一種行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法，包括：根據(jù)整個(gè)行星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中各部分的組成及功能，建立行星際互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的步驟；根據(jù)屬性、功能、區(qū)域位置及任務(wù)需求，將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)劃分為采用獨(dú)立組網(wǎng)路由策略的不同簇，從而建立分簇組網(wǎng)模型的步驟；選取邊界節(jié)點(diǎn)，將控制鏈路與業(yè)務(wù)鏈路相分離，將域間與域內(nèi)控制信息傳輸相分離的步驟；構(gòu)建與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌的行星網(wǎng)子層、在所有節(jié)點(diǎn)上具有相同協(xié)議和功能的骨干網(wǎng)子層和在節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)捆綁包的捆綁層，形成分簇組網(wǎng)模型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)的步驟。本發(fā)明的行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法，耦合度小、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)“即插即用”、網(wǎng)絡(luò)管理控制效率高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空天通信組網(wǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前各類(lèi)深空探測(cè)活動(dòng)，主要采用非網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單無(wú)線電通信與鏈路中繼的方式。隨著空間探測(cè)活動(dòng)越來(lái)越頻繁，探測(cè)器越來(lái)越多，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也越來(lái)越大，如果將各次探測(cè)活動(dòng)的通信系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)傳輸，一方面能夠提高數(shù)據(jù)的傳輸能力，另一方面可以更有效地利用資源、節(jié)省成本，因此網(wǎng)絡(luò)化是深空通信的必然發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，越來(lái)越多的空間飛行器和專(zhuān)用于通信的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為建立深空通信網(wǎng)提供了前提條件。
[0003]國(guó)外在21世紀(jì)初就展開(kāi)了對(duì)深空通信網(wǎng)絡(luò)的研究，行星際互聯(lián)網(wǎng)[(行星際互聯(lián)網(wǎng)，InterPlaNetary Internet,簡(jiǎn)稱(chēng) IPN,見(jiàn)網(wǎng)站 http://ipnsig.0rg/ 和文獻(xiàn) Burleigh
S.，Hooke.A.，Torgerson L.，et al..Delay-Tolerant Networking:An Approach toInterPlaNetary Internet.1EEE Communications Magazine, vol.41, n0.6, June2003, pp.128-136.)正是美國(guó)根據(jù)深空探測(cè)的需求提出來(lái)的研究計(jì)劃。1998年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)資助美國(guó)航空航天局(NASA)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)進(jìn)行IPN計(jì)劃的研究。到了 2002年，IPN計(jì)劃轉(zhuǎn)而由JPL牽頭的IPN架構(gòu)核心團(tuán)隊(duì)與一些大學(xué)、因特網(wǎng)協(xié)會(huì)下屬的IPN專(zhuān)門(mén)興趣小組(IPNSIG)及空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)等組織和機(jī)構(gòu)展開(kāi)了廣泛的研究和討論。
[0004]NASA基于行星際互聯(lián)網(wǎng)概念于2002年提出了 一種深空網(wǎng)絡(luò)(De印SpaceNetworks, DSN)的通用基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)(參見(jiàn) Kul Bhasin, Jeffrey L.Hayden.SpaceInternet Architectures and Technologies for NASA Enterprises.1nternationalJournal of Satellite Communications and Networking,vol.20, n0.5,April2002, pp.311 - 332.)，它主要包括四個(gè)部分:
[0005]骨干網(wǎng):包括NASA的地面網(wǎng)和空間網(wǎng)，NASA內(nèi)部網(wǎng)和VPN、Internet以及其它可能使用的商業(yè)和國(guó)外通信系統(tǒng)；
[0006]接入網(wǎng):骨干網(wǎng)與航天器，骨干網(wǎng)與探測(cè)器，骨干網(wǎng)與航天器或探測(cè)器上局域網(wǎng)的接口 ；
[0007]航天器內(nèi)部網(wǎng):多個(gè)航天器以星座、編隊(duì)、集群形式飛行時(shí)，各航天器之間構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)；
[0008]臨近網(wǎng)絡(luò):空間飛行器(飛機(jī)、漫游者、太空機(jī)器人)、著陸器、傳感器組成的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。
[0009]S.Burleigh等針對(duì)火星探測(cè)任務(wù)對(duì)IPN概念進(jìn)行了進(jìn)一步探討(參見(jiàn)ScottBurleigh,Vinton Cerf，Robert Durst,Kevin Fall, Adrian Hooke,Keith Scott andHoward Weiss.The Interplanetary Internet:A Communications Infrastructure forMars Exploration.53rd International Astronautical Congress The World SpaceCongress - 200210_190ct2002/Houston，Texas.)，主要在于:[0010](I)在IPN中，使用Internet技術(shù)和協(xié)議形成低時(shí)延、低噪聲環(huán)境的本地網(wǎng)，如地球或其它行星周?chē)耐ㄐ旁O(shè)備之間，或是自由飛行航天器星座、編隊(duì)、集群內(nèi)部航天器之間形成的本地網(wǎng)。
[0011](2)構(gòu)建具有遠(yuǎn)程通信能力的專(zhuān)門(mén)的深空骨干網(wǎng)，將各本地網(wǎng)互聯(lián)起來(lái)。
[0012](3) IPN實(shí)際由“網(wǎng)中網(wǎng)”組成，正如TCP/IP協(xié)議將各“網(wǎng)中網(wǎng)”連接成Internet一樣，只不過(guò)IPN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在傳統(tǒng)Internet協(xié)議應(yīng)用層和傳輸層之間加入了一種捆綁層(Bundle Layer)，用來(lái)連接各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的保護(hù)傳輸。
[0013]為了構(gòu)建一種合適的通用空間Internet架構(gòu)，Ian F.Akyildiz等人在2004年又提出 T一種改進(jìn)的 IPN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(參見(jiàn) 1.F Akyildiz, 0.B.Akan, Chao Chen, et al.TheState of the Art InterPlaNetary Internet.1EEE Communications Magazine, vol.42, n
0.7，July2004, pp.108-118.)。該架構(gòu)只包含三個(gè)子網(wǎng):
[0014]骨干網(wǎng):為地球、外層空間行星、月球、衛(wèi)星、中繼站等之間的通信提供通用的基礎(chǔ)設(shè)施，各節(jié)點(diǎn)之間具有遠(yuǎn)程通信能力的數(shù)據(jù)鏈路；
[0015]外部網(wǎng):包括在行星間的深空自由飛行的航天器組，傳感器節(jié)點(diǎn)組成的簇和空間站組；
[0016]行星網(wǎng):由行星衛(wèi)星網(wǎng)和行星表面網(wǎng)組成，這種結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到任何外層空間的行星上，在行星的衛(wèi)星和表面節(jié)點(diǎn)之間提供互聯(lián)互通和協(xié)作。
[0017]IPN架構(gòu)具有合理的區(qū)域劃分和功能劃分，已被業(yè)界所廣泛接受。2010年，Giuseppe Araniti等人將IPN分割成三個(gè)名稱(chēng)相同但組成和功能不同的子網(wǎng)，以面對(duì)不同的問(wèn)題和技術(shù)挑占戈(Giuseppe Araniti, Igor Bisio, Mauro De Sanctis.1nterplanetaryNetworks:Architectural Analysis, Technical Challenges and Solutions Overview.1EEE ICC’ 2010，May23_27，2010，Cape Town,South Africa,pp.1-5.)。
[0018]實(shí)現(xiàn)深空通信中的組網(wǎng)傳輸，一方面可以提高數(shù)據(jù)的傳輸能力，另一方面可以高效利用資源、節(jié)省成本，是未來(lái)深空通信的發(fā)展方向。然而，行星際互聯(lián)網(wǎng)模型還處在論證階段，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到實(shí)用或優(yōu)化高效的程度，該框架涉及到的眾多協(xié)議也還需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。比如，其中的核心網(wǎng)如何部署才能達(dá)到效益和成本的最優(yōu)、行星際互聯(lián)網(wǎng)中的路由問(wèn)題等都是還沒(méi)有很好解決的問(wèn)題。
[0019]總之，現(xiàn)有星際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)存在的問(wèn)題是:網(wǎng)絡(luò)各平臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生耦合，簇內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的增減會(huì)對(duì)全網(wǎng)構(gòu)造成影響，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)法“即插即用”，網(wǎng)絡(luò)管理控制效率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明的目的在于提供一種行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法，耦合度小、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)“即插即用”、網(wǎng)絡(luò)管理控制效率高。
[0021]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法，包括如下步驟:
[0022]10)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立:根據(jù)整個(gè)行星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中各部分的組成及功能，建立行星際互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；
[0023]20)分簇組網(wǎng)模型建立:根據(jù)屬性、功能、區(qū)域位置及任務(wù)需求，將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)劃分為采用獨(dú)立組網(wǎng)路由策略的不同簇，從而建立分簇組網(wǎng)模型；
[0024]30)鏈路分離:選取邊界節(jié)點(diǎn)，將控制鏈路與業(yè)務(wù)鏈路相分離，將域間與域內(nèi)控制信息傳輸相分離；
[0025]40)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)建立:構(gòu)建與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌的行星網(wǎng)子層、在所有節(jié)點(diǎn)上具有相同協(xié)議和功能的骨干網(wǎng)子層和在節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)捆綁包的捆綁層，形成分簇組網(wǎng)模型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及顯著效果:
[0027]1、去耦合化:通過(guò)將整個(gè)IPN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇處理，使網(wǎng)絡(luò)各平臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化去耦合化為各簇節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的弱動(dòng)態(tài)拓?fù)洹?br> [0028]2、便于“即插即用”:把每個(gè)簇內(nèi)部的拓?fù)渥兓嗷テ帘?，一個(gè)簇內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的增減不影響全網(wǎng)拓?fù)洹?br> [0029]3、高效網(wǎng)絡(luò)管理和控制:通過(guò)控制鏈路和業(yè)務(wù)鏈路的分離，降低控制鏈路的信息傳輸負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)擁塞的概率，并通過(guò)在各節(jié)點(diǎn)設(shè)置相同的骨干網(wǎng)子層，屏蔽控制和路由信息在不同節(jié)點(diǎn)、不同簇之間的傳輸時(shí)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而提高控制和路由信息發(fā)布的效率。
[0030]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是本發(fā)明行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法流程圖。
[0032]圖2是圖1中互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立步驟流程圖。
[0033]圖3是雙體系統(tǒng)中的五個(gè)朗格朗日點(diǎn)示意圖。
[0034]圖4是IPN骨干網(wǎng)示例簡(jiǎn)圖。
[0035]圖5是行星網(wǎng)架構(gòu)示意圖。
[0036]圖6是本發(fā)明所建立的IPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。
[0037]圖7是圖1中分簇組網(wǎng)模型建立步驟流程圖。
[0038]圖8是本發(fā)明所建立的IPN網(wǎng)絡(luò)分簇組網(wǎng)模型示例。
[0039]圖9是圖1中鏈路分離步驟流程圖。
[0040]圖10是集中路由生成和分發(fā)示意圖。
[0041 ]圖11是圖1中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)建立步驟流程圖。
[0042]圖12是IPN網(wǎng)絡(luò)分簇組網(wǎng)模型的典型協(xié)議棧架構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]如圖1所示，本發(fā)明行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法，包括如下步驟:
[0044]10)行星際互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立:根據(jù)整個(gè)行星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中各部分的組成及功能，建立行星際互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；
[0045]如圖2所示,所述互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立(10)步驟包括:
[0046]11)建立IPN骨干網(wǎng):建立由大容量鏈路和高處理能力節(jié)點(diǎn)組成的、用于遠(yuǎn)距離中繼通信的IPN骨干網(wǎng)；
[0047]骨干網(wǎng)是各行星上的軌道器、探測(cè)器、著陸器等和外部空間探測(cè)器之間的一組高容量、高可靠、高可用的網(wǎng)絡(luò)，用于提供地球、外層空間的行星、月球、衛(wèi)星之間的通信，包括具有遙遠(yuǎn)距離通信能力的元素之間直接和多跳路徑的數(shù)據(jù)鏈路。
[0048]本發(fā)明基于拉格朗日點(diǎn)構(gòu)建IPN骨干網(wǎng)。一個(gè)旋轉(zhuǎn)的二體引力場(chǎng)中存在5個(gè)受力平衡點(diǎn)，即稱(chēng)作拉格朗日點(diǎn)(Lagarigian Point),也叫平動(dòng)點(diǎn)(Libration Point)。其中，3個(gè)拉格朗日點(diǎn)位于2個(gè)相互吸引的天體的連線上，另外2個(gè)拉格朗日點(diǎn)與這2個(gè)天體構(gòu)成等邊三角形，5個(gè)點(diǎn)均處在2個(gè)天體構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)。這些拉格朗日平動(dòng)點(diǎn)上建立中繼站作為IPN的骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，使其互聯(lián)互通,可以有效地解決行星遮蔽以及超遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題。
[0049]根據(jù)研究，除了水星以及冥王星不存在拉格朗日點(diǎn)外，其余各個(gè)行星與地球之間都有5個(gè)拉格朗日點(diǎn)，如圖3所示。將中繼站放置在這些節(jié)點(diǎn)上，并將其互相連接起來(lái)構(gòu)建行星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。由于太陽(yáng)系行星距離的巨大差別，尤其以火星和木星為分界線，我們將整個(gè)IPN骨干網(wǎng)分為兩個(gè)層次，一個(gè)為大尺度IPN骨干網(wǎng)，包括土星、木星、天王星、海王星以及冥王星，他們的運(yùn)行半徑從5AU (AU為天文單位，約1.496E8公里)到將近40AU，相對(duì)的運(yùn)動(dòng)周期較長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)速度較慢；一個(gè)為小尺度IPN骨干網(wǎng)，包括火星、地球、金星和水星，他們的軌道半徑在IAU附近，有著較小地軌道周期。圖5中左側(cè)拓?fù)涫疽鈭D即為大尺度IPN骨干網(wǎng)，右側(cè)的即為小尺度IPN骨干網(wǎng)示意圖。
[0050]從圖4中還可以看出整個(gè)太陽(yáng)系具有30個(gè)中繼骨干節(jié)點(diǎn)。布置中繼節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星可以為行星周?chē)泳W(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)、使深空探測(cè)信息網(wǎng)成為一個(gè)有機(jī)的整體、直接或間接連通每個(gè)行星周?chē)淖泳W(wǎng)絡(luò)之外，還可以使深空探測(cè)信息網(wǎng)為其他航天任務(wù)提供通訊和導(dǎo)航服務(wù)。
[0051]12)建立IPN行星網(wǎng):建立由環(huán)繞行星運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星、軌道器和行星表面網(wǎng)絡(luò)元素組成的、用于自主協(xié)同各類(lèi)探測(cè)器組網(wǎng)通信的IPN行星網(wǎng)；
[0052]所建立的各行星網(wǎng)由行星衛(wèi)星網(wǎng)和行星表面網(wǎng)組成，能在任何外層空間的行星上實(shí)現(xiàn)，用于提供衛(wèi)星和行星表面元素之間的互連，并實(shí)現(xiàn)它們之間的協(xié)同工作。
[0053]本發(fā)明所建立的行星網(wǎng)包含以下兩個(gè)部分(如圖5所示):
[0054]行星衛(wèi)星網(wǎng)。環(huán)繞行星的衛(wèi)星及軌道器，能夠?yàn)榈厍蚺c外太空行星提供中繼服務(wù)，同時(shí)能夠?yàn)樾行潜砻婀?jié)點(diǎn)提供通信和導(dǎo)航服務(wù)。行星衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的鏈路包括軌道衛(wèi)星之間的星際鏈路，衛(wèi)星與地面節(jié)點(diǎn)之間的鏈路。圖5中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠提供地球與行星之間通信的信息緩存和中繼服務(wù)，為行星表面網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)節(jié)點(diǎn)提供中繼服務(wù)和位置管理。
[0055]行星表面網(wǎng)。高功率行星表面節(jié)點(diǎn)，如漫步者、著陸器等，它們具有和衛(wèi)星通信的能力，同時(shí)也組成了行星上無(wú)線骨干網(wǎng)。同時(shí)，那些無(wú)法實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星直接通信的節(jié)點(diǎn)組成簇,通過(guò)Ad hoc方式進(jìn)行通信并將信息匯聚到高功率節(jié)點(diǎn)。
[0056]圖6是本發(fā)明所建立的IPN網(wǎng)絡(luò)完整架構(gòu)示意圖。
[0057]13)建立IPN接入網(wǎng):建立由IPN骨干網(wǎng)和IPN行星網(wǎng)中的邊界節(jié)點(diǎn)組成的、用于骨干網(wǎng)與行星網(wǎng)、外部空間探測(cè)器之間連接的IPN接入網(wǎng)。
[0058]所建立的接入網(wǎng)由骨干網(wǎng)、行星網(wǎng)上的邊界節(jié)點(diǎn)及外部空間中繼節(jié)點(diǎn)組成，完成各個(gè)探測(cè)行星網(wǎng)和外部探測(cè)器的接入。在采用拉格朗日點(diǎn)構(gòu)建IPN骨干網(wǎng)的前提下，行星網(wǎng)最佳的接入點(diǎn)為距離該行星最近的拉格朗日點(diǎn)(L1和L2)。
[0059]20)分簇組網(wǎng)模型建立:根據(jù)屬性、功能、區(qū)域位置及任務(wù)需求，將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)劃分為采用獨(dú)立組網(wǎng)路由策略的不同簇，從而建立分簇組網(wǎng)模型；
[0060]在IPN網(wǎng)絡(luò)中，骨干網(wǎng)拓?fù)漭^穩(wěn)定；接入網(wǎng)和行星衛(wèi)星網(wǎng)拓?fù)渚哂袆?dòng)態(tài)性和可預(yù)測(cè)性；行星表面網(wǎng)某些節(jié)點(diǎn)在不斷運(yùn)動(dòng)，且由于能量受限，工作時(shí)間不能保證，導(dǎo)致行星表面網(wǎng)拓?fù)渚哂休^強(qiáng)的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性。如果把這些IPN網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)整體看，其拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性非常大，給控制管理和路由選擇帶來(lái)極大的困難。本發(fā)明采用分簇的組網(wǎng)模型，擬將所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)任務(wù)、功能、地位和工作環(huán)境等劃分為不同的簇，每個(gè)簇內(nèi)部采用獨(dú)立的組網(wǎng)路由策略；不同簇之間通過(guò)邊界節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)路由控制信息的交換；各簇可根據(jù)需要再進(jìn)行下一級(jí)子簇的劃分，從而建立分簇的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將給網(wǎng)絡(luò)的管理、維護(hù)、重構(gòu)和擴(kuò)展帶來(lái)極大的方便，也能夠隔離單個(gè)簇內(nèi)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化對(duì)全網(wǎng)的影響。
[0061]因此，以高效可靠為原則，根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)元素的任務(wù)、功能、地位和工作環(huán)境，建立IPN網(wǎng)絡(luò)的分簇組網(wǎng)模型。
[0062]如圖7所示，所述分簇組網(wǎng)模型建立(20)步驟包括:
[0063]21)建立地球網(wǎng)簇:將含有運(yùn)控站、地面站等通信節(jié)點(diǎn)的地面網(wǎng)和高低軌衛(wèi)星組成的地球衛(wèi)星網(wǎng)作為地球網(wǎng)簇，用于地面站與外層空間的數(shù)據(jù)通信；
[0064]地球網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)元素，如地面Internet、地面運(yùn)控站、中繼接入衛(wèi)星星座等組成地球網(wǎng)簇。
[0065]22)建立骨干網(wǎng)簇:將IPN骨干網(wǎng)中所有網(wǎng)絡(luò)元素組成一個(gè)簇，形成骨干網(wǎng)簇；
[0066]在位于太陽(yáng)系中各二體運(yùn)動(dòng)引力場(chǎng)中的30個(gè)拉格朗日點(diǎn)區(qū)域中部署大型中繼路由設(shè)備，由這些設(shè)備組成IPN骨干網(wǎng)，從而形成骨干網(wǎng)簇。
[0067]23)建立行星網(wǎng)簇:將每個(gè)行星網(wǎng)組成一個(gè)簇，形成多個(gè)行星網(wǎng)簇；
[0068]所建立的行星網(wǎng)簇包括各行星軌道中的通信中繼軌道器、科學(xué)探測(cè)軌道器、衛(wèi)星星座以及行星空中的科學(xué)探測(cè)氣球、行星表面的著陸器、漫步者、探測(cè)車(chē)、探測(cè)器、傳感器
坐寸o
[0069]24)建立接入網(wǎng)簇:將支持骨干網(wǎng)和地球網(wǎng)、行星網(wǎng)、外空間節(jié)點(diǎn)之間中繼接入的所有節(jié)點(diǎn)組成接入網(wǎng)簇；
[0070]接入網(wǎng)簇中的節(jié)點(diǎn)并不一定具有鏈路連接，而是獨(dú)立分布在太陽(yáng)系中各個(gè)需要接入和中繼的位置。
[0071]25)劃分地球網(wǎng)子簇:將地球網(wǎng)簇根據(jù)其組成，劃分為多個(gè)子簇；
[0072]26)劃分行星網(wǎng)簇子簇:將每個(gè)行星網(wǎng)根據(jù)需要，劃分為多個(gè)子簇。
[0073]各簇還根據(jù)網(wǎng)絡(luò)元素的位置、連接關(guān)系和任務(wù)劃分為多個(gè)子簇。例如地球網(wǎng)簇還可劃分為運(yùn)控段和中繼衛(wèi)星星座子簇等；行星網(wǎng)簇還可劃分為行星衛(wèi)星網(wǎng)子簇和行星表面網(wǎng)子簇，行星表面網(wǎng)子簇又可根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域和連接關(guān)系繼續(xù)向下劃分為不同的子簇。
[0074]這種分簇結(jié)構(gòu)能夠隔離簇內(nèi)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化對(duì)整個(gè)IPN網(wǎng)絡(luò)的影響，將給網(wǎng)絡(luò)的管理、維護(hù)、重構(gòu)和擴(kuò)展帶來(lái)極大的方便。
[0075]圖8是IPN網(wǎng)絡(luò)分簇組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖舉例，將IPN網(wǎng)絡(luò)分為4個(gè)不同的簇，SP:地球網(wǎng)簇1，由地面網(wǎng)絡(luò)和地球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，含有運(yùn)控站、地面站和高低軌衛(wèi)星等通信節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)和外層空間的數(shù)據(jù)通信，可分為運(yùn)控段子簇及負(fù)責(zé)地球表面節(jié)點(diǎn)和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間接入的衛(wèi)星星座子簇；接入網(wǎng)簇2，網(wǎng)絡(luò)中所有接入節(jié)點(diǎn)組成的簇，負(fù)責(zé)地面網(wǎng)、行星網(wǎng)和外部探測(cè)器與骨干網(wǎng)之間的連接；行星網(wǎng)簇3，每個(gè)行星網(wǎng)組成一個(gè)簇，例如火星網(wǎng)組成火星簇，土星網(wǎng)組成土星簇，行星網(wǎng)簇也可以根據(jù)需要分為多個(gè)子簇，例如火星網(wǎng)簇可分為火星衛(wèi)星網(wǎng)子簇和火星表面網(wǎng)子簇；骨干網(wǎng)簇4，IPN骨干網(wǎng)中所有網(wǎng)絡(luò)元素組成骨干網(wǎng)簇，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。太空用戶連接行星網(wǎng)或直接連入接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)，地面用戶連接地面網(wǎng)或直接連入接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)；骨干網(wǎng)、行星網(wǎng)和地面網(wǎng)通過(guò)接入網(wǎng)連接在一起。
[0076]在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校孛孢\(yùn)控段和中繼衛(wèi)星星座構(gòu)成一個(gè)常態(tài)化網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浔容^穩(wěn)定；骨干網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)具有規(guī)律性，其拓?fù)淠茉诤荛L(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)能保持穩(wěn)定；接入網(wǎng)拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，但運(yùn)動(dòng)具有規(guī)律性，軌道可以預(yù)測(cè)，且其內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系是固定或周期性變化的；行星衛(wèi)星網(wǎng)拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，但其運(yùn)動(dòng)也具有規(guī)律性，而行星表面網(wǎng)由于節(jié)點(diǎn)能量和通信能力的限制，節(jié)點(diǎn)失效概率高，且其運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性，因此行星表面網(wǎng)拓?fù)涞碾S機(jī)性和動(dòng)態(tài)性較大。如果把這四種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)放在一起，作為一個(gè)整體看，其拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性非常大。通過(guò)將整個(gè)IPN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇處理，使網(wǎng)絡(luò)各平臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化去耦合化為各簇內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的弱動(dòng)態(tài)拓?fù)?，其拓?fù)渥兓鄬?duì)較慢，且有規(guī)律性、可預(yù)測(cè)性。各簇之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由關(guān)系和控制信息通過(guò)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交換，并最終發(fā)送到地面網(wǎng)，地面站根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行全網(wǎng)最優(yōu)路由計(jì)算和選擇，從而實(shí)現(xiàn)更加有效的網(wǎng)絡(luò)管理和控制。
[0077]通過(guò)將整個(gè)IPN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇處理，使網(wǎng)絡(luò)各平臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化去耦合化為各簇節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的弱動(dòng)態(tài)拓?fù)洹?br> [0078]把每個(gè)簇內(nèi)部的拓?fù)渥兓嗷テ帘?，一個(gè)簇內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的增減不影響全網(wǎng)拓?fù)?，從而便于“即插即用”?br> [0079]30)鏈路分離:選取邊界節(jié)點(diǎn)，將控制鏈路與業(yè)務(wù)鏈路相分離，將域間與域內(nèi)控制信息傳輸相分離；
[0080]行星際互聯(lián)網(wǎng)時(shí)空尺度大、節(jié)點(diǎn)類(lèi)型多樣，構(gòu)成復(fù)雜，局部動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。因此，如何進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)管理是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。本發(fā)明擬通過(guò)將控制鏈路和業(yè)務(wù)鏈路分離，并集中控制生成骨干網(wǎng)路由的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的管理和路由的分發(fā)，以提高網(wǎng)絡(luò)管理信息和路由信息分發(fā)的可靠性。
[0081]如圖9所示，所述鏈路分離(30)步驟包括:
[0082]31)選取邊界節(jié)點(diǎn):選取每個(gè)簇中傳輸和計(jì)算能力較強(qiáng)、工作環(huán)境較好、與其它簇連接方便的節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)，其中接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是自然的邊界節(jié)點(diǎn)；
[0083]選取每個(gè)簇中傳輸和計(jì)算能力較強(qiáng)、工作環(huán)境較好、與其它簇連接方便的節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)。其中，骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是自然邊界節(jié)點(diǎn)候選，行星網(wǎng)簇中最佳的接入點(diǎn)為距離骨干網(wǎng)最近的軌道器或衛(wèi)星中繼節(jié)點(diǎn)。不同簇之間通過(guò)邊界節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和路由控制信息的交換。
[0084]32)分離控制鏈路與業(yè)務(wù)鏈路:在骨干網(wǎng)和各簇的邊界節(jié)點(diǎn)之間選取高效可靠信道，建立專(zhuān)門(mén)的控制鏈路，用于傳輸網(wǎng)絡(luò)管理和路由交換信息，將控制鏈路與業(yè)務(wù)鏈路分離；
[0085]在骨干網(wǎng)和各簇的邊界節(jié)點(diǎn)之間選取高效可靠信道建立專(zhuān)門(mén)的控制鏈路，用于傳輸網(wǎng)絡(luò)管理和路由交換信息，從而實(shí)現(xiàn)控制信息和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆蛛x，隔離海量數(shù)據(jù)信息傳輸對(duì)控制信息傳輸?shù)挠绊懀瑥亩鴾p小網(wǎng)絡(luò)擁塞概率。
[0086]33)分離簇內(nèi)與簇間控制信息傳輸:控制信息通過(guò)骨干網(wǎng)傳輸?shù)礁鞔氐倪吔绻?jié)點(diǎn)，然后各簇的邊界節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)路由分發(fā)給簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)，將各簇內(nèi)部結(jié)構(gòu)與全網(wǎng)路由進(jìn)行分離。[0087]地面運(yùn)控中心發(fā)出的控制信息通過(guò)骨干網(wǎng)傳輸?shù)礁鞔氐倪吔绻?jié)點(diǎn)，然后各簇的邊界節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)路由分發(fā)給簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)，將各簇內(nèi)部結(jié)構(gòu)和全網(wǎng)路由進(jìn)行分離。
[0088]通過(guò)控制業(yè)務(wù)鏈路的分離和簇內(nèi)簇間路由的分離，降低控制鏈路的信息傳輸負(fù)荷和擁塞概率，提高控制管理信息傳輸?shù)男屎涂煽啃?，隔離了簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由的影響，確保有效的網(wǎng)絡(luò)管理和路由信息的分發(fā)，從而提高全網(wǎng)運(yùn)行效率和可靠性。
[0089]圖10是分離后集中路由生成和分發(fā)示例圖，其中，
[0090]1、地面站所發(fā)出的控制和路由信息通過(guò)控制鏈路發(fā)送到邊界節(jié)點(diǎn)。
[0091 ] 2、邊界節(jié)點(diǎn)再根據(jù)各簇內(nèi)部路由分發(fā)給簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)。
[0092]40)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)建立:構(gòu)建與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌的行星網(wǎng)子層、在所有節(jié)點(diǎn)上具有相同協(xié)議和功能的骨干網(wǎng)子層和在節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)捆綁包的捆綁層，形成分簇組網(wǎng)模型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)。
[0093]行星際互聯(lián)網(wǎng)中，邊界節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)全網(wǎng)控制管理信息的分發(fā)及業(yè)務(wù)信息的交換，從而實(shí)現(xiàn)了控制信息和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆蛛x，因此邊界節(jié)點(diǎn)之間在協(xié)議棧上需要相互兼容，同時(shí)又要和本身所承擔(dān)的功能相匹配?？紤]到未來(lái)的行星際互聯(lián)網(wǎng)需要和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，同時(shí)會(huì)成為陸地信息網(wǎng)絡(luò)的一部分，因此，建立基于分簇的行星際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)需要參考陸地信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模式以及CCSDS標(biāo)準(zhǔn)。
[0094]如圖11所示,所述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)建立(40)步驟包括:
[0095]41)建立骨干網(wǎng)子層:建立在所有的節(jié)點(diǎn)上具有相同協(xié)議和功能的骨干網(wǎng)子層，用于傳輸網(wǎng)絡(luò)管理和路由等控制信息；
[0096]為了體現(xiàn)和適應(yīng)分簇自治域網(wǎng)絡(luò)模型，空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)需要一個(gè)統(tǒng)一的骨干網(wǎng)子層來(lái)傳輸網(wǎng)絡(luò)管理和路由等控制信息，該層在所有的節(jié)點(diǎn)上具有相同的協(xié)議和功能，從而避免了控制信息在傳輸過(guò)程中在不同節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層之間的協(xié)議轉(zhuǎn)化，提高了控制信息和路由信息發(fā)布的效率。
[0097]42)建立行星網(wǎng)子層:將網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行分離，建立協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和功能與Internet五層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)絡(luò)層相似的行星網(wǎng)子層，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸；
[0098]為了與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，所建立的空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)是在現(xiàn)有Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了分離，建立行星網(wǎng)子層，該子層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和功能與Internet五層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)絡(luò)層相似，行星網(wǎng)子層根據(jù)各域節(jié)點(diǎn)的屬性和功能，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中設(shè)置都有所不同，該層在本發(fā)明中主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。
[0099]43)建立捆綁層:在傳輸層和應(yīng)用層之間建立用于在節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)捆綁包的捆綁層。
[0100]為了適應(yīng)IPN網(wǎng)絡(luò)大時(shí)空尺度和斷續(xù)連接特性，并兼容CCSDS協(xié)議，在建立IPN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)的時(shí)候需要在傳輸層和應(yīng)用層之間加上捆綁層(Bundle Layer),負(fù)責(zé)在節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)整個(gè)捆綁包，從而建立IPN網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯?chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)密閉傳輸、認(rèn)證、加密等功能。
[0101]在本發(fā)明建立的協(xié)議棧架構(gòu)中，根據(jù)每個(gè)簇的通信環(huán)境設(shè)置與環(huán)境相適應(yīng)的物理層、鏈路層、行星網(wǎng)子層協(xié)議和傳輸層，而骨干網(wǎng)子層和捆綁層協(xié)議貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。圖12根據(jù)IPN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)和分簇組網(wǎng)模型，給出了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)圖。
【權(quán)利要求】
1.一種行星際互聯(lián)網(wǎng)分簇組網(wǎng)方法，其特征在于，包括如下步驟: 10)行星際互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立:根據(jù)整個(gè)行星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中各部分的組成及功能，建立行星際互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)； 20)分簇組網(wǎng)模型建立:根據(jù)屬性、功能、區(qū)域位置及任務(wù)需求，將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)劃分為采用獨(dú)立組網(wǎng)路由策略的不同簇，從而建立分簇組網(wǎng)模型； 30)鏈路分離:選取邊界節(jié)點(diǎn)，將控制鏈路與業(yè)務(wù)鏈路相分離，將域間與域內(nèi)控制信息傳輸相分離； 40)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)建立:構(gòu)建與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌的行星網(wǎng)子層、在所有節(jié)點(diǎn)上具有相同協(xié)議和功能的骨干網(wǎng)子層和在節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)捆綁包的捆綁層，形成分簇組網(wǎng)模型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述組網(wǎng)方法，其特征在于，所述互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立(10)步驟包括: 11)建立IPN骨干網(wǎng):建立由大容量鏈路和高處理能力節(jié)點(diǎn)組成的、用于遠(yuǎn)距離中繼通信的IPN骨干網(wǎng)； 12)建立IPN行星網(wǎng):建立由環(huán)繞行星運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星、軌道器和行星表面網(wǎng)絡(luò)元素組成的、用于自主協(xié)同各類(lèi)探測(cè)器組網(wǎng)通信的IPN行星網(wǎng)； 13)建立IPN接入網(wǎng):建立由IPN骨干網(wǎng)和IPN行星網(wǎng)中的邊界節(jié)點(diǎn)組成的、用于骨干網(wǎng)與行星網(wǎng)、外部空間探測(cè)器之間連接的IPN接入網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組網(wǎng)方法，其特征在于，所述分簇組網(wǎng)模型建立(20)步驟包`括: 21)建立地球網(wǎng)簇:將含有運(yùn)控站、地面站等節(jié)點(diǎn)的地面網(wǎng)和高低軌衛(wèi)星組成的地球衛(wèi)星網(wǎng)作為地球網(wǎng)簇，用于地面站與外層空間的數(shù)據(jù)通信； 22)建立骨干網(wǎng)簇:將IPN骨干網(wǎng)中所有網(wǎng)絡(luò)元素組成一個(gè)簇，形成骨干網(wǎng)簇； 23)建立行星網(wǎng)簇:將每個(gè)行星網(wǎng)組成一個(gè)簇，形成多個(gè)行星網(wǎng)簇； 24)建立接入網(wǎng)簇:將支持骨干網(wǎng)和地球網(wǎng)、行星網(wǎng)、外空間節(jié)點(diǎn)之間中繼接入的所有節(jié)點(diǎn)組成接入網(wǎng)簇； 25)劃分地球網(wǎng)子簇:將地球網(wǎng)簇根據(jù)其組成，劃分為多個(gè)子簇； 26)劃分行星網(wǎng)簇子簇:將每個(gè)行星網(wǎng)根據(jù)需要，劃分為多個(gè)子簇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組網(wǎng)方法，其特征在于，所述鏈路分離(30)步驟包括: 31)選取邊界節(jié)點(diǎn):選取每個(gè)簇中傳輸和計(jì)算能力較強(qiáng)、工作環(huán)境較好、與其它簇連接方便的節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn)，其中接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是自然的邊界節(jié)點(diǎn)； 32)分離控制鏈路與業(yè)務(wù)鏈路:在骨干網(wǎng)和各簇的邊界節(jié)點(diǎn)之間選取高效可靠信道，建立專(zhuān)門(mén)的控制鏈路，用于傳輸網(wǎng)絡(luò)管理和路由交換信息，將控制鏈路與業(yè)務(wù)鏈路分離； 33)分離簇內(nèi)與簇間控制信息傳輸:控制信息通過(guò)骨干網(wǎng)傳輸?shù)礁鞔氐倪吔绻?jié)點(diǎn)，然后各簇的邊界節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇內(nèi)路由分發(fā)給簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)，將各簇內(nèi)部結(jié)構(gòu)與全網(wǎng)路由進(jìn)行分離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組網(wǎng)方法，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)建立(40)步驟包括: 41)建立骨干網(wǎng)子層:建立在所有的節(jié)點(diǎn)上具有相同協(xié)議和功能的骨干網(wǎng)子層，用于傳輸網(wǎng)絡(luò)管理和路由等控制信息；42)建立行星網(wǎng)子層:將網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行分離，建立協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和功能與Internet五層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)絡(luò)層相似的行星網(wǎng)子層，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸； 43)建立捆綁層:在傳輸層和應(yīng)用層之間建立用于在節(jié)點(diǎn)之間存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)捆綁包的捆綁層。`
【文檔編號(hào)】H04W16/18GK103781079SQ201410062767
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】張更新, 茍亮, 邊東明, 謝智東, 張威, 孔博, 李永強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)