CN109040865B - 一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统及方法，按照天基宽带传输骨干网网络拓扑及各个交换节点的状态，通过网络资源预分配的调度方式，在天基宽带传输骨干网边界对将要进入天基宽带传输骨干网传输交换的数据进行控制，预规划各个光突发数据进入天基宽带传输骨干网的交换时间和转发路径，实现天基宽带传输骨干网光突发数据交换的冲突消解调度。天基宽带传输骨干网的光突发数据由电域产生，在骨干网络边缘节点完成电光转换后进入骨干网进行光突发交换，到达目的边缘节点后完成光电转换，然后将数据发送至处理终端，完成数据的路由交换过程。本系统通过预规划调度，利用网络资源完成卫星光突发交换的冲突消解。

Description

一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统及方法
技术领域
本发明涉及一种应用于卫星骨干光交换网络的光突发冲突消解实现系统及方法，属于通讯领域。
背景技术
随着卫星网络交换容量的进一步提高，原有的星上电处理方式将无法满足未来大带宽高速率的数据传输交换要求，采用光信号进行星上数据传输与交换将成为今后卫星大容量数据传输网的技术发展方向。由于卫星骨干网数据流量大，光数据星上存储技术受限，无法通过存储转发的方式在骨干网光交换节点避免光数据交换冲突，因此需要通过别的途径解决星上光数据交换时产生的冲突问题。
现役系统中没有涉及关于卫星光突发交换数据冲突消解的实现方法，地面光突发交换调度方法主要采用光缓存或者单节点调度的方式对光数据的发送进行控制，未提及利用整个交换网络进行光数据调度解决冲突的方法。
如何实现现有卫星骨干网络光交换数据调度，避免光数据交换时产生冲突，提高骨干卫星网络链路利用率和数据吞吐率是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对骨干网光交换应用需求，提出了一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统及方法，结合骨干网路由与链路状态，在光突发数据进入骨干网时按照其目的地址及服务保证需求进行数据转发路径的预规划，实现利用网络资源避免光突发数据交换冲突的方法。
本发明的技术方案为：一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，包括：链路控制单元、网络拓扑及路由处理单元、资源管控单元、控制数据处理单元、光突发数据汇聚处理单元、光突发数据解汇聚处理单元；
链路控制单元，采用通用的链路时间同步方法，对天基宽带传输骨干网中各骨干卫星光交换节点的时间进行同步并测量各相邻两个骨干卫星光交换节点之间链路的传输时延，将各链路的时延作为网络属性送至资源管控单元；
网络拓扑及路由处理单元，能够通过路由算法获取源端边界节点与目的端边界节点之间的多条路径，并对每条路径的状态进行标识，得到可用路径，然后将可用路径传输给资源管控单元；
光突发数据汇聚处理单元，接收源端边界节点的电域数据，将电域数据按照头部标识中相同目的地址和相同优先级进行汇聚，汇聚为符合光突发形式的电域数据，当收到资源管控单元的发送指令后，将该符合光突发形式的数据进行电光转换，形成光突发数据发送给天基宽带传输骨干网中目的地址对应的可用路径的光交换节点；光突发数据汇聚处理单元从源端边界节点的电域数据中获取目的地址、数据优先级送至资源管控单元；
资源管控单元按照光突发数据汇聚处理单元提供的信息，对即将发送的光突发数据进行调度，如果调度成功给光突发数据汇聚处理单元传输发送指令；发送指令中包含，光突发数据发送的端口、光突发数据发送的时刻；调度失败则让光突发数据汇聚处理单元丢弃数据
资源管控单元，按照可用路径及到达路径中各个交换节点的到达时间、目的地址、数据优先级，生成控制信息，将该控制信息及其发送时刻发送给控制数据处理单元；资源管控单元，还能够接收控制数据处理单元送来的光突发数据的目的地址、数据优先级、数据到达时间；资源管控单元，能够给光突发数据解汇聚处理单元发送光突发数据的到达时间以及数据优先级和目的地址，并接收光突发数据解汇聚处理单元的对光突发数据转换为电域数据的完成情况信息；
控制数据处理单元，接收资源管控单元送来的控制信息，将该控制信息封装成光突发数据控制信息，在接收到资源管控单元送来的发送指令后，将光突发数据控制信息发送到天基宽带传输骨干网中目的地址对应的可用路径的光交换节点；同时控制数据处理单元，能够接收天基宽带传输骨干网中光交换节点发送来的光突发数据控制信息，并从光突发数据控制信息中解析出光突发数据的目的地址、数据优先级、数据到达时间；
光突发数据解汇聚处理单元接收资源管控单元送来的光突发数据的到达时间以及数据优先级和目的地址，按照到达时间将光突发数据转换为电域数据，控制电域数据发送给目的端边界节点连接的目的端卫星或终端，并将光突发数据转换完成情况信息反馈给资源管控单元。
天基宽带传输骨干网，包括：多个卫星光交换骨干节点，每个卫星光交换骨干节点可以作为边界节点或者骨干节点；各个卫星光交换骨干节点之间通过光链路连接。
当天基宽带传输骨干网以外的源端卫星或终端需要通过天基宽带传输骨干网与目的端卫星或终端进行数据交换时，与天基宽带传输骨干网以外的源端卫星或终端直接连接的卫星光交换骨干节点作为源端边界节点，与天基宽带传输骨干网以外的目的端卫星或终端直接连接的卫星光交换骨干节点作为目的端边界节点，源端的边界节点与目的端的边界节点之间数据通过的节点作为光交换节点。
路由算法采用RIP或OSPF算法。
突发数据汇聚处理单元接收源端边界节点的电域数据，包括数据头部和净荷。
汇聚为符合光突发形式，具体是指：由多个相同目的地址和相同优先级的电域数据组合为一个符合光突发规定长度的数据。
光突发数据汇聚处理单元读取源端边界节点的电域数据的目的地址、数据优先级，其中目的地址、数据优先级从电域数据中获取。
一种卫星光突发交换冲突消解调度实现方法，步骤如下：
(1)获取天基宽带传输骨干网中已知固定参数，包括：TMAX，TB，tpm，N，M，tfn，tl[p,q]，tam；
(2)获得光突发数据控制信息的最大处理周期TP；
(3)将天基宽带传输骨干网中各个光交换节点的光突发数据控制信息解析处理时间统一为TP，对当前时间tfn所有在光突发数据汇聚处理单元完成汇聚待发送的数据的信息进行提取，获得汇聚后数据的已等待时间Δtn、目的地址和数据优先级；由资源管控单元判断，如果第n个汇聚完成待发送的数据的Δtn≥TMAX，则判定该数据冲突消解调度失败，丢弃该汇聚完成待发送的数据，如果满足Δtn<TMAX的汇聚完成待发送的数据由资源管控单元按照优先级进行排序，首先调度高优先级的汇聚完成待发送的数据，当优先级相同时，优先调度Δtn数值大的汇聚完成待发送的数据，如果优先级和Δtn两个条件都相同，则随机挑选符合条件的汇聚完成待发送的数据优先进行调度；
(4)由资源管控单元确定步骤(3)当前待调度的汇聚完成待发送的数据为n0，按照该数据的目的地址查询网络拓扑及路由处理单元提供的路由及对应可用路径；
(5)资源管控单元通过网络拓扑及路由处理单元获得各个天基宽带传输骨干网光交换节点可用路径，形成路由表，根据该路由表形成时隙资源映射表，并实时按照时隙资源分配状态更新时隙资源映射表，按照n0的目的地址查询路由表，获得由源端边界节点到目的端边界节点的转发路径节点集合U(A,B,C…)，其中A、B、C为节点的名称，资源管控单元按照可用路径上的节点链路延迟tl[p,q]，计算到达每个节点的时间tam；
(6)确定当前汇聚完成待发送的数据n0对应的的tin0；
(7)获得占用源端边界节点到目的端边界节点的每个节点时隙资源的集合Ua，与每个节点对应的出端口时隙资源进行比较，如果集合Ua所有占用的时隙在各个节点均空闲，则资源分配成功，否则返回步骤(5)，否则资源分配失败，等待下一个光突发数据发送周期重新进行资源分配；
如果资源分配成功，由资源管控单元生成对应的光突发数据控制信息，按照成功分配结果计算tsn0和tcn0；
(8)根据tsn0和tcn0，完成当前所有待调度的汇聚完成待发送的数据的资源分配。
步骤(1)中各个参数数据约束条件为
TMAX>TB,TB>0,tpm>0,M>0,N≤M,tfn>0,tl[p,q]>0,tam>0。
设定光突发数据发送周期为TB，电域数据在光突发数据汇聚处理单元完成汇聚等待发送的超时时间为TMAX，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成的时刻为tfn，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成后已等待时间为Δtn，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成到发送的时间为tsn，第n个控制数据处理单元封装成的光突发数据控制信息提前其对应的光突发数据的时间为tin，骨干网第m个节点控制信息处理时间为tpm,m＝1,2,…,M，天基宽带传输骨干网第p个节点到第q个节点的链路时延通过链路控制单元获得为tl[p,q]，光突发数据从源端边界节点到达第m个光交换节点的时间为tam；光突发数据控制信息在控制数据处理单元的最大处理周期为TP，第n个光突发数据对应的光突发数据控制信息通过资源管控单元获得的发送时间为tcn，光突发数据从源端边界节点到目的端边界节点经过天基宽带传输骨干网中交换节点个数为N，天基宽带传输骨干网中所有节点个数为M。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明一种星上光突发数据交换冲突消解调度方法，通过时间和空间相结合的调度方式，将网络作为数据冲突消解的解决途径，通过整个网络调度避免光突发数据冲突，提高光突发数据交换的成功率，从而进一步提高了整个网络的数据吞吐率。
(2)本发明提出的卫星光突发交换冲突消解调度实现方法充分考虑了卫星骨干网络卫星节点空间环境的特点，具有星上的工程可实现性。
(3)本发明将网络分为天基宽带传输骨干网边界节点和天基宽带传输骨干网交换节点，光突发数据的冲突消解调度由天基宽带传输骨干网边界节点完成，天基宽带传输骨干网交换节点仅按照天基宽带传输骨干网边界节点的分配结果进行交换，降低了数量较多的交换节点的设计复杂度，从而降低整个网络的建设成本。
(4)本发明采用资源预分配的方式调度光突发数据，在光突发数据进入天基宽带传输骨干网交换前进行资源分配，保证光突发数据在进入天基宽带传输骨干交换时不会在中间交换节点发生冲突，大大提高了天基宽带传输骨干网的链路利用率。
(5)本发明针对天基宽带传输骨干网网络环境，结合电域与光域处理数据的特性，在边界节点对电域进行缓存，然后形成光突发数据进入天基宽带传输骨干网进行光交换，充分利用了电域数据处理灵活，光域数据吞吐量大的特点，同时降低了对整个天基宽带传输骨干网交换节点间的时间同步要求。
附图说明
图1为本发明的卫星光突发交换冲突消解调度实现示意图；
图2为本发明的卫星光突发交换冲突消解调度方法实现结构图；
图3为本发明的一种卫星光突发交换冲突消解调度处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明涉及一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统及方法，按照天基宽带传输骨干网网络拓扑及各个交换节点的状态，通过网络资源预分配的调度方式，在天基宽带传输骨干网边界对将要进入天基宽带传输骨干网传输交换的数据进行控制，预规划各个光突发数据进入天基宽带传输骨干网的交换时间和转发路径，实现天基宽带传输骨干网光突发数据交换的冲突消解调度。天基宽带传输骨干网的光突发数据由电域产生，在骨干网络边缘节点完成电光转换后进入骨干网进行光突发交换，到达目的边缘节点后完成光电转换，然后将数据发送至处理终端，完成数据的路由交换过程。本系统通过预规划调度，利用网络资源完成卫星光突发交换的冲突消解。
本发明一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统及方法应用在天基宽带传输骨干网中，按照光突发交换的技术特点结合天基宽带传输骨干网路由与路径状态，以及卫星空间应用对光处理器件的要求，提出在光突发数据进入骨干网时按照其目的地址及优先级进行数据交换路径的预规划，将所有需要进入骨干网的光突发数据进行统一调度，避免光突发数据直接进入网络产生冲突，各个光突发数据按照预规划控制发送，实现利用网络资源避免光突发数据交换冲突的方法，可以有效解决天基宽带传输骨干网光突发交换数据冲突问题，可应用到大容量星上光突发交换方向，对卫星光通信具有重要的应用价值。
如图2所示，一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，包括：链路控制单元、网络拓扑及路由处理单元、资源管控单元、控制数据处理单元、光突发数据汇聚处理单元、光突发数据解汇聚处理单元，卫星光突发交换冲突消解调度实现系统在边界节点内，天基宽带传输骨干网网络由天基宽带传输骨干网边界节点和天基宽带传输骨干网交换节点构成，网络节点关系如图1所示。
链路控制单元，采用通用的链路时间同步方法，对天基宽带传输骨干网中各骨干卫星光交换节点的时间进行同步并测量各相邻两个骨干卫星光交换节点之间链路的传输时延，将各链路的时延作为网络属性送至资源管控单元，由管理控制单元按照当前待调度的汇聚完成的电域数据交换路径中各个节点之间的链路时延，计算对应的光突发数据到达路径中各个节点的时间；
网络拓扑及路由处理单元，能够通过路由算法(路由算法可采用通用的如RIP或OSPF等)获取源端边界节点与目的端边界节点之间的多条路径，并对每条路径的状态进行标识，标识对应的多条路径当前是否可用，得到可用路径，然后将可用路径传输给资源管控单元；
光突发数据汇聚处理单元，接收源端边界节点的电域数据(电域数据包括：数据头部和数据净荷，数据头部为数据目的地址、数据优先级、以及其它数据属性信息，数据净荷为源节点与目的节点间需要传输的数据)，将电域数据按照头部标识中相同目的地址和相同优先级汇聚为符合光突发形式的电域数据，汇聚的过程是由多个相同目的地址和相同优先级的电域数据封装为统一的一个符合光突发规定长度的电域数据，当收到资源管控单元的发送指令后，将该符合光突发形式的数据进行电光转换，形成光突发数据发送给天基宽带传输骨干网中目的地址对应的可用路径的光交换节点；光突发数据汇聚处理单元从源端边界节点的电域数据中获取目的地址、数据优先级送至资源管控单元；
资源管控单元按照光突发数据汇聚处理单元提供的信息，对即将发送的光突发数据进行调度，如果调度成功给光突发数据汇聚处理单元传输发送指令；发送指令中包含，光突发数据发送的端口、光突发数据发送的时刻；调度失败则让光突发数据汇聚处理单元丢弃数据
资源管控单元，按照可用路径及到达路径中各个交换节点的到达时间、目的地址、数据优先级，生成控制信息，将该控制信息及其发送时刻发送给控制数据处理单元；
资源管控单元，还能够接收控制数据处理单元送来的光突发数据的目的地址、数据优先级、数据到达时间；
资源管控单元，能够给光突发数据解汇聚处理单元发送光突发数据的到达时间以及数据优先级和目的地址，并接收光突发数据解汇聚处理单元的对光突发数据转换为电域数据的完成情况信息；
控制数据处理单元，接收资源管控单元送来的控制信息，将该控制信息封装(控制信息封装由净荷和头部组成，将可用路径、到达路径中各个交换节点的到达时间、目的地址、数据优先级作为控制信息的净荷，在净荷前增加控制信息发送的对应的下一个目的交换节点的目的地址，以及发送该控制信息的交换节点的源地址，控制信息数据类型作为头部)成光突发数据控制信息，在接收到资源管控单元送来的发送指令后，将光突发数据控制信息发送到天基宽带传输骨干网中目的地址对应的可用路径的光交换节点；同时控制数据处理单元，能够接收天基宽带传输骨干网中光交换节点发送来的光突发数据控制信息，并从光突发数据控制信息中解析出光突发数据的目的地址、数据优先级、数据到达时间；
光突发数据解汇聚处理单元接收资源管控单元送来的光突发数据的到达时间以及数据优先级和目的地址，按照到达时间将光突发数据转换为电域数据，控制电域数据发送给目的端边界节点连接的目的端卫星或终端，并将光突发数据转换完成情况信息反馈给资源管控单元。
天基宽带传输骨干网，包括：多个卫星光交换骨干节点，每个卫星光交换骨干节点可以作为边界节点或者骨干节点；各个卫星光交换骨干节点之间通过光链路连接。
当天基宽带传输骨干网以外的源端卫星或终端需要通过天基宽带传输骨干网与目的端卫星或终端进行数据交换时，与天基宽带传输骨干网以外的源端卫星或终端直接连接的卫星光交换骨干节点作为源端边界节点，与天基宽带传输骨干网以外的目的端卫星或终端直接连接的卫星光交换骨干节点作为目的端边界节点，源端的边界节点与目的端的边界节点之间数据通过的节点作为光交换节点。
网络拓扑及路由处理单元对每条路径的路径状态进行标识，具体为标识从源端边界节点到目的端边界节点对应的路径是否可用。
突发数据汇聚处理单元接收源端边界节点的电域数据，包括数据头部和净荷，数据头部为数据目的地址、数据优先级、以及其它数据属性信息，数据净荷为源节点与目的节点间需要传输的数据。
汇聚为符合光突发形式，具体是指：由多个相同目的地址和相同优先级的电域数据组合为一个符合光突发规定长度的数据。
光突发数据汇聚处理单元读取源端边界节点电域数据的目的地址、数据优先级，其中目的地址、数据优先级从电域数据头部中获取。
控制数据处理单元，接收资源管控单元送来的控制信息，将该控制信息封装(控制信息封装由净荷和头部组成，将可用路径、到达路径中各个交换节点的到达时间、目的地址、数据优先级作为控制信息的净荷，在净荷前增加控制信息发送对应的下一个目的交换节点的目的地址，以及发送该控制信息的交换节点的源地址，控制信息数据类型作为头部，封装为控制信息)成光突发数据控制信息。
步骤(2)获得光突发数据控制信息的最大处理周期TP，优选如下：
TP＝MAX(tp1,tp2,...,tpM)。
步骤(5)计算到达每个节点的时间tam，优选如下：
taA＝tl[0,A]
taB＝tl[0,A]+tl[A,B]
taC＝tl[0,A]+tl[A,B]+tl[A,C]
taD,taE...
其中，taA为对应光突发数据从源端边界节点到达交换节点A的时间，taB为对应光突发数据从源端边界节点经过交换节点A到达交换节点B的时间，taC为对应光突发数据从源端边界节点经过交换节点A和交换节点B到达交换节点C的时间，taD为对应光突发数据从源端边界节点经过交换节点A、交换节点B和交换节点C到达交换节点D的时间，taE为对应光突发数据从源端边界节点经过交换节点A、交换节点B、交换节点C和交换节点D到达交换节点E的时间。
步骤(6)确定当前汇聚完成待发送的数据n0对应的tin0，优选如下：
Figure GDA0002942351040000111
tin0为第n个控制数据处理单元封装成的光突发数据n0的控制信息提前其对应的光突发数据的时间。
步骤(7)获得占用源端边界节点到目的端边界节点的每个节点时隙资源的集合
Figure GDA0002942351040000117
Figure GDA0002942351040000113
Figure GDA0002942351040000114
然后与每个节点对应的出端口时隙资源进行比较，如果集合Ua所有占用的时隙在各个节点均空闲，则资源分配成功，否则返回步骤(5)，否则资源分配失败，等待下一个光突发数据发送周期重新进行资源分配；
如果资源分配成功，由资源管控单元生成对应的光突发数据控制信息，按照成功分配结果计算tsn0和tcn0优选如下公式
Figure GDA0002942351040000115
Figure GDA0002942351040000116
式中，tsn0为电域数据n0在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成到发送的时间，tcn0为电域数据n0对应的光突发数据所对应的光突发数据控制信息通过资源管控单元获得的发送时间。
一种卫星光突发交换冲突消解调度实现方法，步骤如下：
(1)设定光突发数据发送周期为TB，电域数据在光突发数据汇聚处理单元完成汇聚等待发送的超时时间为TMAX，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成的时刻为tfn，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成后已等待时间为Δtn，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成到发送的时间为tsn，第n个控制数据处理单元封装成的光突发数据控制信息提前其对应的光突发数据的时间为tin，骨干网第m个节点控制信息处理时间为tpm,m＝1,2,…,M，天基宽带传输骨干网第p个节点到第q个节点的链路时延通过链路控制单元获得为tl[p,q]，光突发数据从源端边界节点到达第m个光交换节点的时间为tam。光突发数据控制信息在控制数据处理单元的最大处理周期为TP，第n个光突发数据对应的光突发数据控制信息通过资源管控单元获得的发送时间为tcn，光突发数据从源端边界节点到目的端边界节点经过天基宽带传输骨干网中交换节点个数为N，天基宽带传输骨干网中所有节点个数为M。光突发交换冲突消解调度实现方法目的是获得符合要求的tsn和tcn。
(2)获取天基宽带传输骨干网中已知固定参数，包括：TMAX，TB，tpm，N，M，tfn，tl[p,q]，tam。各个参数数据约束条件为TMAX>TB,TB>0,tpm>0,M>0,N≤M,tfn>0,tl[p,q]>0,tam>0
(3)首先获得光突发数据控制信息的最大处理周期TP，
TP＝MAX(tp1,tp2,...,tpM)
(4)将天基宽带传输骨干网中各个光交换节点的光突发数据控制信息解析处理时间统一为TP，对当前时间tfn所有在光突发数据汇聚处理单元完成汇聚待发送的数据的信息(信息包括目的地址和数据优先级)进行提取，获得汇聚后数据的已等待时间Δtn、目的地址和数据优先级。由资源管控单元判断，如果第n个汇聚完成待发送的数据的Δtn≥TMAX，则判定该数据冲突消解调度失败，丢弃该汇聚完成待发送的数据。如果满足Δtn<TMAX的汇聚完成待发送的数据由资源管控单元按照优先级进行排序，首先调度高优先级的汇聚完成待发送的数据，当优先级相同时，优先调度Δtn数值大的汇聚完成待发送的数据，如果优先级和Δtn两个条件都相同，则随机挑选符合条件的汇聚完成待发送的数据优先进行调度。
(5)由资源管控单元确定步骤(4)当前待调度的汇聚完成待发送的数据为n0，按照该数据的目的地址查询网络拓扑及路由处理单元提供的路由及对应可用路径。
(6)资源管控单元通过网络拓扑及路由处理单元获得各个天基宽带传输骨干网光交换节点可用路径，形成路由表，根据该路由表形成时隙资源映射表。
时隙资源映射表是路由表路径中交换节点出端口对应的数据发送时间是否被占用的标识表，由交换节点端口、端口发送数据划分的每个时间区间，以及时间区间是否被占用的标识三部分组成。通过查询时隙资源映射表可获得可用路径上各个交换节点光突发数据发送端口对应的发送时间是否空闲，交换路径上所有出端口对应的发送时间区间(发送时间区间为时隙资源的集合Ua)空闲，则对应要发送的光突发数据冲突消解成功，并实时按照时隙资源分配状态(时隙资源分配状态包括空闲和非空闲两种状态)更新时隙资源映射表，将对应交换节点出端口的发送时间区间标识为非空闲状态。
按照n0的目的地址查询路由表，获得由源端边界节点到目的端边界节点的转发路径节点集合U(A,B,C…)，其中A、B、C为节点的名称，资源管控单元按照可用路径上的节点链路延迟tl[p,q]，计算到达每个节点的时间tam为
taA＝tl[0,A]
taB＝tl[0,A]+tl[A,B]
taC＝tl[0,A]+tl[A,B]+tl[A,C]
taD,taE...
其中，taA为对应光突发数据从源端边界节点到达交换节点A的时间，taB为对应光突发数据从源端边界节点经过交换节点A到达交换节点B的时间，taC为对应光突发数据从源端边界节点经过交换节点A和交换节点B到达交换节点C的时间，taD为对应光突发数据从源端边界节点经过交换节点A、交换节点B和交换节点C到达交换节点D的时间，taE为对应光突发数据从源端边界节点经过交换节点A、交换节点B、交换节点C和交换节点D到达交换节点E的时间，其中的ABCDE是指m＝1,2,…M中的前五个节点。
(7)当前汇聚完成待发送的数据n0对应的的tin0为
Figure GDA0002942351040000141
tin0为第n个控制数据处理单元封装成的光突发数据n0的控制信息提前其对应的光突发数据的时间；
(8)获得占用源端边界节点到目的端边界节点的每个节点时隙资源的集合
Figure GDA0002942351040000148
Figure GDA0002942351040000143
Figure GDA0002942351040000144
式中，
Figure GDA0002942351040000145
为对应第n0个光突发数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成的时刻，其中冒号的含义为从冒号之前的时刻到冒号之后的时刻的时间区间。
与每个节点对应的出端口时隙资源进行比较(即查询时隙资源映射表对应的时隙状态是否为空闲)，如果集合Ua所有占用的时隙在各个节点均空闲，则资源分配成功，否则返回步骤(6)重新选择一条不同的源端边界节点到目的端边界节点的路径，重新进行资源分配。如果所有源端边界节点到目的端边界节点的路径全部资源分配失败，则当前周期资源分配失败，等待下一个光突发数据发送周期重新进行资源分配；
如果资源分配成功，由资源管控单元生成对应的光突发数据控制信息，按照成功分配结果计算tsn0和tcn0
Figure GDA0002942351040000146
Figure GDA0002942351040000147
式中，tsn0为电域数据n0在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成到发送的时间，tcn0为电域数据n0对应的光突发数据所对应的光突发数据控制信息通过资源管控单元获得的发送时间；
(9)根据tsn0和tcn0完成当前所有待调度的汇聚完成待发送的数据的资源分配。第n0个数据分配成功后获得对应的tsn0和tcn0，按照tsn0和tcn0规定的光突发数据及光突发数据控制信息的发送时间，更新光突发数据占用对应交换路径节点出端口的时隙资源的状态(即更新时隙资源映射表)，其它待调度光突发数据按照更新后的时隙资源映射表进行调度分配可用的时隙资源。完成当前周期的光突发数据调度后，按照相同方法调度下一个周期光突发数据。调度处理流程如图3所示。
本发明通过时间和空间相结合的调度方式，将网络作为数据冲突消解的解决途径，通过整个网络调度避免光突发数据冲突，提高光突发数据交换的成功率，从而进一步提高了整个网络的数据吞吐率。本发明提出的卫星光突发交换冲突消解调度实现方法充分考虑了卫星骨干网络卫星节点空间环境的特点，具有星上的工程可实现性。本发明将网络分为天基宽带传输骨干网边界节点和天基宽带传输骨干网交换节点，光突发数据的冲突消解调度由天基宽带传输骨干网边界节点完成，天基宽带传输骨干网交换节点仅按照天基宽带传输骨干网边界节点的分配结果进行交换，降低了数量较多的交换节点的设计复杂度，从而降低整个网络的建设成本。
本发明采用资源预分配的方式调度光突发数据，在光突发数据进入天基宽带传输骨干网交换前进行资源分配，保证光突发数据在进入天基宽带传输骨干交换时不会在中间交换节点发生冲突，大大提高了天基宽带传输骨干网的链路利用率。本发明针对天基宽带传输骨干网网络环境，结合电域与光域处理数据的特性，在边界节点对电域进行缓存，然后形成光突发数据进入天基宽带传输骨干网进行光交换，充分利用了电域数据处理灵活，光域数据吞吐量大的特点，同时降低了对整个天基宽带传输骨干网交换节点间的时间同步要求。
步骤(1)说明一种卫星光突发交换冲突消解调度实现方法中涉及的各类参数的含义，方便后续对一种卫星光突发交换冲突消解调度实现方法过程的描述。通过时间和空间相结合的调度方式，将网络作为数据冲突消解的解决途径，通过整个网络调度避免光突发数据冲突，提高光突发数据交换的成功率，从而进一步提高了整个网络的数据吞吐率。
步骤(2)中明确天基宽带传输骨干网网络的各类已知参数，及各个已知参数的约束条件，通过已知参数调度卫星光突发数据，避免光突发数据在网络中的冲突，计算获得调度结果。
步骤(3)中充分考虑了卫星骨干网络卫星节点空间环境的特点，明确各个交换节点网络控制信息的处理周期，获得最大处理周期作为调度算法实现的关键参数，因此具有星上的工程可实现性。
步骤(4)中描述符合调度条件的电域数据的属性，对满足条件的电域数据进行调度，不满足条件的电域数据暂缓调度或进行丢弃，保证高优先级数据获得更好的服务保证能力。对超时的无法完成调度的电域数据进行丢弃，合理释放处理资源。
步骤(5)中查询待调度电域数据的转发路径，将网络分为天基宽带传输骨干网边界节点和天基宽带传输骨干网交换节点，光突发数据的冲突消解调度由天基宽带传输骨干网边界节点完成，天基宽带传输骨干网交换节点仅按照天基宽带传输骨干网边界节点的分配结果进行交换，降低了数量较多的交换节点的设计复杂度，从而降低整个网络的建设成本。
步骤(6)中形成时隙资源映射表，并获得当前调度电域数据按照对应路径到达路径上各个交换节点的时间，作为步骤(8)的调度依据。
步骤(7)中获得当前调度电域数据对应路径的tin0，作为步骤(8)的调度依据。
步骤(8)中按照步骤(6)和步骤(7)，以及天基宽带传输骨干网网络参数计算待调度电域数据对应交换路径到达各个交换节点的时间占用区间，并查询时隙资源映射表对应的时间区间是否空闲，判断是否成功分配资源。采用资源预分配的方式调度光突发数据，在光突发数据进入天基宽带传输骨干网交换前进行资源分配，保证光突发数据在进入天基宽带传输骨干交换时不会在中间交换节点发生冲突，大大提高了天基宽带传输骨干网的链路利用率。
步骤(9)中完成当前调度电域数据调度过程，重复调度下一个电域数据。一种卫星光突发交换冲突消解调度实现方法针对天基宽带传输骨干网网络环境，结合电域与光域处理数据的特性，在边界节点对电域进行缓存，然后形成光突发数据进入天基宽带传输骨干网进行光交换，充分利用了电域数据处理灵活，光域数据吞吐量大的特点，同时降低了对整个天基宽带传输骨干网交换节点间的时间同步要求。
天基骨干网边界节点电数据端口速率为1Gbps，光数据速率为10Gbps，光链路采用1550nm波段进行数据传输。天基骨干网交换节点光数据速率为10Gbps，光链路采用1550nm波段进行数据传输。
具体应用实例如下：获取天基宽带传输骨干网中已知固定参数，包括：TMAX，TB，tpm，N，M，tfn，tl[p,q]，tam。各个参数之间的关系及取值如下：
TMAX>TB,TB>0,tpm>0,M>0,N≤M,tfn>0,tl[p,q]>0,tam>0
TB＝1ms,TMAX＝3ms,M＝8,N＝4
其中有8个网络节点，每个节点的tpm为：
tp1＝50us，tp2＝30us，tp3＝50us，tp4＝20us，tp5＝40us，tp6＝30us，tp7＝50us，tp8＝50us
过程中共有1个数据汇聚完成待发送，为n0对应
tfn0＝835ms
数据的转发路径经过的卫星节点编号为1，2，3，4，对应的链路时延为：
tl[1,2]＝238ms，tl[2,3]＝120ms，tl[3,4]＝155ms
到达每个节点的时间为：
ta2＝tl[1,2]＝238ms，ta3＝tl[1,2]+tl[2,3]＝358ms，ta4＝tl[1,2]+tl[2,3]+tl[3,4]＝513ms
首先获得光突发数据控制信息的最大处理周期TP，
TP＝MAX(tp1,tp2,tp3,tp4,tp5,tp6,tp7,tp8)＝50us
将天基宽带传输骨干网中各个光交换节点的光突发数据控制信息解析处理时间统一为TP，对当前时间tfn0在光突发数据汇聚处理单元完成汇聚待发送的数据的信息(信息包括目的地址和数据优先级)进行提取，获得汇聚后数据的已等待时间Δtn0＝0ms、目的地址为节点4，数据优先级为3(优先级分别为1,2,3,3表示最高优先级)。由资源管控单元判断，满足Δtn<TMAX的汇聚完成待发送的数据由资源管控单元按照优先级进行排序，当前只有n0待发送，因此调度数据n0。
获得数据n0的可用路径为经过节点2,3到达目的端边界节点4。查询对应的路由表获得节点1中到达节点2的端口为A，节点2中到达节点3的端口为B，节点3中到达节点4的端口为C。
形成时隙资源映射表，交换节点1出端口A所有时间区间空闲，交换节点2出端口B所有时间区间空闲，交换节点3出端口C所有时间区间空闲。
到达路径上每个节点的时间tam为
ta2＝tl[1,2]＝238ms，ta3＝tl[1,2]+tl[2,3]＝358ms，ta4＝tl[1,2]+tl[2,3]+tl[3,4]＝513ms
当前汇聚完成待发送的数据n0对应的的tin0为
Figure GDA0002942351040000181
获得占用源端边界节点到目的端边界节点的节点1、节点2、节点3时隙资源的集合
Figure GDA0002942351040000185
Figure GDA0002942351040000183
Figure GDA0002942351040000184
获得计算后的Ua([1073.2ms:1074.2ms],[1193.2ms:1194.2ms],[1348.2ms:1349.2ms])。
比较Ua与时隙资源映射表，交换节点1出端口A对应的时间区间为空闲，交换节点2出端口B对应时间区间空闲，交换节点3出端口C对应时间区间空闲。
由于对应路径中所有交换节点的出端口对应时间区间均空闲，因此资源分配成功，按照成功分配结果计算tsn0和tcn0
Figure GDA0002942351040000191
Figure GDA0002942351040000192
根据tsn0和tcn0完成当前所有待调度的汇聚完成待发送的数据的资源分配。第n0个数据分配成功后获得对应的tsn0和tcn0，按照tsn0和tcn0规定的光突发数据及光突发数据控制信息的发送时间，更新光突发数据占用对应交换路径节点出端口的时隙资源的状态(即更新时隙资源映射表)，交换节点1出端口A对应的时间区间[1073.2ms:1074.2ms]为非空闲，交换节点2出端口B对应时间区间[1193.2ms:1194.2ms]为非空闲，交换节点3出端口C对应时间区间[1348.2ms:1349.2ms]为非空闲，其它待调度光突发数据按照更新后的时隙资源映射表进行调度分配可用的时隙资源。完成当前周期的光突发数据调度后，按照相同方法调度下一个周期光突发数据，调度处理流程如图3所示。
通过网络仿真软件对一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统的效果进行测试，具体仿真测试环境及结果如下
Figure GDA0002942351040000193
由上表可以看出采用本系统的方式对天基宽带传输骨干网光突发数据进行冲突消解调度，可以降低53.2％的丢包率，提高53.2％的网络数据吞吐率。
本发明一种星上光突发数据交换冲突消解调度方法，通过时间和空间相结合的调度方式，将网络作为数据冲突消解的解决途径，通过整个网络调度避免光突发数据冲突，提高光突发数据交换的成功率，从而进一步提高了整个网络的数据吞吐率。本发明提出的卫星光突发交换冲突消解调度实现方法充分考虑了卫星骨干网络卫星节点空间环境的特点，具有星上的工程可实现性。本发明将网络分为天基宽带传输骨干网边界节点和天基宽带传输骨干网交换节点，光突发数据的冲突消解调度由天基宽带传输骨干网边界节点完成，天基宽带传输骨干网交换节点仅按照天基宽带传输骨干网边界节点的分配结果进行交换，降低了数量较多的交换节点的设计复杂度，从而降低整个网络的建设成本。
本发明采用资源预分配的方式调度光突发数据，在光突发数据进入天基宽带传输骨干网交换前进行资源分配，保证光突发数据在进入天基宽带传输骨干交换时不会在中间交换节点发生冲突，大大提高了天基宽带传输骨干网的链路利用率。本发明针对天基宽带传输骨干网网络环境，结合电域与光域处理数据的特性，在边界节点对电域进行缓存，然后形成光突发数据进入天基宽带传输骨干网进行光交换，充分利用了电域数据处理灵活，光域数据吞吐量大的特点，同时降低了对整个天基宽带传输骨干网交换节点间的时间同步要求。

Claims (9)

1.一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，其特征在于包括：链路控制单元、网络拓扑及路由处理单元、资源管控单元、控制数据处理单元、光突发数据汇聚处理单元、光突发数据解汇聚处理单元；
链路控制单元，采用通用的链路时间同步方法，对天基宽带传输骨干网中各骨干卫星光交换节点的时间进行同步并测量各相邻两个骨干卫星光交换节点之间链路的传输时延，将各链路的时延作为网络属性送至资源管控单元；
网络拓扑及路由处理单元，能够通过路由算法获取源端边界节点与目的端边界节点之间的多条路径，并对每条路径的状态进行标识，得到可用路径，然后将可用路径传输给资源管控单元；
光突发数据汇聚处理单元，接收源端边界节点的电域数据，将电域数据按照头部标识中相同目的地址和相同优先级进行汇聚，汇聚为符合光突发形式的电域数据，当收到资源管控单元的发送指令后，将该符合光突发形式的数据进行电光转换，形成光突发数据发送给天基宽带传输骨干网中目的地址对应的可用路径的光交换节点；光突发数据汇聚处理单元从源端边界节点的电域数据中获取目的地址、数据优先级送至资源管控单元；
资源管控单元按照光突发数据汇聚处理单元提供的信息，对即将发送的光突发数据进行调度，如果调度成功给光突发数据汇聚处理单元传输发送指令；发送指令中包含，光突发数据发送的端口、光突发数据发送的时刻；调度失败则让光突发数据汇聚处理单元丢弃数据；
资源管控单元，按照可用路径及到达路径中各个交换节点的到达时间、目的地址、数据优先级，生成控制信息，将该控制信息及其发送时刻发送给控制数据处理单元；资源管控单元，还能够接收控制数据处理单元送来的光突发数据的目的地址、数据优先级、数据到达时间；资源管控单元，能够给光突发数据解汇聚处理单元发送光突发数据的到达时间以及数据优先级和目的地址，并接收光突发数据解汇聚处理单元的对光突发数据转换为电域数据的完成情况信息；
控制数据处理单元，接收资源管控单元送来的控制信息，将该控制信息封装成光突发数据控制信息，在接收到资源管控单元送来的发送指令后，将光突发数据控制信息发送到天基宽带传输骨干网中目的地址对应的可用路径的光交换节点；同时控制数据处理单元，能够接收天基宽带传输骨干网中光交换节点发送来的光突发数据控制信息，并从光突发数据控制信息中解析出光突发数据的目的地址、数据优先级、数据到达时间；
光突发数据解汇聚处理单元接收资源管控单元送来的光突发数据的到达时间以及数据优先级和目的地址，按照到达时间将光突发数据转换为电域数据，控制电域数据发送给目的端边界节点连接的目的端卫星或终端，并将光突发数据转换完成情况信息反馈给资源管控单元。
2.根据权利要求1所述的一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，其特征在于：天基宽带传输骨干网，包括：多个卫星光交换骨干节点，每个卫星光交换骨干节点可以作为边界节点或者骨干节点；各个卫星光交换骨干节点之间通过光链路连接。
3.根据权利要求2所述的一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，其特征在于：当天基宽带传输骨干网以外的源端卫星或终端需要通过天基宽带传输骨干网与目的端卫星或终端进行数据交换时，与天基宽带传输骨干网以外的源端卫星或终端直接连接的卫星光交换骨干节点作为源端边界节点，与天基宽带传输骨干网以外的目的端卫星或终端直接连接的卫星光交换骨干节点作为目的端边界节点，源端的边界节点与目的端的边界节点之间数据通过的节点作为光交换节点。
4.根据权利要求1所述的一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，其特征在于：路由算法采用RIP或OSPF算法。
5.根据权利要求1所述的一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，其特征在于：突发数据汇聚处理单元接收源端边界节点的电域数据，包括数据头部和净荷。
6.根据权利要求1所述的一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，其特征在于：汇聚为符合光突发形式，具体是指：由多个相同目的地址和相同优先级的电域数据组合为一个符合光突发规定长度的数据。
7.根据权利要求1所述的一种卫星光突发交换冲突消解调度实现系统，其特征在于：光突发数据汇聚处理单元读取源端边界节点的电域数据的目的地址、数据优先级，其中目的地址、数据优先级从电域数据中获取。
8.一种卫星光突发交换冲突消解调度实现方法，其特征在于步骤如下：
(1)获取天基宽带传输骨干网中已知固定参数，包括：TMAX，TB，tpm，N，M，tfn，tl[p,q]，tam；设定光突发数据发送周期为TB，电域数据在光突发数据汇聚处理单元完成汇聚等待发送的超时时间为TMAX，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成的时刻为tfn，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成后已等待时间为Δtn，第n个电域数据在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成到发送的时间为tsn，第n个控制数据处理单元封装成的光突发数据控制信息提前其对应的光突发数据的时间为tin，骨干网第m个节点控制信息处理时间为tpm,m＝1,2,…,M，天基宽带传输骨干网第p个节点到第q个节点的链路时延通过链路控制单元获得为tl[p,q]，光突发数据从源端边界节点到达第m个光交换节点的时间为tam；光突发数据控制信息在控制数据处理单元的最大处理周期为TP，第n个光突发数据对应的光突发数据控制信息通过资源管控单元获得的发送时间为tcn，光突发数据从源端边界节点到目的端边界节点经过天基宽带传输骨干网中交换节点个数为N，天基宽带传输骨干网中所有节点个数为M；
(2)获得光突发数据控制信息的最大处理周期TP；
(3)将天基宽带传输骨干网中各个光交换节点的光突发数据控制信息解析处理时间统一为TP，对当前时间tfn所有在光突发数据汇聚处理单元完成汇聚待发送的数据的信息进行提取，获得汇聚后数据的已等待时间Δtn、目的地址和数据优先级；由资源管控单元判断，如果第n个汇聚完成待发送的数据的Δtn≥TMAX，则判定该数据冲突消解调度失败，丢弃该汇聚完成待发送的数据，如果满足Δtn<TMAX的汇聚完成待发送的数据由资源管控单元按照优先级进行排序，首先调度高优先级的汇聚完成待发送的数据，当优先级相同时，优先调度Δtn数值大的汇聚完成待发送的数据，如果优先级和Δtn两个条件都相同，则随机挑选符合条件的汇聚完成待发送的数据优先进行调度；
(4)由资源管控单元确定步骤(3)当前待调度的汇聚完成待发送的数据为n0，按照该数据的目的地址查询网络拓扑及路由处理单元提供的路由及对应可用路径；
(5)资源管控单元通过网络拓扑及路由处理单元获得各个天基宽带传输骨干网光交换节点可用路径，形成路由表，根据该路由表形成时隙资源映射表，并实时按照时隙资源分配状态更新时隙资源映射表，按照n0的目的地址查询路由表，获得由源端边界节点到目的端边界节点的转发路径节点集合U(A,B,C…)，其中A、B、C为节点的名称，资源管控单元按照可用路径上的节点链路延迟tl[p,q]，计算到达每个节点的时间tam；
(6)确定当前汇聚完成待发送的数据n0对应的tin0；tin0为第n个控制数据处理单元封装成的光突发数据n0的控制信息提前其对应的光突发数据的时间；
(7)获得占用源端边界节点到目的端边界节点的每个节点时隙资源的集合Ua，与每个节点对应的出端口时隙资源进行比较，如果集合Ua所有占用的时隙在各个节点均空闲，则资源分配成功，否则返回步骤(5)，资源分配失败，等待下一个光突发数据发送周期重新进行资源分配；
如果资源分配成功，由资源管控单元生成对应的光突发数据控制信息，按照成功分配结果计算tsn0和tcn0；tsn0为电域数据n0在光突发数据汇聚处理单元汇聚完成到发送的时间，tcn0为电域数据n0对应的光突发数据所对应的光突发数据控制信息通过资源管控单元获得的发送时间；
(8)根据tsn0和tcn0，完成当前所有待调度的汇聚完成待发送的数据的资源分配。
9.根据权利要求8所述的一种卫星光突发交换冲突消解调度实现方法，其特征在于：步骤(1)中各个参数数据约束条件为
TMAX>TB,TB>0,tpm>0,M>0,N≤M,tfn>0,tl[p,q]>0,tam>0。
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