CN106888492A - 负载感知缓存受限断续连通的卫星网络路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载感知缓存受限断续连通的卫星网络路由方法，主要解决现有技术在缓存受限断续连通的卫星网络中因接触链路排队业务负载与节点可用缓存大小信息的缺失，而导致无法准确找到最小时延路由的问题。其实现步骤为：1)初始化全网节点路由表，全网同步接触计划；2)节点收到Bundle包时开始计算路由；3)根据接触计划计算链路代价；4)标记链路代价最小的节点，直到目的节点；5)根据最小时延路由转发Bundle包，更新本节点路由表并同步全网路由信息。本发明能准确计算缓存受限断续连通卫星网络的最小时延路由，提高了数据的投递率，降低了数据的端到端时延。可用于负载感知缓存受限断续连通的卫星网络。

Description

负载感知缓存受限断续连通的卫星网络路由方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种路由方法，可用于负载感知缓存受限断续连通的卫星网络。
背景技术
卫星网络具有覆盖范围广、不受地理条件限制等先天优势，在通信、国防、导航、测控、救援等多个领域发挥着不可替代的作用。卫星网络不同于地面网络，其面临的挑战主要有：1)节点间距离遥远导致传播时延大且时变，路径损耗严重导致误码率高，同时节点周期性的运动使得网络拓扑时变，卫星遮蔽和节点功率受限导致链路频繁中断；2)卫星通信通过视距传播，网络节点稀疏，通信机会少且卫星节点的存储空间和星上处理能力均受限。
美国航空航天局NASA提出的时延容忍网络DTN能够应对空间环境中时延、高误码率、链路频繁中断等特点，满足复杂空间环境中建立互联互通网络的要求。DTN架构在传统的TCP/IP五层协议的传输层和应用层之间添加Bundle协议和汇聚层协议，采用托管-存储-转发的机制保障数据的可靠传输。
卫星网络中各个节点的运动是周期且确定的，节点在任意时刻的位置是确知的。美国航空航天局NASA针对节点运动的规律性和确定性提出了接触图路由算法CGR，并运用在Bundle协议中。CGR算法依赖全网的接触计划，采用Dijkstra最短路径算法，根据Bundle包的最早到达时间计算出最优的路由。但是，Bundle协议没有采集接触链路的排队业务负载的机制导致CGR算法在计算最小时延路由时未考虑接触链路的排队业务负载和卫星节点可用缓存大小的影响。
1)卫星节点缓存受限的影响。如附图2所示，在这个卫星网络中，假设各卫星节点的缓存大小均为70000kB，现需要从源节点A向目的节点D传输一个大小为10000kB的Bundle包，根据CGR算法计算最小时延路由，由于未考虑卫星节点可用缓存大小的影响，计算所得的最小时延路由为A→B→D，但是由于节点B缓存受限，路由A→B→D并无法完成Bundle包的传输。
2)接触链路的排队业务负载的影响。如附图2所示，在这个卫星网络中，需要从源节点A向目的节点D传输一个大小为10000kB的Bundle包，根据CGR算法计算最小时延路由计算所得的最小时延路由为A→B→D，Bundle包到达目的节点D的时延大小为18秒。若选择路由A→C→D，Bundle包到达目的节点D的时延为13秒，小于路由A→B→D的时延，因此CGR算法计算的路由并不是最优的。
发明内容
本发明目的在于提出一种负载感知缓存受限断续连通的卫星网络路由方法，以解决在缓存受限断续连通的卫星网络中因接触链路排队业务负载与节点可用缓存大小信息的缺失，而导致无法准确找到最小时延路由的问题，提高数据的投递率，降低数据的端到端时延。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
(1)初始化：设置全网节点路由表中的业务排队时延为0，并全网同步预先生成接触计划；
(2)判断是否收到其他网络节点的路由表更新信息：如果是，则更新路由表，执行步骤(3)；否则，直接执行步骤(3)；
(3)判断是否存在需要传输的Bundle包：如果是，则执行步骤(4)；否则，返回步骤(2)；
(4)判断接收到的Bundle包是否为转发包：如果是，则根据路由表直接转发，返回步骤(2)；否则，设置本节点为Bundle包的源节点A,并根据Bundle包的目的节点D，Bundle包的大小z及本节点传输Bundle包的时间Aarr计算最小时延路由，执行步骤(5)
(5)计算最小时延路由：
(5a)初始化：设置标记节点集合S为空，待标记节点集合U存储所有网络节点；将节点A加入标记节点集合S中，并将其从待标记节点集合U中删除，设置节点A为新标记节点X；
(5b)计算新标记节点X到待标记节点集合U中每一个节点N的链路代价wXN：
(5b1)判断待标记节点集合U中是否存在未计算链路代价wXN的节点N：如果是，则执行步骤(5b2)；否则，执行步骤(5c)；
(5b2)判断接触链路XN是否存在：如果不存在，则设置链路代价wXN为无穷大，返回步骤(5b1)；否则，执行步骤(5b3)；
(5b3)根据接触链路XN的排队业务时延qXN和节点X接收到Bundle包的时间Xarr计算节点X传输Bundle包的开始时间t；
(5b4)根据节点X传输Bundle包的开始时间t和Bundle包的大小z计算链路代价wXN；
(5b5)根据链路XN的链路代价wXN判断节点N是否缓存受限：如果是，则设置链路XN的链路代价wXN为无穷大，返回步骤(5b1)；否则，直接返回步骤(5b1)；
(5c)从待标记节点集合U中选择链路代价wXN最小的节点N，并将其从待标记节点集合U中删除，将其加入标记节点集合S中；
(5d)判断节点N是否为目的节点D：如果是，则记录已经计算得到的最小时延路由，更新最小时延路由所经过的接触链路XN的业务排队时延qXN＝wXN，更新路由表并重置接触链路XN的链路代价wXN为0，执行步骤(6)；否则，设置节点N为新标识节点X，节点X接收到Bundle包的时间Xarr为wXN，返回步骤(5b)；
(6)本节点根据路由表转发Bundle包，并向其他节点发送更新的路由表，返回步骤(2)；
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明由于引入了负载感知机制，使每一个卫星节点能感知其他节点接触链路排队业务时延的变化，并更新其路由表，保证了全网信息的一致性和完整性。
2)本发明在计算最小时延路由时考虑到了节点可用缓存大小与接触链路排队业务的影响，能准确计算出最小时延路由，有效提高了数据的投递率，降低了数据的端到端时延。
附图说明
图1是本发明的实现总流程图；
图2是本发明使用的卫星通信网络示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照图2，本发明使用的卫星通信网络由目的节点A、中间节点B、中间节点C和目的节点D组成，各个节点的原始缓存大小为70000kB，接触链路AB的排队业务时延为5，接触链路AC的排队业务时延为4，接触链路BC的排队业务时延为8，接触链路BD的排队业务时延为13，接触链路CD的排队业务时延为31。该网络的接触计划预先生成并同步到各个卫星节点，接触计划如表1所示：
表1接触计划
传输节点 接收节点 起始时间 终止时间 传输速率
A B 0 6 80000
A C 3 7 80000
B C 5 15 80000
B D 9 13 80000
A C 10 18 80000
C D 11 14 80000
B D 17 20 80000
B C 20 25 80000
C D 30 35 80000
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，网络初始化。
设置全网节点路由表中的业务排队时延为0，并全网同步预先生成接触计划；
步骤2，判断是否收到其他网络节点的路由表更新信息。
如果是，则根据更新的信息更新本节点路由表，执行步骤3；否则，直接执行步骤3；
步骤3，判断是否存在需要传输的Bundle包。
如果是，则执行步骤4；否则，返回步骤2；
步骤4，判断接收到的Bundle包是否为转发包。
判断Bundle包是否来自于汇聚层：如果是，则说明收到的Bundle包是转发包，直接根据路由表直接转发，返回步骤2；否则，设置本节点为Bundle包的源节点A,并根据Bundle包的目的节点D，Bundle包的大小z及本节点传输Bundle包的时间Aarr计算最小时延路由，执行步骤5；
步骤5，计算最小时延路由。
(5a)初始化：设置标记节点集合S为空，待标记节点集合U存储所有网络节点；将节点A加入标记节点集合S中，并将其从待标记节点集合U中删除，设置节点A为新标记节点X；
(5b)计算新标记节点X到待标记节点集合U中每一个节点N的链路代价wXN：
(5b1)判断待标记节点集合U中是否存在未计算链路代价wXN的节点N：如果是，则执行步骤(5b2)；否则，执行步骤(5c)；
(5b2)判断接触链路XN是否存在：如果不存在，则设置链路代价wXN为无穷大，返回步骤(5b1)；否则，执行步骤(5b3)；
(5b3)根据接触链路XN的排队业务时延qXN和节点X接收到Bundle包的时间Xarr计算节点X传输Bundle包的开始时间t，其计算公式为：
其中，为接触链路XN第m条接触信息的开始时间，为接触链路XN第m条接触信息的终止时间，为接触链路XN第n条接触信息的终止时间，为接触链路XN第n+1条接触信息的开始时间，为接触链路XN第n+1条接触信息的终止时间。
(5b4)根据节点X传输Bundle包的开始时间t和Bundle包的大小z计算链路代价wXN，具体步骤如下：
(5b4a)假设t在接触链路XN的第m条接触信息的连通时间段内，设置接触链路XN当前选择的接触信息CXN为接触信息CXN的开始时间tst为t；
(5b4b)计算接触信息CXN的剩余容量R，计算公式为：
其中，vXN(t)为接触链路XN在t时刻的传输速率，ted为接触信息CXN的终止时间；
(5b4c)判断R是否小于z：如果是，则更新z＝z-R，m＝m+1，设置接触链路XN当前选择的接触信息CXN为返回步骤(5b4b)；否则，执行步骤(5b4d)；
(5b4d)根据公式wXN＝tst+z/vXN计算链路代价wXN。
(5b5)根据链路XN的链路代价wXN判断节点N是否缓存受限，具体步骤如下：
(5b5a)计算在时间wXN时节点N每条接触链路NL的排队业务大小QNL，其计算公式为：
其中，qNL为接触链路NL的排队业务时延，vXN(t)为接触链路NL在t时刻的传输速率；
(5b5b)计算在时间wXN时节点N缓存业务大小QN，其计算公式为：
其中，节点集合V为节点N的邻居节点集合，节点L属于节点集合V；
(5b5c)判断QN+z≤BufN是否成立：如果成立，则说明节点N缓存不受限，直接返回步骤(5b1)；否则，说明缓存受限，设置链路XN的链路代价wXN为无穷大，返回步骤(5b1)。
(5c)从待标记节点集合U中选择链路代价wXN最小的节点N，并将其从待标记节点集合U中删除，将其加入标记节点集合S中；
(5d)判断节点N是否为目的节点D：如果是，则记录已经计算得到的最小时延路由，更新最小时延路由所经过的接触链路XN的业务排队时延qXN＝wXN，更新路由表并重置接触链路XN的链路代价wXN为0，执行步骤(6)；否则，设置节点N为新标识节点X，节点X接收到Bundle包的时间Xarr为wXN，返回步骤(5b)；
步骤6，本节点根据路由表转发Bundle包，并向其他节点发送更新路由表信息，返回步骤2。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.负载感知缓存受限断续连通的卫星网络路由方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)初始化：设置全网节点路由表中的业务排队时延为0，并全网同步预先生成接触计划；
(2)判断是否收到其他网络节点的路由表更新信息：如果是，则更新路由表，执行步骤(3)；否则，直接执行步骤(3)；
(3)判断是否存在需要传输的Bundle包：如果是，则执行步骤(4)；否则，返回步骤(2)；
(4)判断接收到的Bundle包是否为转发包：如果是，则根据路由表直接转发，返回步骤(2)；否则，设置本节点为Bundle包的源节点A,并根据Bundle包的目的节点D，Bundle包的大小z及本节点传输Bundle包的时间Aarr计算最小时延路由，执行步骤(5)
(5)计算最小时延路由：
(5a)初始化：设置标记节点集合S为空，待标记节点集合U存储所有网络节点；将节点A加入标记节点集合S中，并将其从待标记节点集合U中删除，设置节点A为新标记节点X；
(5b)计算新标记节点X到待标记节点集合U中每一个节点N的链路代价wXN：
(5b1)判断待标记节点集合U中是否存在未计算链路代价wXN的节点N：如果是，则执行步骤(5b2)；否则，执行步骤(5c)；
(5b2)判断接触链路XN是否存在：如果不存在，则设置链路代价wXN为无穷大，返回步骤(5b1)；否则，执行步骤(5b3)；
(5b3)根据接触链路XN的排队业务时延qXN和节点X接收到Bundle包的时间Xarr计算节点X传输Bundle包的开始时间t；
(5b4)根据节点X传输Bundle包的开始时间t和Bundle包的大小z计算链路代价wXN；
(5b5)根据链路XN的链路代价wXN判断节点N是否缓存受限：如果是，则设置链路XN的链路代价wXN为无穷大，返回步骤(5b1)；否则，直接返回步骤(5b1)；
(5c)从待标记节点集合U中选择链路代价wXN最小的节点N，并将其从待标记节点集合U中删除，将其加入标记节点集合S中；
(5d)判断节点N是否为目的节点D：如果是，则记录已经计算得到的最小时延路由，更新最小时延路由所经过的接触链路XN的业务排队时延qXN＝wXN，更新路由表并重置接触链路XN的链路代价wXN为0，执行步骤(6)；否则，设置节点N为新标识节点X，节点X接收到Bundle包的时间Xarr为wXN，返回步骤(5b)；
(6)本节点根据路由表转发Bundle包，并向其他节点发送更新的路由表，返回步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5b3)中根据接触链路XN的排队业务时延qXN和节点X接收到Bundle包的时间Xarr计算节点X传输Bundle包的开始时间t，其计算公式为：
其中，为接触链路XN第m条接触信息的开始时间，为接触链路XN第m条接触信息的终止时间，为接触链路XN第n条接触信息的终止时间，为接触链路XN第n+1条接触信息的开始时间，为接触链路XN第n+1条接触信息的终止时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5b4)中根据节点X传输Bundle包的开始时间t和Bundle包的大小z计算链路代价wXN，具体步骤如下：
(5b4a)假设t在接触链路XN的第m条接触信息的连通时间段内，设置接触链路XN当前选择的接触信息CXN为接触信息CXN的开始时间tst为t；
(5b4b)计算接触信息CXN的剩余容量R，计算公式为：
其中，vXN(t)为接触链路XN在t时刻的传输速率，ted为接触信息CXN的终止时间；
(5b4c)判断R是否小于z：如果是，则更新z＝z-R，m＝m+1，设置接触链路XN当前选择的接触信息CXN为返回步骤(5b4b)；否则，执行步骤(5b4d)；
(5b4d)根据公式wXN＝tst+z/vXN计算链路代价wXN。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5b5)中根据链路XN的链路代价wXN判断节点N是否缓存受限，具体步骤如下：
首先，计算在时间wXN时节点N每条接触链路NL的排队业务大小QNL，其计算公式为：
其中，qNL为接触链路NL的排队业务时延，vXN(t)为接触链路NL在t时刻的传输速率；
然后，计算在时间wXN时节点N缓存业务大小QN，其计算公式为：
其中，节点集合V为节点N的邻居节点集合，节点L属于节点集合V；
最后，判断QN+z≤BufN是否成立：如果成立，则说明节点N缓存不受限；否则，说明缓存受限。
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