CN112910543A - 一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法。该方法具体步骤如下：基于控制信息与数据信息分离的原则，构建双层卫星网络结构；对双层卫星网络结构中的概念进行定义，用于描述消息路由过程；将双层卫星网络结划分为不同时隙，不同时隙内网络的拓扑不同，同一时隙内网络的拓扑不变；建立针对卫星的拥塞处理机制。该机制利用双层卫星网络的分层管理能力，应对空间通信中的链路中断、高链路时延的状况，动态调整链路改变情况下的路由，赋予网络一定的抗毁能力和处理突发情况的能力，保证信息在非正常情况下的正确传输，达到卫星网络中的容迟容断效果。

Description

一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，特别是一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法。

背景技术

目前的Internet网络采用TCP/IP协议，TCP/IP协议为其提供了一种基于不同链路层技术的端到端的通信机制。TCP/IP协议的平稳运行基于端到端持续的双向路径、较小的网络时延、相对一致的双向数据速率及较低的误码率。但是近年来出现很多新型网络，如野生动物监测传感网络、移动车载网、星际网络、战术通信网、口袋交换网、水下传感器网、空间光通信网、乡村通信网等，这些网络存在长时间的链路延迟、频繁的端到端路径中断、有限的能量供给和有限的存储能力等特点，这些特点使得现有体系结构和协议不再适用。

空间通信的特殊性导致了空间网络具有子网异构、网络拓扑不断变化、链路传输延迟大、链路误码率高等特点，这些特点使得卫星网络和地面网络有着显著的不同，表现为空间通信网络经常呈现出长时延、链路间频繁通断、高链路差错率、存储能力有限等。这些表现严重影响通信的质量，无法完成民用军用等场景中的需求。基于传统网络结构的协议不能适用这种特殊的通信场景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法，以解决空间通信中长时延、链路间频繁通断、高链路差错率等问题，从而提高空间通信的质量和需求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法，具体步骤如下：

步骤1，基于控制信息与数据信息分离的原则，构建双层卫星网络结构；

步骤2，对双层卫星网络结构中的概念进行定义，用于描述消息路由过程；

步骤3，将双层卫星网络结划分为不同时隙，不同时隙内网络的拓扑不同，同一时隙内网络的拓扑不变；

步骤4，建立针对卫星的拥塞处理机制。

进一步地，步骤1所述基于控制信息与数据信息分离的原则，构建双层卫星网络结构，具体为：

(1.1)在GEO轨道设置3颗地球同步卫星实现覆盖全球，将管理卫星切换覆盖层的问题集中到LEO卫星，通过GEO卫星所覆盖的区域划分管理组，将LEO卫星分入不同的组进行管理；与此同时，设定LEO卫星作为与地面的接入层，LEO卫星负责接收来自地面的消息；

(1.2)通过划分时间片段，将卫星网络划分为n个不同的拓扑，并依此计算不同时刻的路由路径，实现网络的业务需求，不增加计算路由时的计算量，保持抗毁性与处理突发情况的能力。

进一步地，步骤2所述对双层卫星网络结构中的概念进行定义，用于描述消息路由过程，具体为：

(2.1)定义链路连接性，令l_AB表示卫星节点A与卫星节点B之间的链路；

(2.2)定义LEO链路报告，令LLR(A)表示LEO卫星的链路报告；

(2.3)定义网络拓扑图，在计算路由之前，首先构建全网拓扑图；GEO卫星通过收集所属分组内的LEO卫星链路报告，获得部分拓扑信息，GEO卫星间相互交换组内链路连接信息即获得全网拓扑信息G(V,E)，其中V表示GEO卫星节点，E表示GEO卫星链路，G(V,E)采用邻接表存储；

(2.3)定义路由表，令R_table表示各节点的路由表，路由表包含本节点、目的节点与下一跳节点，具体表示如下：

R_table＝{＜S_id,D_id,N_id＞|S_id,D_id,N_id∈{LEO layer}∪{GEO layer}}

其中S_id表示本节点编号，D_id表示目的节点编号，N_id表示下一跳节点编号，LEO layer表示所有LEO卫星节点，GEO layer表示所有GEO卫星节点；

(2.4)定义拥塞报告，令Jam(A)表示卫星节点A的拥塞报告，卫星节点A为自身缓存数设定一个阈值，当节点内缓存数超过该阈值时，向所属GEO卫星发送拥塞报告Jam(A)，GEO卫星在收到报告后将该节点置为不可达，更新组内路由并等候至下一时间片计算全网路由；

(2.5)定义拥塞解除报告，卫星节点A拥塞解除后，发送拥塞接触报告N_Jam(A)至所属GEO卫星，GEO卫星在收到报告后将该节点置为可到达，更新组内路由并等候至下一时间片计算全网路由；

(2.6)定义失效报告，若卫星节点B失效，可能是LEO卫星，也可能是GEO卫星，在时间片更新时，所属的GEO卫星经过一段时间τ无法获得卫星节点B的链路报告，则可知卫星节点B已失效，GEO卫星向控制中心发送节点失效报告Node_Failure(B)。

进一步地，步骤3所述将双层卫星网络结划分为不同时隙，不同时隙内网络的拓扑不同，同一时隙内网络的拓扑不变，具体为：

(3.1)当更新到新的时隙时，各LEO卫星获取收集与其他节点的可连接性l_AB，生成卫星链路报告LLR(Li,j)；

(3.2)当GEO卫星集齐本组内所有链路报告或超过时间间隔τ时，GEO卫星将通过层内链路ISLGi-Gj向相邻的GEO卫星发送所收集的链路报告，若在时间(τ,τ+δ]内，Gj未收到来自Gi的链路报告，则向控制中心发送节点失效报告Node_Failure(Gi)；

(3.3)GEO卫星相互交换链路报告后，各GEO卫星均可获得网络拓扑图G(V,E)，依据跳数最少原则，GEO卫星为分组内每颗LEO卫星计算到所有LEO卫星的最少跳数路径，并由此更新其路由表R_table；

(3.4)计算更新完各LEO卫星的路由表后，GEO卫星根据R_table的S_id，通过层间链路IOLGi-S_id将路由表R_table发送给各LEO卫星，LEO卫星发送ACK确认消息，路由计算更新完毕；

(3.5)控制中心接收到节点失效报告Node_Failure(A)后，首先根据失效报告判别失效卫星的类型，若失效卫星为LEO卫星，则查明原因修复；若失效卫星为GEO卫星，一方面，查明原因修复，另一方面，由于GEO卫星失效将会影响网络的拓扑信息收集，为此，控制中心根据预先计算的此时隙内的分组情况，向该GEO所在分组内的LEO卫星发送命令，使LEO卫星发送链路报告至其他GEO卫星，由正常的GEO卫星暂为处理。

进一步地，步骤4所述建立针对卫星的拥塞处理机制，具体为：

(4.1)设计LEO卫星拥塞处理机制

在多层卫星网络中，LEO卫星负责承担地面网关的接入以及数据传输业务，针对不同轨道卫星覆盖区域不同，增加业务量大区域卫星数目，对于网络内流量突发情况，利用节点自身内存数与最大缓存数的比值α_memory实现监控：

α_memory＝m_now/m_max

其中m_now代表节点当前内存数，m_max代表节点最大内存数；

设定节点拥塞判定的阈值为85％，当α_memory大于0.85时，认为当前节点出现拥塞，本节点发送拥塞报告Jam(A)至分组内管理者G_i，G_i在自身存储网络拓扑中将A卫星设为不可达，重新计算路由并下发至本组内LEO卫星，直至节点发送拥塞解除报告N_Jam(A)，重新置其为可到达，并更新组内路由；

(4.2)设计GEO卫星拥塞处理机制

GEO卫星作为组管理者，既辅助承担数据传输业务，还负责计算网络路由，当GEO卫星出现拥塞情况时，利用Bundle层协议思想，通过将到来的消息束转发至其他GEO卫星节点，凭借计算能力解除拥塞状态；若网络中GEO卫星发生拥塞情况频率超过阈值，则排查是否为网络遭受攻击，还是网络结构已不能满足业务要求，需要升级网络。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用双层卫星网络的分层管理能力，应对空间通信中的链路中断、高链路时延的状况；(2)能够动态调整链路改变情况下的路由，赋予网络一定的抗毁能力和处理突发情况的能力；(3)能够保证信息在非正常情况下的正确传输，达到卫星网络中的容迟容断效果。

附图说明

图1是本发明容迟容断双层卫星路由机制的流程框图。

图2是LEO/GEO双层卫星网络示意图。

图3是任意一条链路通断划分时间片段示意图。

图4是合并较短的时间片段示意图。

图5是卫星运动带来的分组切换示意图。

图6是卫星网络路由更新图。

具体实施方式

本发明提供了一种能够应对空间通信中的链路中断、高链路时延的状况，动态调整链路改变情况下的路由的容迟容断双层卫星路由机制，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明公开了一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法。该机制利用双层卫星网络的分层管理能力，能够应对空间通信中的链路中断、高链路时延的状况，动态调整链路改变情况下的路由，赋予网络一定的抗毁能力和处理突发情况的能力，保证信息在非正常情况下的正确传输，达到卫星网络中的容迟容断效果，该机制的具体操作步骤如下：

步骤1，基于控制信息与数据信息分离的原则，构建双层卫星网络结构；

步骤2，对双层卫星网络结构中的概念进行定义，用于描述消息路由过程；

步骤3，将双层卫星网络结划分为不同时隙，不同时隙内网络的拓扑不同，同一时隙内网络的拓扑不变；

步骤4，建立针对卫星的拥塞处理机制。

进一步地，步骤1具体如下：基于控制信息与数据信息分离的思想，设计一个能完成以下要求的网络结构：实现网络的业务需求，不会增加计算路由时的计算量，保持良好的抗毁性与处理突发情况的能力；

(1.1)设计在GEO轨道设置3颗地球同步卫星，实现覆盖全球，将管理卫星切换覆盖层的问题集中到LEO卫星，并通过GEO卫星所覆盖的区域划分管理组，将LEO卫星分入不同的组进行管理。与此同时，考虑到GEO卫星对地球高纬度地区难以覆盖，通过设定LEO卫星作为与地面的接入层，LEO卫星负责接收来自地面的消息，以便解决高纬度地区的接入问题；

(1.2)通过划分时间片段，可以将卫星网络划分为n个不同的拓扑，并依此计算不同时刻的路由路径，实现网络的业务需求，不增加计算路由时的计算量，保持抗毁性与处理突发情况的能力。

进一步地，步骤2具体如下：对相关概念进行定义，以便于描述消息路由过程；

(2.1)定义链路连接性，令l_AB表示卫星节点A与卫星节点B之间的链路；

(2.2)定义LEO链路报告，令LLR(A)表示LEO卫星的链路报告；

(2.3)定义网络拓扑图，在计算路由之前，首先需要构建全网拓扑图。GEO卫星通过收集所属分组内的LEO卫星链路报告，获得部分拓扑信息，GEO卫星间相互交换组内链路连接信息即可获得全网拓扑信息G(V,E)。其中V表示卫星节点，E表示卫星链路，G(V,E)采用邻接表存储。

(2.3)定义路由表，令R_table表示各节点的路由表，路由表包含本节点、目的节点与下一跳节点，具体表示如下：

R_table＝{＜S_id,D_id,N_id＞|S_id,D_id,N_id∈{LEO layer}∪{GEO layer}}

其中S_id表示本节点编号，D_id表示目的节点编号，N_id表示下一跳节点编号，LEO layer表示所有LEO卫星节点，GEO layer表示所有GEO卫星节点；

(2.4)定义拥塞报告，令Jam(A)表示卫星节点A的拥塞报告，卫星节点A通过为自身缓存数设定一个阈值，如当节点内缓存数超过自身最大存储数70％时，向所属GEO卫星发送拥塞报告Jam(A)，GEO卫星在收到报告后将该节点置为不可达，更新组内路由并等候至下一时间片计算全网路由。

(2.5)定义拥塞解除报告，卫星节点A拥塞解除后，发送拥塞接触报告N_Jam(A)至所属GEO卫星，GEO卫星在收到报告后将该节点置为可到达，更新组内路由并等候至下一时间片计算全网路由。

(2.6)定义失效报告，若卫星节点B失效(可能是LEO卫星，也可能是GEO卫星)，在时间片更新时，其所属的GEO卫星经过一段时间τ无法获得卫星节点B的链路报告，则可知卫星节点B已失效，GEO向控制中心发送节点失效报告Node_Failure(B)。

进一步地，步骤3具体如下：将网络划分为不同时隙，不同的时隙内网络的拓扑不同，同一时隙内可认为网络拓扑基本不变。时隙划分工作可由地面控制中心完成，划分后广播给各卫星存储。

(3.1)当更新到新的时隙时，各LEO卫星获取收集与其他节点的可连接性l_AB，生成卫星链路报告LLR(Li,j)；

(3.2)当GEO卫星集齐本组内所有链路报告或超过时间τ时，GEO卫星将通过层内链路ISLGi-Gj向相邻的GEO卫星发送所收集的链路报告，若在时间(τ,τ+δ]内，Gj未收到来自Gi的链路报告，则向控制中心发送节点失效报告Node_Failure(Gi)；

(3.3)GEO卫星相互交换链路报告后，各GEO卫星均可获得网络拓扑图G(V,E)，依据跳数最少原则，GEO卫星为分组内每颗LEO卫星计算到所有LEO卫星的最少跳数路径，并由此更新其路由表R_table；

(3.4)计算更新完各LEO卫星的路由表后，GEO卫星根据R_table的S_id，通过层间链路IOLGi-S_id将路由表R_table发送给各LEO卫星，LEO卫星发送ACK确认消息。路由计算更新完毕；

(3.5)控制中心接收到节点失效报告Node_Failure(A)后，首先根据失效报告判别失效卫星的类型，若失效卫星为LEO卫星，则尽快查明原因修复；若失效卫星为GEO卫星，一方面，尽快查明原因修复，另一方面，由于GEO卫星失效将会影响网络的拓扑信息收集，为此，控制中心根据预先计算的此时隙内的分组情况，向该GEO所在分组内的LEO卫星发送命令，使LEO卫星发送链路报告至其他GEO卫星，由正常的GEO卫星暂为处理。

进一步地，步骤4具体如下：为了避免某时隙内网络产生流量突发的情况，引起节点拥塞，分别设计了针对两种卫星的几点拥塞处理机制。

(4.1)设计LEO卫星拥塞处理机制：

在多层卫星网络中，LEO卫星负责承担地面网关的接入以及数据传输业务，针对不同轨道卫星覆盖区域不同，增加业务量大区域卫星数目，对于网络内流量突发情况，利用节点自身内存数与最大缓存数的比值α_memory实现监控：

α_memory＝m_now/m_max

其中m_now代表节点当前内存数，m_max代表节点最大内存数；

设定节点拥塞判定的阈值为85％，当α_memory大于0.85时，认为当前节点出现拥塞，本节点发送拥塞报告Jam(A)至分组内管理者G_i，G_i在自身存储网络拓扑中将A卫星设为不可达，重新计算路由并下发至本组内LEO卫星，直至节点发送拥塞解除报告N_Jam(A)，重新置其为可到达，并更新组内路由；

(4.2)设计GEO卫星拥塞处理机制：

GEO卫星作为组管理者，既辅助承担数据传输业务，还负责计算网络路由，当GEO卫星出现拥塞情况时，利用Bundle层协议思想，通过将到来的消息束转发至其他GEO卫星节点，凭借计算能力解除拥塞状态；若网络中GEO卫星发生拥塞情况频率超过阈值，则排查是否为网络遭受攻击，还是网络结构已不能满足业务要求，需要升级网络。

实施例1

结合图1，本发明容迟容断双层卫星路由机制，步骤如下：

步骤1，基于控制信息与数据信息分离的思想，设计一个能完成以下要求的网络结构：实现网络的业务需求，不会增加计算路由时的计算量，保持良好的抗毁性与处理突发情况的能力。不同轨道的卫星中LEO卫星与地面的传输时延最小，链路损耗最低，GEO卫星覆盖地球范围最广阔，尤以位于赤道高度为35786km的GEO卫星为佳。因此，在本文中选取的网络拓扑结构为LEO/GEO双层卫星网络，如图2所示，以此建立与地面的通信机制。

为了适应对空间通信中长时延、链路间频繁通断、高链路差错率、存储能力有限的场景，提升空间通信的质量和需求，实现空间网络容迟容断的能力，利用位于赤道的GEO卫星对地静止这一特点，本节设计在GEO轨道设置3颗地球同步卫星，实现覆盖全球，将管理卫星切换覆盖层的问题集中到LEO卫星，并通过GEO卫星所覆盖的区域划分管理组，将LEO卫星分入不同的组进行管理。与此同时，考虑到GEO卫星对地球高纬度地区难以覆盖，通过设定LEO卫星作为与地面的接入层，LEO卫星负责接收来自地面的消息，解决了高纬度地区的接入问题。

本方案采取了优化的非等长时间划分方式，按照这样的划分方法，网络中可能形成如图3示的时间片划分，按照这样划分的时间片段，可能会出现图中[T(5),T(6)]这样较短的时间片段，在该时间片段内，由于只有一条链路发生通断的变化，对网络的拓扑影响不大，而由此带来的重新计算网络路由问题则更令人关心。为此，VLRA算法通过设定时间长度阈值Td，将所划分的时间片段长度与Td比较，若时间片长度小于Td，则将该时间片段与上一时间片段合并，并在上一时间片段内提前将此链路设置为断开，如图4所示。

在多层卫星网络中，由于LEO卫星的运动，还有一个必须解决的问题便是LEO卫星的分组切换，如图5所示，由于卫星运动，由当前GEO覆盖范围切换至另一GEO的覆盖区域，由于本方案采取GEO卫星作为组管理者，这种切换需要单独考虑，在计算合并时间片时，具有高优先级，不会合并。

步骤2，对相关概念进行定义，以便于描述消息路由过程：

定义链路连接性：令l_AB表示卫星节点A与卫星节点B之间的链路，由2.1.2节可知，此链路分为ISL、IOL、UDL三种，根据对卫星链路的介绍，令Bool(l_AB)表示卫星节点A与卫星节点B之间的可连接性，具体表示如下：

定义LEO链路报告：令LLR(A)表示LEO卫星的链路报告，LLR(A)使用二元组(B,Bool(l_AB))表示，其中B表示与卫星节点A具有链路的卫星节点B，LEO卫星链路包括：①与周围相邻的4颗LEO卫星L_i,j之间的链路ISL，②与GEO卫星G_i之间的链路IOL，③与地面网关N_k之间的链路UDL。L_i,j为LEO卫星在网络中的编号，L表示为LEO卫星，i表示LEO卫星所属管理者GEO卫星的编号，j表示LEO卫星的自身编号，G_i为GEO卫星编号。N_k表示地面网关的地址编号，0<n<count(A,N_k)-1，count(A,N_k)表示与卫星节点A可连的地面网关数量。链路报告具体表示如下：

LLR(A)＝{(X,Bool(l_AX))|X∈{L_i,j},|L_i,j＝4|}∪{(Y,Bool(l_AY))|Y∈{G_i}}

∪{(Z,Bool(l_AZ))|Z∈{N_k},|{N_k}|＝n,0＜n＜count(A,N_k)-1}

定义网络拓扑图：在计算路由之前，首先需要构建全网拓扑图。GEO卫星通过收集所属分组内的LEO卫星链路报告，获得部分拓扑信息，GEO卫星间相互交换组内链路连接信息即可获得全网拓扑信息G(V,E)。其中V表示卫星节点，E表示卫星链路，G(V,E)采用邻接表存储。

定义路由表：令R_table表示各节点的路由表，路由表包含本节点、目的节点与下一跳节点，具体表示如下：

R_table＝{＜S_id,D_id,N_id＞|S_id,D_id,N_id∈{LEO layer}∪{GEO layer}}

其中，S_id表示本节点编号，D_id表示目的节点编号，N_id表示下一跳节点编号。

定义拥塞报告：令Jam(A)表示卫星节点A的拥塞报告，卫星节点A通过为自身缓存数设定一个阈值，如当节点内缓存数超过自身最大存储数70％时，向所属GEO卫星发送拥塞报告Jam(A)，GEO卫星在收到报告后将该节点置为不可达，更新组内路由并等候至下一时间片计算全网路由。

定义拥塞解除报告：卫星节点A拥塞解除后，发送拥塞接触报告N_Jam(A)至所属GEO卫星，GEO卫星在收到报告后将该节点置为可到达，更新组内路由并等候至下一时间片计算全网路由。

定义失效报告：若卫星节点B失效(可能是LEO卫星，也可能是GEO卫星)，在时间片更新时，其所属的GEO经过一段时间τ无法获得卫星节点B的链路报告，则可知节点已失效，GEO向控制中心发送节点失效报告Node_Failure(B)。

步骤3，将网络划分为不同时隙，不同的时隙内网络的拓扑不同，同一时隙内可认为网络拓扑基本不变。时隙划分工作可由地面控制中心完成，划分后广播给各卫星存储。具体路由更新步骤结合图6进行解释。

(1)当更新到新的时隙时，各LEO卫星获取收集与其他节点的可连接性l_AB，生成卫星链路报告LLR(L_i,j)，(1)执行完毕。

(2)在执行完第一步后，LEO卫星通过层间链路IOL_Li,j--Gi向所在分组管理卫星发送链路报告LLR(L_i,j)，G_i等候时间τ，若时间τ内接收到的链路报告数与组内成员数相同，则继续(3)，否则发送链路失效报告Node_Failure(L_i,j)至地面控制中心，同时将以L_i,j为其中一个端点的链路连接性置0后执行(6)，(2)执行完毕。

(3)当GEO卫星集齐本组内所有链路报告或超过时间τ时，GEO卫星将通过层内链路ISL_Gi--Gj向相邻的GEO卫星发送所收集的链路报告，若在时间(τ,τ+δ]内，G_j未收到来自G_i的链路报告，则向控制中心发送节点失效报告Node_Failure(G_i)，执行(6)，否则执行(4)，(3)执行完毕。

(4)GEO卫星相互交换链路报告后，各GEO卫星均可获得网络拓扑图G(V,E)，依据跳数最少原则，GEO卫星为分组内每颗LEO卫星计算到所有LEO卫星的最少跳数路径，并由此更新其路由表R_table，(4)执行完毕。

(5)计算更新完各LEO卫星的路由表后，GEO卫星根据R_table的S_id，通过层间链路IOL_{Gi-S_id}将路由表R_table发送给各LEO卫星，LEO卫星发送ACK确认消息。(5)执行完毕，路由计算更新完毕。

(6)控制中心接收到节点失效报告Node_Failure(A)后，首先根据失效报告判别失效卫星的类型，若失效卫星为LEO卫星，则尽快查明原因修复；若失效卫星为GEO卫星，一方面，尽快查明原因修复，另一方面，由于GEO卫星失效将会影响网络的拓扑信息收集，为此，控制中心根据预先计算的此时隙内的分组情况，向该GEO所在分组内的LEO卫星发送命令，使LEO卫星发送链路报告至其他GEO卫星，由正常的GEO卫星暂为处理，重新执行(3)。

步骤4，为了避免某时隙内网络产生流量突发的情况，引起节点拥塞，分别设计了针对两种卫星的几点拥塞处理机制。

(1)LEO卫星拥塞：在多层卫星网络中，LEO卫星负责承担地面网关的接入，以及大部分的数据传输业务，某一卫星节点拥塞多为该地区业务量大或流量突发。针对不同轨道卫星覆盖区域不同，可利用此特性设计增加业务量大区域卫星数目，达到合理分配网络资源目的。对于网络内流量突发情况，可利用节点自身内存数与最大缓存数的比值α_memory实现监控。

α_memory＝m_now/m_max

其中m_now代表节点当前内存数，m_max代表节点最大内存数。设定节点拥塞判定的阈值为85％，当α_memory大于0.85时，认为当前节点出现拥塞，本节点发送拥塞报告Jam(A)至分组内管理者G_i，G_i在自身存储网络拓扑中将卫星节点A设为不可达，重新计算路由并下发至本组内LEO卫星，直至节点发送拥塞解除报告N_Jam(A)，重新置其为可到达，并更新组内路由。

(2)GEO卫星拥塞：GEO卫星作为组管理者，既辅助承担数据传输业务，还负责计算网络路由，处理LEO卫星拥塞，有较大可能发生节点拥塞的情况。然而在实际网络中，GEO卫星的处理能力优于LEO卫星，故实际过程中GEO卫星节点较难出现节点拥塞情况。当GEO卫星出现拥塞情况时，多半是网络中流量突发导致，这种情况下引起GEO卫星拥塞的时间不长，利用Bundle层协议思想，通过将到来的消息束转发至其他GEO卫星节点，凭借其计算能力解除拥塞状态。若网络中GEO卫星时常发生拥塞情况，则需要考虑是否为网络遭受攻击，需要排除异常，还是网络结构已不能满足业务要求，需要升级网络。

本发明提供了一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法，该机制利用双层卫星网络的分层管理能力，应对空间通信中的链路中断、高链路时延的状况，动态调整链路改变情况下的路由，赋予网络一定的抗毁能力和处理突发情况的能力，保证信息在非正常情况下的正确传输，达到卫星网络中的容迟容断效果。可以适应对空间通信中长时延、链路间频繁通断、高链路差错率、存储能力有限的场景，提升空间通信的质量和需求。

本实施例提供的容迟容断网络的路由算法，可以应用在容迟容断网络中。

Claims (5)

1.一种容迟容断双层卫星路由机制的实现方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，基于控制信息与数据信息分离的原则，构建双层卫星网络结构；

步骤2，对双层卫星网络结构中的概念进行定义，用于描述消息路由过程；

步骤3，将双层卫星网络结划分为不同时隙，不同时隙内网络的拓扑不同，同一时隙内网络的拓扑不变；

步骤4，建立针对卫星的拥塞处理机制。

2.根据权利要求1所述的容迟容断双层卫星路由机制的实现方法，其特征在于，步骤1所述基于控制信息与数据信息分离的原则，构建双层卫星网络结构，具体为：

(1.1)在GEO轨道设置3颗地球同步卫星实现覆盖全球，将管理卫星切换覆盖层的问题集中到LEO卫星，通过GEO卫星所覆盖的区域划分管理组，将LEO卫星分入不同的组进行管理；与此同时，设定LEO卫星作为与地面的接入层，LEO卫星负责接收来自地面的消息；

(1.2)通过划分时间片段，将卫星网络划分为n个不同的拓扑，并依此计算不同时刻的路由路径，实现网络的业务需求，不增加计算路由时的计算量，保持抗毁性与处理突发情况的能力。

3.根据权利要求1所述的容迟容断双层卫星路由机制的实现方法，其特征在于，步骤2所述对双层卫星网络结构中的概念进行定义，用于描述消息路由过程，具体为：

(2.1)定义链路连接性，令l_AB表示卫星节点A与卫星节点B之间的链路；

(2.2)定义LEO链路报告，令LLR(A)表示LEO卫星的链路报告；

(2.3)定义网络拓扑图，在计算路由之前，首先构建全网拓扑图；GEO卫星通过收集所属分组内的LEO卫星链路报告，获得部分拓扑信息，GEO卫星间相互交换组内链路连接信息即获得全网拓扑信息G(V,E)，其中V表示GEO卫星节点，E表示GEO卫星链路，G(V,E)采用邻接表存储；

(2.3)定义路由表，令R_table表示各节点的路由表，路由表包含本节点、目的节点与下一跳节点，具体表示如下：

R_table＝{＜S-id,D-id,N-id＞|S_id,D_id,N_id∈{LEO layer}∪{GEO layer}}

其中S_id表示本节点编号，D_id表示目的节点编号，N_id表示下一跳节点编号，LEOlayer表示所有LEO卫星节点，GEO layer表示所有GEO卫星节点；

(2.4)定义拥塞报告，令Jam(A)表示卫星节点A的拥塞报告，卫星节点A为自身缓存数设定一个阈值，当节点内缓存数超过该阈值时，向所属GEO卫星发送拥塞报告Jam(A)，GEO卫星在收到报告后将该节点置为不可达，更新组内路由并等候至下一时间片计算全网路由；

(2.5)定义拥塞解除报告，卫星节点A拥塞解除后，发送拥塞接触报告N_Jam(A)至所属GEO卫星，GEO卫星在收到报告后将该节点置为可到达，更新组内路由并等候至下一时间片计算全网路由；

(2.6)定义失效报告，若卫星节点B失效，可能是LEO卫星，也可能是GEO卫星，在时间片更新时，所属的GEO卫星经过一段时间τ无法获得卫星节点B的链路报告，则可知卫星节点B已失效，GEO卫星向控制中心发送节点失效报告Node_Failure(B)。

4.根据权利要求1所述的容迟容断双层卫星路由机制的实现方法，其特征在于，步骤3所述将双层卫星网络结划分为不同时隙，不同时隙内网络的拓扑不同，同一时隙内网络的拓扑不变，具体为：

(3.1)当更新到新的时隙时，各LEO卫星获取收集与其他节点的可连接性l_AB，生成卫星链路报告LLR(Li,j)；

(3.2)当GEO卫星集齐本组内所有链路报告或超过时间间隔τ时，GEO卫星将通过层内链路ISLGi-Gj向相邻的GEO卫星发送所收集的链路报告，若在时间(τ,τ+δ]内，Gj未收到来自Gi的链路报告，则向控制中心发送节点失效报告Node_Failure(Gi)；

(3.3)GEO卫星相互交换链路报告后，各GEO卫星均可获得网络拓扑图G(V,E)，依据跳数最少原则，GEO卫星为分组内每颗LEO卫星计算到所有LEO卫星的最少跳数路径，并由此更新其路由表R_table；

(3.4)计算更新完各LEO卫星的路由表后，GEO卫星根据R_table的S_id，通过层间链路IOLGi-S_id将路由表R_table发送给各LEO卫星，LEO卫星发送ACK确认消息，路由计算更新完毕；

(3.5)控制中心接收到节点失效报告Node_Failure(A)后，首先根据失效报告判别失效卫星的类型，若失效卫星为LEO卫星，则查明原因修复；若失效卫星为GEO卫星，一方面，查明原因修复，另一方面，由于GEO卫星失效将会影响网络的拓扑信息收集，为此，控制中心根据预先计算的此时隙内的分组情况，向该GEO所在分组内的LEO卫星发送命令，使LEO卫星发送链路报告至其他GEO卫星，由正常的GEO卫星暂为处理。

5.根据权利要求1所述的容迟容断双层卫星路由机制的实现方法，其特征在于，步骤4所述建立针对卫星的拥塞处理机制，具体为：

(4.1)设计LEO卫星拥塞处理机制

在多层卫星网络中，LEO卫星负责承担地面网关的接入以及数据传输业务，针对不同轨道卫星覆盖区域不同，增加业务量大区域卫星数目，对于网络内流量突发情况，利用节点自身内存数与最大缓存数的比值α_memory实现监控：

α_memory＝m_now/m_max

其中m_now代表节点当前内存数，m_max代表节点最大内存数；

设定节点拥塞判定的阈值为85％，当α_memory大于0.85时，认为当前节点出现拥塞，本节点发送拥塞报告Jam(A)至分组内管理者G_i，G_i在自身存储网络拓扑中将A卫星设为不可达，重新计算路由并下发至本组内LEO卫星，直至节点发送拥塞解除报告N_Jam(A)，重新置其为可到达，并更新组内路由；

(4.2)设计GEO卫星拥塞处理机制

GEO卫星作为组管理者，既辅助承担数据传输业务，还负责计算网络路由，当GEO卫星出现拥塞情况时，利用Bundle层协议思想，通过将到来的消息束转发至其他GEO卫星节点，凭借计算能力解除拥塞状态；若网络中GEO卫星发生拥塞情况频率超过阈值，则排查是否为网络遭受攻击，还是网络结构已不能满足业务要求，需要升级网络。

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