CN114866134B - 一种基于ccn的卫星网络路由转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CCN的卫星网络路由转发方法，包括以下步骤：S1：利用卫星接收并处理兴趣包；S2：根据兴趣包的处理结果，判断兴趣包是否发生缓存命中，若是则进入步骤S3，否则进入步骤S4；S3：利用反向路径算法返回兴趣包；S4：转发兴趣包。在改善卫星存储空间方面，本申请的内存开销远远小于传统CCN下的额外待定兴趣表内存开销。本发明使用反向路径维护算法，避免了返回的数据包返回中遭遇路径中断而导致兴趣重传的问题，提高了内容交付率，改善了用户获得内容的时延。

Description

一种基于CCN的卫星网络路由转发方法

技术领域

本发明属于卫星网络技术领域，具体涉及一种基于CCN的卫星网络路由转发方法。

背景技术

内容中心网络(Content Centric Network，CCN)是一种区别于传统IP网络的全新网络架构，通过网络层直接向用户提供内容，它知道内容的名称(或标识符)，通过使用不包含对内容位置引用的名称来对内容项进行寻址。通过CCN来整合卫星和地面网络的目的是通过CCN架构来解决卫星网络中的关键性问题，如卫星网络拓扑结构多变，LEO卫星星座下的长传播延迟，以及如何利用卫星网络的主要优势，例如广域覆盖和固有的广播支持，来增加采用CCN架构整合卫星和地面网络的整体收益。尽管许多研究人员描述了将CCN与卫星网络融合的诸多优势，但是将CCN架构引入卫星物联网之后，在路由方面仍然存在以下三个主要的问题：(1)每个卫星节点频繁的进行路由转发和兴趣聚合操作，导致卫星存储空间不足，负载压力过大；(2)传统CCN仅通过兴趣包中的“nonce”字段唯一表示兴趣，用来判断兴趣回环的存在，这一方法在卫星网络中并不适用；(3)传统CCN中的数据包仅依靠PIT中记录的返回路径来逐跳返回，但是卫星网络拓扑动态变化，反向路径的可靠性很难保证。针对上述问题，本发明对传统CCN进行改造，提出了一种基于CCN的卫星网络路由转发方案。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于CCN的卫星网络路由转发方法。

本发明的技术方案是：一种基于CCN的卫星网络路由转发方法包括以下步骤：

S1：通过地面用户将兴趣包上传至距离该用户最近的卫星，利用卫星接收并处理兴趣包；

S2：根据兴趣包的处理结果，判断兴趣包是否发生缓存命中，若是则进入步骤S3，否则进入步骤S4；

S3：利用反向路径算法返回兴趣包；

S4：转发兴趣包。

进一步地，步骤S2中，判断兴趣包是否发生缓存命中的具体方法为：若兴趣包的请求数据在星载路由器的内容存储器中发生缓存命中，则返回兴趣包，进入步骤S3，否则将满足第一兴趣回环检测规则和第二兴趣回环检测规则且未在内容存储器、待定兴趣表和前向转发表中发生缓存命中的兴趣包进行转发操作，进入步骤S4。

进一步地，步骤S1中，第一兴趣回环检测规则的表达式为：

其中，

表示当前卫星到n(j)^*的下一跳集合，h^I(k)表示卫星k到内容名称前缀n(j)^*的跳数，i表示星载路由器，h(i,n(j)^*,v))表示相邻卫星

到内容名称前缀n(j)^*的跳数；

第二兴趣回环检测规则的表达式为：

h^I(k)>h^I(i)

其中，h^I(i)表示星载路由器i到名称前缀n(j)^*的跳数。

进一步地，第一兴趣回环检测规则和第二兴趣回环检测规则中，在星载路由器与邻居卫星链接中断时，进行星间链路故障处理，其具体方法为：若卫星k属于第一邻居卫星集合

则将卫星k从第一邻居卫星集合

中移除，并在第一邻居卫星集合

为空集时，删除在待定兴趣表中创建的条目；

若卫星k属于第二邻居卫星集合

则将卫星k从第二邻居卫星集合

中移除，并在第二邻居卫星集合

为空集时，将星载路由器的响应兴趣包发送至第一邻居卫星集合

的节点，删除在待定兴趣表中创建的条目。

进一步地，步骤S3中，返回兴趣包的具体方法为：将基于虚拟接口的待定兴趣包和前向转发表传输至其余卫星，更新虚拟接口与实际接口的映射关系；判断兴趣包的请求名称n(j)是否属于基于虚拟接口的待定兴趣表，若是则将虚拟接口映射至实际接口，根据实际接口转发返回的兴趣包，并更新基于虚拟接口的待定兴趣表，否则丢弃兴趣包。

进一步地，步骤S4中，转发兴趣包的具体方法为：确定跳数满足h^I(k)>h(i,n(j)^*,v)的卫星，并在待定兴趣表中创建条目，更新在条目中输入输出的卫星节点以及卫星的跳数，并将由卫星k发送的请求名称为n(j)的返回数据包的兴趣包I[n(j),h^I(k)]转发至卫星节点v，其中，h^I(k)表示卫星k到名称前缀n(j)^*的跳数，n(j)^*表示内容名称前缀的内容名称前缀，h(i,n(j)^*,v))表示相邻卫星

到n(j)^*的跳数。

进一步地，步骤S4中，在待定兴趣表创建的条目过期且卫星未接收到返回兴趣包和响应兴趣包时，将响应兴趣包发送至接收到兴趣包的所有邻居卫星。

本发明的有益效果是：在改善卫星存储空间方面，本申请的内存开销远远小于传统CCN下的额外待定兴趣表内存开销。在端到端时延方面，前向转发表条目中没有路由表循环的情况下，兴趣回环检测算法会和传统CCN转发策略产生相同的端到端延迟。但是在传统CCN中如果出现路由表循环，星载路由器必须等待待定兴趣表条目过期，才能将响应兴趣包发送给发出该兴趣包的用户。即使在重传超时并生成响应兴趣包之后收到返回的数据包，所产生的时延也是秒级，因为待定兴趣表中兴趣的生命周期必须设置的足够长，以避免不必要的兴趣重传。其次，使用反向路径维护算法，避免了返回的数据包返回中遭遇路径中断而导致兴趣重传的问题，提高了内容交付率，改善了用户获得内容的时延。

附图说明

图1为卫星网络路由转发方法的流程图；

图2为兴趣回环检测算法示意图；

图3为反向路径维护算法示意图；

图4为虚拟节点网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于CCN的卫星网络路由转发方法，包括以下步骤：

S1：通过地面用户将兴趣包上传至距离该用户最近的卫星，利用卫星接收并处理兴趣包；

S2：根据兴趣包的处理结果，判断兴趣包是否发生缓存命中，若是则进入步骤S3，否则进入步骤S4；

S3：利用反向路径算法返回兴趣包；

S4：转发兴趣包。

在本发明实施例中，步骤S2实现了兴趣回环检测规则，卫星接收到地面用户上传的兴趣包，在卫星网络进行路由转发，如果第一兴趣回环检测规则被满足，则星载路由器i可以确定该兴趣被转发；如果第二兴趣回环检测规则被满足，则说明该兴趣可以被PIT聚合。步骤S2中，判断兴趣包是否发生缓存命中的具体方法为：若兴趣包的请求数据在星载路由器的内容存储器中发生缓存命中，则返回兴趣包，进入步骤S3，否则将满足第一兴趣回环检测规则和第二兴趣回环检测规则且未在内容存储器、待定兴趣表和前向转发表中发生缓存命中的兴趣包进行转发操作，进入步骤S4。

图2(a)至(d)举例说明了兴趣回环检测算法是如何运行的。图2(a)和(b)涉及控制平面为每个名称前缀建立多条路径的情况，但不保证无环路路由表。图2(c)和(d)说明了在使用单路径路由时兴趣回环检测算法是如何运行的。图2(a)中，从一个节点出来的每个链接旁边的一对数字表示通过邻居卫星到n(j)的跳数以及邻居卫星在FIB中的排名。这个例子假设：在(a)中，星载路由器执行一个不执行无环路FIB的路由协议；在(b)中，邻居卫星的排名在每个路由器上独立确定，使用一些基于每个路径和接口的感知性能的数据层面策略。路径的距离值不一定与图中所示路径的跳数值成正比。让元组(v:h,r)表示一个邻居、它的跳数和它的排名。在图2(a)中，FIB^a列出了(b:7,1)、(p:7,2)和(x:9,3)。同样，FIB^y列出(a:8,1)；FIB^b列出(c:10,2)、(a:8,1)和(q:6,3)；FIB^c列出(b:7,1)、(x:9,2)和(r:9,3)；以及FIB^x列出(a:8,1)和(c:8,2)。图中显示了p、q和r的一些FIB条目。

在图2(b)中，星间路由器y为内容名n(j)发起一个兴趣，并向星间路由器a发送I[n(j),h^I(y)＝8]。a在时间t₁收到星载路由器y的兴趣，并且考虑到8＝h^I(y)>h(a,n(j)^*,b)＝7，它接受了这个兴趣，因为它至少有一个邻居满足IDL。路由器a将I[n(j),h^I(a)＝7]发送给b，因为它是满足兴趣回环检测算法的最高等级邻居。路由器a在时间t₃>t₁时汇总I[n(j),h^I(x)＝8]，因为它在时间t₁时发送了I[n(j),h^I(a)＝7]，8＝h^I(x)>h^I(a)＝7。路由器b在时间t₂>t₁时收到a的兴趣，接受它，因为它至少有一个邻居满足IDL(7＝h^I(a)>h(b,n(j)^*,q＝6))；并向q发送I[n(j),h^I(b)＝6]，因为q是b的最高等级的邻居，此时满足兴趣回环检测。

上面的例子说明，即使一些星载路由器中的FIB^s中隐含的多路径涉及环路，但如果兴趣是沿着无环路转发的，那么它就会被转发。如果使用兴趣回环检测算法，并且路由器维护的FIB^s有一致的信息，兴趣会沿着无环路转发。

图2(c)显示了在卫星网络中使用单路径路由时，存储在其FIB中的名称前缀n(j)的跳数值。每个星载路由器都存在一个下一跳，并且其FIB中列出的每个前缀都有一个跳数。星载路由器b更新其FIB以反映链路(b,q)在时间t₁的中断，而星载路由器y向星载路由器a发送兴趣请求n(j)。路由器在传播路由更新和转发兴趣包时n(j)的FIB状态不一致。

如图2(d)所示，星载路由器b必须向a发送NI[n(j),loop]，因为7＝h^I(a)≯h(b,n(j)^*,c)＝10，IDL检测不通过。反过来，当a接收到来自b的NACK时，它必须将NI[n(j),loop]转发给y和x。最终，控制平面中运行的路由协议使路由器a和y在其FIB中将跳数更改为n(j)^*用来反映链路(b,q)的中断故障。此时，来自y的兴趣重传将声明h^I(y)＝9并将转发I[n(j),h^I(a)＝8]到p。

在本发明实施例中，步骤S1中，第一兴趣回环检测规则的表达式为：

其中，

表示当前卫星到n(j)^*的下一跳集合，h^I(k)表示卫星k到内容名称前缀n(j)^*的跳数，i表示星载路由器，h(i,n(j)^*,v))表示相邻卫星

到内容名称前缀n(j)^*的跳数；

第二兴趣回环检测规则的表达式为：

h^I(k)>h^I(i)

其中，h^I(i)表示星载路由器i到名称前缀n(j)^*的跳数。

在本发明实施例中，在兴趣已经被转发的情况下，可以简单的等待这些兴趣的生存时间到期，然而这种方式对星间链路的故障的反应会非常慢。对于通过故障的星间链路转发的每个兴趣，星载路由器i向其被聚合的所有邻居发送NACK。第一兴趣回环检测规则和第二兴趣回环检测规则中，在星载路由器与邻居卫星链接中断时，进行星间链路故障处理，其具体方法为：若卫星k属于第一邻居卫星集合

则将卫星k从第一邻居卫星集合

中移除，并在第一邻居卫星集合

为空集时，删除在待定兴趣表中创建的条目；

若卫星k属于第二邻居卫星集合

则将卫星k从第二邻居卫星集合

中移除，并在第二邻居卫星集合

为空集时，将星载路由器的响应兴趣包发送至第一邻居卫星集合

的节点，删除在待定兴趣表中创建的条目。

在本发明实施例中，步骤S3中，返回兴趣包的具体方法为：将基于虚拟接口的待定兴趣包和前向转发表传输至其余卫星，更新虚拟接口与实际接口的映射关系；判断兴趣包的请求名称n(j)是否属于基于虚拟接口的待定兴趣表，若是则将虚拟接口映射至实际接口，根据实际接口转发返回的兴趣包，并更新基于虚拟接口的待定兴趣表，否则丢弃兴趣包。

如图3所示，反向路径维护算法将虚拟网络分配给地球表面的每个固定地球足迹，每个固定地球覆盖区上方的物理卫星在其服务于该区域的持续时间内包含响应的虚拟网络。当卫星移出可调范围时，其对应的虚拟网络将由下一颗经过上方的卫星表示。虚拟网络和物理卫星之间的切换是同步完成的，因此虚拟网络拓扑可以保持不变。

图3中，物理卫星之间的实际接口可以映射到虚拟网络之间的虚拟接口。在所提出的算法中，地面节点的FIB和PIT基于实际接口，而卫星节点的FIB和PIT基于虚拟接口(称为V-FIB和V-PIT)。地面中每个虚拟网络被分配一个V-PIT和一个V-FIB，由目前当前覆盖该区域的物理卫星承载。在切换过程中，V-PIT和V-FIB将在两个物理卫星之间传递，这两个物理卫星依次体现了相同的虚拟网络。因此，D_pks信息将在虚拟网络中保持不变。

当卫星接收到兴趣或者内容名称为n(j)的NDO时，将搜索V-FIB和V-PIT。V-FIB和V-PIT只包含虚拟路径信息，因此必须在转发前完成从虚拟接口到实际接口的转换。通过所提出的方法，无论卫星星座中的动态如何，都可以保持NDO的可靠反向路径。由于V-FIB/V-PIT的交付是在切换执行时刻之前的切换准备阶段完成的，因此维护虚拟网络不会引入额外的时间延迟。值得注意的是，切换过程中两颗卫星之间不需要传输CS，因为CS不携带路由信息，并且数据量比PIT和FIB大很多，因此交换CS会引入过多的网络开销。

在本发明实施例中，步骤S4中，星载路由器i简单地选择FIB中存储地邻居排序列表中地第一个邻居v，其前缀n(j)^*满足了第一兴趣回环检测规则。此外，MIL是最大兴趣生存时间，星载路由器从其PIT中删除兴趣之前应该假定MIL足够大，防止过多的重传。在另一方面，MIL不应该太大而导致PIT存储太多的兴趣，因为传输错误将不会发送NDO或者NACK。地面设备向卫星提交兴趣包时可以提供MIL的初始值，以保证其可以在卫星网络正常传输。该初始值可以根据同一NDO组中对应大块内容(如电影)的NDO提交的多个兴趣估计的生命周期。转发兴趣包的具体方法为：确定跳数满足h^I(k)>h(i,n(j)^*,v)的卫星，并在待定兴趣表中创建条目，更新在条目中输入输出的卫星节点以及卫星的跳数，并将由卫星k发送的请求名称为n(j)的返回数据包的兴趣包I[n(j),h^I(k)]转发至卫星节点v，其中，h^I(k)表示卫星k到名称前缀n(j)^*的跳数，n(j)^*表示内容名称前缀的内容名称前缀，h(i,n(j)^*,v))表示相邻卫星

到n(j)^*的跳数。

在本发明实施例中，步骤S4中，在待定兴趣表创建的条目过期且卫星未接收到返回兴趣包和响应兴趣包时，将响应兴趣包发送至接收到兴趣包的所有邻居卫星。

在本发明实施例中，在基于CCN的卫星网络中，卫星的机载路由器r使用三种主要的数据结构来实现基于CCN的路由转发策略：FIB^r、PIT^r和CS^r。FIB^r、PIT^r和CS^r之间的交互是由转发策略确定的，这些交互包括兴趣包的转发和聚合，NDO的反向传输以及兴趣包匹配失败时发送的任何信号。FIB^r用于将进入的兴趣包路由到相应的下一跳，最终到达发布了内容前缀名称为n(j)^*的内容生产者，FIB^r表项由内容路由协议或静态路由填充。PIT^r对相同兴趣包的请求进行聚合，这样满足兴趣包的内容对象可以遵循相反的路径返回到原始请求者。CS^r是卫星节点r对内容对象的缓存。

本实施例研究的卫星网络架构中的LEO卫星星座的场景是具有6×11颗卫星的Iridium星座，其中6代表的是轨道面数，11代表的是单个轨道面上的卫星数量。为了简化卫星周期性运动带来的路由难题，因此引入了逻辑地址概念用来标定每个卫星的路由转发地址，同时也为CCN返回路径中断问题提供了理论基础。

因为卫星网络的参数是预先设计好的，所以在确定星座参数时，就已经确定了每个虚拟节点的位置信息，即每个虚拟节点的经纬度的范围是已知的，据此可以划分虚拟节点，如图4所示。其中虚拟节点的分区规则定义如下：

规则一：选择本初子午线为起点，选择方向为南向北、西向东为正方向；然后划分虚拟节点。

规则二：根据轨道面数N和每个轨道面M内的卫星数量，将地球表面划分为2×N×M个逻辑网格，每个网格为一个虚拟节点。

规则三：每个虚拟节点由左下角顶点的数字，m唯一确定。例如，图4中多边形ABCD区域确定的虚拟节点由C点的编号<n,m>＝<1,3>唯一标记，即n＝1，m＝3。

规则四：虚拟节点网络确定后，每个虚拟节点的标签唯一对应一组经纬度值，即

(L_o和L_a定义为经纬度值)。

在倾斜轨道星座中，从北极上方看，N个轨道平面的上升点均匀分布在赤道平面内的圆内。对于参数为绕地球运行的周期T、真近点角F和轨道平面N的倾斜轨道星座，假设第一轨道平面的上升点为Ω₁，则第一轨道平面编号为1的卫星节点的初始相位角为ω₁；则星座下所有卫星节点的上升点和相位角可由公式(1-1)计算：

在确定卫星节点的赤经点和相位角后，可以利用卫星节点的长半轴、偏心率、轨道倾角、近地点角等轨道参数计算出卫星节点在惯性坐标系中的位置，并且随时对应地面上的经纬度。从规则4中的虚拟节点的经纬度和卫星节点的经纬度，可以很容易地判断出虚拟节点区域的通信任务是由哪颗卫星负责的。

如图3所示，若卫星星座中共有M×N颗卫星，则M代表的是轨道面数，N代表的是单个轨道面上的卫星数。为简化由卫星周期性运动导致拓扑高动态变化带来的路由编址难题，因此，引入了逻辑地址概念来标定每个卫星的路由转发地址，逻辑地址记为S(m,n)。其中，m表示第m个轨道面，n表示在第m个轨道面上的第n颗卫星。且0＜m≤M，0＜n≤N，m与n都为正整数。基于逻辑地址的设计理念，可将此时的卫星网络拓扑看成一张由逻辑地址来标定卫星节点地址的静态逻辑平面。当卫星运行出所在的逻辑地址时，会将自身所存储的PIT、FIB和CS表均移交给下一个即将运行至该虚拟地址的卫星中。

基于虚拟节点对星座模型的建立，使动态的卫星网络拓扑得到静态控制，利于后续路由的转发设计。

本发明的技术方案主要分为两个步骤，分别为兴趣回环检测和反向路径维护。两者相辅相成，共同构建出一套基于CCN的卫星网络路由转发方案。

CCN可以通过在兴趣中指定源路由来定义正确的兴趣包处理策略，这是因为源路由的兴趣包必须遍历其声明的路由，否则会被丢弃，这样就可以避免出现兴趣回环。然而，这要求卫星网络中所有节点都必须具有完整的拓扑信息，或者至少每个目的地的路径信息，并且不会随着节点和内容对象的数量而扩展，并且兴趣包的源路由使得兴趣包处理过于复杂，并暴露了请求内容的用户身份信息。另一方面，兴趣包中的nonce只能确保兴趣以某种足够大的概率被唯一的表示出来，这在实际中是可以被接受的，但是它们仍然存在相当大的开销。当兴趣被聚合时，使用非编码或者唯一的兴趣识别对于兴趣回环检测是无用的。因此，为了使转发策略正确，必须是这样一种情况，即独立于兴趣，至少有一个卫星节点检测到它正在遍历一条没有将兴趣包转发到更接近已通告前缀的节点的路径覆盖请求的内容。基于兴趣的CCN路由转发需要一些距离或者其他排序信息，以允许卫星节点将兴趣转发到所请求内容的最近节点，而不是让兴趣泛滥至卫星网络或者执行随机游走策略来搜索内容。鉴于FIB是从CCN的控制平面中维护的路由表中填充的，它们构成了一个现成的工具，可以在数据平面中运行的转发策略和该数据包之间的距离建立适当的交互，这种交互由控制平面中运行的路由协议来维护。本发明要求转发给定内容片段的兴趣的卫星在其PIT条目中存储其发布兴趣时假定的到内容的距离值，然后基于此提出了兴趣回环检测算法，兴趣回环检测算法利用到内容的跳数作为不变条件的度量，用来确定兴趣是否可能在兴趣回环上传播。

CCN的反向路径重建方法可以保证在卫星网络中业务的连续性，然而兴趣的重新发出将不可避免地引入额外的时延，因此，本发明继而提出了基于虚拟节点的反向路径维护算法，用来维持CCN服务中D_pk的可靠反向路径。方案是在物理拓扑上叠加一个由虚拟网络组成的固定虚拟拓扑，以隐藏卫星的流动性。在提出的反向路径维护方法中，为地球表面的每个固定的地球脚印分配一个虚拟网络，在每个固定地球足迹上方的物理卫星为该地区的CCN网络服务。当卫星切换时，其对应的虚拟网络将由下一个经过网络上方的卫星表示，虚拟网络和物理卫星之间的切换是同步完成的，因此可以保证虚拟网络拓扑保持不变，从而保持反向路径的稳定性。

兴趣回环检测算法：每个星载路由器维护一个FIB、一个PIT和一个CS，FIB使用内容名称前缀进行索引。前缀n(j)^*的FIB条目由

表示，由一个或多个元组的列表组成，每个元组都说明了到n(j)^*的下一跳和到前缀的跳数。在

中列出的到n(j)^*的下一跳集合用

表示。通过相邻卫星

到n(j)^*的跳数记为h(i,n(j)^*,q)。

由卫星k发送的请求名称为n(j)的NDO的兴趣用I[n(j),h^I(k)]表示，其中说明了从卫星k到名称前缀n(j)^*的n(j)和跳数h^I(k)，当k转发兴趣时与NDO名称n(j)最匹配。为响应I[n(j),h^I(k)]而发送的内容-对象消息用D[n(j),sig(j)]表示，其中说明了兴趣的名称和用于验证内容对象的签名的有效载荷sig(j)，以及对象本身。

星载路由器为响应兴趣而发送的NACK由NI[n(j),CODE]表示，其中CODE说明了发送NACK的原因，发送NACK的可能原因包括：检测到兴趣回环，没有发现通往请求内容的路由，没有发现内容以及PIT条目过期。

PITⁱ使用NDO的名称进行索引。

表示在PITⁱ中为名称n(j)的NDO创建的条目，并且在条目中指定：NDO的名称；星载路由器i在转发兴趣I[n(j),h^I(k)]时的跳数h^I(k)；接收到n(j)兴趣的传入邻居卫星集合

星载路由器i向其转发兴趣包的传出邻居集合

兴趣的剩余生命周期

在CCN中，FIB和PIT是独立更新的，比如，一旦星载路由器转发了一个兴趣，该兴趣假定与内容前缀n(j)^*有一定的距离，并等待其兴趣返回一个数据对象，它与同一内容的距离可能会根据其FIB的更新而改变。基于此，本发明提出了以下规则来判断是否出现兴趣回环，当且仅当满足全部规则时，星载路由器i允许接收从卫星k发送的兴趣I[n(j),h^I(k)]。

规则一：

规则二：n(j)∈PITⁱ∧h^I(k)>h^I(i)

规则一确保了n(j)未命中PIT时，仅当星载路由器i确定它通过至少一个邻居比k发送时更接近n(j)^*，i接收邻居k的兴趣。规则二确保了兴趣已经被聚合，只有当i和k发送兴趣，其中i比k更接近n(j)^*时，星载路由器i才接收邻居卫星k的兴趣。

兴趣回环检测算法和基于扩散计算的无环路由协议之间的区别在于，前者在数据平面上使用现有的FIB条目进行操作，而路由协议在控制平面上操作，建立路由表，从而建立FIB条目。

基于转发规则，提出了兴趣回环检测算法，算法由星载路由器处理兴趣、转发兴趣、返回NDO、处理感知到的星间链路故障、处理兴趣包寿命到期和发送NACK的步骤组成。

与传统CCN相比，使用这两个算法获得的性能优势是比较可观的。主要体现在节省卫星存储空间和提高内容交付率、改善用户获得内容的时延这两大方面。

在改善卫星存储空间方面，星载路由器i仅仅使用h^I(i)的值来判断从k接收到的兴趣是否可能正在进行兴趣回环，并且不存储h^I(k)。因此ILD算法的PIT存储大小为

其中

是PIT中待处理兴趣的数量，当使用兴趣回环检测算法时，|mh|是用于存储h^I(i)的位数，而INT是维护给定兴趣组的传入和传出邻居所需要的平均存储空间。而对于名称为n(j)的NDO来说，维护传入和传出邻居卫星所需的存储大小为

相比之下，传统CCN要求每个星载路由器存储用于给定NDO的兴趣的不同随机数列表。每个随机数的大小为|id|，假设星载路由器i有l个相邻卫星为NDO发送有效兴趣，则在传统CCN中PIT存储大小为

其中

是使用CCN时PITⁱ中未决兴趣的数量。

因此，即使

CCN中所需的额外PIT存储空间为

在卫星网络中，一个兴趣包所经历的最大跳数为255已经是绰绰有余了，而CCN中随机数的大小为16个字节。因此，CCN所需的额外PIT存储是采用该算法的许多数量级。除此之外，由于CCN转发策略在聚合兴趣包时不会检测循环，必须存储PIT中的许多兴趣条目，直到生命周期。因此，随着兴趣率的增加，未被检测到的兴趣回环的概率也会增加，

会比

大得多。

对于兴趣循环检测而言，额外的存储开销无非是在FIB中存储来自每个邻居卫星中的每个前缀n(j)^*的跳数信息。这相当于星载路由器i处的(|mh|)(FIBⁱ)Dⁱ，其中Dⁱ是星载路由器i的邻居卫星数量，|FIBⁱ|是FIBⁱ中的条目数。因为Dⁱ和I对应，且O(|FIBⁱ|)<O(|PITⁱ|)，这远远小于传统CCN下的额外PIT内存开销。

在端到端时延方面，FIB条目中没有路由表循环的情况下，兴趣回环检测算法会和传统CCN转发策略产生相同的端到端延迟。但是在传统CCN中如果出现路由表循环，星载路由器必须等待PIT条目过期，才能将NACK发送给发出该兴趣包的用户。即使在重传超时并生成NACK之后收到NDO，所产生的时延也是秒级，因为PIT中兴趣的生命周期必须设置的足够长，以避免不必要的兴趣重传。其次，使用反向路径维护算法，避免了NDO返回中遭遇路径中断而导致兴趣重传的问题，提高了内容交付率，改善了用户获得内容的时延。

本发明的有益效果为：在改善卫星存储空间方面，本申请的内存开销远远小于传统CCN下的额外待定兴趣表内存开销。在端到端时延方面，前向转发表条目中没有路由表循环的情况下，兴趣回环检测算法会和传统CCN转发策略产生相同的端到端延迟。但是在传统CCN中如果出现路由表循环，星载路由器必须等待待定兴趣表条目过期，才能将响应兴趣包发送给发出该兴趣包的用户。即使在重传超时并生成响应兴趣包之后收到返回的数据包，所产生的时延也是秒级，因为待定兴趣表中兴趣的生命周期必须设置的足够长，以避免不必要的兴趣重传。其次，使用反向路径维护算法，避免了返回的数据包返回中遭遇路径中断而导致兴趣重传的问题，提高了内容交付率，改善了用户获得内容的时延。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于CCN的卫星网络路由转发方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过地面用户将兴趣包上传至距离该用户最近的卫星，利用卫星接收并处理兴趣包；

S2：根据兴趣包的处理结果，判断兴趣包是否发生缓存命中，若是则进入步骤S3，否则进入步骤S4；

S3：利用反向路径算法返回兴趣包；

S4：转发兴趣包；

所述步骤S2中，判断兴趣包是否发生缓存命中的具体方法为：若兴趣包的请求数据在星载路由器的内容存储器中发生缓存命中，则返回兴趣包，进入步骤S3，否则将满足第一兴趣回环检测规则和第二兴趣回环检测规则且未在内容存储器、待定兴趣表和前向转发表中发生缓存命中的兴趣包进行转发操作，进入步骤S4；

所述步骤S2中，第一兴趣回环检测规则的表达式为：

其中，

表示当前卫星到n(j)^*的下一跳集合，h^I(k)表示卫星k到内容名称前缀n(j)^*的跳数，i表示星载路由器，h(i,n(j)^*,v))表示相邻卫星

到内容名称前缀n(j)^*的跳数；

第二兴趣回环检测规则的表达式为：

h^I(k)>h^I(i)

其中，h^I(i)表示星载路由器i到名称前缀n(j)^*的跳数。

2.根据权利要求1所述的基于CCN的卫星网络路由转发方法，其特征在于，所述第一兴趣回环检测规则和第二兴趣回环检测规则中，在星载路由器与邻居卫星链接中断时，进行星间链路故障处理，其具体方法为：若卫星k属于第一邻居卫星集合

则将卫星k从第一邻居卫星集合

中移除，并在第一邻居卫星集合

为空集时，删除在待定兴趣表中创建的条目；

若卫星k属于第二邻居卫星集合

则将卫星k从第二邻居卫星集合

中移除，并在第二邻居卫星集合

为空集时，将星载路由器的响应兴趣包发送至第一邻居卫星集合

的节点，删除在待定兴趣表中创建的条目。

3.根据权利要求1所述的基于CCN的卫星网络路由转发方法，其特征在于，所述步骤S3中，返回兴趣包的具体方法为：将基于虚拟接口的待定兴趣包和前向转发表传输至其余卫星，更新虚拟接口与实际接口的映射关系；判断兴趣包的请求名称n(j)是否属于基于虚拟接口的待定兴趣表，若是则将虚拟接口映射至实际接口，根据实际接口转发返回的兴趣包，并更新基于虚拟接口的待定兴趣表，否则丢弃兴趣包。

4.根据权利要求1所述的基于CCN的卫星网络路由转发方法，其特征在于，所述步骤S4中，转发兴趣包的具体方法为：确定跳数满足h^I(k)>h(i,n(j)^*,v)的卫星，并在待定兴趣表中创建条目，更新在条目中输入输出的卫星节点以及卫星的跳数，并将由卫星k发送的请求名称为n(j)的返回数据包的兴趣包I[n(j),h^I(k)]转发至卫星节点v，其中，h^I(k)表示卫星k到名称前缀n(j)^*的跳数，n(j)^*表示内容名称前缀的内容名称前缀，h(i,n(j)^*,v))表示相邻卫星

到n(j)^*的跳数。

5.根据权利要求1所述的基于CCN的卫星网络路由转发方法，其特征在于，所述步骤S4中，在待定兴趣表创建的条目过期且卫星未接收到返回兴趣包和响应兴趣包时，将响应兴趣包发送至接收到兴趣包的所有邻居卫星。

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