CN111371489A - 一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为通信领域，涉及一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法；该方法包括：根据第一卫星的轨道参数六元组初始化星间链路通断时刻表和链路状态数据库；设置并启动超时定时器；当超时定时器定时结束，生成生成第一卫星节点的路由链路状态通告；设定信息判定值；若判定值成立，采用LSA报文扩散机制将生成的LSA扩散到域内其他所有卫星节点，并重新启动超时定时器；若判定值不成立，删除生成的LSA，重新启动超时定时器；第二卫星接收第一卫星发送的LSA；跟据获取的LSA采用最短路径算法计算第二卫星的路由，完成卫星的路由信息传递；本发明可以大幅降低路由控制报文发送数量，同时大幅提高路由收敛速率。

Description

一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法。
背景技术
随着我国在空间探索、应急通信、军事等领域需求的不断扩张，建设由空间网络、地面互联网和移动通信网深度融合的天地一体化网络迫在眉睫。实现天地一体化网络的关键是，实现各种异构网络的核心层(也即网络层)的融合，而路由问题又是重中之重。在天地一体化网络中引入IP协议族能充分发挥互联网技术的长处，用较低的开销更快速地建设天地一体化网络。
然而地面互联网广泛应用的域内路由协议(OSPF路由协议)无法直接应用于卫星网络。目前，大多数卫星网络的路由方法采用OSPF协议进行信号传输。例如专利申请号为CN201710347528.X的《一种基于网络编码的双层卫星网络多径路由方法》公开了一种构建双层卫星星座的卫星网络拓扑，并确定卫星网络结构，根据卫星网络实时状态进行网络路由设置；获取响应路由请求的局部网络路由状态，结合网络编码与多路径路由方法优化卫星通信网络性能，并建立有效连接；根据卫星网络的拥塞状况、各卫星节点以及星间链路的可用度权值提高卫星网络的吞吐量。通过该方法能提升了卫星间网络的数据传输性能。
但是该方法的OSPF协议采用周期性的Hello报文发送机制检测链路通断状态，若设置周期较长，则会导致OSPF无法及时地跟踪链路通断状态的变化，设置周期较短，则会导致路由节点频繁发送Hello报文，浪费链路资源。
发明内容
为解决以上现有技术的问题，本发明提出了一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，该方法包括：
确定第一卫星的位置坐标S(m0，n0)，第二卫星的位置坐标S(u0，v0)；获取第一卫星的节点信息；所述第一卫星的节点信息为卫星的轨道参数六元组；
根据第一卫星节点的信息初始化星间链路通断时刻表TimeTable以及链路状态数据库；设置并启动超时定时器，当第一次超时定时器定时结束，重新启动超时定时器时，生成第一卫星节点的路由链路状态通告LSA；设定信息判定值；
若判定值成立，采用LSA报文扩散机制将生成的LSA扩散到域内其他所有卫星节点，并重新启动超时定时器；
若判定值不成立，删除生成的LSA，重新启动超时定时器；
所述第二卫星接收第一卫星发送的LSA；根据获取的LSA采用最短路径算法计算第二卫星的路由，完成卫星的路由信息传递。
优选的，第一卫星节点S(m0，n0)的所有间歇性的星间链路集合为：
Figure BDA0002415589270000021
优选的，设定信息判定值为：
Figure BDA0002415589270000022
优选的，链路cost值的计算表达式为：cost＝(10的8次方)/带宽。
优选的，初始化链路状态数据库的过程包括：将其中一个链路状态数据库设置为“激活”状态，将另一个链路状态数据库设置为“休眠”状态。
优选的，所述生成第一位卫星节点的路由链路状态通告LSA时，删除LSA中的老化年龄字段，新增“时间戳”和“链路连通的持续时间长度”字段；所述“时间戳”字段的大小为32bit，所述“链路连通的持续时间长度”字段的大小为16bit。
优选的，LSA在第二卫星的处理过程包括：
第二卫星节点接收到第一卫星节点发送的链路状态通告，并将其存入A-LSDB中进行使用；在t1+Δt1时刻将路由器的状态设置为“休眠”状态，并从A-LSDB中将接收的LSA移动到D-LSDB中进行储存；在t1+T时刻将路由器的状态设置为“激活”状态，从D-LSDB中将LSA移动到A-LSDB中进行使用，并设置第二超时定时器TimerA→D，第二超时定时器设置的时间为Δt1；
在新的路由周期内，若第二卫星接收到新的LSA，则删除前一个LSA，使用新的LSA；若第二卫星未接收新的LSA，则继续使用当前LSA；
当定时器TimerA→D超时后，将该条LSA从A-LSDB移动到D-LSDB中存储，并重新设置超时定时器TimerD→A的定时时间，定时时间为T-Δt1；在卫星网络周期内，都按此规则执行；
当定时器TimerD→A超时后，将该条LSA从D-LSDB移动到A-LSDB中使用，并重启TimerA→D；在卫星网络周期内，都按此规则执行。
优选的，路由器从接口上发出Hello包，若相邻路由器成功地通过Hello包协商了各自所指定的参数，则两个路由器建立邻接关系，若未成功接通，则选择其他路由器建立邻接关系；路由器向所有建立了邻接关系的路由器发送链路状态通告LSA；当路由器收到邻接路由器发来的LSA时，将其存入链路状态数据库LSDB中，同时将该LSA发给所有邻居；LSA泛洪扩散到整个区域，所有路由器获得一致的LSDB；当这些路由器的LSDB完全一致时，则每个路由节点使用最短路径算法计算路由，最终生成路由表。
本发明由于任意链路的连通状态随时间的推移而不断重复，路由节点在第一个周期内发送路由LSA后，在后续的周期内只有当链路的cost值较上一次发生较大变化时，才会再次发送路由LSA，从而大幅减小路由节点发送路由LSA的数量，节约发送时间。
附图说明
图1为标准的路由LSA报文结构；
图2为本发明提出的路由LSA报文结构；
图3为源节点和目的节点处理路由LSA报文流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，标准的路由LSA报文结构为：其包含的“老化时间”字段，一是用于LSA的超时，一般默认为3600s，二是用于对同一Link ID的LSA进行新旧判断。
如图2所示，本发明的路由LSA报文结构为：删除了标准路由LSA报文中的“老化时间”，因为本发明中的信息判定值可以控制是否泛洪新的LSA，第二卫星无需再判断新旧LSA，只要接收到来自于第一卫星发送的LSA，都是最新的LSA。添加了“链路连通的持续时间”和“时间戳”字段，用于设定定时器。
生成链路状态通告(Link State Advertisement,LSA)的第一卫星的位置坐标S(m0,n0)和接收LSA的第二卫星的位置坐标S(u0,v0)是域内的两个卫星节点，具有一般性。
其中，S(m0,n0)表示第一卫星的位置坐标，m0表示第一卫星所处轨道的编号，n0表示第一卫星的编号，S(u0,v0)表示第二卫星的位置坐标，u0表示第二卫星所处轨道的编号，v0表示第二卫星的编号，LSA表示链路状态通告。
如图3所示，该方法包括：
101：运行系统前，在第一卫星节点上初始化描述本节点的星间链路通断时刻表TimeTable，第一卫星节点S(m0,n0)的链路通断时刻表的结构形如，
Figure BDA0002415589270000041
其中，
Figure BDA0002415589270000042
是卫星节点S(m0,n0)的所有间歇性链路(具有周期性)集合中的一个元素，t1，t2，…,tk表示卫星节点S(m0,n0)在第一个周期(设周期为T)内第1,2,…,k次有间歇性链路连通的时刻，Δt1,Δt2,…,Δtk表示间歇性链路连通的持续时间长度。
102：运行系统前，在第一卫星节点S(m0,n0)上初始化2个链路状态数据库(LinkState Database)。
一个处于“激活”状态，称为激活态链路状态数据库，记作A-LSDB；另一个处于“休眠”状态，称为休眠态链路状态数据库，记作D-LSDB。
所有卫星节点以A-LSDB为基础并使用最短路径算法计算域内路由。
103：运行系统后，卫星节点S(m0,n0)在t1,t2,…,tk时刻生成并封装描述本卫星节点的路由链路状态通告，并通过泛洪机制将其扩散到域内其他所有卫星节点，同时设置并启动超时定时器。假设在t1时刻生成的LSA记作LSA[S(m0,n0),(t1,Δt1)]，与t1时刻生成的LSA对应的超时定时器记作Timer[S(m0，n0)，t1]，下一步将以t1时刻的LSA和超时定时器为例进行具体描述，其他时刻的LSA同理；
104：在卫星节点S(m0,n0)上，当超时定时器Timer[S(m0,n0),t1]结束时，立即重启Timer[S(m0,n0),t1]，同时生成路由LSA，并判断以下不等式是否成立，
Figure BDA0002415589270000051
其中，costnew表示新生成的描述某条链路的LSA的链路cost值，costold表示在A-LSDB或D-LSDB中已有的描述同一条链路的LSA的链路cost值，A-LSDB表示处于激活态的链路状态数据库，D-LSDB表示处于休眠态链路状态数据库，cost表示度量链路带宽性能的指标，δ表示在相邻的两个周期内同一条链路的带宽变化程度；
105：若104中的不等式成立，则生成并封装描述本卫星节点的路由链路状态通告，并通过泛洪机制将其扩散到域内其他所有卫星节点。然后跳转104；
所述泛洪机制为标准OSPF协议中的机制，用于LSA等报文在域内扩散。如：源节点A生成一个LSA报文，将其发送给其所有的邻居节点，然后邻居节点再将其发送给自己的邻居节点，最终，域内所有节点都可以获得源节点生成的LSA。
106：104中的不等式不成立，则不执行任何操作。然后跳转到104。
107：第二卫星节点S(u0,v0)接收到邻居发来的链路状态通告，并将其存入A-LSDB中。在以下步骤中，以上述103的链路状态LSA[S(m0,n0),(t1,Δt1)]为例，详细描述其处理流程，其他路由LSA同理；
108：卫星节点S(u0,v0)在t1+Δt1时刻将A-LSDB中的LSA[S(m0,n0),(t1,Δt1)]设置为“休眠”状态，即从A-LSDB中将此条LSA移动到D-LSDB中。这表示在t1+Δt1时刻，卫星节点S(m0,n0)的某条间歇性的星间链路由连通状态转为可预测的断开状态；
109：卫星节点S(u0,v0)在t1+T时刻将D-LSDB中的LSA[S(m0,n0),(t1,Δt1)]设置为“激活”状态，并从D-LSDB中将此条LSA移动到A-LSDB中，并设置(第二次之后直接重启)第二超时定时器TimerA→D，第二超时定时器设置的时间为Δt1。
表明在t1+T时刻，卫星节点S(m0,n0)的某条间歇性的星间链路由断开状态转为可预测的连通状态；
110：当定时器TimerA→D超时后，将LSA[S(m0,n0),(t1,Δt1)]从A-LSDB移动到D-LSDB中，并设置(第二次之后直接重启)超时定时器TimerD→A，定时时间为T-Δt1；
111：当定时器TimerD→A超时后，将LSA[S(m0,n0)，(t1,Δt1)]从D-LSDB移动到A-LSDB中，并重启TimerA→D；
112：此后，若定时器TimerA→D超时，则跳转到110；若定时器TimerD→A超时，则跳转到111。
采用最短路径算法计算第二卫星的路由的过程包括：：路由器从接口上发出Hello包，若相邻路由器成功地通过Hello包协商了各自所指定的参数，则两个路由器建立邻接关系，若未成功接通，则选择其他路由器建立邻接关系；路由器向所有建立了邻接关系的路由器发送链路状态通告LSA；当路由器收到邻接路由器发来的LSA时，将其存入链路状态数据库LSDB中，同时将该LSA发给所有邻居；LSA泛洪扩散到整个区域，所有路由器获得一致的LSDB；当这些路由器的LSDB完全一致时，则每个路由节点使用最短路径算法计算路由，最终生成路由表。
其中，LSDB表示链路状态数据库。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，其特征在于，包括：
确定第一卫星的位置坐标S(m0,n0)，第二卫星的位置坐标S(u0,v0)；获取第一卫星的节点信息；所述第一卫星的节点信息为卫星的轨道参数六元组<α，e，i，ω，Ω，τ>；
根据第一卫星节点的信息初始化星间链路通断时刻表TimeTable以及链路状态数据库；设置并启动超时定时器，当第一次超时定时器定时结束，重新启动超时定时器时，生成第一卫星节点的路由链路状态通告LSA；设定信息判定值；
若判定值成立，采用LSA报文扩散机制将生成的LSA扩散到域内其他所有卫星节点，并重新启动超时定时器；
若判定值不成立，删除生成的LSA，重新启动超时定时器；
所述第二卫星接收第一卫星发送的LSA；根据获取的LSA采用最短路径算法计算第二卫星的路由，完成卫星的路由信息传递；
其中，S(m0,n0)表示第一卫星的位置坐标，m0表示第一卫星所处轨道的编号，n0表示第一卫星的编号，S(u0,v0)表示第二卫星的位置坐标，u0表示第二卫星所处轨道的编号，v0表示第二卫星的编号，α表示卫星轨道的半长轴，e表示卫星的偏心率，i表示卫星轨道的倾角，ω表示近地点辐角，Ω表示升交点赤经，τ表示卫星经过近地点的时刻，LSA表示链路状态通告，TimeTable表示星间链路通断时刻表。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，其特征在于，第一卫星节点的所有间歇性的星间链路集合为：
Figure FDA0002415589260000011
其中，l1,l2，…，lk表示第一卫星的位置坐标S(m0，n0)与邻接卫星的位置坐标S(m1，n1)，S(m2，n2)，…，S(mk，nk)的链路ID。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，其特征在于，所述设定信息判定值为：
Figure FDA0002415589260000021
信息判定值成立的条件为链路的cost值较上一次的链路cost值发生较大变化时，判定值成立；
其中，costnew表示新生成的描述某条链路的LSA的链路cost值，costold表示在A-LSDB或D-LSDB中已有的描述同一条链路的LSA的链路cost值，A-LSDB表示处于激活态的链路状态数据库，D-LSDB表示处于休眠态链路状态数据库，cost表示度量链路带宽性能的指标，δ表示在相邻的两个周期内同一条链路的带宽变化程度。
4.根据权利要求3所述的一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，其特征在于，所述链路cost值的计算表达式为：cost＝10的8次方/带宽。
5.根据权利要求1所述的一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，其特征在于，初始化链路状态数据库的过程包括：将其中一个链路状态数据库设置为“激活”状态，将另一个链路状态数据库设置为“休眠”状态。
6.根据权利要求1所述的一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，其特征在于，所述生成第一位卫星节点的路由链路状态通告LSA时，删除LSA中的老化年龄字段，新增“时间戳”和“链路连通的持续时间长度”字段；所述“时间戳”字段的大小为32bit，所述“链路连通的持续时间长度”字段的大小为16bit。
7.根据权利要求1所述的一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，其特征在于，LSA在第二卫星的处理过程包括：
第二卫星节点接收到第一卫星节点发送的链路状态通告，并将其存入A-LSDB中进行使用；在t1+Δt1时刻将路由器的状态设置为“休眠”状态，并从A-LSDB中将接收的LSA移动到D-LSDB中进行储存；在t1+T时刻将路由器的状态设置为“激活”状态，从D-LSDB中将LSA移动到A-LSDB中进行使用，并设置第二超时定时器TimerA→D，第二超时定时器设置的时间为Δt1；
在新的路由周期内，若第二卫星接收到新的LSA，则删除前一个LSA，使用新的LSA；若第二卫星未接收新的LSA，则继续使用当前LSA；
当定时器TimerA→D超时后，将该条LSA从A-LSDB移动到D-LSDB中存储，并重新设置超时定时器TimerD→A的定时时间，定时时间为T-Δt1；在卫星网络周期内，都按此规则执行；
当定时器TimerD→A超时后，将该条LSA从D-LSDB移动到A-LSDB中使用，并重启TimerA→D；在卫星网络周期内，都按此规则执行
其中，A-LSDB表示处于激活态的链路状态数据库，D-LSDB表示处于休眠态链路状态数据库。
8.根据权利要求1所述的一种基于拓扑可预测的卫星网络星间路由方法，其特征在于，所述采用最短路径算法计算第二卫星的路由的过程包括：路由器从接口上发出Hello包，若相邻路由器成功地通过Hello包协商了各自所指定的参数，则两个路由器建立邻接关系，若未成功接通，则选择其他路由器建立邻接关系；路由器向所有建立了邻接关系的路由器发送链路状态通告LSA；当路由器收到邻接路由器发来的LSA时，将其存入链路状态数据库LSDB中，同时将该LSA发给所有邻居；LSA泛洪扩散到整个区域，所有路由器获得一致的LSDB；当这些路由器的LSDB完全一致时，则每个路由节点使用最短路径算法计算路由，最终生成路由表；
其中，LSDB表示链路状态数据库。
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