分布式编址和快速路由方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种分布式编址和快速路由方法及系统，属于卫星通信技术领域，首先建立卫星相对运动模型，然后基于建立的卫星相对运行模型，选择合适的参考系卫星部署控制器，再基于部署的控制器完成卫星地址分配，最后基于分配好的卫星地址同步建立路由表。本发明专利技术全新的数据包通信协议在各字段结构设置上更为灵活；以介数中心性定位控制器卫星保证了控制器与各卫星之间的短距离通信；分布式编址方法减少了卫星间的频繁通信，提高了地址分配速度；将路由表建立过程与地址分配相同步，缩短了网络地址和路由配置时间，提高了网络效率；在后期数据包传输时，无需对网络进行重路由计算；通过大小值匹配建立路由表，最大程度简化了路由表表项和路由表结构。表表项和路由表结构。表表项和路由表结构。

【技术实现步骤摘要】
分布式编址和快速路由方法及系统


[0001]本专利技术涉及卫星通信
，具体涉及一种分布式编址和快速路由方法及系统。

技术介绍

[0002]随着卫星技术的不断发展，以卫星互联网作为地面支持网络的模式受到越来越多的关注。卫星互联网信号覆盖范围广，通信频率高，波段丰富，在民用、军事，传统、新型网络中均有着重要的地位。根据Gartner在2021年的预测，低轨卫星将在2027年，覆盖全球10亿最贫穷的人所在区域，帮助其中50％的人摆脱贫困。卫星互联网广泛覆盖这一显著特点，解决了现代地面通信网络的信号覆盖问题，成为了支撑地面网络通信必不可少的一部分。
[0003]在这一发展大趋势下，卫星互联网得到了广泛的研究。尤其是SDN架构与卫星网的融合，星地一体化通信架构的快速发展，卫星控制能力面对着新的要求，卫星互联网中控制功能方面面临新的挑战。当前关于卫星网的控制研究可根据研究点分为三个方面：
[0004](1)卫星网控制器部署问题。这类研究着重于控制器的部署位置。良好的部署位置可缩短控制器与卫星间的距离，提高控制指令的下发效率。该方面研究主要针对控制器的数量和位置进行建模，通过图论分析、拓扑和负载预测、实验测试等方法，选择最优的控制器位置。
[0005](2)卫星网资源分配问题。这类研究着重于利用控制网络优化各卫星的资源分配，提升数据传输性能。研究包括分析卫星的任务时间和等待时间，讨论任务放置算法，以提高卫星处理任务的效率。也包括感知网络状态，动态地对精确位置高效分发内容，提高用户的视频服务体验。/>[0006](3)卫星网编址和路由问题。研究主要基于地面通信网，根据SDN架构和网络拓扑，讨论各类编址方法。这些研究依照计算机网络分层架构，从二层拓扑探索、三层地址分配、四层通话信道建立等各方面对编址和路由进行分析。其他研究则着重于路径故障后的快速恢复问题，实现稳定的网络传输保障。
[0007]卫星网与地面通信网不论是拓扑结构还是通信模式均有着本质的区别。卫星因其周期性高速围绕地球运行，其拓扑结构变化幅度较大，难以直接应用地面通信网的节点编址和路由方法。卫星间通过无线信号通信，其相邻卫星通信距离，拓扑连接稳定性均低于地面通信网。此外，卫星因其硬件约束，其网络资源极为有限，其中大部分需向地面通信网提供支持。因此，卫星网对编址和路由，有着更高的需求，其快速拓扑变化特性需要更快的地址分配和路由转发速度，以保证在拓扑变化前完成全网配置和数据包传输。其自身有限资源要求控制网的低资源占用，以保证对于地面通信网的有效支持。
[0008]针对卫星寻址和路由方面，清华大学提出了一种基于空间位置信息进行网络层寻址的路由方法和路由设备，当卫星接收到数据包时，根据自身和目的卫星空间位置信息，确定下一跳卫星位置方向。并根据此方向和自身空间位置的相对方位，确定数据包转发接口，并向该端口转发数据包。
[0009]总之，现有的卫星寻址和路由方式存在的不足：卫星通信关系利用不充分，缺少全局视野。以地面为卫星空间位置参考系，仅关注卫星及其邻居卫星的通信连接，未全局考虑卫星网通信情况，使得数据传输时无法保证最短转发路径传输性能。计算转发方向需要额外时延。卫星仅在收到数据包后开始计算转发方向，计算时间无法避免，甚至可能导致计算完毕后与邻居卫星已断开通信。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种分布式编址和快速路由方法及系统，以解决上述
技术介绍
中存在的至少一项技术问题。提出分布式编址和快速路由机制，该机制中，各卫星能够自主完成卫星网的组网与地址配置，并在组网过程中同步生成多条路由，该路由可支持通信信号快速查表与转发，实现数据快速传输。该机制仅占用少量的卫星资源，其分布式地址配置速度优于中心化地址分配机制，其路由表简单，查询速度短于其他方法，同时其路由表包含丰富备用路径，可保障链路故障后通信信号的不间断传输。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：
[0012]一方面，本专利技术提供一种分布式编址和快速路由方法，包括：
[0013]分配轨道编号，分配轨道内卫星编号，镜像卫星运动轨道，等效矩阵卫星拓扑，建立卫星相对运动模型；
[0014]基于建立的卫星相对运行模型，选择合适的参考系卫星部署控制器，以使在分配卫星地址时所述控制器到最远端卫星的通信时间最短；
[0015]基于部署的控制器广播地址分配数据包，卫星接收广播的地址分配数据包并确认自身地址，卫星广播地址分配数据包，完成卫星地址分配；
[0016]基于分配好的卫星地址，在确认自身地址和邻居信息后，同步建立路由表。
[0017]可选的，分配轨道编号包括：通过集合O对各轨道进行描述，其中，n为该低轨卫星网络轨道总数，从某一条轨道开始，依次对轨道进行编号；
[0018]O＝{O1,O2,O3,
…
,O
n
}。
[0019]可选的，镜像卫星运动轨道包括：将环形卫星运行轨道以轨道交接点为分割点进行切分；将分割后的两部分卫星轨道以分割点作镜像，使卫星轨道同时处于同一个范围内；对镜像后的新轨道进行拉伸，将每条轨道拉成直线，形成平面化卫星运动拓扑。
[0020]可选的，等效矩阵卫星拓扑包括：利用相邻轨道间卫星通信能力，对平面化卫星运动拓扑进行调整，将可通信的不同轨道卫星放置于相同水平位置，形成矩阵形式的卫星拓扑。
[0021]可选的，通过等效矩阵卫星拓扑，最终确定相对运动模型，包括：选择运动中的卫星作为参考系，以相对位置作为卫星坐标，以参考系卫星作为原点，其轨道变化方向为x轴，其轨道为y轴，以坐标的形式表示每一颗卫星的运行位置，建立相对运动模型。
[0022]可选的，选择介数中心点所在的卫星为参考系卫星，借用介数中心性的概念，卫星节点的介数为网络里通过该节点卫星的最短路径条数，节点的介数中心性是任意两点经过节点的最短路径数量与所有最短路径数量的比值之和：
[0023][0024]其中，σ
st
是从节点s到节点t的最短路径总数，σ
st
(v)是其中通过节点v的路径数量；通过比较每个节点的介数中心性，选择其中值最大的节点作为参考系原点，并部署控制器，实现最短路径，即介数中心点v拥有最大的介数中心性，最多的最短路径经过该节点，这些最短路径的两端到节点v同样为最短路径，此节点以最短距离到达最多其他节点。
[0025]可选的，地址分配数据包结构包括：使用网络的二层和三层协议；其中，二层协议为标准以太网协议，源/目的物理地址均为数据包传输中的卫星物理地址；所述三层协议为中，包括地址确认数据包和地址更新数据包。
[0026]可选的，地址确认数据包和地址更新数据包均拥有相同的源地址长度字段和源地址字段；地址确认数据包拥有目的地址字段，该字段表示数据包接收端的卫星地址，接收端卫星根据此字段确认自身地址；地址更新数据包所拥有的目的地址字段长度可变，该字段存储接收端卫星可使用作为自身地址的地址空间。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式编址和快速路由方法，其特征在于，包括：分配轨道编号，分配轨道内卫星编号，镜像卫星运动轨道，等效矩阵卫星拓扑，建立卫星相对运动模型；基于建立的卫星相对运行模型，选择合适的参考系卫星部署控制器，以使在分配卫星地址时所述控制器到最远端卫星的通信时间最短；基于部署的控制器广播地址分配数据包，卫星接收广播的地址分配数据包并确认自身地址，卫星广播地址分配数据包，完成卫星地址分配；基于分配好的卫星地址，在确认自身地址和邻居信息后，同步建立路由表。2.根据权利要求1所述的分布式编址和快速路由方法，其特征在于，分配轨道编号包括：通过集合O对各轨道进行描述，其中，n为该低轨卫星网络轨道总数，从某一条轨道开始，依次对轨道进行编号；O＝{O1,O2,O3,
…
,O
n
}；镜像卫星运动轨道包括：将环形卫星运行轨道以轨道交接点为分割点进行切分；将分割后的两部分卫星轨道以分割点作镜像，使卫星轨道同时处于同一个范围内；对镜像后的新轨道进行拉伸，将每条轨道拉成直线，形成平面化卫星运动拓扑；等效矩阵卫星拓扑包括：利用相邻轨道间卫星通信能力，对平面化卫星运动拓扑进行调整，将可通信的不同轨道卫星放置于相同水平位置，形成矩阵形式的卫星拓扑。3.根据权利要求2所述的分布式编址和快速路由方法，其特征在于，通过等效矩阵卫星拓扑，最终确定相对运动模型，包括：选择运动中的卫星作为参考系，以相对位置作为卫星坐标，以参考系卫星作为原点，其轨道变化方向为x轴，其轨道为y轴，以坐标的形式表示每一颗卫星的运行位置，建立相对运动模型；选择介数中心点所在的卫星为参考系卫星，借用介数中心性的概念，卫星节点的介数为网络里通过该节点卫星的最短路径条数，节点的介数中心性是任意两点经过节点的最短路径数量与所有最短路径数量的比值之和：其中，σ
st
是从节点s到节点t的最短路径总数，σ
st
(v)是其中通过节点v的路径数量；通过比较每个节点的介数中心性，选择其中值最大的节点作为参考系原点，并部署控制器，实现最短路径，即介数中心点v拥有最大的介数中心性，最多的最短路径经过该节点，这些最短路径的两端到节点v同样为最短路径，此节点以最短距离到达最多其他节点。4.根据权利要求1所述的分布式编址和快速路由方法，其特征在于，地址分配数据包结构包括：使用网络的二层和三层协议；其中，二层协议为标准以太网协议，源/目的物理地址均为数据包传输中的卫星物理地址；所述三层协议为中，包括地址确认数据包和地址更新数据包；地址确认数据包和地址更新数据包均拥有相同的源地址长度字段和源地址字段；地址确认数据包拥有目的地址字段，该字段表示数据包接收端的卫星地址，接收端卫星根据此字段确认自身地址；地址更新数据包所拥有的目的地址字段长度可变，该字段存储接收端卫星可使用作为自身地址的地址空间。5.根据权利要求4所述的分布式编址和快速路由方法，其特征在于，基于部署的控制器
广播地址分配数据包，卫星接收广播的地址分配数据包并确认自身地址，卫星广播地址分配数据包，完成卫星地址分配，包括：卫星接收到地址确认数据包后，判断该数据包是否有效，有效性的依据为该端口是否曾经接收过此类数据包；若数据包无效，则直接进行丢包处理；若数据包有效，则该数据包为该端口接收的第一个地址确认数据包；根据接收的第一个地址确认数据包，确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：权伟，刘明远，张宏科，徐子恒，张雪，罗延，邓君，罗通，李佳琦，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：