羅擁華，鄔家煒

(華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

一種高效動(dòng)態(tài)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)節(jié)路由算法

羅擁華，鄔家煒

(華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

針對(duì)考慮負(fù)載均衡的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法存在控制網(wǎng)絡(luò)開銷偏大、路由更新不及時(shí)以及流量調(diào)節(jié)機(jī)制分配不均等問題，提出了一種基于負(fù)載均衡的動(dòng)態(tài)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法DRLB。根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)路徑記錄信息以及后向Agent讀取策略設(shè)計(jì)新的路由機(jī)制，獲得動(dòng)態(tài)衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；分析前向Agent的分組格式并刪除冗余字段，達(dá)到減小網(wǎng)絡(luò)開銷目的；根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔構(gòu)造前向Agent選址策略，提高路由更新效率，通過考慮衛(wèi)星所處緯度流量分配不均問題，改進(jìn)流量調(diào)節(jié)因子，獲得更好的負(fù)載均衡效果。仿真結(jié)果表明，與SDRZ-MA算法相比，DRLB算法在減緩星地之間的控制開銷、平均端到端時(shí)延等方面具有較好的優(yōu)勢(shì)。

負(fù)載均衡；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由；流量調(diào)節(jié)；更新路由；調(diào)節(jié)因子

0　引言

LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)湟恢倍荚诳焖僮兓?，這是LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于地面自組織網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)，而且衛(wèi)星的存儲(chǔ)能力和處理能力有限[1-2]。同時(shí)，衛(wèi)星間的距離很遠(yuǎn)，容易導(dǎo)致較大的端到端傳輸時(shí)延[3]。

對(duì)此，研究人員提出了一些基于負(fù)載均衡的路由機(jī)制，如ELB算法[4]是由TALEB T提出的，該算法主要是將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組前已經(jīng)獲取到了下一跳節(jié)點(diǎn)的鏈路負(fù)載狀況，依次作為依據(jù)，為數(shù)據(jù)分組選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。但如果網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的擁塞節(jié)點(diǎn)過多時(shí)，該算法性能會(huì)降低甚至失效。KUCUKATES R等人[5]提出了PAR算法，該算法是在網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生前及時(shí)采取措施進(jìn)行避免，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的效果。但是該算法網(wǎng)絡(luò)吞吐量不高，同時(shí)分組端到端時(shí)延也比較大。SDRZ-MA算法[6]將 Agent引入到LEO衛(wèi)星網(wǎng)路由中，其衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)定時(shí)產(chǎn)生前向Agent在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間來回轉(zhuǎn)發(fā)，遷移過程中收集衛(wèi)星緯度、鏈路代價(jià)等路由更新所需信息。但SDRZ-MA算法存在部分衛(wèi)星負(fù)載過重、其他衛(wèi)星資源開發(fā)不足的問題。

對(duì)此，本文基于SDRZ-MA算法思想，提出了基于負(fù)載均衡的動(dòng)態(tài) LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法DRLB（Dynamic Routing Algorithm based on Load Balance)。分析前向、后向Agent如何讀取路由機(jī)制，并設(shè)計(jì)新的路由策略以及優(yōu)化前向 Agent的分組長度，改進(jìn)流量調(diào)節(jié)因子函數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)流量更適應(yīng)具體維度位置。最后，測(cè)試了本文路由算法在控制開銷、流量調(diào)節(jié)以及平均端到端時(shí)延等方面的性能。

1　網(wǎng)絡(luò)模型及問題描述

1.1網(wǎng)絡(luò)模型及相關(guān)定義

在本文 DRLB算法中，用 Walker星座[7-8]進(jìn)行組網(wǎng)，該算法是將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抽象看作一個(gè)由一組節(jié)點(diǎn)V和一組邊E組成的無向連通圖G=(V，E)。其中，|V|為網(wǎng)絡(luò)中所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，|E|是網(wǎng)絡(luò)中所有星際鏈路的個(gè)數(shù)。算法相關(guān)定義為：

(1)如果衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)s與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)v之間存在星際鏈路，則用links?v表示；

(2)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)s的所有鄰居衛(wèi)星的個(gè)數(shù)用Ns表示；

(3)costs，v(t)表示在 t時(shí)刻，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn) s與鄰居衛(wèi)星 v之間星際鏈路的代價(jià)值；

(4)假設(shè)源衛(wèi)星 s與目的衛(wèi)星 d之間的最短路徑為：

1.2問題描述

通過對(duì)考慮負(fù)載均衡的具有代表性的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法SDRZ-MA進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該算法存在以下問題：

(1)因地面業(yè)務(wù)熱點(diǎn)集中在北半球，尤其是北緯 50°以內(nèi)，原始SDRZ-MA算法設(shè)計(jì)了λvi代價(jià)調(diào)節(jié)因子，以促使流量由北半球向南半球分配，但代價(jià)調(diào)節(jié)因子λvi的設(shè)計(jì)存在缺陷；

(2)在SDRZ-MA算法中，衛(wèi)星星座運(yùn)行一個(gè)周期后，每個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)僅以概率 qd的值來確定前向 Agent的目的衛(wèi)星地址，這不夠全面，會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)對(duì)于全網(wǎng)的拓?fù)湫畔@取得不夠及時(shí)準(zhǔn)確；

(3)前向Agent分組存在冗余字段。

2　本文DRLB算法

由于基于移動(dòng)Agent的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法存在網(wǎng)絡(luò)控制開銷偏大、流量調(diào)節(jié)機(jī)制不合理的問題，本文提出了基于負(fù)載均衡的動(dòng)態(tài)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法DRLB。

2.1流量調(diào)節(jié)因子的改進(jìn)

在SDRZ-MA算法中，調(diào)節(jié)因子λvi的函數(shù)如下：

其函數(shù)見圖1(a)。依圖可知，當(dāng)緯度大于北緯 50°后，調(diào)節(jié)因子的曲線走勢(shì)仍繼續(xù)向上，這顯然不符合實(shí)際情況。對(duì)此，本文考慮衛(wèi)星緯度具體地理位置，對(duì)模型（3）進(jìn)行修正，形成新的流量調(diào)節(jié)因子模型：

新的調(diào)節(jié)因子的函數(shù)見圖1（b）。依圖可知，改進(jìn)后的調(diào)節(jié)因子可以保證北半球的權(quán)值始終大于南半球，其中0°～50°的權(quán)值最大，這更符合實(shí)際的業(yè)務(wù)分布狀況。

圖1　流量因子改進(jìn)前后的函數(shù)分布

2.2優(yōu)化前向Agent目的衛(wèi)星的選取策略

在SDRZ-MA算法中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)會(huì)定期向其他衛(wèi)星發(fā)送前向Agent，該前向Agent的目的地址以概率qd來確定：

其中，fsd表示從源衛(wèi)星s向目的衛(wèi)星d發(fā)送的數(shù)據(jù)總量。在SDRZ-MA算法中，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)重復(fù)產(chǎn)生同一目的地址的前向 Agent的情況。為此，本文通過（前向Agent發(fā)送時(shí)間間隔來避免重復(fù)發(fā)送的問題。在本文DRLB算法中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前向 Agent的時(shí)間間隔內(nèi)，記錄本時(shí)間段內(nèi)經(jīng)過自己的其他衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的前向Agent的目的地址。當(dāng)某一衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送自己的前向 Agent時(shí)，首先排除自己記錄的前向 Agent的目的地址，然后再按概率 qd選擇前向 Agent的目的地址，這樣衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)能夠獲取更準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況，尋找最優(yōu)路徑。

2.3壓縮Agent分組長度

在SDRZ-MA算法中，前向Agent記錄的路由信息為：

顯然，DRLB算法的前向Agent長度明顯小于SDRZMA算法。在DRLB算法中，每顆衛(wèi)星都有一個(gè)緯度表和鄰居衛(wèi)星到自己的代價(jià)表，當(dāng)前向Agent到達(dá)某一衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)后，該衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)會(huì)更新自己的緯度和該前向Agent上一跳節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的鏈路代價(jià)，同時(shí)在前向Agent分組中加入該衛(wèi)星的信息，然后繼續(xù)遷移。當(dāng)前向Agent滿足規(guī)則4中的任意一個(gè)條件后生成后向Agent，后向Agent沿前向Agent原路返回，依次從所經(jīng)過的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)上讀取該衛(wèi)星記錄的緯度和對(duì)應(yīng)鏈路的代價(jià)信息，壓入自己的內(nèi)存中，同時(shí)更新經(jīng)過衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的路由表。后前Agent到達(dá)源節(jié)點(diǎn)后，其堆棧信息為：，這與 SDRZ-MA算法的后向Agent攜帶信息一樣。

2.4DRLB算法規(guī)則及基本操作

2.4.1算法規(guī)則

(1)規(guī)則1

路由表初始化：

(2)規(guī)則2

①在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的第一個(gè)周期內(nèi)，所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)會(huì)定時(shí)生成前向Agent，前向Agent的目的地址從本衛(wèi)星外的其他衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選取。

②第二個(gè)周期開始，每個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在生成前向Agent前，首先排除前向Agent產(chǎn)生間隔內(nèi)該衛(wèi)星記錄的經(jīng)過自己的前向Agent的目的衛(wèi)星地址，然后再按概率qd選擇Agent的目的地址，前向Agent生成后發(fā)送給鄰居衛(wèi)星。

(3)規(guī)則3

①前向 Agent到達(dá)中間衛(wèi)星后，根據(jù)該衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的路由表來選擇下一跳。若存在鏈路不可用時(shí)，則先排除不可用的鏈路，并對(duì)該衛(wèi)星的路由表重新更新，再選擇下一跳。

②前向Agent生成后向Agent，生成的后向Agent沿該前向反方向移動(dòng)。

(4)規(guī)則4

當(dāng)下面的任意一個(gè)條件成立時(shí)，前向Agent生成后向Agent，前向Agent消失：

①前向移動(dòng)Agent達(dá)到其壽命期。

②前向Agent根據(jù)規(guī)則3選擇下一跳時(shí)，選擇的下一跳衛(wèi)星已經(jīng)被該前向 Agent訪問過或沒有可用的路徑。

(5)規(guī)則5

①網(wǎng)絡(luò)代價(jià)模型的更新：

其中：η為學(xué)習(xí)率，是一個(gè)大于0小于1之間的數(shù)。

②路由表的更新：

如果前向Agent從源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)s到達(dá)目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)d的路徑為 s→v→…→d，那么Ts路由表根據(jù)下式來進(jìn)行更新：

2.4.2具體步驟

(1)所有節(jié)點(diǎn)按規(guī)則1完成路由表的初始化工作。

(2)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)s根據(jù)規(guī)則 2產(chǎn)生一個(gè)具有一定壽命的前向 AgentFs，在遷移期間，AgentFs記錄每個(gè)被訪問節(jié)點(diǎn)Vi的地址，最后一個(gè)被訪問節(jié)點(diǎn)的緯度和該節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)跳節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的代價(jià)。當(dāng)AgentFs到達(dá)中間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)后，中間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)根據(jù)AgentFs攜帶的信息更新自己所處的緯度位置以及上一節(jié)點(diǎn)到本衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的代價(jià)。當(dāng) AgentFs到達(dá)目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)，所攜帶的信息格式為：。

(3)前向Agent在遷移過程中根據(jù)規(guī)則3來進(jìn)行路由選擇，當(dāng)規(guī)則4要求的任意一個(gè)條件滿足時(shí)，前向Agent生成后向AgentBd。

(4)前向移動(dòng) AgentFs將自己攜帶的路由更新所需信息壓入到后向AgentBd的內(nèi)存中，同時(shí)自身壽命結(jié)束。

(5)后向 AgentBd沿前向反方向遷移。當(dāng)遷移到路由中間節(jié)點(diǎn)Vi時(shí)，讀取中間節(jié)點(diǎn)記錄的自己的緯度和在該緯度位置時(shí)上一節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的代價(jià)，存入堆棧，同時(shí)獲取下一跳節(jié)點(diǎn)信息繼續(xù)遷移，直至遷移到源節(jié)點(diǎn)，每經(jīng)過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，按照規(guī)則5更新節(jié)點(diǎn)的路由表Tvi和網(wǎng)絡(luò)代價(jià)統(tǒng)計(jì)模型Cvi。如果通往下一跳節(jié)點(diǎn)的鏈路不可用，則后向AgentBd自動(dòng)銷毀。后前Agent到達(dá)源節(jié)點(diǎn)后，其內(nèi)存信息為：。

本文DRLB算法Agent工作流程如圖2所示。

圖2　移動(dòng)Agent工作流程

3　仿真和性能分析

3.1仿真環(huán)境設(shè)置

本文借助仿真軟件是OPNET14.5來測(cè)試本文路由算法的網(wǎng)路性能[9-10]。為了模擬實(shí)際的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的流量分布，仿真中衛(wèi)星在北緯0°～50°之間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)每發(fā)送0.4 s數(shù)據(jù)包停止0.8 s，其他非極地區(qū)域衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)每發(fā)送0.1 s數(shù)據(jù)包停止 1.1 s，數(shù)據(jù)包的目的地址隨機(jī)。為了體現(xiàn)本文算法的先進(jìn)性，將當(dāng)前LEO衛(wèi)星網(wǎng)路由性能較好的 SDRZ-MA算法視為對(duì)照組，并取 α=3，β=5，η=0.8。星座拓?fù)浞抡鎱?shù)如表1所示。

表1　本文DRLB算法的仿真參數(shù)設(shè)置

為了量化本文算法與對(duì)照組算法的網(wǎng)絡(luò)性能，本文用丟包率、平均端到端時(shí)延與歸一化ISL負(fù)載等指標(biāo)[11]來評(píng)估。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

(1)丟包率

如圖3所示，SDRZ-MA算法和DRLB算法在終端比特率小于400 kb/s時(shí)，丟包率都接近0，這是由于這時(shí)網(wǎng)絡(luò)比較空閑，數(shù)據(jù)包能夠及時(shí)準(zhǔn)確地送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)終端數(shù)據(jù)量增大時(shí)，DRLB算法的丟包要小于SDRZ-MA算法，這是由于調(diào)節(jié)因子的改進(jìn)使得全網(wǎng)流量得到了合理分配，同時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的流量排序選取前向Agent目的節(jié)點(diǎn)，避免了重復(fù)向同一節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送前向Agent的情況，節(jié)點(diǎn)對(duì)全網(wǎng)的負(fù)載信息獲得更加準(zhǔn)確；而SDRZ-MA算法沒有考慮到衛(wèi)星通信中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速率巨大導(dǎo)致的流量分配難題，使其丟包率較高。

圖3　兩種算法的丟包率測(cè)試結(jié)果

(2)平均端到端時(shí)延

平均端到端時(shí)延隨終端變化率見圖4、圖5。圖4中數(shù)據(jù)源衛(wèi)星和目的衛(wèi)星都在北半球，此時(shí)DRLB算法的性能明顯優(yōu)于SDRZ-MA算法，這是由于DRLB算法針對(duì)地面人口和大陸板塊的分布現(xiàn)實(shí)狀況，設(shè)計(jì)新的流量調(diào)節(jié)因子，更好地將網(wǎng)絡(luò)流量分配到南半球，最大程度上避免了由于鏈路擁塞而造成數(shù)據(jù)分組在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)長時(shí)間緩存得不到轉(zhuǎn)發(fā)的情況。

圖4　南半球位置下的平均端到端時(shí)延

圖5　北半球位置下的平均端到端時(shí)延

圖5中數(shù)據(jù)源衛(wèi)星和目的衛(wèi)星都在南半球中，兩種算法的端到端時(shí)延差不多，但在新算法中前向Agent的目的地址的選取策略得到優(yōu)化，降低了重復(fù)獲取某若干條鏈路負(fù)載信息的概率，使節(jié)點(diǎn)獲得準(zhǔn)確的全網(wǎng)負(fù)載信息來更新路由表，因此DRLB算法的平均端到端時(shí)延稍微好一點(diǎn)。

(3)歸一化ISL負(fù)載

歸一化ISL負(fù)載隨衛(wèi)星緯度的變化如圖6所示，在南半球DRLB算法的鏈路負(fù)載要大于SDRZ-MA算法，北緯大約0°～50°之間，DRLB算法中鏈路負(fù)載要小于原SDRZ-MA算法。這是由于本文算法對(duì)流量調(diào)節(jié)因子進(jìn)行了改進(jìn)，增加了0°到北緯 50°間的鏈路代價(jià)權(quán)值，使得業(yè)務(wù)流量更多的被分配到了南半球。同時(shí)，該算法對(duì)前向Agent的目的地址的選取進(jìn)行了改進(jìn)，提高了路徑更新的效率，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)更好地獲得網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了流量的再分配。而SDRZ-MA算法在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速率巨大時(shí)不能動(dòng)態(tài)對(duì)鏈路業(yè)務(wù)流量進(jìn)行分配，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)較大的擁塞。

圖6　各算法的歸一化ISL負(fù)載測(cè)試

4　結(jié)論

針對(duì)考慮負(fù)載均衡的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法網(wǎng)絡(luò)控制開銷偏大以及流量調(diào)節(jié)機(jī)制存在缺陷等問題，提出了基于負(fù)載均衡的動(dòng)態(tài)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法DRLB。在DRLB算法中，路由更新所需信息采用由衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)記錄、后向 Agent讀取策略，減小前向 Agent的分組長度，降低網(wǎng)絡(luò)控制開銷；對(duì)前向Agent目的地址的選取策略進(jìn)行改進(jìn)，提高路由更新的效率；優(yōu)化流量調(diào)節(jié)機(jī)制，更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。理論分析和仿真結(jié)果表明，與SDRZ-MA算法相比，DRLB算法在丟包率、平均端到端時(shí)延等方面的性能均有所提高。

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An efficient routing algorithm based on load balancing for dynamic LEO satellite networks

Luo Yonghua，Wu Jiawei
(College of Computer，South China Normal University，Guangzhou 510631，China)

In order to solve the problems that dynamic routing algorithms based on load balance have the redundancy control packet field,routing is not updated timely and the flow regulating mechanism exists defect,a Dynamic Routing Algorithm based on Load Balance(DRLB)is proposed in this thesis.The required information for updating routing is recorded by the satellite nodes, and then the backward agent reads the required information from the satellite nodes.Moreover,DRLB reduces the length of forward agent to reduce the control overhead of network and it also optimizes the selection of the destination node of forward agent to improve the efficiency of routing updates.Finally,DRLB optimizes the flow control mechanism to achieve better load balancing.Simulation results show that DRLB improves control overhead,the average end to end delay and so on.

load balancing；satellite network routing；traffic regulation；update route；adjustment factor

TP393

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.029

2015-11-18)

羅擁華（1978-），男，碩士，講師，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)。

鄔家煒（1950-)，男，碩士，教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

中文引用格式：羅擁華，鄔家煒.一種高效動(dòng)態(tài)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)節(jié)路由算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(5)：104-108，112.

英文引用格式：Luo Yonghua，Wu Jiawei.An efficient routing algorithm based on load balancing for dynamic LEO satellite networks[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：104-108，112.