天地一体化标识网络空间路由关键技术研究

发布时间：2020-04-18 00:01

【摘要】：天地一体化标识网络作为面向未来的一种新型天地一体化网络架构,可以实现空间异构网络与地面网络的互联互通,同时有效解决移动性、安全性、可扩展性等问题。天地一体化标识网络使用延迟/中断容忍网络DTN(Delay/Disruption TolerantNetwork)协议栈应对空间网络环境中的长传播时延、高链路误码、频繁链路切换等问题,实现空间网络与地面标识网络的通信。本文作为天地一体化标识网络体系的组成部分,围绕空间网络路由问题,针对空间核心网接触计划设计方案及层间接触选择算法、空间接入网基于链路质量的路由算法及文件传输模型、空间网络路由可靠性提高机理、空间网络拥塞控制等机理和方法开展研究,主要工作和创新点如下:1.提出了分布式的多层卫星网络接触计划设计方案和两种动态的层间接触选择算法,应对空间核心网中接触计划复杂及链路频繁切换的问题。首先,分布式的多层卫星网络接触计划设计方案根据卫星节点所属层次将多层卫星网络中的所有链路信息划分为多个小的部分,降低节点接触计划的复杂性,进而降低路由计算时延。其次,动态的层间接触选择算法包括基于接触持续时间的层间接触选择算法和基于流量感知的层间接触选择算法,分别根据链路持续时间和网络中的流量状况动态的选择合适的层间链路,对相应节点的接触计划进行更新,在应对链路频繁切换的同时避免网络发生拥塞。最后,使用95个虚拟机搭建了天地一体化标识网络原型系统并对分布式的多层卫星网络接触计划设计方案和两种层间接触选择算法进行了实验验证,实验结果表明分布式的接触计划设计方案能够有效降低空间核心网中数据的传递时延,基于流量感知层间接触选择算法可以得到更均衡的网络流量分布,提高数据传递率。2.提出了基于链路质量的路由算法和最大可信文件传输模型,应对空间接入网中不同链路误码率对数据传输的影响。首先,基于链路质量的路由算法使用链路重传信令数量反映链路误码率的高低,使用基于链路质量的转发机制为数据选择误码率较小的路径。其次,设计了动态的LTP(LickliderTransmissionProtocol)协议重传定时器设置机制,将排队时延考虑在内,避免不必要的数据重传。基于动态的LTP协议重传定时器设置机制,充分考虑误码率及空间接入网链路速率非对称特性对数据传输的影响,建立了空间接入网最大可信文件传输模型,为有限通信时间内的文件传输任务提供参考。最后,对以上算法和模型在原型系统中进行了验证,实验表明基于链路质量的路由算法可以降低数据的传递时延、提高数据的传递率,建立的空间接入网最大可信文件传输模型和实验结果相符合。3.提出了一种空间网络路由可靠性提高算法,应对空间节点损毁或电磁干扰等原因导致的接触失效问题。该算法包括接触失效发现机制、接触恢复探测及失效状态通告机制和考虑接触失效的路由计算机制三种机制,通过三种机制配合,在计算路由时及时将失效的链路排除在路径外。同时,针对队列时延造成的低剩余生存时间数据丢失的问题,采用基于效用函数的转发机制优先发送生存时间低的数据,进一步提高了路由的可靠性。最后,通过原型系统测试验证,空间网络路由可靠性提高算法能够提高数据的传递率、降低数据的传递时延,基于效用函数的转发机制能够提高数据的传递率。4.提出了一种基于QoS的空间网络拥塞控制算法,应对接触剩余通信容量不足和节点剩余存储空间不足导致的空间网络拥塞问题。该算法包括接触拥塞判断机制和基于QoS的数据转发机制,分别根据接触的剩余可用容量和节点的剩余存储空间检测每一段接触的拥塞程度。在计算路由时,将路径中包含的接触的最高拥塞等级作为该路径的拥塞等级,并根据路径的拥塞等级发送不同优先级的数据,缓解网络拥塞对不同优先级数据造成的影响。通过原型系统测试验证,基于QoS的拥塞控制算法可以在网络发生拥塞时提高低优先级数据的传递率,并降低最高优先级数据的传递时延。
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逑置标识Ｌｏｃ邋（Ｌｏｃａｔｏｒ）和服务标识ＳＩＤ（Ｓｅｒｖｉｃｅ邋Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ），使用位置映射系统负责标逡逑识的注册与查询。其架构如图１－２所示。逡逑＆路由器逦本低轨卫里逦广、逡逑Ｉ地球同步上里逦￡１邋＾逦内向￣￣－ｐ＾邋逡逑％邋Ｈａｆｉａ＆ｆｆｌｓＳ逦Ｑ邋分布统邋０逦Ｊ－门网接人逡逑Ｓｅｒｖｅｒ４逦网邋Ｚ逦ＭＮ３逡逑图１－２天地一体化标识网络总体架构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｔｈｅ邋Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ－Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ邋Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑天地一体化标识网络采用“核心网与接入网分离”的思想，提高核心网的可扩展逡逑性和安全性。其中核心网包括地面核心网与空间核心网，地面核心网为“双核心”的逡逑“主核心”，空间核心网为“从核心”，作为地面核心网的补充。接入网指除核心网以逡逑外的所有网络，包括地面移动接入网、空间接入网、孤岛域接入网等。相较于单层逡逑卫星网络，多层卫星网络可以充分利用各层卫星的优点并且互补缺陷，因此空间核逡逑心网由多层卫星网络组成。由于地球同步轨道ＧＥＯ卫星覆盖范围广、与地面相对逡逑静止，因此ＧＥＯ卫星主要作为管理卫星以及中继卫星使用，负责中轨道ＭＥＯ逡逑（Ｍｅｄｉｕｍ邋Ｅａｒｔｈ邋Ｏｒｂｉｔ，邋ＭＥＯ）、低轨道ＬＥＯ卫星的切换管理以及空间接入网的数据逡逑接入

由于空间网络采用ＤＴＮ协议应对空间网络环境中存在的问题和挑战，而地面逡逑网络使用ＴＣＰ／ＩＰ协议，空间网络与地面网络属于异构网络。天地一体化标识网络逡逑通过标识支持异构网络的互联互通，异构网络中的节点在地面网络中分配有统一逡逑的身份标识，作为节点在地面网络中的身份信息。各接入网根据自身的网络环境特逡逑性，使用不同的网络协议以及位置标识。在地面网络中，使用ＩＰ地址作为节点的逡逑身份标识和位置标识。在空间网络中，使用虚拟ＩＰ地址作为空间节点在地面网络逡逑中的身份标识，实现与地面节点在地面网络中身份标识的统一，使用ＤＴＮ协议h_逡逑中的“ＥＩＤ”（ＥｎｄｐｏｉｎｔＩＤ）作为空间节点在空间网络中的位置标识，空间路由协议逡逑将根据位置标识“ＥＩＤ”中的“节点号”为数据计算路由。在数据转发时，边界路逡逑由器将对异构网络节点进行位置标识的替换，，同时完成协议转换。逡逑１．２．３天地一体化标识网络通信流程逡逑我们以图１－３中绕月卫星与移动节点的通信为例说明天地一体化标识网络的逡逑通信流程［５３］。假设绕月卫星在空间接入网中的位置标识为ＥＩＤＳ，在地面核心网中逡逑的身份标识为ＩＤＳ，绕月卫星首先将通过空间网络位置映射系统向地面核心网注册。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN927


本文编号：2631466