CN114928395B - 一种基于bier的天地一体化多播网络通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法及系统，方法包括：获取预设的天地一体化网络物理特性，基于天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；通过地面层和高轨卫星层，对低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对路由表的初始转发表进行更新，得到目标转发表；基于BIER协议和目标转发表，通过地面层和低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信。本发明实施例通过对天地一体化网络进行层次划分，然后对不同网络层进行分别控制和数据计算，使得天地一体化的多播网络传输更稳定，同时基于BIER协议来进行数据传输，使得网络传输可靠性提高。

Description

一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及的是一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法及系统。

背景技术

如今，互联网业务需求复杂多变且增长迅速，以地面网络为基础的传统网络架构面临愈发严峻的挑战。为此，天地一体化的新型网络模型被提出，其纵向扩展网络覆盖范围，具有更强的承载与处理能力。具体来说，天地一体化网络将原本相对独立的地面网络和天基网络有机整合起来，充分发挥不同网络在不同空间维度上的优势，实现对网络服务需求的协同高效处理。天地一体化网络被视为未来网络的发展方向，其不可替代性和重要的战略价值也受到越来越多国家的重视。目前已有多个国家、公司开始部署大量中低轨卫星组成卫星星座，为地面普通用户提供低时延、高吞吐且价格较低的数据服务。然而，传统卫星通信标准，如CCSDS标准，仅考虑最基本的传输模式与网络拓扑结构。针对利用大规模卫星星座、星地协作满足多样化传输需求的研究与应用均处于起步阶段。但是现有技术中的天地一体化的多播网络存在网络结构复杂、网络传输不稳定、卫星网络内部与星地网络相对运动带来的传输可靠性低的问题。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法及系统，旨在解决现有技术中天地一体化的多播网络存在网络结构复杂、网络传输不稳定、卫星网络内部与星地网络相对运动带来的传输可靠性低的的问题。

本发明解决问题所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其中，所述方法包括：

获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；

通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；

基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端。

在一种实现方式中，所述基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层包括：

基于所述天地一体化网络中节点的运动特性，对所述天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层。

在一种实现方式中，所述通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表包括：

获取预设的卫星轨道信息和路由目标；其中，所述路由目标用于表征路由的目的地址；

基于所述卫星轨道信息，通过所述地面控制中心对卫星位置、运动状态以及星间链路质量进行推算，得到推算结果；

基于所述推算结果和所述路由目标，得到所述低轨卫星层中各个节点之间的最优路径；

将所述低轨卫星层中所有节点之间的最优路径存储，得到路由表。

在一种实现方式中，所述基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表包括：

获取所述低轨卫星层的周期；

基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片；

针对每个时间片，通过所述地面控制中心计算每个所述时间片对应的路径；

根据所有时间片对应的所有路径对所述路由表中的初始转发表进行修正，得到目标转发表。

在一种实现方式中，所述基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片包括：

基于同步均匀时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片。

在一种实现方式中，所述基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片包括：

基于异步非均匀时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片。

在一种实现方式中，所述BIER协议包括中间节点、出口节点和入口节点。

在一种实现方式中，所述基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输包括：

基于所述BIER协议，在发送端构造数据包；其中，所述数据包为天地一体化网络传输中的数据单位；所述数据包存储有多播组分发树的状态；

将所述数据包发送至所述低轨卫星层，基于所述目标转发表，通过所述低轨卫星层中的卫星转发至若干所述接收端。

在一种实现方式中，所述基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输之前包括：

对所述天地一体化网络进行初始化，并为所述低轨卫星层中的每个低轨卫星分配一个表征数据包目的节点的比特位。

在一种实现方式中，所述基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输之后包括：

当与所述发送端连接的卫星发生改变时，将所述多播组分发树的源点卫星进行更新；

当与若干所述接收端连接的卫星发生改变时，对所述多播组分发树的状态进行更新。

第二方面，本发明实施例还提供一种基于BIER的天地一体化多播网络通信系统，其中，所述系统包括：若干网络层获取模块，用于获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；

目标转发表获取模块，用于通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；

数据传输模块，用于基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端。

第三方面，本发明实施例还提供一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于执行如上述任意一项所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法。

第四方面，本发明实施例还提供一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如上述中任意一项所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法。

本发明的有益效果：本发明实施例首先获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；然后通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；最后基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端；可见，本发明实施例中通过对天地一体化网络进行层次划分，然后对不同网络层进行分别控制和数据计算，使得天地一体化的多播网络传输更稳定，同时基于BIER协议来进行数据传输，使得网络传输可靠性提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明实施例提供的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法流程示意图。

图2为本发明实施例提供的基于BIER的天地一体化多播模型示意图。

图3为本发明实施例提供的一种实施例的系统框架图。

图4为本发明实施例提供的BIER原理示意图。

图5为本发明实施例提供的天地一体化网络下的BIER转发过程示意图。

图6为本发明实施例提供的发送端卫星切换示意图。

图7为本发明实施例提供的接收端卫星切换示意图。

图8为本发明实施例提供的基于BIER的天地一体化多播网络通信系统的原理框图。

图9为本发明实施例提供的智能终端的内部结构原理框图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

由于现有技术中，音视频流量呈现持续且快速的增长，其中一对多需求模式占据重要位置，例如在线会议、视频直播等。现有方法通常依赖高轨卫星网络或内容分发网络以应对一对多服务需要。前者时延可达数百毫秒，难以满足用户侧的实时交互需求，后者主要依靠内容缓存，具有一定地域局限性，且容易引起带宽或缓存资源浪费。应用多播技术，可以显著减少一对多服务的带宽占用，提高网络带宽利用率。在天地一体化网络中，用户分布范围更广，网络容量成本更高，多播技术更加符合该场景下的实时响应和高效带宽利用需求。因此，天地一体化网络中的多播技术研究具有重要意义。

然而，多播技术在天地一体化网络的实际应用还面临以下三个关键挑战：(1)网络结构复杂：天地一体化网络时空跨度大，节点能力参差不齐，目前尚缺乏实用的多播协议标准，而现有多播协议也难以在新场景下直接应用。因此，需要结合天地一体化网络特点，设计一套有针对性的多播系统框架；(2)卫星网络动态性：作为天地一体化网络的重要组成部分，卫星网络具有全球可覆盖的优势，能够与地面网络形成较好配合。然而其运动受轨道严格约束，不同轨道之间的卫星相对运动，导致网络拓扑的连接关系和链路状态随时间不断变化，容易影响网络传输的稳定性；(3)星地网络相对运动：星地数据互通是天地一体化网络愿景的重中之重，但星地连接具有高度动态的特性。例如，低轨卫星周期通常低于2小时，加之地球自转，单颗卫星与地面接收站仅能保持约10分钟的良好连接。星地链路切换，会影响地面侧用户的长期畅通。

为了解决现有技术的问题，本实施例提供了一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，通过对天地一体化网络进行层次划分，然后对不同网络层进行分别控制和数据计算，使得天地一体化的多播网络传输更稳定，同时基于BIER协议来进行数据传输，使得网络传输可靠性提高。具体实施时，首先获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；然后通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；最后基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端。

示例性方法

本实施例提供基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，该方法可以应用于卫星通信的智能终端。具体如图1所示，所述方法包括：

步骤S100、获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；

具体地，如图2(a)所示，将获取的预设的天地一体化网络进行层次划分，得到三个网络层：高轨卫星层、低轨星座层和地面层。如图2(b)为低轨卫星作为主体的数据传输网络示意图。

在步骤S100中，所述基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层包括如下步骤：基于所述天地一体化网络中节点的运动特性，对所述天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层。

所述天地一体化网络中节点(包括卫星和地面节点)的运动特性是不同的，高轨卫星具有与地球同步运动的特性，也就是说高轨卫星的速度与地球的自转速度相同，低轨星的运行速度要快很多，一天要绕地球十圈之多，而地面层上的节点则是相对于地球不动的，这样，基于所述天地一体化网络中节点的运动特性，对所述天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层。高轨卫星层主要包括地球同步卫星，轨道高度约36000千米。高轨卫星具有覆盖范围广和对地同步的优势，但是容量有限仅能支持少量数据传输，且传输时延较高。低轨星座层是由大量低轨卫星构成的星座网络，轨道高度通常在500至2000千米，具有高容量、低时延的优势，能较好地支持较大量数据通信。地面层以地面网络为主体，不仅涵盖传统的地面网络，也包括地面网络难以覆盖的地面、海洋、低空节点。地面层节点不具有动态性或相对卫星而言动态性极弱，因此这里近似认为地面层节点相对地表静止。多播需求的发起者(即多播目的节点)与多播内容的提供者(即多播源节点)多数位于地面层，系统关注二者难以通过地面网络直接连通的场景，此时需要借助星际链路完成数据传输。同时，由于地面层计算资源成本相对较低，因此也需要将控制中心设置在地面层，为动态网络管理提供算力支持，也就是说将处理开销转移至地面控制端，减轻了转发节点的负载。

前文中，针对天地一体化网络的组成特性，将网络节点按照能力特点与服务需要划分层次，构建多播网络模型。各个层次的功能各有侧重，组成SDN控制面与数据面相结合的逻辑结构，协作处理网络动态，实现稳定的多播功能。也就是说，本发明的基于BIER的天地一体化多播网络通信系统，基于软件定义网络(Software-Defined Network，SDN)架构，解耦数据面和控制面，以确保整个系统在动态网络下的可用性和高效性；控制面由高轨卫星和地面控制中心构成；数据面涉及地面发送端、接收端以及低轨星座；BIER域主要包括地面发送端和低轨星座网络。如图3所示，对可预测性较强的卫星拓扑，系统利用控制面预先计算并下发路由信息，保证动态网络下节点之间路由可达。而星地间链路切换频繁，系统主要使用数据面机制处理，以提供快速响应能力，满足各类用户需求。

得到若干网络层后，就可以执行如图1所示的如下步骤：S200、通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；

具体地，由于高轨卫星层中节点与地球同步，所以地面层和高轨卫星层相对运动较小，可以通过地面层和所述高轨卫星层进行路由控制，控制对象为低轨卫星层，实际中，由于低轨卫星层中的卫星拓扑会发生变化，从而引起原有路由表信息失效，频繁的路由重建将严重影响网络整体稳定性，因此，本发明基于预设的时间片划分方式，将低轨卫星的整个周期划分为离散的时间片，在控制面通过地面控制中心为每个时间片计算路径，将所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表。

在步骤S200中，所述通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表包括如下步骤：获取预设的卫星轨道信息和路由目标；其中，所述路由目标用于表征路由的目的地址；基于所述卫星轨道信息，通过所述地面控制中心对卫星位置、运动状态以及星间链路质量进行推算，得到推算结果；基于所述推算结果和所述路由目标，得到所述低轨卫星层中各个节点之间的最优路径；将所述低轨卫星层中所有节点之间的最优路径存储，得到路由表。

具体地，先获取预设的卫星轨道信息和路由目标，地面控制中心通过卫星轨道信息，对卫星位置、运动状态以及星间链路质量进行推算，然后将推算结果结合路由目标可以计算出低轨卫星网络中各个节点对之间的最优路径，将所述低轨卫星层中所有节点之间的最优路径存储，得到路由表，从而获得各个低轨卫星未来一段时间内的路由表。由地面控制中心计算完成的路由表预先上传至高轨卫星，再由高轨卫星下发给各个低轨卫星。这种方式充分利用了高轨卫星的大范围覆盖能力，同时由于卫星运动具有可预测性，允许路由信息预先加载，避免受高时延链路的影响。此外，整个控制面体系(高轨卫星)与地面层节点(地面控制中心)保持相对静止，能够确保对地面发送端和接收端的稳定服务。

在步骤S200中，所述基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表包括如下步骤：获取所述低轨卫星层的周期；基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片；针对每个时间片，通过所述地面控制中心计算每个所述时间片对应的路径；根据所有时间片对应的所有路径对所述路由表中的初始转发表进行修正，得到目标转发表。

比特索引显式复制(Bit Index Explicit Replication，BIER)，BIER概述：天地一体化网络覆盖范围广、动态性强，对路由协议的可扩展性和灵活性提出了更高的要求。传统多播技术通常需要为每条多播流量建立一棵分发树，树上所有网络节点都需要为这条流维护相应的路由状态。一方面，处理开销由需求数量与网络规模决定，在大规模网络中会引入一般节点难以承受的负载；另一方面，路由信息与网络拓扑高度耦合，拓扑变化会引起原有路由信息失效，频繁的路由重建将严重影响网络整体稳定性。为了克服传统多播技术的上述缺陷，本方案采用BIER协议。它是互联网工程任务组(The Internet Engineering TaskForce，IETF)提出的一种新型多播路由协议，其转发节点不需要为每个多播流建立多播树和流状态，更加适用于高动态化的网络场景。

BIER中，所述BIER协议包括中间节点、出口节点(Bit Forwarding EgressRouter，BFER)和入口节点(Bit Forwarding Ingress Router，BFIR)。BIER协议基于源路由的思想，将部分状态维护开销卸载至地面发送端，转发节点只需要存储少量本地信息，对存储和计算的要求较低，克服了传统多播协议可扩展性的缺陷，能够更好地适应大规模动态网络。多播组的目的节点集合被编码为一个比特串(Bit String，BS)，封装入BIER报文头中。BS中的每个比特位(Bit Position，BP)代表该数据包的一个目的节点，中间节点以此为依据执行数据包的复制和转发。承载BIER功能的节点集合构成BIER域。当数据包进入域内，BIER入口节点(Bit Forwarding Ingress Router，BFIR)根据多播地址确定其目的节点，构造BS，并将BS封装入包头中。途中的BIER转发节点(Bit Forwarding Router，BFR)解析包头中的BS，结合转发表(Bit Index Forwarding Table，BIFT)完成数据包的复制和转发。最后BIER出口节点(Bit Forwarding Egress Router，BFER)接收数据包的拷贝，解封装恢复原始报文，再根据下一层协议执行后续处理。

BIER的原理如图4所示，假设数据包由节点S出发，目的节点为D1和D2。(a)给出了节点与BP的映射关系，在BIER域初始化时生成，作用是为每个节点赋予全局唯一的BP，各个节点可以据此生成转发表Bit Index Forwarding Table(BIFT)。(b)和(c)分别是节点S和u的BIFT。(d)展示了BIER的转发过程，首先节点S作为BFIR，识别出原始数据包的目的节点(D1和D2)，然后将对应位置的BP激活，写入BIER报文头，并加装在原始数据包上。然后对数据包进行转发处理。S按照BIFT解析BS<1100>，具体方法是：将BS与掩码逐条做与运算，若结果不为0，则转发给相应的邻居，并更新BS。此处，先将第一项掩码<0100>和原始BS<1100>做与运算，得到<0100>发送给D1，原BS更新为<1000>。而后将<1010>与<1000>与运算得到<1000>发送给u。节点u经过相同处理，将携带<1000>的数据包发送给D2。D1(D2)收到数据包后，由于第三(四)位BP被激活，所以解封数据包，交由下一层协议处理。

具体地，星间相对运动会导致低轨卫星网络拓扑状态变化，这一效应在低轨星座中尤其明显。星间连接关系与链路状态的变化引起节点间最优路径随时间切换，进而影响到节点保存的多播组分发树状态，因此仅针对静态网络拓扑的传统多播技术难以高效部署。BIER将多播组分发树状态存储于数据包中，中间转发节点的状态维护开销较低。本发明借助控制面的管理，使得低轨卫星节点能够以较小的代价实现对动态网络的支持。可以为采用一定的设计使得低轨卫星网络的节点连接关系在较长时间内保持不变，仅有链路状态变化。在本实施例中，考虑到卫星运动具有较强的规律性，因此，地面控制器可以根据卫星轨道参数预先计算出指定时刻的节点对路径，从而生成各个节点的转发表(BIFT)，指导BIER数据包的转发，如图5所示。假设低轨卫星的轨道高度相同(即低轨卫星的周期相等)，先获取所述低轨卫星层的周期，然后基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干离散的时间片；针对每个时间片，通过所述地面控制中心计算每个离散时间片对应的路径；根据所有离散时间片对应的所有路径对所述路由表中的初始转发表进行修正，得到目标转发表。此外，由于卫星轨迹的可预测性，控制面可以一次性下发多个时间片的目标转发表至低轨卫星，通过计时器控制每份转发表的生效时间，从而确保低轨卫星在动态环境下的正确路由。

在一种实现方式中，所述基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片包括如下步骤：基于同步均匀时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片。

具体地，同步均匀时间片划分方式：将所述周期分成若干时间片后，所有低轨卫星共享相同的时间片划分，时间片内卫星网络变化相对轻微，可以认为拓扑状态保持不变，从而计算出转发表。控制面在时间片切换时可以结合卫星状态对转发表内容进行更新或校准。这种方式所有卫星的时间片划分相同，便于控制面统一管理。

在另一种实现方式中，所述基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片包括如下步骤：基于异步非均匀时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片。

具体地，异步非均匀时间片划分方式：将所述周期分成若干时间片后，单个卫星节点的转发表主要取决于其空间位置，一旦该卫星位置确定，就可以推算出其他卫星的位置，从而确定该卫星到达其他卫星的最优路径。基于这一观察，该模式对单个卫星划分时间片，不同卫星的时间片不需保持同步。同时可以依据轨道空间特性，采用非均匀时间片，比如在路径变化频繁时适当缩短时间片，从而提供更灵活的节点级路由信息管理，以更好地平衡系统效率与准确度。

得到目标转发表后，就可以执行如图1所示的如下步骤：S300、基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端。

具体地，上文已经论述了BIER协议，目标转发表也已经通过上述步骤得到，就可以在数据面通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，所述地面层包括一个发送端和若干接收端，通过发送端将数据传输至低轨卫星层，再通过低轨卫星层将数据转发至多个接收端，从而实现多播网络通信。

在步骤S300中，所述基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输包括如下步骤：基于所述BIER协议，在发送端构造数据包；其中，所述数据包为天地一体化网络传输中的数据单位；所述数据包存储有多播组分发树的状态；将所述数据包发送至所述低轨卫星层，基于所述目标转发表，通过所述低轨卫星层中的卫星转发至若干所述接收端。也就是说，系统主要关注接收端与发送端难以通过地面网络连接的场景，此时需要借助星间链路完成数据的传输。数据由发送端出发，经过低轨卫星转发，最终到达接收端。其中，地面发送端作为BFIR(入口节点)，低轨卫星行使BFR(转发节点)和BFER(出口节点)功能。

具体地，网络初始化时，为每个卫星分配BP(代表该数据包的一个目的节点的比特位)。网络初始化后，基于所述BIER协议，在所述发送端的BFIR(入口节点)处构造数据包，然后将所述数据包发送至所述低轨卫星层中的低轨卫星，基于所述目标转发表，BFR转发BIER数据包；BFER连接接收端，收到数据包时先解除BIER报文头，再发送至接收端。一旦一颗卫星(S)覆盖范围内有用户向其请求多播数据，S将通知BFIR更新多播组成员状态。BFIR封装数据包时会将S对应的BP激活，保证数据传输给S，并由S下发给对应地面用户。由于卫星向地面传输数据具有广播特性，后续通过S收听该多播组的用户能够立即接收到数据。数据传输过程中，S需要维护其服务状态，若属于某个多播组的用户全部离开其服务范围，即通知BFIR将对应BP恢复为0，停止接收该组数据。低轨卫星网络承载主要的转发功能，便于控制面统一管理。由于BFIR需要保存多播状态、封装数据包，存储与计算开销较高，将数据包的存储与计算置于地面层以减少多播对卫星资源的占用，同时也避免卫星频繁交换多播组状态带来的通信开销。转发过程如图5所示，原始数据包在地面层的发送端经过封装处理，以报文头部的BS携带目的节点信息，传递到低轨卫星网络，然后经BFR转发后到达BFER。BFER对数据包进行解封处理，从而把原始数据包的一份拷贝成多分发送至接收端。

在一种实现方式中，所述基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输之后包括如下步骤：当与所述发送端连接的卫星发生改变时，将所述多播组分发树的源点卫星进行更新；当与若干所述接收端连接的卫星发生改变时，对所述多播组分发树的状态进行更新。

具体地，通过控制面的时间片划分方式隔离了卫星网络的动态性，保证了低轨星座层中节点之间的路由可达。而低轨卫星网络与地面网络之间，由相对运动引起的星地链路切换，需要采用不同的处理方式。相比星间动态，星地相对运动速度更快，并且链路的使用状态取决于用户的多播需求，可预测性较差，使用控制面处理会带来较高的响应时延。鉴于此，本发明通过节点间通信，在数据面内完成星地链路的切换。考虑到与卫星网络连接的地面网络节点同时包括发送端和接收端，系统针对二者不同的特性分别设计机制进行处理。

如图6所示，当与所述发送端连接的卫星发生改变时，发送端主要负责数据包的封装与第一跳发送，这一功能并不受卫星链路切换的影响，因此仅发送端的链路切换时，其保存的多播组状态(与接收端连接卫星的状态)不需要更新，将所述多播组分发树的源点卫星进行更新，也即直接切换与发送端对应的星地链路。在低轨卫星网络中，将由新的卫星接收到该发送端的第一跳数据，然后根据BS进行转发。同时需要注意，由于发送端所属卫星发生变化，低轨卫星网络需要同步更新该多播组的源点卫星，保证BFER能够根据多播需求确定源节点位置。

如图7所示，当与若干所述接收端连接的卫星发生改变时，必须及时通知卫星网络，更新相关的成员状态，这里借助多播组管理消息完成这一功能。图7中接收端所属卫星由s4切换至s3，则需要向原卫星s4发送离开多播组(Leave)请求，同时向新卫星s3发送加入(Join)请求。对丢包敏感数据，并且，应当提前加入s3，提前多久应视网络条件而定。足够长的提前量可能引起接收端数据冗余，但是避免了空档期的数据传输中断。

本发明亮点：

1.提出基于BIER的天地一体化多播网络框架，弥补了天地一体化网络中多播方案的空白。框架采用层次化设计，能够充分发挥网络中各类节点的优势。数据通过低轨星座传输，地面控制器与高轨卫星组成控制面协作管理低轨卫星网络，能够服务大空间跨度的多播需求。

2.方案将天地一体化网络动态性问题细分为卫星网络内部动态与星地网络相对运动。前者具有较强的可预测性，由控制面对路由规则进行预先计算与更新，确保路由可达；后者主要受用户需求影响，直接由数据面处理，实现快速响应。

3.本发明对动态网络的适应性强，能够提供高效且稳定的路由表现。相比传统多播方法，转发节点的存储与处理开销下降，动态场景下路由信息更新开销较低。同时，系统设计了完善的网络动态解决方案，能够应对真实场景中的网络变化，具有较高的实用意义。

示例性设备

如图8中所示，本发明实施例提供一种基于BIER的天地一体化多播网络通信系统，该系统包括若干网络层获取模块401、目标转发表获取模块402和数据传输模块403，其中：

若干网络层获取模块401，用于获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；

目标转发表获取模块402，用于通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；

数据传输模块403，用于基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端。

基于上述实施例，本发明还提供了一种智能终端，其原理框图可以如图9所示。该智能终端包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏、温度传感器。其中，该智能终端的处理器用于提供计算和控制能力。该智能终端的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该智能终端的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法。该智能终端的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该智能终端的温度传感器是预先在智能终端内部设置，用于检测内部设备的运行温度。

本领域技术人员可以理解，图9中的原理图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的智能终端的限定，具体的智能终端可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于进行以下操作的指令：

获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；

通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；

基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

综上所述，本发明公开了一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法及系统，方法包括：获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；通过地面层和高轨卫星层，对低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；基于BIER协议和目标转发表，通过地面层和低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信。本发明实施例通过对天地一体化网络进行层次划分，然后对不同网络层进行分别控制和数据计算，使得天地一体化的多播网络传输更稳定，同时基于BIER协议来进行数据传输，使得网络传输可靠性提高。

基于上述实施例，本发明公开了一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其特征在于，所述方法包括：

获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；

通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；

基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端；

所述基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输包括：

基于所述BIER协议，在发送端构造数据包；其中，所述数据包为天地一体化网络传输中的数据单位；所述数据包存储有多播组分发树的状态；

将所述数据包发送至所述低轨卫星层，基于所述目标转发表，通过所述低轨卫星层中的卫星转发至若干所述接收端；

所述基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输之后包括：

当与所述发送端连接的卫星发生改变时，将所述多播组分发树的源点卫星进行更新；

当与若干所述接收端连接的卫星发生改变时，对所述多播组分发树的状态进行更新。

2.根据权利要求1所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其特征在于，所述基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层包括：

基于所述天地一体化网络中节点的运动特性，对所述天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层。

3.根据权利要求1所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其特征在于，所述通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表包括：

获取预设的卫星轨道信息和路由目标；其中，所述路由目标用于表征路由的目的地址；

基于所述卫星轨道信息，通过地面控制中心对卫星位置、运动状态以及星间链路质量进行推算，得到推算结果；

基于所述推算结果和所述路由目标，得到所述低轨卫星层中各个节点之间的最优路径；

将所述低轨卫星层中所有节点之间的最优路径存储，得到路由表。

4.根据权利要求3所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其特征在于，所述基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表包括：

获取所述低轨卫星层的周期；

基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片；

针对每个时间片，通过所述地面控制中心计算每个所述时间片对应的路径；

根据所有时间片对应的所有路径对所述路由表中的初始转发表进行修正，得到目标转发表。

5.根据权利要求4所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其特征在于，所述基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片包括：

基于同步均匀时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片。

6.根据权利要求4所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其特征在于，所述基于预设的时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片包括：

基于异步非均匀时间片划分方式，将所述周期分成若干时间片。

7.根据权利要求1所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其特征在于，所述BIER协议包括中间节点、出口节点和入口节点。

8.根据权利要求1所述的基于BIER的天地一体化多播网络通信方法，其特征在于，所述基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输之前包括：

对所述天地一体化网络进行初始化，并为所述低轨卫星层中的每个低轨卫星分配一个表征数据包目的节点的比特位。

9.一种基于BIER的天地一体化多播网络通信系统，其特征在于，所述系统包括：

若干网络层获取模块，用于获取预设的天地一体化网络物理特性，并基于所述天地一体化网络物理特性，对天地一体化网络进行层次划分，得到若干网络层；其中，若干网络层包括高轨卫星层、低轨卫星层和地面层；

目标转发表获取模块，用于通过所述地面层和所述高轨卫星层，对所述低轨卫星层进行路由控制，得到路由表，基于预设的时间片划分方式，对所述路由表中的初始转发表进行更新，得到目标转发表；

数据传输模块，用于基于BIER协议和所述目标转发表，通过所述地面层和所述低轨卫星层对天地一体化网络进行数据传输，以实现多播网络通信；其中，所述地面层包括若干接收端；

所述数据传输模块还包括：

基于所述BIER协议，在发送端构造数据包；其中，所述数据包为天地一体化网络传输中的数据单位；所述数据包存储有多播组分发树的状态；

将所述数据包发送至所述低轨卫星层，基于所述目标转发表，通过所述低轨卫星层中的卫星转发至若干所述接收端；

所述系统还用于：

当与所述发送端连接的卫星发生改变时，将所述多播组分发树的源点卫星进行更新；

当与若干所述接收端连接的卫星发生改变时，对所述多播组分发树的状态进行更新。

10.一种智能终端，其特征在于，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于执行如权利要求1-8中任意一项所述的方法。

11.一种非临时性计算机可读存储介质，其特征在于，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如权利要求1-8中任意一项所述的方法。