CN104159256A - 一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法，该方法根据节点缓存大小、链路带宽和报文大小计算拥塞度，并根据拥塞度的大小不同采用了拥塞避免和拥塞控制两种处理过程。在拥塞避免阶段中，通过预测新报文在剩余生命周期内是否过期来决定接受还是拒绝新到的报文，并在该过程中采用了反馈机制控制节点接受报文的速率。当拥塞发生时，根据报文所经跳数、头部队列阻塞度以及节点缓存大小等计算报文的权值，把权值小的报文转移到根据卫星运行周期固定及其链路连通时间可预测等特性构建的连接概率表快速选择出来保管节点。鉴于以上理由，本发明可以应用于延时容忍卫星网络拥塞控制领域。

Description

一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及一种卫星网络的拥塞控制方法，特别是关于一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法。

背景技术

DTN(Delay Tolerant Networks，延时容忍网络)是针对地面无线网络通信链路时断时续、网络拓扑动态变化、链路通信时延大等特性提出的一种在传输层之上应用层之下增加一个包裹(bundle)层的协议，由于该协议适用于大时空尺度条件。因此，从2002年开始，DTNRG(Delay Tolerant NetworksResearch Group，延迟容忍网络研究小组)、IPN(Interplanetary Internet，行星网络)等组织研究将DTN用于深空通信中。由于卫星网络同样具有链路时断时续、网络拓扑动态变化、误码率高、延时大等特性。因此卫星网络可以看做一种特殊的DTN网络，即延时容忍卫星网络。近年来，诸多机构逐渐开展了如何将DTN引入卫星网络的研究。

DTN网络采用“储存-携带-转发”的模式来传输数据，该模式是一种持久存储模式。在卫星网络中，网络节点的缓存资源有限，持久存储方式一方面容易导致节点缓存过早耗尽而造成网络拥塞，进一步造成数据丢失和数据延时转发等问题；另一方面还会导致HLB(Head of Line Blocking，头部队列拥塞现象)，这种现象严重影响了数据的传输速率和公平性。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种解决延时容忍卫星网络的丢包问题的基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法。

本发明采用的技术手段如下：一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法，其包括以下步骤：1)在卫星网络信息传输过程中，报文M到达节点n，需要判断节点n是否拥塞，以得知节点n能否接收报文M；若节点n拥塞，则进入下一步；若不拥塞，则接收报文M；2)判断节点n是否是处于临近拥塞状态；若是临近拥塞状态，则进入步骤3)，否则为拥塞状态，进入步骤4)；3)预测报文M到期时节点n是否发生拥塞；若是，则拒绝报文M，否则接收报文M；4)计算报文M的权值，并将其与节点n中所有报文的权值进行比较，当报文M的权值小于节点n中所有报文权值时，则拒绝接收报文M；否则，进入下一步；5)选出节点n中报文权值最小的报文m，并根据连接概率表选出概率最大的节点作为保管节点，并判断该保管节点拥塞度是否正常；若正常，则把节点n中报文权值最小的报文m转移到保管节点，否则继续查找直到找到满足条件的节点，然后把节点中报文权值最小的报文m转移到找到的保管节点中，以完成拥塞处理。

所述步骤1)中，拥塞度Con_d如下：

${\mathrm{Con}}_d=\frac{W_{\mathrm{cur}}+B_{\mathrm{curr}}+B_{\mathrm{size}}}{W_{\mathrm{total}}+B_{\mathrm{total}}}$

其中，W_cur表示发送报文M的链路占用的带宽，B_curr表示节点n剩余的缓存大小，B_size表示新到报文M的大小，W_total表示与节点n通信的所有链路的总带宽，B_total表示节点n总缓存大小；根据拥塞度Con_d的大小将拥塞分为三种情况：0＜Con_d＜0.5、0.5≤Con_d＜0.75和0.75≤Con_d＜1.0或Con_d≥1.0；若0＜Con_d＜0.5，则表示节点n处于正常状态，即不拥塞，节点n正常接收并存储报文M信息；若0.5≤Con_d＜0.75，则表示节点n处于拥塞临近状态；若0.75≤Con_d＜1.0或Con_d≥1.0，则表示节点n处于拥塞状态。

所述步骤4)中报文M的权值W的计算公式如下：

$W=\frac{{\mathrm{TTL}}_f}{{\mathrm{TTL}}_0}+\frac{1}{H_{\mathrm{count}}}+\frac{1}{H_{\mathrm{BL}}}+\frac{W_{\mathrm{total}}}{W_{\mathrm{cur}}}$

其中，TTL_f是bundle到期满时的剩余时间；TTL₀是报文M的生存时间；H_count是bundle到达节点n时所经过的跳数；H_BL是头部队列拥塞度；B_d表示与报文M的目的地址一致的报文的大小；W_total表示与节点n通信的所有链路的总带宽；W_cur表示发送报文M的链路占用的带宽。

所述步骤5)中连接概率表如下：

邻节点

目的节点

连接概率

其中，邻节点表示在节点n的通信范围内所有能够通信的节点，目的节点是报文M最终到达的节点；连接概率被定义为目的节点与邻节点在周期T中可见时间之和与周期T的比值。

节点接收数据的速率V：

V＝βV_new+(1-β)V_ave

其中，V_new是当前时刻得到的速率，V_ave表示节点平均速率，β是小于1的加权系数。

本发明具有以下优点：1、本发明在拥塞发生时，结合了卫星运行轨迹的可见性和可预测性形成了各个节点的概率表，通过选择相遇概率大的节点做保管节点，并将报文转移到保管节点，该过程提高了报文成功到达目的节点的概率同时降低了报文的传输时延，且大大地降低了报文丢包问题。2、本发明针对卫星链路过载造成链路中断的情况，设计了融入发送消息报文的链路占用的带宽和节点通信的所有链路的总带宽的拥塞度的计算公式，该公式区别于传统拥塞度计算只考虑节点状态忽略了整个网络的状态，能够很好的反应卫星网络的拥塞状况。3、本发明在节点拥塞判断过程中，首先判断报文达到节点时是否过期，再决定是否接收，有效避免接收到报文时报文过期，从而造成的节点缓存过早耗尽。4、本发明将HLB现象引入到报文权值的计算过程中，有效防止一个节点中含有到达同一节点的报文过多。由于在卫星网络中链路的链接时断时续，若达到同一节点的报文过多时，有可能此时该条链路中断，而其他没有中断的链路由于没有报文而无法发送报文，造成链路的浪费，控制好节点中到报文到其他节点的数量，从而也保证了报文转发的公平性。鉴于以上理由，本发明可以应用于延时容忍卫星网络拥塞控制领域。

附图说明

图1是本发明的示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

需要说明的是，本发明是针对延时容忍卫星网络的丢包问题而设计的，而丢包是拥塞时为了缓解拥塞有选择的进行报文丢弃的过程或由于报文过期而造成的报文被丢弃的过程。

如图1所示，本发明基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法包括以下步骤：

1)在卫星网络信息传输过程中，报文M到达节点n，需要判断节点n是否拥塞，以得知节点n能否接收报文M。若节点n拥塞，则进入下一步；若不拥塞，则接收报文M；

判断节点n是否拥塞采用拥塞度Con_d进行表示，其公式如下：

${\mathrm{Con}}_d=\frac{W_{\mathrm{cur}}+B_{\mathrm{curr}}+B_{\mathrm{size}}}{W_{\mathrm{total}}+B_{\mathrm{total}}}---\left(1\right)$

其中，W_cur表示发送报文M的链路占用的带宽，B_curr表示节点n剩余的缓存大小，B_size表示新到报文M的大小，W_total表示与节点n通信的所有链路的总带宽，B_total表示节点n总缓存大小。从上式可以看出，拥塞度Con_d是根据节点的当前状态信息和与之相连的链路的当前状态信息得到的，并且公式中引用了W_cur和W_total主要考虑到了卫星网络中链路过载引起拥塞的问题。

根据拥塞度Con_d的大小将拥塞分为三种情况：0＜Con_d＜0.5、0.5≤Con_d＜0.75和0.75≤Con_d＜1.0或Con_d≥1.0。

若0＜Con_d＜0.5，则表示节点n处于正常状态，即不拥塞，节点n正常接收并存储报文M信息；

若0.5≤Con_d＜0.75、0.75≤Con_d＜1.0或Con_d≥1.0，则表示节点n处于拥塞状态，进入下一步；

2)判断节点n是否是临近拥塞状态，以防止节点n缓存过早耗尽；若是临近拥塞状态，则进入步骤3)，否则为拥塞状态，进入步骤4)；

临近拥塞状态的判断方法如下：若0.5≤Con_d＜0.75，表示节点n处于拥塞临近状态；若0.75≤Con_d＜1.0或Con_d≥1.0，则表示节点n处于拥塞状态，进入步骤4)。

3)预测报文M到期时节点n是否发生拥塞；若是，则拒绝报文M，否则接收报文M；

在卫星网络中，报文过期就会失效被丢弃造成报文的重发，这样不仅增大了时延且浪费了带宽。因此提前计算报文是否在剩余时间内期满，能够提高报文的投递率，降低时延，缓解拥塞。

本发明通过预测在报文M的剩余时间内节点n是否拥塞来决定接受还是拒绝报文M，其报文期满的程度d：

d＝B_total-(B_size+(V_rev-V_tra)×TTL_f+B_curr)     (2)

其中，V_rev表示节点的接收报文M的速率，V_tra表示接收报文的节点发送速率，TTL_f是bundle到期满时的剩余时间。

报文期满的程度d的评判标准如下：

d＞0表示在报文M的报文期满时，存储报文M的节点n不会拥塞，则节点n接收报文M；

d≤0表示在报文M的剩余时间内，报文M有可能成为过期报文而被丢弃，则节点n拒绝接收报文M。

在卫星网络报文传输过程中，节点的接收速率大于节点的发送速率时，会造成拥塞丢失大量数据，为了防止该现象的发生，本发明还通过反馈机制控制节点接收数据的速率，其原理如下：

当节点的接收报文M的速率V_rev超过接收报文的节点发送速率V_tra的一半时，节点会通过广播的方式向该节点的邻接点广播，通知邻接点该节点即将发生拥塞，应当降低向该节点发送报文的速率。每个节点都设置一个计时器，每隔60秒就要计算每个节点的发送和接收速率，一旦发现节点的接收报文M的速率V_rev超过接收报文的节点发送速率V_tra的一半，就发送广播。收到广播的节点，就检查自己节点的拥塞状态，若节点处于正常状态就停止向拥塞节点发送报文，处于其他状态的节点可以继续发送报文，以此来降低节点的接收速率。停止发送报文的节点也是每个60秒发送一个探测信息，判断节点拥塞是否缓解，若是就继续发送报文，否则还是继续停止发送报文。

而每隔60s所需要计算的节点的速率为瞬时速率，而瞬时速率不能反应节点的真实速率，平均速率即为从仿真时间开始到这一刻的节点的速率，因此本发明采用加权方式得出当前节点的速率V(该速率V即表示公式2中的接受速率和发送速率)的反馈机制来控制节点接收数据的速率：

V＝βV_new+(1-β)V_ave     (3)

其中，V_new是当前时刻得到瞬时速率，V_ave表示节点平均速率，β是小于1的加权系数，本实施例中，β＝0.25。

4)计算报文M的权值，并将其与节点n中所有报文的权值进行比较，当报文M的权值小于节点n中所有报文权值时，则拒绝接收报文M；否则，采用转移节点n中权值较小的报文到保管节点缓解拥塞，进入下一步。

报文M的权值W的计算公式如下：

$W=\frac{{\mathrm{TTL}}_f}{{\mathrm{TTL}}_0}+\frac{1}{H_{\mathrm{count}}}+\frac{1}{H_{\mathrm{BL}}}+\frac{W_{\mathrm{total}}}{W_{\mathrm{cur}}}---\left(4\right)$

其中，TTL₀是报文M的生存时间；H_count是bundle到达节点n时所经过的跳数；H_BL是头部队列拥塞度；B_d表示与报文M的目的地址一致的报文的大小。

5)选出节点n中报文权值最小的报文m，并根据连接概率表选出概率最大的节点作为保管节点，并判断该保管节点拥塞度是否正常；若正常，则把节点n中报文权值最小的报文m转移到保管节点，否则继续查找直到找到满足条件的节点，然后把节点中报文权值最小的报文m转移到找到的保管节点中，以完成拥塞处理。

在信息转移的过程中，结合卫星运行轨迹的可见性和可预测性，形成了卫星网络中各节点的连接概率(如表1所示)。其中，邻节点表示在节点n的通信范围内所有能够通信的节点，目的节点是报文M最终到达的节点。连接概率被定义为目的节点与邻节点在周期T中可见时间之和与周期T的比值。选择概率表(表1)中概率大的邻节点作为保管节点全权负责转移出的报文M的转发。

表1连接概率表的元素格式

邻节点

目的节点

连接概率

在选择保管节点的转移过程中，需要判断一下该保管节点的拥塞度，其判断方法与步骤1)中判断节点n是否拥塞过程一致，故不再详述；若拥塞度处于正常状态，该邻节点就是保管节点；否则，继续查找下一个连接概率较大的节点作为保管节点，依次类推，直到找到合适的保管节点，然后把节点n中报文权值最小的报文m转移到找到的保管节点中，以此完成报文M的转移过程。

综上所述，针对延时容忍卫星网络的拥塞问题，本发明依据节点级拥塞控制和缓存管理相关理论，提出了一种拥塞控制算法。该算法根据节点缓存大小、链路带宽和报文大小计算拥塞度，并根据拥塞度的大小不同采用了拥塞避免和拥塞控制两种处理过程。在拥塞避免阶段中，通过判断新报文在剩余生命周期内是否过期来决定接受还是拒绝新到的报文，并在该过程中采用了反馈机制控制节点接受报文的速率。当拥塞发生时，根据报文所经跳数、头部队列阻塞度以及节点缓存大小等计算报文的权值，把权值小的报文转移到保管节点中。保管节点是根据卫星运行周期固定及其链路连通时间可预测等特性构建的连接概率表快速选择出来的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法，其包括以下步骤：

1)在卫星网络信息传输过程中，报文M到达节点n时，需要判断节点n是否拥塞，以得知节点n能否接收报文M；若节点n拥塞，则进入下一步；若不拥塞，则接收报文M；

2)判断节点n是否是临近拥塞状态；若是临近拥塞状态，则进入步骤3)，否则为拥塞状态，进入步骤4)；

3)预测报文M到期时节点n是否发生拥塞；若是，则拒绝报文M，否则接收报文M；

4)计算报文M的权值，并将其与节点n中所有报文的权值进行比较，当报文M的权值小于节点n中所有报文权值时，则拒绝接收报文M；否则，进入下一步；

5)选出节点n中报文权值最小的报文m，并根据连接概率表选出概率最大的节点作为保管节点，并判断该保管节点拥塞度是否正常；若正常，则把节点n中报文权值最小的报文m转移到保管节点，否则继续查找直到找到满足条件的节点，然后把节点中报文权值最小的报文m转移到找到的保管节点中，以完成拥塞处理。

2.如权利要求1所述的一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，拥塞度Con_d如下：

${\mathrm{Con}}_d=\frac{W_{\mathrm{cur}}+B_{\mathrm{curr}}+B_{\mathrm{size}}}{W_{\mathrm{total}}+B_{\mathrm{total}}}$

其中，W_cur表示发送报文M的链路占用的带宽，W_total表示与节点n通信的所有链路的总带宽，B_curr表示节点n剩余的缓存大小，B_size表示新到报文M的大小，B_total表示节点n的总缓存大小；

根据拥塞度Con_d的大小将拥塞分为三种情况：0＜Con_d＜0.5、0.5≤Con_d＜0.75和0.75≤Con_d＜1.0或Con_d≥1.0；

若0＜Con_d＜0.5，则表示节点n处于正常状态，即不拥塞，节点n正常接收并存储报文M；

若0.5≤Con_d＜0.75，则表示节点n处于拥塞临近状态；

若0.75≤Con_d＜1.0或Con_d≥1.0，则表示节点n处于拥塞状态。

3.如权利要求1所述的一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤4)中报文M的权值W的计算公式如下：

$W=\frac{{\mathrm{TTL}}_f}{{\mathrm{TTL}}_0}+\frac{1}{H_{\mathrm{count}}}+\frac{1}{H_{\mathrm{BL}}}+\frac{W_{\mathrm{total}}}{W_{\mathrm{cur}}}$

其中，TTL_f是bundle到期满时的剩余时间；TTL₀是报文M的生存时间；H_count是bundle到达节点n时所经过的跳数；H_BL是头部队列拥塞度；B_d表示与报文M的目的地址一致的报文的大小；W_total表示与节点n通信的所有链路的总带宽；W_cur表示发送报文M的链路占用的带宽。

4.如权利要求2所述的一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤4)中报文M的权值W的计算公式如下：

$W=\frac{{\mathrm{TTL}}_f}{{\mathrm{TTL}}_0}+\frac{1}{H_{\mathrm{count}}}+\frac{1}{H_{\mathrm{BL}}}+\frac{W_{\mathrm{total}}}{W_{\mathrm{cur}}}$

其中，TTL_f是bundle到期满时的剩余时间；TTL₀是报文M的生存时间；H_count是bundle到达节点n时所经过的跳数；H_BL是头部队列拥塞度；B_d表示与报文M的目的地址一致的报文的大小；W_total表示与节点n通信的所有链路的总带宽；W_cur表示发送报文M的链路占用的带宽。

5.如权利要求1或2或3或4所述的所述的一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤5)中连接概率表如下：

邻节点 目的节点 连接概率

其中，邻节点表示在节点n的通信范围内所有能够通信的节点，目的节点是报文M最终到达的节点；连接概率被定义为目的节点与邻节点在周期T中可见时间之和与周期T的比值。

6.如权利要求5所述的所述的一种基于延时容忍卫星网络的拥塞控制方法，其特征在于：节点接收数据的速率V：

V＝βV_new+(1-β)V_ave

其中，V_new是当前时刻得到的速率，V_ave表示节点平均速率，β是小于1的加权系数。