CN116232981A - 面向低轨卫星网络的ospf路由自治域划分方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分方法及系统，其中方法包括获取网络拓扑结构，并采用OSPF收敛模型对网络的平衡分区的大小进行预测；采用平衡分区的大小作为分区约束，并根据节点中心度和链路带宽，选取网络中的骨干节点，得到骨干区域；采用基于图数据的社区检测算法将骨干区域外的网络划分为若干非骨干区域，非骨干区域的大小等于平衡分区的大小；对非骨干区域进行优化，直至骨干区域与非骨干区域不存在断连区域时，输出非骨干区域；选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点，并更新边界节点的node_type字段置为ABR得到最终的OSPF路由自治域划分方案。

Description

面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分方法及系统

技术领域

本发明涉及网络区域划分技术，具体涉及一种面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分方法及系统。

背景技术

近年来，以Starlink、OneWeb等为代表的庞大星座计划推动了新一轮的低轨巨型星座网络发展浪潮。新兴的低轨巨型星座计划一般包含数百至数万颗低轨卫星，具有大规模、广覆盖、低时延、宽带化、天地一体等特征。然而星座规模的急剧扩张不仅提升了系统容量，也为系统总体设计以及网络运行管理带来诸多难题。卫星规模庞大，且节点高速运动，使网络拓扑高度复杂且具有强动态性，这给路由协议的设计带来了巨大的挑战。

现有的地面动态路由协议，如传统单区域OSPF协议，若直接应用于低轨卫星网络，在应对低轨卫星网络的不规则拓扑变化时将进行全网洪泛，导致大量冗余洪泛信息在星间链路上传递，并且每个节点都需要处理同一洪泛信息的多个副本，从而减小链路带宽并延迟路由收敛。可见配置简易的单区域OSPF协议已无法满足大规模低轨卫星网络的需求，多区域OSPF协议的应用需求将迅速增长。

对于多区域OSPF协议而言，其收敛性能提升的关键在于路由自治域的合理划分。作为一种分布式路由协议，OSPF需要参与的节点及时地执行某些操作，所以必须确保节点不会过载导致无法执行正常操作。一方面，由于节点的处理开销会随着其所在路由自治域的增大而急速增长，单个路由自治域内过大将导致节点路由功能崩溃；另一方面，OSPF骨干区域节点将承载其余非骨干区域间的流量交互，骨干区域节点的负载与路由自治域间流量紧密相连，路由自治域数量过多会使骨干区域节点负载过高。这导致大规模低轨卫星网络在部署多区域OSPF协议时，若网络被划分为少数过大的路由自治域时，单个路由自治域中的节点将无法正常路由，反之，若网络被划分为过多较小的路由自治域，骨干区域中的节点也将过载崩溃。

因此如何将大规模低轨卫星网络划分为适当大小的路由自治域，确保骨干区域和非骨干区域中的节点均可高效实施路由，体现多区域OSPF协议优良的收敛性能是实现大规模OSPF协议部署的难点。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分方法及系统解决现有技术路由自治域划分不当的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分方法，其包括：

S1、获取网络拓扑结构，并采用OSPF收敛模型对网络的平衡分区的大小进行预测；

S2、采用平衡分区的大小作为分区约束，并根据节点中心度和链路带宽，选取网络中的骨干节点，并将骨干节点area_id字段置为0，得到骨干区域；

S3、采用基于图数据的社区检测算法将骨干区域外的网络划分为若干非骨干区域，非骨干区域的大小等于平衡分区的大小；

S4、对非骨干区域进行优化，直至骨干区域与非骨干区域不存在断连区域时，输出非骨干区域；

S5、选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点，并更新边界节点的node_type字段置为ABR得到最终的OSPF路由自治域划分方案。

进一步地，对网络的平衡分区的大小进行预测的方法包括：

将OSPF收敛过程划分为故障检测阶段、事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段；

获取事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段的用时模型：

其中，T_PROP、T_SPF和T_RTI分别为事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段的用时；n为单个区域节点数量；B为链路带宽；cf为拥塞因子；τ为拓扑中两个节点间的最短路径跳数；c为光速；N为网络中节点总数量；

采用梯度下降法求解OSPF收敛模型收敛时，收敛时间最优时对应的分区大小n，收敛时间T_CONV的计算公式为：

T_CONV＝ax(T_DETE+_PROP+_SPF+_RTI)

其中，T_DETE为故障检测阶段用时，取值为零。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过OSPF协议在网络拓扑发生变化时的收敛模型，结合设计的每个阶段的用时模型，可以直接获取OSPF收敛时间最短时的分区大小与数量，即平衡分区结果。

进一步地，所述步骤S2进一步包括：

S21、采用平衡分区的大小作为约束，根据网络中的节点和链路信息，计算所有网络节点的网络中心度；

S22、选取网络中心度大于中心度阈值的节点作为骨干区域候选节点，并存入节点集合；

S23、根据网络拓扑信息中包含的链路带宽信息，在节点集合中选取带宽大于预设带宽的链路的源节点与目的节点作为最终的骨干节点；

S24、将网络拓扑描述文件中骨干节点的area_id字段置为0，修改后的拓扑文件则为骨干区域。

上述技术方案的有益效果为：本方案通过网络中心度和链路带宽进行骨干节点的选取，可以保证选取的骨干区域节点具有较高的网络中心度链路带宽，以保证数据交互时的稳定性。

进一步地，所述步骤S4进一步包括：

S41、判断非骨干区域与骨干区域间是否具有不存在连接关系的断连区域，若是，选取网络中心度最大的断连区域进入步骤S42，否则，输出非骨干区域；

S42、统计选取的断连区域与其邻接区域的连接度，选取连接度大于预设连接度的邻接区域作为候选待聚合区域；

S43、统计断连区域与候选待聚合区域的网络中心度，选取与断连区域网络中心度最接近的候选待聚合区域作为待聚合区域；

S44、聚合待聚合区域与断连区域为一个区域，将断连区域内节点的area_id字段置为待聚合区域节点的area_id，得到新的非骨干区域，并返回步骤S41。

上述技术方案的有益效果为：由于社区检测算法划分区域只能保证单个路由自治域内部连通性良好，本方案采用上述分区优化方法后能够将区域间连通性较差的初始分区结果完善为骨干区域与非骨干区域均相连的分区优化结果，以保证OSPF协议骨干区域与非骨干区域均相连的设计原则。

进一步地，选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点的方法包括：

S51、选取骨干区域中area_id为0的骨干节点，统计其中与任一非骨干区域具有连接关系的节点作为候选边界节点；

S52、根据网络拓扑信息，计算每个候选边界节点的网络中心度，选取其中网络中心度大于预设中心度的候选边界节点作为边界节点；

S53、判断与同一非骨干区域连接的边界节点是否大于等于两个，若是得到最终的边界节点，否则，进入步骤S54；

S54、令预设中心度＝预设中心度-预设值，之后选取网络中心度大于预设中心度的候选边界节点作为边界节点，并返回步骤S53。

第二方面，提供一种面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分系统，其包括：

分区大小确定模块，用于获取网络拓扑结构，并采用OSPF收敛模型对网络的平衡分区的大小进行预测；

骨干区域设计模块，用于采用平衡分区的大小作为约束，并根据节点中心度和链路带宽，选取网络中的骨干节点，并将骨干节点area_id字段置为0，得到骨干区域；

非骨干区域初选模块，用于采用基于图数据的社区检测算法将骨干区域外的网络划分为若干非骨干区域，非骨干区域的大小等于平衡分区的大小；

非骨干区域优化模块，用于对非骨干区域进行优化，直至骨干区域与非骨干区域不存在断连区域时，输出非骨干区域；

边界路由器选择模块，用于选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点，并更新边界节点的node_type字段置为ABR得到最终的OSPF路由自治域划分方案。

本发明的有益效果为：本方案通过网络拓扑描述文件、网络节点与链路信息、分区约束等的结合进行路由自治域划时，使得网络在该路由自治域配置下单个区域不受大量路由更新不利影响时，区域间流量也较小；同时保证单个路由自治域内的连通性以及骨干区域与非骨干区域良好的连通性，快速实现大规模低轨卫星网络OSPF路由自治域的划分。

附图说明

图1为面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分方法的流程图。

图2为分区优化的流程图。

图3为OSPF路由区域自动划分系统部署环境。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分方法的流程图；如图1所示，该方法S包括步骤S1～步骤S5。

在步骤S1中，获取网络拓扑结构(网络拓扑结构对应的描述文件结构具体可以参考表1)，并采用OSPF收敛模型对网络的平衡分区的大小进行预测；

表1网络拓扑描述文件结构

本方案提供应用程序接口将网络拓扑描述文件输入OSPF网络路由自治域划分系统，其中应包含节点信息以及节点间链路信息。

在本发明的一个实施例中，对网络的平衡分区的大小进行预测的方法包括：

将OSPF收敛过程划分为故障检测阶段、事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段；

故障检测阶段是指网络中出现故障到与故障相关的节点检测到故障的过程，在OSPF中，如果在链路层检测到载波丢失，本阶段检测延迟非常小，现有OSPF网络主要采用ISM机制对节点的接口状态进行遍历检测，能够非常迅速地发现接口状态的变化，因此故障检测阶段的耗时可忽略不计。

事件传播阶段是指在节点检测到接口状态发生变化后，会迅速生成描述网络变化的新LSA(链路状态通告)，并且将其向一定区域洪泛，生成新LSA到其洪泛域中节点都收到该LSA的过程。

SPF计算阶段指在洪泛域中的节点收到网络变化信息后，节点会基于网络变化信息进行的SPF计算。

路由表安装阶段指在节点SPF计算路由过程结束后，节点将路由信息转化为路由表条目进行安装的过程就是路由表安装阶段，当网络中所有节点都完成了路由表的安装后，网络就完成了故障后的重新收敛。

获取事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段的用时模型：

其中，T_PROP、T_SPF和T_RTI分别为事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段的用时；n为单个区域节点数量；B为链路带宽；cf为拥塞因子；τ为拓扑中两个节点间的最短路径跳数；c为光速；N为网络中节点总数量；

采用梯度下降法求解OSPF收敛模型收敛时，收敛时间最优时对应的分区大小n，收敛时间T_CONV的计算公式为：

T_CONV＝ax(T_DETE+_PROP+_SPF+_RTI)

其中，T_DETE为故障检测阶段用时，取值为零。

在步骤S2中，采用平衡分区的大小作为分区约束，并根据节点中心度和链路带宽，选取网络中的骨干节点，并将骨干节点area_id字段置为0，得到骨干区域；

实施时，本方案优选所述步骤S2进一步包括：

S21、采用平衡分区的大小作为分区约束，根据网络中的节点和链路信息，计算所有网络节点的网络中心度；

S22、选取网络中心度大于中心度阈值的节点作为骨干区域候选节点，并存入节点集合；

S23、根据网络拓扑信息中包含的链路带宽信息，在节点集合中选取带宽大于预设带宽的链路的源节点与目的节点作为最终的骨干节点；

S24、将网络拓扑描述文件中骨干节点的area_id字段置为0，修改后的拓扑文件则为骨干区域。

在步骤S3中，采用基于图数据的社区检测算法将骨干区域外的网络划分为若干非骨干区域，非骨干区域的大小等于平衡分区的大小；

为了根据OSPF收敛模型预测的分区大小约束将骨干区域外的网络划分为适当大小与数量的非骨干区域，属于图分割问题，采用基于图数据的社区检测算法来完成对图的划分，将网络拓扑描述文件中所有节点的area_id字段置为划分结果中该节点所属子图的id，得到非骨干区域。

社区检测算法可以自定义划分后子图的大小，在路由自治域划分问题中，收敛模型获取的平衡分区大小即为子图大小，社区检测算法便可将整个网络划分为满足分区大小约束的多个路由自治域。同时社区检测算法划分后的子图内具有良好的连通性，故划分出的每个路由自治域内部节点间均可通信，符合OSPF单个路由自治域的设计原则。

在步骤S4中，对非骨干区域进行优化，直至骨干区域与非骨干区域不存在断连区域时，输出非骨干区域；

在本发明的一个实施例中，所述步骤S4进一步包括：

S41、判断非骨干区域与骨干区域间是否具有不存在连接关系的断连区域，若是，选取网络中心度最大的断连区域进入步骤S42，否则，输出非骨干区域；

S42、统计选取的断连区域与其邻接区域的连接度，选取连接度大于预设连接度的邻接区域作为候选待聚合区域；

S43、统计断连区域与候选待聚合区域的网络中心度，选取与断连区域网络中心度最接近的候选待聚合区域作为待聚合区域；

S44、聚合待聚合区域与断连区域为一个区域，将断连区域内节点的area_id字段置为待聚合区域节点的area_id，得到新的非骨干区域，并返回步骤S41。

在步骤S5中，选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点，并更新边界节点的node_type字段置为ABR得到最终的OSPF路由自治域划分方案。

实施时，本方案优选选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点的方法包括：

S51、选取骨干区域中area_id为0的骨干节点，统计其中与任一非骨干区域具有连接关系的节点作为候选边界节点；

S52、根据网络拓扑信息，计算每个候选边界节点的网络中心度，选取其中网络中心度大于预设中心度的候选边界节点作为边界节点；

S53、判断与同一非骨干区域连接的边界节点是否大于等于两个，若是得到最终的边界节点，否则，进入步骤S54；

S54、令预设中心度＝预设中心度-预设值，之后选取网络中心度大于预设中心度的候选边界节点作为边界节点，并返回步骤S53。

本方案还提供一种面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分系统，其包括：

分区大小确定模块，用于获取网络拓扑结构，并采用OSPF收敛模型对网络的平衡分区的大小进行预测；

骨干区域设计模块，用于采用平衡分区的大小作为分区约束，并根据节点中心度和链路带宽，选取网络中的骨干节点，并将骨干节点area_id字段置为0，得到骨干区域；

非骨干区域初选模块，用于采用基于图数据的社区检测算法将骨干区域外的网络划分为若干非骨干区域，非骨干区域的大小等于平衡分区的大小；

非骨干区域优化模块，用于对非骨干区域进行优化，直至骨干区域与非骨干区域不存在断连区域时，输出非骨干区域；

边界路由器选择模块，用于选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点，并更新边界节点的node_type字段置为ABR得到最终的OSPF路由自治域划分方案。

本方案的OSPF路由自治域划分系统在分区约束下，单个路由自治域的路由更新不会导致该区域内节点过载，同时路由自治域间的路由交互也不会导致骨干区域节点负载过大，网络可在拓扑变化后快速收敛，保证优良的网络服务质量。

下面结合具体的实例对本方案提供的面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分系统的应用场景进行说明：

实施部署环境

本方案的OSPF路由自治域划分系统的部署环境如图3所示。本发明部署方便，为客户端-服务端模式，开发人员将OSPF路由区域自动划分系统编译安装至任意搭载Linux操作系统的计算机后，可使用搭载任意操作系统的任意计算机使用本系统快速地完成大规模低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分，实现OSPF协议在网络拓扑变化后的快速收敛(客户端与服务端间需要具备通信能力)。

OSPF路由区域自动划分系统开发流程

下面将详细介绍如何使用本发明进行大规模低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分。整体流程如下所述：

1.准备工作

在服务端计算机上安装相关软件环境，操作系统为ubuntu 18.04，python版本为3.8.0；在服务端计算机上启动OSPF路由区域自动划分系统服务端程序。

2.主要流程

(1)首先研究人员需结合本发明提供的网络拓扑描述文件结构将底层网络拓扑编写为网络拓扑描述文件；

(2)将编写好的网络拓扑描述文件通过客户端计算机上本发明提供的API传入OSPF路由区域自动划分系统；

(3)根据网络拓扑信息，OSPF收敛模型对该网络的平衡分区大小进行预测，并将预测结果发送给路由分域算法；

(4)路由分域算法接收OSPF收敛模型的预测结果，将预测结果作为分区大小约束，与网络拓扑描述文件共同作为算法的输入；

(5)骨干区域设计模块根据网络拓扑文件统计节点网络中心度与链路带宽，选择出骨干区域内的节点，将骨干区域设计结果发送给非骨干区域划分模块；

(6)非骨干区域划分模块接收骨干区域设计结果，社区检测算法基于网络拓扑描述文件构建网络图结构，根据分区大小约束将非骨干区域网络划分得到初始分区结果，接下来分区优化对初始分区结果进行路由自治域间连通性的完善，将调整后的分区优化结果发送至边界节点选择模块；

(7)根据分区优化结果，边界节点选择模块完成骨干区域中边界节点的选取，最终向客户端计算机返回含有分区信息与边界节点信息的网络拓扑描述文件。

至此，一次OSPF路由自治域的划分完成。

通过上述应用可知，研究人员可以利用简单的网络拓扑相关参数就能得到对OSPF协议在网络中的配置方案，网络运用本方案的划分方法和系统后在拓扑变化时具有优良的收敛性能，能够从网络变化场景中快速恢复路由，满足众多实时性应用对网络QoS的高水平需求。

Claims (6)

1.面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分方法，其特征在于，包括：

S1、获取网络拓扑结构，并采用OSPF收敛模型对网络的平衡分区的大小进行预测；

S2、采用平衡分区的大小作为分区约束，并根据节点中心度和链路带宽，选取网络中的骨干节点，并将骨干节点area_id字段置为0，得到骨干区域；

S3、采用基于图数据的社区检测算法将骨干区域外的网络划分为若干非骨干区域，非骨干区域的大小等于平衡分区的大小；

S4、对非骨干区域进行优化，直至骨干区域与非骨干区域不存在断连区域时，输出非骨干区域；

S5、选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点，并更新边界节点的node_type字段置为ABR得到最终的OSPF路由自治域划分方案。

2.根据权利要求1所述的OSPF路由自治域划分方法，其特征在于，对网络的平衡分区的大小进行预测的方法包括：

将OSPF收敛过程划分为故障检测阶段、事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段；

获取事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段的用时模型：

其中，T_PROP、T_SPF和T_RTI分别为事件传播阶段、SPF计算阶段以及路由表安装阶段的用时；n为单个区域节点数量；B为链路带宽；cf为拥塞因子；τ为拓扑中两个节点间的最短路径跳数；c为光速；N为网络中节点总数量；

采用梯度下降法求解OSPF收敛模型收敛时，收敛时间最优时对应的分区大小n，收敛时间T_CONV的计算公式为：

T_CONV＝ax(T_DETE+_PROP+_SPF+_RTI)

其中，T_DETE为故障检测阶段用时，取值为零。

3.根据权利要求1所述的OSPF路由自治域划分方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21、采用平衡分区的大小作为分区约束，根据网络中的节点和链路信息，计算所有网络节点的网络中心度；

S22、选取网络中心度大于中心度阈值的节点作为骨干区域候选节点，并存入节点集合；

S23、根据网络拓扑信息中包含的链路带宽信息，在节点集合中选取带宽大于预设带宽的链路的源节点与目的节点作为最终的骨干节点；

S24、将网络拓扑描述文件中骨干节点的area_id字段置为0，修改后的拓扑文件则为骨干区域。

4.根据权利要求1所述的OSPF路由自治域划分方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

S41、判断非骨干区域与骨干区域间是否具有不存在连接关系的断连区域，若是，选取网络中心度最大的断连区域进入步骤S42，否则，输出非骨干区域；

S42、统计选取的断连区域与其邻接区域的连接度，选取连接度大于预设连接度的邻接区域作为候选待聚合区域；

S43、统计断连区域与候选待聚合区域的网络中心度，选取与断连区域网络中心度最接近的候选待聚合区域作为待聚合区域；

S44、聚合待聚合区域与断连区域为一个区域，将断连区域内节点的area_id字段置为待聚合区域节点的area_id，得到新的非骨干区域，并返回步骤S41。

5.根据权利要求1所述的OSPF路由自治域划分方法，其特征在于，选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点的方法包括：

S51、选取骨干区域中area_id为0的骨干节点，统计其中与任一非骨干区域具有连接关系的节点作为候选边界节点；

S52、根据网络拓扑信息，计算每个候选边界节点的网络中心度，选取其中网络中心度大于预设中心度的候选边界节点作为边界节点；

S53、判断与同一非骨干区域连接的边界节点是否大于等于两个，若是得到最终的边界节点，否则，进入步骤S54；

S54、令预设中心度＝预设中心度-预设值，之后选取网络中心度大于预设中心度的候选边界节点作为边界节点，并返回步骤S53。

6.一种面向低轨卫星网络的OSPF路由自治域划分系统，其特征在于，包括：

分区大小确定模块，用于获取网络拓扑结构，并采用OSPF收敛模型对网络的平衡分区的大小进行预测；

骨干区域设计模块，用于采用平衡分区的大小作为分区约束，并根据节点中心度和链路带宽，选取网络中的骨干节点，并将骨干节点area_id字段置为0，得到骨干区域；

非骨干区域初选模块，用于采用基于图数据的社区检测算法将骨干区域外的网络划分为若干非骨干区域，非骨干区域的大小等于平衡分区的大小；

非骨干区域优化模块，用于对非骨干区域进行优化，直至骨干区域与非骨干区域不存在断连区域时，输出非骨干区域；

边界路由器选择模块，用于选取骨干区域中满足预设条件的节点作为边界节点，并更新边界节点的node_type字段置为ABR得到最终的OSPF路由自治域划分方案。

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