一种巨星座核心网快速路由方法与流程

本发明涉及核心网路由，具体涉及一种巨星座核心网快速路由方法。

背景技术：

1、路由算法是计算机网络领域的基本功能算法，它是网络实现节点通信的重要基础，根据目的不同主要分为最短路径、负载均衡、阻塞控制等路由算法。

2、最短路径路由算法是最为经典的一种路由算法，其被广泛用于移动通信、交通运输、电力服务等领域。最短路径算法源自于图论，主要用于处理节点与边权值的链接关系。根据实现方法不同其主要分为2种：一种是局部最优类型，如dijkstra算法，只能处理单源无负权的最短路径问题，bellman-ford算法可以处理有负权的单源最短路径问题；另一种是动态规划类型，如floyd算法，可处理多源、无负权的最短路径问题。其中dijkstra算法由于逻辑简单清晰和易于实现，被广泛应用于多种场景下的路由计算。

3、dijkstra算法的主要处理过为：将待处理的网络拓扑图转换为邻接矩阵，选定起始节点，①松弛操作：对邻接矩阵中对应行进行遍历，计算得到起始节点到遍历节点的路径总长度并记录；②贪心操作：在记录的所有节点路径中选择最短的路径，并选择该路径的下一节点作为新的计算节点；③按照新的计算节点重复步骤①和②，直到所有节点遍历完成。

4、西南电子技术研究所202111011062.9公开了一种巨型低轨互联网星座路由方法，基于地球空间网格编码，利用卫星的周期性变化对卫星网络进行时隙划分；根据节点选择规则确定空间路由规模，采用位运算方法对空间节点进行编码，利用四叉树体系，将编码列作为卫星轨迹网格编码索引大表的外键，选择空间网格划分块数一致的网格编码方式作为地面站的编码级别，利用星座路由节点生成算法，构建空间信息网格的路由优化模型；基于多目标优化路径选择算法，选择从源卫星节点到目的卫星节点的最优路径，结合路由算法中的链路信息，采用路由预测的算法和不同的优选序列对地面站路由选择实现最优路由的选择。

5、航天科工海鹰集团有限公司202110941636.6公开了一种基于星间链路的遥感星座路由算法，通过构造walker星座卫星遥感系统，建立星间链路经纬方向生成一级网络拓扑结构；选定区域确定可完全覆盖的地面数传站，构建遥感卫星与地面传输站二级网状拓扑并进行时间切片；在每个时间片内通过构造无向图g进行路由。

6、以上方法均在星座设计层面对路由进行了统一规划，并没有针对巨星座场景下网络拓扑本身进行路由优化。巨星座场景下，天基核心网网络拓扑具有规则稀疏的特点，其网络节点度为4，即每颗卫星仅与其前后左右4颗卫星相连接。巨星座卫星数量较大，一般不低于1000颗。因此，基于传统dijkstra算法的以上方法应用于巨星座场景下主要存在以下问题：

7、(1)采用对所有网络节点遍历查找和记录的方式进行松弛操作，对无连接的节点进行运算判断，无效计算次数多，耗时长。

8、(2)对所有网络节点遍历查找进行贪心操作，对未连接的节点和已访问过的节点重复运算判断，浪费运算资源，耗时长。

9、可见，传统的以dijkstra算法为代表的天基网络路由算法，当卫星节点数较大时，由于其对网络中所有节点进行遍历运算，导致路由收敛速度慢，实时性变差，无法满足天基互联网星座实时通信的需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种巨星座核心网快速路由方法，能够基于图优化的dijkstra算法将巨星座核心网路由计算效率提高数倍。

2、为实现上述目的，本发明技术方案如下：

3、一种巨星座核心网快速路由方法，包括：

4、将星上集中路由模式下根据轨道外推计算得来的卫星网络拓扑或分布式路由模式下根据ospf协议获取的卫星网络拓扑转换为邻接矩阵，矩阵行列按照星座卫星轨道编号转换为邻接矩阵；

5、初始化访问数组均为0，以记录节点访问状态；初始化路径数组为inf，以记录当前最短路径；初始化松弛数组为空数组，以记录松弛操作完的节点；

6、选定一个起始节点进行图优化松弛操作，对一个十字形网络图结构进行计算、赋值和判断，记录松弛数组、访问数组和路径数组；

7、对松弛数组内的节点进行最小路径值搜索，将该最小值对应的节点作为下一次循环的起始节点，并将该节点从松弛数组中剔除；重复对所有节点进行上述操作，直到路径数组获取所有节点到起始节点的最短路径值；

8、其中邻接矩阵的元素值代表了任意两个卫星网络节点之间的连通程度，其中对角线元素0代表卫星网络节点自身，0～1的浮点数代表网络权重，inf代表两颗卫星无法连通。

9、其中，对于一个m轨，每轨n个卫星所组成的巨星座，其邻接矩阵的行列编号按照第1、2、……、m轨排列，轨内按照第1、2、……、n颗排列；访问数组和路径数组长度为m*n。

10、其中，图优化松弛操作具体为：选定需要计算的原始初始节点i后，标记其对应的访问数组visited(i)＝1；根据巨星座核心网节点度为4的规则稀疏网络特征，对节点i进行松弛操作；对松弛操作进行图优化：对一个十字形网络图结构操作，即在邻接矩阵第i行仅需对与卫星i相邻接的节点进行计算、赋值和判断，记录松弛数组label、访问数组visited和路径数组distance；将松弛操作完毕的最新节点按顺序添加进松弛数组label，将其路径更新到路径数组distance对应的位置。

11、其中，路径数组获取所有节点到起始节点的最短路径值的具体过程为：

12、令k＝inf，循环遍历松弛数组中每一个节点值对应的路径数组值，并令其与k相比，若比k小，则令k＝distance(label(x))，x为当前节点；获取到最小值k后，记录其对应的节点编号label(x)，将该节点的访问数组值置1，并将其作为下一个循环的起始节点；将本次循环的节点i从松弛数组剔除。

13、其中，所述方法在星载计算机上运行。

14、有益效果：

15、1、本发明针对巨星座大规模核心网路由计算慢的问题，利用其网络节点度为4的特征，设计了一种基于图优化改进的dijkstra算法，实现了大规模节点下的天基核心网路由快速计算，可应用到计算资源较低的星载计算机中，提高在轨路由计算速度。针对巨星座大规模核心网规则稀疏的拓扑特点，对dijkstra算法进行了图优化，采用巨星座大规模核心网快速路由方法，解决了传统算法耗时长效率低的问题。

16、2、本发明方法中，通过对巨星座大规模核心网进行复杂网络拓扑分析，识别出“十”字型网络基本图结构。利用图优化的方法对dijkstra算法进行了改进，使得其松弛操作的运算次数从n变为了4。

17、3、本发明方法中，针对贪心搜索操作中对所有节点进行遍历造成的大量冗余操作，本发明增加了松弛数组对搜索范围进行了自适应调整，使得贪心搜索次数平均从n缩减为n/7.5。

18、4、本发明尤其适合在计算资源有限的集成器件，如星载计算机上运行，可以实现在bm3823、s698等sparc架构的低存算资源下的大规模核心网路由快速计算。与原始dijkstra算法相比，该算法在星载计算机上性能表现优异，将路由计算效率提高了近10倍。