SD-UANET中考虑负载和链路变化的路径选择方法及介质技术

本发明专利技术请求保护一种SD

【技术实现步骤摘要】
SD
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UANET中考虑负载和链路变化的路径选择方法及介质


[0001]本专利技术属于无人机自组网(UAV Ad hoc NETworks，UANET)
，特别涉及采用了软件定义网络(Software Defined Networks，SDN)架构和先应式路由协议的无人机自组网应用场合。

技术介绍

[0002]无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一种无人驾驶系统，它起源于20世纪，能够利用自身的特点，尤其是在缺乏基础设施保障的情况下，进入到人员难以到达的位置提供救灾、监测、通信等服务，帮助人类执行危险、秘密的军事任务。无人机自组网是由多架无人机自组织形成的无线多跳网络，具有便捷灵活、成本低、高效高速的特点。由于无线自组网网络没有固定的网络设施，所以它可以在任何时间、任何地点构建和使用。UANET的无线路由协议是UANET研究的核心之一，可靠高效的无线路由协议是UANET成功运行的基础。OLSR(Optimized Link State Routing，最优化链路状态路由)协议是根据移动自组网的要求，在传统的链路状态协议的基础上进行优化改进而得来的适应于大规模网络规模的动态路由协议，是由因特网工程任务组移动自组织网络(Internet Engineering Task Force Mobile Ad
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hoc Network，IETF MANET)工作组为无线移动自组网提出的一种标准化的表驱动式优化链路状态路由协议。多点中继(MultiPoint Relay，MPR)概念是OLSR路由协议中非常重要的概念，在所有的网内广播的节点中选择部分节点作为MPR节点，被选中为MPR的节点转发链路状态信息，同样地，链路状态信息只在多个MPR之间进行传播，此举能够减少洪泛的控制信息,在网络中进行拓扑控制(Topological Control，TC)消息传播之后，各个节点能够使用D(Dijkstra，迪杰斯特拉)算法计算并生成本地路由表。SDN架构是完全有别于传统的网络架构的，SDN架构以自下向上的顺序分为数据转发层、控制层和应用层。由基础的众多的网元设备共同构成底层的数据转发网络，无论是同层转发还是向上接收或汇报相关信息，这些设备都只拥有数据的转发功能，因此数据转发层设备中的转发表项也是通过与控制层的通信而接收到的命令信息。控制层是SDN架构中SDN控制器所在的层次，既负责服务应用层，又负责指挥调度数据转发层。应用层是整个网络架构的最上层，因此这一层是直接面对用户的，要理解和分析用户的需求与意图进而更好地做到对用户的反馈。
[0003]针对现有的UANET中处理时延偏大、传统分布式路由丢包率偏高等问题，周佳琦等提出了一种路由维护机制(参见文献：周佳琦,黄璨,曹建玲,任丽丹,任智.软件定义无人机自组网高效自适应路由维护机制[J].电讯技术,2022,62(02):179
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185)，将已有的流表项信息与已有的控制消息相结合，该机制自适应路由的变化。一旦无人机节点接收到路由信息缺失的数据包，就自行判断信息缺失的路由数据包的转发方式，判断依据已有的流表项信息进行比对。具体来说有两种方式，一种是借由SDN控制器直接转发，另一种是在普通节点直接进行转发，因此可以自适应网络的状态。虽然借助控制器解决了传统分布式网络中存在的如丢包率较高，网络传输时延较高等问题，但是在该机制中，存在着如控制器节点处拥塞进而造成业务数据包传输受阻，可能使得传输时延上升甚至丢包，也存在着在传输的
过程中缺乏路径质量判断、因而影响数据包传输成功率和时延的问题。
[0004]对于采用SDN架构的无线网络在海上的应用，各通信实体对单路径传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)的卫星通信系统有严重的依赖性。但卫星通信系统主动或被动的缺失将会引发严重的战场信息中断问题，为减小该问题带来的担忧，Zhao等提出了一种移动异构网络架构(参见文献：Zhao Q,Du P,Gerla M,et al.Software defined multi
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path tcp solution for mobile wireless tactical networks[C]//2018IEEE Military Communications Conference(Milcom2018).IEEE,2018:1
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9)，利用基于多路径TCP与SDN技术的方法，使用无人机群作为通信中继，与单路径TCP网络相比更具有可靠性，并且使用流偏差法算法可减少影响流量重新分配。该方法的目标是减少延迟并通过平衡路径的可用负载来增加吞吐量。经验证该方法有效地减小了链路拥塞并提高了带宽利用率；但是该移动异构网络架构在解决方案上增加了网络的额外的控制开销，并且对于海上军用的场景来说，SDN架构引入了新的网络安全问题。
[0005]为实现更快速的路径收敛与更优质的路径识别，结合软件网络定义网络，突破分布式自组网的限制，Labraoui等提出了基于OLSR的一跳到达的SD
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UANET模型(参见文献：Labraoui M,Boc M M,Fladenmuller A.Software defined networking
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assisted routing in wireless mesh networks[C]//2016International Wireless Communications and Mobile Computing Conference(IWCMC 2016).IEEE,2016:377
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382)，通过普通节点之间HELLO消息的周期性交互以及控制器节点与普通节点之间的一跳周期性的交互，方便控制器进行快速组网，并在其基础上，保证在普通节点无法获得去往目的地的下一跳的情况下，控制器节点能够提供全局拓扑下的路由分发，此协同机制将更好地帮助维护链路的可靠性。SDN架构帮助延伸了业务数据包的可达范围，所提出的协议在由于路由不可用、数据包传递率和吞吐量导致的数据包丢失方面进行了改善，提高了网络性能。虽然这种OLSR协议与SDN结合的混合路由架构利用控制器辅助研究传统路由会带来更好的性能和控制，且可靠性也得到增强，但网络的控制开销会根据网络规模较明显增加。
[0006]为解决机载网络中存在的节点移动速度较快，位置变化较频繁以及通信干扰而导致的机载网络中存在的链路不稳定与业务传输不连续等问题，邹鑫清等提出了一种解决链路拥塞与提升业务转发效率的办法(参见文献：邹鑫清,吕娜,陈柯帆,胡诗骏.软件定义航空集群机载网络自适应更新策略[J].空军工程大学学报(自然科学版),2021,22(02):34
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41)，通过混合更新算法对各业务流的更新顺序进行规范，得到操作序列，该序列表示了更新顺序；然后设计了链路感知模块，在更新方法中嵌入链路感知模块并优化了更新顺序的获取。该方法增加链本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SD
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UANET中考虑负载和链路变化的路径选择方法，所述SD
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UANET包含控制器和普通节点两类节点，在一个SD
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UANET中，控制器只有1个，普通节点可以有1个或多个，在控制器和普通节点上都运行无线自组网的先应式路由协议，其特征在于，所述方法包括以下步骤：采用一种新算法——“能够自动及时终止的快速多轮D算法”，即：运行第1轮D算法，找出一条源—目的节点间的最小跳数路径；在第2及后续轮次运行D算法进行路径搜索的过程中，路径每增加1跳，就比较路径跳数和最小跳数即最短路径的跳数；如果跳数相等且尚未到达目的节点，说明次短及后续路径跳数大于最小跳数，则停止搜索，多轮D算法结束运行；采用一种新机制——“基于归一化负载和链路变化率的路径选择”，即：用“MAC子层发送缓存中等待发送的数据”与“MAC子层发送缓存容量”的比值来表征一个节点的负载；用节点度变化率来表征一个节点关联链路数量的变化快慢，在一个计时周期内节点度变化率＝节点度变化次数/(节点度变化次数的最大值+1)；对于1条路径，用中间节点负载的最大值来表征该路径的负载L，用中间节点的节点度变化率的平均值来表征该路径的链路变化率V；为负载和链路变化率分别分配归一化权值α1和α2：每个普通节点在本地统计负载和度的变化，并借助先应式路由协议的控制消息将负载和度变化标志信息用“捎带”的方式传送给控制器；控制器用赋权后的负载和链路变化率计算路径困难度D；运行多轮D算法后，如果源—目的节点对之间存在多条最小跳数路径，控制器则比较这些路径的困难度D，选择D值最小的路径作为路径选择的结果。2.根据权利要求1所述的一种SD
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UANET中考虑负载和链路变化的路径选择方法，其特征在于，所述节点度变化率＝节点度变化次数/(节点度变化次数的最大值+1)，分母中的“+1”是为了让节点变化率<1，以便使分配权重后的归一化负载和链路变化率之和<1。3.根据权利要求1所述的一种SD
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UANET中考虑负载和链路变化的路径选择方法，其特征在于，所述权值α1和α2：α1+α2＝1，0≤α1≤1，0≤α2≤1，α1和α2缺省值都为0.5，可以根据两部分的重要程度进行调整；路径困难度D：D＝α1*L+α2*V。4.根据权利要求1所述的一种SD
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UANET中考虑负载和链路变化的路径选择方法，其特征在于，所述普通节点的主要操作如下：P1：普通节点根据配套的先应式路由协议更新邻居节点表时，先应式路由协议即缺省使用的配套路由协议为最优化链路状态路由协议OLSR，如果发现邻居节点数量即自己的度发生了变化，则运行“基于归一化负载和链路变化率的路径选择”新机制，置预先设置的度变化标志F
i
＝1，i为普通节点的ID或序号；P2：普通节点的MAC子层获取发送缓存中保存的待发送的数据量和发送缓存的容量，计算原始负载参数L0：L0＝发送缓存中的待发数据量/发送缓存容量然后，MAC子层将L0跨层传送给网络层；P3：为了减少位数以节省传送L0的控制开销，网络层用将L0转换为整数型的量化负载L
i
表示的整数或分数：P4：普通节点根据作为基础的先应式路由协议向全网广播控制消息时，缺省使用的控制消息为OLSR路由协议周期性广播的拓扑控制TC消息；如果节点不广播TC消息则用自己周期性广播的Hello消息将相关信息捎带给要广播TC消息的邻居节点，在该控制消息上增加
两个字段，将最新算得的L
i
和F
i
装入其中，然后进行广播，由该控制消息捎带着传送给控制器。然后，清零F
i
：F
i
＝0。最后，返回P1。5.根据权利要求4所述的一种SD
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UANET中考虑负载和链路变化的路径选择方法，其特征在于，所述步骤P3网络层用将L0转换为整数型的量化负载L
i
表示的整数或分数，具体包括：i)如果L0＝0，则L
i
＝0；ii)如果L0≤1/255，则L
i
＝255；iii)如果L0>1/255，则L
i
由不等式算得；从上述3种情形可知：0≤L
i
≤255，于是仅用1个字节来传送L
i
的值，即间接地传送L0的值。6.根据权利要求1所述的一种SD
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【专利技术属性】
技术研发人员：任智，陈凯，郭建，舒俊辅，姚毅，王淮，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：