一种延迟可容忍网络的星上路由器仿真方法技术

本发明专利技术提出一种延迟可容忍网络的星上路由器仿真方法，包括：1.结合CCSDS和DTNRG构建星上路由器模型，在OPNET中进行可行性和有效性验证；2.基于OPNET的SITL接口实现虚拟数据流和真实数据流的转换，验证网关处理能力；3.用STK得到网络拓扑中星际和星地链路相关数据，并导入仿真软件模拟星际网络；4.对网络损伤仪进行延迟、误码率等相关设置，模拟空间链路。因此，本发明专利技术具有如下优点：整合现有空间通信协议体系提出了星上路由器模型，为我国DTN协议体系的系统级实现乃至空间信息网络的关键技术研究做了一些准备工作；软硬件结合较真实的模拟了卫星网络的环境，有助于验证星上路由器对空间环境的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种延迟可容忍网络的星上路由器仿真方法
本专利技术属于卫星网络技术和计算机技术两大领域，具体涉及一种延迟可容忍网络的星上路由器仿真方法。
技术介绍
当前我国航天事业进入飞速发展期，我国发射航天飞行器的数量和种类较以往有很大程度的增加，航天技术及空间应用的迅速发展对空间网络的研究提出了迫切需求。地面互联网的巨大成功使人们自然而然地想到将地面互联网的工作模式搬移到空间网络中，地面互联网IP协议体系的优势是技术成熟度高、能大大缩减航天成本、易于升级。2001年，美国哥达德航天中心开展了名为OMNI的研究项目[1]，主要研究利用地面商用IP协议实现空间通信方案。空间IP协议体系虽然可以基本满足地面与近地轨道航天器间的信息传输，但TCP协议是基于端到端重传的协议，需要假定传输延迟很小，与深空通信不符。此外，按照分级方式实现的地面路由协议不适用于深空通信的操作环境。空间数据系统咨询委员会（CCSDS）于1982年成立，目前已发布了用于空间链路从物理层到应用层的一系列建议。CCSDS针对空间环境特点，对地面标准TCP/IP协议进行相应改进，开发了一套涵盖网络层到应用层的空间通信协议规范(SCPS)[2]，较为全面地解决了空间信息传输问题。针对深空通信的特点，CCSDS协议也提出了相应的解决方法，如CCSDS文件传输协议CFDP[3]。然而，SCPS针对通信资源非常珍贵的深空通信环境，并未提出具体路由算法；可靠传输依然是采用先建立连接后传送数据的模式；选择重传机制仍然是基于端到端的重传。CFDP协议仅限定于文件传输应用，解决方法不够彻底，缺乏更完善的应用服务，从星际互联的角度考虑的体系结构不够完整。1998年NASA喷气推进实验室(JPL)的一些工程师和网络先驱之一——VintCerf开始了关于星际网络(InterplanetaryNetwork,IPN)的研究，其基本想法是让地球和距离很远的太空船之间的数据通信能够简化到像发生在地球上的两个节点之间一样。相关人员后来发展成立了Internet协会特别兴趣小组，也就是IPNSIG[4]。但是，IPNSIG遇到了一个问题就是现在还没有这样一个星际网络可以进行试验，而建立星际网络又十分昂贵，所以一部分人开始研究如何将IPN的概念体现在陆地应用中，特别是传感器网络，它与假设的IPN网络具有很多共性，同时传感器网络的试验很容易进行(有试验的物质基础)。由于这个原因，IRTF研究组(Internetresearchtaskfroce)成立了新的工作组寻找更通用的延迟可容忍网络，这个工作组称为DTNRG(DTNresearchgroup)[5]，是现在DTN体系结构和协议研究的主要公开组织，并向IETF提交了包括DTN体系结构[6]在内的多项草案和标准。为解决深空环境下的可靠传输问题，JPL于2002年12月提交了一份支持DTN网络的协议草案Lieklider传输协议[7]替代IP协议和TCP协议。2004年初,美国国防部下的DARPA(DefenceAdvancedResearchProjectsAgency)提出DisruptionTolerantNetworking，也简称为DTN[8]。所以，有时用DTN不仅表示延迟可容忍网络，还表示延迟中断可容忍网络。近年来，还产生CCSDS协议体系与空间IP协议体系相结合的思想，就是在数据链路层仍然可以使用CCSDS建议，如分包遥测、分包遥控、AOS、Proximity等，网络层应用IP及其扩展技术，传输层和应用层选用商业标准协议或CCSDS协议。这种解决方案具有较为灵活的协议配置能力，但没有从根本上消除空间IP协议体系和当前CCSDS协议体系在深空通信中的固有缺陷，协议堆栈的可适应感知能力较弱，仍面临许多挑战。IP、CCSDS、DTN三种协议体系并非单纯的技术演进，而是互依并存的。地面互联网TCP/IP的成熟技术和空间IP的应用验证为CCSDS建议的改进提供了明确的方向，CCSDS与IP相结合的协议体系成为发挥TCP/IP的巨大优势并能满足空间通信要求的基本解决途径。DTN协议体系结构可以通过整合前两者分层协议和自身协议以解决空间环境异构异质条件下的可靠传输问题。但DTN协议与前两者相比具有明显的区别：一是DTN不假定存在发送端与接收端的端到端路径，包裹采用存储转发的方法进行传递；二是DTN引入了所谓的“包裹层(BundleLayer)”作为连接不同受限网络的覆盖层，采用此覆盖的节点依靠发送称为“包裹”的异步消息进行通信。包裹层提供和互联网关相似的功能，但它集中于虚消息转发而不是分组交换。目前，卫星上通信设备一般只实现了转发的功能而没有路由的功能，卫星转发器分为透明式转发器和再生式转发器。透明式转发器具有信号放大、下变频等功能；再生式转发器具有射频波束交换、解调-再调制、基带交换、多址方式变换等功能，以减少传输差错率,提高效率,消除干扰,降低传输时延,改善交换性能。最早将路由器搬上卫星的是OMNI[1]，直接对现有商用通信协议进行取舍、组合，使之适应航天任务的操作环境和通信需求，通过利用现成的软、硬件资源来降低航天任务的成本、提高互操作性，仅需在射频设备后增加一个信道纠错编/译码的模块即可与商用路由器相接，直接将承载了用户数据的IP包在网络上传输。2002年，美国情报部门、国防部、NASA共同启动了转型通信研究（TCS），18个月后，该联合研究小组制定了转型通信体系结构（TCA）基线1.0[9]，其中最著名的莫过于TSAT计划，预计采用全激光交叉链路和TSAT路由器构建空间骨干网，虽然该项目被取消，但TCA的总体架构基本上没变[10-11]。2007年美国国防部将“太空互联网路由器”（IRIS）计划列入联合能力技术演示验证财政预算，IRISJCTD通过一颗地球同步通信卫星上携带的一个路由器来进一步开放这种新型网络中心能力的作战概念、战术、技术和方法，实验结果可以更好的指出这种下一代卫星通信网络能力[12-15]。IRIS最大的优点是简化卫星间通信，降低音频传输的延迟。传统的卫星传输方式下，即使旗舰和驱逐舰之间本来只相距几英里，但是它们之间的通讯需要在不同的卫星和地面网络之间传递数次才能到达目的地。IRIS计划可以在太空中的卫星之间发送IP数据包，工作原理类似地面上的互联网，这就减少数据传送的延迟，节省卫星通信宽带，提供更高的网络灵活性。由于该技术能提高军用卫星通讯效率并降低成本，装备较差、规模较小的部队就能第一次在真正意义上使用中心网络的各种功能。IRIS承诺对流量更好的适应性、降低每个字节的成本以及为装备差的部队提供更高的流量。由此可见，星上路由器仍然处于研究阶段，并未成为星上的成熟载荷。面向延迟可容忍网络的星上路由器仿真的目标在于验证星上路由器对于空间环境的适用性，其难点不在于路由器本身，而在于卫星网络环境模拟的真实性。目前国内外卫星网络及其网络设备的仿真方法主要有：（1）、基于软件的网络仿真。采用网络仿真软件对网络设备以及网络环境进行建模分析。常用的有OPNET和NS2软件。OPNET支持在网络各个层次的设备、链路和协议的精确建模，并能够准确分析复杂网络的性能和行为，能够比较真实地反映网络环境，工程和商业应用中较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种延迟可容忍网络的星上路由器仿真方法，其特征在于，包括：星上路由器建模和仿真的步骤：建立星上路由器模型；结合CCSDS和DTNRG定义的网络层次结构，构建适合星上路由器的协议模型，并采用软件仿真的形式对模型的可行性和有效性进行验证；所述星上路由器建模和软件仿真是基于OPNET进行，包括节点域建模、进程域建模、以及外部系统域建模；仿真数据和真实数据的转换的步骤：将软件仿真环境下通过验证的虚拟的数据流，转换为真实的数据流，从而验证网关对真实流的处理能力，由于网关仍然采用软件形式实现，因此具体实施过程中包括仿真数据到真实数据的转换接口和真实数据到仿真数据的转换接口；该步骤是基于OPNET SITL接口进行的，包括时间的同步、数据包的截获以及数据包的转换的子步骤；卫星拓扑的模拟步骤：根据各卫星的轨道参数生成星座组网运行数据，得到星际和星地链路通断时间、链路传输时延等数据，并分析得到网络拓扑结构变化数据；在仿真软件中输入这些数据，构建星际网络拓扑模型，在此基础上对星际网络中的星地、星间通信协议进行仿真；该步骤是基于基于STK进行，通过在STK中定义卫星的参数确定不同的卫星，从而进行卫星网络拓扑的仿真；空间链路的模拟步骤：模拟星地、星间链路，提供延迟、误码率这些参数的模拟接口，通过这些参数配置，观察不同链路对网络性能的影响；具体是：采用iTrinegy网络损伤仪对空间链路进行模拟；将模拟卫星路由器的电脑都与网络损伤仪采用以太网连接，在网络损伤仪的.xml配置文件中，设置不同的延时和误码率参数，用于模拟不同的空间链路参数和链路通断。...

【技术特征摘要】
1.一种延迟可容忍网络的星上路由器仿真方法，其特征在于，包括：星上路由器建模和仿真的步骤：建立星上路由器模型；结合CCSDS和DTNRG定义的网络层次结构，构建适合星上路由器的协议模型，并采用软件仿真的形式对模型的可行性和有效性进行验证；所述星上路由器建模和软件仿真是基于OPNET进行，包括节点域建模、进程域建模、以及外部系统域建模；仿真数据和真实数据的转换的步骤：将软件仿真环境下通过验证的虚拟的数据流，转换为真实的数据流，从而验证网关对真实流的处理能力，由于网关仍然采用软件形式实现，因此具体实施过程中包括仿真数据到真实数据的转换接口和真实数据到仿真数据的转换接口；该步骤是基于OPNETSITL接口进行的，包括时间的同步、数据包的截获以及数据包的转换的子步骤；卫星拓扑的模拟步骤：根据各卫星的轨道参数生成星座组网运行数据，得到星际和星地链路通断时间、链路传输时延等数据，并分析得到网络拓扑结构变化数据；在仿真软件中输入这些数据，构建星际网络拓扑模型，在此基础上对星际网络中的星地、星间通信协议进行仿真；该步骤是基于STK进行，通过在STK中定义卫星的参数确定不同的卫星，从而进行卫星网络拓扑的仿真；空间链路的模拟步骤：模拟星地、星间链路，提供延迟、误码率这些参数的模拟接口，通过这些参数配置，观察不同链路对网络性能的影响；具体是：采用iTrinegy网络损伤仪对空间链路进行模拟；将模拟卫星路由器的电脑都与网络损伤仪采用以太网连接，在网络损伤仪的.xml配置文件中，设置不同的延时和误码率参数，用于模拟不同的空间链路参数和链路通断。2.根据权利要求1所述的一种延迟可容忍网络的星上路由器仿真方法，其特征在于，所述星上路由器建模和仿真的步骤中，三个建模方法具体实现过程如下：建模一：节点域建模；定义在传输层和应用层间加入附加的Bundle层，传输层自适应选择SCPS-TP或UDP协议，链路层则使用IPOVERCCSDSAOS架构；建模二：进程域建模；根据节点域模型，需要描述和实现的进程模型包括Bundle、SCPS-TP和IPOVERCCSDSAOS；Bundle进程模型：Bundle初始传输、转发规程、接收规程、调度规程、转发受限规程、转发失败规程、删除规程和本地交付规程、以及处理行为，所述处理行为包括同意保管、保管释放和保管失败；SCPS-TP进程模型：类似于TCP协议的实现，SCPS-TP协议的实现建立了两个进程模型，一个为管理进程，一个为处理子进程，管理进程为与上下层的接口进程，子进程为SCPS-TP协议的实际处理进程；SCPS-TP管理状态进程负责接收从应用层和下层发来的所有命令，并根据命令进入不同状态；SCPS-TP协议处理子进程负责SCPS-TP协议从建立连接到关闭连接的整个过程，在不同的时候收到数据段采取何种处理，用连接的状态来表示这些不同的事件，并使用状态转移图来说明SCPS-TP在各种状态下对各种数据段的处理方式；IPOVERCCSDSAOS进程模型：IPOVERCCSDSAOS管理进程首先进入初始化状态进行状态变量赋值，然后进入idle状态开始处理各种事件；当进入idle状态后，进程开始等待事件；当事件为流中断时，进程首先读取入流端口；如果是来自上层IP进程，进程进入from_upper状态对IP数据进行AOS帧封装；如果是来自下层MAC进程，进程进入from_lower状态对AOS帧进行解封装并重组IP数据；当事件为自中断Polling_MPDU时，进程进入from_upper状态对当前进行封装操作的AOS帧的帧长进行判断，若不足指定的固定长度，则产生空闲数据插入MPDU包区中，以保证AOS帧为固定长度，然后调用IPOVERCCSDSAOS周期发送子进程对该AOS帧进行发送；建模三：外部系统域建模；外部系统模块主要用于协同仿真；协同仿真是一种由多种仿真工具联合运行的仿真，由Modeler模型、协仿真代码以及外部代码组成；Modeler模型含有一个或多个外部系统定义，而外部代码可以是一个完整的仿真器或连接其它操作系统进程的通信机构，两者通过协仿真代码连接为一体；定义SITL部分的实现属于外部系统域的建模，首先是编写自定义的SITL函数，然后在SITL网关模块中选择包含有该SITL函数的外部文件；SITL部分需要实现的是对Bundle、SCPS-TP和IPOVERCCSDSAOS协议的支持。3.根据权利要求2所述的一种延迟可容忍网络的星上路由器仿真方法，其特征在于，所述星上路由器建模和仿真的步骤中，Bundle进程模型的具体建立方法如下：进程开始时首先通过预初始化状态直到其它进程准备好，然后进行一些必要的初始化工作，主要是初始化静态路由表和其它状态变量并进行Bundle节点的注册；初始化完成后进入空闲状态，此状态主要是判断中断的类型；如果是流中断FROM_LOW，说明从下层进程接收到数据，根据传输层端口号确定是应用数据或是Bundle数据，若传输层端口号为550说明是Bundle数据，需要向保管结点发送保管成功信号，然后等待交...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴静，江昊，周建国，李勇，台啸，罗威，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42