CN100583686C

CN100583686C - 多核共享组播树的构建方法

Info

Publication number: CN100583686C
Application number: CN200610099449A
Authority: CN
Inventors: 张军; 程连贞; 刘凯
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: CN1921345A

Abstract

本发明涉及一种多核共享组播树的构建方法，在初始时刻，根据卫星的覆盖范围，将星座覆盖区划分为与卫星个数相等的虚拟卫星位置；虚拟卫星位置与卫星一一对应，卫星的星下点位于对应的虚拟卫星位置的中心；将由虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为多个子网；确定每个有组播组成员的子网的核节点；构建组播根树，使各核节点互连；在每个有组播组成员节点的子网内，以核节点为根，构建组播子树，使子网内组播组成员互连。本发明可以均衡业务流量，避免了单核共享树的单个核节点瓶颈问题；并且将组成员维护的任务分散到了多个核节点，从而降低了整棵组播树的更新与维护开销；另外，本发明同时具有共享树方法节约网络资源的优点。

Description

多核共享组播树的构建方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术，尤其涉及应用于低轨卫星网络的多核共享组播树的构建方法。

背景技术

近年来多媒体通信和分布式环境中协同工作等应用的出现促使了一种新的通信模式——组播(multicast)的发展。例如视频会议、文件发布、CSCW、分布交互式仿真等，都需要组播来有效支持。

组播不同于广播和单播。通过广播机制发送的信息会被通信范围内的所有节点接收到，尽管其中某些节点可能并不需要这些信息；广播本身没有筛选和过滤机制，相对没有安全保障，安全级别高的信息不适合通过广播发送。单播即点到点的通信，若一个节点需要向N个目的节点发送信息，它必须分别依次发送这些信息到每个目的节点，共需要发送N次。组播是介于广播和单播之间的一种信息传输机制，分组从源(发送者)发送给一组确定的接收者，这些分组只在分支节点(branch node)处被复制，在每条链路上只转发一次，从而最大程度地利用了网络传输带宽资源，不需要向每个目的地分别单独发送，也避免了广播的资源浪费和安全性差的问题，适合一对多(one-to-many)和多对多(many-to-many)的通信。

组播路由(multicast routing)即如何确定源节点和目的节点之间具体的转发路径，是组播技术中的一个重要问题。组播组成员之间信息转发的所有连接路径通常称为组播分发树，简称组播树。组播算法的基本问题是找到一棵代价低的组播树，即如何尽量共享传输路径，称为组播树或组播路径的构建问题。组播树一般分为两类：一类是基于源(source-based)的组播树，每个源节点以自己为根生成一棵源组播树，如果一个组有N个源节点，那么这个组需要生成N棵源树，即源树的数目会随着组播组内源的数目成比例增长，它的时延性能较好，但可扩展性(scalability)较差；另一类是基于核的共享树(core-based shared tree)，简称核共享树，以组播组中某个或某几个成员节点为根(称为核)，生成一棵由组内所有成员节点共享的组播树，具有良好的代价性能和可扩展性，可以节约系统资源。核节点为一个的共享树称为单核共享树，核节点为多个的称为多核共享树。

随着视频会议、远程教育等各种多媒体业务的推广和应用，覆盖范围广、具有无线广播特性的卫星通信系统也日益得到重视，因为它们非常适合传输组播业务。与高轨(GEO)和中轨(MEO)卫星网络相比，低轨(LEO)卫星网络的信息传输时延很小，更适合对时延性能要求较为严格的多媒体组播业务，然而星上资源稀缺(如带宽、存储空间、处理能力和能量等)的特点给它们的应用带来了一定的局限性，因此需要一种高效资源利用的星上一对多/多对多通信的信息分发机制。

传统的地面网络组播树构建方法中，基于源的方法如距离向量组播路由协议(DVMRP)、开放式组播最短路径优先(MOSPF)等需要依赖点对点通信的单播路由协议，并且只适用于固定或者拓扑缓慢变化的网络中；而共享树方法如核基树(CBT)、稀疏模式的协议无关组播(PIM-SM)等在拓扑动态变化的网络中因为移动导致频繁的信息交换，从而产生很大的开销。鉴于卫星网络的高速移动性以及星上资源极其稀少的特点，这些方法不适合应用于卫星网络，所以需要为卫星网络设计专用、简单、高效的组播树构建方法。

目前，已提出的专用于低轨卫星网络的组播树构建方案主要有组播路由算法(Multicast Routing Algorithm，MRA)、矩形边Steiner树(RectilinearSteiner Tree，RST)等。其中RST方法使用整数线性规划方法求解最小RST树，使组播路由的带宽使用最少，但计算过程比较复杂；MRA方法仅利用当前树上节点(on-tree nodes)到目的节点的单跳(one-hop)局部信息计算组播路径，尽管得到的端到端传播时延较小，但极其浪费带宽资源，链路重用效率很低。对于星上资源极其宝贵的卫星网络，RST和MRA两种方法都有一定的局限性。所以需要设计高效资源利用的、简单的组播树构建方法以提高网络带宽利用率和组播传输效率，有效增加系统容量。

相比基于源的方法，共享树组播路由方法可以节约系统资源，比较适合卫星网络。不过，由于单核共享树的核节点容易产生业务集中和单点失败的问题，可能成为整棵组播树的瓶颈，所以对于业务突发性较强、业务量较大的应用，单核共享树方法具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供多核共享组播树构建方法，避免单核共享树的单个核节点瓶颈问题，降低更新维护开销，高效利用卫星资源。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多核共享组播树的构建方法，包括以下步骤：

步骤1、在初始时刻，根据卫星的覆盖范围，将星座覆盖区划分为与卫星个数相等的虚拟卫星位置；虚拟卫星位置与卫星一一对应，卫星的星下点位于对应的虚拟卫星位置的中心；

步骤2、将虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为多个子网；

步骤3、确定每个有组播组成员的子网的核节点；

步骤4、构建组播根树，使各核节点互连；

步骤5、在有组播组成员节点的子网内，以核节点为根，构建组播子树，使子网内组播组成员互连。

确定核节点时，可采用指定或选定的方式。当组播组成员节点的分布跨越半球时，先将虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为两个半球卫星网络，在两个半球内分别划分子网；在选择核节点时，可在每个有组播组成员的子网内，选择距离半球卫星网络的地理中心最近的一个成员节点作为核节点。在两个半球卫星网络内，分别构建组播树；连通两个半球卫星网络；剪切组播树上的冗余路径。

本发明通过将虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为子网，构建多核共享组播树，可以均衡业务流量，避免了单核共享树的单个核节点瓶颈问题；并且将组成员维护的任务分散到了多个核节点，从而降低了整棵组播树的更新与维护开销；另外，本发明同时具有共享树方法节约网络资源的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的在虚拟卫星位置构成的半球卫星网络内的多核共享组播树结构示意图；

图2为本发明的多核共享组播树的构建方法流程图；

图3为初始时刻低轨道星座网络示意图；

图4为本发明的划分子网示意图；

图5为本发明的构建组播子树的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的在虚拟卫星位置构成的半球卫星网络内的多核共享组播树结构示意图，该半球卫星网络包括四个子网，在每一子网中，有一成员节点为核节点，用白色圆点表示，其它成员节点用黑色圆点表示；子网1包括3个成员节点，子网2包括4个成员节点，子网3包括6个成员节点，子网4包括2个成员节点；同一子网内的各成员节点以核节点为根连接成树状结构，称为组播子树(multicast sub-tree)；各子网的核节点构成连通路径，称为组播根树(multicast root-tree)。组播根树和子网内的组播子树一起构成了整个组播组共享的多核分发树。

如图2所示，为本发明的多核共享组播树构建方法流程图，包括：

步骤2、将虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为多个子网；

步骤3、确定每个有组播组成员的子网的核节点；

步骤4、构建组播根树，使各核节点互连；

确定核位置的方法有指定和选定两种：指定核位置的方法使用于安全级别高或者可用户自定制的组播业务；选择核位置的方法适用于其他类别的组播业务，一般可选取子网内靠近半球卫星网络的地理中心的虚拟卫星位置作为核位置。

下面，通过具体实施例说明本发明的多核共享组播树的构建方法。

如图3所示，为初始时刻低轨道卫星星座网络示意图。

在某个初始时刻将星座内的轨道按照一定次序编号，并使用p标识轨道编号(0≤p≤P-1)；然后将轨道内的卫星依次编号，使用s标识卫星编号(0≤s≤S-1)，则(p，s)可以表示此时网络内的一个卫星节点。将整个星座覆盖区依据此时每颗卫星的覆盖范围划分为与卫星个数相等的虚拟卫星位置，虚拟卫星位置与卫星一一对应，卫星的星下点位于对应的虚拟卫星位置的中心，则符号(p，s)完全可以标记虚拟卫星位置。随着卫星的高速运动，规定每个虚拟卫星位置由当前距离最近的卫星管理。若将静态的虚拟卫星位置作为一个虚拟节点，则卫星网络的拓扑结构具有虚拟、稳定、规则的特点。

图3中的箭头标明了各轨道上的卫星的运动方向。在地球的一侧卫星由南向北运行，在另一侧由北向南运行，因此星座中存在两对反向运行的轨道。缝(seam)居于两反向运行的轨道之间，在图3中用虚线表示。由于缝两侧的卫星运行方向相反，相对位置变化很快，因此在划分子网时，首先以缝为边界将虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为两个半球卫星网络，它们分别对应两个虚拟、静态的平面网络拓扑结构，然后，再根据网络的拓扑结构和卫星节点的数目分别将每个半球划分为一定数目的子网。

假设卫星星座包括12个轨道，每个轨道上有24颗卫星，使用栅格图表示东半球的虚拟卫星位置构成的卫星网络拓扑，如图4所示。纵向的虚线表示各轨道，横向的虚线与纵向的虚线相交的点表示各轨道上的卫星在初始时刻所处的位置，黑色和白色的圆点都是成员节点。可以清楚得到东半球内的每颗卫星的虚拟卫星位置及其符号。由图4可知，东半球的卫星网络由轨道5、6及编号为5、6的卫星位置虚线分成了四个子网，编号为5和6的两个轨道处于星座内轨道的中心位置，编号为5和6的卫星处于每个轨道的中心位置，虚拟卫星位置(5，5)，(5，6)，(6，5)，(6，6)为东半球的中心位置。使用数字编号标识子网，两个半球的子网数目一般相同。

假设网络中的一个组播组共有N个成员节点，记为G＝{g₀，g₁，g₂，...，g_N-1}，其中g_i(i＝0，...，N-1)代表成员节点的虚拟卫星位置，g_i＝(p_i，s_i)，p_i代表成员节点的虚拟卫星位置的轨道编号，s_i代表成员节点的虚拟卫星位置的卫星编号。

将每个子网内距离该子网的中心位置跳数最少的成员节点作为核节点；如果有多于一个成员节点同样距离自己子网的中心位置跳数最少，则对比它们到核节点跳数最少路径的长度(即链路距离)，选择到中心位置距离最短的跳数最少路径上的成员端节点作为核节点。将子网的核节点的当前虚拟卫星位置作为子网的核位置。如图4所示，图中黑色圆点代表的是组播组G的卫星成员节点，根据上述方法选出的核节点以白色圆点表示。

将每个半球内的所有核节点使用最短路径(跳数最少)方法互连生成连通路径，构成组播根树。即半球卫星网络内的每个核节点分别计算到其它子网核节点的最短路径，并建立连接。

在每个有组播组成员节点的子网内，以核节点为根，使用基于最短路径的全覆盖方法，构建组播路径，即生成组播子树，使组播组成员节点互连。假设子网内核位置记为g_cm，其中c表示该虚拟卫星位置为核位置，m表示该核位置所处的子网编号，子网内除核节点以外的成员节点组成一个节点集，记为G_0m＝{g₁，g₂，...，g_M}，即子网内共有M+1个成员节点。图5为构建子网内组播子树的方法流程图，包括以下步骤：

步骤101、数据初始化。

以核位置g_cm作为初始核心群C_0m，即C_0m＝{g_cm}。未连接成员节点群G_0m＝{g₁，g₂，...，g_M}，i＝0。

步骤102、使用最短路径方法计算C_0m与G_0m中每个成员节点之间的最短路径并比较它们的跳数，得到C_0m与G_0m之间的跳数最少路径；如果有多个跳数最少路径，则比较它们的链路长度，选取其中距离最短的路径作为组播路径；并得到此路径上同时属于G_0m的相应端节点g₁’，将g₁’和相应中间节点(记为g_1a’，g_1b’，...)与C₀合并为一个新的核心群C_1m，即C_1m＝{g_cm，g₁’，g_1a’，g_1b’，...}。

步骤103、令i＝i+1，G_im＝G_(i-1)m-{g_i’}，即将与核心群C_im合并后的G_(i-1)m中的剩余的成员节点组成集合G_im，计算核心群C_im中的每个节点与G_im中每个成员节点之间的最短路径并比较它们的跳数，得到G_im与C_im之间的跳数最少路径；如果有多条跳数最少路径，则比较它们的链路长度，选取其中距离最短的路径作为组播路径；并得到此路径上作为一个端节点的G_im中的成员节点g_i+1’。将g_i+1’和相应路径上的中间节点与核心群C_im合并后得到新的核心群C_(i+1)m＝{g_cm，g₁’，g₂’，...，g_i+1’，...，g_1a’，g_1b’，...g_2a’，g_2b’，...g_(i+1)a’，g_(i+1)b’，...}，其中g_i+1’(i＝0，1，...)是属于集合G_im的某个非核成员节点，g_(i+1)j’(j＝a，b，...)是组播路径上的中间节点。

步骤104、判断是否i＝M-1，即核心群G_im是否为空，是否还有未连接的成员节点，若是，执行步骤105，否则，执行步骤103。

步骤105、结束。

在构建了组播根树及组播子树后，半球卫星网络内的组播根树和所有组播子树共同构成了半球卫星网络内可以转发组播业务和维护组信息的组播树。若组播组成员均位于同一半球卫星网络内，那么多核组播树的构建就完成了。但是，当组播组成员分处于两个半球时，只有连通两个半球卫星网络，才能构建完整的组播树。从而，还要将两个半球卫星网络的组播树互连。

在互连时，需从两个半球各选一个成员节点，并将两成员节点连接。可选择路径最短的一对成员节点连接，方法如下：在每个半球卫星网络中，选择最靠近半球边缘的一个或多个成员节点，将分属于两个半球的成员节点进行组合，每组包括两个分属于不同半球的两个成员节点；计算这些组合的路径；选择路径最短的一组成员节点连接。从而使两个半球的组播树通过最短路径连通。在连接完成后，形成了整棵组播树，但树中可能存在冗余路径，因此还要将可能的冗余路径从组播树上剪切掉。

在卫星运动的过程中，其对应的虚拟卫星位置会有所变化，当卫星移出当前某个虚拟卫星位置同时移进轨道内下一个虚拟卫星位置时，需要进行路由表的移交。移出的卫星将它的路由表发送到轨道内移进的后续卫星，并从轨道内前序卫星接收新的路由表。

本发明通过将虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为子网，构建多核共享组播树，可以均衡业务流量，避免了单核共享树的单个核节点瓶颈问题；并且将组成员维护的任务分散到了多个核节点，从而降低了整棵组播树的更新与维护开销；另外，本发明同时具有共享树方法节约网络资源的好处。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1、一种多核共享组播树的构建方法，其中包括以下步骤：

步骤2、将虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为多个子网，具体为，当组播组成员节点跨越半球时，先将虚拟卫星位置构成的卫星网络划分为两个半球卫星网络，在两个半球内分别划分子网；

步骤3、确定每个有组播组成员的子网的核节点，具体为，在每个有组播组成员的子网内，指定一个成员节点作为核节点，或者在每个有组播组成员的子网内，选择距离半球卫星网络的地理中心最近的一个成员节点作为核节点；

步骤4、构建组播根树，使各核节点互连；

步骤5、在每个有组播组成员节点的子网内，以核节点为根，构建组播子树，使子网内组播组成员互连。

2、根据权利要求1所述的多核共享组播树的构建方法，其中所述步骤4具体为：采用最短路径方法将核节点互连构成连通路径。

3、根据权利要求1所述的多核共享组播树的构建方法，其中所述步骤4具体为：在每个半球卫星网络内，构建组播根树，使各核节点互连。

4、根据权利要求1或2或3所述的多核共享组播树的构建方法，其中所述步骤5具体为：采用基于最短路径的全覆盖方法，在每个有组播组成员节点的子网内构建组播路径，使组播组成员互连。

5、根据权利要求4所述的多核共享组播树的构建方法，其中还包括：连通两个半球卫星网络。

6、根据权利要求5所述的多核共享组播树的构建方法，其中所述的连通两个半球卫星网络具体为：将每个子网内靠近半球卫星网络边缘的成员节点分为两两一组，每组的两个成员节点分属于不同的半球卫星网络，连接路径最短的一组成员节点。

7、根据权利要求5所述的多核共享组播树的构建方法，其中还包括：剪切组播树上的冗余路径。