面向物聯(lián)網(wǎng)的近地軌道超大規(guī)模衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)命名機(jī)制

羅鴻秋，胡圣波，2*

面向物聯(lián)網(wǎng)的近地軌道超大規(guī)模衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)命名機(jī)制

羅鴻秋1，胡圣波1，2*

（1.貴州師范大學(xué) 智能信息處理研究所，貴陽 550001；2.貴州省教育廳射頻識別與傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心（貴州師范大學(xué)），貴陽 550001）（ ? 通信作者電子郵箱hsb@nssc.ac.cn）

基于信息中心網(wǎng)絡(luò)（ICN）的近地軌道（LEO）超大規(guī)模衛(wèi)星星座是一種支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）非常理想的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而數(shù)據(jù)命名是ICN基本問題之一。針對IoT低時(shí)延傳輸、高吞吐量的數(shù)據(jù)分發(fā)的需要，提出了一種基于ICN的面向IoT的LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)命名機(jī)制。首先，該數(shù)據(jù)命名機(jī)制采用一種融合分層、多分量、哈希的扁平一體結(jié)構(gòu)。然后，采用前綴標(biāo)記描述分層名稱，滿足網(wǎng)內(nèi)功能中多源快速檢索的需要。最后，為檢驗(yàn)所提數(shù)據(jù)命名機(jī)制的性能，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)仿真器3（NS-3）的面向IoT的LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座仿真平臺。測試仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的體系結(jié)構(gòu)相比，所提出的數(shù)據(jù)命名機(jī)制能夠?yàn)槊嫦騃oT的LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座提供高吞吐量和低延時(shí)等更高的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

近地軌道；超大規(guī)模衛(wèi)星星座；信息中心網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)命名機(jī)制；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

近年來，對高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用、大規(guī)模連接、通用互聯(lián)網(wǎng)接入和無線自組網(wǎng)（Wireless Ad-hoc Network， WANET）的需求不斷增長，使得小衛(wèi)星在許多領(lǐng)域包括物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）等得到越來越多的關(guān)注。例如，實(shí)用的分離式衛(wèi)星（Departural SATellite， D-SAT）項(xiàng)目采用立方衛(wèi)星（Cubesat）已完成其覆蓋范圍內(nèi)傳感數(shù)據(jù)的廣播測試［1-2］。與此同時(shí)，由于第五代移動通信（Fifth Generation mobile communications， 5G）還不能實(shí)現(xiàn)全球的無縫覆蓋，超5代移動通信（Beyond Fifth Generation mobile communications， B5G）和第六代移動通信（Sixth Generation mobile communications， 6G）的一個(gè)重要發(fā)展趨勢就是天地一體化網(wǎng)絡(luò)［3-4］。實(shí)際上，第三代合作伙伴計(jì)劃（Third Generation Partnership Project， 3GPP）工作組已開始了這方面的工作［5］。

相較于地面通信，衛(wèi)星通信的一大優(yōu)勢是覆蓋范圍廣，這對于具有超大規(guī)模接入設(shè)備的大規(guī)模機(jī)器類型通信（Massive Machine Type Communication， MMTC）類業(yè)務(wù)即物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特別有利［6］。3GPP工作組研究了中地球軌道（Medium Earth Orbit， MEO）、地球同步軌道（Geosynchronous Earth Orbit， GEO）、近地軌道（Low Earth Orbit， LEO）這三種軌道的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)因其更低的時(shí)延成為時(shí)延敏感業(yè)務(wù)、支持新空口（New Radio， NR）的重要選擇。但LEO衛(wèi)星飛行速度快、覆蓋時(shí)間短，要求空間段必須密集部署，以保證地面終端每個(gè)時(shí)刻至少有一個(gè)衛(wèi)星覆蓋［6］。因此，借助小衛(wèi)星技術(shù)的逐漸成熟，LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座，即由多個(gè)衛(wèi)星軌道面、上百顆小衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，已成為B5G和6G關(guān)注的熱點(diǎn)［6-7］，而研究面向物聯(lián)網(wǎng)的LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座更是成為產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界的共同目標(biāo)［8-11］。

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)的爆炸式增長，產(chǎn)生的海量大數(shù)據(jù)對如何高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)和靈活路由對以傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol， TCP/IP）為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［12-13］，其中之一就是如何給IoT接入設(shè)備分配互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol， IP）地址。由于IPv4地址空間已經(jīng)耗盡，未來IPv6地址空間也將耗盡，而且IPv6地址過長，并不適合包括無線傳感器等數(shù)十億級面向約束（功耗、存儲、大?。┰O(shè)備的接入［14-16］。當(dāng)然，從數(shù)據(jù)角度看，業(yè)務(wù)應(yīng)用更關(guān)心數(shù)據(jù)本身，而不是數(shù)據(jù)源的地址。因此，近年來，從頭開始設(shè)計(jì)新的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為業(yè)內(nèi)特別關(guān)注的重要課題，其中信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information-Centric Networking， ICN）就是里程碑式的理想解決方案［12-13］，在B5G和6G核心網(wǎng)、IoT等領(lǐng)域尤為受重視［17-19］。ICN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更為簡單、通用，其組網(wǎng)基于命名的內(nèi)容目標(biāo)完成，是接收驅(qū)動的模型，數(shù)據(jù)命名是ICN的基本問題之一，成為近年來的研究熱點(diǎn)［20］。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Named-Data Networking， NDN）［21-22］則是ICN的實(shí)現(xiàn)，使用分層和人類可讀的名稱在網(wǎng)絡(luò)中傳輸內(nèi)容。特別的，NDN的通信范例基于請求、響應(yīng)模式，通過興趣和數(shù)據(jù)包使用簡化的基于拉的通信。此外，基于名稱的數(shù)據(jù)檢索，能夠消除對靜態(tài)位置和IP地址的依賴［23］。終端用戶只表達(dá)自己對給定內(nèi)容的興趣，全網(wǎng)根據(jù)內(nèi)容名的請求負(fù)責(zé)組織路由，并通過反向路徑向最終用戶傳遞內(nèi)容。ICN特征主要包括與位置無關(guān)的命名功能、基于命名的路由、網(wǎng)內(nèi)緩存、內(nèi)容自生等，支持移動和多歸屬業(yè)務(wù)［24］。

可見，ICN是面向數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，采用數(shù)據(jù)名稱作為主要元素。因此，如何命名數(shù)據(jù)是ICN的關(guān)鍵問題。本文中，數(shù)據(jù)命名要與衛(wèi)星IoT應(yīng)用緊耦合，需能容易明確標(biāo)識業(yè)務(wù)、內(nèi)容和設(shè)備，滿足IoT設(shè)備和應(yīng)用程序異構(gòu)性的要求，實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商設(shè)備和跨域互操作，具有高效聚合、快速查找和標(biāo)識動態(tài)內(nèi)容的特性。此外，數(shù)據(jù)命名還要滿足動態(tài)路由組織、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲等需要，文獻(xiàn)［25-26］中主要采用分層和扁平命名兩種方式：分層數(shù)據(jù)命名方式可讀性強(qiáng)，具有很好聚合性，有利于路由組織；扁平數(shù)據(jù)命名方式路由表查詢效率更高。為此，本文提出了一種融合分層、多分量和哈希（Hierarchical Multi-component Hash， HMcH）扁平一體的數(shù)據(jù)命名機(jī)制——ICN-HMcH。其中，分層-多分量部分包含數(shù)據(jù)類型、產(chǎn)生（空間、時(shí)間）和屬性等面向IoT應(yīng)用的信息；哈希扁平部分則作為數(shù)據(jù)唯一標(biāo)識信息，可滿足空間動態(tài)路由組織、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲等需要，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

1 面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座

1.1　LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)

5G時(shí)代的一個(gè)重要應(yīng)用是萬物互聯(lián)，IoT通過機(jī)器類型通信（Machine Type Communication， MTC）、人機(jī)通信（Man-Machine Communication， MMC），實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的互聯(lián)。IoT由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成。一般地，感知層通過射頻識別（Radio Frequency IDentification， RFID）［27］、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）［28］、近距離無線通信（Near Field Communication， NFC）［29］、紅外等技術(shù)，采用藍(lán)牙、超帶寬（Ultra Wide Band， UWB）等短距離通信手段，實(shí)現(xiàn)物的感知和數(shù)據(jù)傳輸。傳輸層采用互聯(lián)網(wǎng)、公共移動通信技術(shù)（5G、6G）［30］以及WANET［31］、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)［32］、車載自組織網(wǎng)（Vehicular Ad-hoc NETwork， VANET）［33］等實(shí)現(xiàn)感知和采集數(shù)據(jù)的傳輸。在應(yīng)用層則通過云計(jì)算［34］、大數(shù)據(jù)等方法完成數(shù)據(jù)處理和分析，為最終用戶提供服務(wù)。

B5G或6G則要求在天地一體化條件下實(shí)現(xiàn)萬物的無縫互聯(lián)，IoT業(yè)務(wù)傳輸要求實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高吞吐量。近年來，包括立方衛(wèi)星（Cubesat）在內(nèi)的小衛(wèi)星技術(shù)迅猛發(fā)展，采用星間鏈路組網(wǎng)技術(shù)，面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座，已得到全球的高度重視，如SpaceX、Amazon、OneWeb和我國的鴻云、鴻雁系統(tǒng)等，主要提供面向IoT應(yīng)用的低時(shí)延、高帶寬的傳輸業(yè)務(wù)。衛(wèi)星星座通常是由一些衛(wèi)星環(huán)按一定方式配置組成的衛(wèi)星網(wǎng)，可提供高性能、靈活的無線覆蓋和通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全球連接，能夠滿足萬物互聯(lián)的需求。不同星座的技術(shù)參數(shù)和對地覆蓋情況如表1所示。

表1　不同星座技術(shù)參數(shù)

Iridium星座是LEO超大規(guī)模衛(wèi)星組網(wǎng)的先驅(qū)，利用極地軌道，衛(wèi)星通過星間鏈路（Inter-Satellite Link， ISL）相互通信。通過衛(wèi)星可視化仿真軟件SaVi［35-36］給出擁有6軌道面的Iridium星座結(jié)構(gòu)和對地覆蓋情況，如圖1所示。

綜上，由于擁有對地全覆蓋的特性，面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座被認(rèn)為是一種有前景的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，是地面IoT網(wǎng)絡(luò)的有力補(bǔ)充，可利用LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座支持IoT市場的全球擴(kuò)張，以提供高靈活性的獨(dú)特優(yōu)勢。

圖1　Iridium星座結(jié)構(gòu)及其對地覆蓋情況

1.2　LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座星間鏈路

對于面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座，通常使用圓形軌道，要求星間實(shí)現(xiàn)通信。根據(jù)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座拓?fù)涮卣鳎情g通信鏈路包括同一軌道面相鄰衛(wèi)星間的鏈路和相鄰軌道面間的衛(wèi)星鏈路。

1）衛(wèi)星軌道根數(shù)。

其中是衛(wèi)星矢徑的模。

圖3　、和的幾何關(guān)系

表2　Iridium星座衛(wèi)星軌道根數(shù)

2）ISL分析。

星間通信鏈路包括同一軌道面間相鄰衛(wèi)星的鏈路和相鄰軌道面間的衛(wèi)星鏈路，因此，ISL分析考慮以下兩種情形。

情形一 同軌道面相鄰衛(wèi)星間ISL。

將表3中相關(guān)參數(shù)代入，可計(jì)算得，，，從而。

情形二 相鄰軌道面相鄰衛(wèi)星間ISL。

相鄰軌道面間ISL包括通信距離近的鏈路和通信距離遠(yuǎn)的鏈路，因此，ISL分析考慮如下兩種情況。

① 通信距離最近ISL。

圖5　相鄰軌道面間通信距離最近的ISL

② 通信距離最遠(yuǎn)ISL。

圖6　相鄰軌道面間通信距離最遠(yuǎn)的ISL

2 數(shù)據(jù)命名機(jī)制的設(shè)計(jì)

2.1　ICN

ICN被認(rèn)為是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向［38］，作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供對命名數(shù)據(jù)的訪問，能夠服務(wù)于對命名數(shù)據(jù)的本地請求，意味著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以接收對命名數(shù)據(jù)的請求，并根據(jù)需要執(zhí)行動作，例如，將請求轉(zhuǎn)發(fā)到合適的下一跳。因此，路徑上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能夠執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)決策、緩存內(nèi)容等，網(wǎng)絡(luò)能夠在最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)請求。

作為ICN的實(shí)現(xiàn)，NDN基于請求-響應(yīng)模式，數(shù)據(jù)命名采用分層名稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)內(nèi)容本身進(jìn)行命名。NDN由請求者和內(nèi)容提供者兩部分組成，通過興趣包和數(shù)據(jù)包進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)檢索模型遵循興趣、數(shù)據(jù)流平衡的原則。請求者若請求某內(nèi)容，產(chǎn)生帶有相應(yīng)內(nèi)容名稱的興趣包，通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)存有此內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)收到興趣包后，沿反向路徑返回相應(yīng)名稱的數(shù)據(jù)包。

可見，命名數(shù)據(jù)內(nèi)容是關(guān)鍵概念。一般來說，ICN名稱既不代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也不表示接口，而是代表獨(dú)立于其位置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這非常適合于IoT應(yīng)用中遵循面向內(nèi)容原則的使用模式［39］。正因?yàn)镮CN通過簡單的數(shù)據(jù)訪問，可減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)發(fā)布者負(fù)載［13］，在快速高效數(shù)據(jù)傳輸和可靠性方面的明顯優(yōu)勢使其成為IoT應(yīng)用中極具前景的網(wǎng)絡(luò)模式。因此，在超大規(guī)模衛(wèi)星星座IoT架構(gòu)中，采用ICN和適宜的內(nèi)容命名模式，將非常有利于提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2　數(shù)據(jù)命名機(jī)制

本文提出的ICN-HMcH數(shù)據(jù)命名機(jī)制將分層、多分量的特征整合到一個(gè)多分層結(jié)構(gòu)中，采用基于前綴的分層思想，并結(jié)合基于LEO衛(wèi)星星座的IoT業(yè)務(wù)屬性。

圖7給出了ICN-HMcH自頂向下多層命名結(jié)構(gòu)，采用四層結(jié)構(gòu)，以識別不同應(yīng)用程序的語義。1）根前綴層：定義發(fā)布信息標(biāo)志和多源信息請求標(biāo)志。2）任務(wù)類型層：定義LEO物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)命名空間，基于執(zhí)行的請求提出兩類，一類是按需檢索數(shù)據(jù)和內(nèi)容提取，另一類是對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)或者緩存。3）服務(wù)類型層：定義執(zhí)行的業(yè)務(wù)類別，如傳輸數(shù)據(jù)、視頻或語音等。4）網(wǎng)內(nèi)功能和本地節(jié)點(diǎn)標(biāo)識層：標(biāo)識所使用的網(wǎng)內(nèi)功能，以允許從多個(gè)來源檢索數(shù)據(jù)。

圖7　ICN-HMcH多層多組件名稱設(shè)計(jì)

除多層設(shè)計(jì)外，ICN-HMcH命名機(jī)制在每一級使用一組屬性值描述不同的內(nèi)容/服務(wù)屬性，如操作類型、安全性等。其中一些命名必需存在，某些命名具有可選性或可動態(tài)生成。屬性值對在加強(qiáng)內(nèi)容安全、保護(hù)用戶/通信隱私等方面發(fā)揮著重要作用，可保存為關(guān)鍵字。

根據(jù)ICN-HMcH自頂向下多層命名結(jié)構(gòu)，給出數(shù)據(jù)傳輸過程內(nèi)嵌形式的命名機(jī)制。結(jié)合文獻(xiàn)［40］中提出的面向未來深空探測的多源傳輸和本文面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座的數(shù)據(jù)傳輸，按照功能劃分，各節(jié)點(diǎn)可以分為以下幾類：

1）內(nèi)容提供者或發(fā)布者節(jié)點(diǎn)。此類節(jié)點(diǎn)將自身擁有的數(shù)據(jù)告知其他節(jié)點(diǎn)，并且在內(nèi)容變更時(shí)及時(shí)發(fā)布內(nèi)容更新通知。同時(shí)，對于請求者節(jié)點(diǎn)請求此數(shù)據(jù)，發(fā)布者節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)源功能并提供下載源。

2）轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。此類節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)，要求能夠連接網(wǎng)絡(luò)中大部分節(jié)點(diǎn)，匯總各類內(nèi)容信息，發(fā)揮中繼作用，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，如每顆衛(wèi)星都可充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，尤其在進(jìn)行切換衛(wèi)星時(shí)。

3）請求者節(jié)點(diǎn)。當(dāng)需要獲取大量數(shù)據(jù)，同時(shí)又希望獲悉網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)分布信息時(shí)，此類節(jié)點(diǎn)發(fā)送內(nèi)容請求。網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)獲得內(nèi)容響應(yīng)，解析獲取內(nèi)容塊和節(jié)點(diǎn)信息，之后多路并發(fā)將數(shù)據(jù)傳輸至請求者節(jié)點(diǎn)。此外，請求者節(jié)點(diǎn)也可以是發(fā)布者節(jié)點(diǎn)身份，公布本地存儲的內(nèi)容，供其他請求者節(jié)點(diǎn)直接從此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)容訪問。

由此，數(shù)據(jù)傳輸可分為3個(gè)步驟［40］：

1）信息發(fā)布。

內(nèi)容提供者節(jié)點(diǎn)發(fā)布本地存儲的內(nèi)容，內(nèi)容發(fā)布過程發(fā)生在任意時(shí)刻，內(nèi)容在發(fā)布過程中被分為若干個(gè)塊，分塊信息存儲于每個(gè)內(nèi)容塊。發(fā)布信息名稱模式為/Publish/Data/Prefix/Version/Timestamp/Number/Host-B/，“Publish”字段告知轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)此類數(shù)據(jù)請求是發(fā)布式推送信息，“Data”表示數(shù)據(jù)標(biāo)志，“Prefix”表示名稱前綴，“Version”表示數(shù)據(jù)類型，如視頻、語音或者文件等，“Timestamp”表示時(shí)間戳，“Number”表示文件塊序號信息，“Host-B”表示內(nèi)容發(fā)布者的節(jié)點(diǎn)信息。

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收內(nèi)容請求，對名稱進(jìn)行解析。首先判斷出請求內(nèi)容為發(fā)布信息類型，然后對第二字段進(jìn)行檢測，若為本地節(jié)點(diǎn)直接解析處理。解析同時(shí)，獲得請求內(nèi)容的數(shù)據(jù)名、分塊序號和發(fā)布者節(jié)點(diǎn)信息，并整理緩存于內(nèi)容存儲結(jié)構(gòu)，形式如表3所示。若非本地節(jié)點(diǎn)，則按照轉(zhuǎn)發(fā)信息庫（Forwarding Information Base， FIB）的內(nèi)容匹配轉(zhuǎn)發(fā)接口進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。

表3　發(fā)布信息匯總

如果網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)擁有新內(nèi)容，則通過以上流程發(fā)布數(shù)據(jù)。存在某些內(nèi)容由于移動或者緩存替換策略而離開轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)服務(wù)范圍，導(dǎo)致此內(nèi)容被刪除，那么內(nèi)容提供者節(jié)點(diǎn)需向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送對應(yīng)的內(nèi)容刪除信息，及時(shí)更新內(nèi)容。

2）內(nèi)容源信息獲取。

面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座由于衛(wèi)星的高動態(tài)性，數(shù)據(jù)傳輸存在多源。如果請求者節(jié)點(diǎn)想通過多源方式分塊請求獲取數(shù)據(jù)響應(yīng)，生成多源信息請求名稱模式/Multi-homing/Data/Prefix/Version/Timestamp/Number1/Number2/，“Multi-homing”字段表示多源請求。普通興趣請求包廣播分發(fā)至各類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而多源請求的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)僅執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)功能，直至請求到達(dá)內(nèi)容請求者節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱及后面部分的結(jié)構(gòu)與發(fā)布信息名稱模式類似。不同的是，信息請求名稱模式包含本地己存儲內(nèi)容塊，用于告知內(nèi)容提供者節(jié)點(diǎn)不需要再響應(yīng)相關(guān)信息。

3）分塊數(shù)據(jù)請求下載。

內(nèi)容提供者節(jié)點(diǎn)接收內(nèi)容請求，對內(nèi)容名稱進(jìn)行解析，通過匯總信息查找條目，排除請求者已存儲的內(nèi)容塊，打包其他內(nèi)容塊序號、內(nèi)容提供者內(nèi)容信息和分塊信息作為響應(yīng)。請求者節(jié)點(diǎn)獲得回復(fù)數(shù)據(jù)包，將內(nèi)容信息的名稱、分塊序號信息整合自動生成普通請求包/Source/Host-A/Data/Prefix/Version/Timestamp/NumberX/。同時(shí)，多條路徑并行傳輸獲得需求數(shù)據(jù)，以此提升內(nèi)容傳輸速率，減少內(nèi)容提供者的負(fù)載。

3 仿真設(shè)置與結(jié)果分析

3.1　仿真平臺設(shè)計(jì)

NS-3仿真器是一種離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)仿真器，由相互依賴的模塊組成，如core模塊、network模塊、applications模塊、internet模塊、point-to-point模塊和ndnSIM模塊等，為網(wǎng)絡(luò)仿真提供了不同的功能。其中，ndnSIM模塊是基于NS-3的NDN最新仿真模塊，以模塊化方式實(shí)現(xiàn)NDN基本組件。當(dāng)前的NS-3并未提供LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真模塊［11］，也沒有LEO高速移動和用于星地通信的專用協(xié)議，如數(shù)字視頻廣播-通過衛(wèi)星發(fā)送返回通道（Digital Video Broadcast-Secend generation Return Channel over Satellite， DVB-RCS2）。ndnSIM也只提供NDN協(xié)議的較低層支持，如內(nèi)容存儲（Content Store， CS）、待定興趣表（Pending Interest Table， PIT）、FIB、轉(zhuǎn)發(fā)策略和緩存替換策略等［41］。因此，本文通過增加LEO衛(wèi)星模塊擴(kuò)展NS-3結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一個(gè)分層LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座仿真平臺，如圖8所示。仿真平臺由基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)模型層、網(wǎng)絡(luò)配置層和控制層這四層組成，支持三維位置和移動特性分析。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層。主要包括LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座和用于與衛(wèi)星星座通信的地面站等。

2）網(wǎng)絡(luò)模型層?？紤]網(wǎng)絡(luò)中軌道面的數(shù)量、每個(gè)軌道面的衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星星座軌道高度和ISL等構(gòu)建LEO衛(wèi)星星座移動模型。對于每根軌道面，最靠近赤道的衛(wèi)星被選為“參考衛(wèi)星”，根據(jù)前文1.2節(jié)的衛(wèi)星幾何學(xué)分析，將參考衛(wèi)星和相鄰軌道面最近的衛(wèi)星間的位移用作增量，以自動確定軌道面中每隔一顆衛(wèi)星的最近衛(wèi)星。衛(wèi)星初始位置根據(jù)各星座的軌道坐標(biāo)設(shè)置，隨著時(shí)間的推移，衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行，并根據(jù)1.2節(jié)中ISL距離公式計(jì)算特定時(shí)間點(diǎn)上衛(wèi)星間的距離。網(wǎng)絡(luò)模型層還合并了NS-3中的flow-monitor、point-to-point等模塊。其中：point-to-point模塊在兩個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間創(chuàng)建了整個(gè)仿真期間保持不變的軌道面內(nèi)鏈路；csma模塊建立了動態(tài)的軌道面間衛(wèi)星鏈路，以及地面站和衛(wèi)星間的鏈路，且允許通過連接和分離功能實(shí)現(xiàn)動態(tài)鏈接；flow-monitor模塊允許在星地網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)上啟用流量監(jiān)控，使用流量監(jiān)控收集的數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延、吞吐量等。NS-3代碼中LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座通信鏈路的時(shí)延使用光速和星地節(jié)點(diǎn)間的距離計(jì)算［42］。

3）網(wǎng)絡(luò)配置層。為LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座配置廣播信道，為地面站模型配置請求者和內(nèi)容提供者，對不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安裝相對應(yīng)的NDN協(xié)議或者IP協(xié)議。

4）控制層。頂層控制首先應(yīng)用相關(guān)的移動模型，對各軌道面和地面站中的衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。地面站和衛(wèi)星間的通信是動態(tài)的，由于地面站保持靜止，當(dāng)?shù)孛嬲靖逻B接衛(wèi)星時(shí)需進(jìn)行切換，以確保其仍連接到距離最近的衛(wèi)星。其次，頂層控制負(fù)責(zé)維護(hù)和更新星間以及星地通信的鏈路。此外，頂層控制負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)包存儲以及路由。

圖8　LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座仿真平臺框架

3.2　仿真場景和性能分析

3.2.1仿真場景

在NS-3環(huán)境下，利用LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座仿真平臺，根據(jù)圖1的Iridium星座結(jié)構(gòu)配置LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座軌道數(shù)量、每個(gè)軌道面的衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度、同軌道面間衛(wèi)星和相鄰軌道面間衛(wèi)星的鏈路等參數(shù)，同時(shí)，保持動態(tài)ISL更新。采用表2中Iridium星座軌道坐標(biāo)作為LEO超大規(guī)模星座的初始位置。

為簡化仿真模型，配置0號和1號地面站在地球上的位置為（31°N，3°E）、（148°N，99°E），分別位于13號和55號衛(wèi)星的正下方，將0號地面站設(shè)置為興趣請求端，將1號地面站設(shè)置為數(shù)據(jù)響應(yīng)端。地面站間的通信通過LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座ISL實(shí)現(xiàn)多跳傳輸，如0號地面站上空的13號衛(wèi)星將興趣請求分別通過23號衛(wèi)星、44號衛(wèi)星、54號衛(wèi)星、55號衛(wèi)星ISL傳輸至1號地面站，如圖9所示。

圖9　兩地面站的通信過程

3.2.2性能分析

星地通信業(yè)務(wù)包括傳輸文本、視頻或語音等，本文圍繞傳輸不同大小的文本型數(shù)據(jù)包分析傳輸?shù)耐掏铝亢蛡鬏敃r(shí)延。星地之間鏈路傳輸速率為1.5 Mb/s，LEO超大規(guī)模星座相同軌道面和不同軌道面ISL傳輸速率為25 Mb/s［43］。

同時(shí)，為便于分析，本文分別采用基于IP地址的數(shù)據(jù)包和所提出的基于ICN-HMcH命名機(jī)制的數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較，即在LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座場景中分別配置了IP協(xié)議和NDN協(xié)議。其中，基于ICN-HMcH命名機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，內(nèi)容存儲CS容量為10 000個(gè)數(shù)據(jù)包，使用默認(rèn)的最近最少使用（Least Recent Used， LRU）緩存替換策略和默認(rèn)的廣播路由策略。

此外，系統(tǒng)運(yùn)行事件為2 000 s，每100 s更新一次鏈路，以每秒100包的頻率發(fā)送一次數(shù)據(jù)包。

1）吞吐量。

吞吐量以基于ICN-HMcH命名機(jī)制或者基于IP地址的數(shù)據(jù)包的傳輸速率來衡量。對于星地網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕贗P地址的數(shù)據(jù)包，吞吐量使用flow-monitor進(jìn)行計(jì)算。對于基于ICN-HMcH命名機(jī)制的數(shù)據(jù)包，使用ndn：：L3RateTracer類計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量。輸出可以在rate-trace.txt中看到，為可視化文本，使用Origin將文本轉(zhuǎn)換為圖形。

圖10給出了面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座與地面站通信的吞吐量隨不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包大小的變化情況。

圖10　兩種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包的吞吐量變化

需要說明的是，圖9中的路由從0號地面站到1號地面站，期間經(jīng)過了4跳ISL。從圖10可以看出，ICN-HMcH命名機(jī)制的體系結(jié)構(gòu)可以顯著提高吞吐量。不管數(shù)據(jù)包有多大，基于ICN-HMcH命名機(jī)制的體系結(jié)構(gòu)總是比基于IP地址的體系結(jié)構(gòu)的吞吐量高54%，即針對不同IoT業(yè)務(wù)類型，本文提出的分層結(jié)構(gòu)ICN-HMcH命名機(jī)制吞吐量性能更好。

2）時(shí)延。

基于ICN-HMcH命名機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)中，端到端時(shí)延指一個(gè)興趣包從請求者傳輸?shù)絻?nèi)容提供者或者數(shù)據(jù)包從內(nèi)容提供者傳輸?shù)秸埱笳咚璧臅r(shí)間。然而，基于IP地址的網(wǎng)絡(luò)，其端到端時(shí)延是以IP數(shù)據(jù)包從內(nèi)容請求者傳輸?shù)椒?wù)器或者從服務(wù)器傳輸?shù)秸埱笳咚璧臅r(shí)間表示，使用flow-monitor進(jìn)行計(jì)算。對于基于ICN-HMcH命名機(jī)制的數(shù)據(jù)包，使用ndn：：AppDelayTracer類計(jì)算時(shí)延。跟蹤器的輸出為.txt文件，由時(shí)延參數(shù)和其他特性組成。

圖11描述了面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座與地面站通信的數(shù)據(jù)傳輸過程中，端到端時(shí)延隨不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包大小變化的情況。從圖11可以看出，與基于IP地址的體系結(jié)構(gòu)相比，ICN-HMcH命名機(jī)制的體系結(jié)構(gòu)可以在面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)中減少53.97%的內(nèi)容傳播時(shí)延，究其原因是0號地面站發(fā)送的興趣包不需考慮內(nèi)容地址從而快速獲得1號地面站的響應(yīng)。兩種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包的時(shí)延變化結(jié)果表明，針對不同IoT業(yè)務(wù)類型，本文提出的分層結(jié)構(gòu)ICN-HMcH命名機(jī)制表現(xiàn)出更低的時(shí)延。

圖11　兩種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包的時(shí)延變化

4 結(jié)語

針對物聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延傳輸、高吞吐量的數(shù)據(jù)分發(fā)的需要，本文提出了一種基于ICN的面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)命名機(jī)制ICN-HMcH。該命名機(jī)制的名稱分層特性允許內(nèi)容和服務(wù)命名，并集成屬性值幫助服務(wù)識別以及為名稱添加更多語義，可滿足IoT多業(yè)務(wù)的需要。同時(shí)，使用前綴標(biāo)記來克服ICN名稱的無界性。

通過設(shè)計(jì)開發(fā)的基于NS-3的面向物聯(lián)網(wǎng)LEO超大規(guī)模衛(wèi)星星座仿真平臺進(jìn)行仿真測試，仿真結(jié)果表明，與經(jīng)典的IP體系結(jié)構(gòu)方法相比，ICN-HMcH命名機(jī)制可實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高吞吐量，在數(shù)據(jù)傳輸效率上性能更優(yōu)，能夠提供高服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service， QoS），滿足萬物互聯(lián)的需求。下一步，將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展網(wǎng)內(nèi)緩存策略、路由和轉(zhuǎn)發(fā)策略等方面的研究。

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LUO Hongqiu， born in 1997， M. S. candidate. Her research interests include satellite communication， information-centric networking.

HU Shengbo， born in 1964， Ph. D.， professor. His research interests include spaceflight telemetry， tracing and control communication， space-based internet of things.

Data naming mechanism of low earth orbit satellite mega-constellation for internet of things

LUO Hongqiu1， HU Shengbo1，2*

（1，，550001，；2，（），550001，）

The Low Earth Orbit （LEO） satellite mega-constellation based on Information Centric Networking （ICN） is a suitable network architecture to support Internet of Things （IoT）， and the data naming is one of the basic problems in ICN. Concerning the requirements of transmission with low latency and data distribution with high throughput of IoT， a data naming mechanism of LEO satellite mega-constellation for IoT based on ICN was proposed. Firstly， a flat integrated structure fusing hierarchy， multi-component and Hash was adopted by the proposed data naming mechanism. Then， the prefix tags were used to describe hierarchical names to meet the need for fast multi-source retrieval of inner-network functions. Finally， a simulation platform of LEO satellite mega-constellation for IoT was designed and developed based on Network Simulator 3 （NS-3） to test the performance of the proposed data naming mechanism. The test and simulation results show that， compared with the traditional Internet Protocol （IP）-based system structure， the proposed data naming mechanism can provide higher Quality of Service （QoS） such as high throughput and low latency to LEO satellite mega-constellation for IoT.

Low Earth Orbit (LEO); satellite mega-constellation; Information Centric Networking (ICN); data naming mechanism; Internet of Things (IoT)

This work is partially supported by National Natural Science Foundation of China （6156010183）， Program of Education Department of Guizhou Province （KY［2017］031，KY［2020］007）.

1001-9081（2022）07-2146-09

10.11772/j.issn.1001-9081.2021050744

2021?05?10；

2021?11?26；

2021?12?21。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（6156010183）；貴州省教育廳項(xiàng)目（KY［2017］031， KY［2020］007）。

TP393

A

羅鴻秋（1997—），女，貴州龍里人，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星通信、信息中心網(wǎng)絡(luò)； 胡圣波（1964—），男，貴州六盤水人，教授，博士，主要研究方向：航天測控通信、天基物聯(lián)網(wǎng)。