提升空间信息网络中ARP协议运行效率的方法

摘要

发明公开一种提升空间信息网络ARP协议运行效率的方法，旨在提供一种运行效率高，协议开销小，提升空间信息网络ARP协议寻址成功率的方法，本发明通过下述技术方案予以实现：在空间信息网络中，在每个空间信息网络的节点处，提前存储其它所有节点的IP地址到物理MAC地址的映射，形成地址索引表；在网络运行过程中，发送端从待发送的IP报文中获得接收端的IP地址，用户通过IP地址获取物理地址，首先查找自己的地址解析协议ARP高速缓存区，如果没有查找到，则查找提前存储的地址索引表；只有未获取接收端的物理地址时，才发送ARP请求。通过让每个节点提前存储所有节点的IP地址到MAC地址的映射，只需查找预设引表即可发送数据给下一跳用户。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提升空间信息网络中地址解析协议ARP(AddressResolution Protocol)运行效率的方法，具体涉及空间信息网络数据链路层中的ARP协议进行空间环境 适应性改进方法。

背景技术

空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无 人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。作为国家重要基础设 施，空间信息网络在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用 的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程、大 时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋、乃至深空，是全球范 围的研究热点。

在TCP/IP网络中，数据包要实现传输，必须要知道目标主机的介质访问控制子层 (MediaAccessControl，MAC)地址。例如在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通 信，必须要知道目标主机的MAC地址。而MAC地址可以通过地址解析协议获得。所谓 “地址解析”就是在IP地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供的动态映射，而这个 目标MAC地址就是通过地址解析协议ARP获得的。

ARP的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证 通信的顺利进行。通过属于TCP/IP协议族的ARP协议，只要知道某台主机的IP地址，就 可以知道其MAC地址。以以太网为例，每个主机会分配到一个IP地址，但是当一个主机 要和其它主机进行报文传送时，必须要知道目标主机的MAC地址，目标主机的MAC地址 就是通过地址解析协议获得的。ARP地址解析协议的基本功能就是通过目标设备的IP地 址，查询其MAC地址，这样就完成了IP地址与MAC地址的转换。

为了提高通信的效率，网络上，在每台安装有TCP/IP协议的电脑里都有一个ARP缓 存表，表里的IP地址与MAC地址是一一对应的，这也是ARP高效运行的关键所在。缓存 表中存放了最近的Internet地址到硬件地址之间的映射记录。用户可以使用arp–a命令查看 本机ARP缓存内容。高速缓存中每一项的生存时间一般为20分钟，起始时间从被创建时开 始算起。

以主机A(192.168.1.5)向主机B(192.168.1.1)发送数据为例。当发送数据时，主 机A会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到了，也就知道了目标 MAC地址，直接把目标MAC地址写入帧里面发送就可以了；如果在ARP缓存表中没有找 到相对应的IP地址，主机A就会在网络上发送一个广播，目标MAC地址是 “FF.FF.FF.FF.FF.FF”，这表示向同一网段内的所有主机发出这样的询问：“192.168.1.1的 MAC地址是什么？”网络上其他主机并不响应ARP询问，只有主机B接收到这个帧时，才 向主机A做出这样的回应：“192.168.1.1的MAC地址是00-aa-00-62-c6-09”。这样，主机A 就知道了主机B的MAC地址，它就可以向主机B发送信息了。同时它还更新了自己的 ARP缓存表，下次再向主机B发送信息时，直接从ARP缓存表里查找就可以了。ARP缓存 表采用了老化机制，在一段时间内如果表中的某一行没有使用，就会被删除，这样可以大大 减少ARP缓存表的长度，加快查询速度。

ARP协议在地面环境中，已被证明是一种有效的协议，但在空间环境中却面临着以下 的问题：

1)解析时间长：卫星信道的时延较长，多数情况下低轨系统单向传播时延是20-25ms，中轨 系统是100-130ms，静止轨道系统为250-280ms，系统时延还受星间路由选择、星上处理以 及排队时延等因素的影响，因此ARP完成一次地址解析花费的时间通常是地面系统的几十 倍，甚至几百倍之多，从而导致ARP在空间环境的效率低下。

2)ARP寻址失败的问题：造成这个问题的原因主要有两个，一是由于空间链路的误码 率很高，例如在没有差错控制编码的情况下，卫星链路的误比特率大约是10^-4-10^-6数量级， 而地面光纤的误比特率是10^-10数量级，高的误比特率很容易导致发送的ARP寻址帧丢失或 传输错误，从而导致ARP寻址失败；第二个原因是由于空间链路的断续连通，例如人造卫 星根据其轨道运动，可能被地球或其它天体遮挡，造成通信链路的中断，此时发出的ARP 寻址帧将无法送达目的节点，从而导致ARP寻址失败。

发明内容

本发明的目的是针对ARP协议在空间环境中运行效率低下，寻址失败概率高的问 题。提供一种运行效率高，协议开销小，提升空间信息网络ARP协议寻址成功率的方法， 以解决ARP协议在空间环境中的适应性问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种提升空间信息网络ARP协议 运行效率的方法，其特征在于包括如下步骤：

在空间信息网络中，在每个空间信息网络的节点处，提前存储其它所有节点的IP地址到物 理MAC地址的映射，形成地址索引表；在网络运行过程中，发送端从待发送的IP报文中 获得接收端的IP地址，用户通过IP地址获取物理地址，首先查找自己的地址解析协议ARP 高速缓存区，如果没有查找到，则查找提前存储的地址索引表；只有当上述两个步骤均未获 取接收端的物理地址时，才发送ARP请求。

本发明有益效果在于：

本发明针对空间信息网络的节点数规模较小(通常小于200)，且空间链路拓扑可预知的空 间网络，通过让每个节点提前存储其他所有节点的IP地址到MAC地址的映射，使得在一 般情况下，要发送数据给下一跳用户，只需查找自己的ARP高速缓存和预设的索引表即 可，无需发送ARP请求，大大提升了协议的运行效率，减少了信令的交互，降低了协议开 销。而且由于空间信息网络的节点数规模较小，每个节点只需要存储一张很短的地址索引表 就可以提前存储其它所有节点的IP地址到MAC地址的映射，不会大幅增加节点的负担。 从而解决了ARP协议在空间环境中的适应性问题。

附图说明

图1为提升空间信息网络ARP协议运行效率的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图1对本发明作进一步的描述。

如图1所示，根据本发明，基于空间信息网络的ARP协议包括发送端、接收端、待 发送的IP报文、重传次数N和允许的最大重传次数K。在空间信息网络中，在每个空间信 息网络的节点处，提前存储其它所有节点的IP地址到MAC地址的映射，形成地址索引 表。在网络运行过程中，发送端从所述待发送的IP报文中获得接收端的IP地址后，发送端 通过IP地址获取物理地址时，首先查找自己的ARP协议高速缓存区，如果没有查找到，则 查找提前存储的地址索引表；当上述两个步骤均未获取接收端的物理地址时，才发送ARP 请求。

具体步骤包括：

在网络运行过程中，发送端将从待发送的IP报文中获得接收端的IP地址，初始化计数器， 设置重传次数N＝0；启动改进的ARP协议。

具体的转化方法如下：

发送端检索ARP协议的高速缓存，根据接收端的IP地址，判断在高速缓存索引表中是否有 对应的物理地址，有则获取接收端的物理地址，开始传输。发送端检索ARP协议的高速缓 存，根据接收端的IP地址，若判断在高速缓存索引表中无对应的物理地址，则继续判断物 理地址是否在预存储的索引表中，如果所述物理地址在预存储的索引表中，则转至获取接收 端的物理地址，开始传输；发送端如果判断到物理地址不在预存储的索引表中，则发送 ARP请求，并判断所述接收端的IP地址是否和所述发送端处于同一局域网内，是则转至判 断物理地址是否存在，有则更新高速缓存索引表，获取主机物理地址，开始传输，否则转至 判断是否多次发送ARP请求，是则停止ARP请求发送，寻址失败，结束。否判断理地址是 否在预存储的索引表中。发送端在判断是否在局域网内时，如果是否，则返回判断在局域网 内发送ARP请求，如果有用户应答返回物理地址，则转其他网络的主机把ARP请求发送给 路由器，判断路由器是否能获取物理地址，如果路由器应答，并返回物理地址，如果路由器 没有应答，则转至更新计数器，更新后N的值为原来的基础上增加1，并判断更新后N的 值和允许最大重传次数K的关系，如果N≤K，则根据获得的物理地址，如果N＞K，则转 至，更新ARP协议的高速缓存，通过所获得的物理地址进行IP报文传输，结束。

需要说明的是，所述允许最大重传次数K为常量，通常取值为3。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种 相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之 内。