一種具有導向功能的LEO網(wǎng)絡(luò )源路由改進(jìn)算法

摘 要：針對全網(wǎng)廣播路由導致系統利用率低的問(wèn)題，結合衛星通信網(wǎng)絡(luò )的周期性和準確預知等特點(diǎn)，在源路由算法(SRA)的基礎上，引入方向性指導策略，提出了具有導向功能的源路由改進(jìn)算法(i―SRA)。由于采用部分廣播方式，僅向靠近目的節點(diǎn)的相鄰衛星發(fā)送路由請求分組，降低了請求分組傳輸的盲目性。通過(guò)OPNET建模仿真，結果表明改進(jìn)算法減少了路由負載開(kāi)銷(xiāo)，提高了資源利用率。
關(guān)鍵詞：LEO 衛星網(wǎng)絡(luò )；導向策略；源路由；路由負載

0 引 言
衛星通信具有覆蓋地域廣、長(cháng)距離傳輸和易實(shí)現廣播的特點(diǎn)，并且能夠支持多媒體通信業(yè)務(wù)，成為軍用和民用領(lǐng)域一種重要的通信手段。隨著(zhù)星上處理能力的增強，在衛星上采用路由交換技術(shù)已成為現代衛星網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的重要趨勢之一。
目前，針對星上路由算法的研究大多采用將系統周期分割或者將覆蓋區域分割的方法，屏蔽衛星網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的動(dòng)態(tài)變化，在靜態(tài)拓撲結構下設計星上路由算法。
系統周期分割方法雖然離線(xiàn)計算星上路由，衛星僅在時(shí)間分割點(diǎn)更新，對星上處理能力要求較低，但是不能根據鏈路的狀態(tài)實(shí)時(shí)地選擇路由，適應性差，并且由于分割的拓撲快照太多，導致星上需要大量的存儲空間。
而覆蓋域分割方法卻根據分組的目的地理信息，在不同地面覆蓋劃分區域組成的靜態(tài)邏輯結構上，依據路由策略和鏈路負載、故障、擁塞等情況實(shí)時(shí)計算路由，具有適應能力強，所需存儲空間小，同時(shí)提供QoS保證的優(yōu)點(diǎn)，因而，覆蓋域分割類(lèi)型的路由算法具有較強的優(yōu)勢，但由于星上處理能力和功耗的限制，該類(lèi)算法較多的系統資源消耗需要盡量地減小。
類(lèi)似IP網(wǎng)絡(luò )的衛星網(wǎng)絡(luò )路由機制中，每顆衛星保存整個(gè)衛星網(wǎng)絡(luò )的拓撲圖，實(shí)時(shí)地根據星間鏈路狀態(tài)，將地面網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的封裝數據轉發(fā)到目的衛星節點(diǎn)，但文中未見(jiàn)采用的路由算法。Ekici等人提出的分布式路由算法中，每顆衛星根據自身鏈路狀態(tài)局部信息，按照邏輯地址為每個(gè)分組獨立地選擇最小傳輸時(shí)延路徑。由于利用了衛星網(wǎng)絡(luò )周期性和預知性的特點(diǎn)，路由開(kāi)銷(xiāo)非常小，但是每個(gè)分組采用相同的操作獨立地路由轉發(fā)，不區分對待不同業(yè)務(wù)類(lèi)型，因而不能提供不同的服務(wù)質(zhì)量。Admela J等設計的具有QoS保證的LEO網(wǎng)絡(luò )源路由算法(Source Routing Algorithm，SRA)，源節點(diǎn)廣播路由請求分組到目的節點(diǎn)，目的節點(diǎn)根據不同傳輸業(yè)務(wù)的不同服務(wù)要求，反饋相應的最優(yōu)路徑。雖然能夠反映網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)的變化，但是采用全網(wǎng)廣播路由致使開(kāi)銷(xiāo)巨大。
本文結合衛星網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，在LEO網(wǎng)絡(luò )SRA算法的基礎上，引入方向性指導策略，提出具有導向功能的源路由改進(jìn)算法(improved Source Routing Algo―rithm，i-SRA)，并對其進(jìn)行性能分析與仿真驗證。

l 衛星網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)
由于衛星快速移動(dòng)，星間鏈路頻繁地切換，致使依靠不斷交換拓撲信息來(lái)維護網(wǎng)絡(luò )路由的地面路由技術(shù)不能適用于衛星網(wǎng)絡(luò )。與地面網(wǎng)絡(luò )相比，衛星網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)其獨有的特點(diǎn)。
衛星快速移動(dòng)的影響 主要體現在：隨著(zhù)衛星的移動(dòng)，軌道間的ISL長(cháng)度不斷變化，越過(guò)極區時(shí)需要不斷開(kāi)啟或關(guān)閉，導致衛星網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構是動(dòng)態(tài)的；針對星間鏈路的不斷失效或生效，為保證通信路徑的暢通，需要不斷地進(jìn)行鏈路切換；星下點(diǎn)覆蓋域變化時(shí)，由于用戶(hù)業(yè)務(wù)地域分布不均勻，導致衛星的通信量動(dòng)態(tài)變化，極不均衡；由于衛星的軌道是固定的，網(wǎng)絡(luò )拓撲的變化具有周期性、預知性。
衛星功率和星上處理能力有限 由于衛星通信環(huán)境的特殊性，星上設備的體積、功耗等都受到限制。路由選擇的處理過(guò)程越復雜，所需的星上處理能力就越強，消耗的功率越多，衛星的壽命可能就會(huì )縮短。另外，一旦衛星發(fā)射，所應用的技術(shù)不能改進(jìn)升級，存儲和處理能力不能擴展。
其他特點(diǎn) 衛星網(wǎng)絡(luò )中，星間鏈路傳輸距離較遠，衛星軌道較高，衛星通信具有非常大的延時(shí)，對網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)現、高性能QoS服務(wù)等方面影響很大；衛星網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)數目通常是固定不變的；對星座網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，其拓撲結構具有很高的規則性和均衡性，使得衛星節點(diǎn)對之間存在許多可備選的通信鏈路。
星上路由算法與衛星網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構密切相關(guān)。雖然網(wǎng)絡(luò )拓撲結構動(dòng)態(tài)變化為星上路由算法增加了設計難度，但也有簡(jiǎn)便的一面?？梢猿浞掷眯l星網(wǎng)絡(luò )的周期性和準確預測性、規則性和均衡性、以及節點(diǎn)數目少且固定的特點(diǎn)，來(lái)簡(jiǎn)化路由算法。

2 具有導向功能的源路由改進(jìn)算法i-SRA
2．1 源路由SRA算法
源路由SRA算法是由源節點(diǎn)衛星發(fā)起的，目的節點(diǎn)衛星決定路由的面向連接的按需路由算法，采用覆蓋域分割的策略來(lái)解決衛星網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的動(dòng)態(tài)變化。對于每一次呼叫連接，SRA算法將路由請求分組全網(wǎng)廣播傳輸到目的節點(diǎn)。在星間鏈路上傳輸的同時(shí)，路由請求分組收集傳輸路徑上經(jīng)過(guò)衛星節點(diǎn)的狀態(tài)信息。目的節點(diǎn)收到請求分組后，依據這些信息來(lái)決定最合適的路由。
2．2 全網(wǎng)廣播路由的局限性
由衛星網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)可知，衛星的移動(dòng)性會(huì )增大路由算法設計的難度，但由于衛星運行的軌道和地球自傳速度是固定的，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數目不變且非常少，所以衛星網(wǎng)絡(luò )拓撲的變化是確定的，能夠進(jìn)行準確地預測。
但是采用全網(wǎng)廣播路由請求分組來(lái)建立最優(yōu)路徑的方式，未能結合衛星網(wǎng)絡(luò )這些有利條件來(lái)優(yōu)化算法，仍向遠離目的地址的衛星節點(diǎn)發(fā)送大量的路由請求分組。然而這些請求分組因為路由跳數過(guò)多，傳輸時(shí)延過(guò)長(cháng)而被淘汰，結果該方向未形成最終的傳輸路徑。由于星上功率和處理能力有限且十分寶貴，采用全網(wǎng)廣播路由方式產(chǎn)生了過(guò)多無(wú)用的請求分組，導致網(wǎng)絡(luò )資源的浪費。
2．3 改進(jìn)算法i-SRA
衛星網(wǎng)絡(luò )具有周期性和預知性，源節點(diǎn)衛星根據自己覆蓋區域的邏輯編號(例如由軌道號和軌內衛星編號組成)以及傳輸分組包含的目的邏輯區域的邏輯編號，就可以得到目的節點(diǎn)的當前方位，估計傳輸路徑所需的最小路由跳數。源節點(diǎn)根據這些先驗信息，來(lái)定向地路由或直接轉發(fā)分組。這一特性就是方向性指導策略，可以用來(lái)簡(jiǎn)化路由算法的復雜性以及減小路由開(kāi)銷(xiāo)。