2014-15学年冬季《统计检测与估值》文献阅读书面报告格式和要求.doc

上海大学20142015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: 基于随机线性网络编码的卫星网抗毁路由协议摘要: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-LEO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: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 break 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 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 satellitesOtherwise，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 message 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。1 GEO-LEO 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2.1相关定义定义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。通过设立LEO卫星时间片，从LEO卫星真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2.2.1 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 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2 单步邻接表示意图2.4 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。 NCSeq: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报文。Sig：编码后报文的签名。2.5 路由建立2.5.1 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，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。2.5.2 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，先验证报文是否新鲜; 若新鲜，解码，利用源 LEO卫星节点的公钥对接收的消息和其签名进行验证；若验证成功，则中继卫星节对照其单步邻接表对收到的报文重新进行编码并转发出去。(3) 解码回应：LEO 卫星接收节点 收到 编码包后解码出原始数据包，并利用源 LEO 卫星节点的公钥对收到消息的签名进行验证; 若签名验证成功，则接收节点回应 RREP 消息; LEO 卫星接收节点 收到 RREQ后，将 HCou 加1并转发 RREQ。2.5.3 路由建立源卫星节点收到 RREP 报文后，选择RREP 报文中中跳数最小的路由作为最优路由 然后，源卫星节点向选择的路由的下一跳卫星节点发送路由激活报文 MACT。2.5.4 路由维护当由于 LEO 卫星节点由于自身故障、被攻击或者链路拥塞而导致某个有效路由上的链路损坏时，则其邻居 LEO 卫星节点利用错误消息 ERR报告给 GEO 管理卫星。所有ERR消息均要求报告节点使用其私钥进行签名。3仿真20结果及其分析 图3：全部 LEO卫星节点正常运行时 图4：指定1 颗 LEO 卫星节点失效时图3和4分别给出了文中提出的基于随机线性网络编码的卫星网抗毁路由协议与经典多层卫星网络路由协议 MLSR 在正常运行状态下和出现 LEO卫星节点失效的情况下的控制报文传输次数对比。MLSR 路由协议是采用卫星接收数据包驱动的计算卫星时延的汇聚路由协议，具有一定的抗毁性能，但是控制报文的传输次数较多。在文中提出的基于随机线性网络编码的卫星网抗毁路由协议中，由于在LEO 卫星层的每个 LEO 卫星上使用了单步邻接表，按照 LEO 卫星时间片实时记录一跳邻居 LEO 卫星的信息，当需要路由的消息不在单步邻接表中时，在每个 LEO 卫星时间片起始发起路由查找，在路由请求阶段对 RREQ 报文采用随机线性网络编码。通过在 LEO 卫星上使用单步邻接表，当通信发生在单个LEO 卫星覆盖域或两个相邻的 LEO 卫星覆盖域时，通过单步邻接表可以直接转发消息，而当通信发生在两个不邻接的 LEO 卫星的覆盖区域时，再进行网络编码路由，这样使得在有许多个用户通过 UDLs接入的源 LEO 卫星节点和目的 LEO 卫星节点的卫星网络中，能够有效地减少控制报文的传输次数。4 抗毁安全性能分析该协议的抗毁性能主要体现在 LEO 卫星层的每个LEO卫星上使用了单步邻接表，该单步邻接表按照 LEO 卫星时间片实时记录了其一跳邻居LEO 卫星的信息，单步邻接表在每个LEO卫星时间片的起始时间 STime 都会进行更新，当有LEO 卫星发生失效时也会进行更新; 在每个LEO卫星时间片起始时间 STime 都会周期性发起路由查找，当有 LEO卫星发生失效时也会促发新的路由查找，绕开故障 LEO卫星节点，更新路由表; 在路由查找时，报文中的报文产生时间 Mtime 能过很好地验证报文的新鲜性，在一定程度上抵御重放攻击; 报文采用的私钥签名可以防止假的路由请求和应答，阻止对路由信息的非法篡改，有效地增强了卫星网络的抗毁性。5 总结 本文通过回顾卫星路由协议的发展状况，针对当前卫星路由存在的问题对卫星路由协议进行了一定程度的改进。通过分析和仿真结果我们可知，该协议可以减少消息传输次数、降低宇航芯片计算开销，有效提高卫星网的自适应性和抗毁性。参考文献1 Komnios I;Diamantopoulos S;Tsaoussidis V. Evaluation of dynamic routing protocols in space environment C/Satellite and Space Communications 2009,Piscataway:IEEE Press,2009:191-195.2 Hilland D. H;Phipps G. S; Jingle C. M;et al. Satellite threat warning and attack reporting. IEEE Aerospace Conference, 2010: 207-213.3 Long Fei,Sun Fuchun. A novel routing algorithm based on multi-objective optimization for satellite networksJ.Journal of Networks, 2011,6 (2):238-246.4 Liu Xiaoyue, Ma Jianfeng,Hao Xuanwen. Self-adapting routing for two-layered satellite networks J . China Commmaications,2011,8(4):116-1245 Werner, M.; Delucchi, C.; Vogel, H.J.; Maral, G.; De Ridden J.:ATM-Based Routing in LEO/MEO Satellite Networks with Inter-satellite Links. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1 Vol.15,No.1,2009:69-82.6 Hong Song Chang; Byoung Wan Kim .FSA-Based link assignment and routing in low earth orbit satellite networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology 2010，47 (3):1037-1048.7 Gounder, V.V.; Prakash, R.; Abu-Amara, Routing in LEO-Based satellite networks. Proceedings of IEEE Emerging Technologies Symposiumon Wireless Communications and Systems，Richardson，2010:91-96.8 Hashimoto Y. .Design of IP-based routing in a LEO satellite networks.Proceedings of the 3rd International Workshop on Satellite-Based Information Services，Dallas，2009:81-88.9 Akyildiz,I.F.;Ekici,E.; Bender, M.D. MLSR:A Novel Routing Algorithm for Multi-Layered Satellite IP Networks. IEEE/ACM Transactions Networking,Vol.10,No.3, 2013,6: 411-424. 10 J. Lee, S. Kang. Satellite over Satellite (SoS) Network: A Novel Concept of Hierarchical Architecture and Routing in Satellite Network. IEEE 2012 Conference on Local Computer Networks. Piscataway, NJ, 2012: 392-399. 11 J. H. Hu, K. L. Yueng. Routing and Re-Routing in a LEO/MEO Two-tier Mobile Satellite Communications System with Inter-Satellite Links. IEEE International Conference on Communications. New Orleans, LA, 2011:134-138. 12 C.Chen，E.Ekiei. A routing Protocol of hierarchical LEO/MEO satellite networks，ACM/Kluwer Wireless Networks(WINET) Journal，July 2012:507-521.13 R. Ahlswede, N. Cai, et al.Network information flowJ. IEEE Transaction on information Theory, 2000, 46(4): 1204-1216.14 CAI N, Yeung, R .W. Secure netw