、链路状态失效的情况，数据会被下发到信关站，由地基网络进行中继。算法的完整工作流程如下：
当卫星节点收到数据分组时，①如果是拉取语义标识（如NDN，Named DataNetworking）的兴趣包，则在CS（Content Store，内容缓存库）中查找兴趣包的名字，如果查到则直接返回数据包；否则查找PIT（Pending Interest Table，待定兴趣表），如果查到则在表项增加到来的接口信息；否则在PIT中新增该表项，接着按正常路由流程处理；如果是拉取语义标识的数据包，则按PIT中的接口信息转发，若找不到则丢弃；②如果是推送语义标识（如IPv4，IPv6），直接按正常路由流程处理。正常路由流程如下：
a)从数据分组的包头中取出目的地址
Figure 626251DEST_PATH_IMAGE067
和地理位置信息，判断目的设备是否 位于本地的接入信息表
Figure 162274DEST_PATH_IMAGE044
中，若存在，则把分组转发给对应的设备，否则转b)；
b)判断目的设备是否位于
Figure 429570DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 443662DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 244128DEST_PATH_IMAGE070
或
Figure 184009DEST_PATH_IMAGE071
中，若存在，则把数据分组转发给 对应方向的卫星设备，否则转c)；
c)判断数据分组的负载过高标志位
Figure 702715DEST_PATH_IMAGE072
，如果标志位置1且自身连接着地面信关 站，则将分组下发到信关站；如果邻居节点的接入信息表含有信关站，若数量为多个，选择 负载最低的节点，将分组转发给邻居节点；否则选择负载最低的邻居节点（除去发送分组过 来的节点）进行转发；
d)根据地理位置信息，判断下一跳的个数N，若个数为1，转e)，若个数为2，转f)；
e)判断下一跳节点的缓冲队列负载
Figure 756384DEST_PATH_IMAGE008
，若高于设定的阈值
Figure 676935DEST_PATH_IMAGE009
，则将分组的负载过高 标志位置1，转c；相反如果下一跳负载不高，则将数据分组发向下一跳；
f)判断两个节点的缓冲队列负载
Figure 289182DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 793720DEST_PATH_IMAGE074
，若
Figure 884035DEST_PATH_IMAGE075
，则将分组的负载过高标志 位置1，转c；若
Figure 659093DEST_PATH_IMAGE076
，将数据包发向
Figure 943706DEST_PATH_IMAGE074
所在节点；若
Figure 437005DEST_PATH_IMAGE077
，则通过算得的概率 选择节点，向其发送数据包。
上述路由过程的流程图如图2所示，其伪代码如下：
表3 卫星网络路由过程伪代码
Figure 331011DEST_PATH_IMAGE078
Figure 459111DEST_PATH_IMAGE079
Figure 678740DEST_PATH_IMAGE080
地基网络标识空间采用层级化的思想，将网络域划分为k个层级，并将各层级域的 网络拓扑分别映射到双曲空间，此时每个域节点的边界路由器均被分配了一个双曲坐标作 为该域节点的双曲标识。每个域节点本地记录自身的双曲标识和一定数量（比如20-50个） 同等级邻居域节点的双曲标识。如表4所示，将网络标识域划分为k个层级，k由实际需求与 拓扑稳定性确定，假设每级路由器能支持N个网络标识，依次对每一层级的网络拓扑做双曲 嵌入，得到各个层级节点的双曲坐标集合
Figure 393755DEST_PATH_IMAGE081
，
Figure 327338DEST_PATH_IMAGE082
。划分后的网络支持
Figure 76988DEST_PATH_IMAGE083
数量级 的网络标识空间。
表4 网络标识域层级划分
网络域层级 双曲标识集合 支持的标识数目（个）
一级网络域 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: C:\Program Files (x86)\gwssi\CPC客户端\cases\inventions\c10269bf-81bb-4ec8-8223-ab38f65a2938\new\100002\100972dest_path_image077.jpg
Figure 467518DEST_PATH_IMAGE084
 N
二级网络域 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: C:\Program Files (x86)\gwssi\CPC客户端\cases\inventions\c10269bf-81bb-4ec8-8223-ab38f65a2938\new\100002\357510dest_path_image079.jpg
Figure 902785DEST_PATH_IMAGE085
 N
…… …… ……
K级网络域 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: C:\Program Files (x86)\gwssi\CPC客户端\cases\inventions\c10269bf-81bb-4ec8-8223-ab38f65a2938\new\100002\820853dest_path_image081.jpg
Figure 669753DEST_PATH_IMAGE086
 N
在实际情况中，假定一个域内的路由器可以支持10000个网络标识，则网络划分成 三级，就能支持万亿个标识。三级域基本足够网络上所有实体使用。本发明技术使用双曲坐 标作为自治域节点的双曲标识，指引各级域间的路由。以三级网络域为例，一级域包含多个 域节点，把一级域节点组成的网络拓扑嵌入到双曲空间，得到一级网络域的双曲坐标集合
Figure 8331DEST_PATH_IMAGE087
，将其作为节点的双曲标识指引一级域间路由；再将一级域划分为多个二级域，把二 级域节点形成的网络拓扑嵌入到双曲空间，得到二级网络域的双曲坐标集合
Figure 805647DEST_PATH_IMAGE088
，将其 作为节点的双曲标识指引二级域间路由，考虑到其归属的一级域，则二级域节点完整的双 曲标识为“
Figure 495255DEST_PATH_IMAGE089
；以此类推，再将二级域划分为多个三级域，三级域内包括各个 用户节点。
由于各层级域节点之间的网络拓扑相对稳定，因此每个域节点的双曲坐标可以长期保持不变。新加入网络的域节点可以使用网络中其他域节点的坐标来推断其双曲坐标，并将该更新通告给其他节点。
现阶段主流的双曲嵌入算法是2015年Papadopoulos等人在“Network Mapping by Replaying Hyperbolic Growth”一文中提出的HyperMap算法，该算法可以将任意网络拓扑 G(V,E)嵌入到双曲空间中，计算出映射后节点的双曲坐标
Figure 269176DEST_PATH_IMAGE090
。
HyperMap算法的过程大致如下：
（1）将输入的网络拓扑G(V,E)中的节点，节点规模为t。将所有节点按照其度数降 序排列，定义节点
Figure 226374DEST_PATH_IMAGE091
，
Figure 693128DEST_PATH_IMAGE092
为度数是
Figure 604452DEST_PATH_IMAGE093
的节点，
Figure 949108DEST_PATH_IMAGE094
。
（2）模拟网络的生长过程，首先将度数最大的节点作为双曲空间的原点，设置其初 始径坐标为
Figure 262277DEST_PATH_IMAGE095
，初始角坐标
Figure 899932DEST_PATH_IMAGE096
为
Figure 797087DEST_PATH_IMAGE097
中的任意值。
（3）按照（1）中节点降序排列后的顺序，从第2个节点开始，每次取一个节点i（2
Figure 443969DEST_PATH_IMAGE098
），将其径坐标初始化为
Figure 611646DEST_PATH_IMAGE099
，
Figure 921667DEST_PATH_IMAGE100
为曲率参数。根据该新增节点的径坐标，修改所有 已存在节点j(j＜i)的径坐标为
Figure 542004DEST_PATH_IMAGE101
。之后，通过求解公式
Figure 726997DEST_PATH_IMAGE102
的最大似然估计，确定节点i的角坐标
Figure 536732DEST_PATH_IMAGE103
。其中，
Figure 516189DEST_PATH_IMAGE104
为双曲距离，
Figure 889402DEST_PATH_IMAGE105
；p(
Figure 113972DEST_PATH_IMAGE104
)为连接概率，
Figure 990661DEST_PATH_IMAGE106
。
（4）重复（3）中的计算过程，直到为每个节点都分配了双曲坐标。
HyperMap算法的伪代码如下：
表5 HyperMap双曲嵌入算法伪代码
Figure 406599DEST_PATH_IMAGE107
HyperMap算法的双曲嵌入计算复杂度为
Figure 562380DEST_PATH_IMAGE108
。近年来，也有一些学者对该算法进 行了改进，比如2018年Bläsius等人在“Efficient Embedding of Scale-Free Graphs in the Hyperbolic Plane”一文中对HyperMap算法求解最大似然估计的方法进行了优化，将 计算复杂度缩短为
Figure 89177DEST_PATH_IMAGE109
。该快速嵌入算法的伪代码如下：
表6 快速双曲嵌入算法伪代码
Figure 85952DEST_PATH_IMAGE110
在本发明技术中，使用优化后的HyperMap算法对各层级域做双曲嵌入。以三级网络域为例，具体过程如下：
（1）首先，使用优化后的HyperMap算法将一级域的网络拓扑嵌入到双曲空间，得到 一级域各节点（由域的边界路由器节点代表）的双曲坐标集合
Figure 439835DEST_PATH_IMAGE087
，将节点的双曲坐标作 为节点的双曲标识，用于指引节点间的双曲路由。由于一级域的网络拓扑较稳定，可以认为 节点的双曲坐标在短期内不会变动；
（2）其次，使用优化后的HyperMap算法分别将一级域下各个二级域的网络拓扑嵌 入到双曲空间，得到二级域各节点的双曲坐标集合
Figure 256481DEST_PATH_IMAGE088
。为了保持标识的全网唯一性和 支持跨域通信，将域节点的完整双曲标识定义为“该域节点所属一级域的坐标：该二级域节 点的双曲坐标”形式，即“
Figure 586968DEST_PATH_IMAGE089
，由边界路由器提供域间标识转换功能。
双曲路由是基于双曲空间嵌入的一种路由机制，其本质是一种保证每个节点都可达的贪婪路由。在该路由过程中，每个节点不需要通过路由表来查询和维护最佳路径的下一跳节点，仅需根据自身的双曲坐标、邻居节点的双曲坐标以及目的节点的双曲坐标就可以动态的决定下一跳节点。图3为双曲路由在庞加莱圆盘的体现示意图。
在本发明技术中，使用双曲标识指引各层域间的贪婪路由。如地基网络标识域层 级划分中所述，可以将网络标识域划分为k个层级，假设每级路由器能支持N个网络标识，依 次对每一层级的网络拓扑做双曲嵌入，得到各个层级节点的双曲坐标集合
Figure 202364DEST_PATH_IMAGE081
，，将节点的双曲坐标作为一种新的网络标识——双曲标识，用来指引地基网络的 双曲路由。比如，就三级网络域而言，将一级自治域组成的网络拓扑嵌入到双曲空间，得到 每个一级自治域节点的双曲坐标
Figure 264047DEST_PATH_IMAGE087
，将其作为该节点的在地基网络中的双曲标识指引 各节点之间的双曲路由；再将一级自治域下各个二级自治域组成的网络拓扑也分别嵌入到 双曲空间，得到每个二级自治域节点的双曲坐标
Figure 634110DEST_PATH_IMAGE088
，将其作为节点的双曲标识指引各 节点之间的双曲路由，二级自治域节点完整的双曲标识定义为“
Figure 605478DEST_PATH_IMAGE089
；以此类 推，各个二级域下可以再划分多个三级域。三级域内由于拓扑变动频繁，采用域内路由协议 （如OSPF、NLSR等），根据链路状态计算不同路径的开销，路由器选择开销小的作为转发路径 即可。
地基网络域间基于双曲标识的贪婪路由过程如下：
（1）假设源节点的双曲坐标为
Figure 268540DEST_PATH_IMAGE111
，目的节点的双曲坐标为
Figure 558314DEST_PATH_IMAGE112
。将目的节点 的双曲坐标封装在报文中，由源节点经由各中间节点进行转发。
（2）中间节点收到此报文后，根据双曲距离公式
Figure 230603DEST_PATH_IMAGE030
,
Figure 322056DEST_PATH_IMAGE113
，
Figure 657485DEST_PATH_IMAGE032
，计算中间节点的各个邻居节点
Figure 201599DEST_PATH_IMAGE114
到目的节点
Figure 412000DEST_PATH_IMAGE112
的双曲距离，
Figure 590915DEST_PATH_IMAGE034
为两个节点的角距离，选择距离目的节点最近的邻居节点作为下一 跳，将报文转发该给邻居节点。
（3）经由（2）中的过程，报文最终到达目的节点
Figure 595780DEST_PATH_IMAGE112
。
上述路由策略中网络中每个节点执行的路由算法可以用以下伪代码表示：
表7 双曲贪婪路由中每个节点执行的算法伪代码
Figure 361611DEST_PATH_IMAGE115
若AS节点出现短期故障，可通过在上述简单的贪婪路由算法中添加回溯机制来找到替代路径到达目的地，此时节点的双曲坐标无需变化。
天地一体化信息网络路由总体可以分为天-天路由、天-地路由、地-天路由和地-地路由这四部分，其中，天-天路由是指直接连接到卫星网络的设备之间发送的数据分组的路由；天-地路由是指卫星网络设备给地面网络设备发送数据分组的路由；地-天路由是指地面网络设备给卫星网络设备发送数据分组的路由；地-地路由是指接连接到卫星网络的设备之间发送的数据分组的路由。
如图4所示，地基网络中位于乌鲁木齐的用户1通过卫星网络建立与位于北京的用户2的通讯，则通信建立的过程如下：
（1）用户1通过地面的域名解析系统请求用户2的相关信息，并得到用户2所处地理位置附近的信关站的双曲坐标和地理位置。
（2）用户1通过基于双曲几何的贪婪路由算法，计算域边界路由器的多个邻近信关站到目的信关站的双曲距离，选择距离最近的信关站1作为上发数据分组的信关站，将数据包转发给信关站1。
（3）信关站1将数据分组发送给接入的卫星1。
（4）卫星网络运行基于时延的分布式自适应卫星网络路由算法，根据数据分组中封装的目的地理位置信息将分组从卫星1路由到目的卫星2。
（5）卫星2将数据分组下发给目的信关站2。
（6）信关站2通过地基网络中的双曲路由将数据分组转发至用户2。
面向天地一体化信息网络的基于时延和双曲几何的路由方法，可以完成天基网络、空基网络、地基网络三层异构网络之间的实时通讯。利用卫星网络拓扑可预测的周期性地理位置信息，基于空间传输时延设计分布式自适应卫星网络路由算法，最小化路由方案的计算复杂度和丢包率，降低了数据传输的时延并缓解了数据报过多情况下的网络拥塞可能性，可以有效适应星上存储空间不足以及计算能力不足的环境，平衡网络负载。将地面网络拓扑嵌入双曲空间，并对网络域进行分层，有效解决了转发表规模指数膨胀问题，优化转发策略并提高了路由成功率，支持海量级网络标识空间。
基于天地一体化信息网络的路由不依赖于网络拓扑全局信息进行分发和调度，并且可以很好地适应动态变化的空间环境。基于时延在卫星网络分布式自适应路由，每颗卫星节点只需要存储相连的一到三颗卫星的有关用户的信息，不需要存储大量的与拓扑相关的路由表项，使内存和信号开销大大降低。另外，将地面网络拓扑映射到双曲空间的过程模拟了网络生长的过程，更加符合现实世界互联网拓扑逐步建立的本质，并且映射后的节点坐标较少受到网络规模扩展的影响，具有良好的稳定性。在对网络进行双曲嵌入后，网络拓扑中的每个节点均被赋予了双曲坐标，基于双曲坐标可以计算出任意两点的双曲距离。双曲路由采用简单的贪婪策略，依赖很少的路由信息，当前节点仅需计算每个邻居节点和目的地节点之间的双曲距离，并优先选择距离最小者进行转发，有效节约数了据存储空间并降低了路由查找开销，因此提供了一种可扩展的路由方案。
面向天地一体化信息网络，充分考虑卫星网络的空间传输时延和卫星节点可预测的周期性变化的地理位置信息，在卫星网络层面提出了一种基于时延的分布式自适应卫星网路路由算法，通过计算每个候选下一跳的传播时延和队列时延，得到选择每个下一跳的概率，然后按照概率转发数据包。本方法可以最小化计算复杂性和丢包概率，同时基于时延的自适应路由在一定程度上可以减少数据包传输的时延以及降低在数据包过多的情况出现拥塞的可能性。本方法具有很低的空间和时间复杂度，可以有效适应星上存储空间不足以及运算能力不足的环境。通过通知机制，本方法可以实施概率路由方案并平衡负载。
采用天地协同的思想，引入卫星节点接入信息表和状态信息表，有效解决了天基设备和地基设备之间的通信切换问题，在天基网络负载低、状态良好的情况下，天基网络设备之间的数据传输优先通过天基网络进行；当天基网络出现负载过高、链路状态失效的情况，数据会被下发到信关站，由地基网络进行中继，因此具有自适应的性质，并支持多种标识下的数据包路径选择与转发。
面向天地一体化信息网络，基于双曲几何的数学知识将地面网络拓扑划分层级嵌入到双曲空间，在完成双曲嵌入后，每个节点都被赋予了双曲坐标，基于双曲坐标可以计算出任意两点的双曲距离。地面网络路由中，每个节点仅需知道自身的双曲坐标和邻居节点的双曲坐标，即可采用简单的贪婪策略进行双曲路由，完成报文的转发。因此，路由表的规模被压缩至最小，有效解决了路由表项指数膨胀的问题，节约数据存储和路由查找开销。将网络拓扑映射到双曲空间的过程模拟了网络生长的过程，更加符合现实世界互联网拓扑逐步建立的本质，映射后的节点坐标也会较少受到网络规模扩展的影响，具有良好的稳定性。
在进行双曲嵌入时，对地基网络标识空间采用层级化的思想，将网络标识域划分 为k个层级，k根据实际需求与拓扑稳定性确定。假设每级路由器能支持N个网络标识，依次 对每一层级的网络拓扑做双曲嵌入，得到各个层级节点的双曲坐标集合
Figure 877168DEST_PATH_IMAGE081
，
Figure 412055DEST_PATH_IMAGE082
，划分后的网络支持
Figure 853401DEST_PATH_IMAGE083
数量级的网络标识空间。在实际情况中，若一个域内的路由器可以支 持10000个网络标识，则网络划分成三级，就能支持万亿数量级的网络标识，可见本发明技 术可以支持海量标识空间，具有非常好的扩展性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种天地一体化信息网络的路由方法，所述天地一体化信息网络由异构的天基网络、空基网络、地基网络组成，其特征在于，所述天地一体化信息网络的路由方法包括以下步骤：
S1、天基网络基于时延的分布式卫星路由算法，通过计算每个候选下一跳的传播时延和队列时延，得到选择每个下一跳的概率并按照获取的概率转发数据包；
S2、地基网络基于双曲几何的贪婪路由策略，将网络拓扑映射到双曲空间，模拟网络生长逐步建立互联网的路由算法;
S3、基于天基网络和地基网络在网络架构与设备性能方面存在的差异，自适应设计天-天路由、天-地路由、地-天路由、地-地路由的四种通信设备之间的路由建立策略；
所述天-天路由中，发送方和接收方均位于天基网络中，发送方通过接收方的身份标识向地面解析系统查得接收方的北斗地空标识，将该北斗地空标识作为数据分组的目的地址，随后向网络中发送该分组，在天基网络状态良好的情况下，分组通过天基网络到达接收方接入的卫星，否则下发到地面网络进行中继，最后分组到达接收方；
所述天-地路由中，发送方位于天基网络中，接收方位于地基网络中，发送方通过接收方的身份标识向地面解析系统查得接收方的双曲坐标标识，随后发送方通过本地计算附近几个信关站到达接收方的双曲距离，选择距离最小的信关站作为下发分组的目的信关站，到达地面网络后各中间节点通过计算邻居节点到目的节的双曲距离，选择距离目的节点最近的邻居节点作为下一跳，到达接收方所属最低层次自治域后通过域内路由到达接收方；
所述地-天路由中，发送方位于地基网络中，接收方位于天基网络中，发送方通过接收方的身份标识向解析系统查得接收方的北斗地空标识和负责接收方所在区域数据传输的一个或多个信关站的双曲坐标标识，然后通过本地计算，选择距离最小的信关站作为上发数据分组的目的信关站，通过双曲路由的方式到达信关站后数据分组被上发到天基网络，随后网络通过接收方北斗标识进行路由到达其接入的卫星，最后下发分组到接收方；
所述地-地路由中，发送方和接收方均位于地基网络中，发送方通过接收方的身份标识向解析系统查得接收方的双曲坐标，如果是跨域通信，则将分组通过域内路由至边界路由器后，通过双曲路由的方式到达接收方所属最低层次自治域后通过域内路由到达接收方；如果是域内通信，直接通过域内路由协议进行路由。
2.根据权利要求1所述的天地一体化信息网络的路由方法，其特征在于，所述步骤S1中当天基网络在负载低、状态良好时，天基网络设备之间数据传输优先通过天基网络进行；当天基网络负载过高、链路状态失效时，数据被下发到信关站，由地基网络进行中继。
3.根据权利要求2所述的天地一体化信息网络的路由方法，其特征在于，所述步骤S1中在天基网络设备中卫星节点收到数据分组时，判断其标识类型，如是拉取语义标识的兴趣包，则在内容缓存库CS中查找兴趣包的名字，如查到，则直接向收到该兴趣包的接口反馈数据包；如未查到，则在待定兴趣表PIT查找该兴趣包的名字，如查到，则在表项增加收到该兴趣包的接口信息，如未查到，则在待定兴趣表PIT中新增表项，记录该兴趣包的名字和收到该兴趣包的接口信息，接着按常规路由流程处理；如是拉取语义标识的数据包，则在待定兴趣表PIT中查找拉取语义标识的数据包的名字，若找到则按记录的接口信息进行转发，若找不到则丢弃拉取语义标识的数据包；如是推送语义标识，则直接按常规路由流程处理；
所述正常路由流程包括以下步骤：
S31、从数据分组的包头中取出目的地址des_id 和地理位置信息，判断目的设备是否位于本地的接入信息表AITs中，若存在，则把分组转发给对应的设备，否则执行步骤S32；
S32、判断目的设备是否位于AITu、AITd、AITl或AITr中，若存在，则把数据分组转发给对应方向的卫星设备，否则执行步骤S33；
S33、判断数据分组的负载过高标志位LOAD，如果标志位置1且自身连接地面信关站，则将分组下发到信关站；若连接信关站的邻居节点数量为多个，选择负载最低的节点，将分组转发给邻居节点；如果所有连接节点都没有连接信关站，则选择负载最低的邻居节点进行转发；
S34、根据地理位置信息，按照步骤S11判断下一跳的个数N，若个数为1，则执行步骤S35，若个数为2，则执行步骤S36；
S35、判断下一跳节点的缓冲队列负载Li，若高于设定的阈值L，若将分组的负载过高标志位置1，则执行步骤S33；若下一跳负载不高，则将数据分组发向下一跳；
S36、判断两个节点的缓冲队列负载Lmax、Lmin，若Lmin＞L，则将分组的负载过高标志位置1，则执行步骤S33；若Lmax＞L＞Lmin，将数据包发向 Lmin所在节点；若Lmax＜L，则根据S11中得的概率选择节点，向其发送数据包；
其中，在接入信息表中，表项 AITs记录与当前卫星相连接的用户和信关站信息，表项AITu 、 AITd 、AITl 和AITr分别记录当前卫星上、下、左、右方向卫星连接的用户和信关站信息；在状态信息表中，表项SITu 、SITd、SITl和SITr 分别记录当前卫星上、下、左、右方向卫星的链路状态、缓冲队列数据包的大小qi、缓冲队列负载Li 和信道衰减系数ε。
4.根据权利要求1-3任一项所述的天地一体化信息网络的路由方法，其特征在于，所述地基网络的标识空间将网络域划分为多个层级，并将各层级域的网络拓扑分别映射到双曲空间，每个域节点的边界路由器均被分配一个双曲坐标作为该域节点的双曲标识。
5.根据权利要求4所述的天地一体化信息网络的路由方法，其特征在于，在地基网络中通过HyperMap算法，将整个网络映射到极坐标系中，得到节点的双曲坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中，r为径长，θ为角长，r＞0，0≤θ≤2π。
6.根据权利要求5所述的天地一体化信息网络的路由方法，其特征在于，在地基网络域间基于双曲标识的贪婪路由包括以下步骤：
S21、设源节点的双曲坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，目的节点的双曲坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，将目的节点的双曲坐标封装在报文中，由源节点经由各中间节点进行转发；
S22、中间节点收到此报文后，根据双曲距离公式
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，计算中间节点的各个邻居节点
Figure DEST_PATH_IMAGE012
到目的节点
Figure DEST_PATH_IMAGE014
的双曲距离，选择距离目的节点最近的邻居节点作为下一跳，将报文转发给该邻居节点，使得报文最终到达目的节点
Figure 164684DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为两个节点的角距离。
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