CN112104409A - 一种终端移动接入卫星系统的ip网络通信保持方法 - Google Patents

一种终端移动接入卫星系统的ip网络通信保持方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种终端移动接入卫星系统的IP网络通信保持方法，所述方法针对卫星系统的终端相对有限、可全网管理和控制，并且星载路由器处理能力较弱的特点，设计自动收集终端MAC和IP地址、基于终端MAC地址的IP地址映射和动态更新网络数据IP地址的IP网络通信保持方法，有效解决终端移动接入卫星系统和动态切换地面卫星网关时持续通信的需求。本发明通过地面卫星网关动态更新网络数据的IP地址，减少终端移动接入系统造成的通信中断问题；通过分散到地面卫星网关的IP地址处理，星载路由器实现静态路由转发，减少星载路由器的路由计算，降低星载路由器对处理性能的高要求；地面卫星网关保持终端MAC和IP地址，无中心，单点故障不影响系统通信。

Description

一种终端移动接入卫星系统的IP网络通信保持方法
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，特别涉及一种终端移动接入卫星系统的IP网络通信保持方法。
背景技术
一种终端移动接入卫星系统的IP网络通信保持方法。其技术组成：
（1）卫星系统：一种使用人造地球卫星进行中继的系统。基于卫星系统的通信系统一般由星载设备、地面卫星网关和终端组成，星载设备在某一频率上提供全网的时间基准，各地面卫星网关以统一的时间基准为参考，在各自的频率内发送消息，实现各个地面卫星网关和终端在同一网内工作；
（2）终端移动接入卫星系统：终端位置移动，通过不同的地面卫星网关，接入卫星系统；
（3）终端动态切换地面卫星网关：地面卫星网关负责终端的接入，当终端移动接入卫星系统时，终端将会切换并连接到其他的地面卫星网关，这种切换称之为终端动态切换；
（4）IP网络通信：基于TCP/IP协议的网络通信；
（5）基于终端的MAC地址的IP映射：基于TCP/IP协议，地面卫星网关以终端的MAC地址为索引，进行源或目的IP地址回溯映射的过程。以终端的MAC地址作为索引，跟踪和回溯终端移动接入卫星系统时的终端的IP地址；依据终端传输网络数据的IP地址，获取终端的MAC地址；依据终端的MAC地址获取最新的终端的IP地址；地面卫星网关基于最新的终端的IP地址，更新网络数据的IP地址；
（6）终端动态切换时卫星系统通信中断问题：当终端动态切换时，终端应用程序仍然使用切换前的终端的IP地址通信，将会造成终端的IP地址不可达的现象，导致终端间通信中断的问题。
发明内容
本发明提供一种终端移动接入卫星系统的IP网络通信保持方法。针对卫星系统终端相对有限、全网管理和控制，并且星载路由器处理能力较弱的特点，设计自动收集终端的MAC和IP地址、基于终端MAC地址的IP地址映射和动态更新网络数据IP地址的IP网络通信保持方法，有效解决终端移动接入卫星系统和动态切换地面卫星网关时持续通信的需求。
具体步骤如图2所示：
步骤1：终端入网阶段，地面卫星网关通过与终端交互网络数据，感知终端的联网状态，以终端的MAC地址为索引，设置MAC_IP地址信息表中终端的IP地址集，发送终端的状态数据到其它地面卫星网关；
步骤2：终端互联阶段，源终端使用虚拟网卡和隧道发送网络数据到目的终端，网络数据通过地面卫星网关到达星载路由器，星载路由器通过静态路由转发网络数据，网络数据最终到达目的终端；
步骤3：终端移动入网阶段，终端连接的地面卫星网关发生变更，终端的IP地址发生变更，地面卫星网关使用步骤1的方法，感知终端的入网状态，维护MAC_IP地址信息表的IP地址集，地面卫星网关主动交互ARP协议网络数据，感知终端的退网状态，更新MAC_IP地址信息表的联网状态；
步骤4：终端移动互联阶段，源终端或目的终端的IP地址发生变更后，源终端应用程序发送网络数据到目的终端移动前的IP地址，网络数据经过地面卫星网关时，源地面卫星网关依据网络数据中原IP头部的目的IP地址，查找MAC_IP地址信息表，获取终端的IP地址集，使用终端的IP地址集中最后一个IP地址，更新网络数据的目的IP地址，目的终端应用程序接收源终端发送的网络数据；
步骤5：终端退网阶段，地面卫星网关按照指定时间间隔，与终端交互ARP协议网络数据，感知终端的退网状态，更新MAC_IP地址信息表的联网状态。
上述发明中的有益效果为：
（1）通过收集终端状态信息的方式，地面卫星网关可动态更新跟踪终端的MAC和IP地址，减少通信双方快速移动造成的通信中断，网络通信保持率大大提升；
（2）通过分散到地面卫星网关的IP地址处理和星载路由器的静态路由转发，减少星载路由器的路由计算，降低星载路由器对于处理性能的高要求；
地面卫星网关保持终端相关信息，没有中心的概念，单点故障不影响系统通信。
附图说明
图1为本发明的卫星系统网络结构示意图。
图2为本发明的终端移动接入卫星系统时网络通信示意图。
图3为本发明的MAC_IP地址信息表。
图4为本发明的隧道封装格式。
图5为本发明的网络数据源IP和目的IP地址的映射示意图。
图6为本发明的终端状态数据的网络数据结构设计图。
具体实施方式
针对本发明实现的技术创新特征和目的功效便于理解，结合图示和列举实例，进行阐述本发明。如图1所示，结合卫星系统的部署位置，将地面卫星通信网络划分为多个子网络。子网络之间通过星载路由器进行互联，子网络内部的地面卫星网关作为该子网络的出口节点。图2描述，终端移动接入卫星系统时网络通信示意图。为了实现本发明中的方法，需要处理如下方面的内容。
终端入网阶段，地面卫星网关通过与终端交互网络数据，感知终端的联网状态，以终端的MAC地址为索引，设置MAC_IP地址信息表中终端的IP地址集，发送终端的状态数据到其它地面卫星网关具体实施情况如下：
（1）终端的状态数据至少包括当前时间、终端的IP地址、终端的MAC地址、终端的虚拟网卡IP地址和终端的联网状态，终端的联网状态为入网状态或退网状态，包含终端的状态数据的网络数据结构如图6所示；
（2）终端发送网络数据到地面卫星网关；
（3）地面卫星网关发送响应网络数据到终端；
（4）地面卫星网关使用接收到的网络数据中源MAC地址和源IP地址，查询MAC_IP地址信息表，获取对应MAC地址和IP地址的联网状态，如联网状态不是入网状态，则地面卫星网关使用源IP地址，设置MAC_IP地址信息表中终端的虚拟网卡IP地址，增加MAC_IP地址信息表中IP地址和联网状态信息，并通过星载路由器，发送终端的状态数据到其他地面卫星网关；
（5）地面卫星网关通过星载路由器，接收其他地面卫星网关连接网络的终端的状态数据，地面卫星网关使用终端的状态数据中终端的MAC地址和终端的IP地址为索引，设置MAC_IP地址信息表中终端的虚拟网卡IP地址，增加MAC_IP地址信息表中IP地址和联网状态信息，MAC_IP地址信息表如图3所示。
终端互联阶段，终端之间使用虚拟网卡和隧道进行网络通信。具体实施情况如下：
（1）源终端应用程序使用虚拟网卡的IP地址，发送网络数据到目的终端的虚拟网卡的IP地址；
（2）源终端和目的终端通过物理网卡的IP地址建立隧道，隧道协议格式如图4所示；
（3）源终端的隧道程序从虚拟网卡，读取要发送的网络数据，通过隧道对网络数据进行封装处理，使用物理网卡发送隧道封装后的网络数据到目的终端；
（4）源终端发送的网络数据，到达源地面卫星网关,源地面卫星网关转发网络数据到星载路由器；
（5）星载路由器依据静态路由，发送网络数据到目的地面卫星网关；
（6）目的地面卫星网关转发网络数据到目的终端；
（7）目的终端隧道程序使用物理网卡接收网络数据，基于隧道对网络数据进行解封处理，将解封的网络数据写入目的终端的虚拟网卡；
（8）目的终端的应用程序通过目的终端的虚拟网卡，获取源终端发送的网络数据；
（9）目的终端的应用程序接收的网络数据，与源终端的应用程序发送的网络数据一致；
（10）目的终端的应用程序使用步骤1-步骤8，发送网络数据到源终端的应用程序。
终端移动入网阶段，终端从旧地面卫星网关，移动接入到新地面卫星网关，新地面卫星网关和旧地面卫星网关，分别维护MAC_IP地址信息表的相关信息。具体实施情况如下：
（1）终端发送网络数据到新地面卫星网关；
（2）新地面卫星网关使用接收到的网络数据的源MAC地址和源IP地址，查询MAC_IP地址信息表的联网状态，如联网状态不是入网状态，则新地面卫星网关使用源IP地址，增加MAC_IP地址信息表中IP地址和联网状态信息，并通过星载路由器，同步终端的状态数据到其他地面卫星网关；
（3）旧地面卫星网关在指定时间间隔，查找MAC_IP地址信息表，获取本子网的联网状态为入网状态的终端列表；
（4）旧地面卫星网关，发送包含上述终端列表IP地址的ARP请求数据，到本子网络的所有主机；
（5）旧地面卫星网关如未收到相应终端的ARP响应数据，则设置MAC_IP地址信息表中此IP地址的联网状态为退网状态，并同步终端的状态数据到其他地面卫星网关。
终端移动互联阶段，终端位置移动后，地面卫星网关更新网络数据的IP地址，确保目的终端正常接收源终端发送的网络数据。网络数据源IP和目的IP地址的更新情况如图5所示。具体实施情况如下：
（1）目的终端连接的地面卫星网关更新，目的终端的物理网卡的IP地址亦发生更新，目的终端的虚拟网卡IP地址保持不变；
（2）源终端按照终端互联阶段的步骤，发送隧道封装的网络数据到目的终端移动前的IP地址；
（3）源地面卫星网关接收到网络数据，依据网络数据中原IP头部中目的IP地址，查找MAC_IP地址信息表，获取终端的IP地址集，基于终端的IP地址集使用最后的终端的IP地址，作为更新后的目的终端的IP地址；
（4） 源地面卫星网关使用更新后的目的终端的IP地址，更新网络数据的目的IP地址；
（5）源地面卫星网关，通过星载路由器，发送更新后的网络数据到目的地面卫星网关；
（6）目的地面卫星网关转发网络数据到目的终端；
（7）目的终端隧道程序使用物理网卡接收网络数据，基于隧道对网络数据进行解封处理，将解封的网络数据写入目的终端的虚拟网卡；
（8）目的终端的应用程序通过目的终端的虚拟网卡，获取源终端发送的网络数据；
（9）目的终端的应用程序接收的网络数据，与源终端的应用程序发送的网络数据一致；
（10）目的终端的应用程序使用步骤1-步骤8，发送网络数据到源终端的应用程序。
终端退网阶段，地面卫星网关定期扫描本子网络内终端的状态信息，维护MAC和IP地址的映射信息。具体实施情况如下：
（1）地面卫星网关在指定时间间隔，查找MAC_IP地址信息表，获取本子网的联网状态为入网状态的终端列表；
（2）地面卫星网关，发送包含上述终端列表IP地址的ARP请求数据，到本子网络的所有主机；
（3）地面卫星网关如未收到相应终端的ARP响应数据，则设置MAC_IP地址信息表中，此IP地址的联网状态为退网状态，并同步终端的状态数据到其他地面卫星网关。
终端移动入网阶段的异常处理，目的地面卫星网关无法连接目的终端，源地面卫星网关在指定时间内处理主机不可达的网络数据。具体实施情况如下：
（1）源终端发送网络数据到目的终端；
（2）源地面卫星网关接收到网络数据，转发网络数据到目的地面卫星网关；
（3）目的地面卫星网关无法连接目的终端，目的地面卫星网关发送主机不可达的ICMP网络数据，到源地面卫星网关；
（4）源地面卫星网关接收到主机不可达的ICMP网络数据，根据MAC地址和IP地址，设置MAC_IP地址信息表中终端连接失败时间，如果终端连接失败时间超过指定时间，则向源终端发送主机不可达的ICMP网络数据。
相关术语解释
MAC_IP地址信息表：存储终端MAC地址、终端虚拟网卡IP地址和终端IP地址的信息表，用于MAC地址到终端IP地址映射；
入网状态：终端与卫星网关交互网络数据，此时终端的联网状态为入网状态；
退网状态：卫星网关与终端交互网络数据，卫星网关在指定时间没有收到终端的响应数据，此时终端的联网状态为退网状态。
上面所述的实施案例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种终端移动接入卫星系统的IP网络通信保持方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：终端入网阶段，地面卫星网关通过与终端交互网络数据，感知终端的联网状态，以终端的MAC地址为索引，设置MAC_IP地址信息表中终端的IP地址集，发送终端的状态数据到其它地面卫星网关；
步骤2：终端互联阶段，源终端使用虚拟网卡和隧道发送网络数据到目的终端，网络数据通过地面卫星网关到达星载路由器，星载路由器通过静态路由转发网络数据，网络数据最终到达目的终端；
步骤3：终端移动入网阶段，终端连接的地面卫星网关发生变更，终端的IP地址发生变更，地面卫星网关使用步骤1的方法，感知终端的入网状态，维护MAC_IP地址信息表的IP地址集，地面卫星网关主动交互ARP协议网络数据，感知终端的退网状态，更新MAC_IP地址信息表的联网状态；
步骤4：终端移动互联阶段，源终端或目的终端的IP地址发生变更后，源终端应用程序发送网络数据到目的终端移动前的IP地址，网络数据经过地面卫星网关时，源地面卫星网关依据网络数据中原IP头部的目的IP地址，查找MAC_IP地址信息表，获取终端的IP地址集，使用终端的IP地址集中最后一个IP地址，更新网络数据的目的IP地址，目的终端应用程序接收源终端发送的网络数据；
步骤5：终端退网阶段，地面卫星网关按照指定时间间隔，与终端交互ARP协议网络数据，感知终端的退网状态，更新MAC_IP地址信息表的联网状态。
2.根据权利要求1所述的一种终端移动接入卫星系统的IP网络通信保持方法，其特征在于：终端的状态数据至少包括当前时间、终端的IP地址、终端的MAC地址和终端的联网状态，终端的联网状态包括入网状态和退网状态。
3.根据权利要求1所述的一种终端移动接入卫星系统的IP网络通信保持方法，其特征在于：MAC_IP地址信息表以终端的MAC地址为索引，MAC_IP地址信息表格式至少包括终端的MAC地址和终端的虚拟网卡IP地址和终端的IP地址集，MAC_IP地址信息表中终端的IP地址集是以IP地址为索引的列表，终端的IP地址集格式至少包括IP地址和联网状态。
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