CN109951335A - 基于时间聚合图的卫星网络时延与速率联合保障路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间聚合图的卫星网络时延与速率联合保障路由方法，主要解决现有路由技术在链路断续连通和网络拓扑频繁变化的卫星网络中因卫星节点缓存资源未利用，而导致在卫星网络中无法找到满足用户业务多约束的路由问题。其实现步骤为：1)获取全网的链路状态参数及网路拓扑连接关系；2)根据网络拓扑及链路状态信息，构建卫星网络时间聚合图模型；3)获取用户的业务多约束条件；4)根据链路状态参数及用户业务多约束条件，在卫星网络时间聚合图中计算业务多约束路由，并生成业务路由表；5)根据业务路由表转发数据到目的节点。本发明提高了业务多约束路径安排的成功率，提升了卫星网络资源的利用率，可用于卫星网络环境中。

Description

基于时间聚合图的卫星网络时延与速率联合保障路由方法

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，可用于卫星网络环境中，解决由网络链路断续连通以及网络拓扑动态变化所导致用户业务需求难保障和网络资源利用率低的问题。

背景技术

卫星网络是一种具有大尺度链路时延、网络拓扑高动态变化、链路断续连通等特性的网络。在卫星网络的环境中，往往会由于网络中节点的主动或被动移动，或者随机的加入或退出网络，造成网络节点间的链路频繁中断，使得链路处于间歇连通的状态，进而导致网络拓扑也不断地发生变化。

在卫星网络研究领域，Internet研究任务组IRTF提出了用于解决星际互联网IPN的连通问题的时延容忍网络DTN体系框架，相关学者在DTN领域进行了深入研究。针对IPN网络拓扑周期性变化的特性，美国NASA提出了接触图路由算法CGR，并开发了ION协议软件，应用于空间通信与导航网络SCaN中。

如今，卫星网络中承载的业务种类变得更加多样化，如交互类视频语音业务、VoIP业务、在线/离线遥感类业务等，均有着不同的服务质量需求，例如每个业务流都有时延、抖动、带宽速率、丢包率等需求参数。地面网络OSPF路由是基于静态图理论的单约束路由算法，在此基础上设计的RSVP协议虽能够保证业务带宽和时延，但其资源预留信令流程较为复杂，且要求信令传输路径具有可达性。然而在网络链路断续连通、网络拓扑周期性变化的卫星网络环境中，由于端到端的传输路径长时间不存在，导致现有地面网络路由机制的适应性差，多约束传输路径构建难、用户体验提升难，并且在长时间内也使得网络节点间链路无法利用。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于时间聚合图的卫星网络时延与速率联合保障路由方法，以解决卫星网络环境中业务端到端多约束路径构建难，以及网络链路资源利用率低的问题。

为实现上述目的，本发明技术方案的包括如下：

(1)启动网络节点，获取全网的链路状态参数及网络拓扑连接信息，计算网络中每条链路的状态参数，包括链路平均带宽B(t,Δt)、平均时延D(t,Δt)，其中t为起始时刻，Δt为持续时长；

(2)根据网络的链路状态参数及网络拓扑连接信息，构建卫星网络时间聚合图：

G＝(U,E,T,W,S)，

其中，U为网络节点集合，E为网络链路集合，T为网络生存时间，T＝(τ₁,...,τ_i,...,τ_m)，

τ_i表示网络生存时间T内的第i个时间段的持续时长，i＝1,2,...,m，m为时间段数；W为链路状态时间序列，W＝(w₁,...,w_i,...,w_m)，w_i表示与之对应的网络链路在第i个时间段内的链路状态参数向量；S为存储转移序列，S＝(s₁,...,s_k,...,s_n)，s_k表示与之对应的网络节点从第k时段向第k+1个时间段存储的数据量，k＝1,2,...,n，n＝m-1；

(3)获取用户业务多约束条件R：

R＝(a,d,C_B,C_D)，

其中a表示业务源节点，d表示业务目的节点，C_B表示业务带宽约束，C_D表示业务时延约束；

(4)根据用户业务多约束条件，计算卫星网络多约束路由：

(4a)根据业务带宽约束C_B，从时间聚合图G中剪除所有不满足带宽约束的链路；

(4b)根据业务时延约束C_D，判断时间聚合图G中是否存在满足时延约束的最优化路径：

如果存在，则返回业务安排成功，并生成业务路由表，通过查询业务路由表将业务分组数据转发至目的地址；

否则，返回业务安排失败，未能构建出完全满足业务多约束的路径。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

第一，本发明采用时间聚合图模型，利用节点缓存的托管-存储-转发能力，设计了多约束路由方法，从而解决高动态的卫星网络中无法构建业务多约束传输路径的问题，有效地提高了卫星网络中业务需求保障能力，同时提升了网络资源的利用率。

第二，本发明设计了业务路由表，根据该路由表中的业务ID确定性地转发数据分组，有效提升网络节点的分组转发效率，保证差异化的业务需求。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中使用的时间聚合图模型示意图；

图3是本发明中求解卫星网络时延与速率联合保障路由的实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细描述。

参照图1，本实例的实现步骤如下：

步骤1，计算网络中每条链路的状态参数。

启动网络节点，获取全网的链路状态参数及网络拓扑连接信息：

如附图2所示，本实施例中获取的网络拓扑连接信息为4个节点{A,B,C,D}和5条有向链路{(A,C),(A,B),(C,B),(C,D),(B,D)}；

计算网络中每条链路的状态参数，包括链路平均带宽B(t,Δt)、平均时延D(t,Δt)，其计算公式如下：

其中t为起始时刻，Δt为持续时长：

本实施例中每条链路的状态参数不同，例如链路(A,C)在第1个时间段内的平均带宽为5Mbps，平均时延为2s；链路(C,D)在第1个时间段内的平均带宽为4Mbps，平均时延为2s。

步骤2，构建卫星网络时间聚合图G。

获取网络节点集合U，网络链路集合E,网络生存时间T,链路状态时间序列W，存储转移序列S，构建时间聚合图G＝(U,E,T,W,S)，在本实施例中这些集合的表示如下：

网络节点集合U＝{A,B,C,D},其中A、B、C、D均为网络中的节点；

网络链路集合E＝{(A,C),(A,B),(C,B),(C,D),(B,D)}，其中(A,C)、(A,B)、(C,B)、(C,D)、(B,D)均为网络中的链路；

网络生存时间T＝6s，并以3s为时间间隔将T分割成2个时间段，即时间段数m＝2；

每条链路的链路状态时间序列W＝(w₁,w₂)，其中w₁为第1个时间段的链路状态参数向量，w₂为第2个时间段的链路状态参数向量，例如链路(A,C)的链路状态时间序列为W＝([5,2],[1,2])，表示链路(A,C)在第1个时间段的链路状态参数向量为[5,2]，在第2个时间段的链路状态参数向量为[1,2]；

每个节点的存储转移序列S＝(s₁)，其中s₁为网络节点从第1个时间段向第2个时间段存储的数据，例如节点C处的存储转移序列为S＝([6,3])，表示节点C从第1个时间段向第2个时间段存储的数据为[6,3]。

步骤3，获取用户业务多约束条件R。

获取业务源节点A，业务目的节点D，用户业务带宽约束C_B，业务时延约束C_D，用这些参数构成业务多约束条件R＝(A,D,C_B,C_D)：

如附图3(a)所示，本实施例中业务带宽约束C_B为5Mbps，业务时延约束C_D为9s，获得用户业务多约束条件R＝(A,D,5,9)。

步骤4，计算卫星网络多约束路由。

(4a)根据业务带宽约束C_B，从时间聚合图G中剪除所有不满足带宽约束的链路：

(4a1)设置当前网络时刻为t₀，设置当前时间段i初始值为i＝1，其持续时长为τ_i，

设置标记链路集合E'为空集，即

(4a2)遍历网络链路集合E,对于任意链路(u,v)∈E,计算链路(u,v)的平均带宽B_(u,v)(t₀,τ_i)，判断B_(u,v)(t₀,τ_i)≥C_B是否成立：如果成立，则将链路(u,v)加入到标记链路集合E'；否则，先将链路(u,v)的链路状态参数向量w_i置为[0,∞]，再加入到标记链路集合E'，其中u,v∈U；

(4a3)当遍历完集合E中所有链路后，令t₀＝t₀+τ_i，i＝i+1，判断i≤m是否成立：如果成立，则返回(4a2)；否则，跳出当前循环，执行(4b)。

如附图3(b)所示，本实施例中，业务带宽约束C_B为5Mbps，从业务源节点A开始先后遍历网络中两个时间段的链路带宽，对于不满足带宽约束的链路，将其链路状态参数向量置为[0,∞]，表示该链路不可达,例如链路(C,D)在第1个时间段的链路状态参数向量w₁为[4，2]，不满足业务带宽约束C_B，因此将w₁置为[0,∞]。

(4b)根据业务时延约束C_D，判断时间聚合图G中是否存在满足时延约束的最优化路径：

(4b1)初始时，设置标记节点集合X只包含源节点A，即X＝{A}，设置节点集合Y,其包含除源节点A以外的节点，即Y＝U-X＝{其余节点}；

(4b2)从Y中选取一个与X中节点有关联链路且时延最小的节点H，判断节点A存储转移序列中的时延是否小于链路(A,H)时延：如果是，将节点A加入到X中，否则，将节点H加入到X中；

(4b3)以标记节点集合X中新加入节点作为中间节点后，如果从节点A到节点D的路径时延减小，则修改新加入节点的时延，否则，不修改新加入节点的时延；

(4b4)重复执行(4b2)和(4b3)，直到所有节点都包含在标记节点集合X中；

(4b5)在标记节点集合X中判断从源节点A到目的节点D的路径时延是否满足业务时延约束C_D：如果是，则返回业务安排成功，并生成业务路由表，该生成的业务路由表，包括：业务标识ID、目的地址IP_dst、下一跳地址IP_next、端口号Eth、起始时间t_start和结束时间t_start这些字段，且路由表有效时间区间表示为[t_start,t_end]，通过查询业务路由表将业务分组数据转发至目的地址；否则，返回业务安排失败，未能构建出完全满足业务多约束的路径。

如附图3(b)所示，本实施例中，业务时延约束C_D为9s，为用户业务多约束条件R＝(A,D,5,9)成功安排了路径A→C→D,其路径传输带宽为5Mbps，路径时延为8s。

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 (6)

1.一种基于时间聚合图的卫星网络时延与速率联合保障路由方法，其特征在于，包括如下：

(1)启动网络节点，获取全网的链路状态参数及网络拓扑连接信息，计算网络中每条链路的状态参数，包括链路平均带宽B(t,Δt)、平均时延D(t,Δt)，其中t为起始时刻，Δt为持续时长；

(2)根据网络的链路状态参数及网络拓扑连接信息，构建卫星网络时间聚合图：

G＝(U,E,T,W,S)，

其中，U为网络节点集合，E为网络链路集合，T为网络生存时间，T＝(τ₁,...,τ_i,...,τ_m)，τ_i表示网络生存时间T内的第i个时间段的持续时长，i＝1,2,...,m，m为时间段数；W为链路状态时间序列，W＝(w₁,...,w_i,...,w_m)，w_i表示与之对应的网络链路在第i个时间段内的链路状态参数向量；S为存储转移序列，S＝(s₁,...,s_k,...,s_n)，s_k表示与之对应的网络节点从第k时段向第k+1个时间段存储的数据量，k＝1,2,...,n，n＝m-1；

(3)获取用户业务多约束条件R：

R＝(A,D,C_B,C_D)，

其中A表示业务源节点，D表示业务目的节点，C_B表示业务带宽约束，C_D表示业务时延约束；

(4)根据用户业务多约束条件，计算卫星网络多约束路由：

(4a)根据业务带宽约束C_B，从时间聚合图G中剪除所有不满足带宽约束的链路；

(4b)根据业务时延约束C_D，判断时间聚合图G中是否存在满足时延约束的最优化路径：

如果存在，则返回业务安排成功，并生成业务路由表，通过查询业务路由表将业务分组数据转发至目的地址；

否则，返回业务安排失败，未能构建出完全满足业务多约束的路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中计算网络中每条链路平均带宽B(t,Δt)和平均时延D(t,Δt)，通过如下公式计算：

其中B(t)为随时间t变化的链路带宽函数；

其中D(t)为随时间t变化的链路时延函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中链路状态参数向量w_i表示为：

w_i＝[B(t,τ_i),D(t,τ_i)]，

其中B(t,τ_i)和D(t,τ_i)分别表示网络链路在第i个时间段内的带宽平均值和时延平均值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4a)中根据业务带宽约束C_B，从时间聚合图G中剪除所有不满足带宽约束的链路，具体步骤如下：

(4a1)设置当前网络时刻为t₀，设置当前时间段i初始值为i＝1，其持续时长为τ_i，设置标记链路集合E'为空集，即

(4a2)遍历网络链路集合E,对于任意链路(u,v)∈E,计算链路(u,v)的平均带宽B_(u,v)(t₀,τ_i)，判断B_(u,v)(t₀,τ_i)≥C_B是否成立：如果成立，则将链路(u,v)加入到标记链路集合E'；否则，先将链路(u,v)的链路状态参数向量w_i置为[0,∞]，再加入到标记链路集合E'，其中u,v∈U；

(4a3)当遍历完集合E中所有链路后，令t₀＝t₀+τ_i，i＝i+1，判断i≤m是否成立：如果成立，则返回(4a2)；否则，跳出当前循环，执行(4b)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4b)中根据业务时延约束C_D，判断时间聚合图G中是否存在满足时延约束的最优化路径，具体步骤如下：

(4b1)初始时，设置标记节点集合X只包含源节点A，即X＝{A}，设置节点集合Y,其包含除源节点A以外的节点，即Y＝U-X＝{其余节点}；

(4b2)从Y中选取一个与X中节点有关联链路且时延最小的节点H，判断节点A存储转移序列中的时延是否小于链路(A,H)时延：如果是，将节点A加入到X中，否则，将节点H加入到X中；

(4b3)以标记节点集合X中新加入节点作为中间节点后，如果从节点A到节点D的路径时延减小，则修改新加入节点的时延，否则，不修改新加入节点的时延；

(4b4)重复执行(4b2)和(4b3)，直到所有节点都包含在标记节点集合X中；

(4b5)在标记节点集合X中判断从源节点A到目的节点D的路径时延是否满足业务时延约束C_D：如果是，则返回业务安排成功，并生成业务路由表，通过查询业务路由表将业务分组数据转发至目的地址；否则，返回业务安排失败，未能构建出完全满足业务多约束的路径。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(5)中生成的业务路由表，其包括如下字段：业务标识ID、目的地址IP_dst、下一跳地址IP_next、端口号Eth、起始时间t_start和结束时间t_start，其中路由表有效时间区间表示为[t_start,t_end]。