CN115087064A - 一种测控通信接入网跨域高可用路由方法及系统 - Google Patents

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CN115087064A CN202210660626.XA CN202210660626A CN115087064A CN 115087064 A CN115087064 A CN 115087064A CN 202210660626 A CN202210660626 A CN 202210660626A CN 115087064 A CN115087064 A CN 115087064A
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Abstract

本发明公开了一种测控通信接入网跨域高可用路由方法及系统，该方法包括每个测控节点将测控状态信息发送至测控中心，测控中心根据测控状态信息，构建通信拓扑图，计算每条路径的可用度获得路由表，测控节点在获取测控数据时，根据路由表中记录的每条路径的可用度选择传输路径进行数据传输。本发明通过将网络的控制平面与数据平面分离，网络节点周期将自身实时状态发送到控制中心，由控制中心实现网络节点的状态收集及路由计算，再将路由表的计算结果分发给网内各个节点，数据产生后节点根据路由表计算好的路径直接进行数据传输，解决目前传统的测控通信接入网络的路由方法无法在跨域测控网络中遴选出稳定、可靠的传输路径的技术问题。

Description

一种测控通信接入网跨域高可用路由方法及系统
技术领域
本发明涉及测控网络技术领域，尤其涉及到一种测控通信接入网跨域高可用路由方法及系统。
背景技术
国内现有的测控网络由于功用不同都是独立建设，面临测控站或各节点意外失效等突发情况时，很难迅速恢复测控通信服务，抗毁顽存能力严重不足。有必要构建空天地海跨域测控网络，将运行在不同轨道的高、中、低轨卫星星群和空中飞机数据链、海上浮标等多层次、多类型的异构跨域节点进行联合组网测控，以地面网络为基础、以空间网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，形成通信能力强的空天地有机整体，为天基、空基、陆基、海基等各类用户的接入和服务提供信息保障。
同时，随着星群、机群、舰群等无人系统的大规模应用，对测控通信接入网的构建、对网络中无线传输的抗干扰性、可靠性能等提出了更高的要求，才可保证跨域用户快速地接入网络中。
测控通信接入网中各个跨域节点进行联合组网测控的关键之一在于设计出适用于异构跨域网络的路由方法，各类节点功能不同、功耗不同、传输距离不同、承载能力不同等等，采用传统的路由方法无法在跨域测控网络中遴选出稳定、可靠的传输路径，因此设计一种综合考虑节点类型、链路状态、负载情况、跳数、功耗的跨域高可用路由方法对空天地海测控通信接入网建设具有重大的现实意义。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种测控通信接入网跨域高可用路由方法及系统，旨在解决目前传统的测控通信接入网络的路由方法无法在跨域测控网络中遴选出稳定、可靠的传输路径的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种测控通信接入网跨域高可用路由方法，所述方法包括以下步骤：
S1：每个测控节点将测控状态信息发送至测控中心；
S2：测控中心根据每个测控节点的测控状态信息，构建通信拓扑图，并计算通信拓扑图中每条路径的可用度，获得路由表；
S3：将路由表发送至每个测控节点；
S4：测控节点在获取测控数据时，根据路由表中记录的每条路径的可用度选择传输路径进行数据传输。
可选的，所述测控状态信息包括测控节点的类型、测控节点的电量值以及测控节点与一跳邻居节点间的链路状态。
可选的，计算通信拓扑图中每条路径的可用度，具体包括：
S201：确定每条路径的源节点和目的节点；
S202：利用深度优先搜索算法，获取源节点到目的节点的所有路径；
S203：计算每条路径的平均电量、平均链路状态和跳数；
S204：根据平均电量、平均链路状态和跳数，获得每条路径的可用度。
可选的，平均电量和平均链路状态的表达式分别为：
Figure BDA0003690336630000021
Figure BDA0003690336630000022
Cmn＝C1mn·C2mn
其中，
Figure BDA0003690336630000023
为第m条路径的平均电量，
Figure BDA0003690336630000024
为第m条路径的平均链路状态，m为路径数量，n为一条路径的跳数，Bmn表示第m条路径上第n跳节点的电量，Cmn表示第m条路径上第n跳链路的状态，C1mn表示第m条路径上第n跳链路的具体状态值，C2mn表示第m条路径上第n跳链路的类型。
可选的，每条路径的可用度的表达式为：
Figure BDA0003690336630000031
其中，Em为第m条路径的可用度，D1、D2、D3为加权系数，且D1+D2+D3＝1，nm为第m条路径的跳数。
可选的，所述步骤S4中，根据路由表中记录的每条路径的可用度选择传输路径进行数据传输，具体包括：
S401：获取待传输数据的业务类型，匹配所述业务类型对应的可用度阈值ξ；
S402：判断路由表中最佳路径的可用度E是否大于可用度阈值ξ；其中，所述最佳路径为路由表中可用度E最大的路径；
S403：若是，选择最佳路径进行单路径的数据传输；
S404：否则，选择使
Figure BDA0003690336630000032
的k条路径进行多路径传输；
S405：若路由表中所有路径的可用度E之和小于ξ，则选择所有路径进行全路径传输。
可选的，其特征在于，每个测控节点与其邻居节点定期交互负载状态，所述测控节点在传输数据时，选择路由表中不含有负载状态超过预设阈值的测控节点对应的路径。
可选的，当路由表中所有路径皆包含有负载状态超过预设阈值的测控节点时，测控节点将数据存储在本地，等待路由表中存在负载状态不超过预设阈值的测控节点对应的路径时，对数据进行传输。
可选的，所述负载状态为80％。
为了实现上述目的，本申请还提供一种测控通信接入网跨域高可用路由系统，所述系统包括测控中心和若干个测控节点，所述测控中心和测控节点执行如上所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法。
本发明实施例提出的一种测控通信接入网跨域高可用路由方法及系统，该方法包括每个测控节点将测控状态信息发送至测控中心，测控中心根据每个测控节点的测控状态信息，构建通信拓扑图，并计算通信拓扑图中每条路径的可用度，获得路由表，将路由表发送至每个测控节点，测控节点在获取测控数据时，根据路由表中记录的每条路径的可用度选择传输路径进行数据传输。本发明通过将网络的控制平面与数据平面分离，网络节点周期将自身实时状态发送到控制中心，由控制中心实现网络节点的状态收集及路由计算，再将路由表的计算结果分发给网内各个节点，数据产生后节点根据路由表计算好的路径直接进行数据传输，解决目前传统的测控通信接入网络的路由方法无法在跨域测控网络中遴选出稳定、可靠的传输路径的技术问题。
附图说明
图1为本发明一种测控通信接入网跨域高可用路由方法的流程示意图；
图2为本发明测控通信接入网跨域高可用路由的网络架构示意图；
图3为本发明测控通信接入网跨域高可用路由的网络节点及拓扑示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前，在相关技术领域，传统的测控通信接入网络的路由方法无法在跨域测控网络中遴选出稳定、可靠的传输路径。
为了解决这一问题，提出本发明的测控通信接入网跨域高可用路由方法的各个实施例。本发明提供的测控通信接入网跨域高可用路由方法通过将网络的控制平面与数据平面分离，网络节点周期将自身实时状态发送到控制中心，由控制中心实现网络节点的状态收集及路由计算，再将路由表的计算结果分发给网内各个节点，数据产生后节点根据路由表计算好的路径直接进行数据传输，解决目前传统的测控通信接入网络的路由方法无法在跨域测控网络中遴选出稳定、可靠的传输路径的技术问题。
本发明实施例提供了一种测控通信接入网跨域高可用路由方法，参照图1，图1为本发明测控通信接入网跨域高可用路由方法实施例的流程示意图。
本实施例中，所述测控通信接入网跨域高可用路由方法包括以下步骤：
S1：每个测控节点将测控状态信息发送至测控中心；
S2：测控中心根据每个测控节点的测控状态信息，构建通信拓扑图，并计算通信拓扑图中每条路径的可用度，获得路由表；
S3：将路由表发送至每个测控节点；
S4：测控节点在获取测控数据时，根据路由表中记录的每条路径的可用度选择传输路径进行数据传输。
具体而言，提供本实施例的详细步骤：
(1)测控通信接入网借鉴软件定义网络(Software Define Network,SDN)的技术思路，将网络的控制平面与数据平面分离，由控制中心实现网络节点的状态收集及路由计算，再将路由表的计算结果分发给网内各个节点，数据产生后节点根据路由表计算好的路径直接进行传输。
(2)状态收集：每个节点将自己的节点类型A、当前电量值B(取值范围为：0≤B≤100)、与一跳邻居节点间的链路状态C发送到控制中心进行记录。控制中心根据各个节点与其一跳邻居节点间的链路通断情况得到全网所有节点的拓扑连接关系，拓扑连接关系反应了网络中两个节点之间是否能直接进行通信。
(3)路由计算：由控制中心进行全网路由表计算，即计算任意两个节点之间的数据传输路径。
(3.1)确定数据传输的源节点和目的节点后，首先控制中心根据全网的拓扑连接关系使用深度优先搜索算法(Depth First Search，DFS)将源节点到目的节点的所有路径全部计算出来。假设m为路径数量、n为一条路径的跳数，那么Bmn表示了第m条路径上第n跳节点的电量，Cmn表示了第m条路径上第n跳链路的状态。其中链路的状态Cmn＝C1mn·C2mn,C1mn表示第m条路径上第n跳链路的具体状态值，C2mn表示第m条路径上第n跳链路的类型，链路类型通过节点类型A确定，例如两个节点分别为卫星节点和地面节点，则这两个节点之间的链路类型为星地链路。按下述公式分别计算每条路径的平均电量
Figure BDA0003690336630000061
和平均链路状态
Figure BDA0003690336630000062
Figure BDA0003690336630000063
Figure BDA0003690336630000064
(3.2)设定三个大于等于0且小于等于1的加权系数D1、D2、D3，并且规定D1+D2+D3＝1，当源节点到目的节点之间存在多条路径即m≥2时然后按下述公式计算每条路径的可用度Em：
Figure BDA0003690336630000065
计算得到每条路径的可用度E1,E2,...,Em值，其中E值最大的路径即作为路由计算得出的源节点和目的节点之间进行数据传输的最佳路径，E值第二大的路径为次佳路径，…，依此类推。计算完毕后由控制中心将计算好的所有路径及每条路径对应的Em值分别分发给各个节点。
(4)路由选择：节点收到控制中心发出的路由表计算结果后，根据路径可用度E值选择路由。不同业务对传输要求不同，假设某业务对传输的最低阈值要求为ξ(0＜ξ＜1)，当最佳路径的可用度E值≥ξ时直接选择该路径进行单路径的数据传输；若最佳路径的可用度E值＜ξ，则选择使
Figure BDA0003690336630000066
的k条路径进行多路径传输。假设所有路径的可用度E值相加仍然小于ξ，则计算出来的所有路径均需要进行该业务的传输。
(5)路由调整：每个节点与自己的邻居节点定期交互当前自身的负载情况F(取值范围为：0％≤F≤100％)，数据按第(4)步选择的路径在传输过程中不断检测即将传输的下一跳节点的存在及其负载情况F，若下一跳节点正常存在且F≤80％则继续按原路传输，否则以本节点为源节点、目的节点不变，剔除掉所有包含了原来下一跳节点和原来源节点的路径后重新按步骤(3)-(4)选择出来的路径作为后续传输的路径。如果所有邻居节点都负载过重或没有可达路径，就先将数据存储在本地，直到邻居节点负载F降低到80％以下后再继续计算传输。
在本实施例中，路由计算综合考虑多个维度，适配跨域测控网络场景。控制中心从全局的角度计算路由，得到源节点到目的节点的多条路径后，根据链路类型、链路状态、各条路径的跳数以及路径上节点的电量加权解算得到链路尽可能健壮、跳数尽可能小、电量尽可能大的路径作为数据传输的最佳路径。链路尽可能健壮是为了防止链路状态不佳导致的传输误码率、丢包率增大；跳数尽可能小是为了保证数据在网络中传输的端到端时延尽量降低；电量尽可能大是考虑到跨域网络中的空中、海上节点使用电池供电，若电量耗尽相当于节点失效不再工作，因此需要尽可能延长各个节点的使用寿命，降低功耗、节省电量。
另外，多条路径并行传输可以提升网络的冗余抗毁性。控制中心根据全网的拓扑连接关系将源节点和目的节点之间的多条数据传输路径计算出来之后，再进行加权计算并排序，将结果分发给网内各个节点。不同的业务有不同的可靠性要求，传输数据时，若单路径无法满足可靠性要求，则增加路径进行多路径冗余传输，提高了网络的抗毁能力。
同时，传输路径可以根据当前负载情况随时进行调整，避免拥塞、均衡负载。数据按既定路径传输过程中，若遇到下一跳节点失效或负载过重的情况，可以重新选择新的传输路径，避免网络出现传输瓶颈，避免某个节点因负载太重从而电量消耗加快、数据处理不过来产生丢包等情况。
为了更清楚的解释本申请，提出一种测控通信接入网跨域高可用路由方法的具体实例。
参阅图2。图2是本发明中网络架构示意图。在一种测控通信接入网跨域高可用路由方法中，网络由控制中心和网络节点构成。将网络的控制平面与数据平面分离，网络节点周期将自身实时状态发送到控制中心，由控制中心实现网络节点的状态收集及路由计算，再将路由表的计算结果分发给网内各个节点。数据产生后节点根据路由表计算好的路径直接进行数据传输。
实施例1。在一种测控通信接入网跨域高可用路由方法中，每个节点将自己的节点类型A、当前电量值B(取值范围为：0≤B≤100)、与一跳邻居节点间的链路状态C发送到控制中心进行记录。控制中心根据各个节点与其一跳邻居节点间的链路通断情况得到全网所有节点的拓扑连接关系，拓扑连接关系反应了网络中两个节点之间是否能直接进行通信。
参阅图3，图3是网络节点状态及拓扑示意图。图3中节点a为地面节点，当前电量值为30，节点a的一跳邻居节点为节点b和节点c；节点b为卫星节点，当前电量值为80，节点b的一跳邻居节点为节点a、节点c、节点d、节点e；节点c为空中节点，当前电量值为60，节点c的一跳邻居节点为节点a、节点b、节点d；节点d为水下节点，当前电量值为70，节点d的一跳邻居节点为节点b、节点c、节点e；节点e为地面节点，当前电量值为50，节点e的一跳邻居节点为节点b、节点d。
假设当前网内一跳节点之间的链路具体状态值有优、良、中、差四种，分别用4、3、2、1表示。设某一时刻C1取值如下表：
Figure BDA0003690336630000081
假设链路类型C2的取值如下表：
链路类型 C2
星间链路 1
星空链路 3
星水链路 2
星地链路 3
空中链路 4
空水链路 2
空地链路 3
水下链路 4
水地链路 3
地面链路 4
则此时网内节点之间的链路状态C＝C1·C2如下表：
Figure BDA0003690336630000082
Figure BDA0003690336630000091
实施例2。使用场景同实施例1。在一种测控通信接入网跨域高可用路由方法中，控制中心收集了网内节点的节点类型A、当前电量值B(取值范围为：0≤B≤100)、与一跳邻居节点间的链路状态C后，根据链路通断情况进行全网路由表计算。
假设源节点为节点a，目的节点为节点e，首先控制中心使用深度优先搜索算法(Depth First Search，DFS)将源节点到目的节点的所有路径全部计算出来，共得到7条路径，然后按照式(1)、式(2)分别计算每条路径的跳数n、平均电量
Figure BDA0003690336630000092
平均链路状态
Figure BDA0003690336630000093
假设加权系数D1＝D2＝D3＝1/3，按照式(3)计算出每条路径的可用度E并按照可用度E值从大到小进行排序，如下所示：
Figure BDA0003690336630000094
上表中可用度E值最大的路径a→c→b→e即作为路由计算得出的源节点a和目的节点e之间进行数据传输的最佳路径；E值第二大的路径a→b→e为次佳路径…依此类推。
当控制中心将全网任意两个节点之间的数据传输路由表计算完成后，把计算好的所有路径及每条路径对应的可用度E值分别分发给各个节点。
实施例3。使用场景同实施例1-2。在一种测控通信接入网跨域高可用路由方法中，节点a收到控制中心发出的路由表计算结果后，根据路径可用度E值选择将业务从源节点a传输到目的节点e的路径。
不同业务对传输要求不同，假设某业务对传输的最低阈值要求为ξ＝0.5，当最佳路径的可用度E值≥ξ时直接选择该路径进行单路径的数据传输；否则选择使
Figure BDA0003690336630000095
的k条路径进行多路径传输。
由于最佳传输路径a→c→b→e的可用度E值约为0.1547，小于阈值ξ＝0.5，即没有达到业务对传输的最低阈值要求，因此必须采用多条路径进行并行传输。将源节点a到目的节点e的所有传输路径按照可用度E值从大到小进行排序，计算前4条路径的E值相加结果为E1+E2+E3+E4≈0.1547+0.1488+0.1439+0.1429＝0.5903＞ξ，所以最终业务从源节点a传输到目的节点e时，通过a→c→b→e、a→b→e、a→c→d→e、a→b→c→d→e四条路径进行并行传输。
实施例4。使用场景同实施例1-3。在一种测控通信接入网跨域高可用路由方法中，每个节点与自己的邻居节点定期交互当前自身的负载情况F(取值范围为：0％≤F≤100％)，数据按选择好的路径在传输过程中不断检测即将传输的下一跳节点的存在及其负载情况F，若下一跳节点正常存在且F≤80％则继续按原路传输，否则以本节点为源节点、目的节点不变，剔除掉所有包含了原来下一跳节点和原来源节点的路径后，重新根据可用度E值选择出来的符合传输最低阈值要求的路径作为后续传输的路径。如果所有邻居节点都负载过重或没有可达路径，就先将数据存储在本地，直到邻居节点负载F降低到80％以下后再继续计算传输。
假设业务按照实施例3从源节点a到目的节点e的四条路径传输过程中，业务到达节点c时检测到此时节点d的负载F＝90％，因此不能再进行节点c→节点d的传输，那么此后到达节点c的业务只能通过节点c→b→e传输到节点e。同理，节点d的负载F＝90％时，也不再能执行节点b→节点d、节点e→节点d的传输，因此此时业务从节点a传输到节点e的路径只剩下两条：即路径a→c→b→e和路径a→b→e。这两条路径的可用度E值相加E1+E2≈0.1547+0.1488＝0.3035＜ξ，虽然没有达到业务对传输的最低阈值要求，但由于只剩这两条路径可用，所以两条路径均需要进行该业务的传输。
需要说明的是，本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。例如节点电量B，链路状态C1、C2，加权系数D1、D2、D3，业务传输最低阈值要求ξ等值，均可以根据实际情况进行调整。
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：每个测控节点将测控状态信息发送至测控中心；
S2：测控中心根据每个测控节点的测控状态信息，构建通信拓扑图，并计算通信拓扑图中每条路径的可用度，获得路由表；
S3：将路由表发送至每个测控节点；
S4：测控节点在获取测控数据时，根据路由表中记录的每条路径的可用度选择传输路径进行数据传输。
2.如权利要求1所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，所述测控状态信息包括测控节点的类型、测控节点的电量值以及测控节点与一跳邻居节点间的链路状态。
3.如权利要求2所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，计算通信拓扑图中每条路径的可用度，具体包括：
S201：确定每条路径的源节点和目的节点；
S202：利用深度优先搜索算法，获取源节点到目的节点的所有路径；
S203：计算每条路径的平均电量、平均链路状态和跳数；
S204：根据平均电量、平均链路状态和跳数，获得每条路径的可用度。
4.如权利要求3所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，平均电量和平均链路状态的表达式分别为：
Figure FDA0003690336620000011
Figure FDA0003690336620000012
Cmn＝C1mn·C2mn
其中，
Figure FDA0003690336620000013
为第m条路径的平均电量，
Figure FDA0003690336620000014
为第m条路径的平均链路状态，m为路径数量，n为一条路径的跳数，Bmn表示第m条路径上第n跳节点的电量，Cmn表示第m条路径上第n跳链路的状态，C1mn表示第m条路径上第n跳链路的具体状态值，C2mn表示第m条路径上第n跳链路的类型。
5.如权利要求4所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，每条路径的可用度的表达式为：
Figure FDA0003690336620000021
其中，Em为第m条路径的可用度，D1、D2、D3为加权系数，且D1+D2+D3＝1，nm为第m条路径的跳数。
6.如权利要求5所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据路由表中记录的每条路径的可用度选择传输路径进行数据传输，具体包括：
S401：获取待传输数据的业务类型，匹配所述业务类型对应的可用度阈值ξ；
S402：判断路由表中最佳路径的可用度E是否大于可用度阈值ξ；其中，所述最佳路径为路由表中可用度E最大的路径；
S403：若是，选择最佳路径进行单路径的数据传输；
S404：否则，选择使
Figure FDA0003690336620000022
的k条路径进行多路径传输；
S405：若路由表中所有路径的可用度E之和小于ξ，则选择所有路径进行全路径传输。
7.如权利要求1-6任意一项所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，每个测控节点与其邻居节点定期交互负载状态，所述测控节点在传输数据时，选择路由表中不含有负载状态超过预设阈值的测控节点对应的路径。
8.如权利要求7所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，当路由表中所有路径皆包含有负载状态超过预设阈值的测控节点时，测控节点将数据存储在本地，等待路由表中存在负载状态不超过预设阈值的测控节点对应的路径时，对数据进行传输。
9.如权利要求7或8所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法，其特征在于，所述负载状态为80％。
10.一种测控通信接入网跨域高可用路由系统，其特征在于，所述系统包括测控中心和若干个测控节点，所述测控中心和测控节点执行如权利要求1-9任意一项所述的测控通信接入网跨域高可用路由方法。
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