一種衛星動態拓撲路由方法與流程
1.本發明涉及網絡路由技術領域，尤其涉及一種衛星動態拓撲路由方法。
背景技術：
2.衛星動態拓撲路由解決的問題是針對衛星不穩定的動態拓撲，尋到各個時刻內拓撲的最短時延路徑。在地面發送端，根據數據包的源衛星與目標衛星計算出對應的路由路徑。其中，控制器的輸入參數主要有：a.衛星拓撲的結構在進行路由計算前，需要知道衛星拓撲的結構，包括：衛星軌道數量、每條軌道中衛星的數量。
3.衛星拓撲內各鏈路間的傳播時延路由計算得到的是時延最短路徑，因此需要有衛星拓撲內各鏈路間傳播時延。衛星拓撲內的傳播時延分為軌道內時延和軌道間時延兩種。傳播時延與衛星之間的距離有關，因此與衛星的分布拓撲直接相關。
4.各個模塊的傳輸時延如：地面發送端將給定大小的數據發出所需的傳輸時延；衛星模塊將數據發出所需的傳輸時延等。
5.衛星拓撲改變的時間間隔長度由于衛星在不斷運動，衛星和地面之間的對應關系也在發生改變，基于虛擬拓撲建立的邏輯衛星拓撲也在不斷發生著改變。根據衛星運動的周期及拓撲的結構，確定衛星拓撲改變的時間間隔長度。
6.目前的衛星路由算法有dv-dvtr、fsa、ddra等算法。其中，dv-dvtr首次利用虛擬拓撲的思想，將動態的衛星拓撲按照時隙劃分成若干個靜態拓撲，并在靜態拓撲內計算路由；而fsa算法則將動態拓撲視作若干個靜態狀態，并利用有限狀態機和狀態轉移來計算路由信息。雖然這兩種算法都將動態衛星拓撲轉化為靜態拓撲，簡化了路由計算，但是它們都沒有考慮一種情況，即當數據包已經被發出且未到達路由終點，而是滯留在某個中間節點，這時拓撲發生改變。ddra算法對于上述情況發生的解決方案是，為滯留在中間節點的數據包重新基于新的拓撲計算路由。但是這樣需要調用衛星本地的計算資源，且當滯留數據包數量達到一定水平時，需要重新計算路由并重新配置路徑，使得衛星的路由配置變化更加頻繁，且復雜化了整個網絡的路由情況。
技術實現要素：
7.有鑒于此，本發明提出了一種衛星動態拓撲路由方法，該方法將動態的衛星拓撲在每個時隙內切分成靜態的虛擬拓撲，并基于固定的虛擬拓撲進行路由，使得衛星路由過程更加簡單。
8.為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
一種衛星動態拓撲路由方法，包括以下步驟：（1）根據衛星星座部署及衛星覆蓋地球區域的情況，將每一時隙各地球區域所對應的衛星視作邏輯衛星，由此建立虛擬拓撲，在每一時隙內，認為虛擬拓撲是固定的；（2）對于某一時隙的虛擬拓撲，使用dijkstra方法計算出虛擬拓撲中每個源節點到各目標節點的單播最短路徑；（3）對于某一時隙的虛擬拓撲，基于pim協議計算出虛擬拓撲中各源節點到目標節點組的組播樹；（4）在路由過程中，對于單播包，使用dijkstra方法計算路由路徑；對于廣播包，基于各個接收方與源節點的單播最短路徑，以及pim協議生成廣播樹；對于組播包，將廣播樹進行剪枝從而得到組播樹。
9.進一步地，在帶有各ip地址的數據包發送之前，由發送方計算該數據包相應的全部路由信息，并將其存儲在一個控制包中；發送方發出控制包后，控制包途經的物理衛星將控制包中攜帶的與該物理衛星有關的路由信息保存在本地并將其與控制包的ip匹配；之后，當物理衛星收到僅含ip地址，而不含其他路由信息的數據包時，只查看此前保存的該ip地址的路由信息，從而完成對該數據包的路由。
10.進一步地，步驟（4）中，若出現路由尚未完成，但數據包當前所在物理衛星所對應的邏輯衛星發生了改變，則將數據包發回至該物理衛星原來所對應的邏輯衛星，然后按原有的路由信息路由至終點；組播包的分裂復制也在原先所對應的邏輯衛星處進行。
11.本發明的有益效果在于：1、本發明采用了一種用于衛星動態拓撲的路由方法，結合了虛擬節點和虛擬拓撲的概念，同時使用經典的dijkstra算法及ip路由中常見的pim協議，保證了路由算法的可靠性。同時，考慮了因為虛擬節點和實際衛星之間映射關系改變帶來的路由問題。在衛星路由任務里使用pim協議的好處是，pim協議只專注于組成員和組播源狀態相關的信息，而選取路徑的信息直接從單播路由表獲取。因此不需要維護龐大的路由信息，從而降低了路由的復雜性。且pim協議中擴散只考慮“相鄰”的節點，由于衛星網絡中衛星的鄰居固定，甚至省去了尋鄰居的步驟，這使得pim協議在衛星網絡中更加易于實施。
12.2、針對數據包路由過程中發生的衛星拓撲變化，本發明采用了一種將數據包發回至所在物理衛星原先所對應的邏輯衛星的機制。若該包為單播包，則發回原先對應邏輯衛星處繼續尋徑。組播包的分裂復制也在原先所對應的邏輯衛星處進行。與現有技術相比，本發明不需要調用衛星本地的計算資源，不需要重新計算路由并重新配置路徑，從而簡化了整個網絡的路由情況。
附圖說明
13.圖1 為本發明實施例中衛星動態拓撲路由方法的處理流程圖。
14.圖2 為地面端和衛星端設定示意圖。
具體實施方式
15.為了使本公開的原理、技術流程方案以及優化效果更加清楚，下面結合具體實施例對本發明做進一步的詳細描述。
16.如圖1所示，一種衛星動態拓撲路由方法，其包括以下步驟：（1）根據衛星星座部署及衛星覆蓋地球區域情況，建立虛擬拓撲，將各區域所對應的衛星視作邏輯衛星。
17.（2）完成步驟（1）的虛擬拓撲建立后，對于某一時隙的衛星拓撲所對應的參數情況（例如時延等），使用dijkstra算法計算出每個源節點到目標節點的單播最短路徑。
18.（3）完成步驟（3）中源節點到各目標節點的單播最短路徑計算之后，基于pim協議計算出該源節點到目標節點組的組播樹。
19.（4）在路由過程中，對于單播包，使用dijkstra方法計算路由路徑；對于廣播包，基于各個接收方與源節點的單播最短路徑，以及pim協議生成廣播樹；對于組播包，將廣播樹進行剪枝從而得到組播樹。
20.該方法將地球的每片區域及為其服務的衛星視作一個虛擬節點，稱之為邏輯衛星。而對于實際的衛星，稱之為物理衛星。雖然衛星無時無刻都在高速運轉，但對于某一時隙內，衛星的位置及衛星與地面區域之間的相對位置都是固定的，因此對于某一時隙內，可以認為衛星拓撲是固定的，稱之為虛擬拓撲，基于固定的虛擬拓撲進行路由，使得衛星路由問題更加簡單。
21.該方法沒有基于衛星的動態拓撲，而是基于邏輯衛星構成的拓撲，設計了單播、組播、廣播混合需求場景下的路由機制。對于單播包，使用dijkstra算法為其計算路由路徑。對于廣播包，基于各個接收方與源節點的單播最短路徑，以及pim協議生成廣播樹。對于組播包，將廣播樹進行剪枝即可得組播樹。
22.在帶有各ip地址的數據包發送之前，發送方會計算好該包相應的全部路由信息，并將其存儲在一個控制包中。發送方發出控制包后，控制包途徑的衛星會將控制包中攜帶的與該衛星有關的路由信息保存在本地并將其與控制包的ip匹配。之后，衛星收到僅含ip地址，而不含其他路由信息的數據包時，只需查看此前保存的該ip地址的路由信息，即可完成對該數據包的路由。
23.步驟（4）中，由于物理衛星和邏輯衛星之間的映射關系會發生改變，有可能出現以下場景：數據包已被發出，但尚未被接受，在路徑的某個中間節點時，物理衛星和邏輯衛星的映射關系發生了改變。此時，本方法設定，將該數據包默認發回其原先所在的邏輯衛星。由于該邏輯衛星一定是該數據包目前所對應的邏輯衛星的相鄰節點或者同一軌道兩側的節點，因此，發回原先邏輯衛星的尋徑，實現起來也比較簡單。具體來說，若該包為單播包，則發回原先對應邏輯衛星處繼續尋徑。若該包為組播包且在原先的邏輯衛星處分裂復制，則依然在原先所對應的邏輯衛星處復制分裂。這樣做的合理性在于，雖然物理衛星拓撲是動態的，但是邏輯衛星拓撲卻是靜態的，且傳播時延與衛星之間的距離有關，也即與邏輯衛星對應。因此，當物理衛星拓撲發生改變時，這時已發出的數據包依然可以按照基于原有邏輯拓撲所計算得到的最短路徑。這樣做的優點在于，只需簡單地將數據包發回至所在物理衛星原先所對應的邏輯衛星即可，且不需要重新計算該包的路由路徑。
24.以下為一個更具體的實施例：對于omnet++上搭建的40
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10（10條軌道，每條軌道40顆衛星）的衛星星，仿真設定如下：如圖2所示，地面端基于當前時隙虛擬拓撲為組播包計算組播樹，將信息存在控制
包中并發送給相應衛星端；在發送完攜帶路由路徑信息的控制包后，衛星將發送僅含ip信息的數據包。衛星端在收到僅含ip信息的數據包時，將根據已經獲取到的對應控制包中所存儲的路由信息完成數據包的路由。設置有三種不同ip的包，分別對應于組播、單播、廣播，一開始，發送模塊會基于本方法計算三種ip所對應的路由信息，然后分別發送三個攜帶這三種ip路由信息的數據包（稱為控制包）至相關衛星，這三個控制包攜帶了三種ip的路由配置信息，衛星按照ip分別保存這些路由信息并維護。發完三個這樣的控制包后，發送模塊會發送普通數據包，普通數據包中只攜帶ip信息，衛星接收到普通數據包后，查看其ip，然后出之前保存的該ip對應的路由信息，并遵照之將路由該包。
25.其中，仿真參數設置如下：軌道內星間鏈路時延為1.84ms，衛星和地面間鏈路時延為2.15ms，而由于不同緯度的衛星間，軌道間鏈路距離不相同，所以時延不相等，其中與赤道重合的軌道鏈路時延為3.62ms，物理衛星和邏輯衛星映射關系的轉變時間間隔1.22min。
26.仿真得到各個接收模塊統計的數據包的各項技術指標，如接收包的數量、接收包的平均時延等。不同節點因為其所處位置不同，收到數據包的平均時延也會有所不同。由仿真結果可知，靠近拓撲邊緣的節點，往往需要更多的跳數才可到達，因此時延也會相對較高。總體來看時延為20-200ms不等，但是各節點收到數據包的總體時延均低于200ms，本實施例所設定的場景是全球各地的節點通信，所以這個時延是可接受的。
27.由于對于不同類型（單播、組播、廣播）的包，仿真中設置的發送頻率是相同的，因此發送的各類包數量是相等的。例如設置單播源為184，組播源為214，廣播源為36。組播組為100-200，單播終點為199。本仿真中，三個源節點各自發了48個單播、組播、廣播包。因此，若無丟包發生，0-99，201-400號節點應收到48個包，100-200號（199號除外）節點應收到96個包，199號節點應收到144個包。
28.相較于路由過程中物理衛星和邏輯衛星對應關系不變的數據包，關系改變的數據包發回原來邏輯衛星帶來的時延代價是可以接受的。大部分數據包會被帶至原來邏輯衛星相鄰的邏輯衛星，因而帶來的時延代價僅為傳輸時延及發回至原有邏輯衛星的傳播時延。而對于從一端帶至另一端的數據包，這個時延會較大，好在這類數據包出現的概率很低。
29.上面所描述的實施例僅是本發明的具體實施例，而不是全部實施例。基于本發明中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
技術特征：
1.一種衛星動態拓撲路由方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）根據衛星星座部署及衛星覆蓋地球區域的情況，將每一時隙各地球區域所對應的衛星視作邏輯衛星，由此建立虛擬拓撲，在每一時隙內，認為虛擬拓撲是固定的；（2）對于某一時隙的虛擬拓撲，使用dijkstra方法計算出虛擬拓撲中每個源節點到各目標節點的單播最短路徑；（3）對于某一時隙的虛擬拓撲，基于pim協議計算出虛擬拓撲中各源節點到目標節點組的組播樹；（4）在路由過程中，對于單播包，使用dijkstra方法計算路由路徑；對于廣播包，基于各個接收方與源節點的單播最短路徑，以及pim協議生成廣播樹；對于組播包，將廣播樹進行剪枝從而得到組播樹。2.根據權利要求1所述的一種衛星動態拓撲路由方法，其特征在于，在帶有各ip地址的數據包發送之前，由發送方計算該數據包相應的全部路由信息，并將其存儲在一個控制包中；發送方發出控制包后，控制包途經的物理衛星將控制包中攜帶的與該物理衛星有關的路由信息保存在本地并將其與控制包的ip匹配；之后，當物理衛星收到僅含ip地址，而不含其他路由信息的數據包時，只查看此前保存的該ip地址的路由信息，從而完成對該數據包的路由。3.根據權利要求1所述的一種衛星動態拓撲路由方法，其特征在于，步驟（4）中，若出現路由尚未完成，但數據包當前所在物理衛星所對應的邏輯衛星發生了改變，則將數據包發回至該物理衛星原來所對應的邏輯衛星，然后按原有的路由信息路由至終點；組播包的分裂復制也在原先所對應的邏輯衛星處進行。
技術總結
本發明公開了一種衛星動態拓撲路由方法，屬于網絡路由技術領域。本發明基于虛擬節點和虛擬拓撲技術，在每個時隙將衛星拓撲視作虛擬拓撲；在每個時隙的虛擬拓撲下，首先利用dijkstra算法計算出每個源節點到目標節點的單播最短路徑，再利用PIM協議計算出源節點至目標節點組的組播樹；在數據包路由過程中，對于單播包，使用dijkstra方法計算路由路徑；對于廣播包，基于各個接收方與源節點的單播最短路徑，以及PIM協議生成廣播樹；對于組播包，將廣播樹進行剪枝從而得到組播樹。本發明將動態的衛星拓撲在每個時隙內切分成靜態的虛擬拓撲，并基于固定的虛擬拓撲進行路由，使得衛星路由過程更加簡單。路由過程更加簡單。路由過程更加簡單。
