本发明属于空间信息网络领域，具体说是一种基于mpls的空间信息网络路由方法。
背景技术：
：随着各国在空间探索、海洋考察等领域需求的不断扩张，建设天地一体化网络成为中国的一项重要工程。在建设天地一体化网络的进程中，卫星网络是目前研究的一个热点领域。现有卫星系统采用的技术体制有atm技术体制、ip技术体制等。atm采用面向连接的方式，安全性高、时延小，但其协议复杂，网络成本高，网络规模较大时流量管理问题比较突出。基于路由的ip技术是面向无连接的，可扩展性强、运行费用低，但其在服务质量保证、安全性等方面不如atm。两种技术体制之间相互独立，无法实现互联互通，为空间信息网络中各子网络之间的相互融合带来了挑战。在uliss项目中应用mpls融合机制，实现了不同功能层的分离，高效地在卫星网络上传输任何数据。但其复杂的协议转换增大了系统开销。胡士斌等构建了基于mpls技术的多业务网络融合拓扑，能在一个mpls承载网络上承载多种业务系统。但在实际应用中还需要更深入的理论分析和技术支撑。truchlyp等将mpls技术应用于geo卫星网络上，但是分别在链路层和网络层实现ip和atm的数据传输。leejw等提出了一种基于ospf的多层卫星网络路由策略，通过减少路径经过的跳数，有效地降低了通信开销，但未实现空间网络与互联网的高效融合。尽管mpls技术适用于卫星网络，但当前关于异构网络在卫星mpls上的研究很不充分，因此，对卫星mpls的研究是目前卫星网络研究的一个重要领域。由于mpls空间信息网络资源受限，如何高效的利用网络资源是一个难点，现有的研究提出了多种多路径算法。韩来权等从多路径分流和流量工程方面出发，实现了单标签多lsp(labelswitchedpath)路径的并行转发，减少了网络拥塞。但不适合于卫星网络的高动态、长时延特性。文献从传输时延方面考虑，能够满足卫星网络的传输长时延、拓扑高动态特性。但该算法计算复杂度比较大，且没有考虑链路的生存时间。袁天等优化了lsp，实现最小化通信开销，但未应用到卫星mpls负载均衡中。空间信息网络中卫星链路组网时延长、ip(internetprotocol)技术和atm(asynchronoustransfermode)技术体制在星上并存却难以融合和互通的问题。在卫星系统中为了实现互联互通，同时又要避免采用两种技术体制，因此需要采用统一的技术实现两者的融合。而卫星mpls组网结合了ip和atm的优点，是当前卫星组网的一种解决方案。技术实现要素：鉴于上述问题，本申请提出一种基于mpls的空间信息网络路由方法，该方法把ip数据包和atm信元采用统一的mpls格式进行封装，将两种不同的技术体制融合，在融合过程中为了合理的选择传输路径，提出一种基于跳数和带宽利用率的路径选择算法，并通过opnet仿真平台进行了验证。为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：基于mpls的空间信息网络路由方法，具体是：步骤1：根据从源节点到目的节点的多路径选取方法，在入口节点ler1和出口节点ler2间寻找多条可选路径，找出最小跳数路径，并记录每条路径的跳数；步骤2：当在入口节点ler1到出口节点ler2之间有数据流请求时，查询卫星网络中各链路的剩余带宽；根据每条路径i上链路j的需求带宽bij和链路j的剩余带宽cij，计算每条路径的带宽利用率δi；步骤3：根据步骤1中可选的每条路径的跳数ni和步骤2中计算的带宽利用率δi，生成链路占用的资源函数ri，ri＝δini；步骤4：选择资源函数ri最小的路径作为传输路径，从而引导数据流进行传输；步骤5：根据步骤4选择的传输路径进行数据传输，每个卫星节点根据初始标签值形成各自的标签信息，并生成自己的转发表；步骤6：数据流根据转发表进行数据转发。进一步的，计算每条路径的带宽利用率δi，具体为：设空间信息网络在某个时段内的拓扑结构图为g(v,e,c)，其中v为节点集，v∈v为图g的一个节点，e是链路的集合；c是与v、e相关的带宽或约束条件；用u表示标签交换路径lsp的端点集合，k表示标签交换路径lsp集合，i表示网络中的标签交换路径lsp，i∈k；s1,t1分别为入口节点和出口节点；表示路径i是否经过链路j，j∈e，ni为标签交换路径lspi的跳数限制；每条路径由多条小的链路组成，δij是路径所经过的链路j的利用率，记路径的带宽利用率为作为路径i在一定时间内的忙闲程度；其中δij＝bij/cij，j为最小跳数路径中第i条路径包含的链路，bij为路径i上链路j的需求带宽，且bij≤cij，cij为链路j的剩余带宽。进一步的，所述路径的带宽利用率为：优化目标：minδi(1)约束条件：其中(1)式是目标函数，式(2)～(5)是约束条件；式(2)是入口节点到出口节点的路径跳数限制；式(3)是限制为单路径；式(4)～(6)是对标签交换路径lsp的属性约束，分别规定：每个入口节点ler一定存在由该节点建立的标签交换路径lsp，每个出口ler节点一定存在以它为结束的标签交换路径lsp，并且标签交换路径lsp不终止于任意中间节点。进一步的，ni为每条路径i的跳数，则资源函数ri具体表示为：进一步的，生成转发表的具体步骤为：(1)卫星边缘路由器ler1判断接收到的定长数据为atm信元，不定长数据为ip包，ler1将ip包分割重组成44字节的定长数据，装载至卫星mpls网络传输的分组内；ler1将所有处理后的数据根据相同的入口/出口边缘路由器分类划分转发等价类fec(forwardingequivalenceclass)，映射成初始(vpi/vci)值为1/32的mpls标签。ler1将标签值为1/32的vpi/vci、出端口、下一跳转发入口nhlfe(nexthoplabelforwardingentry)发送给卫星lsr1，并在ler1保存这些信息，形成ler1标签转发表1；(2)卫星lsr1-1端口收到ler1发送来的标签映射信息后，将标签改为1/33，并确定下一跳入口为lsr2-1，将此时的标签、出端口、nhlfe保存到lsr1的标签转发表中。然后将此消息发送给卫星lsr2,并形成自己的转发表2；(3)卫星lsr2-1端口收到lsr1发送来的标签映射信息后，将标签改为1/34，并确定下一跳入口为ler2-1，将此时的标签、出端口、nhlfe保存到lsr2的标签转发表中。然后将此消息发送给出口边缘路由器ler2，并形成自己的转发表3；(4)ler2-1端口接收到lsr2发送的标签映射消息时，把出端口改为2，由于ler2为出口边缘路由器，因此将现在的分组标签1/34去掉，此时分组变成空标签，并形成自己的转发表4，然后通告其他端口。各节点的标签转发表如下：表1ler1的标签转发表入端口入标签vpi/vci出标签vpi/vci出端口nhlfe1————1/322lsr1-1表2lsr1的标签转发表入端口入标签vpi/vci出标签vpi/vci出端口nhlfe11/321/332lsr2-111/322/333lsr4-2表3lsr2的标签转发表入端口入标签vpi/vci出标签vpi/vci出端口nhlfe11/331/342ler2-1表4ler2的标签转发表入端口入标签vpi/vci出标签vpi/vci出端口11/34————2进一步的，数据转发具体流程是：(1)入口ler1：数据进入卫星mpls的边缘节点，入口ler1读出数据分组组头，然后查找标签转发表1得到入标签及出端口，向指定的端口输出；(2)lsr：lsr收到带有标签的数据分组，从分组中提取标签，以标签为指针查找标签转发表表2和表3，分别用表中的出标签代替所提取的标签，新的分组根据转发表中所指的输出端口发送给下一跳；(3)出口ler2：出口ler2接收到数据分组后，将标签去掉，变成了大小为44字节和48字节的两种数据，将44字节的数据重组成ip包，48字节的数据还原成atm信元；将重组后的ip包和atm信元分别从对应的端口ce11和ce21输出。本发明的有益效果为：本发明基于mpls的空间信息网络路由方法能够实现atm和ip技术的融合，并降低数据的传输时延，同时，本专利所提算法在选择路径时能很好地均衡各个链路的负载，增加吞吐量、优化链路利用率、提高网络的稳定性。附图说明图1为卫星mpls组网方案图；图2为卫星网络仿真拓扑图；图3为网络传输时延图；图4为吞吐量图；图5传输时延图；图6带宽利用率图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。基于mpls的空间信息网络组网方案，为了说明mpls技术是空间信息网络组网方案的最优选择，表1对ip、atm及mpls技术在卫星中的组网性能进行比较。表1卫星系统中ip、atm及mpls技术的比较如图1所示，该架构包含三层，用户1-8为最外层，即各种可以通过卫星网络相互通信的终端节点，包括ip网络、atm业务、移动终端等；r1-r4为中间层，即边缘路由器ler(labeledgerouter)；最内层为核心层，包括卫星节点和网络控制中心ncc。该架构层次分明，各层之间分工较明确，在很大程度上保证了网络连接的稳定性。实施例1本实施例针对空间信息网络中卫星链路组网时延长、ip(internetprotocol)技术和atm(asynchronoustransfermode)技术体制在星上并存却难以融合和互通的问题，在卫星mpls组网基础上，提出了一种基于mpls的空间信息网络路由方法，该策略能够实现两种不同技术体制的融合；进而提出了基于跳数和链路利用率的路径选择算法，该算法可避免选择会拥塞的路径，优化了网络传输性能。基于路径选择算法路由策略，建设以卫星mpls为主体的天地一体化网络，就必须有基于isl(星间链路)的高效路由策略。基于mpls的空间信息网络路由方法需要知道每条链路上的剩余带宽和通信量，合理地选择最优传输路径。带宽约束的数学描述，设空间信息网络在某个时段内的拓扑结构图为g(v,e,c)，其中v为节点集，v∈v为图g的一个节点，e是链路的集合。c是与v、e相关的带宽或其他约束条件。用u表示lsp的端点集合，k表示lsp集合，i表示网络中的路径lsp，i∈k。s1,t1分别为入口节点和出口节点。表示路径i是否经过链路j，j∈e，ni为lspi的跳数限制。优化目标是最小化链路利用率，也就是最大化链路的剩余带宽。网络路由优化问题的数学模型描述如下：记路径的带宽利用率为作为路径i在一定时间内的忙闲程度。其中δij＝bij/cij，j为最小跳数路径中第i条路径包含的链路，bij为路径i上链路j的需求带宽，且bij≤cij，cij为链路j的剩余带宽。优化目标：minδi(1)约束条件：其中(1)式是目标函数，式(2)～(5)是约束条件。式(2)是入口节点到出口节点的路径跳数限制；式(3)是限制为单路径；式(4)～(6)是对lsp的属性约束，分别规定：每个入口ler一定存在由该节点建立的lsp，每个出口ler一定存在以它为结束的lsp，并且lsp不会终止于任意中间节点。本发明综合考虑了跳数和带宽利用率的路径选择算法，跳数反映资源的占用概况，数据流穿过的跳数越多，资源消耗的就越大。利用单一的带宽利用率或跳数都不能很好地衡量链路的资源占用情况。因此，本申请将带宽利用率和跳数这两个参数综合考虑作为资源占用的基准。令链路占用的资源函数为：ri＝δini(7)ni为路径i的跳数。则可表示为假设数据包在向下一跳转发前，节点已经获得下一跳节点的状态信息，包括下一跳选择的链路带宽。如图1所示以边缘路由器ler1到ler2为例，lsp选路过程如下：①任何一条显示lsp一旦建立，则该lsp上的跳数就是固定的。根据邓德鑫文中的方法，在入口节点ler1和出口节点ler2间寻找多条可选路径，找出最小跳数路径，并记录每条路径的跳数。②当在ler1到ler2之间有数据流请求时，查询卫星网络中各链路的剩余带宽，删除卫星网络中剩余带宽小于需求带宽的链路。③根据式(1)～(6)对步骤①中的可选路径计算带宽利用率δi，并在这些路径中选择带宽利用率最小的路径。④计算每条路径的资源函数，选择资源函数ri最小的路径作为传输路径，从而引导数据流选择合理的路径进行传输。⑤更新链路剩余带宽，并恢复步骤②中删除的链路，为下一次链路需求做准备。从上述算法可以看出，当所有lsp的跳数相同时，该算法的基准就是带宽利用率最小。经计算求得路径lsp1的资源函数ri最小，所以选择路径lsp1作为传输路径。实施例2请参阅表2、表3、表4、表5所示，基于路径选择算法的实现如下：根据上述选路算法实现mpls网络中的数据传输过程。本申请采用vpi/vci(vpi代表路径，vci代表链路节点值。规定lsp1的vpi＝1，lsp2的vpi＝2，lsp3的vpi＝3)作为卫星mpls标签，将atm和ip两种网络纳入一个统一的体制中，实现过程如图1所示。卫星mpls工作过程可分为转发表生成和数据转发两个阶段。转发表生成阶段(1)卫星边缘路由器ler1判断接收到的定长数据为atm信元，不定长数据为ip包，ler1将ip包分割重组成44字节的定长数据，装载至卫星mpls网络传输的分组内。ler1将所有处理后的数据根据相同的入口/出口边缘路由器分类划分转发等价类fec(forwardingequivalenceclass)，映射成初始(vpi/vci)值为1/32的mpls标签。ler1将标签值为1/32的vpi/vci、出端口、下一跳转发入口nhlfe(nexthoplabelforwardingentry)发送给卫星lsr1，并在ler1保存这些信息，形成ler1标签转发表2。(2)卫星lsr1-1端口收到ler1发送来的标签映射信息后，将标签改为1/33，并确定下一跳入口为lsr2-1，将此时的标签、出端口、nhlfe保存到lsr1的标签转发表中。然后将此消息发送给卫星lsr2。卫星lsr2进行相同的处理，把收到的标签1/33更新为1/34，并形成自己的转发表。(3)ler2-1端口接收到lsr2发送的标签映射消息时，把出端口改为2，由于ler2为出口边缘路由器，因此将现在的分组标签1/34去掉，此时分组变成空标签，然后通告其他端口。各节点的标签转发表如下：表2ler1的标签转发表入端口入标签vpi/vci出标签vpi/vci出端口nhlfe1————1/322lsr1-1表3lsr1的标签转发表入端口入标签vpi/vci出标签vpi/vci出端口nhlfe11/321/332lsr2-111/322/333lsr4-2表4lsr2的标签转发表入端口入标签vpi/vci出标签vpi/vci出端口nhlfe11/331/342ler2-1表5ler2的标签转发表入端口入标签vpi/vci出标签vpi/vci出端口11/34————2数据转发阶段(1)入口ler1：数据进入卫星mpls的边缘节点，入口ler1读出数据分组组头，然后查找标签转发表1得到入标签及出端口，向指定的端口输出。(2)lsr：lsr收到带有标签的数据分组，从分组中提取标签，以标签为指针查找标签转发表表2和表3，分别用表中的出标签代替所提取的标签，新的分组根据转发表中所指的输出端口发送给下一跳。(3)出口ler2：出口ler2接收到数据分组后，将标签去掉，变成了大小为44字节和48字节的两种数据，将44字节的数据重组成ip包，48字节的数据还原成atm信元。将重组后的ip包和atm信元分别从对应的端口ce11和ce21输出。实施例3请参阅表6、图2、图3、图4、图5、图6、表7所示，基于mpls的空间信息网络路由方法，验证与分析如下：本申请采用iridium卫星星座拓扑，使用opnet网络仿真软件仿真卫星mpls融合网络的性能，与no-mpls(采用传统内部网关协议igp)进行比较，并将本申请算法与ospf算法进行比较。卫星mpls网络模型结构如图2所示，其中，节点0发送ip分组到节点10，节点1发送atm分组到节点11。建立两条lsp，分别为lsp1：ler1—>lsr1—>lsr2—ler2；lsp2：ler1—>lsr1—>lsr4—>ler2。实验参数设定：核心链路使用ppp_sonet_oc3模块，边缘链路均使用ds3模块，每条路径的总带宽为30mb，其他链路带宽设置为10mb/s。设定传输速率为8mbps，数据包长度为4000bits，仿真时间为30min。表6leo卫星轨道参数本申请提出的基于mpls空间信息网络路由策略网络传输时延如图3示，为了验证mpls网络融合atm/ip的有效性，将mpls网络和no-mpls网络的传输时延进行比较。由于ip在传输时每一跳要先查找路由表，确定下一跳，导致其传输时延较大。而atm是面向连接的，建路以后只进行数据传输即可，在传输过程中无时间消耗，只有数据量很大的时候会发生拥塞，从而产生时延。因此，ip和atm数据量所占比重的大小会对时延产生影响。图3中将mpls分别与ip占比不同的no-mpls进行比较。在图3中，ip包占40％时，时延比较小，在0.54ms左右，随着ip包所占比重的增加，时延就会越大，ip占比80％时，时延比mpls大约13.7％。并且图3中在25min以后，随着数据量的增加，no-mpls时延有逐渐变大的趋势，mpls时延基本保持不变。将本申请算法和ospf算法在吞吐量、传输时延、稳定性、带宽利用率四个方面进行比较。图4为吞吐量对比，横坐标为仿真时间，单位分钟；纵坐标为吞吐量，单位kbps。从图中可以看出，随着时间的变化，吞吐量是不断变化的，刚开始传输数据流时，吞吐量比较小，2min左右时候吞吐量开始趋于稳定。由于采用ospf算法，对转发路径的选择不够灵活，导致吞吐量不能达到最优值，其网络吞吐量均值为4300kbps，且速率波动比较大。而通过本申请算法能够精确的引导数据流，绕过可能出现拥堵的路径，使吞吐量达到最优，其吞吐量均值约为5500kbps。图5为本申请算法和ospf算法在传输时延方面的比较。从图中可以看出，ospf时延较大，并且ospf时延抖动比较剧烈，ospf只是选择跳数最短的路径，并不考虑链路的负载，当数据都集中到某一条路径上，就会导致该路径拥塞，数据不能很快到下一跳，造成较大的时延，在0.95ms左右。本申请算法在ospf算法的基础上考虑了带宽利用率，从中选择带宽利用率小的路径，实现了高速转发。对图5中网络时延的稳定性进行分析，首先等距采样100个采样点，为了分析稳定性对这100个采样点求方差，稳定性对比如表7所示。从表7可以看出ospf的变化比较剧烈，本申请算法的方差比ospf的方差小很多，并且本申请算法的最大时延差也比较小。从而表明本申请所提算法的稳定性要明显高于ospf。表7稳定性比较图6比较了ospf和本申请算法的带宽利用率。此处的带宽利用率大小是由需求带宽与剩余带宽的比值来衡量的，也就是说图6中，纵坐标的值越小，算法性能越好。在相同的网络资源环境下，刚开始数据量较小，两者的带宽利用率相差不大且都比较低，随着数据量的增长，网络的带宽利用率逐渐升高，且no-mpls上升的幅度比mpls大，可以看出mpls在带宽利用率方面要优于no-mpls。这是因为no-mpls网络缺乏对链路负载情况的了解，网络资源得不到合理利用，而基于路径选择算法的mpls网络能够尽量避免lsp发生拥塞，合理利用链路资源，优化资源利用。相较于现有技术，本发明基于mpls的空间信息网络路由方法能够实现atm和ip技术的融合，并降低数据的传输时延，同时，本申请所提算法在选择路径时能很好地均衡各个链路的负载，增加吞吐量、优化链路利用率、提高网络的稳定性。以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。当前第1页12