一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构的制作方法

1.本发明涉及天地一体化网络通信技术领域，特别涉及一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构。

背景技术：

2.卫星网络是由不同轨道、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，实现全球无缝覆盖，延伸和扩展地面网络，提供全球化通信传输等功能。
3.卫星网络中的组网技术是卫星网络构建的关键技术，在学术界和工业界得到广泛研究。现有技术中，卫星网络中组网架构的设计思路有：一种是与地面网络采用同样的组网方式，即采用标准的互联网组网方式或移动网络的组网方式，标准的互联网组网方式是采用标准的二层或三层路由协议将卫星网络互连起来，但是地面互联网是固定拓扑的有线网络，卫星网络是拓扑高动态的无线网络，网络特性相差较大，地面互联网协议在卫星网络中适应性差，无法解决卫星网络的安全性、扩展性、管控性、移动性等问题，移动网络组网协议是有通信基础设施的组网方式，基于星型拓扑组网，对网状网组网拓扑支持较弱，而卫星网络是典型的宽带网状网络，移动网络组网协议目前也不适用，随着地面移动网络的发展，6g网络将卫星网络纳入，引入非地面网络接入，形成空天地一体化网络，将考虑宽带组网场景，但是目前仍处于需求和设想阶段。
4.另一种是采用专用的组网方式，针对卫星网络的节点、链路以及拓扑特性，以及器件性能受限的特点，设计优化的组网方案，提升卫星网络的组网能力和效率，更好地适应卫星网络。专用的组网方式目前的技术和研究主要集中在适应卫星网络特性的路由算法、组网架构，都比较偏学术研究，受限于各种前提约束，没有考虑可实现性、大规模用户组网等工程化需求。
5.目前，在卫星网络中采用标准的互联网组网方式存在安全性、扩展性、管控性、移动性等问题。在安全性方面，卫星网络中的星上路由表暴露后被攻击可能导致整颗卫星的通信功能不可用，造成很大的经济损失；在扩展性方面，星上处理能力受限，标准的互联网组网方式消耗大量cpu控制和硬件转发处理资源，无法支持大规模组网用户下的大规模路由表项，管控性方面，地面互联网组网协议采用无为而治的设计原则，基本无法对中间节点进行有效管控；移动性方面，地面互联网组网协议没有考虑节点移动场景对协议进行相应设计。而地面移动网络的组网方式目前未考虑宽带组网场景。

技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明公开了一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，可适应卫星网络星上资源受限、拓扑高动态等特点，支持大规模用户组网和接入。
7.为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，基于标识交换服务、软件定义
卫星网络控制器、卫星、用户站、关口站实现；所述分层卫星网络被划为核心层、接入层，核心层包括高轨、低轨卫星，接入层包括用户站和关口站；所述地面网通过接入层接入分层卫星网络；用户站、关口站分别与标识交换服务交互标识交换信令，学习其他用户站或关口站的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系；卫星与软件定义卫星网络控制器之间交互南向接口信令，实现对卫星网络核心层拓扑的学习和路由转发控制；用户站、关口站与软件定义卫星网络控制器之间交互业务接入信令，完成组播业务、端到端保障业务的接入控制；用户站、关口站完成用户数据的位置标识封装和解封装，地面网中的用户数据在从用户站、关口站转发到分层卫星网络时进行位置标识的封装，分层卫星网络的用户数据在从用户站、关口站转发至地面网时进行位置标识的解封装，用户数据在分层卫星网络中采用位置标识进行路由交换，在地面网中采用网络内的路由转发方式进行转发。
8.进一步地，用户站、关口站分别与标识交换服务交互标识交换信令，具体包括：（1）用户站、关口站获取本地的接入用户身份标识和接入用户位置标识，向标识交换服务上报并更新本地的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系；（2）标识交换服务向用户站、关口站下发其他用户站、关口站的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系；（3）用户站、关口站向标识交换服务查询目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系；（4）标识交换服务向用户站、关口站发送目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系的查询响应；（5）用户站、关口站与标识交换服务之间定期相互发送心跳报文。
9.进一步地，接入用户身份标识包括地面网的ip网段、用户业务终端的mac地址、地面网自定义的路由转发标识；用户站、关口站获取本地的接入用户身份标识的方式包括：（1）通过与地面网交互路由协议，学习ip网段信息；（2）通过学习接入用户发送的arp请求或响应消息，学习接入用户的mac地址信息；（3）人为静态配置接入用户身份标识。
10.进一步地，接入用户位置标识包括单播位置标识、组播位置标识和qos流位置标签；接入用户位置标识为由接入的卫星终端当前所属的卫星号和下行端口号信息组成的卫星标签，或为由多个卫星标签组成的代表一条业务流的路径标识。
11.进一步地，所述卫星与软件定义卫星网络控制器之间交互南向接口信令，具体方式为：（1）卫星向软件定义卫星网络控制器上报自身节点的邻接拓扑信息；（2）卫星向软件定义卫星网络控制器上报自身节点的网络状态信息；（3）软件定义卫星网络控制器向卫星下发组播业务流标识转发表以及端到端保障业务流标识转发表；（4）软件定义卫星网络控制器向卫星查询组播业务流标识转发表以及端到端保障
业务流标识转发表；（5）卫星与软件定义卫星网络控制器之间定期相互发送心跳报文。
12.进一步地，所述用户站、关口站与软件定义卫星网络控制器之间交互业务接入信令，具体方式为：（1）用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器上报组播组的加入剪枝信息；（2）用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器上报端到端保障业务的流特征、保障需求信息；（3）软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站下发组播业务流标识映射表信息；（4）软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站下发端到端保障业务流标识映射表信息。
13.进一步地，标识交换服务作为软件定义卫星网络控制器的一个北向应用，或作为单独的应用实现；用户站、关口站向标识交换服务发送的标识交换信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由卫星通过packet_in的方式发送给软件定义卫星网络控制器，再由软件定义卫星网络控制器转发给标识交换服务；标识交换服务向用户站、关口站发送的标识交换信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或者先发送给软件定义卫星网络控制器，由软件定义卫星网络控制器以packet_out的方式发送至卫星，再由卫星广播给标识交换服务。
14.进一步地，用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器发送的业务接入信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由卫星通过packet_in的方式发送给软件定义卫星网络控制器；软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站发送的业务接入信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由软件定义卫星网络控制器以packet_out的方式发送至卫星，再由卫星广播给用户站、关口站。
15.进一步地，用户站、关口站向标识交换服务查询目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系包括：（1）查询标识交换服务下发的其他用户站、关口站的映射关系信息；（2）用户数据触发向标识交换服务进行查询，标识交换服务响应所查询目的接入用户身份标识和位置标识的映射关系。
16.本发明与背景技术相比具有如下优点：1、本发明可适应卫星网络星上资源受限、拓扑高动态等特点，支持大规模用户组网和接入，可避免地面网络路由变化、链路移动切换等导致的核心层路由重计算等问题，同时大大减少核心层路由表的规模、降低星上器件处理压力，可实现大规模的天基组网应用，并且路由寻址对地面网络完全不可见。
17.2、本发明在安全性、扩展性、管控性、移动性等方面具有明显优势，特别适用于资源受限、拓扑动态的卫星网络。
附图说明
18.图1是本发明的应用场景示意图。
具体实施方式
19.以下结合附图对本发明进行详细说明。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。
20.一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，由标识交换服务、s-sdn（软件定义卫星网络）控制器、卫星、用户站、关口站等功能实体共同实现，卫星网络被划为核心层、接入层、应用层；核心层包括高轨、低轨卫星节点等，接入层包括用户站和关口站等，地面网络包括地面互联网、用户网络等，通过接入层接入卫星网络。
21.用户站、关口站分别与标识交换服务交互标识交换信令，学习其他用户站或关口站的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系。
22.卫星与软件定义卫星网络控制器之间交互南向接口信令，实现对卫星网络核心层拓扑的学习和路由转发控制。
23.用户站、关口站与软件定义卫星网络控制器之间交互业务接入信令，完成组播业务、端到端保障业务的接入控制。
24.用户站、关口站完成用户数据的位置标识封装和解封装，地面网中的用户数据在从用户站、关口站转发到分层卫星网络时进行位置标识的封装，分层卫星网络的用户数据在从用户站、关口站转发至地面网时进行位置标识的解封装，用户数据在分层卫星网络中采用位置标识进行路由交换，在地面网中采用网络内的路由转发方式进行转发。
25.用户站、关口站分别与标识交换服务交互标识交换信令，具体包括：（1）用户站、关口站获取本地的接入用户身份标识和接入用户位置标识，向标识交换服务上报并更新本地的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系；（2）标识交换服务向用户站、关口站下发其他用户站、关口站的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系；（3）用户站、关口站向标识交换服务查询目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系；（4）标识交换服务向用户站、关口站发送目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系的查询响应；（5）用户站、关口站与标识交换服务之间定期相互发送心跳报文。
26.接入用户身份标识包括地面网的ip网段、用户业务终端的mac地址、地面网自定义的路由转发标识。
27.用户站、关口站获取本地的接入用户身份标识的方式包括：（1）通过与地面网交互路由协议，学习ip网段信息；（2）通过学习接入用户发送的arp请求或响应消息，学习接入用户的mac地址信息；（3）人为静态配置接入用户身份标识。
28.接入用户位置标识包括单播位置标识、组播位置标识和qos流位置标签；接入用户位置标识为由接入的卫星终端当前所属的卫星号和下行端口号信息组成的卫星标签，或为由多个卫星标签组成的代表一条业务流的路径标识。
29.所述卫星与软件定义卫星网络控制器之间交互南向接口信令，具体方式为：（1）卫星向软件定义卫星网络控制器上报自身节点的邻接拓扑信息；（2）卫星向软件定义卫星网络控制器上报自身节点的网络状态信息；
（3）软件定义卫星网络控制器向卫星下发组播业务流标识转发表以及端到端保障业务流标识转发表；（4）软件定义卫星网络控制器向卫星查询组播业务流标识转发表以及端到端保障业务流标识转发表；（5）卫星与软件定义卫星网络控制器之间定期相互发送心跳报文。
30.所述用户站、关口站与软件定义卫星网络控制器之间交互业务接入信令，具体方式为：（1）用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器上报组播组的加入剪枝信息；（2）用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器上报端到端保障业务的流特征、保障需求信息；（3）软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站下发组播业务流标识映射表信息；（4）软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站下发端到端保障业务流标识映射表信息。
31.标识交换服务作为软件定义卫星网络控制器的一个北向应用，或作为单独的应用实现；用户站、关口站向标识交换服务发送的标识交换信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由卫星通过packet_in的方式发送给软件定义卫星网络控制器，再由软件定义卫星网络控制器转发给标识交换服务；标识交换服务向用户站、关口站发送的标识交换信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或者先发送给软件定义卫星网络控制器，由软件定义卫星网络控制器以packet_out的方式发送至卫星，再由卫星广播给标识交换服务。
32.用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器发送的业务接入信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由卫星通过packet_in的方式发送给软件定义卫星网络控制器；软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站发送的业务接入信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由软件定义卫星网络控制器以packet_out的方式发送至卫星，再由卫星广播给用户站、关口站。
33.用户站、关口站向标识交换服务查询目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系包括：（1）查询标识交换服务下发的其他用户站、关口站的映射关系信息；（2）用户数据触发向标识交换服务进行查询，标识交换服务响应所查询目的接入用户身份标识和位置标识的映射关系。
34.图1给出了一种由2个包含用户网络的用户站、2个与地面互联网相连的关口站、多颗卫星构成的低轨星座、标识交换服务、s-sdn控制器组成的卫星网络架构。
35.用户站、关口站通过标识交换信令向标识交换服务上报、更新本地的接入用户身份标识和位置标识的映射关系，标识交换服务向其他用户站、关口站下发全网接入用户身份标识和位置标识的映射关系；卫星与s-sdn控制器建立连接，向s-sdn控制器上报自身节点的邻接拓扑信息和自身节点的网络状态信息。
36.当用户网络、地面互联网的加入剪枝消息或组播数据到达用户站、关口站时，触发
用户站、关口站向s-sdn控制器发送业务接入信令，s-sdn控制器根据组播业务接入信令中包含的加入剪枝信息，计算组播转发树，通过南向接口信令向卫星下发组播流标识转发表；向用户站、关口站下发组播业务流标识映射表。
37.当用户网络需要端到端保障的用户数据到达后，触发用户站、关口站向s-sdn控制器发送业务接入信令，s-sdn控制器根据保障业务接入信令中包含的业务流特征、保障需求，计算卫星网络中端到端的保障路径，通过南向接口信令向卫星下发端到端保障业务流标识转发表；向用户站、关口站下发端到端保障业务流标识映射表。
38.总之，本发明将卫星网络分为接入层、核心层。核心层基于卫星网络位置标识标签进行数据的路由转发，接入层完成身份标识和核心层位置标识的映射转换，地面网络采用标准tcp/ip协议接入卫星网络。这种结构可适应卫星网络星上资源受限、拓扑高动态等特点，支持大规模用户组网和接入，可避免地面网络路由变化、链路移动切换等导致的核心层路由重计算等问题，同时大大减少核心层路由表的规模、降低星上器件处理压力，可实现大规模的天基组网应用，并且路由寻址对地面网络完全不可见。
39.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。

技术特征：

1.一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，基于标识交换服务、软件定义卫星网络控制器、卫星、用户站、关口站实现；其特征在于，所述分层卫星网络被划为核心层、接入层，核心层包括高轨、低轨卫星，接入层包括用户站和关口站；所述地面网通过接入层接入分层卫星网络；用户站、关口站分别与标识交换服务交互标识交换信令，学习其他用户站或关口站的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系；卫星与软件定义卫星网络控制器之间交互南向接口信令，实现对卫星网络核心层拓扑的学习和路由转发控制；用户站、关口站与软件定义卫星网络控制器之间交互业务接入信令，完成组播业务、端到端保障业务的接入控制；用户站、关口站完成用户数据的位置标识封装和解封装，地面网中的用户数据在从用户站、关口站转发到分层卫星网络时进行位置标识的封装，分层卫星网络的用户数据在从用户站、关口站转发至地面网时进行位置标识的解封装，用户数据在分层卫星网络中采用位置标识进行路由交换，在地面网中采用网络内的路由转发方式进行转发。2.根据权利要求1所述的一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，其特征在于，用户站、关口站分别与标识交换服务交互标识交换信令，具体包括：（1）用户站、关口站获取本地的接入用户身份标识和接入用户位置标识，向标识交换服务上报并更新本地的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系；（2）标识交换服务向用户站、关口站下发其他用户站、关口站的接入用户身份标识和接入用户位置标识的映射关系；（3）用户站、关口站向标识交换服务查询目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系；（4）标识交换服务向用户站、关口站发送目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系的查询响应；（5）用户站、关口站与标识交换服务之间定期相互发送心跳报文。3.根据权利要求2所述的一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，其特征在于，接入用户身份标识包括地面网的ip网段、用户业务终端的mac地址、地面网自定义的路由转发标识；用户站、关口站获取本地的接入用户身份标识的方式包括：（1）通过与地面网交互路由协议，学习ip网段信息；（2）通过学习接入用户发送的arp请求或响应消息，学习接入用户的mac地址信息；（3）人为静态配置接入用户身份标识。4.根据权利要求1所述的一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，其特征在于，接入用户位置标识包括单播位置标识、组播位置标识和qos流位置标签；接入用户位置标识为由接入的卫星终端当前所属的卫星号和下行端口号信息组成的卫星标签，或为由多个卫星标签组成的代表一条业务流的路径标识。5.根据权利要求1所述的一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，其特征在于，所述卫星与软件定义卫星网络控制器之间交互南向接口信令，具体方式为：（1）卫星向软件定义卫星网络控制器上报自身节点的邻接拓扑信息；
（2）卫星向软件定义卫星网络控制器上报自身节点的网络状态信息；（3）软件定义卫星网络控制器向卫星下发组播业务流标识转发表以及端到端保障业务流标识转发表；（4）软件定义卫星网络控制器向卫星查询组播业务流标识转发表以及端到端保障业务流标识转发表；（5）卫星与软件定义卫星网络控制器之间定期相互发送心跳报文。6.根据权利要求1所述的一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，其特征在于，所述用户站、关口站与软件定义卫星网络控制器之间交互业务接入信令，具体方式为：（1）用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器上报组播组的加入剪枝信息；（2）用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器上报端到端保障业务的流特征、保障需求信息；（3）软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站下发组播业务流标识映射表信息；（4）软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站下发端到端保障业务流标识映射表信息。7.根据权利要求1所述的一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，其特征在于，标识交换服务作为软件定义卫星网络控制器的一个北向应用，或作为单独的应用实现；用户站、关口站向标识交换服务发送的标识交换信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由卫星通过packet_in的方式发送给软件定义卫星网络控制器，再由软件定义卫星网络控制器转发给标识交换服务；标识交换服务向用户站、关口站发送的标识交换信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或者先发送给软件定义卫星网络控制器，由软件定义卫星网络控制器以packet_out的方式发送至卫星，再由卫星广播给标识交换服务。8.根据权利要求1所述的一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，其特征在于，用户站、关口站向软件定义卫星网络控制器发送的业务接入信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由卫星通过packet_in的方式发送给软件定义卫星网络控制器；软件定义卫星网络控制器向用户站、关口站发送的业务接入信令由软件定义卫星网络控制器在核心层配置单独的路由表进行转发，或由软件定义卫星网络控制器以packet_out的方式发送至卫星，再由卫星广播给用户站、关口站。9.根据权利要求2所述的一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，其特征在于，用户站、关口站向标识交换服务查询目的接入用户身份标识和卫星终端位置标识的映射关系包括：（1）查询标识交换服务下发的其他用户站、关口站的映射关系信息；（2）用户数据触发向标识交换服务进行查询，标识交换服务响应所查询目的接入用户身份标识和位置标识的映射关系。

技术总结

本发明公开了一种支持与地面网融合互通的分层卫星网络架构，本发明可适应卫星网络星上资源受限、拓扑高动态等特点，支持大规模用户组网和接入。本发明将卫星网络分为接入层、核心层。核心层基于卫星网络位置标识标签进行数据的路由转发，接入层完成身份标识和核心层位置标识的映射转换，地面网络采用标准TCP/IP协议接入卫星网络。本发明可避免地面网络路由变化、链路移动切换等导致的核心层路由重计算等问题，同时大大减少核心层路由表的规模、降低星上器件处理压力，可实现大规模的天基组网应用，并且路由寻址对地面网络完全不可见。本发明在安全性、扩展性、管控性、移动性等方面具有明显优势，特别适用于资源受限、拓扑动态的卫星网络。卫星网络。卫星网络。