一种面向空天信息网络的网络维护方法
【专利摘要】本发明涉及空天信息网络领域，尤其涉及一种面向空天信息网络的网络维护方法。在普通节点损坏时，采用局部路由重建和全局路由重建相结合的方式保障数据传输的连续性，并快速恢复到最优路径；在管理卫星损坏时，通过中轨卫星层的多颗卫星共同承担管理卫星的任务，保障控制信息的可靠传输；在节点可能拥塞时，通过额外代价的设置避免其转发更多的数据，并通过强制路由保持原有业务的传输路径，避免节点拥塞和业务路径的频繁变化。本发明能够使网络在发生突发状况时保持一定的数据传输能力，提高了空天信息网络的可靠性和抗毁能力。
【专利说明】一种面向空天信息网络的网络维护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空天信息网络领域，尤其涉及一种面向空天信息网络的网络维护方法。
【背景技术】
[0002]空天信息网络是一种包含了各种卫星、临近空间平台、各种飞行器以及地面通信站等不同种类通信系统的综合性通信网络，可作为灾难、战争环境下的应急通信系统，也可作为传统地面通信网络和卫星通信网络的扩展，具有广阔的应用前景。
[0003]空天信息网络的骨干节点由各种卫星和临近空间平台组成，数据通过多跳无线信道传输。相对于有线信道，无线信道具有开放性，信息容易被截获和干扰，面临更大的安全威胁。相对于地面网络设施，卫星和临近空间平台等通信设施成本较高，损坏后修复困难。并且由于空天信息网络的应用领域往往比较重要，网络故障造成的影响较为严重。因此要求空天信息网络应该具有较强的抗毁性和自我修复能力，使整个网络在部分节点出现故障或者受到恶意攻击时仍然保持一定的网络服务能力。
[0004]除对故障设施进行物理修复之外，常用的网络维护方法是通过网络协议的设计来保障网络故障时的数据传输能力。通常在网络协议层面进行网络维护的主要方法是使数据传输绕开出现故障的网络设施，或者为网络增加可用的中继节点。
[0005]一些针对卫星网络的路由技术中考虑到了网络的抗毁和路由的维护。当检测到网络中有节点或链路失效时，通过路径的重建对网络进行修复。路径重建方法包括部分路径重建和全部路径重建。部分路径重建时，路由计算者收集被失效节点(或链路)影响的路由信息，在小范围内重新计算路由，使路径绕过失效区域，保证业务正常传输。该方法收敛速度快，业务恢复时间短。但是，由于不能综合全网信息，对于某种准则(例如最短路径)来说，新计算的路由很可能不是最优的，从而降低了网络性能。全部路径重建方法是在网络中部分设施故障时，绕开故障区域，重新发起路由查找过程，建立新路径。这种方法保证了路由的最优性，但是收集全网的状态信息会影响路径重建的速度。
[0006]面向空天信息网络的网络维护方法应能够在快速重建路径的同时，保障新路由的最优性。并且需要考虑网络中关键节点损坏时控制信息的传输保障以及避免由于部分节点拥塞造成的网络瘫痪。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是:提供一种面向空天信息网络的网络维护方法，能够保障节点故障或拥塞状况下的数据传输能力，有效提高空天信息网络的可靠性和抗毁能力。
[0008]本发明采取的技术方案为提供一种该方法包括以下步骤:
[0009]A、普通节点损坏时的网络维护，采用局部路由重建和全局路由重建相结合的方式，所述局部重建是通过从上游节点到目的节点的局部路由重建，所述全局路由重建是通过管理卫星来更新网络状态，在全网进行全局的路由重建；
[0010]B、关键节点损坏时的网络维护，通过中轨卫星层的多颗卫星共同承担管理卫星的任务；
[0011]C、节点拥塞时的网络维护，通过额外代价的设置避免其转发更多的数据，并通过强制路由保持原有业务的传输路径。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述步骤A包括以下步骤
[0013]Al、在所有骨干节点更新NIB之前，采用局部重建的路由来传输数据；
[0014]A2、在网络中各骨干节点更新NIB之后，根据新的NIB绕开失效的链路和节点来计
算路由。
[0015]作为本发明的进一步改进，当骨干节点i发现其与节点j之间的链路(i, j)失效时，所述步骤A2包括以下步骤:
[0016]A20、( i, j)的上游节点i发起网络维护过程，上游节点i更新自身的网络状态信息库NIBJf (i，j)这条链路的额外代价设为Aij =c?，重新计算业务传输的路径，并按照新的路径转发数据；
[0017]A30、上游节点i向管理卫星发送失效消息ERROR，启动全局路由重建过程，管理卫星收到ERROR后，在NIB中将(i，j)这条链路的额外代价设为Au = c?，将计算结果通过管理卫星发送到各个骨干节点；
[0018]A40、上游节点i在发送ERROR消息之后，周期性地发送HELLO消息。
[0019]作为本发明的进一步改进，所述步骤A40包括以下分步骤:
[0020]A41:如果i到j的链路恢复并且稳定，上游节点i向管理卫星发送一个链路恢复消息RECOVER，管理卫星收到RECOVER消息后重置NIB中(i，j)这条链路的额外代价为Aij=0，并将NIB的更新部分发送给各骨干节点；
[0021]A42:如果节点j与所有邻居之间的链路都失效，则网络判断节点j损坏，将其从NIB中删除，减少路由计算时的计算量，并且邻居节点也停止发送HELLO消息，减少不必要的开销；
[0022]A43:如果节点j从故障中恢复，通过广播HELLO消息来通知邻居节点。
[0023]作为本发明的进一步改进，所述步骤B包括以下分步骤:
[0024]B1.当某节点i发现链路其与管理卫星之间的链路(i，g)失效时，i在与自身相连的中轨卫星中选择连接度最大的一个⑴作为管理节点，将需要发送给g的控制信息发送给mi，由mi完成此次控制信息的转发，其中节点连接度根据NIB来获得；
[0025]B2.1ni在收到i发来的控制信息后，判断出链路(i，g)失效，将控制信息广播给其连接的所有骨干节点；收到mi广播的控制信息的节点包括同步卫星、中轨卫星、低轨卫星和临近空间平台等骨干节点，其中同步卫星、低轨卫星和临近空间平台收到控制信息后只更新自身NIB，继续进行数据的转发。中轨卫星收到控制信息后，更新自身的NIB，并将控制信息继续广播给相邻的骨干节点(包括同步卫星)，并探测同步卫星是否失效，将探测结果通过最短延时路径发送到mi，如果链路失效，则发送ERROR消息，否则发送RECOVER消息，如果多数中轨卫星与同步卫星之间的链路失效，则判断同步卫星失效，由mi广播同步卫星失效通知；
[0026]B3.骨干节点收到卫星失效通知后，当有网络状态更新时，选择与自身相连的节点连接度最大的中轨卫星传输控制信息，当同步卫星从故障中恢复，或者备份卫星开始工作，则中轨卫星层广播的同步卫星恢复通知，网络恢复正常状态。
[0027]作为本发明的进一步改进，所述节点拥塞时的网络维护是根据节点队列长度不同状态对节点的拥塞进行判断和网络维护操作，所述节点拥塞包括无拥塞状态、拥塞避免状态及拥塞状态。
[0028]作为本发明的进一步改进，所述队列长度包括最小队列长度minth、最大队列长度maxth、平均队列长度qavg、总队列qlim ;当qavg小于minth时,为无拥塞状态,不丢弃数据包；当qavg在minth与Hiaxt h之间时，为拥塞避免状态，以一定的概率随机丢弃数据包；当qavg大于maxth时,为拥塞状态,丢弃新到的数据包。
[0029]作为本发明的进一步改进，节点的拥塞状态通过ERROR、WARRING和RECOVER等消息发送给管理卫星，并通过额外代价的设置将拥塞状态反映到NIB中；
[0030]对所有链路(j，i) e G，链路的额外代价根据队列长度设置:
【权利要求】
1.一种面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: A、普通节点损坏时的网络维护，采用局部路由重建和全局路由重建相结合的方式，所述局部重建是通过从上游节点到目的节点的局部路由重建，所述全局路由重建是通过管理卫星来更新网络状态，在全网进行全局的路由重建； B、关键节点损坏时的网络维护，通过中轨卫星层的多颗卫星共同承担管理卫星的任务; C、节点拥塞时的网络维护，通过额外代价的设置避免其转发更多的数据，并通过强制路由保持原有业务的传输路径。
2.根据权利要求1所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:所述步骤A包括以下步骤 Al、在所有骨干节点更新NIB之前，采用局部重建的路由来传输数据； A2、在网络中各骨干节点更新NIB之后，根据新的NIB绕开失效的链路和节点来计算路由。
3.根据权利要求2所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:当骨干节点i发现其与节点j之间的链路(i，j)失效时，所述步骤A2包括以下步骤: A20、(i, j)的上游节点i发起网络维护过程，上游节点i更新自身的网络状态信息库NIBJf (i，j)这条链路的额外代价设为Aij ?，重新计算业务传输的路径，并按照新的路径转发数据； A30、上游节点i向管理卫星发送失效消息ERROR，启动全局路由重建过程，管理卫星收到 ERROR后，在NIB中将(i，j)这条链路的额外代价设为Aij = ^?，将计算结果通过管理卫星发送到各个骨干节点； A40、上游节点i在发送ERROR消息之后，周期性地发送HELLO消息。
4.根据权利要求3所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:所述步骤A40包括以下分步骤: A41:如果i到j的链路恢复并且稳定，上游节点i向管理卫星发送一个链路恢复消息RECOVER，管理卫星收到RECOVER消息后重置NIB中(i，j)这条链路的额外代价为Aij = 0，并将NIB的更新部分发送给各骨干节点； A42:如果节点j与所有邻居之间的链路都失效，则网络判断节点j损坏，将其从NIB中删除，减少路由计算时的计算量，并且邻居节点也停止发送HELLO消息，减少不必要的开销； A43:如果节点j从故障中恢复，通过广播HELLO消息来通知邻居节点。
5.根据权利要求1所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:所述步骤B包括以下分步骤: B1.当某节点i发现链路其与管理卫星之间的链路(i，g)失效时，i在与自身相连的中轨卫星中选择连接度最大的一个Hli作为管理节点，将需要发送给g的控制信息发送给IV由Hii完成此次控制信息的转发，其中节点连接度根据NIB来获得； B2.Hii在收到i发来的控制信息后，判断出链路(i，g)失效，将控制信息广播给其连接的所有骨干节点； B3.骨干节点收到卫星失效通知后，当有网络状态更新时，选择与自身相连的节点连接度最大的中轨卫星传输控制信息，当同步卫星从故障中恢复，或者备份卫星开始工作，则中轨卫星层广播同步卫星恢复通知，网络恢复正常状态。
6.根据权利要求1所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:所述节点拥塞时的网络维护是根据节点队列长度不同状态对节点的拥塞进行判断和网络维护操作，所述节点拥塞包括无拥塞状态、拥塞避免状态及拥塞状态。
7.根据权利要求6所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:所述队列长度包括最小队列长度minth、最大队列长度maxth、平均队列长度qavg、总队列qlim ;当qavg小于minth时,为无拥塞状态,不丢弃数据包；当qavg在minth与maxth之间时,为拥塞避免状态，以一定的概率随机丢弃数据包；当qavg大于Hiaxth时，为拥塞状态，丢弃新到的数据包。
8.根据权利要求6所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:节点的拥塞状态通过ERROR、WARRING和RECOVER等消息发送给管理卫星，并通过额外代价的设置将拥塞状态反映到NIB中； 对所有链路(j，i) e G，链路的额外代价根据队列长度设置:
9.根据权利要求6所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:所述步骤C包括以下分步骤: Cl、当节点处于无拥塞状态时，无需进行维护，网络根据NIB计算路由，正常转发数据，如果节点是从其他状态变为无拥塞状态，则向管理卫星发送RECOVER消息，其中的“链路源端”和“链路目的端”都设为该节点，网络按更新的NIB正常转发数据； C2、当节点i处于拥塞避免状态时，网络应避免该节点转发更多的业务，但目前正在转发的业务可以继续。该骨干节点向管理卫星发送一个WARRING消息，其中包含当前所转发信息的列表。管理卫星收到WARRING之后，将NIB中所有目的端为i的链路的额外代价设为采用同步卫星进行转发时的链路传播延时De。即对所有链路(j，i) e G，有Aji = Dg ； C3、当节点i处于拥塞状态，则发送ERROR消息，使所有业务避开此节点。
10.根据权利要求6所述的面向空天信息网络的网络维护方法，其特征在于:所述NIB由链路传播延时和链路额外代价构成，将整个网络抽象为一个加权有向图G(V，E)。其中V是图的顶点，表示网络中骨干节点的集合，V= IV1, V2，…，VJ出是图的边，表示骨干节点之间的链路，E= {(V1, V2), (V11V3), -, (Vi, Vj) }，NIB可表示为由eij构成的邻接矩阵N，如公式⑵所示；
【文档编号】H04L12/24GK103973561SQ201410181364
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】张钦宇, 吴伟强, 陈培培, 罗冰妮, 王玉鹏, 张曼曼 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院