劉立芳， 吳 丹， 郎曉光， 齊小剛

(1. 西安電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710071；2. 西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710071)

GEO/LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與抗毀性技術(shù)

劉立芳1， 吳 丹1， 郎曉光1， 齊小剛2

(1. 西安電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710071；2. 西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710071)

針對低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對地傳輸時(shí)實(shí)時(shí)性不足的問題，提出了一種雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的數(shù)據(jù)傳輸與抗毀性技術(shù)．在技術(shù)中以高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為通信骨干網(wǎng)，負(fù)責(zé)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的中繼與轉(zhuǎn)發(fā)，低軌衛(wèi)星層則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集和輔助路由．通過高軌衛(wèi)星層與低軌衛(wèi)星層的聯(lián)合通信，實(shí)現(xiàn)了低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸．采用多路徑傳輸策略，提高了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的抗毀性．通過仿真，對提出的技術(shù)在吞吐率、傳輸時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)以及丟包率等方面的性能進(jìn)行了分析．在遭受攻擊環(huán)境下，對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交付能力變化進(jìn)行了研究．多層衛(wèi)星協(xié)同的數(shù)據(jù)傳輸方法能夠很好地解決單層低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸方面的不足，滿足衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)多業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸需求．

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型;數(shù)據(jù)傳輸方法;抗毀性技術(shù);性能分析;網(wǎng)絡(luò)仿真

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間衛(wèi)星技術(shù)在國防和民用領(lǐng)域也得到了快速的發(fā)展．衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在地理勘測、氣象預(yù)警、自然災(zāi)害救援以及通信等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-2]．同地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不受高山、河流以及建筑物等地理環(huán)境的限制，能夠在廣闊的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸．在空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，低軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星距地面較近，繞地循環(huán)周期較短，能夠很好地進(jìn)行地理、氣象信息的收集．同時(shí)，LEO衛(wèi)星的循環(huán)周期短、移動(dòng)速度快以及覆蓋面積小等特點(diǎn)也導(dǎo)致了向地面發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間很短，通常只有幾分鐘，因此在短時(shí)間內(nèi)LEO衛(wèi)星很難將收集的數(shù)據(jù)傳向地面．地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星在數(shù)據(jù)傳輸、覆蓋區(qū)域等方面具有良好的性能，只需要三顆衛(wèi)星即可對地球中低緯地區(qū)實(shí)現(xiàn)覆蓋，通過地球同步軌道衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合通信，采用合適的無線中繼策略[3]能夠?qū)EO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸．當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用于通信時(shí)，通信的信息具有多樣性，對傳輸鏈路情況有著不同的需求．衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)處于太空中，節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境較為惡劣，網(wǎng)絡(luò)的抗毀性就尤為重要，網(wǎng)絡(luò)抗毀性是指網(wǎng)絡(luò)在遭受攻擊或者遭遇故障時(shí)，在部分節(jié)點(diǎn)或鏈路失效后網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)維持自身功能狀態(tài)的能力．

關(guān)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)制以及抗毀性研究，國內(nèi)外不少文獻(xiàn)都在研究．文獻(xiàn)[4]中提出了一種基于GEO中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)路由算法，該算法通過對下一跳路由的實(shí)時(shí)更新，并根據(jù)預(yù)計(jì)交付時(shí)間和預(yù)計(jì)交付成本來獲取傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑．文獻(xiàn)[5]在GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的路由算法，該路由算法通過流量傳輸均衡和區(qū)域劃分的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在該算法中由軌道頭結(jié)點(diǎn)對本軌道的路由進(jìn)行管理．然而，由于衛(wèi)星的移動(dòng)性，使得軌道頭節(jié)點(diǎn)無法一直處于GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)．文獻(xiàn)[6]結(jié)合了LEO衛(wèi)星的實(shí)時(shí)傳輸信息的優(yōu)點(diǎn)與GEO衛(wèi)星較強(qiáng)計(jì)算能力的優(yōu)點(diǎn)，提出了自治路由算法(Simulation Autonomous Routing Algorithm，SARA)．利用星間鏈路(Inter-Satellite Links，ISL)的連通性規(guī)則來劃分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜陀?jì)算路由，算法具有自治性，具有更好的抗毀性，可以減少信息負(fù)載，增加數(shù)據(jù)包的正確傳輸率，提高了網(wǎng)絡(luò)處理故障節(jié)點(diǎn)的能力．文獻(xiàn)[7]針對深空通信網(wǎng)絡(luò)的高時(shí)延和間斷連通的特征，提出一種以路徑吞吐量最大為準(zhǔn)的路由算法，該算法支持非實(shí)時(shí)連通鏈路的端到端通信，可以獲得最大的吞吐量．上述文獻(xiàn)主要針對的是負(fù)載均衡問題，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性研究不足，鑒此，筆者提出一種可以確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)穆酚蓹C(jī)制．文中的研究內(nèi)容則主要用于解決LEO衛(wèi)星收集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，通過建立GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，定期地更新LEO的接入GEO衛(wèi)星，LEO層衛(wèi)星采用多路由機(jī)制，保證了LEO衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)能夠在任意時(shí)刻任意地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸．

1 網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/h3>

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的鏈路易中斷且運(yùn)行周期短，與地面站的可見時(shí)間短，無法將收集到的數(shù)據(jù)可靠地傳輸給地面站，這樣不能保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性．故在文中搭建GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型．搭建的GEO/LEO雙層衛(wèi)星星座共包括26顆衛(wèi)星，其中包括22顆LEO衛(wèi)星、4顆GEO衛(wèi)星．模型建立的意義是: LEO衛(wèi)星收集相應(yīng)的地面數(shù)據(jù)，通過GEO衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿覈硟?nèi)的地面站．

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ椭校?2顆 LEO衛(wèi)星分布于兩個(gè)軌道，每個(gè)軌道上均勻分布11顆衛(wèi)星．設(shè)定LEO衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)．4顆GEO衛(wèi)星分布于赤道上空，定點(diǎn)位置為: 120°W、0°、100°E、140°E．衛(wèi)星星座具體參數(shù)如表1所示．

表1 衛(wèi)星星座參數(shù)

1.2 業(yè)務(wù)傳輸模型

在現(xiàn)實(shí)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類型是多種多樣的，如: 消息、文本、聲音、圖像以及視頻等．不同業(yè)務(wù)類型的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量要求存在有很大的不同，文本、消息對傳輸?shù)目煽啃杂泻芨叩囊螅瑢鬏數(shù)膶?shí)時(shí)性則要求不高;聲音、視頻則對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高．另外，不同類型業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量也不相同．在文中的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中，模擬3種業(yè)務(wù)類型，通過不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率來體現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)類型的處理能力．3種數(shù)據(jù)發(fā)送速率分別為low、mid、high．

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)處在較為惡劣的環(huán)境中，LEO收集數(shù)據(jù)會存在波動(dòng)的情況．所以模型中設(shè)置兩種數(shù)據(jù)包創(chuàng)建的方式，分別為均勻類型與符合泊松分布類型，來區(qū)分正常情況與存在波動(dòng)的情況．均勻類型用來模擬LEO衛(wèi)星用于數(shù)據(jù)收集時(shí)，在正常的環(huán)境下，每個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包量; 泊松分布類型則用于模擬LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)量在有波動(dòng)情況下，每個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包量． 3種業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速率如表2所示．

表2 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型

1.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的路由機(jī)制

1.3.1 衛(wèi)星的傳輸選擇

在設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)信息數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送，LEO數(shù)據(jù)的收集過程則以數(shù)據(jù)的創(chuàng)建進(jìn)行模擬．當(dāng)LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)后，則有兩種傳輸選擇，當(dāng)有接入GEO衛(wèi)星時(shí)，向GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸; 當(dāng)沒有GEO接入衛(wèi)星時(shí)，則向LEO衛(wèi)星進(jìn)行傳輸．

圖1 GEO衛(wèi)星層中的數(shù)據(jù)傳輸

GEO層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星數(shù)量較少，因此采用固定路由方式降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸開銷．固定的傳輸過程如圖1所示．GEO衛(wèi)星位置固定不變，在GEO層數(shù)據(jù)傳輸過程: GEO1的數(shù)據(jù)通過GEO4進(jìn)行中繼傳輸，GEO2的數(shù)據(jù)通過GEO3進(jìn)行中繼傳輸．再由GEO3和GEO4發(fā)往網(wǎng)絡(luò)地面站．

1.3.2 數(shù)據(jù)傳輸方法

第1步 GEO衛(wèi)星定期地向外發(fā)送hello數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含有GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id以及其他字段．

第2步 當(dāng)LEO接收到GEO發(fā)送的hello數(shù)據(jù)包后，計(jì)算數(shù)據(jù)包在傳輸過程中的時(shí)延值，若LEO收到多個(gè)hello數(shù)據(jù)包，則比較不同GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延的大小，可以體現(xiàn)GEO衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星的距離．選擇傳輸時(shí)延最小的GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕尤牍?jié)點(diǎn)．傳輸時(shí)延的計(jì)算公式為

Di=Ttemp-Tcreat(pkt),

(1)

其中，Di為LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)收到GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的id為i，Ttemp為當(dāng)前仿真時(shí)間，Tcreat(pkt)為數(shù)據(jù)包的創(chuàng)建時(shí)間．

最小傳輸時(shí)延的獲取，即

Dmin=min{D1，D2，…} ,

(2)

第3步 當(dāng)LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)沒有GEO接入衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)，則通過同軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼傳輸．

傳遞過程中以跳數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸距離．在傳遞的數(shù)據(jù)包中，有跳數(shù)字段numhop，當(dāng)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，numhop=0，數(shù)據(jù)包每經(jīng)過一個(gè)LEO節(jié)點(diǎn)，判斷該LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)是否有GEO接入衛(wèi)星，若有GEO接入衛(wèi)星，則將數(shù)據(jù)包發(fā)往GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)；如沒有GEO接入衛(wèi)星，numhop加1，繼續(xù)向同軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼．當(dāng) numhop=3 時(shí)，依舊沒有向GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則將數(shù)據(jù)包丟棄．

第4步 當(dāng)GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接收到LEO衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)包時(shí)，判斷本衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)id是否為3或4節(jié)點(diǎn)，若 idself=3 或4，則將數(shù)據(jù)包向地面站轉(zhuǎn)發(fā); 若 idself=1，則將數(shù)據(jù)包傳輸向4節(jié)點(diǎn)；若 idself=2，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給3節(jié)點(diǎn)．

第5步 地面站接收GEO傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理．

通過以上步驟，實(shí)現(xiàn)了將LEO衛(wèi)星中收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆欢捎谛l(wèi)星節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性導(dǎo)致LEO衛(wèi)星的接入GEO衛(wèi)星經(jīng)常發(fā)生變化，因此需要定期地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更新．具體情況為:GEO衛(wèi)星需要定期地向外發(fā)送hello數(shù)據(jù)包，LEO衛(wèi)星中每隔相同時(shí)間更新一次相應(yīng)的GEO接入衛(wèi)星．

2 仿真與性能分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)性能評估指標(biāo)

在研究中使用的GEO/LEO雙層網(wǎng)絡(luò)模型，主要用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與傳輸，在網(wǎng)絡(luò)模型中評價(jià)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能主要從吞吐率、時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)和丟包率來進(jìn)行評估．網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的定義如下:

(1) 數(shù)據(jù)吞吐率．在本網(wǎng)絡(luò)中使用的網(wǎng)絡(luò)模型中，數(shù)據(jù)包吞吐率主要用來衡量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸能力．網(wǎng)絡(luò)包吞吐率則為網(wǎng)絡(luò)總接收量與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送量的比值，即σ= OUT/IN．其中OUT為網(wǎng)絡(luò)接收量，是單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)，單位為Packet/s (包/秒)．網(wǎng)絡(luò)發(fā)送量是單位時(shí)間內(nèi)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的總和IN，單位為Packet/s．對整個(gè)或局部穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)來說，其輸入和輸出速率是相等的．

(2) 端到端時(shí)延．在該研究中使用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是端到端的時(shí)延，即數(shù)據(jù)包從在源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生到在目的節(jié)點(diǎn)接收到所消耗的時(shí)間．時(shí)延的計(jì)算如式(1)所示．在仿真中統(tǒng)計(jì)的時(shí)延則是每個(gè)數(shù)據(jù)收集點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)是在過去一段時(shí)間內(nèi)收到數(shù)據(jù)包單向時(shí)延的均值，而被丟棄數(shù)據(jù)包的時(shí)延沒有考慮在內(nèi)，因?yàn)閬G包意味著時(shí)延無窮．

(3) 丟包率．?dāng)?shù)據(jù)包在源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)目．丟包率用R=Z/w表示，自然R越低就表示其丟包越少，其中Z為丟失數(shù)據(jù)包數(shù)目，w為產(chǎn)生數(shù)據(jù)包總數(shù)．

2.2 網(wǎng)絡(luò)攻擊

空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于位置相對公開，因此，容易受到外部的干擾與惡意攻擊．在設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主要功能在于數(shù)據(jù)的收集，因此LEO層中的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)受到攻擊并且失效對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能影響不大．GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓歉删W(wǎng)絡(luò)，GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的性能對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能影響相對較大．在仿真的過程中，對衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的攻擊主要集中于GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)．

網(wǎng)絡(luò)攻擊的類型則為飽和攻擊．針對于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)來說，通過飽和攻擊占用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的資源，使衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)處于不能工作的狀態(tài)．通過將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行復(fù)制，通過這樣的方法來占用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的信道．使衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的吞吐量增大，但是數(shù)據(jù)包基本為無效數(shù)據(jù)包．通過設(shè)置的飽和攻擊強(qiáng)度(1/10/100/ 1 000)，使衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包被復(fù)制1(10/100/ 1 000) 份，將所有的數(shù)據(jù)包發(fā)往相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)．飽和強(qiáng)度越大，數(shù)據(jù)包數(shù)目越大，占用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的資源就越多．

2.3 實(shí)驗(yàn)仿真

搭建STK/OPNET聯(lián)合仿真平臺，STK負(fù)責(zé)LEO/GEO星座的搭建，生成相應(yīng)的軌道文件; OPNET負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)仿真，搭建網(wǎng)絡(luò)的核心功能模塊．使用OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的時(shí)間設(shè)置為 5 min，GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)向外發(fā)送hello數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔為 61 s，在網(wǎng)絡(luò)仿真中，LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率以均勻類型為例．

圖2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中的數(shù)據(jù)包吞吐率圖3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的丟包率

圖2中數(shù)據(jù)包接收量與總發(fā)送量的比值比較接近，近乎為1，這說明LEO發(fā)送的數(shù)據(jù)包最終到達(dá)地面節(jié)點(diǎn)．在圖中，每隔一段時(shí)間就會存在的吞吐率下降則是由于LEO衛(wèi)星的GEO接入衛(wèi)星定期更新所致．當(dāng)LEO的更新其接入GEO衛(wèi)星時(shí)，則整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)短時(shí)間內(nèi)無法上傳數(shù)據(jù)，使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接受量較少．圖3顯示，傳輸過程中數(shù)據(jù)的丟包率保持一個(gè)相對較低的水平，在接入衛(wèi)星更新時(shí)會出現(xiàn)較大的丟包率．

圖4 地面節(jié)點(diǎn)接受數(shù)據(jù)量變化

在設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中，GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)著主要的通信任務(wù)，GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸如圖1所示．由圖1可見，根據(jù)GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)功能的不同，可以將節(jié)點(diǎn)分為兩種類型，一種節(jié)點(diǎn)類型為邊緣節(jié)點(diǎn)，主要用于LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)收集，如節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)收集后，傳向同層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn); 另一種節(jié)點(diǎn)類型為核心節(jié)點(diǎn)，功能有LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)的收集、同層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的中繼與對地?cái)?shù)據(jù)的傳輸，如節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4．為準(zhǔn)確得到不同類型的GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)受到攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能下降情況．分別對GEO1和GEO3進(jìn)行攻擊，分析不同類型節(jié)點(diǎn)失效對網(wǎng)絡(luò)的影響．由于在飽和攻擊的情況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有較大變化，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)中吞吐率將會超過1，這時(shí)研究吞吐率已沒有價(jià)值．飽和攻擊強(qiáng)度為10的情況下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)主要對地面節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包接受量、丟包率與時(shí)延變化進(jìn)行比較．如圖4～圖6所示．

圖5 傳輸時(shí)延的變化圖6 丟包率變化

如圖4所示，當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)受到飽和攻擊時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的發(fā)送量則會有一個(gè)較大的提高，GEO3受到攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包量比GEO1受到攻擊時(shí)更大．當(dāng)受到攻擊時(shí)，GEO1的傳輸時(shí)延與正常情況下相差不大，GEO3的傳輸時(shí)延有一定程度的減少，這時(shí)，由于當(dāng)受到飽和攻擊時(shí)，GEO3的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將可能受到飽和攻擊，將會產(chǎn)生數(shù)據(jù)包傳輸?shù)降孛婀?jié)點(diǎn)，從而降低了傳輸時(shí)延的平均值．如圖6所示，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的丟包率都會增大，增大幅度相差不大，這表示受到飽和攻擊時(shí)，正確接受的數(shù)據(jù)包量都會受到較大影響．

3 結(jié) 束 語

在研究中針對LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)難以進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯栴}，提出了一種基于GEO/LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與抗毀性技術(shù)研究．將地球同步衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^衛(wèi)星，并針對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)了一種路由機(jī)制．在該路由機(jī)制中，考慮了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓?，?shí)現(xiàn)了對接入衛(wèi)星的實(shí)時(shí)更新與檢測，并通過將LEO衛(wèi)星產(chǎn)生數(shù)據(jù)的多路徑傳輸，實(shí)現(xiàn)了LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸．對提出的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)模型在數(shù)據(jù)傳輸上的可靠性，并對多業(yè)務(wù)模式進(jìn)行了仿真．針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)易受攻擊的特點(diǎn)，以常見的飽和攻擊為例，仿真了對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊的情況，可以得到不同節(jié)點(diǎn)失效對網(wǎng)絡(luò)性能影響的評估．

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ResearchondatatransmissionandsurvivabilitytechnologyoftheGEO/LEOsatellitenetwork

LIULifang1，WUDan1，LANGXiaoguang1，QIXiaogang2

(1. School of Computer Science and Technology, Xidian Univ., Xi’an 710071, China；2. School of Mathematics and Statistics, Xidian Univ., Xi’an 710071, China)

Aiming at the problem that Low Earth Orbit satellites have a low real-time performance in transmitting data to the ground, a data transmission and survivability technology based on the double-layer satellite network is proposed. In the method, the Geosynchronous Earth Orbit satellite network is used as the communication backbone network, which is responsible for the relaying and forwarding of the data in the satellite network. The low-earth satellite layer is responsible for data collection and auxiliary routing. Combining the advantages of Geosynchronous Earth Orbit and Low Earth Orbit satellites can realize the real-time transmission of Low Earth Orbit satellite data. The multi-path transmission strategy improves the survivability of the satellite network. The performance of the proposed method is analyzed in terms of throughput, transmission delay, delay jitter and packet loss rate. Under the attack environment, the data delivery capability of the network is studied. The data transmission method based on the multi-layer satellite can solve the single-layer low-earth satellite network in data transmission, and satisfy the requirement of multi-service real-time transmission.

satellite network model; data transmission; survivability technology; performance analysis; network simulation

2017-02-22

時(shí)間：2017-06-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 61572435, 61472305)；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015JZ002, 2015JM6311)；寧波市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016A610035, 2017A610119)；復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(DXZT-JC-ZZ-2015-015)

劉立芳(1972-)，女，教授，博士，E-mail: lfliu@xidian.edu.cn．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170629.1734.002.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.001

TP393

A

1001-2400(2018)01-0001-05

(編輯： 王 瑞)