[发明专利]基于双层卫星网络的容迟容断网络自主路由技术

说明书

本发明公开了一种基于双层卫星网络的容迟容断网络自主路由技术。以容迟容断网络的三大应用——过境回传，隐蔽通信和中断续传为研究背景，采用低轨卫星网络和地球同步轨道卫星网络结合的双层网络架构，基于该架构设计了容迟容断网络应用环境的路由解决方案。采用的关键技术有空间信息网络节点相遇及链路变化规律，基于社会网络特性的容迟容断路由机制和网络资源受限条件下的消息传输调度。实现了时间划分、组划分，路由过程，拥塞控制和自治策略等关键环节。本发明可应对传统TCP/IP协议不能直接应用于容迟容断网络的情况，为容迟容断网络提供了新型的路由解决方案。

技术领域

本发明属于网络技术与空间卫星通信领域，特别是一种基于低轨卫星和地球同步轨道卫星双层卫星网络的容迟容断网络自主路由技术。

背景技术

延时容忍网络(Delay-Tolerant Networks)又称为容迟/容断网络(Delay andDisruption-Tolerant Networks，DTN)，是一种典型的缺乏端到端连接的覆盖型无线网络。容迟容断网络灵活性高，能够更好地适应于传输延迟高，链路频繁中断和误码率高等复杂的网络环境。目前DTN已被广泛应用于空间信息网络、卫星通信、军事作战、偏远山区和车载移动网络等网络通信领域中。

DTN是一种通用的面向消息的覆盖层网络体系结构，它通过在网络层和应用层之间添加一个bundle层，实现不同子网之间的连接。传统的TCP/IP协议适用于平稳运行的端到端网络连接，适用于传输时延较小，具有双向路径传输的以及低误码率的网络，因此其不能直接套用在DTN之上。DTN协议栈如图1所示。在该协议中，可在源和目的地之间的每个DTN“跳数”来进行延迟或中断处理。路径上的节点可在将应用数据转发到路径上的下一节点之前，为其提供应用数据所必须的临时存储。DTN架构协议的好处是不需要为了应用数据的可靠传输而建立同时发生的端到端连接。束协议(BP)是DTN架构典型的一种实现方案。BP中数据的基本单元是“束”，“束”中携带应用层协议数据单元(APDU)，发送方和目的地名称，以及端对端传送所需的任何附加数据消息。

DTN网络节点是一个具体的实体，在空间信息网络中，节点就是卫星，其他例如主句、路由器和网关等都可以作为网络节点。节点的主要作用是实现束层功能，用来发送、接收或中继转发束。

DTN的主要特点体现在端系统、链路和网络结构三方面。下面从这三方面阐述DTN面临的挑战：

端系统是指各网络终端设施。由于能量消耗或环境因素，其生存时间是有限的；在能量不足的情况下，端系统周期性地搜集发送数据；由于端系统的缓存容量通常是很小的，容易发生缓存溢出；同时，由于端系统的处理能力有限，其在计算复杂问题时容易出错。

链路(路径)是指连接端系统的通道。由于DTN网络延迟大，数据传输率低，造成数据传输不对称的情况；DTN节点是不断移动的，导致网络拓扑结构发生变化，此时节点可能由于能量消耗或频繁移动而造成失效，端到端连接会发生中断；由于节点处理能力有限，在链路上的排队时间较传统网络要长。

网络结构是指由于DTN节点是频繁移动的，网络结构也时刻发生变化。网络结构面临的问题是互操作性只在本网络类型内有效，未考虑异构网络之间的互操作性问题；在安全方面，未对服务的接入进行验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种容迟容断网络环境下的自主路由技术方案，同时提高网络数据传输的效率与可靠性。

从DTN的应用场景总结目前面临的亟待解决的问题。当有消息发送时，源节点与目的节点之间不存在可靠的网络连接。消息的传递只能通过潜在的中继节点以“存储—携带—转发”的方式进行。由于网络中的节点分布稀疏，且节点的移动规律不可预知，消息可能在产生若干小时甚至更长的时间之后才能最终被投递到目的节点。因此，网络需要足够的存储空间来存放消息副本，那么整个网络中节点存储的管理就至关重要。