一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制制造技术

本发明专利技术涉及一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制，所述方法包括以下步骤：步骤1：构建动态离散拓扑模型，表征天地一体化网络中卫星网段的时变拓扑结构；步骤2：基于动态离散拓扑模型，提出一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制(Dyna

【技术实现步骤摘要】
一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制


[0001]本专利技术涉及一种路由机制，具体涉及一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制，属于卫星通信


技术介绍

[0002]在过去十年中，传统地面无线通信系统的用户数量和服务种类呈爆炸式增长。预计未来网络将拥有比当前网络更多的资源来处理不断增长的流量需求。然而，受限于地面通信系统的网络容量和覆盖范围，在农村、山区、海岛等偏远地区，仅靠地面通信系统无法提供高速可靠的无线接入服务。因此，亟需开发一种新的网络架构，以适应不同场景下多样化的业务和应用，满足不同服务质量的需求。
[0003]近年来，6G网络研究的重点已经转向非地面网络的开发，以促进全球范围内持续、无处不在、高容量的连接和异构服务支持。6G设想了一种三维异构架构，其中地面基础设施由无人机、高空平台和卫星等非地面网络元素补充。这些网元不仅在人口稠密和未服务地区提供按需经济高效的覆盖，而且还支持中继、回程、高速移动和高吞吐量混合多重播放服务。
[0004]近地轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星网络的兴起引起了学术界和工业界的广泛关注。天地一体化网络(Satellite
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Terrestrial Integrated Networks,STN)通过互连卫星网段和地面网段，被认为是一种有前景的6G网络架构。具体而言，卫星网段可以无缝连接农村、海洋和山区等偏远地区，而密集部署的地面网段可以为高需求地区的用户提供高速接入。然而，STN的网络设计和协议优化受一些固有特性的影响，将面临诸多挑战。本专利技术分析了STN的一些内在特性，主要包括：
[0005](1)异构性：STN网络包括各种采用不同接入技术和网络设备的无线通信系统，如卫星通信、微波通信和移动通信等。这些技术和设备具有不同的传输速率、带宽、时延和覆盖等特性，导致了STN的异构性。为了实现协同控制、管理、数据传输和互联互通，需要设计适应性强的网络协议和管理策略。通过整合现有无线通信系统的优点，不同的协议可以支持不同的功能或应用，使得STN异构网络能够提供多种数据包传输。此外，STN还可以根据用户需求选择合适的网络接入技术，提供更好的服务。
[0006](2)自组织性：卫星、地面站等STN组件分布广泛，需要自动配置、管理和维护。自组织赋予网络一定的智能性和适应性，使其能够自动调整拓扑结构、配置和资源利用率，以适应不同的应用场景和网络负载。STN的自组织特性使其能够在基础设施环境中实现路由和转发功能。STN融合多层网络，接入各种移动设备，抗破坏能力强。适用于军事通信、应急服务、灾备等场景。
[0007](3)拓扑时变性：空间网络由卫星星座组成，通过星间链路相互连接。卫星星座设计决定了卫星网络拓扑结构的独特性。STN的组件和拓扑的动态变化，例如卫星轨道和天气条件的变化，将影响网络性能和可靠性。因此，时变拓扑要求网络具有一定的适应性和容错性，以应对各种网络环境和应用场景。星间链路的建立不仅降低了卫星网络对地面网络的
依赖，而且增加了系统设计难度和制造成本。卫星节点的高移动性导致链路瞬变和不稳定，因此需要设计适应动态变化的路由算法和链路管理策略。此外，实现有效的链路管理和路径选择对于优化STN网络性能至关重要。
[0008]在现有技术OSPF+方案中，该方案在开放最短路径优先(Open Shortest Path First,OSPF)协议状态机的7个状态的基础上增加了状态Leaving，并引入了拓扑预测机制。OSPF+协议通过判断邻居节点是暂时不可达还是长期不可达来决定是否触发路由收敛，从而减少卫星周期性移动引起的路由重收敛次数。
[0009]在现有技术离散时间拓扑变化聚合(Discrete
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Time Topology Changes Aggregation，DT
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TCA)方案中，DT
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TCA通过边界网关协议(Border Gateway Protocol，BGP)交换域间路由可达性信息。此外，DT
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TCA根据卫星网络运行规律，预测未来某一时间段内可能发生的拓扑变化，并将该时间段内的多次路由更新聚合为一次路由更新，从而降低网络拓扑变化导致的路由更新频率，减少路由抖动。
[0010]上述的OSPF+和DT
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TCA方案并未全面应对卫星网络的动态拓扑特性，因此在处理由卫星网络拓扑动态性导致的额外开销方面存在局限。
[0011]在现有技术多层卫星路由(Multilayered Satellite Routing,MLSR)方案中，该方案为多层卫星IP网络提出了一种基于位置信息的路由协议。在此方案中，数据包在卫星网络中的转发依赖于MLSR路由表，该路由表由掌握整个网络拓扑结构的高轨卫星计算生成。整个网络的拓扑信息由低轨卫星自下而上传输，待高轨卫星收集完整的网络拓扑信息后，路由计算会自顶向下进行分发。为了降低路由表的计算复杂度和传输数据量，MLSR将低轨卫星根据空间逻辑位置分组，并简化每个组为一个虚拟节点。
[0012]上述的MLSR方案既未能全面应对卫星网络拓扑动态性所带来的额外开销，也未考虑卫星网络与地面网络之间的连通性。
[0013]针对STN不同网段的网络层融合问题，本专利技术提供了一种面向动态离散拓扑的广域路由机制，该机制旨在实现卫星网段与地面网段之间的互联互通。实现卫星网段与地面网段互联互通的关键是实现网络层的融合，而网络层融合的关键是实现路由可达性信息的有效交换。尽管在地面网络中，常用的路由信息交换协议如OSPF、BGP等可以实现此目标，但这些协议并不适用于卫星网络。主要原因有：
[0014](1)卫星网络的拓扑动态性：卫星网络与地面网络在拓扑特征上存在显著差异。地面网络的拓扑结构相对稳定，路由器节点主要集中在用户密度较高的区域，与能耗和距离关系较小。而卫星网络的拓扑结构是动态的，路由器节点的位置受卫星轨道等物理参数影响。此外，卫星网络中的星间链路可能会频繁断开和重连，导致链路状态通告交换频繁、路由重计算开销高和路由收敛速度慢。因此，需要针对卫星网络的动态拓扑结构，研究设计更适应这种特殊环境的路由协议和网络架构，以提高卫星网络性能、降低能耗，并为用户提供优质服务。
[0015](2)卫星网络与地面网络的连通性：现有的研究通常将地面网络中的路由信息交换协议进行改进并部署到卫星网络中。例如，适用于STN的域内路由协议OSPF+协议和DT
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TCA方案，通过改进标准的路由信息交换协议，以减少拓扑变化产生的路由协议开销。然而，在实际场景中，在不同网段部署不同的路由协议并实现路由信息交互是相当复杂的。
[0016]为了应对STN的异构性、自组织性和拓扑时变性所带来的拓扑动态性和星地网段
连通性挑战，本专利技术提出了一种面向动态离散拓扑的广域路由机制。该机制旨在实现卫星网段和地面网段网络层的融合，以提升STN中的路由协议性能和报文转发性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：构建动态离散拓扑模型，表征天地一体化网络中卫星网段的时变拓扑结构；步骤2：基于动态离散拓扑模型，提出一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制(dynamic discrete topology oriented wide
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area routing mechanism for satellite
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terrestrial integrated networks,Dyna
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STN)，在管理平面中定义了层次化架构来实现Dyna
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STN，该层次化架构包括了动态离散拓扑管理平面和路由管理平面。2.根据权利要求1所述的一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制，其特征在于，步骤1中动态离散拓扑模型构建过程如下：动态离散拓扑模型将卫星运转的轨道空间划分为若干个服务立方体，每个服务立方体在地球上的投影是一个固定大小的网格，称为服务蜂窝，服务立方体、服务蜂窝和卫星实体之间存在一一对应关系。3.根据权利要求1所述的一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制，其特征在于，步骤2中Dyna
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STN实现过程描述如下：构建一个由固定虚拟节点组成的虚拟覆盖网络，以屏蔽LEO卫星网络的拓扑动态性，动态离散拓扑管理平面维护虚拟节点、卫星实体和时隙之间的动态绑定关系，并实现卫星实体间的服务迁移，路由管理平面在虚拟覆盖网络中部署OSPF路由信息交换协议，建立路由表并负责数据报文转发，实现终端设备之间数据包的可靠传输；动态离散拓扑管理平面和路由管理平面间的周期性交互，包括节点状态交换、拓扑预测与更新、路由策略调整、跨网络分区协同以及负载均衡与拥塞控制。4.根据权利要求3所述的一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制，其特征在于，步骤2中，动态离散拓扑管理平面维护卫星实体、虚拟节点和时隙之间的动态绑定关系，实现卫星实体间的服务迁移，维护虚拟节点的服务连续性，通过一种数据平面连通性测试方案，以保证服务迁移完成后数据平面能够正常运行；其中，动态绑定和服务迁移过程实现如下：设标识为SID0的卫星节点进入服务立方体，标识为SID1的卫星节点即将离开虚拟节点VID0的同一立方体，则动态绑定和服务迁移过程中涉及的信令交互描述如下：步骤501：卫星节点SID0进入服务立方体，触发映射查询函数，向动态离散拓扑管理平面中的SID/VID映射服务器发送映射查询报文，该报文包含了当前卫星实体SID0的SID和位置信息，以便SID/VID映射服务器识别该节点；步骤502：SID/VID映射服务器收到映射查询报文后，查询当前时隙和服务立方体是否存在与当前SID对应的VID，如果存在，则通过响应报文将SID/VID映射关系条目下发给SID0；否则，SID/VID服务器分配一个新的VID，并将其与当前SID建立映射关系，然后向卫星节点SID0发送响应报文，告知其分配的VID，步骤503：卫星节点SID0收到SID/VID映射服务器的响应报文后，将其携带的VID与自己的SID进行绑定，并将映射关系存储在本地，以便后续的报文转发操作可以使用该映射关系，同时，将新的SID/VID映射关系保存在卫星节点SID0的本地缓存中，步骤504：SID/VID映射服务器在识别到服务于虚拟节点VID0的先前卫星节点是SID1后，向卫星节点SID1发送交接命令报文，指示其将其路由器状态迁移到卫星节点SID0，该交接命令报文中包含了当前卫星节点SID0的SID和VID，以便卫星节点SID1可以识别需要将其路由器状态迁移到哪个节点，
步骤505：在卫星节点SID1向SID/VID映射服务器发送确认报文，以表示已收到交接命令报文，确认报文中包含了卫星节点SID1的SID和VID，以便SID/VID映射服务器可以准确地识别确认报文来源，步骤506：卫星节点SID1接收到交接命令报文后，向卫星节点SID0发送迁移请求报文，通知其将其路由器状态迁移到卫星节点SID0，随后，设置一个时间为T的计时器，卫星节点SID1发送迁移请求报文后启动计时器，步骤507：卫星节点SID0接收到来自卫星节点SID1的迁移请求报文后，在控制平面上暂停其路由器状态，从而可以进行状态迁移操作，步骤508：卫星节点SID0向卫星节点SID1发送迁移确认报文，以通知其已准备好接收其路由器状态，此时，卫星节点SID0已经准备好接替前一颗卫星节点SID1的服务，如果卫星节点SID1在超时时间T内收到来自卫星节点SID0的确认报文，则表示确认报文发送成功，卫星节点SID1可以停止定时器，继续路由器状态迁移操作，如果卫星节点SID1在超时时间T内没有收到来自卫星节点SID0的确认报文，则触发超时定时器，卫星节点SID1将重新发送重定位请求报文，为了避免迁移请求报文无限重传，可以设置最大重传次数N，每当超时定时器被触发时，卫星节点SID1将检查已发送的重定位请求报文的数量，如果达到最大重传次数N，卫星节点SID1可以暂停迁移操作并报告异常情况，步骤509：卫星节点SID1在控制平面上将其当前路由器状态(包括路由表和配置文件)同步到卫星节点SID0，步骤510：卫星节点SID0接受到卫星节点SID1发来的路由器状态文件后，更新其在控制平面上的路由表和配置文件，以便可以正确转发到虚拟节点VID0的数据包，步骤511：卫星节点SID0重新启动路由器，此时，卫星节点SID0已经可以正常为虚拟节点VID0正常工作，步骤512：卫星节点SID0向卫星节点SID1发送迁移完成报文，步骤513：卫星节点SID1收到卫星节点SID0发送的迁移完成报文后，清空路由器状态，并解除自身与虚拟节点VID0的绑定关系，步骤514：卫星节点SID1向SID/VID映射服务器发送释放报文，以删除映射服务器中SID1与VID0的映射关系条目，步骤515：SID/VID映射服务器接收到卫星节点SID1的释放SID/VID映射关系报文后，在其数据库中删除SID1与VID0之间的SID/VID映射关系，同时，SID/VID映射服务器会维护一份虚拟节点VID0的服务历史记录，以便在未来需要时可以查询，至此，SID/VID动态绑定和服务迁移过程已经完成。5.根据权利要求4所述的一种面向动态离散拓扑的天地一体化网络广域路由机制，其特征在于，步骤2中卫星节点之间的服务迁移通过一种新颖的数据平面/控制平面分离服务迁移方法实现，具体过程描述如下：设卫星节点A和B之间需要进行服务迁移，具体过程描述如下：步骤601：建立隧道，在卫星节点A和卫星节点B之间建立隧道，用于在控制平面迁移后和链路迁移完成前收发路由报文，隧道的建立确保了服务迁移过程中控制平面的连续运行，步骤602：复制路由器映像，迁移控制平面主要包括复制路由器映像(路由协议二进制
文件和网络配置文件)和内存(包括所有运行进程的状态)，步骤603：内存复制，内存复制分为两轮进行，1)预复制，在第一轮复制中，将内存...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴强，李舒阳，王然，蔡贵良，王润法，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：