一种网络拓扑结构的组网方法及装置与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，更具体地，涉及一种网络拓扑结构的组网方法及装置。

背景技术：

拓扑结构的研究是网络研究的热门，当前地面网络的拓扑研究比较深入，天基网的拓扑研究滞后于地面网络的研究，卫星网络的研究基于卫星的星座设计和网络架构。目前公开的卫星网路架构主要有teledesic，iridium，celestri，nels。现阶段，主要的星座设计有：walkerdelta(倾斜星座)与walkerstar(极轨道星座)。在不考虑卫星失效的情况下，卫星网络采用的星座设计决定了拓扑变化的特征。卫星网络的连接是通过星间链路进行组网的，一般情况下，卫星网络包含两种类型的星间链路：轨道内相邻的卫星构成轨内链路，相邻轨道相邻的卫星构成轨间链路。

和地面网络的拓扑相比，卫星网络动态变化的特性成为卫星网络研究中面临的挑战。基于卫星网络的动态性而对卫星网络的拓扑结构进行优化设计、路由协议设计产生了重要的影响。当前，卫星网络的路由技术主要分为两种：基于星际链路(isl)的和不基于星际链路的路由。两者相比，基于星际链路的路由技术不需要地面设施的辅助，对地面站的依赖小，更加可靠和安全，是未来个人通信的理想和发展方向。但星际链路的路由计算依赖于卫星运行的周期性和可预知性，从而造成其自适应性不够好的弱点。此外，在某些情况极端情况下，当卫星受到外界的干扰和攻击时导致卫星出现故障失灵，在这种情况下卫星的拓扑会出现无法预料的变化，从而导致导航和通信中断，数据丢失，网络崩溃。

技术实现要素：

本发明提供一种克服在卫星出现故障时，整个卫星网络容易崩溃的问题，提供了网络拓扑结构的组网方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供一种网络拓扑结构的组网方法，包括：

s1，基于规则的物理卫星网络拓扑，通过光波复用技术构建相应的无规则的虚拟卫星网络拓扑；

s2，从所述规则的物理卫星网络拓扑中找到任意两个节点形成的节点对之间的至少一条最短路径，并形成最短路径集合；

s3，针对于构建的虚拟卫星网络拓扑中的节点对，从所述最短路径集合中找到对应的节点对之间的至少一条最短路径，并从中随机挑选一条最短路径作为虚拟卫星网络拓扑中的节点对之间的路径；

s4，遍历所述虚拟卫星网络拓扑中的所有的节点对，以完成虚拟卫星网络中所有节点对之间的路由。

本发明的有益效果为：能够依据规则的物理卫星网络拓扑，根据具体的需求，构建随机的虚拟卫星网络拓扑，并实现虚拟卫星网络拓扑中卫星节点之间的动态路由，随机虚拟卫星网络的动态性能好，当卫星节点出现故障时，自愈能力较强。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，所述步骤s1具体包括：

基于规则的物理卫星网络拓扑，根据预先设计的卫星星座构形，通过光波复用技术构建与卫星星座构形对应的虚拟卫星网络拓扑，其中，卫星星座构形决定构建的虚拟卫星网络拓扑中节点的个数以及各节点的位置。

进一步的，所述虚拟卫星网络拓扑中卫星节点的数目小于等于物理卫星网络拓扑中卫星节点的数目。

进一步的，所述步骤s2具体包括：

基于规则的物理卫星网络拓扑，采用广度优先算法寻找得到每一个节点对之间的至少一条最短路径，构成每个节点对的最短路径集合；

由每个节点对的最短路径集合再组成物理卫星网络拓扑中所有节点对的最短路径集合。

进一步的，所述步骤s4之后还包括：

当虚拟卫星网络拓扑中的节点出现故障时，对于当前与该故障节点相连的节点对，从最短路径集合中重新选择一条最短路径进行该节点对之间的路由。

进一步的，所述规则的物理卫星网络拓扑包括2d-torus网络，所述虚拟卫星网络拓扑包括jellyfish网络和flattenedbutterfly网络。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种网络拓扑结构的组网装置，包括：

构建模块，用于基于规则的物理卫星网络拓扑，通过光波复用技术构建相应的无规则的虚拟卫星网络拓扑；

最短路径寻找模块，用于从所述规则的物理卫星网络拓扑中找到任意两个节点形成的节点对之间的至少一条最短路径，并形成最短路径集合；

路径选择模块，用于针对于构建的虚拟卫星网络拓扑中的节点对，从所述最短路径集合中找到对应的节点对之间的至少一条最短路径，并从中随机挑选一条最短路径作为虚拟卫星网络拓扑中的两个节点之间的路径；

遍历模块，用于遍历所述虚拟卫星网络拓扑中的所有节点对，以完成虚拟卫星网络中所有节点对之间的路由。

进一步的，还包括设计模块；

所述设计模块，用于预先设计卫星星座构形，所述卫星星座构形决定构建的虚拟卫星网络拓扑中节点的个数以及各节点的位置。

所述构建模块具体用于：

基于规则的物理卫星网络拓扑，根据预先设计的卫星星座构形，通过光波复用技术构建与卫星星座构形对应的虚拟卫星网络拓扑。

进一步的，还包括集合建造模块；

所述最短路径寻找模块具体用于：

基于规则的物理卫星网络拓扑，采用广度优先算法寻找得到每一个节点对之间的至少一条最短路径；

所述集合构造模块，用于根据每一个节点对之间的至少一条最短路径构成每个节点对的最短路径集合；以及用于由每个节点对的最短路径集合再构造物理卫星网络拓扑中所有节点对的最短路径集合。

进一步的，所述路径选择模块还用于：

当虚拟卫星网络拓扑中的节点出现故障时，对于当前与该故障节点相连的节点对，从最短路径集合中重新选择一条最短路径进行该节点对之间的路由。

附图说明

图1为现有技术的2d-torus环形规则卫星网络示意图；

图2为本发明一个实施例的网络拓扑结构的组网方法流程图；

图3为本发明一个实施例中构建的虚拟卫星网络拓扑示意图；

图4为本发明另一个实施例的网络拓扑结构的组网装置连接框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

现有的卫星网络拓扑基本上都是规则的物理卫星网络拓扑结构，比如，如图1所示，为2d-torus环形网络，2d-torus环形网络为规则的物理卫星网络拓扑，结构简单，是星际链路的理想模型。但是2d-torus卫星网络存在网络直径长的缺点。例如,对于32x16规模的卫星链路网络，其网络直径就达到24跳。假设每个卫星间通信的延迟为200ns，那么数据包的往返延迟(不包括协议栈的往返延迟)将达到10us上。对于全球组网卫星通信而言，传输延迟将会更大。另外，规则的物理卫星网络拓扑结构中的卫星节点的个数的位置都是固定不变的，任意两节点之间的路径也是固定不变的。因此，当其中的一个节点出现故障，可能会导致整个卫星网络无法运转。

因此，针对上述的问题，本发明的一个实施例提出了一种虚拟卫星网络拓扑，卫星节点的个数和位置都是可以动态变化的，两节点之间的路由也是动态变化的，将规则的物理卫星网络拓扑结构转换为无规则的虚拟卫星网络拓扑结构。

参见图2，虚拟卫星网络的构建方法包括：s1，基于规则的物理卫星网络拓扑，通过光波复用技术构建相应的无规则的虚拟卫星网络拓扑；s2，从所述规则的物理卫星网络拓扑中找到任意两个节点形成的节点对之间的至少一条最短路径，并形成最短路径集合；s3，针对于构建的虚拟卫星网络拓扑中的节点对，从所述最短路径集合中找到对应的节点对之间的至少一条最短路径，并从中随机挑选一条最短路径作为虚拟卫星网络拓扑中的节点对之间的路径；s4，遍历所述虚拟卫星网络拓扑中的所有的节点对，以完成虚拟卫星网络中所有节点对之间的路由。

本实施例基于规则的物理卫星网络拓扑，利用光波复用技术构建对应的虚拟卫星网络拓扑。比如，图3为基于规则的物理卫星网络拓扑，构建对应的虚拟网络拓扑，其中，本实施例采用光波复用技术建立对应的随机虚拟卫星网络拓扑。一个规则的物理卫星网络拓扑可以构建任意的虚拟随机网络拓扑。假设规则的物理拓扑为g(v,e)，其中v为交换节点集合，e为物理链路集；对应的虚拟拓扑为vt(v,e’)，其中v为交换节点集合，e’为虚拟链路集合，此时，需要解决的问题就是求e’到e的映射。本实施例中采用了动态路由选择方法来建立虚拟卫星网络的各节点对之间的虚拟链路。本实施例中所谓的光波复用技术，即是通过一个波长占用成一个通信链路的方式，比如：一个激光链路上有10个波长，就可以分配出10条网络连接。

构建了虚拟卫星网络的框架，即确定了虚拟卫星网络中节点的个数和各节点所在的位置，还需要确定各节点对之间的路由，即各节点之间的虚拟链路，才真正建立了虚拟卫星网络拓扑。本实施例从规则的物理卫星网络拓扑中寻找到任意两个节点之间的最短路径，即每一节点对之间的最短路径，其中，每一节点对之间的最短路径至少有一条，通常是有多条的。将每一节点对之间的多条最短路径构成一个集合，然后由任意节点对之间的最短路径集合再构成所有节点对的最短路径集合，该所有节点对的最短路径集合中包含有每一节点对之间的最短路径集合。

针对于构建的无规则的虚拟卫星网络拓扑中的两个节点，从最短路径集合中找到这两个节点之间的最短路径集合，并从该集合中随机挑选一条最短路径作为虚拟卫星网络拓扑中的两个节点之间的路径，完成这两个节点之间的路由。遍历虚拟卫星网络中任意两节点组成的节点对，采用同样的方法选择节点对之间的路径，就完成了整个虚拟卫星网络的任意节点对之间的路由选择。

在本发明的一个实施例中，所述步骤s1具体包括：基于规则的物理卫星网络拓扑，根据预先设计的卫星星座构形，通过光波复用技术构建与卫星星座构形对应的虚拟卫星网络拓扑，其中，卫星星座构形决定构建的虚拟卫星网络拓扑中节点的个数以及各节点的位置。

基于规则的物理卫星网络拓扑可以根据不同需求构建不同的虚拟卫星网络，具体的是根据预先设计的卫星星座构形，并采用光波复用技术构建对应的虚拟卫星网络拓扑。其中，设计的卫星星座构形就确定了构建虚拟卫星网络拓扑中节点的个数以及各节点的位置。

其中，构建的虚拟卫星网络拓扑中卫星节点的数目小于等于物理卫星网络拓扑中卫星节点的数目。也就是说构建的虚拟卫星网络拓扑的规模可以与物理卫星网络拓扑的规模相等，或者构建的虚拟卫星网络拓扑的规模小于物理卫星网络拓扑的规模。

在本发明的另一个实施例中，所述步骤s2从规则的物理卫星网络拓扑中找到任意节点对之间的至少一条最短路径，并形成最短路径集合具体包括：基于规则的物理卫星网络拓扑，采用广度优先算法寻找得到每一个节点对之间的至少一条最短路径，构成每个节点对的最短路径集合；由每个节点对的最短路径集合再组成物理卫星网络拓扑中所有节点对的最短路径集合。

对于规则的物理卫星网络拓扑，采用广度优先算法寻找到卫星网络拓扑中任意两个节点，即一个节点对之间的最短路径，一个节点对之间的最短路径通常有多条，将每一个节点对之间的多条最短路径构成每个节点对之间的最短路径集合。比如，物理卫星网络中的两个节点a和b之间的最短路径有多条。每一条最短路径用一个向量表示，如lab(α1,α2,α3…αn),n表示网络的链路数。通过广度优先算法得到每个节点对的所有最短路径,构成集合aab，a,b表示物理卫星网络拓扑中任意的两个节点。物理卫星网络拓扑中所有的节点对形成一个最短路径的集合a12、a13、a14…amm-1，m表示物理卫星网络拓扑中节点的个数，每个节点对有多条最短路径。

得到物理卫星网络拓扑中的每一个节点对之间的最短路径集合后，对于构建的虚拟卫星网络拓扑，假设构建的虚拟卫星网络拓扑的规模与物理卫星网络拓扑的规模相等。对于虚拟卫星网络拓扑中的两个节点a和b之间的路由，则从上述集合aab中的至少一条最短路径中随机选择一条最短路径作为虚拟卫星网络拓扑的a和b两个节点之间的路径。对于虚拟卫星网络拓扑中的任意两个节点之间的路由，均采用同样的方法随机选择一条最短路径作为两个节点之间的路径，至此完成了整个虚拟卫星网络拓扑中任意两个节点之间的路由。

在本发明的一个实施例中，所述步骤s4之后还包括：当虚拟卫星网络拓扑中的节点出现故障时，对于当前与该故障节点相连的节点对，从最短路径集合中重新选择一条最短路径进行该节点对之间的路由。

由于传统的物理卫星网络拓扑中的各个节点的位置是固定不变的，任意两个节点之间的路由也是固定的，因此，当物理卫星网络拓扑中的任意一个节点出现故障时，整个物理卫星网络是无法运行的，只能等待节点的故障消除之后重新正常运转。而当本实施例中构建的虚拟卫星网络中的某一个节点出现故障时，对于当前涉及到该故障节点的节点对，可以从最短路径集合中重新选择一条最短路径作为该节点对之间的路径，那么整个虚拟卫星网络的路由依然是完整的，不会影响到整个虚拟卫星网络的运行。本实施例中虚拟卫星网络拓扑中的节点对之间的路径是多样化的，有多种选择，且每一条路径均是最短路径，整个卫星网络的直径短。当虚拟卫星网络中的节点出现故障时，可以重新选择路径，保证整个虚拟卫星网络能够正常运行，自愈能力强。

参见图4，图4提供了本发明另一个实施例的网络拓扑结构的组网装置，包括设计模块41、构建模块42、最短路径寻找模块43、集合构造模块44、路径选择模块45和遍历模块46。

构建模块42，用于基于规则的物理卫星网络拓扑，通过光波复用技术构建相应的无规则的虚拟卫星网络拓扑；

最短路径寻找模块43，用于从所述规则的物理卫星网络拓扑中找到任意节点对之间的至少一条最短路径，并形成最短路径集合；

路径选择模块44，用于针对于构建的虚拟卫星网络拓扑中的节点对，从所述最短路径集合中找到对应的节点对之间的至少一条最短路径，并从中随机挑选一条最短路径作为虚拟卫星网络拓扑中的两个节点之间的路径；

遍历模块46，用于遍历所述虚拟卫星网络拓扑中的所有节点对，以完成虚拟卫星网络中所有节点对之间的路由。

其中，设计模块41，用于预先设计卫星星座构形，所述卫星星座构形决定构建的虚拟卫星网络拓扑中节点的个数以及各节点的位置。

所述构建模块42具体用于：

基于规则的物理卫星网络拓扑，根据预先设计的卫星星座构形，通过光波复用技术构建与卫星星座构形对应的虚拟卫星网络拓扑。

所述最短路径寻找模块43具体用于：

基于规则的物理卫星网络拓扑，采用广度优先算法寻找得到每一个节点对之间的至少一条最短路径；

所述集合构造模块44，用于根据每一个节点对之间的至少一条最短路径构成每个节点对的最短路径集合；以及用于由每个节点对的最短路径集合再构造物理卫星网络拓扑中所有节点对的最短路径集合。

所述路径选择模块45还用于：

当虚拟卫星网络拓扑中的节点出现故障时，对于当前与该故障节点相连的节点对，从最短路径集合中重新选择一条最短路径进行该节点对之间的路由。

本发明提供的一种虚拟卫星网络拓扑构建方法及装置，能够依据规则的物理卫星网络拓扑，根据具体的需求，构建随机的虚拟卫星网络拓扑，并实现虚拟卫星网络拓扑中卫星节点之间的动态路由，随机虚拟卫星网络的动态性能好；虚拟卫星网络拓扑中节点对之间的路径选择多样化，当卫星节点出现故障时，可以重新选择其它的路径，保证整个虚拟卫星网络能够正常运行，自愈能力较强。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。