CN116235626A - 通信网络中的缝隙抽象化 - Google Patents

Abstract

一种用于在网络中路由数据的方法，包括：第一网络节点接收使用第一层协议路由到第二网络节点的数据，其中，所述第一网络节点通过跨越所述网络的一部分的链路间歇地连接到所述第二网络节点。所述第一网络节点确定所述链路不满足通信标准，并使用第二层协议封装所述数据以产生封装数据。所述第二层协议对所述第一层协议是透明的，并且所述封装数据包括连接指令，用于通过第三网络节点将所述封装数据路由到所述第二网络节点。所述第二网络节点和所述第三网络节点在所述网络的一部分上通信，并且所述第一网络节点能够将所述封装数据传输到所述第三网络节点。

Description

通信网络中的缝隙抽象化

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年10月28日提交的、申请号为17/082,560、发明名称为“通信网络中的缝隙抽象化”的美国专利申请的优先权，其内容以引用如同复制一样并入本文。

技术领域

本发明涉及数据网络，例如但不一定限于卫星网状网络，并且尤其涉及一种用于在具有动态变化拓扑的网络的一部分上通信的方法和装置。

背景技术

在分组通信和网络领域，一些网络拓扑是固定的，而另一些网络拓扑可能具有动态变化的拓扑。拓扑动态变化的网络的一个示例是用于提供全球通信服务的非地面(卫星)网络，其中，卫星轨道可能导致卫星的相邻卫星频繁变化。其他地面无线网络也可能表现出类似的特征。

建议低地轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星网络在宽区域提供低时延的覆盖。与卫星位于较高海拔的传统卫星网络相比，LEO卫星网络需要更多的卫星来提供全球覆盖，主要原因是位于低海拔的卫星提供的覆盖较小。对于一些LEO卫星网络，卫星需要在全球均匀分布。这就要求使用多个轨道，在每个轨道上放置多颗卫星。实际数量与本文无关，例如单个用户在任何给定时间必须可见的卫星数量，因为它也会因其他要求而异。

当一组卫星设置在预定义的轨道上时，轨道的模式被称为星座。曾经的共同星座被称为极地星座，其中，每个卫星轨道都穿过地球两极。卫星被发射到单独的轨道平面上，轨道上的所有卫星都朝同一方向飞行。由于地球自转，可能朝北发射的卫星后来将朝南经过同一点。在任何时间点，一半的卫星将朝一个方向飞行，一半的卫星将朝另一个方向飞行。在星座的大多数地方，相邻轨道上的相邻卫星将朝同一方向飞行。然而，在某些地区，在相邻轨道上飞行的卫星将朝相反的方向飞行。这些区域用术语来说，被称为“轨道缝隙”或简称为“缝隙”。由于相邻轨道上的卫星在缝隙相对两侧的相对速度，当使用卫星间通信链路时，轨道缝隙是一个关键关切的问题。这些通信链路只在很短的时间内活跃，因为卫星在相反的飞行方向上相互经过，在那里，链路可能只在很短的时间内活跃。

另一种类型的卫星星座被称为walker-δ(Walker-Delta)星座。walker-δ星座是基于多个倾斜轨道，其中卫星的倾斜角被定义为卫星从南半球穿过北半球时卫星地面轨道与赤道之间的角度。当倾斜角小于90度时，极区不交叉。所有卫星都以相同的方向飞行，每颗卫星都可以在四个相对稳定的链路上形成邻接关系，直到它们在轨道的极端处交叉，在那里它们从北向南改变方向。在walker-δ星座中，当不相邻轨道上的卫星开始穿越另一个轨道时，类似缝隙的行为可能存在。在一些情况下，可能需要额外的第五条链路来在不同轨道上的卫星之间跟踪和通信。使用第五链路可以形成更完整的网格。与极星座中的缝隙类似，卫星相对于彼此的快速运动对IP层可能使用的拓扑泛洪机制施加了限制。

缝隙问题可以通过避免将流量跨越缝隙路由来处理。虽然源卫星和目标卫星之间的最短路径可能跨越缝隙，但可以路由流量，以避免缝隙交叉处不稳定、零星活动的链路。然而，这往往导致具有大量卫星链路的更长路线，这可能导致时延较高。

网络拓扑是网络节点(或简单的“节点”)的集合，这些节点具有连接网络节点的链路。在卫星网络中，节点不是静止的，具有位置和速度(绝对或相对)。节点之间的链路可能是零星的，并具有状态和标准。链路状态的示例有活动、非活动、故障等。链路通信标准的示例有双向、单向、传输速度、错误率、轨道内(同一轨道内)、轨道间(轨道之间)、卫星间链路(inter-satellite link，ISL)、地面到卫星链路等。通信标准也可以通过参考时间表或表格来评估。这些时间表或表格可以是预先确定的，也可以根据卫星在轨道上的可预测运动动态确定的。同一轨道内的卫星彼此将有固定的位置。在大多数情况下，在相邻轨道上相互相邻的卫星将具有缓慢和可预测的相对位置变化。在轨道缝隙上，网络可能具有动态变化的拓扑，但拓扑将根据每颗卫星的位置和速度以可预测的方式变化。

因此，需要一种用于在具有在动态变化拓扑的网络的一部分上通信的方法和装置，例如在缝隙处，其消除或减轻现有技术的一个或多个限制。

背景技术的目的是揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。没有必要承认也不应解释任何前述信息构成与本发明相对的现有技术。

发明内容

本发明的各方面将缝隙路由(seam routing，SR)协议层引入网络节点，该网络节点允许以对高层端到端路由协议透明的方式跨越网络缝隙进行数据路由。使得更灵活地跨越缝隙进行数据路由，延长了跨越缝隙链路的活动时长，并减小了跨缝隙数据传输的时延。

本发明提供了一种用于在包括具有动态变化拓扑的部分的通信网络中路由通信的方法和装置。

根据本公开的各方面，提供了一种用于在网络中路由数据的方法。所述方法包括：第一网络节点接收使用第一层协议路由到第二网络节点的数据所述第一网络节点通过跨越所述网络的一部分的链路间歇地连接到所述第二网络节点。所述第一网络节点确定所述链路不满足通信标准，并使用第二层协议封装所述数据以产生封装数据。所述第二层协议对所述第一层协议是透明的，并且所述封装数据包括连接指令，用于通过第三网络节点将所述封装数据路由到所述第二网络节点。所述第二网络节点和所述第三网络节点在所述网络的一部分上通信。所述第一网络节点向所述第三网络节点传输所述封装数据。

在本公开所述方法的任一方面中，所述通信标准包括链路故障。

在本公开所述方法的任一方面中，所述网络包括卫星网络，所述第一网络节点、所述第二网络节点和所述第三网络节点包括卫星，所述网络的所述部分包括所述网络的拓扑中的缝隙。

在本公开所述方法的任一方面中，确定所述链路不满足通信标准包括向控制器查询所述链路的状态。

在本公开所述方法的任一方面中，确定所述链路不满足通信标准包括：向调度查询所述链路的状态，其中，所述调度基于所述第一网络节点和所述第二网络节点的相对位置或相对速度。

在本公开所述方法的任一方面中，所述第一层协议包括IP层，所述第二层协议位于所述IP层下方且MAC层上方。

在本公开所述方法的任一方面中，所述第二层协议使用MAC地址路由所述封装数据。

在本公开所述方法的任一方面中，所述第二层协议实现所述第一网络节点与所述第二网络节点之间的通道。

在本公开所述方法的任一方面中，所述第一网络节点和所述第三网络节点设置在同一轨道内。

在本公开所述方法的任一方面中，所述第三网络节点用于仅与设置在同一轨道内的一个或多个网络节点通信，以及与设置在所述网络的一部分上的一个或多个网络节点通信。

在本公开所述方法的任一方面中，所述第二网络节点和所述第三网络节点通过第四网络节点通信，所述第二网络节点和所述第四网络节点在所述网络的所述部分上通信。所述第四网络节点进一步封装所述封装数据，然后将进一步封装的封装数据传输到所述第二网络节点。

在本公开所述方法的任一方面中，所述第一网络节点、所述第二网络节点和所述第三网络节点包括使用所述第二层协议进行通信的控制器。

在本公开所述方法的任一方面中，连接指令包括缝隙路由报头，所述缝隙路由报头包括所述第一网络节点的地址和所述第二网络节点的地址。

在本公开所述方法的任一方面中，所述缝隙路由报头还包括缝隙路由类型，所述缝隙路由类型包括以下之一：卫星星座的配置；所述数据包括控制消息的指示；或者所述数据包括封装数据包的指示。

在实施例中，所述第一网络节点的所述地址或所述第二网络节点的所述地址包括以下之一：IP地址、缝隙路由层地址或MAC地址。

在本公开所述方法的任一方面中，连接指令包括所述数据从所述第一网络节点到所述第二网络节点的第二层协议路由信息。

在本公开所述方法的任一方面中，所述路由信息为源路由信息。

在本公开所述方法的任一方面中，连接指令包括所述数据从所述第一网络节点之一到所述第三网络节点，或者从所述第三网络节点到所述第二网络节点的第二层协议路由信息。

在本公开所述方法的任一方面中，连接指令包括所述第一网络节点和所述第二网络节点之间的跳数以及所述第一网络节点和所述第二网络节点之间的网络节点的地址。

在本公开所述方法的任一方面中，连接指令包括标志，所述标志指示以下之一：所述第一网络节点的行进方向；所述第二网络节点的行进方向；在到达跨越所述网络的一部分的链路之前要经过的网络节点数量的指示。

上文已经结合本公开的装置的方面描述了本公开的方法的方面，在这些方面上可以实现它们。本领域技术人员将理解，实施例可以结合描述它们的方面来实现，但也可以与该方面的其他实施例一起实现。当实施例相互排斥或彼此不兼容时，这对本领域技术人员将是显而易见的。一些实施例可以结合一个方面进行描述，但也可以适用于其他方面，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

附图说明

进一步地，通过阅读以下结合附图所作的详细描述将容易了解本发明的特征和优势，其中：

图1A示出了一个实施例提供的从赤道观看的通用极地卫星轨道的地球。

图1B示出了一个实施例提供的具有从北极观察的多个极地卫星轨道的地球，跨越轨道缝隙进行数据通信。

图1C示出了一个实施例提供的具有从北极观察的多个极地卫星轨道的地球，数据通信避免轨道缝隙。

图2示出了一个实施例提供的两个地面站之间通过卫星链路进行的数据通信。

图3示出了一个实施例提供的缝隙区域中的低地轨道(LEO)卫星星座的一部分。

图4示出了一个实施例提供的零星可用的网络链路的示例。

图5示出了一个实施例提供的间歇性可用的网络链路的示例。

图6A、图6B和图6C示出了一个实施例提供的LEO卫星星座中跨越缝隙的通信的示例。

图7示出了一个实施例提供的具有卫星-地面链路和卫星间链路的简单链路邻接模型。

图8A示出了一个实施例提供的路由器架构的示例性网络模型。

图8B示出了一个实施例提供的图8A的路由器的协议参考模型。

图9A示出了一个实施例提供的卫星的示例性网络模型。

图9B示出了一个实施例提供的图9A的卫星的协议参考模型。

图10示出了一个实施例提供的包括缝隙路由层的卫星协议参考模型。

图11示出了一个实施例提供的缝隙路由层的模型。

图12示出了一个实施例提供的利用以太网层通过跨越缝隙的直接活动链路提供交换通道的实施例。

图13示出了一个实施例提供的SR层数据包格式。

图14示出了一个实施例提供的在缝隙路由层由数据包选择的路由。

图15示出了一个实施例提供的当数据跨越IP层的缝隙直接路由时卫星节点的硬件和软件组件的细节。

图16示出了一个实施例提供的当数据跨越SR层的缝隙路由时卫星节点的硬件和软件组件的细节。

图17示出了一个实施例提供的跨越缝隙路由时的卫星和链路。

图18A、图18B、图18C和图18D示出了一个实施例提供的图17的卫星和路由的协议参考模型。

图19A、图19B、图19C和图19D示出了一个实施例提供的跨越缝隙进行路由的示例性实施例。

图20示出了一个实施例提供的包括控制器功能的协议参考模型。

图21示出了用于说明实施例的通用网络节点模型。

图22示出了用于说明实施例的通用计算设备。

需要说明的是，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。

具体实施方式

本发明的实施例涉及在包括具有动态变化拓扑的一个或多个部分的通信网络中路由数据。在一些网络中，部分的位置和大小可能是不可预测的，例如在ad-hoc网络中。在其他网络中，具有动态变化拓扑的部分可以位于已知或可预测的位置，或者拓扑可以以可预测或周期性的方式改变。一个示例是设置在极地星座中的低地轨道(LEO)卫星网络中的缝隙。另一个示例是使用walker-δ星座的卫星网络。本文描述的实施例可以与各种各样的其他网络技术和拓扑一起使用，例如具有相对移动站的地面网状网络，或城市环境中的蜂窝用户设备(user equipment，UE)。然而，在本说明书中，LEO卫星网络的示例将用于说明目的。

图1A示出了可由LEO卫星网络使用的卫星极轨道115a。轨道115a平行于地球子午线112设置，使得它穿过极114和116。多颗卫星可以跟随这一轨道，沿着轨道115a分布。轨道经过两个相对的点120、122，也就是说，为了讨论的目的，包括下降部分117a和上升部分119a，在下降部分117a中，轨道上的一个或多个卫星从点120运行到122，在上升部分119a中，轨道上的一个或多个卫星从点122运行到120。

图1B示出了地球110，就像北极114一样，具有平行于不同子午线的多个轨道115a到115f。虽然图1B示出了从北极114看的视图，但从南极116看的视图基本上相同。尽管为了简单起见，示出了六个轨道，但也可以提供额外的平行轨道。如图1A所示，每个轨道将穿过点120和122。每个轨道还具有下降部分117a至117f和上升部分119a至119f。在每个轨道上可能有多颗卫星大致均匀分布，在同一方向上以理想的相同速度飞行，因此同一轨道上的两颗相邻卫星将相对于彼此静止。但是，即使每个轨道上的卫星与至少一个其他相邻轨道上的卫星以相同方向飞行，但也有几种情况，其中，一个轨道上的卫星与相邻轨道上的卫星以相反方向飞行。例如，轨道115a的下降部分117a邻近轨道115f的上升部分119f，轨道115f的下降部分117f邻近轨道115a的上升部分119a。因此，轨道115a中卫星与轨道115f中卫星之间的通信具有挑战性，这是由于这些卫星之间的相对运动，因为它们仅在很短的时间内相互靠近，朝相反的方向飞行。这种配置被称为“缝隙”124，并位于轨道115a和轨道115f之间，并且由于这两个轨道之间的动态变化的网络拓扑，跨越缝隙124的通信可能在技术上具有挑战性。跨越缝隙的通信链路是零星且短暂的，当此类链路建立或断开时，需要更新网络节点以用于路由目的。

在图1B中，要将数据从卫星124发送到卫星128，最短的路线是通过卫星126，跨越缝隙124到达卫星128。由于卫星126和卫星128之间的链路跨越缝隙，当这两颗卫星以相反方向的速度彼此靠近时，通过该链路的通信只能在每个轨道上持续短暂的时间。

图1C示出了数据(例如数据包)从卫星124到卫星128的替代路由，该路由涉及沿轨道115a在轨道内转发数据，然后通过轨道115a、115b……115f在轨道间转发数据，以避免轨道115a和115f之间的缝隙。在此示例中，卫星间链路是稳定的，因为它们不跨越缝隙，但数据需要11跳才能到达其目的地，这增加了时延。

在图1B和图1C的两个示例中，使用所示的路由可能无法满足网络或网络上的通信信道的性能要求，即特定的最大时延要求。

在一些实施例中，卫星可以设置在其他拓扑中，例如walker-δ拓扑，其中多个轨道设置成使得它们相对于赤道倾斜。使用walker-δ拓扑会产生类似缝隙的区域，在这些区域中，由于轨道从北向南改变方向，轨道在轨道的极端末端交叉。其他网络拓扑可以包括缝隙或具有拓扑的表现出类似缝隙行为的类似部分，这些拓扑呈现动态变化，并且可以利用本文描述的实施例。

对于卫星和卫星轨道的给定拓扑，以及地面站的组合和位置，卫星将有最近的邻居可与之通信。在卫星位于同一轨道平面的情况下，同一轨道平面内相邻卫星之间的轨道内链路在大多数时候都是静态的。在卫星故障或新卫星被添加到同一轨道平面的情况下，这些相邻卫星之间的关系可能会改变，但这些情况很少发生。

给定卫星星座和拓扑，任何两颗卫星之间的时间、频率、位置和距离都是已知的，是可以确定、查找或计算的，并且这些信息可以用于随时预测星座的拓扑。这些信息可用于根据考虑卫星相对位置和速度的调度进行路由。这些信息还可用于确定轨道内和轨道间通信的最佳路由算法，包括跨越轨道缝隙进行通信。

在大多数应用中，如果数据可以跨越缝隙直接路由，则可以在用户感知的影响(时延)和网络的改进的整体稳定性方面提高性能。参考网络协议层的众所周知的ISO开放系统互连(Open Systems Interconnection，OSI)模型，实施例添加了缝隙路由(seam routing，SR)层，该层提供了跨越网络缝隙的连接抽象，该抽象对SR层之上的层的路由层是透明的。在网络缝隙处更改网络拓扑的情况下，SR层可以在多个链路上提供连接，而较高路由层则会看到链路，其就像拓扑更改之前一样。这减少了较高路由层可能需要的路由表更新数量。在一些实施例中，较高路由层是互联网协议(Internet Protocol，IP)层，而SR层以下的层可以包括以太网、SDN、OTN或可在基于卫星的网络中使用的其他物理层。但是，不同的网络技术将使用不同的路由层。

图2示出了在每个卫星下面提供地球110重叠覆盖的示例性卫星网络200内的数据通信。端到端通信起源于地面站202，通过地面到卫星链路传输到卫星204，在一个或多个卫星间链路(inter-satellite link，ISL)上转发到其他卫星206、208、210，并最终在卫星到地面链路上传输到另一个地面站212。地面站可以是个人用户、为多个用户服务的网关、地面网络节点等。地面站可以提供对任何数量的地面网络的接入。

来自地面站的用户流量主要是IP流量，要求卫星包括IP层路由能力或能够路由IP数据包。卫星之间的路由可以使用类似的网络路由协议或改编自IP路由协议的路由协议来完成。现代通信网络中的网络路由协议利用链路状态协议来跟踪网络节点之间链路的状态，并维护路由信息，以确定如何在网络中节点之间路由IP数据包。IP分组网络中使用的常用链路状态协议包括开放最短路径优先(Open Shortest Path First，OSPF)协议和中间系统到中间系统(Intermediate System to Intermediate System，IS-IS)协议。这些协议虽然是为基于分组的数据网络开发的，但可以在基于卫星的数据网络中进行一些修改。

图3示出了可以在LEO卫星网络中找到的卫星网络拓扑300。卫星302和304等LEO卫星，如设置在多个平行的极轨道306、308、310、312、314和316中，形成紧密的网格，以便提供对下面地面的全覆盖。轨道306、308、310中的卫星，在缝隙318的一侧，在相同的南向垂直方向上一起移动。在轨道缝隙318另一侧的轨道312、314、316中的卫星在相反的北向垂直方向上一起移动。在最左边的三个轨道306、308、310中的卫星之间的链路(例如链路320)之间具有稳定的链路。在最右边的三个轨道312、314、316中的卫星之间的链路(例如链路322)之间具有稳定的链路。然而，在缝隙的相对侧上的卫星之间的链路(例如链路324)将是动态的，并且只有当轨道310中的卫星靠近轨道312中的卫星时，才会激活。

在链路状态协议中，具有路由器功能的单个网络节点(如卫星)通过基于该网络中其他路由器节点之间存在的链路邻接关系计算网络路由来创建和维护路由数据库。一个关键要求是允许邻接信息交换的功能，无论是在初始网络或路由器设置时，还是在网络拓扑变化的情况下，网络拓扑变化定期发生在网络缝隙或网络中拓扑动态变化的部分。通常，这是由链路状态协议通过交换称为链路状态通告消息(或者link state advertisement，LSA)的消息来执行的。当接收到消息时，路由器可以导出网络拓扑，并计算到达特定地址或一组地址所需的路径。如果所有路由器都具有相同的链路状态信息，并使用相同的拓扑算法，则每台路由器都将产生准确的路由计算，并能够准确地确定网络拓扑。

当网络拓扑发生变化时，使用链路状态协议定期发送的消息检测网络拓扑。如果在特定的测量容限窗口内没有检测到消息，链路状态协议确定发生了链路故障。当在路由器上检测到拓扑变化时，路由器开始通知通过LSA直接连接到所述路由器的所有节点，然后更新其路由数据库以反映链路的丢失。接收更新的链路信息的每个节点也重新计算其路由信息数据库，然后通知直接连接到所述节点的所有节点。此过程将在后续节点上继续，直到到达所有节点。该过程通常被称为泛洪，因为大量LSA消息可能会从更改位置流出，以便传达网络拓扑变化。

在每台路由器收到更新的链路状态信息并更新其路由信息之前，网络以降级模式运行，因为一些路由器中的拓扑可能与实际的网络拓扑不匹配。在这种情况下，可能会出现丢包。此降级模式的持续时间将持续到所有路由器具有相同的拓扑信息，并称为收敛时间。正如可以预期的那样，收敛时间将随网络大小而变化。一个特别具有挑战性的情况是，网络很大，并且经历非常频繁的中断。如果中断之间的时间小于收敛时间，则网络可能永远不会完全收敛。根据有线标准，大型低地轨道卫星网络被认为是大型的，在泛洪事件期间将经历相当长的降级模式。

跨越轨道缝隙的链路的行为是这样的，当在缝隙两侧朝相反方向飞行的卫星彼此靠近，然后相互远离时，它们定期建立链路，然后断开。图4显示了零星或间歇性可用的网络链路的示例，例如，使用卫星间链路(inter-satellite link，ISL)的情况。ISL是自由空间光链路，在ISL变得可用408之前，需要搜索402和获取404周期。当两颗卫星彼此距离足够远时，它们无法相互通信，ISL不可用406。卫星处于搜索阶段402，寻找另一颗卫星。当它们足够接近时，一个或两个会检测另一个并开始信号采集过程404。在搜索402和获取404过程期间，ISL不可用406。一旦获取404完成，ISL可用408于通信，直到两个卫星彼此经过并距离每个卫星足够远，从而ISL信号丢失410。如图5所示，每个轨道的周期T可以变化，产生不同的T1、T2、T3等，其中，T1、T2和T3中的每一个是图4中描述的搜索402、获取404和可用408周期的时间。

对于具有固定轨道的卫星网络，搜索、获取、可用和信号丢失事件会根据卫星的位置、速度、高度等以及轨道的位置基本上定期发生。在这些情况下，卫星可以预测链路何时中断或重新建立，并使用这些信息来优化所使用的路由协议。对于其他类型的网络，这些事件可能是不规则的或不可预测的。

每次跨越缝隙的链路被断开时，路由级别(如IP级别)的链路状态协议都会检测到它。此拓扑变化会启动泛洪事件，LSA消息传输到网络中的所有节点，以更新路由信息。这些泛洪事件需要时间来完成和消耗网络资源。本实施例使用低于端到端路由协议层的SR层的协议实现路由链路的重新配置。重新配置对路由层是透明的，可以时延泛洪更新的需要，从而降低泛洪事件的频率，并减少端到端路由层中链路状态更新的数量。

可以参考图6A、图6B和图6C看到在IP(路由)层上路由跨越缝隙608的路径630与下面卫星的运动之间的关系。图中包括3个平行的极轨道602、604和610。轨道602中的卫星A616和卫星B 618在缝隙608的左侧，并在向南移动。轨道604中的卫星619、卫星620和卫星622紧位于缝隙608的右侧，并在向北移动。链路612可以跨越缝隙608将卫星A 616连接到卫星2 620。链路614可以跨越缝隙608将卫星B 618连接到卫星3 622。轨道610上的卫星624正在向北移动。路径630被示出最初通过卫星B 618、卫星3 622和卫星C 624。在图6A中，路径直接从卫星B 618穿过缝隙608到卫星3 622，因为它们彼此足够接近并移动得更近。在图6A之后发生的图6B中，轨道602上的卫星已经向南移动，而轨道604和轨道610上的卫星已经向北移动。路径630仍然经过卫星B 618、卫星3 622和卫星C 624，但路径具有与图6A中不同的形状，并且仍然可用，尽管卫星B 618现在正在远离卫星3 622移动得更远。卫星A616和卫星2 620之间的链路612也存在，并跨越缝隙608，但不被路径630使用。在图6C中，卫星B 618和卫星3 622现在距离足够远，以至于链路614不能再通信数据，并且它们之间的链路断开。该路径需要经过另一条路线，如通过卫星A616。虽然这可以通过IP层检测链路614的丢失并执行泛洪事件以更新网络节点中的路由表来处理，但这导致网络经历一段不稳定和性能下降的时期，直到网络已经收敛。本实施例提供了在协议栈中低于IP路由层的底层SR层。SR层可以以对较高路由层透明的方式修改路径630，从而防止泛洪。在图6C的示例中，一个节点卫星A616已经插入路径630中，以保持跨越卫星B 618和卫星3 622之间的缝隙608的连接。当卫星B 618和卫星3 622进一步分开移动时，可以在路径中插入卫星A616等额外卫星，可以使用增加路径630的时间量，从而以增加端到端时延为代价(随着额外节点被添加到路径630)减少泛洪事件的数量。在某一时刻，将不再插入中间卫星，路径630被允许下降，并且将发生泛洪事件以更新网络内的路由。

在实施例中，与具有动态变化拓扑的部分相邻的网络节点包括路由器能力。在其他实施例中，这些网络节点还包括用于管理网络部分上的连接的分布式控制器。在其他实施例中，所有网络节点都可以实现这些特征。对于LEO卫星网络的示例，靠近缝隙的轨道上的每颗卫星都实现了一项功能，使卫星能够包括分布式控制器，以管理跨越缝隙的连接。控制信道形成在邻近缝隙的卫星之间。这允许控制器交换有关这些轨道上卫星之间和跨越缝隙的连接的链路信息。当具有需要通过缝隙转发的路由的数据包被邻近缝隙的节点接收时，控制器会确定直接通过缝隙发送数据包所需的连接选项，或者如果没有直接连接，则通过第二备用卫星发送数据包，其中第二卫星是位于同一轨道平面中的卫星。控制器将导致向路由的数据包添加信息，以指示下一个接收卫星应通过特定路径路由数据包。这可以使用仅携带控制或操作数据的专用信道来完成，或者在带内处理，作为专用开销携带，或者作为夹杂着有效载荷数据的消息携带。也可以使用源路由，其中数据包的发送者部分或完全指定数据包通过网络的路由。控制器还将管理寻址的动态性质，以在网络的动态变化部分上实现数据传输。虽然本说明涉及两颗卫星，但该过程可以扩展到适用于多颗卫星。

在网络使用的协议栈中，不同层网络之间的关系是通过从一个协议层适配到下一个下层协议和下一个上层来实现的。在某些情况下，每层可能有自己的地址空间和与之关联的数据格式。例如，在典型的企业网络中，计算机由其IP网络地址标识，但它们可以连接到基于以太网的LAN。IP数据包可以封装到以太网帧中，并且这些帧可以根据其MAC地址进行交换。地址空间通常是静态的。IP地址指定端到端源和目的地，通常在数据传输发生之前应用，一旦传输开始，它们不会更改。对此的一种变体用于利用协议使呼叫能够从一个基站传递到另一个基站的移动电话。在这种情况下，IP地址保持固定，但使用手机的IMEI号。

将参考模型700进一步说明实施例，该模型700具有卫星网络内的各种接口，例如LEO卫星网络。如图7所示，卫星的模型可以具有五个可用的接口，如使用一些walker-δ星座或多壳星座所看到的。虽然在一些实施例中不需要，但一个接口702会是通过地面站704到地面网络的接口。其他接口可以分为两类，并可以相对于它们在极轨道内的位置进行描述，如图1B和图1C所示。在其他星座中，可能存在额外的链路或接口。

第一类接口被称为平面内卫星间链路(In-Plane Inter Satellite Link，IP-ISL)。IP-ISL是连接同一轨道平面上的两颗卫星的轨道内链路。由于卫星在同一轨道上，它们以相同的方向和速度飞行。因此，IP-ISL保持静态。参考图7，卫星706与卫星708和710之间的链路720和728是IP-ISL。

第二类接口连接位于不同轨道平面的卫星。关于图7，卫星706左侧或右侧的卫星714和712位于通过轨道间链路722和724连接的不同轨道上。不同轨道平面上卫星之间的邻接关系本质上可以是动态的，这取决于它们相对于缝隙的位置。在实施例中，位于缝隙任一侧的链路是最受关注的。

图8A示出了示例性网络路由器802的网络模型800，其可用于说明协议栈的使用，例如图8B中所示的以太网协议栈820。路由器802可以是任何网络或计算设备，其具有以硬件、软件或硬件和软件的混合实现的路由功能。数据源804通过链路806连接到具有路由器功能802的网络节点。路由器802具有到链路808、810和812的其他三个接口。链路可以是取决于路由器802的特定设计和配置的任何类型的有线或无线网络链路。在实施例中，星座或网络的拓扑可以包括卫星之间、不同轨道或空间中的卫星之间或卫星与地面之间的更多或更少链路。

图8B示出了网络模型800的协议栈，该OSI参考模型在硬件和软件中实现，用于路由器802的每个链路接口806、808、810和812。一般来说，数据从堆栈底部进入链路，标记为“介质”，这是外部设备的物理接口。例如以太网线、光纤或无线天线。然后，接收到的数据在堆栈上传输，每个层对数据执行任务，这可能包括添加报头或其他信息，划分或组合数据，以及封装或解封装数据。当数据通过链路传输时，该过程被反转，数据沿着协议栈向下传输，直到通过链路介质传输。

特别感兴趣的是IP层和MAC层。IP层的任务是将数据包从源主机下发到目的节点。IP层从下层MAC层接收数据包，封装数据包，并添加IP头。MAC层用于以太网协议，其任务是控制与有线、光、无线、卫星物理介质接口交互的硬件。MAC层使用MAC地址交换数据包。在图8A的模型中，MAC层在不知道数据包的最终目的地的情况下，在806和810等链路之间交换数据包。IP层使用路由信息来知道数据包应该走哪条链路以到达其最终目的地。IP层访问用于监控和更新路由表的链路状态协议。MAC层的交换对IP层是透明的。IP层知道最终目的地，但不知道必须使用哪条链路才能到达该目的地。

图9A和9B示出了适于在卫星网络环境中使用的图8A的模型800和图8B的模型820的变体。图9A示出了网络模型900，而图9B示出了根据OSI参考模型的相应协议参考模型920。

所示协议层类似于传统IP路由器中使用的层，其中路由是在IP层完成的，如图8B所示。协议子层以以太网接口定义的子层表示。由于这些图的目的是说明实施例特有的行为，因此将根据现有路由系统(例如IP路由)来描述功能。在卫星网络中，IP数据可能会发送到地面站，并从地面站接收IP数据，而卫星网络(如LEO卫星网络)预计将使用IP协议的变体进行端到端路由。

参考图9A，卫星706能够通过地面-卫星链路702与数据源804通信。卫星706具有两个IP-ISL 720和728，用于在同一轨道上的卫星，这些卫星在轨道上之前以及之后。卫星706还有另外两个轨道间ISL 722和724，用于与东、西轨道(对于LEO极轨)上的相邻卫星通信。在许多方面，该模型类似于图8B的模型，增加了第四ISL接口。

实施例将具有动态变化拓扑(例如缝隙)的网络的一部分视为特定路由区域。要通过缝隙路由的数据包在路由层(IP层)以下运行的通道中承载，该通道具有路由区域，该区域可能仅限于与缝隙相邻的节点。在操作中，传入数据包与必要的路由和控制信息一起封装，以指示数据包应如何沿着路径或跨越缝隙转发。在计算机网络中，通道协议是一种替代通信协议，允许数据从一个网络节点移动到另一个网络节点。它涉及一个称为封装的过程，包括将数据重新打包为不同的形式。通道协议是通过以对更高级别的协议层透明的方式将数据包包装为较低协议层的格式进行工作。

实施例可用于在其拓扑中的类似缝隙的点或时间点处被打断、中断、具有可变时延或间歇的任何路由层。实施例允许在受影响的路由层下面路由数据包，受影响的路由层对路由层是透明的。

在实施例中，通道可以根据图10所示的协议模型来描述。将图9B与图10进行比较，在链路902、904、906和908的协议栈的物理(MAC)层和路由(IP)层之间添加了缝隙路由(seam routing，SR)层1004。为了本描述的目的，缝隙路由层1004被示为IP路由层下面的薄中间层。缝隙路由层1004负责封装(例如通道)传入数据包，以便沿着缝隙和跨越缝隙传输，如下所述。使用可在基于以太网的网络中使用的协议来示出缝隙路由层1004下面的层。

在实施例中，缝隙路由的范围是在轨道缝隙相对侧的两个节点(卫星)之间，在极地星座的情况下，或在walker-δ星座的上部或下部。在walker-δ星座的情况下，该范围还可以包括第五链路。

缝隙处的实施例的行为可以参考图11中所示的四个卫星的组以一般的术语来说明。网络节点A1102和网络节点C 1106在轨道1101中彼此相邻。该轨道1101位于具有动态变化拓扑的网络的一部分的一侧，例如LEO卫星网络中的缝隙1116。网络节点B 1104位于跨越接缝1116的位置，并且在此时与网络节点A1102相邻。网络节点D 1108位于缝隙1116的同侧上与网络节点B 1104相邻，并且位于跨越缝隙1116并在此时与网络节点C 1106相邻。网络节点B 1104和网络节点D 1108位于轨道1121上。网络节点A1102、B 1104、C 1106和D 1108都包含允许它们配置有如图10所示的MAC层和IP层之间的缝隙路由层1004的硬件和软件。

在一个说明性示例中，第一网络节点A1102接收待路由到第二网络节点B 1104的数据，例如数据包。所述数据包包括使用第一协议(例如IP)的路由信息。第一网络节点A1102读取数据，并确定数据将被路由到第二网络节点B 1104。如果使用IP层路由，则IP数据包的目的地指示数据包将通过从网络节点A 1102到间歇性连接的网络节点B 1104的链路1112跨越网络的一部分路由。在这个示例中，链路1112跨越缝隙1116，因此仅在网络节点A1102靠近网络节点B 1104经过的时间段内间断地连接。链路1112的状态指示链路1112是否满足通信标准，例如它是活动的还是非活动的，或者是否发生了链路故障。如果这两个网络节点之间的链路是活动的，则数据可以在两个网络节点之间自由传输，而不需要使用缝隙路由层1004。在这种情况下，可以任选地使用根据实施例的缝隙路由层1004和通道。如果网络节点A1102和网络节点B 1104之间的链路1112不能满足通信标准，例如不活动，则实施例允许网络节点A 1102在第二层协议上使用通道，例如缝隙路由层1004，以网络节点A 1102和网络节点B 1104所看到的对IP路由层透明的方式将数据包通过第三网络节点C 1106和网络节点D 1108路由到网络节点B 1104。由于SR层1004在IP层之下，SR层1004上的传输对IP层协议是透明的。

其他实施例可以省略源路由的使用。如果网络节点A 1102不能到达网络节点B1104，但可以到达网络节点C 1106，则它将数据包转发到网络节点C 1106。如果网络节点C1106可以到达网络节点D 1108，则它将数据包转发到网络节点D 1108。

在图11所示的示例中，当网络节点B 1104接收到数据包时，它终止缝隙路由层1004通道，并将数据包传递到其IP层以进一步路由。从IP层的角度来看，这些示例显示为从网络节点A1102到网络节点B 1104的传输，其中在缝隙路由层1004使用的路由对IP层是不可见的。

图12示出了图11实施例的方法。在步骤1202中，网络节点A1102接收寻址到轨道缝隙1116的相对侧上的目的地节点的IP数据包。IP路由信息指示数据包应转发到网络节点B1104。在步骤1204中，节点A1102使用本地链路信息1206来验证到网络节点B 1104的链路满足允许链路充分通信的通信标准。这种验证可以基于简单的链路上行或链路下行分类，也可以考虑其他通信标准，如错误率、时延，或者在跨越卫星轨道缝隙的链路具有可预测的可用性的情况下，链路可能断开之前的时间。链路信息1206可以通过中央控制器或分布式控制器获得，并且可以基于满足链路的标准，包括访问调度，或包括在线/不在线状态(up/down status)、错误率等。在步骤1208中，如果确定跨越缝隙1116的直接链路是充分的，则网络节点A1102通过链路1112将数据包转发到网络节点B 1104。如果链路1104被确定为不充分，则网络节点A1102通过缝隙路由协议为在IP层以下的层上的数据包提供到网络节点B1104的替代路由，该层将对IP层透明。参考图13，在步骤1212中，数据包1302被封装以形成封装数据包1306，缝隙路由(seam routing，SR)报头1308将被添加到数据包中以及从源1214获得的路由信息1310，例如定义从网络节点A1102到网络节点B 1104的整个路由的源路由信息。或者，路由信息1310可以仅将封装的数据包1306路由到下一跳节点C 1106。由于网络节点A1102仅具有跨越缝隙1116的一个链路1112，该链路已被确定为不足以传输，因此在步骤1216中，然后将封装的数据包1306传输到同一轨道上的下一个节点，在这种情况下，下一个节点为网络节点C 1106。使用缝隙路由协议封装和传输数据包的行为创建从节点A1102到节点B 1104的通道，该通道由所有参与的网络节点支持。然后，封装的缝隙路由数据包1306由节点C 1106跨越缝隙1116转发到网络节点D 1108，然后转发到网络节点B 1104。在步骤1220中，网络节点D 1104然后将数据包1306解封装，并在其协议栈内将其发送到IP层，以便朝着数据包1302的最终目的地进一步处理。

图13示出了结合图10所示链路的协议栈由缝隙路由层1004封装数据包1302的过程。在MAC层用作“数据包”1302的数据单元是具有由以太网标准定义的已知格式的以太网帧。为了说明目的，以太网帧被称为数据包1302。在正常操作中，数据包1302由IP层1314接收，用于如IP协议定义的进一步处理。在实施例中，数据包1302在到达IP层1314之前由缝隙路由层1004接收。缝隙路由层1004从MAC层1304接收数据包1302并封装它。封装意味着SR层使用的信息被附加到数据包1302上，以形成SR层数据包1306并将其路由通过SR层的网络。SR数据包报头包括SR报头1308、路由1310和标志1312。SR数据包报头信息由网络节点中的缝隙路由层接收，并由缝隙路由层1004解释用于将封装的数据包1306路由通过网络。缝隙路由层在封装的数据包1306到达IP层之前处理它们，使得缝隙路由层的路由对IP层是透明的。换句话说，IP层不知道封装的数据包1306的路由。

SR报头1308包括SR类型标志1340、源SR地址1342、目的地SR地址1344和填充(pad)1346。SR类型1340可以指卫星星座的特定配置，例如极地星座或walker-δ星座或SR层拓扑的类别。SR类型1340还可以用于指示数据包的内容是否由封装的数据包1302(路由信息)组成，或者消息是否是为了优化SR层协议操作的目的可能在控制器之间交换的控制消息。源SR地址1342和目的地SR地址1344分别是封装数据包1302和解封装数据包1302的节点的地址。所使用的地址可以是针对SR层、IP地址、MAC地址或SR层源节点和目的地节点的其他标识符。根据封装数据包1306的实现，填充1346可用于附加比特以产生固定长度的SR报头字段1308。

路由字段1310包括诸如多个步骤(N)1330、节点1332、1334……1336的列表以及填充字段1338的信息。步骤1330的数量是封装的数据包1306必须从SR源节点1102传输到SR目的地节点1104的步骤数量，也称为跳数。节点字段1332、1334……1336表示封装的数据包1306必须经过的节点的SR层地址以到达其目的地1104。根据封装数据包1306的实现，填充1338可用于附加比特以产生固定长度的路由字段1310。

标志字段1312包括源方向1320、计数1322、目的地方向1324和计数1326等信息。源方向1320指示源节点1102在其卫星轨道内的行进方向。目的地方向1324指示目的地节点1104在其卫星轨道内的行进方向。计数1322和1326分别用于源方向1320和目的地方向1324。计数字段指示在尝试跨越缝隙之前应穿过多少节点。这可用于减少处理和管理单个链路上的流量。例如，尽管通常的情况是如图14所示穿过单个卫星路径到下一个卫星，但如果发送控制器知道该链路已断开，则它可以发送到图19B中的第二或进一步节点，而无需第二节点进一步处理或重新对数据包进行第二次封装。使用计数字段允许发送节点在多个链路上分配流量，作为本地流量管理的一种形式。

在一些实施例中，路由信息1310包括MAC地址，以便在SR层路由数据包。

如图14所示，如果数据包在缝隙路由层1004处路由，它对IP层是透明的。在实施例中，IP层数据包可以在IP层从网络节点A1102路由到网络节点B 1104。然而，为了跨越缝隙1116，缝隙路由层1004可以通过在网络节点A1102中的缝隙路由层取数据包1302，形成封装数据包1306，并将接缝路由层的封装数据包通过网络节点C 1106和D 1108路由到网络节点B 1104，来形成通道1402。在网络节点B 1104，封装的数据包1306被解封装(移除缝隙路由报头1308和路由信息1310)，并且剩余的数据包1302被传递到网络节点B 1104的IP层。从IP层1314的角度来看，数据包1302已经从网络节点A1102传递到网络节点B 1104，并且它不知道在缝隙路由层1004处的通道1402中采取的路由。

图15和16提供了关于缝隙路由层1004处的交换如何通过形成跨越缝隙1116或具有动态变化拓扑的另一个网络部分的动态桥接网络来工作的进一步细节。图15示出了图11所示的四个网络节点，即网络节点A1102、B 1104、C 1106和D 1108，其中网络节点A1102和C1106在缝隙1116的一侧的轨道上相邻，网络节点B 1104和D 1108在缝隙1116的相对侧的另一个轨道上相邻。在某个时间点，网络节点A1102和网络节点B 1104跨越链路1112通信。类似地，网络节点C 1106和D 1108跨越链路1110通信。每个网络节点都显示有两个物理层网络接口。一个物理网络接口包括端口1508和物理(PHY)接口1512，并提供跨越缝隙1116的链路1112。另一个物理网络接口包括具有关联的PHY 1518的ISL 1516，以提供轨道内链路1114。每个节点还包括IP层1504、以太网桥1506层和控制1510块。控制1510从PHY 1512接收状态信息，该状态信息可以包括链路1112的状态之类的信息，例如，链路1112是否可用。控制1510还向以太网桥1206提供输入。四个网络节点中的每个节点都具有类似的架构，包括IP层、以太网层和多个物理层硬件和软件。以太网桥1506允许以对上层IP层透明的方式在网段之间转发以太网帧。在本实施例中，网段可以是网络节点A1102与网络节点B 1104之间的第一链路，以及网络节点A1102与网络节点C 1106之间的第二链路。也可以支持其他链路，例如，可能存在两个轨道内链路，以允许桥接到同一轨道上前方或后方的卫星。图15示出了跨越缝隙1116的直接链路1112是活动的并且可以用于数据通信的情况。图16示出了当直接链路1112不活动或关闭时，以太网桥接可以用于将数据包从网络节点A1102转发到网络节点C 1106，通过链路1110跨越缝隙1116转发到网络节点D 1108，最后，以对仅看到从网络节点A1102到网络节点B 1104的传输的IP层透明的方式使用以太网桥接协议到达目的地网络节点B 1104。

缝隙1720处的实施例的行为可以参考图17中所示的四个卫星的组来说明。图17示出了四个卫星1702、1704、1706、1708，其配置示出了它们相对于缝隙1720的相对位置。在图17中，数据路径1728从左到右。在接口A1710上进入卫星1702的数据包通常会在IP层通过卫星1702的接口B 1722路由到下一个卫星1708，该接口B 1722与链路1701连接。在接收卫星1708处，传入数据包将从接口A上的链路1701接收，并通过接口B 1724转发到端到端路由的下一个卫星(未示出)。就协议而言，当描述为OSI模型时，将显示数据包在协议栈的IP层路由。但是，其他实现可以使用其他协议进行路由。

存在从卫星1702到卫星1708的直接链路1701不能使用的情况，例如当网络动态变化和链路1701变得不可用时。IP层数据包的路由基于IP层已知的拓扑。在不能使用直接链路1701的情况下，直到新拓扑已经通过链路状态泛洪事件在整个网络中更新，通常会从卫星1702发送到卫星1708的数据包可能会丢失。在实施例中，缝隙路由层1004可以利用卫星1702、1704、1706和1708的链路的状态来减轻直接链路1701丢失的影响。缝隙路由层1004将采取数据包1302，并形成具有缝隙路由报头1308和路由信息1310的封装数据包1306。路由信息1310将指示所走的路径在被卫星1708接收之前应该通过卫星1704和1706，其中，卫星1704和卫星1706之间的链路跨越缝隙1720。在这个示例中，卫星1702然后将通过接口D1712将封装数据包1306转发到卫星1704。卫星1704将检测缝隙路由层报头1308并解码路由信息1310。如果卫星1704和卫星1706之间的链路可用，则它将通过接口1716转发封装数据包1306，包括缝隙路由报头1308。类似地，在卫星1706中，封装数据包1306会被发送到目的地卫星1708。在卫星1708中，节点将解码缝隙路由层报头1308，并确定它是数据包1302的原始目的地节点，然后对封装数据包1306进行解封装，以获得待发送到较高路由层的原始数据包1302。然后，数据包1302将通过接口B 1724转发到适当的下一个节点。

图18A至图18D中示出了使用从卫星1702到卫星1708的缝隙路由层1812的协议模型，其中，当链路1701不能使用时，IP网络路由试图将数据包从卫星1702路由到卫星1708。

图18A示出了用于将数据包从卫星1702的接口A1710传输到接口D 1712的协议栈交互。端到端数据传输在IP层使用IP地址路由。在IP层，路由从卫星1702的接口A1710到接口B 1722，该接口是跨越缝隙1720到卫星1708的直接路由。此IP层路由1822从接口A1710向上协议栈1800到IP层，然后向下到接口B 1722。在本示例中，不能使用跨越缝隙的接口B1722，因此到达接口A 1710的数据包1302在缝隙路由层1812被封装，并且封装数据包1306以对IP层透明的方式被路由到备用链路D 1712。在本实施例中，缝隙路由层1812位于MAC层和MAC控制层之间，并且缝隙路由对MAC控制层是透明的。

图18B示出了用于将封装数据包1306从卫星1704的接口C 1714传输到接口B 1716的协议栈交互。卫星1704处的路由由缝隙路由信息1310指定，并在缝隙路由层1812处完成，并且对IP层是透明的。图18C示出了用于将封装数据包1306从卫星1706的接口A 1718传输到接口C 1720的协议栈交互。卫星1706上的路由也在缝隙路由层1812上完成，并且对IP层是透明的。图18D示出了用于在接口D 1722处接收封装数据包1306并在卫星1708的接口B1724处发送解封装的数据包1302的协议栈交互。缝隙路由层路由终止于卫星1708的缝隙路由层1812。封装数据包1306在缝隙路由层1812解封装，以获得传递给IP层进行进一步处理的数据包1302。

图19A、图19B和图19C示出了跨越缝隙1904的路由的示例实施例。这些图示出了四个平行卫星轨道1906、1908、1910、1912的拓扑，每个轨道上有五颗卫星。轨道1908和1910邻近缝隙1904，拓扑动态变化，因为轨道1906和1908中的卫星朝南移动，轨道1910和1912中的卫星朝北移动。轨道1908和1910中的卫星包括硬件和软件，以在其协议栈中实现缝隙路由层1004或1812，如图10和图18A至图18D所示。轨道1906和1912中的卫星不邻近缝隙1904，也不需要实现缝隙路由层(1004或1812)，并且可以具有如图9B所示的协议栈。

图19A示出了一个实施例，其中链路1920不能被使用，并且卫星1952和卫星1954之间的通信可以由缝隙路由层通过链路1922通过卫星1962和卫星1964路由。IP层路由可以在卫星1950和卫星1952之间使用。缝隙层路由用于卫星1952、1962、1964和1954之间的通道。然后，IP层路由可以在卫星1954和卫星1956之间再次使用。

图19B示出了不能使用跨越缝隙1904的链路1920和链路1922的实施例。卫星1952具有来自IP层以下协议层的信息，即链路1920不能使用，并使用缝隙路由协议将数据包转发到卫星1962。作为缝隙路由协议的一部分，数据包被缝隙路由报头1308和源路由信息1310封装，以形成封装数据包1306，并通过链路1922路由封装数据包1306。然而，在卫星1962中，链路1922也不能使用。因此，卫星1962可以进一步处理或封装已经封装的数据包1306，以通过卫星1972、卫星1974路由两次封装数据包，然后返回卫星1964。卫星1964将解封装两次封装数据包，以获得封装数据包1306，因为它被卫星1952封装。然后，封装数据包1306被发送到卫星1954，卫星1954进一步解封装数据包以获得数据包1302，并将其转发到其IP层进行进一步处理。

图19C示出了一个实施例，其中，附加卫星被放置到靠近缝隙1904的轨道1908、1910中，以促进具有动态变化的网络拓扑跨越缝隙1904的传输。在本实施例中，卫星1953、1963、1955和1965已被添加到靠近缝隙1904的轨道1908和1910中。这些卫星被配置为与同一轨道上的卫星(如卫星1952、1962和1972)在轨道内通信，并跨越缝隙1904，例如卫星1953和卫星1955之间通信。卫星1953等卫星可以但不需要在轨道间与不邻近缝隙1904的轨道1906上的卫星通信。如图19C中所示的拓扑有助于跨越缝隙1904的卫星具有更高密度，并有助于使用IP层和缝隙路由层的直接通信在缝隙1904的相对侧上的卫星之间的连接周期延长。

图19D示出了冗余用于增加具有动态变化的网络拓扑的跨越缝隙1904传输的可靠性或减少时延。在本实施例中，数据包跨越缝隙1904从卫星1962路由到卫星1964，直接传输目前被降级了。卫星1962用于在SR层路由数据包的多个副本。SR路由1934将数据包路由通过卫星1952，接着跨越缝隙1904，然后通过卫星1954，随后到达卫星1964。类似地，SR路由1936将数据包的副本路由通过卫星1972，接着跨越缝隙1904，通过卫星1974，然后到达卫星1964。卫星1964可以通过SR层路由1934和1936接收数据包的两个副本，并可以比较它们的误差，或者如果确定较晚到达的数据包是第一数据包的副本，则仅丢弃该数据包。如果检测到误差，可以实现纠错协议，例如在SR层请求重传。在实施例中，SR报头1308可以被扩展以支持图19D的示例。SR类型1340或标志字段1312可以扩展以指示已传输封装数据包1306的多个副本。SR报头1308还可以具有计数器，例如2位或4位计数器，其可用于将序列号添加到封装数据包1306的每个副本。接收卫星1964可以检查标志以知道封装数据包1306的多个副本已经传输，然后检查接收到的封装数据包的序列号。如果接收到具有相同序列号的第二个数据包，则它可能会作为副本丢弃。

图20说明了控制器如何在网络中互连。每个卫星都将具有控制器功能(例如软件功能)，该功能与缝隙路由层连接并可以管理缝隙路由层。每个控制器功能都将具有来自参与缝隙路由层的对等节点的输入。每个控制器都有效地连接到其对等体，尽管链路和控制信息可以与任一其他控制器交换，以有效管理缝隙层协议。需要说明的是，图20是从卫星1702的角度来看，因此仅通过接口B、C和D示出通信。控制器可以访问路由系统和链路路由信息，并从每个接口的物理层接收状态信息，以便确定缝隙路由层路径。控制器2002可以与缝隙两侧的卫星通信，并且还可以在缝隙两侧的卫星之间分发链路控制和状态信息。

消息可以使用设置为具有SR类型1340的SR层数据包在控制器之间传递，以指示该数据包是控制消息。控制消息可用于任何数量的管理目的。控制消息可用于指示物理接口的丢失或恢复。通过使用SR层控制消息传达事件，控制器可以以比IP层传统链路状态通告消息交换通常提供的更快的方式访问信息，如接口状态。

控制消息可以定向到单个节点(例如下一个节点)，也可以在单个方向(即围绕轨道)或在所有方向上发送到所有节点，这些方向也可以包括地面面向链路。方向信息可以在控制消息本身内编码或指示，或者可以是附加的SR类型1340。在实施例中，使用单位SR类型1304，因为它有助于在硬件中进行更快处理。其他实施例有助于多位SR类型支持更多数量的SR消息类型。

当链路硬件检测到故障时，控制器检测到故障，然后控制器将数据与预先计算的路径上的任何链路信息一起封装，并适当地设置SR报头1308、路由1310和标志1312。一旦控制器检测到IP路由系统已更新，它将停止转发数据包。

当控制器收到需要在SR层处理的数据包时，控制器将读取报头并跨越缝隙进行转发。如果缝隙链路不存在，则控制器会更新报头信息，以允许下一个卫星用于跨越缝隙。当控制器收到发往该特定节点的数据包时，它将读取IP报头信息，剥离SR层报头，并根据IP报头转发到下一个节点。

控制器需要一些控制信息，有助于进行优化处理。例如，当控制器检测到跨越缝隙的链路断开时，控制器可以生成具有本地系统时间戳的广播消息，该本地系统时间戳可由缝隙上的所有控制器读取。同样，当链路出现时，也会广播类似的消息。这有助于缝隙控制器预测单个接口上的中断。例如，可以有助于控制器决定发送SR数据包的方向。由于这发生在协议栈中接近物理层的级别，因此它可以提供比在IP层观察到的更快的性能。

图21示出了本公开的实施例提供的装置2100。装置作为通信网络的网络节点2110的一部分包括在内，可以是LEO卫星网络中使用的卫星的一部分。装置包括一个或多个(网络节点的)网络接口2115和处理电子元件2120，处理电子元件2120可以使用相同或不同的物理接口(例如卫星链路)提供对一个或多个链路的访问。处理电子器件可以包括执行存储在存储器中的程序指令的计算机处理器。处理电子器件可以包括专用电子器件，例如由现场可编程门阵列、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)或其他数字或模拟电子电路提供。

该装置可以包括控制平面操作部分2130和数据平面操作部分2132。控制平面操作部分2130可以响应于接收到的指示链路状态变化的消息更新路由表并维护网络拓扑的表示。控制平面操作部分2130可以确定何时使用缝隙层路由。数据平面操作部分2132可以接收数据包，并确定数据包是基于地址立即转发还是发送到控制平面操作部分进行进一步处理。数据平面操作部分可以识别并向控制平面操作部分发送数据包的信息。数据平面操作部分根据控制平面操作部分维护的路由信息发送数据包。

在实施例中，每个协议层，如MAC、IP和SR，可以被视为具有控制平面。缝隙路由层的控制平面功能可以与其他协议层交互，以在跨越网络缝隙上暂时失去邻接关系的情况下启用透明传输。

该装置可以包括链路状态改变操作部分2134和缝隙路由部分2136，其可以检测本地物理链路状态。这些操作部分是由控制平面操作部分2130和数据平面操作部分2132的协作产生的方面。链路状态变化操作部分2134用于根据本文其他地方描述的泛洪协议启动、处理、传播或终止指示链路状态变化的控制平面消息。缝隙路由部分2136操作以检测、设置和管理本文所述的缝隙路由协议，以便在邻近缝隙或网络的其他部分动态变化拓扑的卫星之间提供路由。

图22是可用于实现本文公开的设备和方法的电子设备或计算系统2200的框图。具体地，网络节点、卫星和地面站可以结合一个或多个计算机系统2200。特定设备可利用所有所示的组件或组件的仅一子集，且设备之间的集成程度可能不同。此外，设备可以包含组件的多个实例，例如多个处理单元、处理器、存储器、发射器、接收器等。计算系统2200包括处理器或中央处理器(central processing unit，CPU)2210、总线2270、存储器2220和网络接口2250，并且可选地还可以包括大容量存储设备2230、视频适配器2240和I/O接口2260(虚线所示)。

处理器2210可以包括任何类型的电子数据处理器。存储器2220可包括任何类型的非瞬时性系统存储器，例如静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)、同步DRAM(synchronousDRAM，SDRAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)或其组合。在实施例中，存储器2220可包括在开机时使用的ROM以及在执行程序时使用的程序和数据存储的DRAM。总线2270可以是任何类型的几种总线架构中的一种或多种，包括内存总线或内存控制器、外设总线或视频总线。

大容量存储2230可包括任何类型的非瞬时性存储设备，用于存储数据、程序和其他信息，并使这些数据、程序和其他信息可通过总线2270访问。大容量存储2230可包括固态驱动器、硬盘驱动器、磁盘驱动器或光盘驱动器中的一种或多种等。

视频适配器2240和I/O接口2260提供可选接口以将外部输入和输出设备与处理器2210耦合。输入和输出设备的示例包括与视频适配器2240耦合的显示器2245和与I/O接口2260耦合的I/O设备2265，例如，触摸屏。其他设备可以耦合到处理器2210，而且可以使用更多或更少的接口。例如，通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)(未示出)等串行接口可以用于将接口提供给外部设备。

处理器2210还可以包括一个或多个网络接口2250，网络接口可以包括卫星链路、卫星-地面链路、有线链路(例如以太网电缆)和/或用于访问一个或多个网络2255的无线链路。网络接口2250有助于处理器2210通过网络2250与远程实体进行通信。例如，网络接口2250可以通过一个或多个发射器/发射天线以及一个或多个接收器/接收天线提供卫星通信。

应当理解，尽管为了说明的目的，本文已经描述了该技术的具体实施例，但在不脱离该技术的范围的情况下，可以进行各种修改。说明书和附图仅被视为所附权利要求书所定义的本发明的说明并且考虑涵盖落于本发明的范围内的任何和所有修改、变体、组合或均等物。特别地，在本技术的范围内，提供用于存储机器可读取的信号的计算机程序产品或程序元件，或诸如磁或光线、磁带或光盘等的程序存储或存储设备，用于根据本技术的方法控制计算机的操作和/或根据本技术的系统构造其部分或全部组件。

与本文描述的方法关联的动作可以在计算机程序产品中实现为编码指令。换句话说，计算机程序产品是一种计算机可读介质，当计算机程序产品被加载到存储器中并在无线通信设备的微处理器上执行时，软件代码被记录在该介质中以执行该方法。

此外，该方法的每个操作可以根据从C++、Java等任何编程语言生成的程序元素、模块或对象的一个或多个或一个或多个程序元素、模块或对象的一部分，在包含在网络节点、通信设备等内的计算设备上执行。此外，每个操作或实现每个所述操作的文件或对象等可以由专用硬件或为此目的设计的电路模块执行。

通过上述实施例的描述，本发明可以仅通过硬件实现，也可以通过软件和必要的通用硬件平台实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现。软件产品可以存储在非易失性或非瞬时性存储介质中，非易失性或非瞬时性存储介质可以是光盘只读存储器(compact disk read-only memory，CD-ROM)、USB闪存盘或移动硬盘。软件产品包括许多指令，这些指令使得计算机设备(个人计算机、服务器或网络设备)能够执行本发明实施例中提供的方法。例如，这样的执行可以对应于如本文所述的逻辑操作的模拟。根据本发明示例性实施例，软件产品可以附加地或替代地包括多个指令，这些指令使得计算机设备能够执行配置或编程数字逻辑装置的操作。

尽管已经参考本发明的特定特征和实施例描述了本发明，但是明显在不脱离本发明的情况下可以制定本发明的各种修改和组合。相应地，说明书和附图仅被视为所附权利要求书所定义的本发明的说明并且考虑涵盖落于本发明的范围内的任何和所有修改、变体、组合或等价物。

Claims (22)

1.一种用于在网络中路由数据的方法，所述方法包括：

第一网络节点接收使用第一层协议路由到第二网络节点的数据，所述第一网络节点通过跨越所述网络的一部分的链路间歇地连接到所述第二网络节点；

所述第一网络节点确定所述链路不满足通信标准；

所述第一网络节点使用第二层协议封装所述数据以产生封装数据，所述第二层协议对所述第一层协议透明，所述封装数据包括连接指令，以通过第三网络节点将所述封装数据路由到所述第二网络节点，所述第二网络节点和所述第三网络节点在所述网络的一部分上通信；以及

所述第一网络节点向所述第三网络节点传输所述封装数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不满足通信标准包括链路故障。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述网络包括卫星网络，所述第一网络节点、所述第二网络节点和所述第三网络节点包括卫星，所述网络的所述部分包括所述网络的拓扑中的缝隙。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一网络节点和所述第三网络节点设置在同一轨道内。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第三网络节点用于仅与设置在同一轨道内的一个或多个网络节点通信，以及与设置在所述网络的一部分上的一个或多个网络节点通信。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，确定所述链路不满足通信标准包括向控制器查询所述链路的状态。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一网络节点、所述第二网络节点和所述第三网络节点包括使用所述第二层协议进行通信的控制器。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，确定所述链路不满足通信标准包括：向调度查询所述链路的状态，所述调度基于所述第一网络节点和所述第二网络节点的相对位置或相对速度。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述第一层协议包括IP层协议，所述第二层协议位于所述IP层下方且MAC层上方。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第二层协议使用MAC地址路由所述封装数据。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第二层协议实现所述第一网络节点与所述第二网络节点之间的通道。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述第二网络节点和所述第三网络节点通过第四网络节点通信，其中，所述第二网络节点和所述第四网络节点在所述网络的所述部分上通信，所述第四网络节点进一步封装所述封装数据，然后将所述进一步封装的封装数据传输到所述第二网络节点。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，连接指令包括缝隙路由报头，所述缝隙路由报头包括所述第一网络节点的地址和所述第二网络节点的地址。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述缝隙路由报头还包括缝隙路由类型，所述缝隙路由类型包括以下之一：

卫星星座的配置；

所述数据包括控制消息的指示；或

所述数据包括封装数据包的指示。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述第一网络节点的地址或所述第二网络节点的地址包括以下之一：

IP地址；

缝隙路由层地址；或

MAC地址。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述连接指令包括所述数据从所述第一网络节点到所述第二网络节点的第二层协议路由信息。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述路由信息为源路由信息。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述连接指令包括所述第一网络节点和所述第二网络节点之间的跳数以及所述第一网络节点和所述第二网络节点之间的网络节点的地址。

19.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述连接指令包括所述数据从所述第一网络节点之一到所述第三网络节点，或者从所述第三网络节点到所述第二网络节点的第二层协议路由信息。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，所述连接指令包括标志，所述标志指示以下之一：

所述第一网络节点的行进方向；

所述第二网络节点的行进方向；

在到达跨越所述网络的一部分的所述链路之前要经过的网络节点数量的指示。

21.一种第一网络节点，包括：

一个或多个处理器；

存储指令的存储器，其中，当所述指令由所述一个或多个处理器执行时，使得所述第一网络设备节点执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。

22.一种包括指令的计算机可读介质，当所述指令由第一网络节点的一个或多个处理器执行时，使得所述第一网络节点执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。

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