CN102883397A - 一种面向空间环境dtn网络的数据转发方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向空间环境DTN网络的数据转发方法，针对空间飞行器网络具有DTN网络的特点，把空间飞行器网络看成是一种DTN网络；同时空间飞行器星座拓扑又具有周期性和可预见性，可以充分利用这些信息快速建立虚拟拓扑路由表；综合考虑上述两方面的特点，设计更为适合空间飞行器网络的数据转发策略；通常情况下网络节点根据地面站建立的虚拟拓扑路由表进行数据转发，网络在异常情况下采用基于最优树的Spray and Wait路由算法进行数据转发。本发明可有效提高数据传输的成功投递率、降低数据转发延时，避免网络回环产生，能够适应空间飞行器节点失效、网络规模不断增长带来的路由问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向空间环境DTN网络的数据转发方法，其主要用于面向空间飞行器网络的路由或数据转发，属于无线自组织网络技术领域。
背景技术
DTN(Delay/Disruption Tolerant Network)网络表示一种容迟/容断网络，2004年正式被提出。这种网络具有网络拓扑实时变化、间歇性链接、长延时、低信噪比(高误码率)、节点资源有限等特点；由于DTN网络中高延迟、低速率、非对称链路等特点导致了基于反馈机制的可靠通信模式不适用，而且端到端之间的断开连接比存在连接更常见，断连造成的长排队延迟导致消息可能需要在路由器中保存很长时间，对路由器的存储压力很大。
对于空间飞行器网络，目前比较流行且简单的为基于虚拟拓扑的路由，思想是，充分利用星座拓扑的周期性和可预见性，把星座周期T分为N个小的时间片，[t0，t1]，[t1，t2]，[t2，t3]…[tn-1，tn]，如果时间间隔足够小，网络的动态拓扑结构可映射为固定拓扑结构，网络通信代价也是不变的，链路的建立和断开只发生于时间点t0，t1，...tn在这种情况下，可以用Dijkstra算法进行最优路径的计算，根据这些信息为星座中的每个空间飞行器配置路由表或交换表。这种算法简化了星座网络的复杂性和降低了路由难度，但是，没有解决网络拥塞和空间飞行器节点失效情况下的路由选择问题。
另一种流行的方法为基于虚拟逻辑位置的路由。该路由策略利用星座拓扑变化的规律性来屏蔽空间飞行器的移动性。该策略根据星座的拓扑结构将地球表面划分成若干个固定区域，并为每个区域赋予不同的逻辑地址。其特点是：在给定时刻，对于最靠近区域中心的空间飞行器，其地址就是该区域的逻辑地址，空间飞行器在运行过程中根据覆盖区域的变化，其逻辑地址也相应动态变化，逻辑地址带有地面节点的地理位置信息。这一类型的算法主要有FHRP、SIPR、PRP，这类算法仅能用于LEO空间飞行器网络中，局限性比较大。
在针对典型的DTN网络提出的数据转发方法中，并没有充分利用星座拓扑的周期性和可预见性等信息，直接采用其路由算法，不能充分发挥网络的性能(即传输延时、bundle报文投递成功率等多不是最佳的)；而基于虚拟拓扑的路由算法不能很好的解决网络拥塞和空间飞行器节点失效等问题；空间飞行器网络路由与单层的LEO卫星网络路由相比，空间飞行器网络路由具有更高的频谱利用率，更强的抗毁能力，组网灵活，功能多样，因此也更具研究价值，基于虚拟逻辑位置的路由是针对LEO卫星网络提出的，不符合空间飞行器网络发展的趋势。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种面向空间环境DTN网络的数据转发方法，针对空间飞行器网络具有DTN网络的特点，把空间飞行器网络看成是一种DTN网络；同时空间飞行器星座拓扑又具有周期性和可预见性，可以充分利用这些信息快速建立虚拟拓扑路由表；综合考虑上述两方面的特点，设计更为适合空间飞行器网络的数据转发策略；通常情况下网络节点根据地面站建立的虚拟拓扑路由表进行数据转发，网络在异常情况下采用基于最优树的Spray and Wait路由算法进行数据转发。
本发明的技术解决方案为：
一种面向空间环境DTN网络的数据转发方法，步骤如下：
(1)地面站周期性构建虚拟拓扑路由表，并分发给所述面向空间环境DTN网络中的空间飞行器节点；
(2)如果空间飞行器节点有数据需要转发，则判断该空间飞行器节点的虚拟拓扑路由表是否过期，如果未过期，则进入步骤(3)；如果过期，则进入步骤(4)；
(3)根据虚拟拓扑路由表查询接收节点；
如果可以查询到接收节点并且接收节点处于空闲状态，则由发送节点的bundle层构造bundle块，之后进入步骤(6)；
如果查询不到接收节点或者接收节点处于忙碌状态，则根据虚拟拓扑路由表查找是否存在其他到达目的节点的下一跳连接，若存在则进入步骤(6)；若不存在，则由发送节点启动bundle层的托管机制，将要转发的数据保存起来，等待可用的下一跳连接；查询不到接收节点时，则判定该接收节点故障，并通知地面站对该航天器进行故障诊断；
(4)由所述空间飞行器节点启动基于最优树的Spray and Wait路由算法进行数据转发，之后进入步骤(5)；所述进行数据转发即为进行bundle块的转发；
(5)判断接收节点是否为目的节点，如果是，则启动报文删除策略进行冗余报文删除，完成数据的转发；如果不是，则由发送节点启动bundle层的托管机制，等待可用的下一跳连接；
(6)判断接收节点是否为目的节点，如果是，则进行数据转发；如果不是，则判断接收节点是否发生拥塞，如果发生拥塞，则进入步骤(7)；如果未发生拥塞，则进行数据转发；
(7)根据虚拟拓扑路由表查找是否存在其他到达目的节点的下一跳连接，若存在则返回步骤(3)；若不存在，则由接收节点启动节点缓冲管理策略进行缓冲管理之后继续进行数据转发。
步骤(5)中所述启动报文删除策略进行冗余报文删除具体通过如下方式进行：
由目的节点向其相邻节点发送一个消息，该消息中包含目的节点接收到的数据的标识号，接收到该消息的节点再继续向其相邻节点发送该消息，同时，所述接收到该消息的节点判断节点自身是否含有相同标识号的数据，如果含有相同标识号的数据，则删除该相同标识号的数据。
步骤(7)中所述由接收节点启动节点缓冲管理策略进行缓冲管理具体通过如下步骤进行：
(3.1)判断接收节点待接收的bundle块的优先级是否最低，如果是最低，则拒绝接受该bundle块，如果不是最低，则进入步骤(3.2)；
(3.2)判断接收节点自身所有bundle块的优先级是否相同，如果相同，则丢弃TTL值最小的bundle块，之后进入步骤(3.3)；如果不相同，则丢弃所有bund le块中优先级最小的，之后进入步骤(3.3)；
(3.3)判断接收节点的可用存储空间是否足以存储待接收的bundle块，如果不够存储，则返回步骤(3.2)；如果足够存储，则接收该bundle块。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明针对空间飞行器网络具有DTN网络的特点，把空间飞行器网络看成是一种DTN网络，通过在空间飞行器节点中加入bundle层，为数据转发提供托管机制；同时空间飞行器星座拓扑又具有周期性和可预见性，充分利用这些信息建立虚拟拓扑路由表；通常情况下空间飞行器利用虚拟拓扑路由表进行数据传输，空间飞行器节点无需计算路由表，可减少数据转发延时；当虚拟拓扑路由表过期或部分网络节点失效导致的网络不能处于联通状态，网络启动基于最优树的Spray and Wait路由算法，从而提高网络健壮性和数据投递成功率；同时针对空间飞行器节点故障或新空间飞行器节点接入网络的情况采取了有效的应对策略，即地面站负责实时更新网络虚拟拓扑路由表。
附图说明
图1是空间飞行器网络虚拟拓扑结构示意图；
图2是以最优树方式发送报文拷贝示意图；
图3是基于删除确认的冗余拷贝清除流程图；
图4是缓冲管理策略流程图；
图5是本发明数据转发方法流程图。
具体的实施方式
DTN的标准之一：RFC4838在传输层之上、应用层之下定义了一个端到端的、面向消息的覆盖网络，称为包裹层“bundle layer”，实现包裹层功能的设备称为DTN节点。大多数DTN节点使用某种形式的永久存储设备(磁盘、闪存等)保存bundle；系统重启之后未发送的bundle依然保存在系统中。bundle包含生成时间戳、有用寿命指示器、服务类型指示器和长度，这些信息为捆绑层路由提供了数据传输的长度及性能要求。节点存储代表了一种必须管理和保护的新资源，DTN领域的许多研究工作都是围绕这些问题展开。
在DTN网络中，路由是由一连串时间独立的接触(contact，通信机会)组成，这些接触将消息从生成节点传向目的节点，所以如何确定接触的存在和可预测性，如何将消息高效地分配给接触及确定消息的的传输顺序，是解决DTN网络路由问题的关键所在。路由问题是DTN的一个研究热点，DTN框架提供了在bundle层上的路由和转发消息的框架，当bundle的投递路径可能丢包或接触的时间段和容量无法预先精确得到时，路由计算非常困难。
目前路由策略(数据转发策略)根据复制和知识两个属性分为两类：洪泛和转发。
洪泛策略的一个极端就是广播，典型的有传染路由(Epidemic Routing)，发送节点不知道接收节点的当前位置，也不知道到达接收节点的最佳路径，他将消息分发给同一个连通子网内的节点(称为carrier)，通过这些节点与其他连通子网内节点的接触，将消息传播到其他连通子网，最终到达接收节点。这种策略具有传输高可靠性，传输延时也最小，但代价也最高。
洪范策略的另一个极端是直接传输，仅当源节点和目的节点之间存在直接接触时，才进行传输。这种策略不需要任何网络信息，传输开销最小；但传输可能性最小，传输延迟最大，效率最低。
洪泛策略中的一个折中办法是多拷贝传输，试图权衡资源消耗和传输可能性\传输延迟，典型的代表有Spary and Wait算法。该算法解决了消息拷贝数与网络规模的耦合，可获得比上述两种算法好的多的性能。Spray and Wait算法由两个阶段组成：
Spray阶段：对于源节点产生的每一个消息，将L个消息拷贝传播给L个不同的中继节点；
Wait阶段：如果在Spray阶段没有发现目标节点，携带消息拷贝的L个节点执行直接传输(仅当遇到目的节点时才传输消息拷贝)。
在传统的路由协议中，转发消息是一件简单的事情：消息被发送到与目的节点存在最小代价路由的邻居节点上，且由于路径的可靠性高消息只被转发到一个节点上。然而在DTN网络中情况完全不同，当消息到达一个节点时，可能当前没有可用的路径，消息必须缓存在节点中；每当遇见一个节点时，节点要决定是否转发某个特定的消息，而且还要决定是否要将消息转发到多个节点上以增大交付概率。这就涉及到转发策略，通过设定相应的门限值，源节点只将消息转发给交付可预测性超过给定门限的节点，以达到在交付可能性/交付延迟与资源消耗之间权衡。一个简单转发策略描述如下：当节点a与节点b相遇时，如果a保存的某个消息的目的地为c，且满足P(a，c)＜P(b，c)，则a将消息转发给b(其中，P(a，c)表示a遇到c的概率；P(b，c)表示b遇到c的概率)。
当前空间环境网络的路由算法(数据转发方法)主要指空间飞行器网络的路由，空间飞行器网络路由包括具有星际链路的星间路由和边界路由(空间飞行器网络与地面网络之间的路由)，星间路由是空间飞行器网络路由的重点和难点。根据采用的网络层机制，可以把空间飞行器网络路由技术分为面向连接和面向无连接的空间飞行器网络路由两大类。基于面向连接路由路径选择都集中于最初路径建立阶段，路径计算在地面交换中心进行，然后根据计算结果对星上路由表进行更新。基于面向无连接的路由机制，实现星上分布式数据转发，并且网络模型已不仅仅包含单层空间飞行器网络，而且包含双层或多层网络。
如图5所示，本发明提供了一种面向空间环境DTN网络的数据转发方法，步骤如下：
(1)地面站周期性构建虚拟拓扑路由表，并分发给所述面向空间环境DTN网络中的空间飞行器节点；构建虚拟拓扑路由表的具体方法为：根据星座拓扑周期性，把星座周期T分为N个小的时间片，[t0，t1]，[t1，t2]，[t2，t3]…[tn-1，tn]，如图1，链路的建立和断开发生于时间点t0，t1，...tn在这种情况下，利用dijkstra算法进行最优路径计算。
(2)如果空间飞行器节点有数据需要转发，则判断该空间飞行器节点的虚拟拓扑路由表是否过期，如果未过期，则进入步骤(3)；如果过期，则进入步骤(4)；
(3)根据虚拟拓扑路由表查询接收节点；
如果可以查询到接收节点并且接收节点处于空闲状态，发送节点的bundle层根据链路容量、延迟信息，负责构造合适的bundle块；之后进入步骤(6)；
如果查询不到接收节点或者接收节点处于忙碌状态，则根据虚拟拓扑路由表查找是否存在其他到达目的节点的下一跳连接，若存在则进入步骤(6)；若不存在，则由发送节点启动bundle层的托管机制，将要转发的数据保存起来，等待可用的下一跳连接；
查询不到接收节点时，则判定该接收节点故障，并通知地面站对该航天器进行故障诊断，地面站根据诊断结果，判断是否需要重新计算虚拟拓扑路由表；如果网络异常，如有部分网络节点失效以致网络不能维持一个联通的状态，地面可以通知网络节点虚拟拓扑路由表失效，启动Spray and Wait路由算法进行数据转发；
(4)由所述空间飞行器节点启动基于最优树的Spray and Wait路由算法进行数据转发，之后进入步骤(5)；所述进行数据转发即为进行bundle块的转发；
图2给出了基于最优树的Spray and Wait路由算法示意图，具体步骤为：
①当有报文在源节点产生时，该节点根据当前网络规模确定报文拷贝数量N；
②当它遇到节点2时，它授权节点2复制(N-1)/2个报文拷贝进行分发，而自己保留另外的(N-1)/2个，同样地，当节点2遇到节点3时，节点3将被授权制作(N-2)/4个报文拷贝进行分发，而节点2保留另外的(N-2)/4继续分发，依次类推，直到每个节点仅剩1个报文拷贝；③当节点只剩下一个bundle报文拷贝并且没有遇到目的节点，则等待；
(5)判断接收节点是否为目的节点，如果是，则启动报文删除策略进行冗余报文删除，完成数据的转发；如果不是，则由发送节点启动bundle层的托管机制，等待可用的下一跳连接；
在基于最优树的Spray and Wait路由情况下，当网络中某个bundle块多个拷贝其中的一个到达目的节点时，其它冗余拷贝可能仍然在网络中继续转发，带来了不必要网络资源耗费，应及时地清除这些bundle块拷贝；目的节点通过发送确认删除确认信息(Delete Acknowledge)的方式快速地清除冗余bundle块，该信息由包括目的节点已经收到的bundle ID列表，以哈希函数表的方式存在，可单独发送，也可依附于其它bundle块之上，快速地在网络中转发。
如图3所示，启动报文删除策略进行冗余报文删除具体通过如下方式进行：
由目的节点向其相邻节点发送一个消息，该消息中包含目的节点接收到的数据的标识号，接收到该消息的节点再继续向其相邻节点发送该消息，同时，所述接收到该消息的节点判断节点自身是否含有相同标识号的数据，如果含有相同标识号的数据，则删除该相同标识号的数据。
(6)判断接收节点是否为目的节点，如果是，则进行数据转发，在虚拟拓扑路由情况下，由于启动了Bundle块的托管机制，网络中的bundle块唯一，当bundle块到达目的节点时，bundle块转发结束，不需要启动报文删除策略；如果不是，则判断接收节点是否发生拥塞，如果发生拥塞，则进入步骤(7)；如果未发生拥塞，则进行数据转发，如果发送节点要转发的数据在[tl-1，ti]时间段内没有转发至接收节点，或只有一部分转发至接收节点，在后续的时间段中，如[tl，tl+1]，则按照新的路径进行转发；
(7)根据虚拟拓扑路由表查找是否存在其他到达目的节点的下一跳连接，若存在则返回步骤(3)；若不存在，则由接收节点启动节点缓冲管理策略进行缓冲管理之后继续进行数据转发。
如图4所示，由接收节点启动节点缓冲管理策略进行缓冲管理，接收节点比较缓冲区报文和新报文的优先级，低优先级的报文会被丢弃，如果优先级相同，丢弃缓冲内TTL值最小的报文；
具体通过如下步骤进行：
(7.1)判断接收节点待接收的bundle块的优先级是否最低，如果是最低，则拒绝接受该bundle块，如果不是最低，则进入步骤(7.2)；
(7.2)判断接收节点自身所有bundle块的优先级是否相同，如果相同，则丢弃TTL值最小的bundle块，之后进入步骤(7.3)；如果不相同，则丢弃所有bundle块中优先级最小的，之后进入步骤(7.3)；TTL(Time To Live)值是指生命周期。
(7.3)判断接收节点的可用存储空间是否足以存储待接收的bundle块，如果不够存储，则返回步骤(7.2)；如果足够存储，则接收该bundle块。
Claims (3)
1.一种面向空间环境DTN网络的数据转发方法，其特征在于步骤如下：
(1)地面站周期性构建虚拟拓扑路由表，并分发给所述面向空间环境DTN网络中的空间飞行器节点；
(2)如果空间飞行器节点有数据需要转发，则判断该空间飞行器节点的虚拟拓扑路由表是否过期，如果未过期，则进入步骤(3)；如果过期，则进入步骤(4)；
(3)根据虚拟拓扑路由表查询接收节点；
如果可以查询到接收节点并且接收节点处于空闲状态，则由发送节点的bundle层构造bundle块，之后进入步骤(6)；
如果查询不到接收节点或者接收节点处于忙碌状态，则根据虚拟拓扑路由表查找是否存在其他到达目的节点的下一跳连接，若存在则进入步骤(6)；若不存在，则由发送节点启动bundle层的托管机制，将要转发的数据保存起来，等待可用的下一跳连接；查询不到接收节点时，则判定该接收节点故障，并通知地面站对该航天器进行故障诊断；
(4)由所述空间飞行器节点启动基于最优树的Spray and Wait路由算法进行数据转发，之后进入步骤(5)；所述进行数据转发即为进行bundle块的转发；
(5)判断接收节点是否为目的节点，如果是，则启动报文删除策略进行冗余报文删除，完成数据的转发；如果不是，则由发送节点启动bundle层的托管机制，等待可用的下一跳连接；
(6)判断接收节点是否为目的节点，如果是，则进行数据转发；如果不是，则判断接收节点是否发生拥塞，如果发生拥塞，则进入步骤(7)；如果未发生拥塞，则进行数据转发；
(7)根据虚拟拓扑路由表查找是否存在其他到达目的节点的下一跳连接，若存在则返回步骤(3)；若不存在，则由接收节点启动节点缓冲管理策略进行缓冲管理之后继续进行数据转发。
2.根据权利要求1所述的一种面向空间环境DTN网络的数据转发方法，其特征在于：步骤(5)中所述启动报文删除策略进行冗余报文删除具体通过如下方式进行：
由目的节点向其相邻节点发送一个消息，该消息中包含目的节点接收到的数据的标识号，接收到该消息的节点再继续向其相邻节点发送该消息，同时，所述接收到该消息的节点判断节点自身是否含有相同标识号的数据，如果含有相同标识号的数据，则删除该相同标识号的数据。
3.根据权利要求1所述的一种面向空间环境DTN网络的数据转发方法，其特征在于：步骤(7)中所述由接收节点启动节点缓冲管理策略进行缓冲管理具体通过如下步骤进行：
(3.1)判断接收节点待接收的bundle块的优先级是否最低，如果是最低，则拒绝接受该bundle块，如果不是最低，则进入步骤(3.2)；
(3.2)判断接收节点自身所有bundle块的优先级是否相同，如果相同，则丢弃TTL值最小的bundle块，之后进入步骤(3.3)；如果不相同，则丢弃所有bundle块中优先级最小的，之后进入步骤(3.3)；
(3.3)判断接收节点的可用存储空间是否足以存储待接收的bundle块，如果不够存储，则返回步骤(3.2)；如果足够存储，则接收该bundle块。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |