星地混合网络中基于on-path缓存的数据分发方法与流程

本发明涉及卫星网络数据传输
技术领域：
，尤其涉及一种星地混合网络中的数据分发方法。
背景技术：
：数据分发业务主要指由源节点向任意可到达的目的节点分发数据，其主流的路由算法主要有最小生成树路由算法和dijkstra最短路由算法。最小生成树的主要思想是给定一个带权的无向连通图，如何选取一棵生成树，使树上所有边上权的总和为最小。其构建方法分为两种：克鲁斯卡尔算法和普里姆算法。克鲁斯卡尔算法将图中边按其权值由小到大的次序顺序选取，若选边后不形成回路，则保留作为一条边，若形成回路则除去。依次选够(n-1)条边，即得最小生成树(n为顶点数)。而普里姆算法从指定顶点开始将它加入集合中，然后将集合内的顶点与集合外的顶点所构成的所有边中选取权值最小的一条边作为生成树的边，并将集合外的那个顶点加入到集合中，表示该顶点已连通。再用集合内的顶点与集合外的顶点构成的边中找最小的边，并将相应的顶点加入集合中，如此下去直到全部顶点都加入到集合中，即得最小生成树。由于最小生成树构建只依据下一跳可达链路的权值，未考虑节点或链路的全局性，因此得到的解为局部最优解。但是其优点在于计算时间复杂度小，普里姆算法的时间复杂度是o(n2)，克鲁斯卡尔算法的时间复杂度是o(eloge)。dijkstra最短路由算法将节点v分为s和u两个集合，s表示已经加入的节点，u表示未加入节点，算法的主要思想是保证源点v到s中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到u中任何顶点的最短路径长度。该路由算法由于可以遍历所有节点，因此结果是全局最优解，计算时间复杂度为o(n2)。在静态拓扑条件下的数据分发路由中，单个源节点或者多个源节点要将信息传送给多个目的节点，可以利用最小生成树或者dijkstra最短路由算法得到一棵分发树进行数据传输。但是针对卫星网络的数据分发路由问题，由于其拓扑周期性变换，因此传统的最小生成树算法或者dijkstra算法不能直接用于卫星网络中。随着数据量的迅速增长和业务需求的多样化，针对不同级别用户的更高带宽和异构接入能力对下一代网络的要求非常严格。近年来，低地球轨道(leo)卫星的发展受其较低的部署成本和更广泛的覆盖范围吸引了很多关注。目前，集成leo星座和地面用户的混合网络在物联网(iots)，卫星传感器网络，战术分布网络等多种数据分发服务中发挥着重要作用。近年来，信息中心(icn)由于其良好的数据路由策略和用于内容分发的网络缓存机制而成为leo星座-地面混合的新型网络架构的候选解决方案。因此，很多关于leo-地面混合网络缓存和转发策略的研究近些年被展开。研究内容主要利用卫星网络的广泛覆盖性与地面网络相结合，对缓存位置进行优化使得用户申请数据的接入时延相应减少。现有的网内缓存策略主要针对于静态拓扑关系，即已知节点间的连接关系不随时间而改变。亦或将任意网内节点都当做缓存节点来优化用户申请数据的接入时延。然而对于卫星网络的数据分发来说：首先，由于卫星网络中链路资源宝贵、传输时延大等固有特点，将数据分发到每个卫星节点进行缓存的开销过大，影响其他业务的传输；其次，由于卫星网络的存储资源有限，因此将所有节点当作存储节点会使存储开销过大。技术实现要素：为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种星地混合网络中基于on-path缓存的数据分发方法，在设定好卫星网络场景后，根据卫星拓扑控制策略将动态的卫星网络划分为一系列等长离散的时间片并建立一个跨时隙的连接关系图，据此来改进数据分发路由算法；根据卫星网络的特点，利用提出的节点选择算法选取一部分节点作为缓存节点，从而降低数据分发的传输时延和数据的存储开销。本发明具体通过如下技术方案实现：一种星地混合网络中基于on-path缓存的数据分发方法，当源节点sn产生目标数据f时，sn将向网络中的每个卫星节点广播消息；某个用户ut将发送申请数据命令apf到最近可连接的leo卫星节点以申请f，这将通过预先计算的最短路由将apf逐跳转发到源节点sn；一旦在转发过程中遇到一个已经存储f的缓存节点cn，f将立即发送给ut，并且停止apf转发；其中，所述方法包括：s1、根据卫星间的拓扑关系建立节点间跨时隙连接图；s2、根据上述跨时隙连接图，利用基于回溯分区的缓存节点选择算法选出缓存节点存储源节点要分发的数据，具体为：s201、初始化缓存节点集合cnset←φ；已经选择的缓存节点个数i←0；s202、如果已经选择的缓存节点i＜cnnum，则从顶点集合中选择一个不属于cnset集合的顶点作为新的缓存节点c，并使其满足新的缓存节点可以使得当前的时延开销达到最小，将其加入缓存节点集合；如果已经选择的缓存节点i＞＝cnnum，则跳转至s204；s203、根据当前新的缓存节点c以及其所覆盖的节点重新作为新的区域，重新调整其上一级的区域；如果上一级区域划分没有改变，即仍为最优解，或者为当前缓存节点c是源节点sn则跳转至s202；如果上一级划分需要被调整则，即产生新的缓存节点c代替原缓存节点，则跳转至s203；s204、得到缓存节点集合cnset。作为本发明的进一步改进，所述根据卫星间的拓扑关系建立节点间跨时隙连接图具体为：s101、在图gt中构建顶点集合v＝{(i-1)·n+j|j＝1，…，n；i＝1，…，γ/τ+1}；其中，i表示第i个时隙，j表示第j个卫星节点，n为节点个数，τ为时间间隔，γ为观测时长；s102、在链路连接表crt中取出连接ct(nf，nt，tstart，tend，tp)，其中，nf表示发送节点，nt表示接收节点，tstart表示连接的开始时间，tend表示连接的结束时间，tp表示传播时延；若crt中无连接跳转到s106；s103、令si＝tstart/τ，…，tend/τ-1、sj＝0，...，tstart/τ-1，在图gt的si和sj对应时隙上建立nf和nt之间的连接关系，其权值如下：g(sj·n+nf，si·n+nt)←tp+τ·(si-sj)g(sj·n+nt，si·n+nf)←tp+τ·(si-sj)s104、同一节点之间连接关系边权值为0；s105、返回s102；s106、得到跨时隙时空图作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：采用dijkstra最短路由算法寻找最短路由。作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：当网络中节点规模较小时，采用有效利用等待时间的mst-assisteddijkstra算法寻找最短路由，一旦没有端到端路径，利用mst-assisteddijkstra算法将出现等待时延的两节点间的mst路径加入原有分发路径集合，使在转发过程中遇到缓存节点的机会更大。本发明的有益效果是：由于卫星网络高延迟、高误码率等固有缺点，因此对于减少在卫星网络中数据分发的冗余路径传输对提高数据分发性能，减少传输时延起到重要作用。本发明利用icn网内节点缓存的思想设计了一种卫星网络中基于回溯分-区缓存节点选择的数据分发策略，同时为了克服传统数据分发路由算法在动态拓扑中的应用限制，提出了一种跨时隙连接图，使dijkstra最短路有算法和mst算法都能在动态拓扑变化的网路中得到更好的应用。附图说明图1是混合网络中数据分发系统框图；图2是跨时隙连接示意图；图3是回溯-分区缓存节点选择过程示意图；图4是本发明的mst-assisteddijkstra路由算法示意图；图5是mst与dijkstra路由算法跳数对比图；图6是mst与dijkstra路由算法时延对比图；图7(a)是n＝33时不同算法下对用户申请数据所需时延对比图；图7(b)是n＝33时不同算法下对用户申请数据所需开销对比图；图8(a)是n＝17时不同算法下对用户申请数据所需时延对比图；图8(b)是n＝17时不同算法下对用户申请数据所需开销对比图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。本发明针对卫星网络的特性提出了一种基于回溯-分区的缓存节点的选择算法来降低用户申请数据的接入时延。首先，建立leo-地面混合网络体系，根据卫星间的拓扑关系建立星间数据分发树，利用提出的基于回溯分区的缓存节点选择算法选出缓存节点存储源节点要分发的数据，达到对用户接入卫星网络申请数据的时延进行优化的目的。图1描述了leo-地面混合网络中内容分发的具体过程。当源节点sn产生目标数据f时，它将向网络中的每个卫星节点广播消息。通常，某个用户ut将发送apf(申请数据命令)到最近可连接的leo卫星节点以申请f，这将通过预先计算的最短路由将apf逐跳转发到源节点sn。一旦在转发过程中遇到一个已经存储f的缓存节点cn，f将立即发送给ut，并且停止apf转发。综合来看，相同目标文件的大量冗余传输会严重降低高动态isl上的分发性能。针对这些问题，本发明提出了一种在高动态拓扑下结合回溯分区算法的on-path缓存策略。主要工作主要包括：1.建立节点间跨时隙连接图，为了更好的描述卫星网络中的动态拓扑变化；2.缓存节点的选择算法。[建立节点间跨时隙连接图]卫星网络是一个随着时间演化的动态网络，对于网络中运动规律可预测的节点来说，在某一个时间片可将卫星网络看作一个静态网络，相当于进行时隙的划分，得到一系列卫星网络的静态拓扑图，但是依据此类拓扑进行路由存在的问题是，每个时间片内的静态拓扑模型是相互独立的，为了改善这种状况，用一个同时包含时间维度和空间维度信息的拓扑图——跨时隙连接图(如图2)来反映卫星网络节点随时间演化的动态变化过程，该模型是由一系列静态拓扑图按照一定规则转化而来的，是一种动态拓扑模型。在跨时隙连接图中，其中t代表时间片的个数，每层有n个节点，代表卫星网络骨干网中的所有节点。和代表连接图中所有节点集合和边集合，即代表第t个时隙的第i个节点。代表边上的权值，其计算公式如下：ω(vi，vj)＝waitslot(i，j)+δ(1)waitslot代表与下一跳链路连接的等待时延，δ代表传播时延，其中跨时隙连接图的具体构建算法如下所示：算法i跨时隙连接图[基于回溯-分区的缓存节点选择算法]通常，数据分发的最短路径呈现树形结构。因此，选择缓存节点相当于将整个树分成多个不相交的子区域。如果网络中没有可用的缓存节点，我们将把分发树中的所有节点视为由单个源节点所领导的区域，以总分发数据时延和为覆盖成本。另一方面，如果选择一定数量的缓存节点，则初始区域将被划分为具有不同引导者的多个不相交的子区域。每个子区域由一组分发路径组成，其中一个缓存节点作为根节点。因此，寻找可行的缓存节点被认为是一个以最小覆盖成本为目标的分区优化问题，这可以通过本发明提出的回溯算法来解决st.cnset∈v(3)其中，是cost(i，j)的累积和，并且：cost(i，j)＝d(i，j)/c+tf(4)这里，d(·，·)表示两个节点间的欧氏距离，tf表示数据的传输时延，ri，j＝{vi，vi+1，...，vj|v∈v}表示从源节点vi到用户节点vj数据分发路径。在本发明所提出的回溯算法中，最初v1被定义为非分区区域中的领导者，其中称为区域v1。一旦选择了一个新的缓存节点vi，如图3所示，以vi为根节点的对应区域被划分为两个不相交的子区域，vi的覆盖区域被命名为vi。同时，总覆盖成本得到更新。然而，如图3的右下部分所示，所得到的子区域将不是最佳解决方案。因此，一旦确定新的缓存节点，那些先前的缓存节点需要被回溯用于重新验证，直到所选的缓存节点不再改变或者确切地是源节点。例如，如果当前区域状态如图3左下部分所示，并且选择v4作为新的缓存节点，则分区的状态将演化为图3右下部分。根据回溯原理，图3左下部分中v4所属的区域v2应该重新修改。首先，将区域v2解散然后加入其上级区域v1，然后根据当前分区选择新的缓存节点作为新的独立区域。实现过程如算法ii所示：算法ii缓存节点选择算法[mst-assisteddijkstra数据分发路由算法]由于节点规模较大，典型的dijkstra最短路由算法加上所提出的回溯分区策略可以有效地提高分布性能。但是，由于网络中节点规模较小，因此很难找到端到端的路径，从而导致可能的传入连接等待时间。结果，典型的dijkstra路由算法的独特使用将由于频繁等待操作而引起明显的放大延迟。因此，本发明设计了一种有效利用等待时间的mst-assisteddijkstra算法，在目标文件的应用过程中，mst算法由于其优异的局部最短路径搜索能力而被协同利用。在策略中使用mst时，一旦没有端到端路径，利用mst-assisteddijkstra算法将出现等待时延的两节点间的mst路径加入原有分发路径集合，使在转发过程中遇到缓存节点的机会更大。如果在目标数据请求apf的最短路径r中存在vi和vj之间的等待延迟，那么我们计算从vi到vj的mst路径r′i，j。通过将r′i，j添加到r中，数据申请消息apf具有更大的几率遇到缓存节点，以达到减少冗余传输的目的，图4为mst-assisteddijkstra路由算法示意图。[性能分析]在本发明中，我们对用户对分发数据申请的接入时延进行性能比较。leo星座轨道高度为750km，设置了两个情景，n＝33和n＝17。而卫星星座的具体参数见表1。表1卫星星座参数表卫星参数场景1场景2轨道类型leoleo高度(km)780780倾角(deg)78.2545源节点数量11星座类型leoleo卫星数量(n)4*84*4采样间隔(τ)1min1min观测时隙(k)1010首先，将dijkstra算法与典型的最小生成树(mst)算法进行比较，发现dijkstra算法在传输跳数和传输时延方面优于mst算法，如图5和图6所示。另外，我们模拟了基于路径缓存的数据分发的延迟时间，分别为n＝33和n＝17。将结果与随机缓存策略和基于回溯-分区缓存节点选择算法的dijkstra(或mst辅助dijkstra)和mst分发策略进行比较，发现所提出的回溯分区缓存节点选择算法可以明显减少用户节点数据申请的时延。图7(a)、图8(a)分别在n＝33和n＝17两种场景下对用户申请数据所需时延进行对比，图7(b)、图8(b)分别在n＝33和n＝17两种场景下对用户申请数据所需开销进行对比，发现基于回溯-分区节点缓存的dijkstra数据分发策略可以有效的较少时延和开销，提高分发性能。注意，当n＝17时，由于利用传统dijkstra算法，路径中会出现大量的等待时延，因此路由算法应提升为mst-assisteddijkstra算法来提高与缓存节点的碰撞概率，从而进一步减少冗余路径的传输。本
技术领域：
技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页12