一种基于负载感知流量动态自适应的空间网络路由方法技术

本发明专利技术提供了一种基于负载感知流量动态自适应的空间网络路由方法，保证了数据的高效可靠传输及空间网络的稳定运行。该方法包括接入节点的动态接入过程以及骨干节点的负载感知过程；本发明专利技术利用接入用户身份鉴权机制实现轻量级接入节点动态接入控制，利用骨干节点覆盖重叠区域，在当前区域数据传输的同时完成下一区域网络接入并完成数据传输的不间断切换，避免了数据传输过程中的抖动。使用节点负载及流量感知机制，通过融合计算得到骨干节点综合流量处理能力值，并将该值发送给接入节点。接入节点根据该值自适应动态调整数据发送的速率，保证了数据的高效可靠传输及空间网络的稳定运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空间网络
，特别涉及一种基于负载感知流量动态自适应的空间网络路由方法。
技术介绍
空间网络利用先进的星间网络技术，在不同类型的航天器之间，以及与低空的飞行器，并与地面的空间管理机构的设施连接，进而和地面互联网络相融合，共同组成具有自主信息获取、融合、分发、处理、传输与应用功能的空间信息网络，具备更为强大的处理能力和更加直接的处理方式。空间网络具有全球覆盖，接入简单等诸多优点，在资源探测、气象预测、紧急救援、环境与灾害监测等领域被广泛应用，被诸多研究人员认为是下一代互联网的重要组成部分。路由算法是空间网络中核心技术，路由算法是否灵活、高效、健壮，直接关系到网络的可扩展性与运行的稳定性。由于空间网络中的节点主要由高度动态的空间飞行器组成，导致网络拓扑动态变化，稳定性较差，接入节点具有随机性，无法简单地在空间网络环境中使用静态路由方法，而常见的动态路由方法存在接入区域的经常性切换而出现数据传输链接频繁中断，大量重复链路建立过程而导致开销较大。空间网络节点处理能力非常有限，并且难以补充资源，一旦出现节点负载过重，将出现严重的丢包率，导致其数据传输效率严重下降，影响整个空间网络系统的鲁棒性和稳定性。幸运的是，空间飞行器的飞行，以及数据传输的流量大小又具有一定的规律性和可预测性。如何实现节点动态接入，避免数据传输过程的抖动，尽量减小丢包率，同时保证数据可靠稳定传输成为空间网络路由中亟需解决的问题。西安电子科技大学CN104902515A号专利公开了一种基于负载感知的多层卫星网络路由方法，该专利技术利用多层卫星网络层次化结构来对网络的负载进行周期性感知，并根据收集的负载信息来动态地调整业务在MEO层和LEO层的分流比例，达到网络的负载均衡，通过将业务的QoS需求与网络的结构特征相匹配，在网络业务负载较重时最先分流对时延要求最低的业务，使其从MEO层传输，而时延敏感业务始终从LEO层传输。但该方法主要存在以下问题：(1)该方法基于的网络结构是静态的网络拓扑，仅是根据卫星运动轨迹的周期性和可预测性来获得当前网络的拓扑和连接关系。随着网络规模的不断扩大和随机性空间网络节点的出现，这种完全静态的网络拓扑维护方法将难以适应。(2)该方法对网络性能的评估是使用业务平均达到率以及传播时延这两个参数进行综合运算得到节点的负载评估值，不具有扩展性。在不同的空间网络应用场景下，对网络节点不同性能参数的敏感性有差异，导致了网络节点负载性能的评价方法可能会有不同，而该方法难以适应性地针对不同的应用场景对节点负载性能做出客观的评价。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于负载感知流量动态自适应的空间网络路由方法，保证了数据的高效可靠传输及空间网络的稳定运行。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于负载感知流量动态自适应的空间网络路由方法，空间网络为由骨干网和接入网组成的双层拓扑结构，骨干网由骨干节点组成，接入网由接入节点组成。其中骨干网中每个骨干节点具有设定的通信覆盖区域、且两相邻骨干节点的通信覆盖区域具有重叠区域。该方法包括接入节点的动态接入过程以及骨干节点的负载感知过程；接入节点的动态接入过程为：当前接入节点在进入到一个骨干节点的覆盖区域之后，向当前骨干节点发送接入请求，该接入请求经当前骨干节点验证通过并确认应答之后，当前接入节点则与当前骨干节点建立通信链路，并依据骨干节点发来的负载状态值调整数据传输速率进行数据传输；当前接入节点持续运动至当前骨干节点与相邻骨干节点的重叠区域之后，在执行数据传输的同时，向该相邻骨干节点发送新的接入请求，该新的接入请求经该相邻骨干节点验证通过并确认应答之后，当前接入节点与该相邻骨干节点建立通信链路；依此类推，当前接入节点持续运动的过程中，实现与骨干网络的连续数据传输；骨干节点的负载感知过程为：预先设置评估性能参数，骨干节点按照设定的周期获取各评估性能参数的当前值，并为各评估性能参数设置上限阈值和下限阈值，若所有评估性能参数的当前值均不大于上限阈值，则选取当前值在上限阈值和下限阈值之间的评估性能参数进行加权运算得到节点负载状态值，骨干节点在对接入节点的接入请求确认应答时，同时发送当前周期内计算的负载状态值至接入节点。进一步地，接入节点向当前骨干节点发送的接入请求内容包括节点ID信息和要传输数据最大长度；节点ID信息为当前骨干节点在骨干网络中的唯一标识；要传输数据最大长度为接入节点和骨干节点在之后的连接过程中需要传输的数据的最大长度，该要传输数据最大长度满足当前骨干节点支持的最大数据长度范围；当前骨干节点收到该接入请求后，进行身份鉴别及数据长度合法性验证，确认该接入节点ID信息和要传输数据最大长度均符合要求，若都符合要求则验证成功，当前骨干节点回复确认应答信息；否则验证失败，该接入节点无法完成通信接入。进一步地，接入节点上具有至少2副天线，当前接入节点持续运动至当前骨干节点与相邻骨干节点的重叠区域之后，当前接入节点根据自身时间和空间位置信息实时判断，若进入到重叠区域，则前接入节点的一副天线继续与当前骨干节点保持通信链路连接，另一副天线则指向相邻骨干节点，并发送新的连接请求，相邻骨干节点优先处理新的连接请求，该新的接入请求经该相邻骨干节点验证通过并确认应答之后，当前接入节点与该相邻骨干节点建立通信链路，则当前接入节点通过与该相邻骨干节点的通信链路进行数据传输，不再通过与当前骨干节点的通信链路进行数据传输。进一步地，令预先设置的评估性能参数表示为P1～Pn，共n种；其中针对Pi，设置其上限阈值为Pimax，下限阈值为Pimin，i＝1～n；则负载状态值为：Ls=(P1max-P1)P1max-P1minϵ1+P2max-P2P2max-P2minϵ2+...+Pnmax-PnPnmax-Pnminϵn]]>ε1+ε2+...+εn＝1其中ε1～εn为预设的P1～Pn的权值。进一步地，性能评估参数包括数据流量，骨干节点获取数据流量的预测值作为当前值，其中获取数据流量的预测值的过程为：针对骨干节点进行历史数据流量观测，获得历史数据流量的平稳序列{F1,…,Fn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于负载感知流量动态自适应的空间网络路由方法，其特征在于，所述空间网络为由骨干网和接入网组成的双层拓扑结构，所述骨干网由骨干节点组成，接入网由接入节点组成；其中骨干网中每个骨干节点具有设定的通信覆盖区域、且两相邻骨干节点的通信覆盖区域具有重叠区域；该方法包括接入节点的动态接入过程以及骨干节点的负载感知过程；所述接入节点的动态接入过程为：当前接入节点在进入到一个骨干节点的覆盖区域之后，向当前骨干节点发送接入请求，该接入请求经当前骨干节点验证通过并确认应答之后，当前接入节点则与当前骨干节点建立通信链路，并依据骨干节点发来的负载状态值调整数据传输速率进行数据传输；当前接入节点持续运动至当前骨干节点与相邻骨干节点的重叠区域之后，在执行数据传输的同时，向该相邻骨干节点发送新的接入请求，该新的接入请求经该相邻骨干节点验证通过并确认应答之后，当前接入节点与该相邻骨干节点建立通信链路；依此类推，当前接入节点持续运动的过程中，实现与骨干网络的连续数据传输；所述骨干节点的负载感知过程为：预先设置评估性能参数，所述骨干节点按照设定的周期获取各评估性能参数的当前值，并为各评估性能参数设置上限阈值和下限阈值，若所有评估性能参数的当前值均不大于上限阈值，则选取当前值在上限阈值和下限阈值之间的评估性能参数进行加权运算得到节点负载状态值，骨干节点在对接入节点的接入请求确认应答时，同时发送当前周期内计算的负载状态值至接入节点。...

【技术特征摘要】
1.一种基于负载感知流量动态自适应的空间网络路由方法，其特征在于，所述空间网络为由骨干网和接入网组成的双层拓扑结构，所述骨干网由骨干节点组成，接入网由接入节点组成；其中骨干网中每个骨干节点具有设定的通信覆盖区域、且两相邻骨干节点的通信覆盖区域具有重叠区域；该方法包括接入节点的动态接入过程以及骨干节点的负载感知过程；所述接入节点的动态接入过程为：当前接入节点在进入到一个骨干节点的覆盖区域之后，向当前骨干节点发送接入请求，该接入请求经当前骨干节点验证通过并确认应答之后，当前接入节点则与当前骨干节点建立通信链路，并依据骨干节点发来的负载状态值调整数据传输速率进行数据传输；当前接入节点持续运动至当前骨干节点与相邻骨干节点的重叠区域之后，在执行数据传输的同时，向该相邻骨干节点发送新的接入请求，该新的接入请求经该相邻骨干节点验证通过并确认应答之后，当前接入节点与该相邻骨干节点建立通信链路；依此类推，当前接入节点持续运动的过程中，实现与骨干网络的连续数据传输；所述骨干节点的负载感知过程为：预先设置评估性能参数，所述骨干节点按照设定的周期获取各评估性能参数的当前值，并为各评估性能参数设置上限阈值和下限阈值，若所有评估性能参数的当前值均不大于上限阈值，则选取当前值在上限阈值和下限阈值之间的评估性能参数进行加权运算得到节点负载状态值，骨干节点在对接入节点的接入请求确认应答时，同时发送当前周期内计算的负载状态值至接入节点。2.如权利要求1所述的一种基于负载感知流量动态自适应的空间网络路由方法，其特征在于，所述接入节点向当前骨干节点发送的接入请求内容包括节点ID信息和要传输数据最大长度；所述节点ID信息为所述当前骨干节点在骨干网络中的唯一标识；所述要传输数据最大长度为所述接入节点和所述骨干节点在之后的连接过程中需要传输的数据的最大长度，该要传输数据最大长度满足当前骨干节点支持的最大数据长度范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎冬，郭坚，汪路元，何熊文，顾明，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京;11