一种基于交互标签的星间及馈电链路数据包转发方法

技术领域

本发明涉及承载网技术领域，具体涉及一种基于交互标签的星间及馈电链路数据包转发方法。

背景技术

近年来，随着商业航天的快速发展，在全世界范围内掀起了卫星互联网的建设热潮，国内外各大航天企业纷纷推出了各自的卫星互联网计划。我国也将卫星互联网纳入了通信网络基础设施范畴，其中，低轨卫星星座通信系统具有覆盖范围广，受地形地势的影响小，抗毁能力腔等优点，因此打造低轨卫星互联网星座的问题备受关注。但是这种星座网络与地面网络解耦的拓扑划分方式使得用户到信关站的目的节点难以确定，且涉及卫星在相邻信关站间馈电链路的接力切换问题，为此需要设计一种高效的、可行的地轨通信卫星星座星间路由选择方法。

发明专利CN111211828A中提出了一种低轨通信卫星星座星间路由选择方法，具体地，低轨卫星接受来自终端的数据包并查找路由表，将当前卫星源节点与最近信关站分别默认为源节点和目的节点，作为数据包星间传输的源地址与目的地址添加到数据包包头中，读取路由表的默认目的节点及路径信息，计算出4条路径，并将所得路径由运控系统定期上注路由表，然后判断当前卫星是否是目的卫星，进而判断当前优选路径是否为激活状态，以此作为是否选择备用路径的标准，最终完成数据在星座网络中的路由过程。此发明采用离散化的虚拟拓扑思想，将网络动态拓扑转换为静态拓扑，对时间片等时间间隔进行划分，真实反映整个网络拓扑(星间与星地)结构及链路的实际连通状态，简化了路由决策流程，减少了运算所带来的开销。但是，由于低轨星座拓扑的高动态性，卫星载荷的能力限制，星间链路的不稳定性，馈电链路和异轨道面星间链路在内的网络拓扑构型频繁发生更改，为确保故障状态下的路由转发能力，路由策略需要具有卫星互联网系统在节点或链路故障时的服务保障能力。因此需要设计低轨卫星星座星间和馈电特有的标签路由表，基于交互标签进行数据包转发，从而有效的保障网络的可用度和用户的服务体验。

发明内容

为了解决因卫星节点的高速运动导致包括馈电链路和异轨道面星间链路在内的网络拓扑构型频繁更改问题，保障数据流能够按预定链路正确传输至目的地址(卫星或信关站)，并保障在空间段卫星节点或星间链路出现故障时系统仍能维持相当的服务能力，本发明提供一种基于交互标签的星间及馈电链路数据包转发方法，包括以下步骤：

将网络拓扑表按照配置的时间片进行划分，在每个时间片内网络拓扑结构视为不变，根据网络拓扑结构，计算源节点和目的节点之间的多条路径，最后生成标签路由表；

地面管控系统将标签路由表连续发送到低轨卫星，卫星收到后校验、存储并向地面发送应答报文；当系统扩展至多星的星座时，卫星根据目的地址判别是否是自己的标签路由表，如果不是，则继续在同轨间转发；

当卫星接收到数据包时，判断该数据包的源节点是否是卫星，若不是则更新当前数据包的源节点与目的节点，否则直接读取当前数据包的目的节点地址，根据标签路由表进行转发。

进一步的，标签路由表的结构是：若有m个地面信关站和n颗低轨卫星，则生成的标签路由表结构为(n+m)*(n+m)矩阵，记为矩阵A，元素A[i][j]表示卫星和卫星或卫星和信关站之间的通断状态与相互距离，标签路由表中A[i][j]＝A[j][i]；

进一步的，对于矩阵A中的元素A[i][j]，当i、j不等于(n+m)时，如果第i颗卫星和第j颗卫星没有通过星间链路直接相连，则矩阵元素A[i][j]和A[j][i]为0，如果通过星间链路连接，则A[i][j]和A[j][i]的值为星间链路的长度；

当i或j等于(n+m)时，如果存在第k颗卫星位于信关站的可视范围内，且k

进一步的，在确定完时间片内整个网络的连通状态后，取时间片的中间时刻为取值点，计算出各链路的距离，并将其作为标签路由表的权值；

进一步的，所述标签路由表中，源节点与目的节点间的路径至少有3条，并根据中间网络拓扑结构来计算多条备用最短路径，所述中间网络拓扑结构存储某一时刻的网络拓扑结构，根据当前拓扑图计算最短路由路径作为候选路由路径，将当前拓扑图随机选择两个点断开后计算当前最短路径作为候选路由路径的备用；保证至少有一条备选路径是在最短路径所有链路都断开的情况下计算得到的，从而避免某条链路断开即导致所有备选路径不可用的故障；

进一步的，地面生成标签路由表及标签路由表的上注过程包括：

地面管控系统在每个时间片有效作用期结束之后，重新计算下一个时间片有效作用期内整个网络的标签路由表向卫星发出上注请求，当上注标签路由表与星上已存储标签路由表时间段存在重合，以上注标签路由表为准并覆盖星上存储标签路由表，卫星接受请求后应答；

地面管控系统收到应答进行路由报文分片，卫星采用CRC校验，根据分片偏移量存储相应表项后应答，对于传输过程中出错的分片，地面管控系统进行重传，卫星接收后应答；

标签路由表传输完毕，地面管控系统发送路由上注完成信息，卫星校验后应答；

进一步的，卫星收到的数据包的源节点为地面用户时，将数据包的源节点更新为当前卫星，并通过源节点为卫星的方式进行数据包的转发，将数据包的源节点更新为当前卫星的过程包括：

地面用户传输数据包至卫星，卫星收到用户链路数据包后重新组合数据，按照星间链路协议重新封装数据，在用户链路数据包的帧结构头部增加交互标签，并将该卫星更新为数据包转发过程中的源节点，查看标签路由表将最近信关站作为目的节点，将更新后的源节点和目的节点地址写入数据包包头的交互标签；

进一步的，卫星作为源节点时，数据包的转发流程包括：

S1、卫星收到上一颗卫星传送的数据包；

S2、当前卫星读取该数据包的目的节点地址与标签路由表的路径信息，查询首选路径状态信息，判断该路径是否激活，若是，则进入步骤S4，若不是，则进入步骤S3；

S3、选择备选路径集并判断该路径集中是否有路径激活，若是，则进入步骤S4，若不是，则过程结束；

S4、根据路径决定下一跳，判断下一跳是否为信关站，若是，则删除数据包的交互标签，经馈电链路下行至信关站，若不是，则数据包转发到下一卫星后，返回步骤S2。

本发明所述一种基于交互标签的星间及馈电链路数据包转发方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明采用标签路由表的方式，卫星收到用户链路产生的数据包后，在数据包中增加交互标签，然后基于交互标签查询标签路由表，有效的降低了星间和馈电的数据交换的复杂度，相比于地面网络的在每个终端上的全IP方式，降低了标签管理难度，对于低轨星座的高动态网络拓扑结构，降低了对载荷能力的需求和星上资源的开销；

2)本发明采用时间片划分的方式，将动态的星座拓扑结构进行了静态处理，同时利用多条备用路径可以解决简单的标签交互故障。此外，周期性的重新上注新的标签路由表，对于路由策略的动态更新得到了保障。

本发明所设计的一种基于交互标签的星间及馈电链路数据包转发方法，针对低轨卫星星座网络拓扑构型的高动态性及链路故障的不确定性问题，提出一种打标签的机制，同时采用时间片划分的方式，将动态的星座拓扑结构转化为静态拓扑，然后计算出相应的路由策略，并周期性的更新上注，有效的降低了星间和馈电的数据交换的复杂度、载荷处理能力的需求和星上资源的开销，有效的提高了星间和馈电标签交互的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明中地面管控系统与卫星间的路由表上注协议；

图2为本发明中用户链路数据包增加标签过程；

图3为本发明卫星作为源节点时数据包的转发流程；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于交互标签的星间及馈电链路数据包转发方法，该方法如图1-3所示，包括以下步骤：

将网络拓扑表按照配置的时间片进行划分，如表1所示，在每个时间片内网络拓扑结构视为不变，根据网络拓扑结构，计算源节点和目的节点之间的多条路径，最后生成标签路由表。

表1时间片划分

具体地，以只有一个地面信关站和n颗低轨卫星的情况为例，最终生成的标签路由表结构为(n+1)*(n+1)的矩阵，记为矩阵A，元素A[i][j]表示卫星与卫星或卫星与信关站之间的通断状态与相互距离，对于标签路由表存在A[i][j]＝A[j][i]；

具体地，当i、j不等于(n+1)的时候，如果第i颗卫星和第j颗卫星没有通过星间链路直接相连，则矩阵元素A[i][j]和A[j][i]为0，如果通过星间链路连接，则A[i][j]和A[j][i]的值为星间链路的长度；

当i或j等于(n+1)时，如果存在第k颗卫星位于信关站的可视范围内，且k

若有两个信关站和n颗低轨卫星，则生成的标签路由表结构为(n+2)*(n+2)矩阵，记为矩阵B，元素B[i][j]表示卫星和卫星或卫星和信关站之间的通断状态与相互距离，标签路由表中B[i][j]＝B[j][i]。

对于矩阵B中的元素B[i][j]，当i、j不等于(n+1)且不等于(n+2)时，如果第i颗卫星和第j颗卫星没有通过星间链路直接相连，则矩阵元素B[i][j]和B[j][i]为0，如果通过星间链路连接，则B[i][j]和B[j][i]的值为星间链路的长度；当i或j等于(n+1)时，如果存在第M颗卫星位于信关站1的可视范围内，且M

若有m个信关站和n颗低轨卫星，则生成的标签路由表结构为(n+m)*(n+m)矩阵，多一个信关站就是多一个维度，计算方式同上。

地面管控系统将标签路由表连续发送到低轨卫星，卫星收到后校验、存储并向地面发送应答报文；当系统扩展至多星的星座时，卫星根据目的地址判别是否是自己的标签路由表，如果不是，则继续在同轨间转发。

具体地，地面生成标签路由表及标签路由表上注的过程包括：

地面管控系统在每个时间片有效作用期结束之后重新计算整个网络的标签路由表向卫星发出上注请求，当上注标签路由表与星上已存储标签路由表时间段存在重合，以上注标签路由表为准并覆盖星上存储标签路由表，卫星接受请求后应答；

地面管控系统收到应答进行路由报文分片，卫星采用CRC校验，根据分片偏移量存储相应表项后应答，对于传输过程中出错的分片，地面管控系统进行重传，卫星接收后应答；

标签路由表传输完毕，地面管控系统发送路由上注完成信息，卫星校验后应答。

当卫星接收到数据包时，判断该数据包的源节点是否是卫星，若不是则更新当前数据包的源节点和目的节点，否则直接读取当前数据包的目的节点地址，按照标签路由表的路径信息进行转发：

1)卫星收到的数据包的源节点为地面用户时，将数据包的源节点更新为当前卫星，并通过源节点为卫星的方式进行数据包的转发，将数据包的源节点更新为当前卫星的过程包括：

地面用户传输数据包至卫星，卫星收到用户链路数据包后重新组合数据，按照星间链路协议重新封装数据，在用户链路数据包的帧结构头部增加交互标签，并将该卫星更新为数据包转发过程中的源节点，查看标签路由表将最近信关站作为目的节点，将更新后的源节点和目的节点地址写入数据包包头的交互标签；

具体地，如图2所示，对用户链路增加标签后的格式；

2)对于星间、馈电链路数据包，该数据包是携带交互标签的，不需要添加标签，直接读取标签里的目的节点；

具体地，如图3所示，卫星作为源节点时，数据包的转发流程包括：

S1、卫星收到上一颗卫星传送的数据包；

S2、当前卫星读取该数据包的目的节点地址与标签路由表的路径信息，查询首选路径状态信息，判断该路径是否激活，若是，则进入步骤S4，若不是，则进入步骤S3；

S3、选择备选路径集并判断该路径集中是否有路径激活，若是，则进入步骤S4，若不是，则过程结束；

S4、根据路径决定下一跳，判断下一跳是否为信关站，若是，则删除数据包的交互标签，经馈电链路下行至信关站，若不是，则数据包转发到下一卫星后，返回步骤S2。

载荷在每个时间片有效作用期结束之后删除掉对应的路由表，以释放存储空间，当上注路由表与星上已存储路由表时间段存在重合，以上注路由表为准并覆盖星上存储路由表。

优选地，在确定完时间片内整个网络的连通状态后，取时间片的中间时刻为取值点，计算出各链路的距离，并将其作为拓扑表的权值。

优选地，所述的路由表生成方式由源节点和目的节点之间的多条路径组成，并根据中间网络拓扑结构来计算多条备用最短路径；这里中间网络拓扑结构存储某一时刻的网络拓扑结构，根据当前拓扑图计算最短路由路径作为候选路由路径，将当前拓扑图随机选择两个点断开后计算当前最短路径作为候选路由路径的备用；为了避免某条链路断开即导致所有备选路径不可用的故障，至少有一条备选路径是在最短路径所有链路都断开的情况下计算得到的。

本发明所设计的一种基于交互标签的星间及馈电链路数据包转发方法，针对低轨卫星星座网络拓扑构型的高动态性及链路故障的不确定性问题，提出一种卫星上打标签的机制，同时采用时间片划分的方式，将动态的星座拓扑结构转化为静态拓扑，计算出多条路由策略，并周期性的更新上注，有效的降低了星间和馈电的数据交换的复杂度、载荷处理能力的需求和星上资源的开销，有效的提高了星间和馈电标签交互的稳定性和可靠性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。