提升空間信息網絡中arp協議運行效率的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種提升空間信息網絡中地址解析協議ARP(Address Resolut1nProtocol)運行效率的方法，具體涉及空間信息網絡數據鏈路層中的ARP協議進行空間環境適應性改進方法。
【背景技術】
[0002]空間信息網絡是以空間平臺(如同步衛星或中、低軌道衛星、平流層氣球和有人或無人駕駛飛機等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統。作為國家重要基礎設施，空間信息網絡在服務遠洋航行、應急救援、導航定位、航空運輸、航天測控等重大應用的同時，向下可支持對地觀測的高動態、寬帶實時傳輸，向上可支持深空探測的超遠程、大時延可靠傳輸，從而將人類科學、文化、生產活動拓展至空間、遠洋、乃至深空，是全球范圍的研究熱點。
[0003]在TCP/IP網絡中，數據包要實現傳輸，必須要知道目標主機的介質訪問控制子層(Media Access Control，MAC)地址。例如在以太網中，一個主機要和另一個主機進行直接通信，必須要知道目標主機的MAC地址。而MAC地址可以通過地址解析協議獲得。所謂“地址解析”就是在IP地址和采用不同網絡技術的硬件地址之間提供的動態映射，而這個目標MAC地址就是通過地址解析協議ARP獲得的。
[0004]ARP的基本功能就是通過目標設備的IP地址，查詢目標設備的MAC地址，以保證通信的順利進行。通過屬于TCP/IP協議族的ARP協議，只要知道某臺主機的IP地址，就可以知道其MAC地址。以以太網為例，每個主機會分配到一個IP地址，但是當一個主機要和其它主機進行報文傳送時，必須要知道目標主機的MAC地址，目標主機的MAC地址就是通過地址解析協議獲得的ARP地址解析協議的基本功能就是通過目標設備的IP地址，查詢其MAC地址，這樣就完成了 IP地址與MAC地址的轉換。
[0005]為了提高通信的效率，網絡上，在每臺安裝有TCP/IP協議的電腦里都有一個ARP緩存表，表里的IP地址與MAC地址是一一對應的，這也是ARP高效運行的關鍵所在。緩存表中存放了最近的Internet地址到硬件地址之間的映射記錄。用戶可以使用arp-a命令查看本機ARP緩存內容。高速緩存中每一項的生存時間一般為20分鐘，起始時間從被創建時開始算起。
[0006]以主機A(192.168.1.5)向主機B(192.168.1.1)發送數據為例。當發送數據時，主機A會在自己的ARP緩存表中尋找是否有目標IP地址。如果找到了，也就知道了目標MAC地址，直接把目標MAC地址寫入幀里面發送就可以了 ；如果在ARP緩存表中沒有找到相對應的IP地址，主機A就會在網絡上發送一個廣播，目標MAC地址是“FF.FF.FF.FF.FF.FF”，這表示向同一網段內的所有主機發出這樣的詢問:“192.168.1.1的MAC地址是什么?”網絡上其他主機并不響應ARP詢問，只有主機B接收到這個幀時，才向主機A做出這樣的回應:“192.168.1.1的MAC地址是00-aa-00-62-c6-09”。這樣，主機A就知道了主機B的MAC地址，它就可以向主機B發送信息了。同時它還更新了自己的ARP緩存表，下次再向主機B發送信息時，直接從ARP緩存表里查找就可以了 ARP緩存表采用了老化機制，在一段時間內如果表中的某一行沒有使用，就會被刪除，這樣可以大大減少ARP緩存表的長度，加快查詢速度。
[0007]ARP協議在地面環境中，已被證明是一種有效的協議，但在空間環境中卻面臨著以下的問題:
I)解析時間長:衛星信道的時延較長，多數情況下低軌系統單向傳播時延是20-25ms，中軌系統是100-130ms，靜止軌道系統為250-280ms，系統時延還受星間路由選擇、星上處理以及排隊時延等因素的影響，因此ARP完成一次地址解析花費的時間通常是地面系統的幾十倍，甚至幾百倍之多，從而導致ARP在空間環境的效率低下。
[0008]2)ARP尋址失敗的問題:造成這個問題的原因主要有兩個，一是由于空間鏈路的誤碼率很高，例如在沒有差錯控制編碼的情況下，衛星鏈路的誤比特率大約是10—4-10—6數量級，而地面光纖的誤比特率是10—1(3數量級，高的誤比特率很容易導致發送的ARP尋址幀丟失或傳輸錯誤，從而導致ARP尋址失敗;第二個原因是由于空間鏈路的斷續連通，例如人造衛星根據其軌道運動，可能被地球或其它天體遮擋，造成通信鏈路的中斷，此時發出的ARP尋址幀將無法送達目的節點，從而導致ARP尋址失敗。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是針對ARP協議在空間環境中運行效率低下，尋址失敗概率高的問題。提供一種運行效率高，協議開銷小，提升空間信息網絡ARP協議尋址成功率的方法，以解決ARP協議在空間環境中的適應性問題。
[0010]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:一種提升空間信息網絡ARP協議運行效率的方法，其特征在于包括如下步驟:
在空間信息網絡中，在每個空間信息網絡的節點處，提前存儲其它所有節點的IP地址到物理MAC地址的映射，形成地址索引表;在網絡運行過程中，發送端從待發送的IP報文中獲得接收端的IP地址，用戶通過IP地址獲取物理地址，首先查找自己的地址解析協議ARP高速緩存區，如果沒有查找到，則查找提前存儲的地址索引表;只有當上述兩個步驟均未獲取接收端的物理地址時，才發送ARP請求。
[0011]本發明有益效果在于:
本發明針對空間信息網絡的節點數規模較小(通常小于200)，且空間鏈路拓撲可預知的空間網絡，通過讓每個節點提前存儲其他所有節點的IP地址到MAC地址的映射，使得在一般情況下，要發送數據給下一跳用戶，只需查找自己的ARP高速緩存和預設的索引表即可，無需發送ARP請求，大大提升了協議的運行效率，減少了信令的交互，降低了協議開銷。而且由于空間信息網絡的節點數規模較小，每個節點只需要存儲一張很短的地址索引表就可以提前存儲其它所有節點的IP地址到MAC地址的映射，不會大幅增加節點的負擔。從而解決了ARP協議在空間環境中的適應性問題。
【附圖說明】
[0012]圖1為提升空間信息網絡ARP協議運行效率的流程示意圖。
【具體實施