本发明涉及路由协议技术领域，尤其涉及一种面向航空集群网络的低时延高可靠路由协议。
背景技术：
在信息化战场逐步演进的过程中，一方面，空战模式逐步发生着变化，从最初的指控平台+单类型空中平台编队作战，到上世纪后期的地面探测和指控平台+空中编队体系化作战，到本世纪初的多类型空中编队协同作战，再到目前广泛研究的多类型空中平台集群化作战；另一方面，随着航空数据链的不断发展和网络中心战理念的提出，空战战场作战平台间的网络化特征日趋明显，网络规模、网络业务、网络复杂度等日益增加，网络化进程从最初简单的数据传输链路，到小规模、全连通网络，到大规模、中继同构网络，再到大规模、多跳异构网络。航空集群作战依托航空通信网络(以下简称航空网络)，将多种类、多功能和大规模的有人作战平台以及无人作战平台灵活组网，通过航空网络有效支撑平台间战术协作，实现各平台能力优势互补，确保ooda(observe-orient-decide-act)整个作战过程中不同阶段、不同任务连续、协调和高效实施。由于航空集群作战的平台多样性、任务差异性以及战场电磁环境复杂性，使其所依托的航空网络的节点特性和节点能力区别较大，网络业务、服务需求以及拓扑结构的阶段性变化明显不同于已有的无线网络，因此研究支持航空集群作战的航空网络技术显得十分重要。
路由、多址接入和网络管理作为航空网络组网的关键技术，对支撑航空集群作战的航空网络的发展至关重要。目前空战中应用的航空数据链任务固定，以全连通拓扑为主，组网技术主要研究多址接入技术，较少涉及路由技术。但航空集群的平台类型多、规模数量大、分布范围广，且平台移动性高，网络拓扑必将是多跳拓扑结构，移动节点需依靠多跳链路完成彼此间通信。相应地，路由技术研究成为必然。无线adhoc网络路由协议依据路由发现策略可分为主动、按需和混合路由协议；主动路由协议又称表驱动路由协议或先应式路由协议。这种协议中，无论是否有通信需求，每个节点周期性地广播控制分组，交互路由信息，维护一张到达网络中所有其他节点的路由表，并且通过不断检测网络拓扑和链路质量的变化来更新路由表。主动路由协议出现较早，经过多年研究已提出多种适应于不同场合的路由协议。根据节点维护路由表的种类和数量，以及路由表更新机制的不同，主要有以下几种：dsdv协议、fsr协议、olsr协议。按需路由协议又称反应式路由协议，与主动式不同，按需路由协议根据发送的数据分组按需建立路由表，主要分为路由发现和路由维护两个阶段。在路由发现阶段，当源节点要发送数据至目的节点时，首先查询是否存储有到该目的节点的路由表，在没有的情况下发起路由发现过程，建立有效路由信息。在路由维护阶段，维护通信过程中的路由，通信过程结束后停止路由维护。按需路由协议常见的有以下几种：dsr协议、aodv协议。混合路由协议，是对主动路由和按需路由的综合，较适用于大规模无线adhoc网络。基于小范围局部区域采用主动路由方式，域外路由查找则采用按需路由方式。混合路由协议均衡了主动式路由时延小和按需路由开销小的优点，网络带宽损耗和路由延迟都比较低。但混合路由缺点也比较明显，其路由算法更加复杂，同时还增加了额外的管理开销，代表协议为zrp协议。
现有无线自组织网络路由技术的研究主要集中于车载网、无线传感器网等领域，与车载网和无线传感器网相比，航空集群作战的应用场景，使得航空集群网络具有明显不同于传统无线自组织网络的特点。具体表现为：(1)带宽需求差异化。由于要支持整个ooda各阶段不同作战任务的连续、闭环作战，航空集群网络节点间交互的业务类型多、业务数量大，并且业务需求差异大。如带宽需求高的侦察图像信息、单个带宽需求不高但传输数量多的态势信息、带宽需求较高的传感器探测信息、带宽需求不高但接入要求高的制导信息等。(2)要求更苛刻的时效性和更高的可靠性。战场环境瞬息万变，要求集群成员间网络管理控制信息和战术信息的传输时延尽可能低，以保证作战任务的高效完成。例如，协同控制信息、传感器参数信息的时延要求秒级，而复合跟踪信息、制导信息的时延要求毫秒级。因此相比于传统的无线自组织网络，航空集群网络对时延的要求更为苛刻。另外，航空集群作战的电磁环境已处于双方电子对抗激烈的拒止空间环境，敌方的电磁干扰将带来大量的信息传输错误或信息丢失。航空集群网络应尽量减少数据传输过程中包的丢失对作战任务实施的影响，因此集群成员间的信息交互具有更高的可靠性要求。传统无线自组织网络的路由协议无法满足航空集群网络需求。适用于航空集群作战的航空网络路由技术研究才刚刚展开。因此以航空集群作战需求为指导，深入研究适用于航空集群作战这一全新作战模式的路由协议，对探索满足并支持未来复杂空战环境的航空网络技术具有重要的基础理论价值和现实意义。
为确保航空集群作战任务的高效实施，航空集群网络的时效性和可靠性要求普遍较高。并且任务的不同带来各作战阶段时效性和可靠性的要求存在较大差别，如协同打击阶段的时效性和可靠性要求会比指挥引导阶段高1～2个数量级。因此，航空集群网络的路由协议研究必须考虑多跳传输的高时效性及高可靠性要求。
主动式路由协议在时效性和可靠性方面较按需式路由协议有明显优势。olsr路由协议作为典型的主动式路由协议，是一直以来的研究热点，其中，针对提高olsr路由协议时效性和可靠性的研究，主要从减少网络中控制分组数的角度和负载均衡的角度出发。本文沿用了olsr路由协议的基本思想，以提高时效性和可靠性为目标，设计面向航空集群网络的路由协议。
技术实现要素：
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种面向航空集群网络的低时延高可靠路由协议。
为实现上述目的，本发明提供一种面向航空集群网络的低时延高可靠路由协议，包括：
步骤1、构建航空集群网络虚拟骨干网：
以节点可用带宽和节点度为参数，构造节点权值函数公式；基于节点权值进行连通支配集的选取以完成虚拟骨干网的构建；其中，节点权值越大，节点路由转发能力越强；节点权值函数为：
式中，d(u)为节点度，n是一个支配点可支配其它被支配点的理想数量，δ是恒大于零的常数，bu是节点可用带宽，bthr是节点可用带宽阈值；
步骤2、基于虚拟骨干网的低时延高可靠路由协议：
对网络节点为骨干节点或非骨干节点进行判断；
骨干节点处理收到的hello分组，获取2跳范围内的拓扑信息生成并维护邻居表，并基于吸收度机制选择mpr集；骨干节点处理收到的tc分组，感知虚拟骨干网全局拓扑信息，生成并维护虚拟骨干网拓扑表；以所生成的拓扑表为基础，低时延高可靠路由协议通过负载均衡机制并结合路径业务流量的变化，计算最优路由，建立路由表；
非骨干节点处理收到的hello分组，生成并维护自身邻居表和邻居对照表，通过邻居表获知自身两跳邻节点的路由信息，通过邻居对照表获知与自身具有一一映射关系的邻居骨干节点的信息。
作为本发明的进一步改进，在步骤1中，n的取值为网络的平均节点度，δ取值为0.01。
作为本发明的进一步改进，在步骤1中，基于mis构造算法和cds算法构建航空集群网络虚拟骨干网；
mis构造算法的实现通过dominator分组和dominated分组的收发来完成，基于节点权值w(u)进行极大独立集的选取；设定网络节点数为n，
mis构造算法的流程为：
步骤11、
步骤12、
步骤13、判断是否存在i，0<i<n，使得w(i)等于w(u)；若存在，在集合{i,u}中选择ip地址低8位最大的节点v，设置c(v)＝2，并广播dominator分组；否则，设置c(u)＝2,广播dominator分组；
步骤14、
步骤15、
步骤16、
将上述mis算法所得c值为2的所有节点u构成集合d(n)，c值为1的所有节点v构成集合e(v)；由mis构建cds的方法为：
步骤17、
步骤18、
步骤19、接收到access分组的节点将自身c值设置为2，将自身状态改为支配节点；
上述过程完成后，所有c值为2的节点构成cds，cds构建完毕。
作为本发明的进一步改进，在步骤2中，骨干节点通过接收处理hello分组和tc分组建立全网邻居对照表，非骨干节点通过hello分组建立自身一跳邻居对照表。
作为本发明的进一步改进，在步骤2中，非骨干节点若收到tc分组则直接丢弃。
作为本发明的进一步改进，在步骤2中，所述吸收度机制为对于任意一个节点i，i∈n(s)，n(s)表示源节点s的一跳邻居集，i的吸收度即指存在到节点i的n2(i)中孤立节点的个数；所述孤立节点为
作为本发明的进一步改进，在步骤2中，基于所述负载均衡机制设计arima-svr组合预测模型，实现对航空集群网络链路负载的精确预测；arima-svr组合预测模型的预测方法为：
步骤a、对于当前时刻负载函数序列，通过arima模型，利用差分法对其进行平稳化处理，通过检验确定最优预测进行负载预测，得到线性预测结果；且该预测结果与原负载函数序列的残差隐含了该负载函数序列的非线性特征；
步骤b、将步骤a得到的残差代入svr模型，通过非线性映射到高维特征空间，采用高斯函数作为核函数确定线性函数，得到残差的修正值；
步骤c、将步骤a得到的线性预测结果和步骤b得到的残差的修正值相加，得到下一时刻负载预测值。
作为本发明的进一步改进，所述步骤2包括：
步骤21、初始化mpr集合为φ，将n(s)中意愿度为will_always的节点加入mpr(s)；
步骤22、计算n(s)中所有节点的连接度，连接度指n(s)中节点所能连接的两跳邻居节点的个数；
步骤23、在n(s)中选择节点i，n2(s)中存在部分节点必须通过i才能与节点s通信，将i加入mpr(s)，同时将能够通过i到达的n2(s)中的节点从n2(s)中去除，重复步骤23，直到所有满足步骤23条件的节点都加入mpr(s)中；
步骤24、若此时n2(s)中还有节点未被覆盖，重复执行以下步骤直到所有n2(s)中节点都被覆盖：
步骤241、对节点s，计算其n(s)中未加入mpr集合节点的覆盖度，覆盖度指n(s)中节点所能覆盖剩余两跳邻居节点的个数；
步骤242、选择覆盖度不为0、意愿度最高的节点加入mpr；
步骤243、如果有多个满足步骤242条件的节点，选择覆盖度最高的节点加入mpr(s)，并将覆盖的n2(s)中节点去掉；
步骤244、如果仍有多个满足步骤243条件的节点，选择连接度最高的节点加入mpr(s)，并将覆盖的n2(s)中节点去掉；
步骤245、在上述步骤完成后，如果仍有多个节点存在连接度和覆盖度相同的情况，则选取吸收度更高的节点加入mpr集；
其中，n(s)为源节点s的一跳邻居集；n2(s)为源节点s的两跳邻居集；mpr(s)表示节点s的mpr集合；“意愿度”指节点愿意为其他节点提供路由转发的程度，取值为0～7，取值越高，表明节点愿意提供路由转发服务的意愿越高；当取值为7时，意愿度表示为will_always，表明节点总能提供路由转发服务；
通过arima-svr组合预测模型，节点将获得的邻居节点下一时刻的负载预测值作为路由路径选择的依据，避免网络拥塞的发生；设置负载阈值为2/3，即负载预测值超过2/3时，会产生网络拥塞；
步骤246、源节点过查找邻居表和拓扑表，在多条可用路由中，通过接收处理邻节点的hello分组，通过arima-svr组合预测模型获知所有邻节点下一时刻的负载情况；
步骤247、如果所有邻节点的负载预测值都小于2/3，则依据最短路径原则确定跳数值，建立路由表；
步骤248、如果存在邻节点负载预测值大于2/3，则在剩余邻节点中依据最短路径原则确定跳数值，建立路由表；
步骤249、如果所有邻节点负载预测值都大于2/3，则选择下一时刻负载预测值最小的邻节点作为下一跳节点，之后依据路径最短原则确定路由跳数值，建立路由表。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种面向航空集群网络的低时延高可靠路由协议，其沿用olsr路由协议的基本思想，通过构建航空集群网络虚拟骨干网，基于虚拟骨干网设计吸收度机制，优化mpr选择策略，在mpr节点选取时能够选择吸收度更高的节点，有效的减少网络中洪泛的tc分组数，增加有效业务信息占用物理信道的概率，降低了传输时延、增大了包投递率；并且基于虚拟骨干网设计负载均衡机制，通过arima-svr模型预测下一时刻链路负载情况，避免网络发生拥塞现象，进一步减小了传输时延，增大了包投递率；从而能更好的服务于航空集群作战。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于虚拟骨干网的低时延高可靠路由协议的流程图；
图2为本发明一种实施例公开的孤立节点示意图；
图3为本发明一种实施例公开的arima-svr组合预测模型示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
本发明提供一种面向航空集群网络基于虚拟骨干网的低时延高可靠路由协议——lhrvbn(lowdelayandhighreliabilityroutingprotocolbasedonvirtualbackbonenetwork)，其沿用olsr路由协议的基本思想，通过构建航空集群网络虚拟骨干网，基于虚拟骨干网设计吸收度机制，优化mpr选择策略，在mpr节点选取时能够选择吸收度更高的节点，有效的减少网络中洪泛的tc分组数，增加有效业务信息占用物理信道的概率，降低了传输时延、增大了包投递率；并且以减少链路失效和网络拥塞为目的，基于虚拟骨干网设计负载均衡机制，通过arima-svr模型预测下一时刻链路负载情况，避免网络发生拥塞现象，进一步减小了传输时延，增大了包投递率；从而能更好的服务于航空集群作战。
本发明提供一种面向航空集群网络的低时延高可靠路由协议，包括：
步骤1、构建航空集群网络虚拟骨干网：
以节点可用带宽和节点度为参数，构造节点权值函数公式，通过该节点权值函数公式刻画节点提供路由转发能力的大小，节点权值越大，节点路由转发能力越强。节点权值函数为：
其中，d(u)为节点度；n是一个支配点可以支配其它被支配点的理想数量，其取值与网络密度和通信距离有关，通常取网络的平均节点度；δ是恒大于零的常数，通常取值为0.01；bu是节点可用带宽，bthr是节点可用带宽阈值。当可用资源一旦小于阈值时，权值将减小，选择该节点的可能性就减小。节点度和可用带宽越大，权值w(u)越大，节点提供路由转发的能力越强，被选择的优先级越高。
将节点权值w(u)作为重要依据，进行连通支配集的选取以完成虚拟骨干网的构建。
步骤1构建航空集群网络虚拟骨干网的具体方法为：
mis构造算法的实现通过dominator分组和dominated分组的收发来完成，基于节点权值w(u)进行极大独立集的选取；设定网络节点数为n，
mis构造算法的流程为：
步骤11、
步骤12、
步骤13、判断是否存在i，0<i<n，使得w(i)等于w(u)；若存在，在集合{i,u}中选择ip地址低8位最大的节点v，设置c(v)＝2，并广播dominator分组；否则，设置c(u)＝2,广播dominator分组；
步骤14、
步骤15、
步骤16、
将上述mis算法所得c值为2的所有节点u构成集合d(n)，c值为1的所有节点v构成集合e(v)；由mis构建cds的方法为：
步骤17、
步骤18、
步骤19、接收到access分组的节点将自身c值设置为2，即将自身状态改为支配节点；
上述过程完成后，所有c值为2的节点即构成了cds，cds构建完毕。
步骤2、基于虚拟骨干网的低时延高可靠路由协议(lhrvbn协议)：
lhrvbn协议沿用了olsr路由协议的基本思想，主要包括邻居信息维护、拓扑信息维护和路由建立与维护等环节。增加了对网络节点类型的判断，判断网络节点为骨干节点或非骨干节点，基于吸收度机制来降低虚拟骨干网中洪泛的控制分组数，并通过负载均衡机制降低虚拟骨干网发生拥塞的概率，设计邻居对照表用于实现目的节点为非骨干节点的业务信息的有效转发。协议区分骨干节点和非骨干节点，骨干节点除了要维护自身的两跳邻居信息外，还需维护虚拟骨干网中其他所有节点的路由信息；非骨干节点仅需要维护自身两跳邻居信息即可。在邻居信息维护和拓扑信息维护过程中，节点根据自身类型决定如何处理hello分组和tc分组。lhrvbn协议流程示意图如图1所示。
骨干节点处理收到的hello分组，获取2跳范围内的拓扑信息生成并维护邻居表，并基于吸收度机制选择mpr集；骨干节点处理收到的tc分组，感知虚拟骨干网全局拓扑信息，生成并维护虚拟骨干网拓扑表；以所生成的拓扑表为基础，低时延高可靠路由协议通过负载均衡机制并结合路径业务流量的变化，计算最优路由，建立路由表；
与olsr协议相似，lhrvbn协议也要进行mpr集的选择，不同的是，lhrvbn协议将mpr集的选择范围缩小到虚拟骨干网，并在考虑节点吸收度的情况下选择mpr集。
对于非骨干节点，lhrvbn协议简化邻居信息维护过程，仅处理接收的hello分组，生成并维护自身邻居表和邻居对照表，通过邻居表获知自身两跳邻节点的路由信息，通过邻居对照表获知与自身具有一一映射关系的邻居骨干节点的信息。且非骨干节点不进行拓扑信息维护，不产生tc分组，若收到tc分组则直接丢弃。邻居对照表用于确定非骨干节点与骨干节点间的从属关系，即明确非骨干节点的业务信息的转发对象，建立非骨干节点到骨干节点的一一映射关系。骨干节点通过接收处理hello分组和tc分组建立全网邻居对照表；与骨干节点不同，非骨干节点仅需通过hello分组建立自身一跳邻居对照表即可。
其中：
通过吸收度机制减少网络洪泛的控制分组数。所述的吸收度机制，吸收度定义如下，定义中使用到的孤立节点概念一并给出：
孤立节点：
吸收度：对于任意一个节点i，i∈n(s)，n(s)表示源节点s的一跳邻居集，i的吸收度即指存在到节点i的n2(i)中孤立节点的个数。
如图3所示，基于所述负载均衡机制设计arima-svr组合预测模型，实现对航空集群网络链路负载的精确预测；arima-svr组合预测模型的预测方法为：
步骤a、对于当前时刻负载函数序列，通过arima模型，利用差分法对其进行平稳化处理，通过检验确定最优预测进行负载预测，得到线性预测结果；且该预测结果与原负载函数序列的残差隐含了该负载函数序列的非线性特征；
步骤b、将步骤a得到的残差代入svr模型，通过非线性映射到高维特征空间，采用高斯函数作为核函数确定线性函数，得到残差的修正值；
步骤c、将步骤a得到的线性预测结果和步骤b得到的残差的修正值相加，得到下一时刻负载预测值。
步骤2的具体实现方法为：
步骤21、初始化mpr集合为φ，将n(s)中意愿度为will_always的节点加入mpr(s)；
步骤22、计算n(s)中所有节点的连接度，连接度指n(s)中节点所能连接的两跳邻居节点的个数；
步骤23、在n(s)中选择节点i，n2(s)中存在部分节点必须通过i才能与节点s通信，将i加入mpr(s)，同时将能够通过i到达的n2(s)中的节点从n2(s)中去除，重复步骤23，直到所有满足步骤23条件的节点都加入mpr(s)中；
步骤24、若此时n2(s)中还有节点未被覆盖，重复执行以下步骤直到所有n2(s)中节点都被覆盖：
步骤241、对节点s，计算其n(s)中未加入mpr集合节点的覆盖度，覆盖度指n(s)中节点所能覆盖剩余两跳邻居节点的个数；
步骤242、选择覆盖度不为0、意愿度最高的节点加入mpr；
步骤243、如果有多个满足步骤242条件的节点，选择覆盖度最高的节点加入mpr(s)，并将覆盖的n2(s)中节点去掉；
步骤244、如果仍有多个满足步骤243条件的节点，选择连接度最高的节点加入mpr(s)，并将覆盖的n2(s)中节点去掉；
步骤245、在上述步骤完成后，如果仍有多个节点存在连接度和覆盖度相同的情况，则选取吸收度更高的节点加入mpr集；
其中，n(s)为源节点s的一跳邻居集；n2(s)为源节点s的两跳邻居集；mpr(s)表示节点s的mpr集合；“意愿度”指节点愿意为其他节点提供路由转发的程度，取值为0～7，取值越高，表明节点愿意提供路由转发服务的意愿越高；当取值为7时，意愿度表示为will_always，表明节点总能提供路由转发服务；
通过arima-svr组合预测模型，节点将获得的邻居节点下一时刻的负载预测值作为路由路径选择的依据，避免网络拥塞的发生；设置负载阈值为2/3，即负载预测值超过2/3时，会产生网络拥塞；
步骤246、源节点过查找邻居表和拓扑表，在多条可用路由中，通过接收处理邻节点的hello分组，通过arima-svr组合预测模型获知所有邻节点下一时刻的负载情况；
步骤247、如果所有邻节点的负载预测值都小于2/3，则依据最短路径原则确定跳数值，建立路由表；
步骤248、如果存在邻节点负载预测值大于2/3，则在剩余邻节点中依据最短路径原则确定跳数值，建立路由表；
步骤249、如果所有邻节点负载预测值都大于2/3，则选择下一时刻负载预测值最小的邻节点作为下一跳节点，之后依据路径最短原则确定路由跳数值，建立路由表。
本发明沿用olsr路由协议的基本思想，通过构建航空集群网络虚拟骨干网，基于虚拟骨干网设计吸收度机制，优化mpr选择策略，在mpr节点选取时能够选择吸收度更高的节点，有效的减少网络中洪泛的tc分组数，增加有效业务信息占用物理信道的概率，降低了传输时延、增大了包投递率；并且基于虚拟骨干网设计负载均衡机制，通过arima-svr模型预测下一时刻链路负载情况，避免网络发生拥塞现象，进一步减小了传输时延，增大了包投递率；从而能更好的服务于航空集群作战。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。