CN116707616B - 一种空间网络多协议分布式数据报转发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，包括：S1、查询地面网络的数据报的相应目的地址，并通过源点边缘路由器将数据报和相应目的边缘路由器地址封装后发送到邻接的卫星转发节点；S2、在卫星转发节点中根据预先设置的转发策略、本地地址、源地址和目的地址计算转发端口，通过NFP转发和CPI转发两种转发机制转发数据报给邻接卫星节点；S3、通过邻接卫星节点接受和拆封数据报，并解析报头以获取源点发送的数据报；本发明解决了现有空间路由面对大尺度、多数量和高动态的巨星座空间网络时出现的低抗毁、高开销及慢收敛问题，实现了数据报的高效转发。

Description

一种空间网络多协议分布式数据报转发方法
技术领域
本发明涉及空间网络路由技术领域，具体而言，涉及一种空间网络多协议分布式数据报转发方法。
背景技术
随着全球通信产业蓬勃发展，作为世界上两个最成功的通信系统，移动蜂窝网络和因特网为新一代通信系统做出了一系列部署：在5G网络已经逐渐扩大范围的同时，3GPP为主的6G网络研究提出将基站部署在近地轨道实现全球宽带高速互联；于此同时，IETF组织也对下一代Internet进行了设计，其中就包括以近地轨道卫星部署为转发节点，实现新一代分组转发网络。可见，空间部署通信节点的空间网络系统已经成为未来通信系统演化的主要趋势，基于此通信系统之上，不仅能为现有通信系统互补，对远海舰船、高速铁路列车、高空民航客机提供宽带服务，还能为世界接近37％偏远地区人口提供通信接入。另外，对一些现有通信系统难以支持的特殊终端，例如卫星、邻接空间飞行器等，在空间网络支撑下，能够极大拓展业务水平，实现包括实时星对地综合观测、高超声速飞行器超长距实时遥控等现阶段难以完成的任务。
巨星座下的空间网络端到端通信是空间网络可行性的重中之重，尤其在网络层需要解决星间路由问题，但面临着网络高动态、链路尺度大、节点数量多三个主要特点，传统地面网络的路由算法例如OSPF或RIP等反应在空间网络的会造成低抗毁、大开销、收敛慢等问题。此外，为了实现地面网络与空间网络的融合，应充分考虑支持多种传统协议转发的网络架构。
基于此，本申请提出一种空间网络多协议分布式数据报转发方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其能够解决了现有空间路由面对大尺度、多数量和高动态的巨星座空间网络时出现的低抗毁、高开销及慢收敛问题，实现了数据报的高效转发。
本发明的技术方案为：
第一方面，本申请提供一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其包括以下步骤：
S1、查询地面网络的数据报的相应目的地址，并通过源点边缘路由器将数据报和相应目的边缘路由器地址封装后发送到邻接的卫星转发节点；
S2、在卫星转发节点中根据预先设置的转发策略、本地地址、源地址和目的地址计算转发端口，通过NFP转发和CPI转发两种转发机制转发数据报给邻接卫星节点；
S3、通过邻接卫星节点接受和拆封数据报，并解析报头以获取源点发送的数据报。
进一步地，步骤S1包括以下分步骤：
S11、通过终端将数据报发送到源点边缘路由器上，在源点边缘路由器中根据数据报的目的地址查询相应的目的边缘路由器地址；
S12、将查询到的目的边缘路由器地址和源点边缘路由器地址进行封装以作为数据报的报头覆盖在数据报上；
S13、通过源点边缘路由器将封装后的数据报发送到邻接的卫星转发节点。
进一步地，步骤S13中，还包括：发送数据报时先查询本地记录中上次发送成功的卫星此时是否处于邻接状态，若是，则从该卫星发送，若否，则从所有邻接卫星中随机选择一个发送。
进一步地，步骤S2包括：
S21、在卫星转发节点中根据本地邻接的星间转发表对数据报的报头中的EI字段进行匹配，若匹配成功，则直接转发到星间转发表中，若匹配失败，则进入步骤S22；
S22、在卫星转发节点中根据预先设置的转发策略、本地地址、源地址和目的地址计算转发端口，在转发端口为数据报源端口时，判断是否出现死路，若是，则丢弃数据报，若否，则进入步骤S23；
S23、通过NFP转发和CPI转发两种转发机制转发数据报给邻接卫星节点。
进一步地，步骤S23中，上述NFP转发的计算公式包括：
其中，inext为下一跳的端口，si表示当前卫星，sj表示si邻接的某一卫星，adj(si)为所有邻接卫星集合，r(sj)为卫星sj的地球惯性坐标，rd为目的地址对应的地球惯性坐标，d表示数据报到目的位置的距离，D[r(sj)，rd]为两个坐标的相对距离，i、j均为卫星端口。
进一步地，上述CPI转发的计算公式包括：
其中，inext为下一跳的端口，ed为数据报到目的位置的相对向量e(si，sj)为当前卫星si的j端口指向卫星sj的向量，si表示当前卫星，sj表示与当前卫星si邻接的相邻卫星，i、j均为卫星端口，d表示数据报到目的位置的距离，adj表示所有邻接卫星集合。
进一步地，步骤S3还包括通过边缘路由器对连接的转译服务器进行更新，对每个解析的数据报，将其源地址作为该节点的最新位置，并写入转译服务器维护的转译表内。
第二方面，本申请提供一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储一个或多个程序；
处理器；
当上述一个或多个程序被上述处理器执行时，实现如上述第一方面中任一项的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法。
第三方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一项的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法。
相对于现有技术，本发明至少具有如下优点或有益效果：
一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，通过依靠特定的地址查询系统，将IP数据报的源、目的地址转换为本方法规定的源、目的地址，在转发过程中，根据卫星节点的实时地球惯性坐标系(ECI)地址，以及数据报控制字段，以罗盘转发(CPI)或者最邻近转发(NFP)决定下一跳的转发节点，数据报转发给目的节点，更新转译服务器，对数据报拆封，得到来自源点的地面网络数据报，实现了对多种地面网络协议的转发，解决了现有空间路由面对大尺度、多数量和高动态的巨星座空间网络时出现的低抗毁、高开销及慢收敛问题，实现了数据报的高效转发。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明一种空间网络多协议分布式数据报转发方法的步骤图；
图2为一种电子设备的示意性结构框图。
图标：101、存储器；102、处理器；103、通信接口。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。
实施例1
请参阅图1，图1所示为本申请实施例1提供的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法的步骤图。
第一方面，本申请提供一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其包括以下步骤：
S1、查询地面网络的数据报的相应目的地址，并通过源点边缘路由器将数据报和相应目的边缘路由器地址封装后发送到邻接的卫星转发节点；
S2、在卫星转发节点中根据预先设置的转发策略、本地地址、源地址和目的地址计算转发端口，通过NFP转发和CPI转发两种转发机制转发数据报给邻接卫星节点；
S3、通过邻接卫星节点接受和拆封数据报，并解析报头以获取源点发送的数据报。
作为一种优选的实施方式，步骤S1包括以下分步骤：
S11、通过终端将数据报发送到源点边缘路由器上，在源点边缘路由器中根据数据报的目的地址查询相应的目的边缘路由器地址；
S12、将查询到的目的边缘路由器地址和源点边缘路由器地址进行封装以作为数据报的报头覆盖在数据报上；
S13、通过源点边缘路由器将封装后的数据报发送到邻接的卫星转发节点。
其中，步骤S11的具体过程为：
构建一个动态的地址查询服务器，可以在本地也可以设置由地面网络相连，动态的建立、查询地址翻译表。表内字段中，L3_TYPE为封装数据报的协议种类，可支持IP、MPLS、ATM等多种网络层协议或者链路层协议；边缘路由器可以与地面网络相连，充当空间网络和地面网络的网关，此时封装数据为网络层数据报；边缘路由器也可以是小型用户地面站，其仅与用户有限的终端相连，此时被封装的数据为数据链路层的数据帧，对应的地址为边缘路由器的MAC地址；L3_数据报目的地址DST_ADDR是L3数据报的目的地址，MPLF数据报_数据报目的地址DST_ADDR是对应地址设备的MPLF数据报地址，由ECEF坐标系规定；最后一栏是上次更新的UTC时间，其中UTC的更新数据由源地址为L3_数据报目的地址DST_ADDR的数据报或该数据报的回程数据报携带。
坐标转换方法包括两种，一种由边缘路由器负责，且仅在入口边缘路由器中执行；另一种在转发卫星负责，且在每次转发都要执行。
其中，步骤S12的具体过程为：
入口边缘路由器查询到数据报目的地址DST_ADDR后，将自身的地址SRC_ADDR与目的地址DST_ADDR封装一起，并作为MPLF数据报数据报的报头，覆盖在网络层数据报上。另外，将得到的目的地址的地球固连坐标(即出口边缘路由器)与当前本地地址，封装到MPLF数据报报头，报头处于链路层与网络层之间，即能支持多种协议的封装而对网络层具体协议并没要求。
作为一种优选的实施方式，步骤S13中，还包括：发送数据报时先查询本地记录中上次发送成功的卫星此时是否处于邻接状态，若是，则从该卫星发送，若否，则从所有邻接卫星中随机选择一个发送。
作为一种优选的实施方式，步骤S2包括：
S21、在卫星转发节点中根据本地邻接的星间转发表对数据报的报头中的EI字段进行匹配，若匹配成功，则直接转发到星间转发表中，若匹配失败，则进入步骤S22；
S22、在卫星转发节点中根据预先设置的转发策略、本地地址、源地址和目的地址计算转发端口，在转发端口为数据报源端口时，判断是否出现死路，若是，则丢弃数据报，若否，则进入步骤S23；
S23、通过NFP转发和CPI转发两种转发机制转发数据报给邻接卫星节点。
其中，所有卫星除了星间转发表以外，还动态的维护通过星地链路(GSL)邻接的边缘路由器节点。其中EI为设备码，唯一关联边缘路由器；CHANNEL为边缘路由器的关联信道。卫星下邻接的边缘路由器中有符合要求的，则将数据报根据相应信道下发。
需要说明的是，对于NFP方法，卫星收到数据报后，计算目的节点和周围邻接卫星的相对距离，得到距离最近的卫星以及与其邻接的端口，将数据报发送往该端口；对于CPI方法，卫星则将各个端口的指向向量与当前位置和重点位置的指向向量做余弦相似度计算，并取最大值所在端口为下一跳。
作为一种优选的实施方式，步骤S23中，NFP转发的计算公式包括：
其中，inext为下一跳的端口，si表示当前卫星，sj表示si邻接的某一卫星，adj(si)为所有邻接卫星集合，r(sj)为卫星sj的地球惯性坐标，rd为目的地址对应的地球惯性坐标，d表示数据报到目的位置的距离，D[r(sj)，rd]为两个坐标的相对距离，i、j均为卫星端口。
作为一种优选的实施方式，CPI转发的计算公式包括：
其中，inext为下一跳的端口，ed为数据报到目的位置的相对向量e(si，sj)为当前卫星si的j端口指向卫星sj的向量，si表示当前卫星，sj表示与当前卫星si邻接的相邻卫星，i、j均为卫星端口，d表示数据报到目的位置的距离，adj表示所有邻接卫星集合。
作为一种优选的实施方式，步骤S3还包括通过LER对连接的转译服务器进行更新，对每个解析的数据报，将其源地址作为该节点的最新位置，并写入转译服务器维护的转译表内。
其中，步骤S3包括以下分步骤：
S31、目的边缘路由器对连接的转译服务器进行更新；
S32、目的边缘路由器收到数据报进行拆封，解析报头，得到源点数据报，完成转发；
在本实施例中步骤S31的具体过程为：边缘路由器对每个解析的数据报，会将其源地址作为该节点的最新位置，并写入转译服务器维护的转译表内，并更新上次更新的UTC时刻，此过程仅针对非静止边缘节点，包括运动节点和用户地面站，对于地面信关站则忽略此过程。
实施例2
请参阅图2，图2为本申请实施例2提供的一种电子设备的示意性结构框图。
一种电子设备，包括存储器101、处理器102和通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器101可用于存储软件程序及模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。
其中，存储器101可以是但不限于，随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。
处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
可以理解，图中所示的结构仅为示意，一种空间网络多协议分布式数据报转发方法还可包括比图中所示更多或者更少的组件，或者具有与图中所示不同的配置。图中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图或框图显示了根据本申请的多个实施例的方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，本申请实施例提供的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，通过依靠特定的地址查询系统，将IP数据报的源、目的地址转换为本方法规定的源、目的地址，在转发过程中，根据卫星节点的实时地球惯性坐标系(ECI)地址，以及数据报控制字段，以罗盘路由I(CPI)或者距目的最近转发(NFP)决定下一跳的转发节点，数据报转发给目的节点，更新转译服务器，对数据报拆封，得到来自源点的地面网络数据报，实现了对多种地面网络协议的转发。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、查询地面网络的数据报的相应目的地址，并通过源点边缘路由器将数据报和相应目的边缘路由器地址封装后发送到邻接的卫星转发节点；
S2、在卫星转发节点中根据预先设置的转发策略、本地地址、源地址和目的地址计算转发端口，通过NFP转发和CPI转发两种转发机制转发数据报给邻接卫星节点；
S3、通过邻接卫星节点接受和拆封数据报，并解析报头以获取源点发送的数据报；
步骤S2包括：
S21、在卫星转发节点中根据本地邻接的星间转发表对数据报的报头中的EI字段进行匹配，若匹配成功，则直接转发到星间转发表中，若匹配失败，则进入步骤S22；
S22、在卫星转发节点中根据预先设置的转发策略、本地地址、源地址和目的地址计算转发端口，在转发端口为数据报源端口时，判断是否出现死路，若是，则丢弃数据报，若否，则进入步骤S23；
S23、通过NFP转发和CPI转发两种转发机制转发数据报给邻接卫星节点。
2.如权利要求1所述的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其特征在于，步骤S1包括以下分步骤：
S11、通过终端将数据报发送到源点边缘路由器上，在源点边缘路由器中根据数据报的目的地址查询相应的目的边缘路由器地址；
S12、将查询到的目的边缘路由器地址和源点边缘路由器地址进行封装以作为数据报的报头覆盖在数据报上；
S13、通过源点边缘路由器将封装后的数据报发送到邻接的卫星转发节点。
3.如权利要求2所述的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其特征在于，步骤S13中，还包括：发送数据报时先查询本地记录中上次发送成功的卫星此时是否处于邻接状态，若是，则从该卫星发送，若否，则从所有邻接卫星中随机选择一个发送。
4.如权利要求1所述的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其特征在于，步骤S23中，所述NFP转发的计算公式包括：
其中，inext为下一跳的端口，si表示当前卫星，sj表示si邻接的某一卫星，adj(si)为所有邻接卫星集合，r(sj)为卫星sj的地球惯性坐标，rd为目的地址对应的地球惯性坐标，d表示数据报到目的位置的距离，D[r(sj),rd]为两个坐标的相对距离，i、j均为卫星端口。
5.如权利要求1所述的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其特征在于，所述CPI转发的计算公式包括：
其中，inext为下一跳的端口，ed为数据报到目的位置的相对向量e(si,sj)为当前卫星si的j端口指向卫星sj的向量，si表示当前卫星，sj表示与当前卫星si邻接的相邻卫星，i、j均为卫星端口，d表示数据报到目的位置的距离，adj表示所有邻接卫星集合。
6.如权利要求1所述的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法，其特征在于，步骤S3还包括通过边缘路由器对连接的转译服务器进行更新，对每个解析的数据报，将其源地址作为该邻接卫星节点的最新位置，并写入转译服务器维护的转译表内。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储一个或多个程序；
处理器；
当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-6中任一项所述的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种空间网络多协议分布式数据报转发方法。
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