CN111884935B - 应用于天地一体化网络的精简协议栈路由和邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于天地一体化网络的精简协议栈路由和邻居发现方法，包括：所述协议栈通信地址是长度为16位的标识，路由子系统维护的路由表为三级哈希链表，且数据包路由方式为主机路由，进一步提高路由效率。数据包经过路由子系统得出下一跳节点标识和出口设备，接着数据包传送到邻居子系统，在邻居子系统中根据下一跳节点标识得到相应的下一跳节点Mac地址，通过标识邻居解析协议对邻居子系统进行维护管理，并且监控整个网络状态。本方法有效解决拓扑动态变化、节点能力受限、传输时延长等天地一体化网络面临的主要挑战，且可提高骨干网络安全性，减少网络的带宽资源和电量消耗，适用于卫星网络环境。

Description

应用于天地一体化网络的精简协议栈路由和邻居发现方法

技术领域

本发明涉及天地一体化网络技术领域，具体涉及一种应用于天地一体化网络的精简协议栈路由和邻居发现方法。

背景技术

天地一体化网络将地面网络和空间网络联合起来，打造了一种全新的战略网络，其主要分为地基节点网、天基接入网和天基骨干网，地面网和移动通信网一起合作，从而实现对全球覆盖、安全度高、按需服务、介入性好的信息网络。

然而传统卫星通信存在协同能力弱和网络化差问题，并且卫星网络中包含的节点数目远少于地面网络中包含的节点数，网络的时延问题相对于地面网络更为突出。如果按照地面网络的地址空间以及路由方式进行数据收发，势必会造成大量的资源浪费，并且无法解决卫星网络中时延较长的问题。标识网络是我国自主研发的新型网络系统，采用“双核心，多从属”的设计思想，分别由核心网和接入网组成。在接入网中，用户使用接入网位置标识进行通信，不同的接入网用户通过核心网时，使用核心网位置标识进行通信。可有效解决网络安全、可管控、移动性、泛在接入等天空地网络存在的技术挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的计算资源浪费、天地一体化网络处理数据时延较长和安全性差的缺陷，从而提供一种精简高效、基于天地一体化网络的数据收发方法及装置。

根据本发明第一方面，提供了一种应用于天地一体化网络的精简协议栈发送数据包路由和邻居发现方法，包括：

协议栈将数据包从传输层交付到网络层，并送入路由子系统，在路由子系统中提取源节点标识和目的节点标识，通过目的节点标识查询路由表；

若未查询到与所述目的节点标识对应的路由，则在内核日志中打印路由错误信息，并丢弃所述数据包以释放内存；

若查询到与所述目的节点标识对应的路由，则获取与所述目的节点标识对应的下一跳节点标识和出口设备，并将所述数据包由路由子系统传到邻居子系统。

示例性地，所述源节点标识和所述目的节点标识为应用于天空地一体化网络通信地址长度为16位标识，所述标识不划分网络段和主机号，每个所述标识与使用所述协议栈的一个节点相对应；其中，所述16位标识的前3位用于区分所属设备类型，包括天基骨干、天基接入和地基三种类型。

示例性地，所述天空地一体化网络中使用16位协议栈的节点即为一个ID，则节点的网卡没有地址属性，协议栈通过配置虚拟网桥设备为所述节点承载16位标识。

示例性地，每个节点通过16位标识标明自己在网络中的身份信息，通过该标识路由到此节点，在节点协议栈中查询路由表，确定是将数据包递交给本机上层还是转发出去。

示例性地，所述路由子系统默认维护一张主路由表，没有路由缓存表，且路由表项由三级链表组成，包括目的ID、下一跳ID和出口设备三项。

示例性地，所述路由表具有增删改查功能，采用具有异步通信和双工通信方式的Netlink方法实现用户与内核态之间的交互，需分别在用户态设计增删查用户程序，内核态设计增删查接口函数。

示例性地，通过netlink双工通信方式，当用户添加路由信息后，协议栈向用户发送路由表内存信息，用户根据内存信息做出是否需要增加路由表的操作。

示例性地，路由子系统进行主机路由，不对标识划分网段和主机号，直接进行查询路由表，相当于全网路由，根据此特点在内核态设计协议栈收发包路由流程函数。

示例性地，所述将所述数据包由路由子系统传到邻居子系统的步骤之后，还包括：

在邻居子系统中根据下一跳节点标识查询邻居缓存表；

若缓存表中有下一跳节点标识对应的Mac地址，则为数据包填上Mac地址，转交给网络接口层，由网络接口层交付到网络中去；

若缓存表没有下一跳节点对应的Mac地址，则发出标识解析请求数据包，请求邻居的Mac地址。

示例性地，协议栈邻居子系统负责维护节点的邻居信息和为数据包填上下一跳ID对应的MAC信息，并将数据包转交给网络接口层，进而发送到网络中。

示例性地，所述邻居子系统通过标识邻居发现协议进行管理，通过广播标识解析协议请求包请求邻居对应网卡的MAC地址，收到请求包的邻居会返回包含MAC地址和链路状态信息的回复包。

示例性地，标识解析协议具有网络质量检测功能，在发出标识邻居发现协议请求包同时开始网络质量检测，从回复包中提取相应的邻居和网络状态信息，使得网络中每一个节点都获取到邻居节点的状态信息。

示例性地，标识邻居解析协议在得到邻居MAC地址同时可测试链路状态信息，具体包括：

若邻居子系统发出标识邻居解析协议请求包，且收到邻居的回复包则代表通往邻居的链路正常，否则代表链路中断；

在协议数据包包头内含有时间戳字段，在链路正常状态下，通过邻居解析协议请求包和回复包内的时间戳字段可计算出链路时延。

示例性地，标识邻居发现协议获取网络状态信息，若网络状态变化，则向集中控制器传输链路状态变化信息。

根据本发明第二方面，提供一种协议栈接收数据包路由与邻居发现方法，包括如下步骤：

在协议栈网络接口层接收到来自天地一体化网络中的数据包，若以太网帧类型为协议栈规定的协议号，则将数据包送入网络层提取目的节点标识进行路由；

若未查询到与所述目的节点标识对应的路由，则在内核日志中打印路由错误信息，并丢弃数据包和释放内存；

若查询到与所述目的节点标识对应的路由，判断从路由表中得到的下一跳节点标识是否为本机标识；

若是，则将数据包传递到传输层，进而交付给用户；

若否，则将数据包和下一跳标识共同传递给邻居子系统，由邻居子系统根据下一跳节点标识做出相应处理，最终由网络接口层将数据包交付给下一跳节点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明对通信地址进行压缩，采用了16位标识地址空间，16位地址除了可提升骨干网络安全性外，还可显著减少网络的带宽资源和电量消耗。另外，本发明采用了集中式路由设计，卫星路由设备不需要执行分布式路由算法，不按地址网络前缀进行路由，简化了天地一体化网络节点处理地址的工作，进一步提高了处理效率。最后本发明可以监测相邻节点的网络状态，可以实时管理整个网络拓扑状态信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中天地一体化网络的结构示意图；

图2为本发明实施例1中基于天地一体化网络的数据发送方法的一个具体示例的流程图；

图3为本发明实施例1中路由表的结构示意图；

图4为本发明实施例1中为数据包添加包头信息的结构示意图；

图5为本发明实施例2中基于天地一体化网络的数据接收方法的一个具体示例的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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装置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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例的应用环境为基于标识网络的天地一体化网络，网络结构如图1所示，主要由天基骨干网、天基接入网和地基节点网组成，其中天基骨干网中运行节点为高轨卫星，天基接入网中运行节点为低轨卫星。天基骨干网用以高轨用户终端接入使用，天基接入网用以低轨用户终端接入使用，地基节点网用以地面用户终端接入使用，所有网络状态可由一个网管控制器运维管理。

本实施例中的天地一体化网络包括上述天基骨干网和天基接入网。本实施例包括数据流量在上述天地一体化网络的各个卫星节点中的收发过程，包括数据发送过程和数据接收过程。进一步，本发明适应于四层协议模型，其中第一层为物理层，第二层为网络接口层，第三层为网络层，第四层为传输层。

图2示出了本发明实施例1中基于天地一体化网络的数据发送方法的一个具体示例的流程图。如图2所示，基于天地一体化网络的数据发送方法包括以下步骤：

S110:应用层将待发送数据包发送至传输层。

可以理解，在数据发送过程中，待发送数据包从节点A的应用层依次发送至节点A的传输层、网络层，在节点A的网络层确定路由信息后，经由节点A的网络接口层发送到节点B的网络接口层，并依次传输到节点B的网络层、传输层和应用层。

S120:网络层接收所述待发送数据包并进行解析，获取所述待接收数据包中的源节点标识和目的节点标识。

四层网络协议模型中，每一层在传输数据包的时候都会加上相应的包头信息。对于网络层而言，其可以解析出在待发送数据包中添加的包头信息，从而获取包头信息中包含的源节点标识和目的节点标识，该目的节点标识表征待发送数据包最终要到达的节点标识信息。

S130:根据所述目的节点标识查找路由表进行主机路由，确定传输层中的出口设备和下一跳节点标识。

在获取到目的节点标识的基础上，本步骤通过查找路由表确定当前出口设备以及下一跳节点标识，这里的出口设备指的是设备网卡。

与地面网络不同的是，本实施例中的路由表包含三级哈希链表，路由信息不区分网段和掩码，直接进行主机路由。这是因为，卫星节点本身数量有限，并且增速较为缓慢，不会像地面节点一样大规模扩张，因此通过一张路由表就可以囊括所有的卫星节点信息，从而提高路由效率，节省计算资源。

图3为本发明实施例1中路由表的结构示意图。如图3所示，本实施例中的路由表包括三级哈希链表，其中第一级为路由表结构集合，第二级为路由表表项，第三级为路由信息。一般情况下，默认第一级中的路由表结构集合只有一张路由表，其它路由表可以根据需要随时添加。

S140:根据所述下一跳节点标识确定所述下一跳节点的MAC地址。

下一跳节点标识指的是要到达目的节点标识所需要经过的下一跳节点的标识。在步骤S130中通过查找路由表已经确定了下一跳节点的标识，本步骤用于确定下一跳节点的物理MAC地址。

为了提高数据传输效率，本步骤先从缓存MAC表中查找是否包含与所述目的节点标识对应的MAC地址；若是，用所述MAC地址封装所述数据包；若否，发送广播请求包，根据回复包确定MAC地址。

缓存MAC表中存储的是已经传输过数据包的下一跳节点对应的MAC地址。如果已经获取过对应节点标识的MAC地址，会将该节点标识和MAC地址存储在缓存MAC表中。这样直接通过缓存MAC表就可以确定对应的MAC地址，提高数据传输效率。

如果并未获取过对应节点标识的MAC地址，则需要通过广播的方式获取。具体包括，邻居子系统向所有节点发送广播请求包，该广播请求包中包含了下一跳节点标识。本实施例中的邻居子系统位于网络层和网络接口层之间，用于获取其它节点的链路状态信息。具体的，接收到广播请求包的节点提取请求包中的下一跳节点标识，若下一跳节点标识与自身标识相同，则将自身的MAC地址以回复请求包的方式返回给请求节点的邻居子系统。这样，请求节点就获得了下一跳节点标识的MAC地址。

S150:网络接口层将所述待发送数据包发送至所述MAC地址对应的节点中。

最后，本实施例通过网络接口层将待发送数据包发送出去，完成数据发送过程。

示例性地，本实施例中的源节点标识和目的节点标识为16位地址空间，可显著减少网络的带宽资源和电量消耗。进一步，16位标识是一种新型的网络体系，针对该体系的网络攻击相对于地面技术而言，攻击手段较少，从而可以提高网络安全性。

示例性地，步骤S140中确定所述下一跳节点的MAC地址的步骤还包括：

根据请求包的第一时刻和回复包的第二时刻，计算时延信息；

根据所述时延信息确定MAC地址。

图4示出了本发明实施例1中标识解析协议请求包所包含的包头信息的结构示意图。如图4所示，包头信息中包括硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度、操作码、发送方硬件地址、发送方ID、目标硬件地址、目标ID以及时间戳。其中时间戳字段表示当前数据包的发送时间，通过时间戳字段，可以确定数据包在两个节点之间的延时时间。当请求节点的邻居子系统向所有邻居节点发送广播请求包时，会在请求包的时间戳字段中添加发送请求包的第一时刻。当相应节点回复请求包时，会在回复包的时间戳字段中添加发送回复包的第二时刻。第二时刻和第一时刻之间的时间差即为两个节点之间的时延信息。

通过时延信息可以分析网络链路状态。如果时延信息过长，则说明当前链路存在某种干扰或者安全隐患，那么在进行路由时可以不建议选择当前链路传输数据。

综上所述，本实施例适应天地一体化网络的特点，通过对地址进行压缩，显著减少网络的带宽资源和电量消耗；本实施例中的路由方案简单快速，提高了数据传输效率；同时本实施例可以检测相邻节点之间的时延信息，从而准确获取整个网络的链路状态。

实施例2

本施例提供一种基于天地一体化网络的数据接收方法，如图5所示，包括以下步骤：

S510:网络接口层接收待接收数据包并传输到网络层。

当作为接收节点时，网络接口层将接收到的待接收数据包依次传送给网络层、传输层和应用层，每一层封装相应的包头信息。

S520:对所述待接收数据包进行解析，获取所述待接收数据包中的源节点标识和目的节点标识。

S530:根据所述目的节点标识查找路由表进行主机路由，确定所述目的节点标识对应的下一跳节点标识是否为本机地址。

路由表的结构如图3所示。本实施例中的路由表包括三级哈希链表，其中第一级为路由表结构集合，第二级为路由表表项，第三级为路由信息。一般情况下，默认第一级中的路由表结构集合只有一张路由表，其它路由表可以根据需要随时添加。

可以理解，当下一跳节点标识为本机地址时，直接接收待接收数据包即可。当下一跳节点标识不是本机地址时，说明本机地址目前只是作为中转节点，需要再次将待接收数据包发送到下一跳节点。

S540:当下一跳节点标识是本机地址时，通过本机接收所述待接收数据包。

S550:当下一跳节点标识不是本机地址时，根据所述下一跳节点标识确定所述下一跳节点的MAC地址。

具体包括，从缓存MAC表中查找是否包含与所述目的节点标识对应的MAC地址；若是，用所述MAC地址封装所述数据包；若否，发送广播请求包，根据回复包确定MAC地址。

如图4所示，请求包和回复包的包头信息中包括硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度、操作码、发送方硬件地址、发送方ID、目标硬件地址、目标ID以及时间戳。当邻居子系统向所有节点发送广播请求包时，会在请求包的时间戳字段中添加发送请求包的第一时刻。当相应节点回复请求包时，会在回复包的时间戳字段中添加发送回复包的第二时刻。第二时刻和第一时刻之间的时间差即为两个节点之间的时延信息。

通过时延信息可以分析网络链路状态。如果时延信息过长，则说明当前链路存在某种干扰或者安全隐患，那么在进行路由时可以不建议选择当前链路传输数据。

S560:网络接口层将所述待接收数据包转发至所述MAC地址对应的节点中。

综上所述，本实施例适应天地一体化网络的特点，通过对地址进行压缩，显著减少网络的带宽资源和电量消耗；本实施例中的路由方案简单快速，提高了数据传输效率；同时本实施例可以检测相邻节点之间的时延信息，从而准确获取整个网络的链路状态。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种应用于天地一体化网络的精简协议栈路由和邻居发现方法，其特征在于，包括：

协议栈将数据包从传输层交付到网络层，并送入路由子系统，在路由子系统中提取源节点标识和目的节点标识，通过目的节点标识查询路由表，路由表包含三级哈希链表，第一级为路由表结构集合，第二级为路由表表项，第三级为路由信息，所述路由信息不区分网段和掩码，直接进行主机路由；

若未查询到与所述目的节点标识对应的路由，则在内核日志中打印路由错误信息，并丢弃所述数据包和释放内存；

若查询到与所述目的节点标识对应的路由，则获取与所述目的节点标识对应的下一跳节点标识和出口设备，并将所述数据包由路由子系统传到邻居子系统；

将所述数据包由路由子系统传到邻居子系统的步骤之后，还包括：

在邻居子系统中根据下一跳节点标识查询邻居缓存表；

若缓存表中有下一跳节点标识对应的Mac地址，则为数据包填上Mac地址，转交给网络接口层，由网络接口层交付到网络中去；

若缓存表没有下一跳节点对应的Mac地址，则发出标识解析请求数据包，请求邻居的Mac地址；

所述邻居子系统通过标识邻居发现协议进行管理，通过广播标识解析协议请求包请求邻居对应网卡的MAC地址，收到请求包的邻居会返回包含MAC地址和链路状态信息的回复包；

标识邻居解析协议在得到邻居MAC地址同时可测试链路状态信息，具体包括：

若邻居子系统发出标识邻居解析协议请求包，且收到邻居的回复包则代表通往邻居的链路正常，否则代表链路中断；

在协议数据包包头内含有时间戳字段，在链路正常状态下，通过邻居解析协议请求包和回复包内的时间戳字段可计算出链路时延。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源节点标识和所述目的节点标识为应用于天地一体化网络，所述源节点标识和所述目的节点标识的通信地址长度为16位标识，所述标识不划分网络段和主机号，每个所述标识与使用所述协议栈的一个节点相对应；其中，所述16位标识的前3位用于区分所属设备类型，包括天基骨干、天基接入和地基三种类型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述天地一体化网络中使用16位协议栈的节点即为一个标识，则节点的网卡没有地址属性，协议栈通过配置虚拟网桥设备为所述节点承载16位标识。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每个节点通过16位标识标明自己在网络中的身份信息，通过该标识路由到此节点，在节点协议栈中查询路由表，确定是将数据包递交给本机上层还是转发出去。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路由子系统默认维护一张主路由表，没有路由缓存表，且路由表项由三级链表组成，包括目的ID、下一跳ID和出口设备三项。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述路由表具有增删改查功能，采用具有异步通信和双工通信方式的Netlink方法实现用户与内核态之间的交互，需分别在用户态设计增删查用户程序，内核态设计增删查接口函数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过netlink双工通信方式，当用户添加路由信息后，协议栈向用户发送路由表内存信息，用户根据内存信息做出是否需要增加路由表的操作。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，路由子系统进行主机路由，不对标识划分网段和主机号，直接进行查询路由表，相当于全网路由，所有节点处于同一个网络段中，提高了路由效率，根据所述路由子系统进行主机路由，不对标识划分网段和主机号，直接进行查询路由表，相当于全网路由，所有节点处于同一个网络段中，提高了路由效率的特点，在内核态设计协议栈收发包路由流程函数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，协议栈邻居子系统负责维护节点的邻居信息和为数据包填上下一跳ID对应的MAC信息，并将数据包转交给网络接口层，进而发送到网络中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，标识解析协议具有网络质量检测功能，在发出标识邻居发现协议请求包同时开始网络质量检测，从回复包中提取相应的邻居和网络状态信息，使得网络中每一个节点都获取到邻居节点的状态信息。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，标识邻居发现协议获取网络状态信息，若网络状态变化，则向集中控制器传输链路状态变化信息。

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