一种基于集中控制的天基网络PIM-SSM组播标签路由方法

技术领域

本发明涉及天地一体化网络通信技术领域，特别涉及一种天基网络中基于集中控制的PIM-SSM组播标签路由系统和设计方法。

背景技术

天地一体化网络是以不同轨道、种类、特征的卫星、星座及相应地面基础设施所组成的信息网络，它们通过星间、星地链路连接在一起，根据卫星节点功能的不同，又可划分为天基网络、天基接入网和地面节点网。天基网络主要采用分布在GEO、IGSO或HEO等不同轨道面上的多功能卫星或地面关口站分层部署，实现全球无缝覆盖，主要用于地面网络的延伸和扩展，可为地面网络提供流量分担、恶略环境下的通信保障、全球化通信传输等功能。

在地面网络中，已经存在成熟的多种组播路由协议，主要包括DVMRP、MOSPF、PIM-DM、PIM-SSM、PIM-SSM等。这些协议主要用在地面拓扑稳定的有线网络中。而在天基网络中，由于链路通断、节点能力受限、终端同端口通信等特性，直接应用这些地面标准路由协议，在网络的扩展性、移动性、安全性等方面效果并不好。

目前天基低轨网络中的组播路由算法研究比较多，国内外研究人员从降低切换开销、降低系统利用率、优化星间负载均衡、保障服务质量等多个角度对低轨组播路由的优化策略进行过研究，也提出了很多理论算法。天基网络的组播路由方法研究的比较少，一方面天基网络较天基低轨网络而言，拓扑相对稳定简单，另一方面天基网络单星覆盖范围比较大，星间组网的场景少一些。但是，随着天地一体化网络的建设与天基网络的提出，高轨星间组网需求日益迫切，而天基网络照搬地面标准路由协议，所存在的问题也逐渐被认识。

首先，组播存在同端口通信问题，在天基网络中，卫星终端作为组播路由器，与天基网络卫星节点进行交互，由于天基网络卫星节点多数为高轨卫星，星上安装多个波束，每个波束覆盖的区域很大，波束内的卫星终端互相进行组播通信时，无法进行正常的组播路由协议收敛，这是由地面网络和无线网络的链路不同导致的。目前已知的做法是在卫星波束同端口转发时设置开关，在需要波束内组播通信时，打开开关，组播数据在同波束下广播一份，以便让波束内卫星终端收到，这种做法无法根据接收者的实际情况做到动态转发，属于静态配置的做法。

其次，标准组播路由协议PIM-SSM在天基网络中的扩展性很差，标准组播路由协议PIM-SSM依赖于单播路由协议，并且需要定期刷新状态，周期维护组播流状态，而星载节点能力受限，不能支持大规模终端组网。

第三，标准组播路由协议PIM-SSM针对地面固定网络设计，无法适应卫星终端的跨星跨波束切换等特性，标准组播路由协议PIM-SSM不支持移动性，在组播路由器发生移动后，重配地址，重新等待单播路由协议收敛，严重限制标准组播路由协议PIM-SSM在天基网络中的使用。

最后，标准组播路由协议PIM-SSM采用分布式设计，针对进入天基网络的组播源和组播接收者，无法进行有效管控，路由协议容易被攻击，组播流量容易被诱导，导致天基网络安全性变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是避免背景技术中的问题，公开了一种基于集中控制的天基网络PIM-SSM组播标签路由方法，支持用户网络采用标准PIM-SSM组播路由协议、标准组播组协议与天基网络进行交互，实现用户IP组播业务在天基网络的路由转发。

本发明所采取的技术方案为：

一种基于集中控制的天基网络PIM-SSM组播标签路由方法，由卫星终端、集中控制器和天基网络卫星节点实体上的组播路由功能实现，包括以下步骤：

(1)集中控制器定期发送控制器广播消息，所有卫星终端在入网后均接收控制器广播消息；

(2)所有卫星终端在地面侧同用户网络的路由器交互PIM-SSM协议消息，或与主机交互标准组播组协议消息；同时在卫星侧根据收到的控制器广播消息中的控制器地址信息，向集中控制器发送PIM-SSM组播卫星终端注册消息，集中控制器收到终端注册消息后，区分卫星终端注册的组播协议类型为PIM-SSM，构成一个PIM-SSM组播域，并向卫星终端发送注册响应；

(3)当下游卫星终端收到地面侧用户网络的PIM-SSM组播加入消息或加入组播组消息后，下游卫星终端向组播源所在上游卫星终端单播发送PIM-SSM组播SG加入消息，向集中控制器发送PIM-SSM组播SG标签加入消息；

(4)集中控制器根据收到的PIM-SSM组播SG标签加入消息查找现有的PIM-SSM SG组播转发树，如果存在，则更新SG组播转发树、组播路径以及SG组播标签转发表，通过南向接口协议将SG组播标签转发表更新给组播路径上的天基网络卫星节点；如果SG组播转发树不存在，则创建SG组播转发树，生成SG组播转发路径、SG组播标签转发表和*G组播标签映射表，通过南向接口协议将SG组播标签转发表下发给各天基网络卫星节点，并向组播源所在上游卫星终端配置SG组播标签映射表；组播源所在上游卫星终端收到下游卫星终端发送的单播PIM-SSM组播SG加入消息后，按照标准PIM-SSM协议规定的SG加入流程进行处理，处理过程中不进行邻居有效性检查；

(5)当上游的用户组播IP数据到达上游卫星终端后，进行组播IP路由的查找，查找成功后，再根据组播源地址S、组播目的地址G查找SG组播标签映射表，根据查找结果封装组播标签和卫星链路层帧头，封装好的卫星组播数据发送给天基网络卫星节点；

(6)天基网络卫星节点提取卫星组播数据中封装的组播标签，与SG组播标签转发表中的组播标签进行匹配，匹配成功后确定出口列表，通过出口列表将卫星组播数据流进行转发；其中，如果出口列表内包含组播入口，且组播入口为星间链路端口时，将组播入口从出口列表中强制剔除；

(7)组播下游的卫星终端接收到卫星组播数据后，进行组播标签的解封装，然后进行组播IP路由，通过组播IP路由转发给下游用户网络。

其中，卫星终端与集中控制器之间存在着保活机制，卫星终端在超时时间内收不到集中控制器的广播信息后，会失效集中控制器的地址信息；集中控制器维护所有注册成功的运行PIM-SSM组播协议的卫星终端，构成一个PIM-SSM组播域，卫星终端退网后，集中控制器失效该卫星终端相关联的注册信息和组播转发状态信息，重新计算组播转发树，删除路径上与该卫星终端相关的组播转发信息。

其中，步骤(4)之后还包括以下过程：

(8)当卫星终端收到用户网络的PIM-SSM组播剪枝消息或离开组播组消息后，组播源上游卫星终端单播发送PIM-SSM组播SG剪枝消息，向集中控制器发送PIM-SSM组播SG标签剪枝消息；

(9)集中控制器根据收到的PIM-SSM组播SG标签剪枝消息，查找对应的SG组播转发树，如果不存在，则忽略处理；如果存在，则从SG组播转发树中删除该下游卫星终端，重新计算生成SG组播转发路径、SG组播标签转发表和SG组播标签映射表，若有变化，则通过南向接口协议向新组播路径上的天基网络卫星节点发送组播标签转发表更新消息，向不再使用的旧路径上的天基网络卫星节点发送组播标签转发表删除消息，并向组播源所在上游卫星终端发送组播映射表更新或删除消息；

(10)组播源所在上游卫星终端收到下游卫星终端发送的PIM-SSM组播SG剪枝消息后，按照标准PIM-SSM协议规定的SG剪枝流程进行处理，处理过程中不进行邻居有效性检查。

其中，步骤(7)之后还包括以下过程：

(11)当天基网络星间星地拓扑发生变化后，集中控制器根据新的拓扑，对目前在使用中的SG组播转发树重新计算，更新SG组播转发路径和SG组播标签转发表，若有变化，则通过南向接口协议向新组播路径上的天基网络卫星节点发送SG组播标签转发表更新消息，向不再使用的旧路径上的天基网络卫星节点发送SG组播标签转发表删除消息；

(12)当组播源所在卫星终端或组播接收者所在卫星终端发生跨波束跨星移动后，卫星终端向集中控制器重新发送注册信息，更新卫星终端目前所在的卫星号和端口号，集中控制器重新计算与移动的卫星终端相关的SG组播转发树，更新SG组播转发路径和SG组播标签转发表，若有变化，则通过南向接口协议向新组播路径上的天基网络卫星节点发送SG组播标签转发表更新消息，向不再使用的旧路径上的天基网络卫星节点发送SG组播标签转发表删除消息。

其中，集中控制器与天基网络卫星节点之间采用的南向接口协议为标准协议或自定义私有协议；集中控制器与卫星终端、卫星终端之间的PIM-SSM组播标签路由信令为不带确认的周期性交互或带确认的一次交互机制。

其中，卫星终端向集中控制器发送的PIM-SSM组播卫星终端注册消息，包含该卫星终端目的站号、所在的卫星号和端口号，保活保持时间和IP地址。

其中，卫星终端在向集中控制器发送的PIM-SSM组播SG加入消息中，至少携带组播源所在卫星终端的站号，集中控制器根据组播源或RP路由器所在卫星终端站号，查找注册成功的PIM-SSM组播卫星终端，获取该SG组播转发树的树根。

其中，PIM-SSM协议为IPv4 PIM-SSM协议或IPv6 PIM-SSM。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

采用本发明的PIM-SSM组播路由方案，地面标准组播路由协议PIM-SSM应用在天基网络中的诸多问题将被避免。

本发明采用基于集中控制的二层组播标签路由方案，不区分组播同端口和非同端口，动态根据组播源的位置和组播接收者的加入情况，计算组播路径和组播标签转发表，对与组播源在同端口下的组播接收者的加入与不在同端口下的组播接收者的加入是同等对待的，天然避免组播同端口通信问题。

其次，本发明所述的二层组播标签路由方案采用轻量化控制架构，PIM-SSM组播标签路由信令的开销远远低于地面标准组播路由协议PIM-SSM，并且星上不再需要维护与组播组成正比的组播转发状态，大大降低星上处理的负担，支持的组播网络规模比标准组播路由协议大很多，因此组网规模的扩展性优于地面标准组播路由协议PIM-SSM。

然后，本发明所述的基于二层的组播标签路由方案能够支持节点的快速移动，得益于基于标签的路由交换架构，天基网络的IP身份信息与位置标签信息已经分离，卫星终端的移动相当于只是在二层标签位置网络中移动，而不用重新分配IP地址，因此，本发明可以支持卫星终端跨星跨波束的快速移动，与卫星终端的网控网管机制相结合，能够实现业务的无缝切换。

最后，本发明所述的二层组播标签路由方案基于集中控制策略，在卫星终端发送或接收组播数据时，均需向集中控制器进行注册，因此便于实时组播参与者和组播信令消息的合法性认证，在此架构上便于提高天基网络的组播安全控制。

本发明所述的基于集中控制的二层组播标签路由方案还有一个最大的好处就是能够与标准组播路由协议PIM-SSM、标准组播组协议兼容，支持用户网络的组播路由器或主机采用标准的组播路由协议PIM-SSM、标准组播组协议与天基网络进行交互，从而实现组播IP业务的天地互联互通。

附图说明

图1是本发明的应用场景示例图。

具体实施方式

以下结合图1对本发明的优选实例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明由集中控制器、天基网络卫星节点、卫星终端等实体上的组播功能共同完成。其中，卫星终端作为用户网络与天基网络的连接设备，完成标准PIM-SSM组播路由协议信令、标准组播组协议与卫星侧PIM-SSM组播标签路由信令的转换，以及IP组播数据的标签封装与解封装；天基网络卫星节点完成带组播标签的IP数据的星间转发；集中控制器与卫星终端完成卫星侧PIM-SSM组播标签路由信令的交互，计算组播转发路径，下发给卫星终端与天基网络卫星节点。该方案跟标准PIM-SSM协议相比，能够大大降低星载设备的处理压力和存储开销，并且通过卫星终端对外兼容标准的PIM-SSM组播路由协议、标准组播组协议，特别适用于星上资源受限、链路带宽受限的天基网络。

图1给出了一种采用本发明所述PIM-SSM组播标签路由方法进行天地IP组播互通的典型实施例，图中通信实体包括为3个天基网络卫星节点、1台集中控制器、3台卫星终端、1台组播源计算机、2台组播接收计算机、2台商用路由器。3个天基网络卫星节点之间通过星间链路连接成环形拓扑，集中控制器位于关口站，与各天基网络卫星节点之间存在控制连接，用户网络1包括1台组播源计算机和1台商用路由器，用户网络2中1台组播接收计算机直接挂在卫星终端后，用户网络3中1台组播接收计算机通过1台商用路由器挂在卫星终端后。

图1描述了天基网络运行本发明设计的PIM-SSM组播标签路由方法进行组播IP数据路由转发的场景。其中，用户网络1中的组播源计算机发送组播IP数据，用户网络2和用户网络3中的组播接收计算机启动组播接收程序，用户网络1和用户网络3中的商用路由器启动标准组播路由协议PIM-SSM，图中显示了组播源发送组播IP数据,经天基网络进行路由转发的场景，用户网络1中的上游卫星终端采用标准PIM-SSM协议与商用路由器进行交互，将组播IP数据封装上集中控制器配置的组播标签，将组播数据转发给天基网络卫星节点1，天基网络卫星节点1将组播数据同时转发给天基网络卫星节点2、天基网络卫星节点3，天基网络卫星节点2和天基网络卫星节点3各自端口下的下游卫星终端接收组播标签数据后，将组播数据转发给本地的用户网络，本地用户网络采用标准组播路由方法将组播数据最终转发给组播接收计算机。

本发明公开了一种基于集中控制的天基网络PIM-SSM组播标签路由方法，支持用户网络采用标准PIM-SSM组播路由协议、标准组播组协议与天基网络进行交互，实现用户IP组播业务在天基网络的路由转发。具体包括：

(1)集中控制器定期发送控制器广播消息，所有卫星终端在入网后均接收控制器广播消息；

(2)所有卫星终端在地面侧同用户网络的路由器交互PIM-SSM协议消息，或与主机交互标准组播组协议消息；同时在卫星侧根据收到的控制器广播消息中的控制器地址信息，向集中控制器发送PIM-SSM组播卫星终端注册消息，集中控制器收到终端注册消息后，区分卫星终端注册的组播协议类型为PIM-SSM，构成一个PIM-SSM组播域，并向卫星终端发送注册响应；

(3)当下游卫星终端收到地面侧用户网络的PIM-SSM组播加入消息或加入组播组消息后，下游卫星终端向组播源所在上游卫星终端单播发送PIM-SSM组播SG加入消息，向集中控制器发送PIM-SSM组播SG标签加入消息；

(4)集中控制器根据收到的PIM-SSM组播SG标签加入消息查找现有的PIM-SSM SG组播转发树，如果存在，则更新SG组播转发树、组播路径以及SG组播标签转发表，通过南向接口协议将SG组播标签转发表更新给组播路径上的天基网络卫星节点；如果SG组播转发树不存在，则创建SG组播转发树，生成SG组播转发路径、SG组播标签转发表和*G组播标签映射表，通过南向接口协议将SG组播标签转发表下发给各天基网络卫星节点，并向组播源所在上游卫星终端配置SG组播标签映射表；组播源所在上游卫星终端收到下游卫星终端发送的单播PIM-SSM组播SG加入消息后，按照标准PIM-SSM协议规定的SG加入流程进行处理，处理过程中不进行邻居有效性检查；

(5)当上游的用户组播IP数据到达上游卫星终端后，进行组播IP路由的查找，查找成功后，再根据组播源地址S、组播目的地址G查找SG组播标签映射表，根据查找结果封装组播标签和卫星链路层帧头，封装好的卫星组播数据发送给天基网络卫星节点；

(6)天基网络卫星节点提取卫星组播数据中封装的组播标签，与SG组播标签转发表中的组播标签进行匹配，匹配成功后确定出口列表，通过出口列表将卫星组播数据流进行转发；其中，如果出口列表内包含组播入口，且组播入口为星间链路端口时，将组播入口从出口列表中强制剔除；

(7)组播下游的卫星终端接收到卫星组播数据后，进行组播标签的解封装，然后进行组播IP路由，通过组播IP路由转发给下游用户网络。

其中，卫星终端与集中控制器之间存在着保活机制，卫星终端在超时时间内收不到集中控制器的广播信息后，会失效集中控制器的地址信息；集中控制器维护所有注册成功的运行PIM-SSM组播协议的卫星终端，构成一个PIM-SSM组播域，卫星终端退网后，集中控制器失效该卫星终端相关联的注册信息和组播转发状态信息，重新计算组播转发树，删除路径上与该卫星终端相关的组播转发信息。

其中，步骤(4)之后还包括以下过程：

(8)当卫星终端收到用户网络的PIM-SSM组播剪枝消息或离开组播组消息后，组播源上游卫星终端单播发送PIM-SSM组播SG剪枝消息，向集中控制器发送PIM-SSM组播SG标签剪枝消息；

(9)集中控制器根据收到的PIM-SSM组播SG标签剪枝消息，查找对应的SG组播转发树，如果不存在，则忽略处理；如果存在，则从SG组播转发树中删除该下游卫星终端，重新计算生成SG组播转发路径、SG组播标签转发表和SG组播标签映射表，若有变化，则通过南向接口协议向新组播路径上的天基网络卫星节点发送组播标签转发表更新消息，向不再使用的旧路径上的天基网络卫星节点发送组播标签转发表删除消息，并向组播源所在上游卫星终端发送组播映射表更新或删除消息；

(10)组播源所在上游卫星终端收到下游卫星终端发送的PIM-SSM组播SG剪枝消息后，按照标准PIM-SSM协议规定的SG剪枝流程进行处理，处理过程中不进行邻居有效性检查。

其中，步骤(7)之后还包括以下过程：

(11)当天基网络星间星地拓扑发生变化后，集中控制器根据新的拓扑，对目前在使用中的SG组播转发树重新计算，更新SG组播转发路径和SG组播标签转发表，若有变化，则通过南向接口协议向新组播路径上的天基网络卫星节点发送SG组播标签转发表更新消息，向不再使用的旧路径上的天基网络卫星节点发送SG组播标签转发表删除消息；

(12)当组播源所在卫星终端或组播接收者所在卫星终端发生跨波束跨星移动后，卫星终端向集中控制器重新发送注册信息，更新卫星终端目前所在的卫星号和端口号，集中控制器重新计算与移动的卫星终端相关的SG组播转发树，更新SG组播转发路径和SG组播标签转发表，若有变化，则通过南向接口协议向新组播路径上的天基网络卫星节点发送SG组播标签转发表更新消息，向不再使用的旧路径上的天基网络卫星节点发送SG组播标签转发表删除消息。

其中，集中控制器与天基网络卫星节点之间采用的南向接口协议为标准协议或自定义私有协议；集中控制器与卫星终端、卫星终端之间的PIM-SSM组播标签路由信令为不带确认的周期性交互或带确认的一次交互机制。

其中，卫星终端向集中控制器发送的PIM-SSM组播卫星终端注册消息，包含该卫星终端目的站号、所在的卫星号和端口号，保活保持时间和IP地址。

其中，卫星终端在向集中控制器发送的PIM-SSM组播SG加入消息中，至少携带组播源所在卫星终端的站号，集中控制器根据组播源或RP路由器所在卫星终端站号，查找注册成功的PIM-SSM组播卫星终端，获取该SG组播转发树的树根。

其中，PIM-SSM协议为IPv4 PIM-SSM协议或IPv6 PIM-SSM。以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。