CN116506347A - 卫星网络的确定性路由构建方法、转发方法和系统 - Google Patents

卫星网络的确定性路由构建方法、转发方法和系统 Download PDF

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CN116506347A CN202310437219.7A CN202310437219A CN116506347A CN 116506347 A CN116506347 A CN 116506347A CN 202310437219 A CN202310437219 A CN 202310437219A CN 116506347 A CN116506347 A CN 116506347A
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Abstract

本发明提供卫星网络的确定性路由构建方法、转发方法和系统，所述确定性路由构建方法包括：根据业务数据以及整个卫星网络的拓扑信息，查找业务数据各自从源节点到目的节点对应的多条可行路径；根据业务数据的传输配置信息以及整个卫星网络的拓扑信息，在多条可行路径中筛选出符合预设传输需求的可行路径以作为当前的目标可行路径；分别确定每一条目标可行路径的路径开销，选择路径开销最小的可行路径作为所述业务数据的确定性转发路径。本发明在拓扑联通情况跳变、链路传播时延渐变的高动态卫星网络中，能够实现对时延敏感业务数据符合时延要求的端到端路径的指定与确定性时延转发，能够有效降低大量的重配置开销，具有很强的可扩展性。

Description

卫星网络的确定性路由构建方法、转发方法和系统
技术领域
本发明涉及卫星网络通信技术领域，尤其涉及卫星网络的确定性路由构建方法、转发方法和系统。
背景技术
传统卫星网络具有覆盖范围广、抗毁性强等特点，被广泛用于为偏远地区或抗灾抢险情况提供通信服务。近年来，随着低轨卫星技术的发展，如设计成本的降低、可大规模制造生产、发射成本降低、卫星机载性能的提升等，卫星网络的发展和应用迎来了新的机遇，被用于提供工业物联网、农业自动化、海上钻井平台等场景下的大规模物联网通信服务，军事控制等超可靠、低时延通信服务，以及卫星边缘计算服务等。
当前，已经有不少通信或互联网业务采用了星联、铱星等低轨星座进行传输，然而，当前低轨星座仅提供非确定性的端到端服务能力，缺少对带宽、时延、抖动、丢包等指标的确定性保障，难以支撑低轨卫星网络的进一步普及与发展。例如，使用卫星网络对无人机进行超视距控制时，要求卫星网络支持低时延和高可靠性的控制信令传输。以无人机到地面站的通信为例，要求时延低于50毫秒，可靠性低于10-3的数据包误码率。基于卫星网络的远程工业互联网互联场景，如云化可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)远程实现、异地工厂互联等，同样对时延、抖动和可靠性提出了确定性要求。基于卫星网络的远程实时视频回传与交互，则需要更大的带宽、更低的时延，如360°4K云VR视频传输，需要带宽达到20-40Mbps，时延小于50ms。以上对实时性及可靠性要求较强的业务，都对低轨卫星网络的确定性服务能力提出了要求。
针对卫星网络中的确定性保障问题，李红艳在《通信学报》的基于时变图的天地一体化网络时间确定性路由算法与协议一文中提出了基于时变连续图模型的路由算法，由于时变连续图能够表征卫星网络多维资源的时空属性，故据此计算出的路由具有时间属性，能够确定性保障各时刻下的资源占用情况。然而，基于时变连续图的资源占用情况计算需要对时间进行积分，计算复杂度极高且可扩展性差，故无法实际应用于卫星网络中的端到端确定性路由选择；且此方法从控制面视角选择网络层路由，而并未从数据面的角度设计交换机对流量的整形与转发行为，故此方法仅能实现较粗粒度的确定性服务保障效果。徐川2022年在《电子与信息学报》的有线无线融合的卫星时间敏感网络流调度研究一文中提出：基于TDMA技术(Time division multiple access，时分多址技术)对星间链路的无线时隙进行分配，实现无等待、无丢包的星间确定性调度。然而，此技术是在低轨卫星编队场景下仅对单跳星间链路的转发行为进行设计，而无法实现卫星网络端到端多跳全局确定性服务质量保障。
而当前的针对地面网络中的时间确定性网络技术，支持时延抖动敏感业务流在不同规模网络下的有界确定性传输机制，通过在数据链路层的TSN(Transmission SequenceNumber，传输队列号)和网络层的DetNet(确定性网络)等技术规划转发路径和每一节点中的排队时延，以保证端到端业务的及时、准时与协同可达。然而，此技术无法满足大规模的卫星网络中更加多元的卫星网络业务，以及具有动态性、传播时延长、误码率高等特点的空间链路的工作需要，用于小规模局域网、适用于周期性小包的TSN二层确定性时延保障技术，并不适用于确定性卫星网络；另外，由于DetNet的研究工作并不完全成熟，且卫星网络动态变化的特征同样导致DetNet技术不适用于卫星确定性网络。
具体来说，当前阶段低轨卫星网络提供端到端的时间确定性服务，依然面临着以下具体的挑战：(一)低轨卫星的高速运动带来的传播时延与传输路径变化，大大增加了提供时延确定性保障的难度；(二)大时空尺度的卫星网络基于SDN网络(Software DefinedNetwork，软件定义网络)采用传统的实时路径问询和流表下发的路由方案导致的网络细粒度敏捷管控受限，使得互联网业务传输面临着延迟较大与可扩展性受限的问题；更由于拓扑变化导致的路由策略频繁更新，造成信令开销大大增加。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了卫星网络的确定性路由构建方法、转发方法和系统，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
本发明的一个方面提供了一种卫星网络的确定性路由构建方法，包括：
实时收集卫星网络中待传输的业务数据的传输配置信息以及所述卫星网络的全局视图中的整个卫星网络的拓扑信息，持续记录卫星网络的全局视图的变化数据；根据所述业务数据以及所述拓扑信息，查找所述业务数据各自从源节点到目的节点对应的多条可行路径；根据所述业务数据的传输配置信息以及整个卫星网络的拓扑信息，在多条所述可行路径中筛选出符合预设传输需求的可行路径以作为当前的目标可行路径；分别确定每一条所述目标可行路径的路径开销，选择路径开销最小的可行路径作为所述业务数据的确定性转发路径。
在本发明的一些实施例中，所述业务数据的传输配置信息包括：业务数据传输的长期平均速率、业务数据传输的最大突发、端到端的时延需求和各优先级的业务数据包的最大长度。
在本发明的一些实施例中，所述卫星网络的拓扑信息包括：
各卫星节点的出端口的最大带宽；每一个卫星节点的出端口中各优先级队列的最大分配带宽；基于信用的整形器的各优先级队列的令牌桶信用值累积速率和信用值发送速率；每一个卫星节点的出端口中各优先级队列的最大缓冲区大小；以及，各卫星节点间的链路传播时延。
在本发明的一些实施例中，所述根据所述业务数据的传输配置信息以及整个卫星网络的拓扑信息，在多条所述可行路径中筛选出符合预设传输需求的可行路径以作为当前的目标可行路径，包括：
在多条所述可行路径中，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的总时延是否满足该业务数据从源节点转发到目的节点的端到端时延要求；所述执行待传输的业务数据转发所需的总时延包括：途径各卫星节点的优先级队列的最大时延之和，以及各卫星节点间的传播时延之和；若存在满足所述业务数据转发的端到端时延要求的可行路径，则针对满足所述业务数据转发的端到端时延要求的可行路径，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的带宽资源是否满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽；所述带宽资源用于表示所述业务数据转发途经的各卫星节点的优先级队列的已占用带宽与该业务数据转发的平均速率之和；若存在满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽的可行路径，则针对满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽的可行路径，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的缓冲区资源是否满足各卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区；所述缓冲区资源用于表示所述业务数据转发途经的各卫星节点的优先级队列已占用缓冲区大小与业务数据传输的最大突发之和；筛选出满足所述业务数据转发的端到端延时要求、各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽以及各卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区的可行队列。
在本发明的一些实施例中，所述根据所述业务数据的传输配置信息以及整个卫星网络的拓扑信息，在多条所述可行路径中筛选出符合预设传输需求的可行路径以作为当前的目标可行路径，还包括：按照每一条可行路径的总传播时延从小到大的顺序，在多条可行路径中依次筛选出符合所述业务数据的预设传输需求的可行路径。
在本发明的一些实施例中，所述分别确定每一条所述目标可行路径的路径开销，包括：计算所述目标可行路径映射至卫星节点中指定的优先级队列前后，该指定的优先级队列的已占用缓冲区大小的差值；利用差值除以所述指定的优先级队列的最大分配缓冲区大小，再除以所述业务数据传输的最大突发，得到该指定的优先级队列的路径开销；计算所述目标可行路径中指示的每一个卫星节点中指定的优先级队列的路径开销之和，得到所述目标可行路径的路径开销。
本发明的第二个方面提供了一种卫星网络的确定性路由转发方法，包括：
执行上述卫星网络的确定性路由转发方法，得到所述业务数据的确定性转发路径；将携带所述业务数据的业务数据包和所述业务数据的确定性转发路径下发到该业务数据的源节点，在全局视图中对业务数据执行确定性转发路径途经的各卫星节点中指定的优先级队列上的已占用带宽和已占用缓冲区大小进行扣减；在所述确定性转发路径指定的各卫星节点按照确定性转发路径转发该业务数据；以使该业务数据从源节点转发到目的节点后，在全局视图中对业务数据执行确定性转发路径途经的各卫星节点中指定的优先级队列上所占用的带宽和缓冲区大小进行重新释放。
本发明的第三个方面提供了一种卫星网络的确定性路由转发方法，包括：
接收卫星网络的控制器发出的携带业务数据的业务数据包以及业务数据的确定性转发路径，其中，所述业务数据的确定性转发路径是所述控制器预先基于上述的卫星网络的确定性路由构建方法获取的；若根据确定性转发路径判断自身为所述业务数据对应的源卫星节点，则对接收到的业务数据包进行标签压栈，并将该业务数据的确定性转发路径以标签栈的形式压入到业务数据包的头部；根据所述业务数据的优先级，将该业务数据的业务数据包添加至指定的优先级队列中；按照信用整形算法将所述业务数据包转发至确定性转发路径指定的下一个卫星节点；直至所述业务数据包转发至目的节点，完成该业务数据包的转发。
本发明的另一方面提供了一种卫星网络的确定性路由系统，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现上述的卫星网络的确定性路由构建方法、上述第二个方面的卫星网络的确定性路由转发方法、或者上述第三个方面的卫星网络的确定性路由转发方法的步骤。
本发明的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述的卫星网络的确定性路由构建方法、如上述第二个方面的卫星网络的确定性路由转发方法、或者上述第三个方面的卫星网络的确定性路由转发方法的步骤。
本发明的卫星网络的确定性路由创建方法、转化方法和系统，在拓扑联通情况跳变、链路传播时延渐变的高动态卫星网络中，针对时延敏感的业务数据实现了符合时延要求的端到端确定性路径的创建，同时还考虑到各卫星节点上有限的星上资源以及卫星节点缓冲区的占用情况，能够有效避免业务数据包溢出或丢包等不确定因素的影响；本发明适用于大规模卫星网络的高速周期性变化的情况，能够有效降低大量的重配置开销，具有较强的可扩展性。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。
图1为卫星网络的确定性路由构建流程图。
图2为优先级队列的到达曲线函数减去优先级队列的服务曲线函数。
图3为多条可行路径中选择确定性转发路径的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
针对现有技术中存在的由于卫星网络随着低轨卫星的高速周期性运动不断变换传播时延和传输路径，导致难以保障端到端数据传输的时延确定性的问题，本发明提出了一种可以由卫星网络的控制器执行的卫星网络的确定性路由构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S110，实时收集卫星网络中待传输的业务数据的传输配置信息以及所述卫星网络的全局视图中的整个卫星网络的拓扑信息，持续记录卫星网络的全局视图的变化数据。
其中，待传输的业务数据的传输配置信息包括业务数据fi传输的长期平均速率、业务数据传输的最大突发bi、端到端的时延需求Ti和各优先级的业务数据包的最大长度所述整个卫星网络的拓扑信息包括：各卫星节点的出端口的最大带宽；每一个卫星节点的出端口中各优先级队列的最大分配带宽；每一个卫星节点中CBS(基于信用的整形器)的各优先级队列的令牌桶信用值累积速率idleSlope和信用值发送速率sendSlope；每一个卫星节点的出端口中各优先级队列的最大缓冲区大小；以及，各卫星节点间的链路传播时延；其中，CBS将每一个卫星节点的业务数据传输队列划分为A类(严格延迟界限)优先级队列和B类(松散延迟界限)优先级队列。
所述持续记录卫星网络的全局视图的变化数据，包括：以实时收集的卫星网络的全局视图中的整个卫星网络的拓扑信息为基础，根据所述卫星网络的星历所示卫星运行规律，得到所述卫星网络的全局视图随时间的变化数据。
通过上述步骤S110实时记录卫星网络的全局视图，从而根据卫星网络的全局视图计算各卫星节点的A类优先级队列和B类优先级队列的单跳最大时延，为卫星网络确定性路由提供计算基础，其中，所述单跳最大时延包括理时延、排队时延和转发时延。
步骤S120，根据所述业务数据以及所述拓扑信息，查找所述业务数据各自从源节点到目的节点对应的多条可行路径。
上述步骤S120中还包括：待传输的业务数据到达卫星网络的控制器时，在卫星网络的控制器中利用最短路径算法计算该业务数据从源节点到目的节点之间的可行路径，即将待传输的业务数据的传输配置信息和卫星网络的拓扑信息作为最短路径算法的输入信息，由最短路径算法在卫星网络的拓扑信息中的优先级队列的基础上，寻找待传输的业务数据从源节点到目的节点之间的可行路径，由最短路径算法输出待传输的业务数据的多条可行路径。
步骤S130，根据所述业务数据的传输配置信息以及整个卫星网络的拓扑信息，在多条所述可行路径中筛选出符合预设传输需求的可行路径以作为当前的目标可行路径。
上述步骤S130中，按照每一条可行路径的总传播时延从小到大的顺序，依次筛选出符合待传输的业务数据从源节点到目的节点的传输需求的可行路径。所述预设传输需求包括业务数据转发的端到端延时要求、各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽以及各卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区大小。则上述步骤S130包括以下步骤：在多条所述可行路径中，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的总时延是否满足该业务数据从源节点转发到目的节点的端到端时延要求；所述执行待传输的业务数据转发所需的总时延包括：途径各卫星节点的优先级队列的最大时延之和，以及各卫星节点间的传播时延之和；若存在满足所述业务数据转发的端到端时延要求的可行路径，则针对满足所述业务数据转发的端到端时延要求的可行路径，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的带宽资源是否满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽；所述带宽资源用于表示所述业务数据转发途经的各卫星节点的优先级队列的已占用带宽与该业务数据转发的平均速率之和；若存在满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽的可行路径，则针对满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽的可行路径，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的缓冲区资源是否满足各卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区；所述缓冲区资源用于表示所述业务数据转发途经的各卫星节点的优先级队列已占用缓冲区大小与业务数据传输的最大突发之和。筛选出满足所述业务数据转发的端到端延时要求、各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽以及各卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区的可行队列。
步骤S140、分别确定每一条所述目标可行路径的路径开销，选择路径开销最小的可行路径作为所述业务数据的确定性转发路径。
其中，所述每一条目标可行路径的路径开销的计算步骤包括：计算所述目标可行路径映射至卫星节点中指定的优先级队列前后，该指定的优先级队列的已占用缓冲区大小的差值；其中，/>表示待传输的业务数据映射至卫星节点中指定优先级队列后该卫星节点的指定优先级队列，/>表示待传输的业务数据映射至卫星节点中指定优先级队列前该卫星节点的指定优先级队列，n＝1，2，3…表示卫星节点的序号；x表示某一卫星节点中的指定优先级队列；利用差值除以所述指定的优先级队列的最大分配缓冲区大小，再除以所述业务数据传输的最大突发，得到所述卫星节点中指定的优先级队列的路径开销；计算所述目标可行路径中指示的每一个卫星节点中指定的优先级队列的路径开销之和，得到所述目标可行路径的路径开销/>其中/>表示卫星节点n中的优先级队列x的最大分配缓冲区；bnew表示待传输的业务数据的最大突发。
的计算方法为：新的待传输的业务数据到来后，优先级队列的到达曲线函数减去优先级队列的服务曲线函数，由此生成的差值函数的最大值，即为待传输的业务数据成功映射至卫星节点中指定的优先级队列后该优先级队列已占用缓冲区。如图2所示，其中，r为待传输的业务数据映射前到达曲线的到达速率，b为待传输的业务数据映射前到达曲线的最大突发，r’为待传输的业务数据映射后到达曲线的到达速率，b’为待传输的业务数据映射后到达曲线的最大突发，R为指定优先级队列的服务速率，T为指定优先级队列的等待服务时间。
一个实施例中，利用卫星网络确定性路由创建系统在多条可行路径中选择待传输的业务数据传输的确定性转发路径，在该卫星网络确定性路由创建系统中执行上述步骤S130-S140，将查找到的所述业务数据从源节点到目的节点对应的多条可行路径最短按照传播时延从小到大的顺序依次执行如图3所示的过程，包括：
步骤S131、待传输的业务数据fnew发送至卫星网络确定性路由创建系统中，在系统中基于优先级队列的基础上用最短路径算法寻找待传输的业务数据的源节点到目的节点之间的多条可行路径，得到包含多条可行路径的可行路径集合Pnew，按照最短路径算法指示的传播时延从小到大的顺序，依次对所述可行路径集合中的每一条可行路径执行以下判断步骤。
步骤S132、判断待传输的业务数据按照当前可行路径执行路由转发时，途经的每一个卫星节点的对应优先级队列的最大时延以及途径的每一个卫星节点间的传播时延dn，m之和/>是否小于待传输的业务数据转发的端到端延时要求Tnew，若否，则放弃当前可行路径，再次对下一个可行路径重复进行当前步骤S132的判断；其中，n表示当前卫星节点，m表示卫星节点n的相邻节点，x表示卫星节点中的优先级队列。
步骤S133、针对通过上述步骤S132判断满足待传输的业务数据转发的端到端延时要求的当前可行路径，判断待传输的业务数据按照当前可行路径执行路由转发时，途经的每一个卫星节点的优先级队列中已占用带宽和待传输的业务数据的长期平均速率rnew之和，是否小于对应的各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽/>若否，则放弃当前可行路径，对下一个可行路径重复执行从步骤S132开始的判断步骤。
步骤S134、针对通过上述步骤S133判断满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽的当前可行路径，判断待传输的业务数据按照当前可行路径执行路由转发时，途经的每一个卫星节点的优先级队列中已占用缓冲区和待传输的业务数据的最大突发bnew之和，是否小于各对应的卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区/>若否，则放弃当前可行路径，对下一个可行路径重复执行从步骤S132开始的判断步骤。
步骤S141、针对通过上述步骤S134判断满足各卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区大小的当前可行路径，计算该可行路径的路径开销
步骤S142、在所有可行路径中，选择路径开销最小的可行路径作为最终确定的待传输的业务数据fnew的确定性转发路径。
本申请通过上述确定性路由构建方法，在拓扑联通情况跳变、链路传播时延渐变的高动态卫星网络中，针对时延敏感的业务数据实现了符合时延要求的端到端路径的指定与确定性转发，在符合业务数据时延要求的端到端可行路径确定阶段，考虑各卫星节点上有限的星上资源以及卫星节点缓冲区的占用情况，能够有效避免业务数据包溢出或丢包等不确定因素的影响；针对大规模卫星网络频繁变化的情况。采用SR(Segment Routing，段路由)机制只需要在业务数据传输前进行配置，即可避免大量的重配置开销，具有较强的可扩展性。
本发明还提出了可以由卫星网络的控制器执行的一种第一卫星网络的确定性路由转发方法，如图3所示，该方法包括以下步骤S210-S240：
步骤S210、执行上述卫星网络的确定性路由创建方法，得到所述业务数据的确定性转发路径。
步骤S220、将携带所述业务数据的业务数据包和所述业务数据的确定性转发路径下发到该业务数据的源节点，在全局视图中对业务数据执行确定性转发路径途经的各卫星节点中指定的优先级队列上的已占用带宽和已占用缓冲区大小进行扣减；
其中，由于卫星网络是不断变化的高动态卫星网络，每一个地面控制器对应的接入卫星每隔一段时间均会发生变化，因此控制器发出的业务数据的源节点在一段时间内是唯一确定的。上述步骤S220中，业务数据的确定性转发路径以分段路由SR标签栈的形式从卫星网络的控制器下发到业务数据的源节点中。
当一个业务数据在卫星网络中按照确定性转发路径进行传输过程时，控制器接收到的一个待传输的业务数据，上述步骤S220中在全局视图中对业务数据执行确定性转发路径途经的各卫星节点中指定的优先级队列上的已占用带宽和已占用缓冲区大小进行扣减的过程，即可保证控制器构建的当前的待传输的业务数据的确定性转发路径的可执行性，避免前一个业务数据的传输过程和当前的待传输的业务数据在传输过程中发生数据堆叠，从而造成卫星网络拥堵的情况。
上述步骤S220还包括：针对业务数据的源节点，计算业务数据从控制器传输至源节点的传输时段内的所有拓扑快照下该卫星节点的连接路径，以确保业务数据从控制器传输至卫星节点的传输时段内该卫星节点的连接路径和传输时延都是确定的。其中，所述拓扑快照为针对动态网络拓扑采用快照思想每隔固定时间段划分一个的静止网络拓扑，从而假定每个拓扑快照对应的固定时间段内的卫星网络是静止的，每个拓扑快照下，各卫星节点间的连接关系、距离以及业务数据从源节点到目的节点的路径不变。
步骤S230、在所述确定性转发路径指定的各卫星节点按照确定性转发路径转发该业务数据，以使该业务数据从源节点转发到目的节点后，在全局视图中对业务数据执行确定性转发路径途经的各卫星节点中指定的优先级队列上所占用的带宽和缓冲区进行重新释放。
由于一个业务数据的传输过程已经完毕，所以该业务数据在传输过程中需要占用的带宽和缓冲区资源已经全部解放，故而通过上述步骤S230中的在全局视图中对业务数据执行确定性转发路径途经的各卫星节点中指定的优先级队列上所占用的带宽和缓冲区进行重新释放的过程，即可释放该业务数据在全局视图中的资源占用，提高卫星网络中各卫星节点的可用资源试图，避免卫星网络中数据传输资源的浪费。
根据所述业务数据的优先级，将该业务数据的业务数据包添加至指定的优先级队列中；
按照信用整形算法将所述业务数据包转发至确定性转发路径指定的下一个卫星节点；直至所述业务数据包转发至目的节点，完成该业务数据包的转发。
本发明还提供了可以由卫星网络中的卫星节点执行的一种第二卫星网络的确定性路由转发方法，该方法包括以下步骤S310-S340：
步骤S310、接收卫星网络的控制器发出的携带业务数据的业务数据包以及业务数据的确定性转发路径，其中，所述业务数据的确定性转发路径是所述控制器预先基于上述的卫星网络的确定性路由构建方法获取的；
步骤S320、若根据确定性转发路径判断自身为所述业务数据对应的源卫星节点，则对接收到的业务数据包进行标签压栈，并将该业务数据的确定性转发路径以标签栈的形式压入到业务数据包的头部；
步骤S330、根据所述业务数据的优先级，将该业务数据的业务数据包添加至指定的优先级队列中；
步骤S340、按照信用整形算法将所述业务数据包转发至确定性转发路径指定的下一个卫星节点；直至所述业务数据包转发至目的节点，完成该业务数据包的转发。
其中，所述信用整形算法为CBS算法(Credit Based Shaper TransmissionSelection Algorithm，基于可信因子的整形算法)是优先级定义的流量整形技术，对卫星节点中业务数据的发送时间间隔和发送帧大小进行规定，当同一个卫星节点中多个优先级队列中的业务数据的传输发生冲突时，公平分配各优先级队列中业务数据的发送间隔和发送数据量，从而避免多优先级队列中的业务数据包在该卫星节点的出口端发生聚集造成流量突发。
上述步骤S340中，所述按照信用整形算法将所述业务数据包转发至确定性转发路径指定的下一个卫星节点，包括：针对各卫星节点中的每一个优先级队列中的业务数据包定义信用值，根据卫星节点中各优先级队列的优先级规则和各优先级队列的信用值传输各卫星节点中的业务数据包。其中，每个优先级队列的信用值根据该优先级队列中业务数据包的传输状态进行变化，各卫星节点的每一个优先级队列中当前可用于传输的信用值为credit，单位为比特(bit)；各卫星节点的每一个优先级队列的信用值增长速率为idleSlope，单位为比特每秒(bit/s)，信用值的增长速率idleSlope的值小于对应的卫星节点的输出端口的传输速率portTransmitRate；各卫星节点的每一个优先级队列的信用值减小速率为sendSlope，单位为比特每秒(bit/s)，sendSlope＝idleSlope-portTransmitRate。
其中，各根据卫星节点中各优先级队列的优先级规则和各优先级队列的信用值传输各卫星节点中的待传输的业务数据包括以下工作状况：
当卫星节点中存在待传输的控制类数据时，将控制类数据作为最高优先级，卫星节点的输出端口首先对待传输的控制类数据进行数据传输，同时保持其他优先级队列的信用值不变。当卫星节点中有多个优先级队列中均存在待传输的业务数据包时，根据各优先级队列之间的优先级规则依次传输各优先级队列中的待传输的业务数据包的传输。当卫星节点中有一个优先级队列中存在待传输的业务数据包时，在该卫星节点的输出端口为空闲状态，且该优先级队列的信用值大于或等于0的情况下，由卫星节点的输出端口传输该优先级队列中的待传输的业务数据包。
一个实施例中，卫星节点按照信用整形算法执行业务数据包的传输，数据传输开始时，卫星节点中各优先级队列的信用值credit为0，具体包括以下情况：
情况1：当卫星节点中有一个优先级队列中存在待传输的业务数据包时，若该卫星节点中没有正在传输的业务数据包且没有更高优先级队列的业务数据在等待传输，则该优先级队列中的待传输的业务数据包立刻开始传输，同时该优先级队列的信用值credit以sendSlope的速率持续减小，业务数据包传输完成后，该优先级队列的信用值小于0，且该优先级队列的信用值credit以idleSlope的速率持续增加，直至该优先级队列的信用值credit上升到0后，可以继续执行该优先级队列中的待传输的业务数据包的传输。
情况2：当卫星节点中有一个优先级队列中存在一个待传输的业务数据包时，若该卫星节点中的输出端口有一个正在传输的冲突业务数据包，则该优先级队列中的待传输的业务数据包需要等待冲突业务数据包传输，同时该优先级队列的信用值credit以idleSlope的速率持续增加，直至冲突业务数据包传输完毕；此时该优先级队列的信用值credit大于0，该优先级队列中的待传输的业务数据包立刻进入传输状态，同时该优先级队列的信用值以sendSlope的速率持续减小，直至该优先级队列中的待传输的业务数据包传输完毕；若此时该优先级队列的信用值credit仍然大于0，且优先级队列中无待传输的业务数据包，则将该优先级队列的信用值credit置为0.
情况3：当卫星节点中有一个优先级队列中存在多个待传输的业务数据包时，若该卫星节点中的输出端口有一个正在传输的冲突业务数据包，则该优先级队列中的待传输的业务数据包需要等待冲突业务数据包传输，通过该优先级队列的信用值credit以idleSlope的速率持续增加，直至冲突业务数据包传输完毕；此时该优先级队列的信用值credit大于0，该优先级队列中的待传输的业务数据包立刻进入传输状态，同时该优先级队列的信用值以sendSlope的速率持续减小，若其中一个待传输的业务数据包传输完毕后，该优先级队列的信用值credit已经减小成负数；此时该优先级队列中的已经不满足数据传输的条件，该优先级队列的信用值credit以idleSlope的速率持续增加，直至该优先级队列的信用值credit恢复为0时，该优先级队列中剩余的待传输的业务数据包继续执行数据传输，同时该优先级队列的信用值credit以sendSlope的速率持续减小，该优先级队列的信用值credit又减小成负数；则重复上述对该优先级队列中的待传输的业务数据包的传输过程，直至该优先级队列中的无待传输的业务数据包，此后该优先级队列的信用值credit以idleSlope的速率持续增加至0。
情况4：当卫星节点中有多个优先级队列中均存在待传输的业务数据包时，根据各优先级队列之间的优先级规则依次传输各优先级队列中的待传输的业务数据包的传输，针对每一个优先级队列中的待传输业务数据包的传输过程如上述情况1-3所示。
情况5：当卫星节点中存在待传输的控制类数据时，将控制类数据作为最高优先级，卫星节点的输出端口首先对待传输的控制类数据进行数据传输，同时保持其他优先级队列的信用值不变；当待传输的控制类数据传输完毕后，对应上述情况1-4执行该卫星节点中各优先级队列中的待传输的业务数据包的数据传输。
本申请通过上述确定性路由转发方法，在对业务数据包进行端到端确定性转发阶段，借助基于信用值的流量整形机制，能够有效解决多个不同优先级队列的待传输的业务数据包聚集在卫星节点的输出端口，导致确定性转发路径的各卫星节点中的输出端口的缓冲区不堪重负，继而无法对时延敏感数据给出端到端时延的确定性保障的问题；进而能够有效降低数据传输过程对交换机的要求，且改造成本较小，具有较强的可行性。
本申请还提供一种用于执行上述卫星网络的确定性路由创建方法和/或第一星网络的确定性路由转发方法中全部或部分内容的卫星网络的控制器，该控制器的实施例具体可以用于执行上述实施例中的卫星网络的确定性路由创建方法和/或第一星网络的确定性路由转发方法的实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述卫星网络的确定性路由创建方法和/或第一星网络的确定性路由转发方法实施例的详细描述。
所述控制器进行卫星网络的确定性路由创建方法和/或第一星网络的确定性路由转发方法的部分可以在服务器中执行，也可以在客户端设备中完成。具体可以根据所述客户端设备的处理能力，以及用户使用场景的限制等进行选择。本申请对此不作限定。若所有的操作都在所述客户端设备中完成，所述客户端设备还可以包括处理器，用于卫星网络的确定性路由创建方法和/或第一星网络的确定性路由转发方法的具体处理。
上述的客户端设备可以具有通信模块(即通信单元)，可以与远程的服务器进行通信连接，实现与所述服务器的数据传输。所述服务器可以包括任务调度中心一侧的服务器，其他的实施场景中也可以包括中间平台的服务器，例如与任务调度中心服务器有通信链接的第三方服务器平台的服务器。所述的服务器可以包括单台计算机设备，也可以包括多个服务器组成的服务器集群，或者分布式装置的服务器结构。
上述服务器与所述客户端设备端之间可以使用任何合适的网络协议进行通信，包括在本申请提交日尚未开发出的网络协议。所述网络协议例如可以包括TCP/IP协议、UDP/IP协议、HTTP协议、HTTPS协议等。当然，所述网络协议例如还可以包括在上述协议之上使用的RPC协议(Remote Procedure Call Protocol，远程过程调用协议)、REST协议(Representational State Transfer，表述性状态转移协议)等。
本申请还提供一种用于执行上述第二星网络的确定性路由转发方法中全部或部分内容的卫星节点，该卫星节点的实施例具体可以用于执行上述实施例中的第二卫星网络的确定性路由转发方法的实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述第二卫星网络的确定性路由转发方法实施例的详细描述。
与上述方法相应地，本发明还提供了一种卫星网络的确定性路由系统，该系统包括计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现上述的卫星网络的确定性路由构建方法、上述的可以由卫星网络的控制器执行的第一卫星网络的确定性路由转发方法、或者上述的可以由卫星网络中的卫星节点执行的第二卫星网络的确定性路由转发方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现前述的卫星网络的确定性路由构建方法、可以由卫星网络的控制器执行的第一卫星网络的确定性路由转发方法、或者由卫星网络中的卫星节点执行的第二卫星网络的确定性路由转发方法的步骤。该计算机可读存储介质可以是有形存储介质，诸如随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程R0M、电可擦除可编程ROM、寄存器、软盘、硬盘、可移动存储盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种卫星网络的确定性路由构建方法，其特征在于，包括：
实时收集卫星网络中待传输的业务数据的传输配置信息以及所述卫星网络的全局视图中的整个卫星网络的拓扑信息，持续记录卫星网络的全局视图的变化数据；
根据所述业务数据以及所述拓扑信息，查找所述业务数据各自从源节点到目的节点对应的多条可行路径；
根据所述业务数据的传输配置信息以及整个卫星网络的拓扑信息，在多条所述可行路径中筛选出符合预设传输需求的可行路径以作为当前的目标可行路径；
分别确定每一条所述目标可行路径的路径开销，选择路径开销最小的可行路径作为所述业务数据的确定性转发路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述业务数据的传输配置信息包括：业务数据传输的长期平均速率、业务数据传输的最大突发、端到端的时延需求和各优先级的业务数据包的最大长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星网络的拓扑信息包括：
各卫星节点的出端口的最大带宽；
每一个卫星节点的出端口中各优先级队列的最大分配带宽；
基于信用的整形器CBS的各优先级队列的令牌桶信用值累积速率和信用值发送速率；
每一个卫星节点的出端口中各优先级队列的最大缓冲区大小；
以及，各卫星节点间的链路传播时延。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述业务数据的传输配置信息以及整个卫星网络的拓扑信息，在多条所述可行路径中筛选出符合预设传输需求的可行路径以作为当前的目标可行路径，包括：
在多条所述可行路径中，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的总时延是否满足该业务数据从源节点转发到目的节点的端到端时延要求；所述执行待传输的业务数据转发所需的总时延包括：途径各卫星节点的优先级队列的最大时延之和，以及各卫星节点间的传播时延之和；
若存在满足所述业务数据转发的端到端时延要求的可行路径，则针对满足所述业务数据转发的端到端时延要求的可行路径，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的带宽资源是否满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽；所述带宽资源用于表示所述业务数据转发途经的各卫星节点的优先级队列的已占用带宽与该业务数据转发的平均速率之和；
若存在满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽的可行路径，则针对满足各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽的可行路径，判断按照每一条可行路径执行所述业务数据转发所需的缓冲区资源是否满足各卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区；所述缓冲区资源用于表示所述业务数据转发途经的各卫星节点的优先级队列已占用缓冲区大小与业务数据传输的最大突发之和；
筛选出满足所述业务数据转发的端到端延时要求、各卫星节点的优先级队列的最大分配带宽以及各卫星节点的优先级队列的最大分配缓冲区的可行队列。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述业务数据的传输配置信息以及整个卫星网络的拓扑信息，在多条所述可行路径中筛选出符合预设传输需求的可行路径以作为当前的目标可行路径，还包括：按照每一条可行路径的总传播时延从小到大的顺序，在多条可行路径中依次筛选出符合所述业务数据的预设传输需求的可行路径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别确定每一条所述目标可行路径的路径开销，包括：
计算所述目标可行路径映射至卫星节点中指定的优先级队列前后，该指定的优先级队列的已占用缓冲区大小的差值；
利用差值除以所述指定的优先级队列的最大分配缓冲区大小，再除以所述业务数据传输的最大突发，得到该指定的优先级队列的路径开销；
计算所述目标可行路径中指示的每一个卫星节点中指定的优先级队列的路径开销之和，得到所述目标可行路径的路径开销。
7.一种卫星网络的确定性路由转发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
执行权利要求1至6任一项所述的方法，得到所述业务数据的确定性转发路径；
将携带所述业务数据的业务数据包和所述业务数据的确定性转发路径下发到该业务数据的源节点，在全局视图中对业务数据执行确定性转发路径途经的各卫星节点中指定的优先级队列上的已占用带宽和已占用缓冲区大小进行扣减；
在所述确定性转发路径指定的各卫星节点按照确定性转发路径转发该业务数据；以使该业务数据从源节点转发到目的节点后，在全局视图中对业务数据执行确定性转发路径途经的各卫星节点中指定的优先级队列上所占用的带宽和缓冲区大小进行重新释放。
8.一种卫星网络的确定性路由转发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
接收卫星网络的控制器发出的携带业务数据的业务数据包以及业务数据的确定性转发路径，其中，所述业务数据的确定性转发路径是所述控制器预先基于权利要求1-6任一项所述的卫星网络的确定性路由构建方法获取的；
若根据确定性转发路径判断自身为所述业务数据对应的源卫星节点，则对接收到的业务数据包进行标签压栈，并将该业务数据的确定性转发路径以标签栈的形式压入到业务数据包的头部；
根据所述业务数据的优先级，将该业务数据的业务数据包添加至指定的优先级队列中；
按照信用整形算法将所述业务数据包转发至确定性转发路径指定的下一个卫星节点；直至所述业务数据包转发至目的节点，完成该业务数据包的转发。
9.一种卫星网络的确定性路由系统，包括处理器和存储器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现如权利要求1至6任一项所述的卫星网络的确定性路由构建方法、如权利要求7所述的卫星网络的确定性路由转发方法、或者如权利要求8所述的卫星网络的确定性路由转发方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的卫星网络的确定性路由构建方法、如权利要求7所述的卫星网络的确定性路由转发方法、或者如权利要求8所述的卫星网络的确定性路由转发方法的步骤。
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