基于双层卫星网络的容迟容断网络自主路由技术

1.本发明属于网络技术与空间卫星通信领域，特别是一种基于低轨卫星和地球同步轨道卫星双层卫星网络的容迟容断网络自主路由技术。


背景技术：

2.延时容忍网络(delay-tolerant networks)又称为容迟/容断网络(delay and disruption-tolerant networks，dtn)，是一种典型的缺乏端到端连接的覆盖型无线网络。容迟容断网络灵活性高，能够更好地适应于传输延迟高，链路频繁中断和误码率高等复杂的网络环境。目前dtn已被广泛应用于空间信息网络、卫星通信、军事作战、偏远山区和车载移动网络等网络通信领域中。
3.dtn是一种通用的面向消息的覆盖层网络体系结构，它通过在网络层和应用层之间添加一个bundle层，实现不同子网之间的连接。传统的tcp/ip协议适用于平稳运行的端到端网络连接，适用于传输时延较小，具有双向路径传输的以及低误码率的网络，因此其不能直接套用在dtn之上。dtn协议栈如图1所示。在该协议中，可在源和目的地之间的每个dtn“跳数”来进行延迟或中断处理。路径上的节点可在将应用数据转发到路径上的下一节点之前，为其提供应用数据所必须的临时存储。dtn架构协议的好处是不需要为了应用数据的可靠传输而建立同时发生的端到端连接。束协议(bp)是dtn架构典型的一种实现方案。bp中数据的基本单元是“束”，“束”中携带应用层协议数据单元(apdu)，发送方和目的地名称，以及端对端传送所需的任何附加数据消息。
4.dtn网络节点是一个具体的实体，在空间信息网络中，节点就是卫星，其他例如主句、路由器和网关等都可以作为网络节点。节点的主要作用是实现束层功能，用来发送、接收或中继转发束。
5.dtn的主要特点体现在端系统、链路和网络结构三方面。下面从这三方面阐述dtn面临的挑战：
6.端系统是指各网络终端设施。由于能量消耗或环境因素，其生存时间是有限的；在能量不足的情况下，端系统周期性地搜集发送数据；由于端系统的缓存容量通常是很小的，容易发生缓存溢出；同时，由于端系统的处理能力有限，其在计算复杂问题时容易出错。
7.链路(路径)是指连接端系统的通道。由于dtn网络延迟大，数据传输率低，造成数据传输不对称的情况；dtn节点是不断移动的，导致网络拓扑结构发生变化，此时节点可能由于能量消耗或频繁移动而造成失效，端到端连接会发生中断；由于节点处理能力有限，在链路上的排队时间较传统网络要长。
8.网络结构是指由于dtn节点是频繁移动的，网络结构也时刻发生变化。网络结构面临的问题是互操作性只在本网络类型内有效，未考虑异构网络之间的互操作性问题；在安全方面，未对服务的接入进行验证。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种容迟容断网络环境下的自主路由技术方案，同时提高网络数据传输的效率与可靠性。
10.从dtn的应用场景总结目前面临的亟待解决的问题。当有消息发送时，源节点与目的节点之间不存在可靠的网络连接。消息的传递只能通过潜在的中继节点以“存储—携带—转发”的方式进行。由于网络中的节点分布稀疏，且节点的移动规律不可预知，消息可能在产生若干小时甚至更长的时间之后才能最终被投递到目的节点。因此，网络需要足够的存储空间来存放消息副本，那么整个网络中节点存储的管理就至关重要。
11.本发明重点研究的容迟容断路由是基于容迟容断网络的。其中过境回传对网络节点的存储能力提出了较高要求，其应用场景如图2所示。一颗卫星在境外收集数据并将其存储在自身的存储设备中。当卫星运行到境内范围时，寻找指定地面基站，与地面站建立通信连接，将收集的数据进行回传。隐蔽通信对dtn的时延性能提出较高要求，其应用场景如图3所示。地面发送端将数据信息发送到天基网络的卫星上，当数据完成地面到天基网络的传输后，地面端立即下线。再由卫星通过天基网络将数据传递到境内地面基站。中断续传对dtn的链路可靠性提出更高需求，其应用场景如图4所示。由于网络拓扑变化或者通信质量问题导致的链路中断，为了避免重路由和数据重传带来的额外开销，将数据先存在卫星上，等待链路恢复后再续传。
12.实现容迟容断网络自主路由技术采用的关键方法有网络节点相遇及链路变化规律，基于社会网络特性的容迟容断路由机制和网络资源受限条件下消息传输调度的实现方式。针对dtn节点存储能力有限，链路传输时延长、误码率高和网络拓扑频繁变化等特点进行自主路由技术研究。首先，针对空间信息网络节点轨道位置相对固定，动态性与确定性并存的特点，开展空间信息网络节点相遇与链路变化规律分析；其次，针对卫星节点的连接关系的特点，从社会网络分析这一角度出发，利用节点的社会特性来辅助进行路由决策，研究具有社会网络特性的容迟容断网络路由技术。最后，针对卫星节点缓存器容量限制和节点接触时间限制对网络路由性能的影响，研究节点缓存器管理和消息传输调度机制，提高网络资源约束条件下的异步路由性能。
13.实现容迟容断网络自主路由技术过程中的关键环节包括时间/组划分，路由过程，路由过程，拥塞控制和自治策略。具体步骤如下：
14.(1)由于卫星移动会导致网络拓扑发生变化，但在一定时间范围内可以认为网络拓扑是不变的，因此有必要对dtn进行时间/组划分。通过划分时间片段，可以将卫星网络划分为n个不同拓扑，并依次计算不同时刻的路由路径。
15.(2)同一时隙内可以认为网络拓扑基本不变，当网络中卫星轨道确定时便可以计算出一个周期内的时隙划分，基于此方法在时隙更新时重新计算路由。
16.(3)若在某时隙内产生大量网络流量，易引起节点拥塞。为了使网络正常运行，有必要设计拥塞控制机制。在近地轨道卫星和地球同步轨道卫星双层卫星网络中，针对不同层卫星节点的拥塞问题，设计不同的处理机制。
17.(4)在本发明中，当网络中有新的卫星节点加入时，首先向所在区域地球同步轨道卫星发送注册信息，地球同步轨道卫星接收到信息后暂不更新路由，使组内成员数加一，暂不向组内其他卫星节点广播此消息，等候至下一时间片，新增卫星节点及组内其他成员发
送链路报告时，一同计算网络拓扑更新后的路由。
18.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)创新性地采用低轨道卫星和地球同步轨道卫星双层网络架构。实验证明基于该双层网络架构的容迟容断网络自主路由技术完全可以满足既定需求。(2)采用容迟容断网络中的典型技术空间信息网络节点相遇及链路变化规律，基于社会网络特性的容迟容断路由机制和网络资源受限条件下消息传输调度来解决路由问题，该方法具有普遍应用性。(3)细化了容迟容断网络自主路由实现的具体过程，包括时间/组划分，路由过程，路由过程，拥塞控制和自治策略。(4)通过仿真实验表明基于低轨道卫星和地球同步轨道卫星双层网络架构的容迟容断网络自主路由技术在端到端时延，链路队列缓存等方面表现出良好效果，因此具有现实的应用意义。
附图说明
19.图1是本发明技术中基于低轨道卫星和地球同步轨道卫星双层网络架构的容迟容断网络自主路由技术的内容框架图。
20.图2是本发明技术中容迟容断网络的协议栈示意图。
21.图3是本发明技术中容迟容断网络的过境回传应用场景。
22.图4是本发明技术中容迟容断网络的隐蔽通信应用场景。
23.图5是本发明技术中容迟容断网络的中断续传应用场景。
24.图6是本发明技术中卫星地理坐标计算示意图。
25.图7是本发明技术中卫星数据发送的逻辑流程图。
26.图8是本发明技术中卫星数据接收的逻辑流程图。
27.图9是本发明技术中时间/组划分的划分方式及时间/组合并示意图。
28.图10是本发明技术中卫星网络路由更新示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图，对具体场景进行分析及具体实施示例对本发明作进一步详细说明。
30.在图3的过境回传应用场景中，假设不涉及同轨卫星之间或异轨卫星之间的数据传输。卫星首先从境外获取必要数据信息，侦查的数据信息缓存在卫星中，待该卫星移动到境内覆盖范围之内时，就可以向地面基站回传数据。该项应用要求卫星有足够大的存储空间，但是对业务实时性要求不高。
31.图4的隐蔽通信场景不同于过境回传，其一，地面终端将数据信息上传到卫星网络后立即下线，猝发性强；其二，天基网络的卫星之间存在信息的传输。本发明研究的隐蔽通信一方面要求与过境回传拥有相同有数据存储的能力，另一方面，隐蔽通信场景只针对地面端到天基网络链路断开的情况，不涉及天基网络卫星之间链路断开的问题。另外，隐蔽通信数据量往往较小，但猝发性强，要求通信时间尽可能短，链路时延尽可能低。
32.图5的中断续传场景主要针对天基网络卫星链路频繁中断的情况。由于卫星网络拓扑变化或者通信质量问题导致的链路中断，为了避免重路由和数据重传带来的额外的开销，将数据先存在卫星上，等待链路恢复后再续传。这类业务对数据传输的可靠性要求高，但对实时性要求不高。
33.采用空间信息网络节点相遇及链路变化规律技术重点解决dtn链路传输时延大的问题。在dtn中，空间信息网络节点间通过在轨道上移动的方式，采用“存储—携带—转发”的方式进行通信。另外卫星间相对移动速度快，卫星间链路的的传输速率和时延变化大，均会对数据转发产生重大影响。为此，需要充分利用卫星运行的先验信息，对网络节点相遇规律和链路的动态变化机理进行深入分析，实现容迟容断网络数据转发的优化，从而提高数据传输的效率。
34.采用基于社会网络特性的容迟容断路由机制技术重点解决dtn链路频繁中断的问题。在dtn中，卫星节点由于其轨道的特点，与其他卫星节点具有一些稳定的连接关系，可以在某种意义上视为社会网络特性。因此，从社会网络这一角度进行分析，通过先验计算和动态感知相结合，获取卫星的偏好地点、数据来源、与其它节点的近亲度等信息，在此基础上进行消息的传输，可有效提高消息传输的效率。
35.采用网络资源受限条件下的消息传输调度技术重点解决dtn中卫星节点存储容量不足的问题。节点的缓存器容量限制和节点接触时间限制，不仅会增加数据转发时延，还会对数据的可靠性产生严重影响。在dtn中，卫星节点的存储容量有限，星间链路动态变化性强，导致面临的问题更为突出。为此，需要在研究空间信息网络节点相遇及链路变化机理的基础上，通过预分配、多路径协作等机制，实现动态、自主和联合的数据转发服务，提高数据转发效率，进而针对多样化的业务需求建立高效的传输服务机理。
36.确定所采用的主要技术之后就是具体实施过程。本发明采用低轨道卫星与地球同步轨道卫星结合的多层网络架构，多层卫星组网一个关键的问题就是由于卫星运动带来的网络拓扑变化问题，相较于单层卫星网络，这个问题显得尤为重要。针对网络拓扑变化问题所采用的主要解决方案就是通过划分时间/组段，在同一时间段内认为网络拓扑是固定不变的，以此计算出不同时刻的路由路径。计算路由的过程是实现dtn自主路由技术的关键环节，在示例中将详细介绍计算路由过程。与此同时需要设置dtn的拥塞控制机制与自治策略。
37.下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
38.实施例1
39.本发明基于低轨道卫星和地球同步轨道卫星双层卫星网络的容迟容断网络自主路由技术解决方案，可实施步骤如下：
40.步骤1，进行主要研究内容分析，引出主要使用的技术。
41.问题分析：卫星的高速移动导致天基网络拓扑结构不断变化，信息传输时延大，链路频繁中断，误码率高。这些特点是地面网络所不具备的，因此传统的tcp/ip协议并不适用于空间信息网络。容迟容断网络可以提供跨越终端、间歇、动态网络的可靠数据传输协议，因此研究基于容迟容断网络研究自主路由技术，考虑缺乏稳定端到端路径、时延高、节点存储容量，对解决空间信息网络面临的一系列问题具有现实意义。
42.1.空间信息网络节点相遇及链路变化规律
43.卫星在固定轨道上移动具有一定的运行规律，虽然卫星节点的存储能力有限，不能实现全局网络的信息共享，但是在小范围内共享卫星运行规律，研究卫星相遇及节点变化规律对提高网络性能具有重要意义。该部分主要内容包括地理坐标计算、星间距离及相对变化率、卫星方位角及其变化率、节点相遇概率和链路变化规律建模等。
44.(1)地理坐标计算
45.使用地球经纬度来表示卫星节点地理坐标。某一时刻(如图6)卫星的地理坐标可按如下方式计算，参数定义如表1所示。
[0046][0047]
表1卫星地理坐标计算的参数定义
[0048][0049]
(2)星间距离及其相对变化率
[0050]
卫星间链路有轨內链路和轨间链路两种。轨內链路的卫星间距离、方位角等几乎不变。由于本发明采用低轨道卫星和地球同步轨道卫星结合的双层网络架构，所以需要考虑轨间链路的情况。下面给出任意两个轨道卫星之间距离的计算方式，该距离为卫星之间的直线距离，假设不考虑地球的遮挡问题，两个轨道卫星之间距离为：
[0051][0052]
(3)卫星方位角及其变化率
[0053]
卫星方位角及其变化率是针对轨间链路来说的。由于卫星间相对位置的变化，它们之间的距离、方位角和仰角都是变化的。为了可以准确定位每颗卫星及其相邻卫星的确切位置，就需要这些卫星之间的距离和方位角的变化范围应尽可能小，变化速率尽可能慢。卫星i到卫星j的方位角ψ
ij
的计算方法为：
[0054][0055]
(4)卫星节点相遇时间及链路建模规律
[0056]
卫星位置坐标按如下方式计算：
[0057][0058]
低轨道卫星相对于地球同步轨道卫星的仰角θ大于最小仰角ε
min
时，两者可以正常通信。因此，θ需要满足如下条件：
[0059][0060]
若leo卫星在geo卫星的覆盖区域内，则leo卫星与geo卫星可见角λ的临界值为：
[0061][0062]
且
[0063]
因此：
[0064][0065]
式中，(x
l
,y
l
,z
l
)为的低轨道卫星的坐标，r
l
为leo卫星轨道半径；(xg,yg,zg)为geo卫星的坐标，rg为地球同步轨道卫星轨道半径。对比低层卫星在不同的高层卫星下的覆盖时间，取连接时间最长的地球同步轨道卫星作为管理者。据此可以对节点相遇时间进行估算，并以此提高容迟容断路由的性能，降低网络损耗。
[0066]
2.基于社会网络特性的空间信息网络容迟容断路由机制
[0067]
社会网络是指通过人与人之间的交互关系形成的网络，其同样不具备持续的端到端连接的特点，因此社会网络是一种典型的容迟容断网络。本发明研究基于容迟容断网络的自主路由技术，因此进一步借鉴社会网络路由机制，可以充分利用空间信息网络自身的特点，提高数据传输的性能。
[0068]
(1)组内转发规则
[0069]
低轨道卫星节点根据地理位置信息划分成不同的组，当目的节点和转发节点在一个组内时，采用组内转发规则。根据组划分的性质，此时，目的节点和转发节点相对较近。因此，组内转发采用多副本转发方式，保证投递率且不会造成太大的网络开销。结合地理位置信息，组内转发规则采用方向性转发，这样可以进一步降低开销。具体方法是：如果转发节点和目的节点相距一跳范围之内，则采用单播的方式直接转发消息，否则转发节点首先计算自身和目的节点以及组内其它各邻居节点(一跳范围内的节点)之间的夹角，通过设定一个阈值(通常为60度)，选取组内所有夹角小于该限值的节点作为下一条节点进行转发。
[0070]
(2)组间转发规则
[0071]
当目的节点和转发节点不在一个组内时，采用组间转发规则。由于此时目的节点和转发节点相距较远，采用多副本转发方式会在多次转发中产生较大的网络开销，降低协议的性能。故组间转发规则采用单副本转发方式。
[0072]
单副本转发方式要选择最有可能与消息目的节点相遇的节点的进行转发，以保证投递率并降低传播延迟。下一跳节点的选择基于一定的预测机制。由社会网络的理论可知，节点更多的时间在其熟悉的地区之间移动，而且与其熟悉的节点多次相遇的可能性更大。本发明所采用的组间转发规则是当转发节点和目的节点不在同一个组时，转发节点首先通过地理位置信息获得目的节点当前处于哪个组内，然后遍历自身组内所有的成员(包括自身)，计算并比较各节点对目的节点所在组的熟悉度，选择该熟悉度最大的节点作为下一跳节点进行转发。
[0073]
(3)数据发送与接收
[0074]
图7和图8分别展示了数据发送和接收的逻辑流程。
[0075]
在容迟容断网络中，消息在路由转发过程中会在节点中缓存，如果节点的缓存较小，它所能携带的消息就较少，这样网络中同一消息的副本数也相对较少，消息被最终投递到目的节点的可能性就会较低，传输延迟也会相对较高。如果节点的缓存较大，这样可以提高消息的投递率并降低延迟。但是，此时网络中被转发的消息个数就会增加，加重了网络的负载。所以节点的缓存大小将会对协议的性能产生很大的影响。
[0076]
3.网络资源受限条件下的消息传输调度
[0077]
步骤2，基于低轨道卫星和地球同步轨道卫星双层网络架构的容迟容断自主路由技术实现。
[0078]
1.构建卫星网络拓扑
[0079]
利用位于赤道的地球同步轨道卫星对地静止这一特点，在低轨道设置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低轨道卫星层，并通过地球同步轨道卫星所覆盖的区域划分管理组，将低轨道卫星分入不同的组进行管理。考虑到地球同步轨道卫星对地球高纬度地区难以覆盖，通过设定低轨道层卫星作为与地面的接入层，低轨道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。
[0080]
2.时间/组划分
[0081]
时间划分方法主要有等长时间划分与非等长时间划分两种，在等长时间间隔内，由于卫星运动可能导致网络拓扑发生巨大变化，可能会导致预设路径失效，而非等长时间划分虽然能解决网络拓扑变化问题，但由此划分的时间片段过多又给节点计算路由带来了巨大计算量。本发明采取优化的非等长时间划分方式，通过对时间片段合并，解决了时间片段过多的问题。
[0082]
如图9(a)所示，t1时刻a节点与b节点连通，t2时刻a节点与b节点断开，若t1到t2时间段内，网络中只有此链路产生通断变化，则依据非等长时间划分方式，此为一个时间片。按照这样划分的时间片段，可能会出现图中[t(4),t(5)]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的问题是更严重的。为此，本发明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9(b)所示。
[0083]
3.路由过程
[0084]
基于在同一时隙内可认为网络拓扑基本不变的原理，仅在时隙更新时重新计算路由，依据图10介绍路由更新步骤。
[0085]
(1)各低轨道卫星获取收集与其他节点的可连接性，生成卫星链路报告。
[0086]
(2)低轨道卫星通过层间链路向所在分组管理卫星发送链路报告，等候时间为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至地面控制中心，同时将以gi为其中一个端点的链路连接性置0后执行(6)。
[0087]
(3)当地球同步轨道卫星集齐本组内所有链路报告或超过时间τ时，地球同步轨道卫星将通过层内链路向相邻的地球同步轨道卫星发送所收集的链路报告，若在时间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，执行(6)，否则执行(4)。
[0088]
(4)地球同步轨道卫星相互交换链路报告后，各地球同步轨道卫星均可获得网络拓扑图g(v,e)，此时执行(4)。依据跳数最少原则，地球同步轨道卫星为分组内每颗低轨道卫星计算到低轨道卫星层所有卫星的最少跳数路径，并由此更新其路由表。
[0089]
(5)计算更新完各低轨道卫星的路由表后，地球同步轨道卫星根据路由表的s_id，通过层间链路将路由表发送给各低轨道卫星，低轨道卫星发送ack确认消息。路由计算更新完毕。
[0090]
(6)控制中心接收到节点失效报告后，首先根据失效报告判别失效卫星的类型，若失效卫星为低轨道卫星，则尽快查明原因修复。若失效卫星为地球同步轨道卫星，首先尽快查明原因修复，其次，由于地球同步轨道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，向该地球同步轨道卫星所在分组内的低轨道卫星发送命令，使低轨道卫星发送链路报告至其他地球同步轨道卫星，由正常的地球同步轨道卫星暂为处理，重新执行(3)。
[0091]
4.拥塞控制
[0092]
在低轨道卫星和地球同步轨道卫星双层网络架构中，需要为不同层次卫星网络设计不同拥塞控制机制。
[0093]
(1)低轨道卫星拥塞控制
[0094]
低轨道卫星负责与地面基站网络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实现监控。
[0095]
可以设定节点拥塞判定的阈值为85％，当比值大于0.85时，认为当前节点出现拥塞，本节点发送拥塞报告至分组管理者，管理者在自身存储网络拓扑中将该卫星设为不可达，重新计算路由并下发至本组内的低轨道卫星，直至节点发送拥塞解除报告，重新置其为可到达，并更新组内路由。
[0096]
(2)地球同步轨道卫星拥塞控制
[0097]
地球同步轨道卫星是低轨道卫星组的管理者，既承担数据传输业务，还负责计算网络路由，处理低轨道卫星卫星拥塞，因此有较大可能发生节点拥塞。在实际网络中，地球同步轨道卫星的处理能力优于低轨道卫星。当地球同步轨道卫星出现拥塞情况时，大多是网络中流量突发导致，这种情况下引起地球同步轨道卫星拥塞的时间不长，利用bundle层协议思想，通过暂时将到来的消息束存储至其他存储空间，凭借其处理能力可较快解除拥塞状态。若网络中地球同步轨道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。
[0098]
5.自治策略
[0099]
在本发明中，当有新的卫星节点加入网络时，该节点首先向所在区域地球同步轨道卫星管理者发送注册信息，地球同步轨道卫星接收到信息后暂不更新路由，执行组内成员数加一的操作，但是不向组内其他卫星节点广播此消息。等候至下一时间片到来时，新增卫星节点及组内其他成员同时发送链路报告，一同计算网络拓扑更新后的路由。采用此方式，新增卫星节点无需向网络内所有节点广播消息，而是由所在分组管理者负责广播，此举增强了网络的自治性。
[0100]
本发明基于低轨卫星网络和地球同步轨道卫星网络的双层网络架构，设计实现了容迟容断网络的自主路由技术。该技术可以有效应对传统tcp/ip不能直接应用于dtn的局限性，通过采用有空间信息网络节点相遇及链路变化规律，基于社会网络特性的容迟容断路由机制和网络资源受限条件下的消息传输调度的关键技术。实现了时间划分、组划分，路由过程，拥塞控制和自治策略等关键环节。该技术为容迟容断网络场景提供了应对空间网路通信中高时延、链路中断频繁、节点存储能力有限和高误码率等弊端的有效解决方案，具有良好的应用效果。