1、空天網絡安全下的路由安全分析姓 名：學 號：單 位：摘 要：空天信息網絡是一種包含了衛星通信系統、高空平臺、各種飛行器以及地面固定網絡、地面蜂窩網絡等不同種類、不同特性通信系統的綜合網絡。 本文根據現有衛星通信系統所面臨著星上資源受限、維護不便、延時大、誤碼率高等問題，提出了基于高空平臺通信系統(HAPS)的空天信息網，為地面用戶和空中的高速飛機用戶提供通信服務，特別是在應對應急通信等特殊 情況，該系統具有廣闊的應用前景。 高空平臺通信系統(HAPS)位于距地面 20-50km 的平流層，其以高空氣 球、飛艇等為載體。和地面蜂窩通信系統相比，高空平臺具有組網簡單、覆 蓋范圍廣、抗毀能力強、價格

2、便宜等優點；和衛星通信系統相比，高空平臺 通信系統具有系統容量大、傳播時延低、配置成本低、便于回收等優點。本課題針對空天信息網絡路由所面臨的問題，根據空天信息網的特點，提出了一種適應空天信息網絡特性的路由，給出了網絡層包頭設計、用戶注冊和切換、用戶查找等算法的實施方法。同時，為了滿足多業務的需求，保證用戶 QoS 需求，提出了一種基于跨層資源優化的 QoS 保障的路由協議，修改了傳統的最短路徑算法，通過網絡狀態表，基于延時、帶寬、跳數等信息計算出適應業務要求的 QoS 保證的路由。 最后，使用 NS2 對所提出的空天信息網絡進行建模仿真，并分析仿真結果，證明本文所提出的路由算法的優越性。 關鍵

3、詞：高空平臺；HAPS；空天信息網；路由；QoS隨著全球一體化進程的加快，人們對網絡技術的依賴程度越來越高。傳統的國際互聯網(Internet)主要依靠地面鏈路傳輸信息，難以覆蓋高山、海島等復雜的地形區域。以衛星通信為代表的空間信息網絡技術水平也正在成為標志國家綜合實力的特征之一。傳統地面網絡的上述缺點和日益增長的網絡用戶需求使的衛星通信網絡逐漸成為各國關注的對象。然而，受自身條件的限制，衛星網絡面臨多種問題制約其發展：（1） 衛星網絡系統能量供給、計算資源和存儲資源都十分有限，向上設備可替代性差，維護不便。 （2）衛星網絡離地面較遠，就算是離地面最近的低軌衛星(LEO)距離地面也有幾千公里，

4、存在著傳播延時大。誤碼率高等問題，與用戶的低延時、高準確率傳輸需求沖突。（3）作為地面網絡的補充，衛星網絡和地面網絡承擔像是的網絡流量，地面網絡中的魯棒路由問題在衛星網絡中同樣存在，而受限的衛星網絡資源使得衛星網絡中的魯棒路由問題更具挑戰性。 因此，研究人員把目光轉向了高空平臺(Altitude Platform Station, HAPS)。所謂高空平臺，是指位于大氣平流層，距離距地面20-50km 的空中飛行器，一般包括飛艇，氣球等，處于現有飛機最高飛行高度和衛星的最低軌道高度之間。 一、空天信息網的研究狀況 空天信息網絡是一種以衛星和高空平臺為骨干節點的通信網絡，它是地面通信系統重要的補

5、充，是信息全球化重要的一環。衛星通信系統是空天信息網絡重要的組成部分。經過半個多世紀的發展，衛星通信已經逐漸成為大區域干線通信、國際軍事通信、大企業專網通信以及個人通信的重要手段。隨著信息全球化、國際互聯網和數字多媒體通信業務的快速增長，衛星通信面臨著地面高密度、大容量數據業務的嚴峻挑戰。為了應對衛星通信網絡所面臨的問題，彌補衛星通信網絡的天然缺陷，科學家們把HAPS加入到現有衛星通信系統中，完善空天信息網絡，增強網絡總體的性能。 關于HAPS 的設想其實很早就被提出，德國在第二次世界大戰之前就已經提出了高空平臺的概念，但是沒能找到一個輕便、堅固、耐腐蝕的材料和 提供強勁穩定的動力系統，最終高

6、空平臺計劃付諸東流。近年來，人類在控制學、材料學等領域已經有了長足的進步，都為HAPS的發展提供了強有力 的技術支持。歐美等發達國家已經開始對HAPS系統進行深入研究，并成功開展了一些試驗。二、空天信息網絡概述 （一） 網絡體系結構 空天信息網絡是一種包含了衛星通信系統、高空平臺、各種飛行器以及地面基站車輛等不同種類、不同特性通信系統的綜合網絡。根據網絡中各個系統海拔高度、系統特性、鏈路環境等的差異，可以將空天信息網絡體系三個部分，依次是：衛星通信系統、高空平臺系統和終端用戶。其中衛星通信系統包括各種軌道衛星和各種用途的衛星，按照軌道高度和類型有靜止軌道衛星(Geostationary Ear

7、th Orbit, GEO)、中軌衛星(Medium Earth Orbit, MEO)、低軌衛星(LowEarth Orbit, LEO)、高橢圓軌道(Highly Elliptical Orbit, HEO)衛星等。按照衛星的功能有偵查衛星、預警衛星、數據中繼衛星、通信衛星、資源衛星、環境監測衛星、遙感遙測衛星和廣播星等。因此出現了多種衛星構成的各種衛星系統和衛星網絡。（二） 各節點功能 在空天信息網絡模型中，衛星通信系統由各種軌道衛星組成，主要是覆蓋范圍廣、可視時間長的同步衛星以及與地面距離近，傳輸延時小的低軌衛星。衛星通信系統覆蓋范圍大，并且適合廣播通信，因此在空天信息網絡中的主要功能

8、是監測、收集網絡狀態信息，進行星上處理或者轉交管理衛星進行處理，并將處理結果廣播給網絡中的節點，實現對整個網絡的管理。在高空平臺之間鏈路損壞或者移動節點與高空平臺之間鏈路損壞時，衛星系統為節點之間的通信提供中繼服務。此外根據衛星功能的不同，衛星還可能完成遙感探測等任務，需要將數據發回到地面相應的控制中心，此時衛星作為空天信息網絡的用戶，利用網絡其他骨干節點的中繼傳輸數據。 （三） 相關路由策略介紹 空天信息網包含了多種異構的網絡結構，與現有的地面網絡和未向網絡都不相同，隨著用戶需求的多樣化，對于網絡的性能要求越來越高，而網絡路由技術在空天信息網絡中處于核心地位，決定這整個網絡的性能。為了達到和

9、地面網絡近似的性能，需要通過研究現有的地面網絡路由技術和衛星網絡路由技術，研究出一套適應空天信息網的，可動態滿足不同用戶QoS需求的路由計算。 衛星路由技術衛星網絡路由技術是針對衛星網絡的特點開發和設計的路由算法和路由協議。為了給衛星網絡用戶之間提供可靠的數據傳輸路徑。早期的衛星網絡 系統以單顆衛星（如GEO衛星）為中繼，采用彎管式（bent pipe）轉發模式，不存在路由問題。隨著衛星技術的發展，空中的衛星數量越來越多，在多顆衛星組成的衛星網絡中，需要在從源節點到目的節點多條路徑中尋找滿足用戶 QoS 需求的最優路徑。根據衛星網絡系統組成結構，衛星路由技術可分為三個部分。 （1）邊界路由：衛

10、星通訊網絡被視為英特網的重要組成部分，此路由 協議產生的目的是為了是地面網絡和衛星網絡相互融合，可以使地面網絡和 衛星網絡實現無縫互操作。（2）接入路由：接入路由負責地面移動用戶和地面基站尋找接入衛星。 該算法實現相對簡單，接入準則為接口衛星覆蓋時間的長短和用戶數據鏈路（User Data Link, UDL）的信號強弱。選取覆蓋時間的長短的衛星作為接口衛星，這樣做的優點在于可以減少UDL 的鏈路切換，減少協議開銷。選擇 UDL信號最強的LEO衛星作為接口衛星，UDL 信號最強的衛星一般離地面 基站最近、仰角最大。（3） 星間路由：星間路由負責路徑計算，當數據包上傳到入口衛星時， 星間路由計算

11、一條滿足 QoS 需求的路徑。星間路由是整個衛星網絡路由設計的重點和難點，涉及尋找滿足QoS的最優換路徑問題，這也是本課題需要討論的。 （三） 空天信息網路由方法 1、空天信息網絡路由算法 （1）網絡層包頭設計 網絡層包頭設計對傳統的網絡層包頭的地址結構進行了修改，設計了空天信息網絡的地址結構，網絡層包頭中包括了源用戶地址、目的用戶地址和源骨干節點地址與目的骨干節點地址信息，以及節點類型信息，如圖 3-1 所示。源骨干節點為發送數據的源用戶所接入的骨干節點。目的骨干節點為數據的目的用戶所接入的骨干節點。 （2）用戶切換空天信息網中的用戶并不是靜止不動的，既包含低速的用戶，如車輛、 艦船等，又包

12、含高速的用戶，如飛機。用戶可能從一個骨干節點移動到另一個骨干節點，所以必須對用戶的切換進行設計，特別是像飛機這樣的用戶，運動速度快，切換頻繁，需要提供性能可靠的切換技術。切換是指由于用戶和網絡接入節點之間的相對運動引起的用戶與節點之間的連接關系的變換，切換必然引起通信的中斷，為了保障通信的連續性，必須更新原有的路由，重新建立連接。為了滿足用戶實時性的要求，使切換造成的延遲最小，路由切換算法必須要保持呼叫的連續性，并且相應時延 指標不被破壞。其次，衛星切換過程中，必然照成網絡資源的重新分配，應當對網絡資源合理分配，不至于因為一個呼叫的切換處理過程而使其它呼叫的性能下降。 切換方法主要可以分為部分路由重建和全部路由重建。所謂部分重建， 就是原有路徑發生中斷時，算法只更新有變化接入部分的路由，后續路由被 部分保存，該方案處理簡單且時延比較小，但是部分重建給出的路由表信息 并不能完全反應網絡的具體狀態，新生成的路由可能不是最優化路徑，其給出的路徑可能不能滿足原來業務的QoS需求，會造成對網絡資源的不合理使用。所謂全路由重建切換就是在發生切換時，重新根據網絡狀態計算路由，重新分配網絡