CN111555979B - 一种航空自组织网络路由优化方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种航空自组织网络路由优化方法，方法包括：源节点A0向其他节点分别发送一个分组数据包，并接收其他节点返回的第一消息；A0根据第一消息评估链路时延，分别向其他节点发送响应分组数据包，并接收其他节点返回的第二消息，A0计算到达其他节点的时延；对于A0和目的节点A1，源节点A0根据自身到达其他节点的时延，从所有可到达目的节点A1的路径集合中，选取时延最短的最佳路径，并将待发送数据通过最佳路径进行传输，同时也接收其他节点发送的信息；根据距离服务器端获取数据包的跳数值，在最佳路径中寻找最佳缓存节点；沿途节点若收到自身前一节点发出的请求信息，则将缓存数据迁移至最佳缓存节点，并清除自身的缓存数据。

Description

一种航空自组织网络路由优化方法
技术领域
本申请涉及计算机领域，具体涉及一种航空自组织网络路由优化方法。
背景技术
在航空运输业发展越来越迅猛的今天，航空运输中的通信技术也正面临着前所未有的挑战。随着飞机种类和数量的不断增多，当前的民航通信系统承担的压力也已经趋近饱和。当前，天基网基于卫星通信，覆盖范围广但是使用费用高，时延大而且带宽受限；地基网基于地面基站，覆盖范围小，而为了提高覆盖范围增加基站数量也会导致成本的急剧增长，且地基网无法覆盖大洋上空。对此，移动自组织网络技术的出现给航空运输业通信技术带来了一个全新的解决方案。
2006年，Sakhaee首次提出航空自组织网络的概念。飞行中的飞机可以通过机载无线通信装置实现飞机之间的通信，通过这样一点连一点的多跳传输，让有限的基站覆盖到更广的范围。并且飞机间的信息交互也可以提高飞行的安全性，减少相撞概率，提早预警。航空自组织网络，网络便是由基站，飞行无线终端，卫星三者共同构成的通信体系。各节点间以自组织的方式形成网络架构，通过相邻节点直接通信或者非相邻节点转发通信的方式实现信息的交互，同时也可以给飞行中的乘客更好的网络体验。
但是，航空自组织网络也存在着一些问题。比如在自组织网络中非相邻节点的通信需要通过多跳转发来实现，路由协议的好坏直接决定了航空自组织网络的性能高低。并且相较于传统移动自组织网络，航空自组织网络规模大，节点关系变化快，节点运动速度快，节点密度不均匀等问题的存在，也需要找到恰当有效的办法来解决，从而保证业务连续性。
发明内容
本发明针对航空自组织网络节点快速响应、信息最短路径传输等问题，提出一种航空自组织网络路由优化方法，保证业务连续性，从而优化缓存算法的缓存分布、缩短数据传输路径。
本发明提供一种航空自组织网络路由优化方法，方法包括：
源节点A0向其他节点分别发送一个分组数据包，并接收其他节点返回的第一消息，其他节点包括航空自组织网络中除源节点A0外的其他节点，第一消息包含其他节点自身的地址信息；
源节点A0根据第一消息评估链路时延，分别向其他节点发送响应分组数据包，并接收其他节点返回的第二消息，源节点A0计算到达其他节点的时延，第二消息包括应答分组数据包；
对于源节点A0和目的节点A1，源节点A0根据自身到达其他节点的时延，从所有可到达目的节点A1的路径集合中，选取时延最短的最佳路径，并将待发送数据通过最佳路径进行传输，同时也接收其他节点发送的信息，目的节点A1为其他节点中的一个节点。
可选的，方法还包括：
根据距离服务器端获取数据包的跳数值hopcount，在最佳路径中寻找最佳缓存节点；
沿途节点若收到自身前一节点发送的请求信息，则将缓存数据迁移至最佳缓存节点，并清除自身的缓存数据，沿途节点为最佳路径中的一个节点。
可选的，最佳缓存节点是通过判断最小替换惩罚和缓存收益后，决定缓存返回数据包的节点，返回数据包是指节点向请求客户端回送的带有HopCount信息的数据包。
可选的，请求信息包括MaxGain值和Hop值。
可选的，沿途节点将缓存数据迁移至最佳缓存节点，具体包括:
沿途节点根据基于生命周期的AGE-BASED算法，通过数据块的流行度和距离服务器端的跳数HopCount，设定数据块的生命周期，进行缓存数据的放置和替换。
可选的，沿途节点将缓存数据迁移至最佳缓存节点，具体包括:
沿途节点根据预设的时间间隔作为每个数据块的生命周期，判断是否替换节点的缓存内容，在同样的生命周期下，流行度高的数据块的生命周期可以一直得到刷新，而流行度低的数据块会过期，被另外的数据块替换。
可选的，源节点A0计算到达其他节点的时延，具体包括：
源节点A0获取路程往返时间，并将路程往返时间除以2，得到其他节点的时延。
可选的，在源节点A0向其他节点分别发送一个分组数据包之前，方法还包括：
将航空自组织网络中的待转发数据的源节点设置为A0。
可选的，在源节点A0向其他节点分别发送一个分组数据包之前，方法还包括：初始化路由。
本发明针对空自组织网络规模大，节点关系变化快，节点运动速度快，节点密度不均匀等问题，提出基于缓存的航空自组织网络路由优化方法，能有效提高路由协议的业务连续性，显著减少信息传输次数，优化缓存分布情况，填补了现有研究的不足。这种航空自组织网络路由优化方法，通过改进移植后可服务于基于IP的数据链网络协议中，提升分布式多平台航电网络的通信能力，进而增强多平台航电网络在广域、高动态变化环境下的高连通能力，为未来先进航空电子系统架构研究提供多平台通信能力支撑。
附图说明
图1为本申请提供的生命周期方法的示意图；
图2为本申请提供的三种算法请求满足情况；
图3为本申请提供的MAGIC算法改进前后请求满足情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行作进一步详细说明。
实施例一
一种基于缓存的航空自组织网络路由优化方法的具体步骤为：
步骤1：初始化路由，令航空自组织网络中的待转发数据的源节点为A0，该节点首先向整个网络发送一个“HELLO”分组数据包，每个接收到数据包的节点都将返回一条消息，其中包含它自身的地址信息；
步骤2：评估链路时延，源节点A0再向整个网络发送响应分组数据包，每个接收到数据包的节点返回一个应答分组数据包，将路程往返时间除以2，源节点A0便可以计算出到达其他节点的时延；
步骤3：选取最佳路径，对于源节点A0和目的节点A1，源节点A0从所有可到达目的节点A1的路径集合中，选取时延最短的路径，并将数据通过该最短路径进行传输，同时也接收其他节点发送的信息；
步骤4：寻找最佳缓存节点，在距离服务器端获取数据包的跳数值hopcount，作为判断返回数据包缓存位置的标准，具体步骤如下：
步骤4.1：请求节点向自组网中的节点发送请求数据块k的请求数据包，初始HopCount和MaxGain值皆为0；
步骤4.2：节点收到请求数据包，根据节点保存的节点自身离请求节点跳数Hop和数据块k的流行度P进行相乘，得到LocalGain数据；
步骤4.3：节点检查本地缓存，如果本地缓存有对应数据块，跳转到步骤4.7；否则跳转到步骤4.4；
步骤4.4：将节点的LocalGain和请求数据包的MaxGain值进行比较，如果LocalGain小于MaxGain，跳转到步骤4.6；否则跳转到步骤4.5；
步骤4.5：将节点的LocalGain赋给请求数据包的MaxGain，节点的Hop赋给请求数据包的HopCount；
步骤4.6：当前节点把请求数据包转发到下一个节点，跳转到步骤4.2；
步骤4.7：节点向请求客户端回送带有HopCount信息的返回数据包；
步骤4.8：节点检查返回数据包，获取数据包的HopCount信息；
步骤4.9：如果HopCount等于Hop，跳转到下一步骤，如果HopCount不等于hop，则跳转到步骤4.11；
步骤4.10：判断最小替换惩罚和缓存收益，决定是否缓存该数据块；
步骤4.11：把返回数据包转发到下一个节点，如果到达请求节点则结束；否则跳转到步骤4.8。
步骤5：替换沿途节点信息，对于数据传输路径上的所有沿途节点，若收到距离它们各自前一节点发出的包含MaxGain和Hop的请求信息，则节点需要将缓存数据迁移至目标缓存节点，并清除节点中的缓存数据；
步骤6：引入生命周期，使用基于生命周期的AGE-BASED算法，通过数据块的流行度和距离服务器端的跳数HopCount，设定数据块的生命周期，进行缓存的放置和替换，具体地：
步骤6.1：请求节点向自组网中的节点发送请求数据块k的请求数据包
步骤6.2：节点收到请求数据包，读取节点的本地缓存；
步骤6.3：如果本地缓存有对应数据块，跳转到步骤6.5；
步骤6.4：把请求数据包转发到下一个节点，跳转到步骤6.2；
步骤6.5：获取相应的数据块，节点发送返回数据包，并刷新对应缓存的生命周期；
步骤6.6：节点收到返回数据包，如果数据不是缓存到该节点，跳转到步骤6.10；
步骤6.7：如果当前节点没有空余缓存或者生命周期结束的数据块，跳转到步骤6.9；
步骤6.8：直接进行缓存操作，并给数据块赋予生命周期，跳转到步骤6.10；
步骤6.9：对收益最小的数据块进行替换操作，并赋予生命周期；
步骤6.10：把返回数据包转发到下一个节点，如果到达请求节点则结束；否则跳转到步骤6.6。
步骤7：选取间隔，采用固定的时间间隔作为每个数据块的生命周期，判断是否替换节点的缓存内容。在同样的生命周期下，流行度高的数据块的生命周期可以一直得到刷新，而流行度低的数据块会过期，被另外的数据块替换。
实施例二
本发明对三种现有算法MAGIC、AGE-BASED、PROBCACHE进行比较，设定模拟时间25秒，100条信息量，最终三种算法的请求满足情况如图2所示。经过用传输节点跳数乘以请求满足数量之和计算，可以得出三种算法的总传输次数分别为MAGIC算法496次，ABC算法594次，Probcache算法872次。而三种算法的最终缓存情况如表1,2,3所示。
表1 MAGIC算法缓存分布
Figure BDA0002453715140000061
表2 ABC算法缓存分布
Figure BDA0002453715140000062
表3 Probcache算法缓存分布
Figure BDA0002453715140000063
通过实验结果可以看出，在这三种现有缓存策略算法中，MAGIC算法拥有最好的表现，无论是缓存分布、缓存替换、传输次数都是三种方法中最好的。但是缓存分布还是略有不足，无法满足航空自组织网络环境对缓存分布的要求。
本发明将MAGIC算法和改进后的MAGIC算法进行对比，并且将请求的数量从之前的100提高到200个，模拟运行时间也由25秒提高到50秒。两种算法的请求满足分布情况对比如图3所示。改进前的总传输跳数为972次，而改进后为900次。而改进后的缓存分布如表4所示。
表4改进后MAGIC算法缓存分布
Figure BDA0002453715140000071
通过对比可以得出结论，改进的MAGIC算法相较于原始的MAGIC算法在中间节点满足请求数量，总传输次数，节点缓存分布优劣等各方面都有了进步，缓存优化原始算法好，也更贴合航空自组织网络的要求。
综上所述,本发明涉及一种基于缓存的航空自组织网络路由优化方法，属于航空电子系统设计、无线通信技术及优化研究等领域。解决了原始MAGIC(MAx-Gain In-networkCaching)算法在节点缓存替换上的笨重性，比起原始MAGIC算法，请求满足情况更好，信息传输次数更少，缓存分布情况更优。
而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种航空自组织网络路由优化方法，其特征在于，所述方法包括：
源节点A0向其他节点分别发送一个分组数据包，并接收其他节点返回的第一消息，所述其他节点包括航空自组织网络中除源节点A0外的其他节点，所述第一消息包含其他节点自身的地址信息；
源节点A0根据所述第一消息评估链路时延，分别向其他节点发送响应分组数据包，并接收其他节点返回的第二消息，源节点A0计算到达其他节点的时延，所述第二消息包括应答分组数据包；
对于源节点A0和目的节点A1，源节点A0根据自身到达其他节点的时延，从所有可到达目的节点A1的路径集合中，选取时延最短的最佳路径，并将待发送数据通过所述最佳路径进行传输，同时也接收其他节点发送的信息，所述目的节点A1为所述其他节点中的一个节点；
方法还包括：
根据距离服务器端获取数据包的跳数值hopcount，在所述最佳路径中寻找最佳缓存节点；
沿途节点若收到自身前一节点发送的请求信息，则将缓存数据迁移至所述最佳缓存节点，并清除自身的缓存数据，所述沿途节点为最佳路径中的一个节点；
所述最佳缓存节点是通过判断最小替换惩罚和缓存收益后，决定缓存返回数据包的节点，所述返回数据包是指节点向请求客户端回送的带有HopCount信息的数据包。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述请求信息包括MaxGain值和Hop值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿途节点将缓存数据迁移至所述最佳缓存节点，具体包括:
沿途节点根据基于生命周期的AGE-BASED算法，通过数据块的流行度和距离服务器端的跳数HopCount，设定数据块的生命周期，进行缓存数据的放置和替换。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，沿途节点将缓存数据迁移至所述最佳缓存节点，具体包括:
沿途节点根据预设的时间间隔作为每个数据块的生命周期，判断是否替换节点的缓存内容。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，源节点A0计算到达其他节点的时延，具体包括：
源节点A0获取路程往返时间，并将所述路程往返时间除以2，得到其他节点的时延。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在源节点A0向其他节点分别发送一个分组数据包之前，方法还包括：
将航空自组织网络中的待转发数据的源节点设置为A0。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在源节点A0向其他节点分别发送一个分组数据包之前，方法还包括：
初始化路由。
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