CN112565083A - 一种geo卫星网络的多协议标签交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GEO卫星网络的多协议标签交换方法，包括以下步骤：源端点向信关站发送业务信息，业务信息包括但不限于源端点、目标端点、时延、带宽约束；信关站根据该业务信息，结合网络状态，完成从源端点到目标端点的LSP规划，并将该LSP的路径和资源分配信息返回源端点；源端点发起该LSP上各节点的标签分配和资源预留，完成LSP的建立；源端点基于该LSP进行数据转发。本发明将多协议标签交换技术融入GEO卫星网络，提出由端点进行标签的新增和删除操作，GEO卫星仅负责基于标签的路由转发，降低了星上标签交换操作的复杂度；源端点、卫星、目标端点各自维护一个用于标签交换的映射表，保证了数据转发的有序性。

Description

一种GEO卫星网络的多协议标签交换方法

技术领域

本发明涉及卫星路由交换技术领域，具体是一种GEO卫星网络的多协议标签交换方法。

背景技术

GEO卫星移动通信系统包括空间段、控制段和用户段，参照图1，空间段计划由多颗GEO卫星组成，地面段分为应用系统和运行控制系统，用户段包括各类手持、便携、机载和固定终端等。GEO卫星移动通信属于窄带移动通信，由于频率协调和星载平台技术限制，系统可用的频率和功率资源都是受限的，通过频率复用和功率合成技术，能够最大限度提升系统的通信容量。随着卫星通信技术的发展，卫星通信逐渐由透明转发模式更新为星上交换处理模式。然而，传统数据交换方式基于逐跳的转发策略，每一跳都需要重新查表，容易影响GEO卫星移动通信系统的星上转发速率，使得业务QoS无法得到保障。

多协议标签交换(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)技术为TCP/IP框架中的网络层和链路层的结合提供了一套体系结构，使所有针对网络层的复杂操作都能映射为对标记的操作，解决了IP协议和承载网络交互问题。在MPLS网络中，IP层的路由信息和业务服务质量参数映射到链路层可以理解的信息，并利用标记来标识具有相同属性的业务流。数据传输开始前，网络首先根据业务的IP层信息进行转发等价类(ForwardingEquivalence Class，FEC)定义，然后为FEC建立类似VCC/VPC的标记交换路径(LabelSwitch Path，LSP)，并为其预先分配资源。数据传输开始后，LSP上的每个节点仅依据链路层分组的标记字段进行转发，而不需提取IP层的任何信息，提高了转发效率。

MPLS域的边缘路由器将外部输入的流映射到对应的FEC上，打上标签；MPLS域内的路由器基于标签将数据包在LSP上进行路由转发；数据包到达域的出口路由器后，删除标签。MPLS可以通过资源预留和显示路由来保障业务QoS，且能通过资源合理分配实现负载的均衡。

MPLS很好地实现了IP技术和二层网络技术的融合，成为以IP为核心下一代地面网络NGN、NGI的核心技术；但是缺乏在GEO卫星移动通信系统中的应用研讨。

发明内容

针对现有GEO卫星路由交换技术存在的不足之处，本发明提供一种GEO卫星网络的多协议标签交换方法。

本发明保护一种GEO卫星网络的多协议标签交换方法，信息从源端点经由多个卫星发送至目标端点，包括以下步骤：

步骤1，源端点向信关站发送业务信息，业务信息包括但不限于源端点、目标端点、时延、带宽约束；

步骤2，信关站根据该业务信息，结合网络状态，完成从源端点到目标端点的LSP规划，并将该LSP的路径和资源分配信息返回源端点；

步骤3，源端点发起该LSP上各节点的标签分配和资源预留，完成LSP的建立；

步骤4，源端点基于该LSP进行数据转发。

进一步的，源端点维护一个FEC标签映射表，内容为从多元组到输出标签的映射；各卫星维护一个标签转发表，内容为从输入端口、输入标签到输出端口、输出标签的映射；目标端点维护一个LSP源端列表，内容为从源端点标识到输入标签列表的映射。

进一步的，所述步骤3中LSP建立操作包括以下步骤：

步骤3.1，源端点在FEC标签映射表中新增一条多元组表项，并为其分配一个输出标签；

步骤3.2，源端点向源卫星发送LSP建立请求，其中包含源端点标识、从源卫星到目标卫星的路径、分配的带宽以及输出标签；

步骤3.3，源卫星收到LSP建立请求，在标签转发表中新增一条表项，并为其分配一个输出标签，判断要求的带宽是否足够；

若足够，则向下一跳中间卫星发送LSP建立请求，其中包含源端点标识、从下一跳中间卫星到目标卫星的路径、分配的带宽以及输出标签；

若不够，则停止LSP建立流程，LSP建立失败；

步骤3.4，中间卫星收到LSP建立请求，与源卫星执行同样操作，中间卫星数量不限于一颗，该LSP上的最后一跳中间卫星向目标卫星发送LSP建立请求；

步骤3.5，目标卫星收到LSP建立请求，在标签转发表中新增一条表项，并为其分配一个输出标签，判断要求的带宽是否足够；

若足够，则预留指定带宽资源，向目标端点发送LSP建立请求，其中包含源端点标识和输出标签，并向上一跳中间卫星发送LSP确认通知；

若不够，则停止LSP建立流程，LSP建立失败；

步骤3.6，目标端点收到LSP建立请求，将源端点标识及输入标签新增至LSP源端列表；

步骤3.7，上一跳中间卫星收到LSP确认通知，预留指定带宽资源，再向其上一跳节点转发LSP确认通知，逐步重复此操作，直至源端点收到LSP确认通知，LSP成功建立。

进一步的，所述步骤4中数据转发操作包括以下步骤：

步骤4.1，当源端点存在数据需要采用标签交换方式发送时，在FEC标签映射表中查询多元组对应的输出标签，再组帧并将其发送至源卫星；

步骤4.2，源卫星收到数据帧，提取输入标签，查询标签转发表，更新输出标签，再组帧并将其发送至中间卫星；

步骤4.3，中间卫星收到数据帧，与源卫星执行同样操作，中间卫星数量不限于一颗，该LSP上的最后一跳中间卫星向目标卫星发送数据帧；

步骤4.4，目标卫星收到数据帧，提取输入标签，查询标签转发表，更新输出标签，再组帧并将其发送至目标端点；

步骤4.5，目标端点收到数据帧，将帧头剥离，将载荷交由协议栈处理。

进一步的，当目标端点切换接入卫星时，通知LSP源端列表中的所有源端点，执行LSP释放操作，具体包括以下步骤：

步骤5.1，源端点向源卫星发送LSP释放请求，其中包含自身对应该LSP的输出标签，同时从FEC标签映射表中删除对应表项；

步骤5.2，源卫星收到LSP释放请求，根据输入标签查询标签转发表，找到下一跳中间卫星并向其转发LSP释放请求，其中包含自身对应该LSP的输出标签，同时从FEC标签映射表中删除对应表项，删除预留的上行资源和星间链路资源；

步骤5.3，中间卫星收到LSP释放请求，根据输入标签查询标签转发表，找到下一跳中间卫星或目标卫星并向其转发LSP释放请求，其中包含自身对应该LSP的输出标签，同时从FEC标签映射表中删除对应表项，删除预留的星间链路资源；

步骤5.4，目标卫星收到LSP释放请求，根据输入标签查询标签转发表，将LSP释放请求发送至目标端点，其中包含自身对应该LSP的输出标签，同时从标签转表中删除对应表项，删除预留的下行资源；

步骤5.5，目标端点收到LSP释放请求，根据输入标签查询LSP源端列表，找到对应的源端点标识，将其对应的输入标签从输入标签列表中删除；若输入标签列表变为空，则目标端点与源端点之间不再有LSP，删除该源端点对应表项。

本发明还保护一种基于上述GEO卫星网络通信方法的GEO卫星移动通信系统。

本发明将多协议标签交换技术融入GEO卫星网络，提出由端点进行标签的新增和删除操作，GEO卫星仅负责基于标签的路由转发，降低了星上标签交换操作的复杂度；源端点、卫星、目标端点各自维护一个用于标签交换的映射表，保证了数据转发的有序性；本发明定义了LSP建立、数据转发、LSP释放过程中使用到的各种帧结构，以及GEO卫星网络中的通用帧格式，以及LSP建立流程、数据转发流程和LSP释放流程，给出了MPLS技术在GEO卫星网络中的通信标准。

附图说明

图1为GEO卫星移动通信系统组成示意图；

图2为LSP建立过程示意图；

图3为LSP数据转发过程示意图；

图4为LSP释放过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

实施例1

一种GEO卫星网络的多协议标签交换方法，信息从源端点经由多个卫星发送至目标端点，包括以下步骤：1、源端点向信关站发送业务信息，业务信息包括但不限于源端点、目标端点、时延、带宽约束；2、信关站根据该业务信息，结合网络状态，完成从源端点到目标端点的LSP规划，并将该LSP的路径和资源分配信息返回源端点；3、源端点发起该LSP上各节点的标签分配和资源预留，完成LSP的建立；4、源端点基于该LSP进行数据转发。

为了降低星上操作的复杂度，本发明设计由端点进行标签的新增和删除操作，GEO卫星仅负责基于标签的路由转发，相当于把端点视为边缘路由器。

源端点维护一个FEC标签映射表，内容为多元组到输出标签的映射。FEC标签映射表中无需输出端口，因为源端点与源卫星的连接是确定的。

各卫星维护一个标签转发表，内容为输入端口+输入标签到输出端口+输出标签的映射，其中，输入端口和输出端口是星间链路端口或端点MAC地址。

目标端点维护一个LSP源端列表，内容为源端点标识到输入标签列表的映射。当目标端点切换接入卫星，通知LSP源端列表中的所有源端点，由源端点发起LSP的释放与重建，输入标签列表旨在记录与某源端点相关联的输入标签，当与某源端点相关联的输入标签列表为空时，删除该源端点标识对应表项。

基于信关站具有网络状态和业务需求上的全局视角，选择信关站进行路由计算，为每个FEC计算一条LSP，其中既包括为FEC首次建立的路由，也包括由于链路状态变化或者端点移动而为FEC重新建立的路由。网络中的卫星节点需定期向信关站报告自己的链路状态，例如可用性、剩余带宽等信息。

由于信令数据、业务数据均不需要MPLS专线，因此，可以选择各个网络节点同时支持标签交换与无连接交换。这就需要在帧格式中设置标签转发字段以区分标签交换和无连接交换。例如，当采用无连接交换时，标签转发字段设为0，并基于目标卫星地址、源卫星地址、目标端点链路标识、源端点链路标识字段进行交换；采用标签交换时，标签转发字段设为1，并基于标签字段进行交换。

针对MPLS应用于GEO卫星网络的通信格式，本实施例给出GEO卫星网络中的通用帧格式，参照表1。

表1

针对LSP建立、释放过程，本实施例给出LSP请求帧、LSP通知帧、LSP建立帧、LSP确认帧、LSP释放帧和LSP释放通知帧，具体阐述如下。

LSP请求帧用于源端点向信关站请求建立一条源端点到目标端点的LSP，其载荷格式见下表2。其中，多元组包括源端点标识、目标端点标识、协议类型、源端口、目标端口等，QoS要求包括时延、带宽等。

长度

类型

多元组

QoS要求

校验

表2

LSP通知帧用于信关站向源端点通知规划完成的LSP路径及资源分配信息，其载荷格式见下表3，其中，LSP字段包含整条LSP上的所有节点。

长度

类型

LSP

分配的带宽

校验

表3

LSP建立帧用于在LSP上的各节点分配标签及预留资源，其载荷格式见下表4，其中，路径字段包含从下一跳节点到目标卫星路径上的所有节点，标签是指本节点生成的输出标签，作为下一跳节点的输入标签。

长度

类型

源端点标识

路径

标签

分配的带宽

校验

表4

LSP确认帧用于通知上游节点LSP确认可以建立，其载荷格式见下表5。

长度

类型

校验

表5

LSP释放帧用于释放LSP上各节点的分配标签及预留资源，其载荷格式见下表6，其中，标签是指本节点生成的输出标签，是下一跳节点的输入标签。

长度

类型

源端点标识

标签

校验

表6

LSP释放通知帧用于目标端点切换时通知源端点，其载荷格式见下表7。

长度

类型

校验

表7

实施例2

结合图2实例，对LSP建立过程进行阐述。在本实施例中，默认每一跳卫星要求的带宽均足够。

终端S的IP地址为10.170.1.1，MAC地址为MAC_S；终端D的IP地址为10.170.3.1，MAC地址为MAC_D。终端S希望为一条到终端D的TCP流(源端口为8888，目标端口为7777)建立一条LSP，具体流程如下：

(1)作为源端点的终端S向信关站发送LSP请求帧；

(2)信关站规划一条从源端点到目标端点的LSP，然后向终端S返回LSP通知帧，告知终端S该LSP的路径和资源分配信息；

⑶终端S在FEC标签映射表中新增一条多元组表项，并为其分配一个输出标签1，然后向卫星1发送LSP建立帧；

⑷卫星1收到LSP建立帧，在标签转发表中新增一条表项，并为其分配一个输出标签2，然后向下一跳卫星2发送LSP建立帧；

⑸卫星2收到LSP建立帧，在标签转发表中新增一条表项，并为其分配一个输出标签3，然后向下一跳卫星3发送LSP建立帧；

⑹卫星3收到LSP建立帧，在标签转发表中新增一条表项，并为其分配一个输出标签4，然后向终端D发送LSP建立帧；

⑺卫星3向向终端D发送LSP建立帧的同时，预留指定带宽资源，然后向上一跳卫星2发送LSP确认帧；

⑻终端D收到LSP建立帧，将源端点标识及输入标签新增至LSP源端列表；

⑼卫星2收到LSP确认帧，预留指定带宽资源，然后向上一跳卫星1发送LSP确认帧；

⑽卫星1收到LSP确认帧，预留指定带宽资源，然后向上一跳终端S发送LSP确认帧；

⑾终端S收到LSP确认帧，LSP建立完成。

实施例3

结合图3实例，对LSP数据转发过程进行阐述。

终端S的IP地址为10.170.1.1，MAC地址为MAC_S；终端D的IP地址为10.170.3.1，MAC地址为MAC_D。终端S要向终端D发送TCP流(源端口为8888，目标端口为7777)，具体流程如下：

⑴当终端S存在数据需要采用标签交换方式发送时，在FEC标签映射表中查询多元组对应的输出标签1，再组帧并将其发送至卫星1；

⑵卫星1收到数据帧后，发现标签转发字段为1，则提取输入标签1，查询标签转发表，更新输出标签为2，然后从输出端口1发至卫星2；

⑶卫星2收到数据帧后，发现标签转发字段为1，则提取输入标签2，查询标签转发表，更新输出标签为3，然后从输出端口1发至卫星3；

⑷卫星3收到数据帧后，发现标签转发字段为1，则提取输入标签3，查询标签转发表，更新输出标签为4，然后经由MAC层将数据帧发至终端D；

⑸终端D收到数据帧，将帧头剥离，将载荷交由协议栈处理。

实施例4

在实际应用中，终端会在波束间或卫星间移动，但无论终端如何移动，应当始终保证终端S与终端D之间LSP的有效性。由于LSP是单向的，因此需要就源端点和目标端点的移动分别进行讨论。

1、源端点在波束间移动

当源端点在波束间移动时，由MAC层负责时频资源的重新分配。由于终端MAC地址不发生改变，因此源卫星的标签转发表也无需改变，即2.5层不需要进行任何操作。

2、目标端点在波束间移动

当目标端点在波束间移动时，由MAC层负责时频资源的重新分配。由于终端MAC地址不发生改变，因此目标卫星的标签转发表也无需改变，即2.5层不需要进行任何操作。

3、源端点在卫星间移动

当源端点即将切换到新的接入卫星(源卫星)时，需要将之前建立的所有经过旧的接入卫星的LSP释放。源端点针对FEC标签映射表中的每一条表项，先释放原先的LSP，再建立新的LSP。

4、目标端点在卫星间移动

当目标端点即将切换到新的接入卫星(目标卫星)时，查询其LSP源端列表，向其中的每个源端点发送一个LSP释放通知帧。此处，该目标端点到每个源端点的LSP释放通知帧，通过无连接交换方式发送。

源端点收到LSP释放通知帧，查询其FEC标签映射表，找到包含该目标端点的表项，针对每一个表项，先拆除原先的LSP，再建立新的LSP。

上述过程中就涉及到LSP释放的问题，本实施例结合图4实例，对LSP释放过程进行阐述。终端S的IP地址为10.170.1.1，MAC地址为MAC_S；终端D的IP地址为10.170.3.1，MAC地址为MAC_D。终端S与终端D之间已经建立起实施例2中的LSP。当目标端点切换接入卫星时，通知LSP源端列表中的所有源端点，执行LSP释放操作，具体包括以下步骤：

⑴终端S向卫星1发送LSP释放帧，其中包含自身对应该LSP的输出标签1，同时从FEC标签映射表中删除对应表项；

⑵卫星1收到LSP释放帧，根据输入标签1查询标签转发表，找到下一跳卫星2并向其转发LSP释放帧，其中包含自身对应该LSP的输出标签2，同时从FEC标签映射表中删除对应表项，删除预留的上行资源和星间链路资源；

⑶卫星2收到LSP释放帧，根据输入标签2查询标签转发表，找到下一跳卫星3并向其转发LSP释放帧，其中包含自身对应该LSP的输出标签3，同时从FEC标签映射表中删除对应表项，删除预留的星间链路资源；

⑷卫星3收到LSP释放帧，根据输入标签3查询标签转发表，将LSP释放帧发送至终端D，其中包含自身对应该LSP的输出标签4，同时从标签转表中删除对应表项，删除预留的下行资源；

⑸终端D收到LSP释放帧，根据输入标签4查询LSP源端列表，找到终端S对应的表项，将其对应的输入标签4从输入标签列表中删除；若输入标签列表变为空，则终端D与终端S之间不再有LSP，删除终端S对应表项。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种GEO卫星网络的多协议标签交换方法，信息从源端点经由多个卫星节点发送至目标端点，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，源端点向信关站发送业务信息，业务信息包括但不限于源端点、目标端点、时延、带宽约束；

步骤2，信关站根据该业务信息，结合网络状态，完成从源端点到目标端点的LSP规划，并将该LSP的路径和资源分配信息返回源端点；

步骤3，源端点发起该LSP上各节点的标签分配和资源预留，完成LSP的建立；

步骤4，源端点基于该LSP进行数据转发。

2.根据权利要求1所述的GEO卫星网络的多协议标签交换方法，其特征在于，源端点维护一个FEC标签映射表，内容为从多元组到输出标签的映射；各卫星维护一个标签转发表，内容为从输入端口、输入标签到输出端口、输出标签的映射；目标端点维护一个LSP源端列表，内容为从源端点标识到输入标签列表的映射。

3.根据权利要求2所述的GEO卫星网络的多协议标签交换方法，其特征在于，所述步骤3中LSP建立操作包括以下步骤：

步骤3.1，源端点在FEC标签映射表中新增一条多元组表项，并为其分配一个输出标签；

步骤3.2，源端点向源卫星发送LSP建立请求，其中包含源端点标识、从源卫星到目标卫星的路径、分配的带宽以及输出标签；

步骤3.3，源卫星收到LSP建立请求，在标签转发表中新增一条表项，并为其分配一个输出标签，判断要求的带宽是否足够；

若足够，则向下一跳中间卫星发送LSP建立请求，其中包含源端点标识、从下一跳中间卫星到目标卫星的路径、分配的带宽以及输出标签；

若不够，则停止LSP建立流程，LSP建立失败；

步骤3.4，中间卫星收到LSP建立请求，与源卫星执行同样操作，中间卫星数量不限于一颗，该LSP上的最后一跳中间卫星向目标卫星发送LSP建立请求；

步骤3.5，目标卫星收到LSP建立请求，在标签转发表中新增一条表项，并为其分配一个输出标签，判断要求的带宽是否足够；

若足够，则预留指定带宽资源，向目标端点发送LSP建立请求，其中包含源端点标识和输出标签，并向上一跳中间卫星发送LSP确认通知；

若不够，则停止LSP建立流程，LSP建立失败；

步骤3.6，目标端点收到LSP建立请求，将源端点标识及输入标签新增至LSP源端列表；

步骤3.7，上一跳中间卫星收到LSP确认通知，预留指定带宽资源，再向其上一跳节点转发LSP确认通知，逐步重复此操作，直至源端点收到LSP确认通知，LSP成功建立。

4.根据权利要求2所述的GEO卫星网络的多协议标签交换方法，其特征在于，所述步骤4中数据转发操作包括以下步骤：

步骤4.1，当源端点存在数据需要采用标签交换方式发送时，在FEC标签映射表中查询多元组对应的输出标签，再组帧并将其发送至源卫星；

步骤4.2，源卫星收到数据帧，提取输入标签，查询标签转发表，更新输出标签，再组帧并将其发送至中间卫星；

步骤4.3，中间卫星收到数据帧，与源卫星执行同样操作，中间卫星数量不限于一颗，该LSP上的最后一跳中间卫星向目标卫星发送数据帧；

步骤4.4，目标卫星收到数据帧，提取输入标签，查询标签转发表，更新输出标签，再组帧并将其发送至目标端点；

步骤4.5，目标端点收到数据帧，将帧头剥离，将载荷交由协议栈处理。

5.根据权利要求3或4所述的GEO卫星网络的多协议标签交换方法，其特征在于，当目标端点切换接入卫星时，通知LSP源端列表中的所有源端点，执行LSP释放操作，具体包括以下步骤：

步骤5.1，源端点向源卫星发送LSP释放请求，其中包含自身对应该LSP的输出标签，同时从FEC标签映射表中删除对应表项；

步骤5.2，源卫星收到LSP释放请求，根据输入标签查询标签转发表，找到下一跳中间卫星并向其转发LSP释放请求，其中包含自身对应该LSP的输出标签，同时从FEC标签映射表中删除对应表项，删除预留的上行资源和星间链路资源；

步骤5.3，中间卫星收到LSP释放请求，根据输入标签查询标签转发表，找到下一跳中间卫星或目标卫星并向其转发LSP释放请求，其中包含自身对应该LSP的输出标签，同时从FEC标签映射表中删除对应表项，删除预留的星间链路资源；

步骤5.4，目标卫星收到LSP释放请求，根据输入标签查询标签转发表，将LSP释放请求发送至目标端点，其中包含自身对应该LSP的输出标签，同时从标签转表中删除对应表项，删除预留的下行资源；

步骤5.5，目标端点收到LSP释放请求，根据输入标签查询LSP源端列表，找到对应的源端点标识，将其对应的输入标签从输入标签列表中删除；若输入标签列表变为空，则目标端点与源端点之间不再有LSP，删除该源端点对应表项。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述GEO卫星网络通信方法的GEO卫星移动通信系统。

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