【摘要】：天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)作為面向未來的一種新型天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),可以實現(xiàn)空間異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通,同時有效解決移動性、安全性、可擴(kuò)展性等問題。天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)使用延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)DTN(Delay/Disruption TolerantNetwork)協(xié)議棧應(yīng)對空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的長傳播時延、高鏈路誤碼、頻繁鏈路切換等問題,實現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)與地面標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)的通信。本文作為天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)體系的組成部分,圍繞空間網(wǎng)絡(luò)路由問題,針對空間核心網(wǎng)接觸計劃設(shè)計方案及層間接觸選擇算法、空間接入網(wǎng)基于鏈路質(zhì)量的路由算法及文件傳輸模型、空間網(wǎng)絡(luò)路由可靠性提高機(jī)理、空間網(wǎng)絡(luò)擁塞控制等機(jī)理和方法開展研究,主要工作和創(chuàng)新點如下:1.提出了分布式的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接觸計劃設(shè)計方案和兩種動態(tài)的層間接觸選擇算法,應(yīng)對空間核心網(wǎng)中接觸計劃復(fù)雜及鏈路頻繁切換的問題。首先,分布式的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接觸計劃設(shè)計方案根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點所屬層次將多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路信息劃分為多個小的部分,降低節(jié)點接觸計劃的復(fù)雜性,進(jìn)而降低路由計算時延。其次,動態(tài)的層間接觸選擇算法包括基于接觸持續(xù)時間的層間接觸選擇算法和基于流量感知的層間接觸選擇算法,分別根據(jù)鏈路持續(xù)時間和網(wǎng)絡(luò)中的流量狀況動態(tài)的選擇合適的層間鏈路,對相應(yīng)節(jié)點的接觸計劃進(jìn)行更新,在應(yīng)對鏈路頻繁切換的同時避免網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。最后,使用95個虛擬機(jī)搭建了天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)并對分布式的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接觸計劃設(shè)計方案和兩種層間接觸選擇算法進(jìn)行了實驗驗證,實驗結(jié)果表明分布式的接觸計劃設(shè)計方案能夠有效降低空間核心網(wǎng)中數(shù)據(jù)的傳遞時延,基于流量感知層間接觸選擇算法可以得到更均衡的網(wǎng)絡(luò)流量分布,提高數(shù)據(jù)傳遞率。2.提出了基于鏈路質(zhì)量的路由算法和最大可信文件傳輸模型,應(yīng)對空間接入網(wǎng)中不同鏈路誤碼率對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊�。首�?基于鏈路質(zhì)量的路由算法使用鏈路重傳信令數(shù)量反映鏈路誤碼率的高低,使用基于鏈路質(zhì)量的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制為數(shù)據(jù)選擇誤碼率較小的路徑。其次,設(shè)計了動態(tài)的LTP(LickliderTransmissionProtocol)協(xié)議重傳定時器設(shè)置機(jī)制,將排隊時延考慮在內(nèi),避免不必要的數(shù)據(jù)重傳�；趧討B(tài)的LTP協(xié)議重傳定時器設(shè)置機(jī)制,充分考慮誤碼率及空間接入網(wǎng)鏈路速率非對稱特性對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?建立了空間接入網(wǎng)最大可信文件傳輸模型,為有限通信時間內(nèi)的文件傳輸任務(wù)提供參考。最后,對以上算法和模型在原型系統(tǒng)中進(jìn)行了驗證,實驗表明基于鏈路質(zhì)量的路由算法可以降低數(shù)據(jù)的傳遞時延、提高數(shù)據(jù)的傳遞率,建立的空間接入網(wǎng)最大可信文件傳輸模型和實驗結(jié)果相符合。3.提出了一種空間網(wǎng)絡(luò)路由可靠性提高算法,應(yīng)對空間節(jié)點損毀或電磁干擾等原因?qū)е碌慕佑|失效問題。該算法包括接觸失效發(fā)現(xiàn)機(jī)制、接觸恢復(fù)探測及失效狀態(tài)通告機(jī)制和考慮接觸失效的路由計算機(jī)制三種機(jī)制,通過三種機(jī)制配合,在計算路由時及時將失效的鏈路排除在路徑外。同時,針對隊列時延造成的低剩余生存時間數(shù)據(jù)丟失的問題,采用基于效用函數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制優(yōu)先發(fā)送生存時間低的數(shù)據(jù),進(jìn)一步提高了路由的可靠性。最后,通過原型系統(tǒng)測試驗證,空間網(wǎng)絡(luò)路由可靠性提高算法能夠提高數(shù)據(jù)的傳遞率、降低數(shù)據(jù)的傳遞時延,基于效用函數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制能夠提高數(shù)據(jù)的傳遞率。4.提出了一種基于QoS的空間網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法,應(yīng)對接觸剩余通信容量不足和節(jié)點剩余存儲空間不足導(dǎo)致的空間網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。該算法包括接觸擁塞判斷機(jī)制和基于QoS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,分別根據(jù)接觸的剩余可用容量和節(jié)點的剩余存儲空間檢測每一段接觸的擁塞程度。在計算路由時,將路徑中包含的接觸的最高擁塞等級作為該路徑的擁塞等級,并根據(jù)路徑的擁塞等級發(fā)送不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù),緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞對不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)造成的影響。通過原型系統(tǒng)測試驗證,基于QoS的擁塞控制算法可以在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時提高低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳遞率,并降低最高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳遞時延。
【圖文】：

逑置標(biāo)識Ｌｏｃ邋（Ｌｏｃａｔｏｒ）和服務(wù)標(biāo)識ＳＩＤ（Ｓｅｒｖｉｃｅ邋Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ），使用位置映射系統(tǒng)負(fù)責(zé)標(biāo)逡逑識的注冊與查詢。其架構(gòu)如圖１－２所示。逡逑＆路由器邐本低軌衛(wèi)里邐廣、逡逑Ｉ地球同步上里邐￡１邋＾邐內(nèi)向￣￣－ｐ＾邋逡逑％邋Ｈａｆｉａ＆ｆｆｌｓＳ邐Ｑ邋分布統(tǒng)邋０邐Ｊ－門網(wǎng)接人逡逑Ｓｅｒｖｅｒ４邐網(wǎng)邋Ｚ邐ＭＮ３逡逑圖１－２天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｔｈｅ邋Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ－Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ邋Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)采用“核心網(wǎng)與接入網(wǎng)分離”的思想，提高核心網(wǎng)的可擴(kuò)展逡逑性和安全性。其中核心網(wǎng)包括地面核心網(wǎng)與空間核心網(wǎng)，地面核心網(wǎng)為“雙核心”的逡逑“主核心”，空間核心網(wǎng)為“從核心”，作為地面核心網(wǎng)的補(bǔ)充。接入網(wǎng)指除核心網(wǎng)以逡逑外的所有網(wǎng)絡(luò)，包括地面移動接入網(wǎng)、空間接入網(wǎng)、孤島域接入網(wǎng)等。相較于單層逡逑衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以充分利用各層衛(wèi)星的優(yōu)點并且互補(bǔ)缺陷，因此空間核逡逑心網(wǎng)由多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成。由于地球同步軌道ＧＥＯ衛(wèi)星覆蓋范圍廣、與地面相對逡逑靜止，因此ＧＥＯ衛(wèi)星主要作為管理衛(wèi)星以及中繼衛(wèi)星使用，負(fù)責(zé)中軌道ＭＥＯ逡逑（Ｍｅｄｉｕｍ邋Ｅａｒｔｈ邋Ｏｒｂｉｔ，邋ＭＥＯ）、低軌道ＬＥＯ衛(wèi)星的切換管理以及空間接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)逡逑接入

由于空間網(wǎng)絡(luò)采用ＤＴＮ協(xié)議應(yīng)對空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在的問題和挑戰(zhàn)，而地面逡逑網(wǎng)絡(luò)使用ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)屬于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)逡逑通過標(biāo)識支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在地面網(wǎng)絡(luò)中分配有統(tǒng)一逡逑的身份標(biāo)識，作為節(jié)點在地面網(wǎng)絡(luò)中的身份信息。各接入網(wǎng)根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特逡逑性，使用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及位置標(biāo)識。在地面網(wǎng)絡(luò)中，使用ＩＰ地址作為節(jié)點的逡逑身份標(biāo)識和位置標(biāo)識。在空間網(wǎng)絡(luò)中，使用虛擬ＩＰ地址作為空間節(jié)點在地面網(wǎng)絡(luò)逡逑中的身份標(biāo)識，實現(xiàn)與地面節(jié)點在地面網(wǎng)絡(luò)中身份標(biāo)識的統(tǒng)一，使用ＤＴＮ協(xié)議h_逡逑中的“ＥＩＤ”（ＥｎｄｐｏｉｎｔＩＤ）作為空間節(jié)點在空間網(wǎng)絡(luò)中的位置標(biāo)識，空間路由協(xié)議逡逑將根據(jù)位置標(biāo)識“ＥＩＤ”中的“節(jié)點號”為數(shù)據(jù)計算路由。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，邊界路逡逑由器將對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行位置標(biāo)識的替換，，同時完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。逡逑１．２．３天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)通信流程逡逑我們以圖１－３中繞月衛(wèi)星與移動節(jié)點的通信為例說明天地一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)的逡逑通信流程［５３］。假設(shè)繞月衛(wèi)星在空間接入網(wǎng)中的位置標(biāo)識為ＥＩＤＳ，在地面核心網(wǎng)中逡逑的身份標(biāo)識為ＩＤＳ，繞月衛(wèi)星首先將通過空間網(wǎng)絡(luò)位置映射系統(tǒng)向地面核心網(wǎng)注冊。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN927


本文編號：2631466