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1、6上海大学上海大学 20142015 学年春季学期研究生课程考试学年春季学期研究生课程考试文献阅读报告课程名称： 电子科学与技术进展 课程编号： 07S009002 题目:基于随机线性网络编码的卫星网抗毁路由协议基于随机线性网络编码的卫星网抗毁路由协议研究生姓名: 耿恒水 学 号: 14723538 评语:成 绩: 任课教师: 彭彰友 评阅日期: 6基于随机线性网络编码的卫星网抗毁路由协议基于随机线性网络编码的卫星网抗毁路由协议摘要摘要:针对卫星节点由于空间通信的开放性容易遭受各类攻击而失效而导致通信链路不可用的问题，通过对卫星网路由协议的研究，基于随机线性网络编码设计了一种适用于 GEO-L
2、EO 双层卫星组网的抗毁路由协议。为提高路由的抗毁性并提高路由效率，提出在每个 LEO 卫星上维护一张单步邻接表，若目的节点在单步邻接表中，则直接进行消息转发，否则对 RREQ 报文采用随机线性网络编码路由查找产生路由表。仿真分析结果表明: 该路由协议能有效提高路由的抗毁性，减少路由消息传输次数。关键词关键词:网络编码;抗毁;协议 Survivability routing protocol of satellite networks based on random linear network codingAbstract: To solve the communication link b
3、reak of satellite nodes invalidation by various attacks because of the openness of space communication，a survivability routing protocol of GEO-LEO satellite network was designed based on the routing protocols of satellite network and random linear network coding In order to improve the survivability
4、 and efficiency of routing，every LEO satellite was maintained with a one-step adjacent table updated with LEO satellite time period. If the target LEO satellites nodes were in the one-step adjacent table，the message would be sent through the one-step adjacent table of original LEO satellitesOtherwis
5、e，the original LEO satellites would produce a routing table during the searching for RREQ message through random linear network coding routing.The simulation results show that the proposed routing protocol can greatly improve the performance of survivability routing and reduce the times of routing m
6、essage transmissionKey words: network coding; survivability; protocol 随着航天技术的迅猛发展和快速应用，发展以卫星系统为核心1的空间网络是世界各国发展航天力量的重要任务之一。空间网络作为无线网络，易受到通信系统和通信信息的安全威胁13。而路由技术是空间网络得以持续、安全运转的关键所在。因此，开展在空间网络环境下的卫星网络的抗毁安全路由交换技术研究是非常必要的。目前国内外专家学者在卫星网络路由方面已经提出了许多算法1617，可以分为单层星座路由算法和多层星座路由算法。单层星座路由算法主要有 Werner 提出的 DT-DVTR
7、 算法2、Hong Seong Chang 提出的基于 FSA 的路由算法3、Gounder 提出的基于快照序列的路由4和 Hashimoto 提出的基 IP 的路由算法5。多层星座路由算法主要有 Akyildiz 提出的多层卫星路由 MLSR6、J.Lee 提出的分层路由协议 HQRP7、胡剑浩等提出的双层卫星路由 TLSR 算法8、C.Chen 提出了 SGRP 路由协议9。这些路由算法大多都没有充分考虑卫星节点失效的情况和路由信息的安全性。Ahlswede 等人最早开始研究网络编码理论10； KATTI 等人把网络编码思想引入到无线多跳单播网络中来,并提出了网络编码算法 COPE11，提
8、高了系统吞吐量。将网络编码技术引入卫星网络能够有效地节省各种卫星网络资源。随机线性网络编码不需要预先启动一个算法来分配局部编码向量。可以适用于网络拓扑动态变化，网络链路变化频繁的卫星网络环境。针对以上协议的问题提出了一种基于随机线性网络编码的卫星网络抗毁路由协议，最后对协议进行仿真分析。61GEO-LEOGEO-LEO 双层卫星网络设计双层卫星网络设计空间信息网是由部署在不同轨道执行不同任务的各种卫星和地面系统组成的具有星间和星地通信链路的网络系统，由深空网、天基网、空间网、地面网等组成，其中天基网是空间信息网的关键，而天基网的核心是卫星系统。卫星系统由 GEO(同步地球轨道)卫星、MEO（中
9、轨道地球）卫星 、LEO 卫星组成。GEO 卫星的地面和空间段结构相对简单，地面覆盖区域范围大，具有非时变的卫星仰角和固定的传播时延。LEO 卫星适合提供实时多媒体通信，接入方便，地面用户使用手持设备即可接入 GEO 卫星网络 12。GEO-LEO 双层卫星网络由 LEO 卫星层和 GEO 卫星层所组成。GEO层包括卫星网络中所有的 GEO 卫星，轨道内的第 i 颗 GEO 卫星用 表示;LEO 层包括卫星网络中所有的 LEO 卫星，在 GEO 卫星 覆盖下的第 j 颗 LEO 卫星用 表示。组网链路一般有以下三种链路14：星间链路（inner-satellite links，ISLs）：用于
10、同层卫星间的通信；轨间链路：（inner-orbital links，IOLs）:用于不同星层之间的通信；用户数据链路：（user data links, UDLs）:用于卫星网络与地面之间的通信 。该双层卫星网络有三种路由：星间路由，实现同层卫星间的通信；边界路由，卫星网络与地面网络或深空网络的融合路由；接入路由，地面用户或深空用户选择接入的路由 。卫星星间路由是为了寻找从源卫星节点到目的卫星节点的符合特定要求的路径15 。该双层卫星网络的组成示意图如下图图 1 所示。图 1 GEO-LEO 双层卫星网络示意图该 GEO-LEO 双层卫星组网的优势可以从两个方面看：从 LEO 卫星分组的角度
11、看，GEO 卫星相对地面位置固定，覆盖范围广；每颗 GEO 卫星覆盖下的 LEO 卫星组组员变化周期长，有利于分组管理。从路由交换的角度看，GEO 卫星适合于长距离通信，LEO 卫星适合于短距离通信。2 基于网络编码的抗毁路由协议基于网络编码的抗毁路由协议2.1 相关定义相关定义定义定义 1 卫星覆盖域:每颗卫星覆盖不同地面区域，把地球表面覆盖域划分成不同区域并给各个区域赋予不同的地址编号，该划分区域称为卫星覆盖域。 定义定义 2 LEO 卫星时间片:一颗 LEO 卫星从运行进入一个 LEO 卫星覆盖域到运行离开该覆盖域的时间。iGiGjiL,6通过设立 LEO 卫星时间片，从 LEO 卫星真
12、实位置的动态变化到与 LEO 卫星覆盖域相对静止的转化，屏蔽了 LEO 卫星星座的动态性。 定义定义 3 LEO 卫星网络虚拟拓扑图:根据 LEO 卫星星座运行的可预测性和周期性，在每一个时间片内，网络都可以被预先模型化为一个静态的加权无向图 ： 。L 为所有星间链路 ISL 的集合，N 为所有 LEO 卫星节点的集合。 定义定义 3 切换表:对于 LEO 节点 ，记录 LEO 卫星节点 的路由表切换时间，表项格式为，其中 STime 为切换时刻，Num 为路由表编号。2.2 密钥管理密钥管理2.2.1 密钥初始化密钥初始化由 GEO 卫星生成一个五元组(e, , ,g,p)，其中。e 为一个
13、可计算的双线性映射; 为两个有着相同素数阶为 P 的乘法循环群。g 是 的生成器。 2.2.2 同态签名同态签名LEO 卫星路由发起过程中的签名以及中继 LEO 卫星节点和目的 LEO 卫星节点的签名验证采用罗海等人提出的网络编码同态签名方案18。 2.3 单步邻接表单步邻接表LEO 层卫星维护一张单步邻接表，该单步邻接表如下图 2 所示，用来记录该 LEO 卫星节点的同层一跳邻居 LEO 卫星节点的信息; 每经过一个卫星时间片，LEO 卫星节点向其他 LEO 卫星节点广播一条消息，当一个节点收到此消息后，更新其单步邻接表，可以实时保存 LEO 卫星局部虚拟拓扑信息。单步邻接表示意图如下。图图
14、 2 单步邻接表示意图2.4 报文格式报文格式报文格式设计19如下：MTime:报文产生时间，用于验证报文的新鲜性。 SIP:发起路由请求的节点的 IP 地址。TIP:路由请求的目的 IP 地址。Step :当通信发生在一个 LEO 卫星的覆盖区域内，不需要路由和网络编码，Step 设置为 0;当通信发生在两个邻接的 LEO 卫星的覆盖区域内，需要路由，但是网络编码没有意义，不需要进行网络编码，Step 设置为 1;当通信发生在两个不邻接的 LEO 卫星的覆盖区域内，需要路由，也需要进行网络编码，Step 设置为 2。NC：是否进行了网络编码，0 表示未编码的报文，1 表示编码的报文。 NCS
15、eq:进行网络编码后的报文序列号。IDList：序列号列表，与源节点 IP 地址一起唯一确定了编码报文是由哪些 RREQ 报文线性编码而来的。 HCou:用来记录编码 RREQ 报文后的跳数。 Vec:从某个有限域中随机选取的编码系数，未编码时该项为空。RMes:封装的源 RREQ 报),(NLGkjiL,jiL,1G2G2G1G1G6文。Sig：编码后报文的签名。2.52.5 路由建立路由建立2.5.12.5.1 路由触发路由触发每个卫星周期时间片起始，路由查找产生路由表后，在该周期时间片内对该路由表进行存储。在该周期之间没有卫星节点失效或链路拥塞的情况出现，则各卫星节点间的相互关系保持不变
16、，路由表保持不变。如果如果在该周期之间出现卫星节点失效或链路拥塞等情况，则需要触发路由更新过程，重新进行路由查找，建立新的有效路由表。2.5.22.5.2 路由发起路由发起若通信发生在两个不邻接的 LEO 卫星的覆盖区域内，需要路由，也需要进行网络编码，路由过程如下。(1) 发送请求:先判断 NC 的值，若 NC =1，产生请求报文; 进行编码时，首先从有限域中选取 m 个随机数，组成局部编码向量 ，然后，将报文进行线性编码运算; 源卫星节点使用签名算法对编码系数 与编码后的请求报文 使用源卫星节点的私钥签名。(2) 中继转发:中继 LEO 卫星节点在收到源卫星节点发送过来的编码包后，先验证报文
