天地一体化网络卫星转发端增强代理研究与实现

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天地一体化网络已经成为未来网络的发展趋势。然而,不同于地面互联网,卫星网络存在拓扑动态变化、星上处理能力受限等特点,传统分布式路由协议表现不佳。近年来,随着标识网络、软件定义网络(SDN,Software Defined Networking)等新型网络技术的兴起,如何对卫星网络进行集中式路由受到学术界与产业界的高度关注。但是,当前研究方案大多集中于控制平面的路由算法,忽略了数据平面转发端(交换机等)对卫星网络特殊环境的支持。为此,本论文设计并实现了一种天地一体化网络卫星转发端增强代理,使其能够作用于现有地面转发端来完成以下三种核心功能:(1)基于卫星网络拓扑变化,按时按序对转发条目进行加载和撤销;(2)为控制器收集本节点网络资源信息;(3)进行轻量级的自主卫星链路故障处理;最终实现一种能够支持快照路由、状态上报以及链路修复的、基于集中式路由的卫星转发端。本文主要工作如下:首先,设计并实现了基于时间片的转发表管理机制。该机制负责对控制器所下发的转发条目进行接收、存储、读取和解析。另外,针对不同类别的转发条目,根据其特点完成相应处理模块,可使其按照相关时间片信息按时按序加载和撤销,保障卫星转发端的转发表能够按照控制器所指定的策略根据时间片切换而更新。其次,为了支持控制器对全网资源信息的感知,设计了网络资源信息收集机制。该机制负责对链路时延、吞吐量、网卡收发包个数和相邻节点地址等信息进行收集,通过定期上报和查询应答两种方式将收集到信息发送给控制器,为控制器的链路故障感知和路由优化提供支撑,也为卫星转发端自主处理链路故障提供相依据。第三,为了提升链路失效后的恢复能力,设计了链路故障处理机制。当卫星转发端检测到链路失效后,可自主按照既定策略转发数据包以规避故障链路;在接受控制器的管理之后,能够对控制器的链路恢复策略进行响应。最后,搭建包含33个节点的测试环境,将天地一体化网络卫星转发端增强代理部署在测试环境中,对相关功能进行验证。最终结果表明卫星转发端增强代理能够基于卫星拓扑的变化对转发条目进行按时按序的加载和撤销、为控制器收集网络资源信息,并能够自主处理链路故障。
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