一种基于多播路由生成树重构的路由更新方法

在低轨卫星网络场景中，卫星上的网络资源较少，在本地存储能力和带宽可使用大小上存在一定的约束，并且卫星运动会导致星地链路时常切换与星间链路不稳定的问题，需要尽量减少由于星地连接切换导致的多播树频繁重构以及多播通信中断，并且需要在卫星进入极区前对受影响的多播路径进行预先绕远调整以保证多播数据的正常转发。

现有的移动多播技术有远程加入方法、双向隧道方法等。其中远程加入方法是通过退出原接入多播路由器下的多播组，重新加入新的多播路由器的该多播组实现在切换多播路由器后的多播树路径重构，但是该方法存在多播通信中断时间过长以及丢包严重的问题；双向隧道方法则是通过单播隧道与原多播路由器保持多播数据的传输，但是该方法会导致隧道聚合以及路径非最佳的问题。对于卫星切换导致链路断开的情况，通常采用周期检测故障的方法，若周期较短那么会消耗更多资源，若周期较长，那么无法快速恢复链路正常即导致长时间多播通信中断。因此，为了确保卫星网络中的多播通信能够尽可能的可靠和稳定，主要的问题就是如何基于卫星运动的周期性与规律性实现卫星移动多播环境下多播中断的快速收敛。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供一种基于多播路由生成树重构的路由更新方法，主要可以用于基于低轨卫星网络之中，用于保证在卫星网络场景下进行多播通信能够适应卫星接入网的运动性，以及根据网络情况对多播路径的快速更新。基于卫星运动的规律性以及可预见性，提前将通过多播路由算法生成的最佳多播树对应的多播转发表转交给即将移动到当前位置的卫星上，从而避免长时间重构多播树导致的通信中断；将根节点所在卫星轨道上的其他卫星作为备份根节点，通过从根节点向卫星运动方向的反方向发送备份根节点搜集消息，按序依次存储每个备份根节点的所有接口地址，用于根节点的切换；若作为多播成员的终端存在移动性，采用隧道保持从原接入卫星接收多播数据并同时向新接入卫星发送加入报文的方法屏蔽其移动性，直到从新接入卫星接收到相同的多播数据时，抑制原接入卫星针对于多播组成员的冗余数据转发。

本发明的一种面向大规模卫星网络场景的高效多播树重构方法，具体方法包括：

基于卫星星座的运动规律，提前将通过多播路由算法生成的最佳多播树对应的多播转发表转交给即将移动到当前位置的卫星上；

采用多播树根节点备份策略将其根节点所在卫星轨道上的其他卫星作为备份根节点，通过从初始根节点向卫星运动方向的反方向发送备份根节点搜集消息，按序依次存储每个备份根节点的所有接口地址，用于根节点的切换，并更新终端接收多播数据的多播树路径；

判断终端的稳定因子是否小于预设阈值，若不小于预设阈值，则采用IGMP/MLD协议接入所述终端，从原接入卫星接收多播数据并同时向新接入卫星发送加入报文的方法屏蔽其移动性，若小于预设阈值，则建立从初始接入卫星到终端的隧道，保持终端的多播数据正常接收，当该终端在新接入卫星下成功加入多播组并生成新多播树路径，再对隧道的多播数据转发进行抑制。

本发明的有益效果：

本发明根据大规模卫星运动的规律性与周期性进行多播树路径周期转交以及根节点的周期切换，能够避免由于卫星运动导致的长时间的多播树重构和多播通信的中断，大大降低多播通信恢复的收敛时间，并在一定程度上节省了星上计算路由的资源消耗，并维持初次构建的最优多播树，提高卫星网络多播通信的质量。本发明通过区分固定终端和快速移动终端，采用隧道保持从原接入卫星接收多播数据并同时向新接入卫星发送加入报文的方法屏蔽移动终端的移动性，保持多播数据的正常转发以及路径的优化，能够更好地为移动终端提供稳定的多播通信服务。

附图说明

图1为本发明实施例的大规模卫星多播通信场景示意图；

图2为本发明实施例的一种基于多播路由生成树重构的路由更新方法；

图3为本发明实施例中多播树转交报文格式示意图；

图4为本发明实施例中基于卫星运动方向的多播树转发表消息发送方向示意图；

图5为本发明实施例中进行备份根节点地址依次收集方法以及收集报文格式示意图；

图6为本发明实施例中针对于快速移动的终端所采用的路径更新方法示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的大规模卫星多播通信场景图，而具体应用场景不限于此；本发明实施例的低轨卫星网络包含多个轨道平面，每个轨道平面含有多颗卫星，每颗卫星都与自身同轨内相邻的卫星以及轨间相邻的卫星建立连接，并令位于第x个轨道上第y颗卫星记为S

在本发明实施例中，考虑到作为多播成员的终端可能存在移动性，即星地连接关系的切换存在不确定性，将终端区分为固定终端与移动终端。对于固定终端，采用多播树转交和备份根节点切换的方法更新其接收多播数据的多播路径。对于移动终端，不仅需要采取上述对于固定终端的两种方法，还需要采用隧道保持从原接入卫星接收多播数据并同时向新接入卫星发送加入报文的方法屏蔽其移动性。

图2为本发明实施例的一种基于多播路由生成树重构的路由更新方法，如图2所示，所述方法包括：

101、基于卫星星座的运动规律，提前将通过多播路由算法生成的最佳多播树对应的多播转发表转交给即将移动到当前位置的卫星上；

在本发明实施例中，需要首先得出卫星网络的虚拟拓扑图，其构建流程如下：

首先，将大规模结构下的卫星拓扑简化为曼哈顿街区网络，并根据卫星在拓扑结构中所处的轨道以及轨内的位置为其设置对应虚拟编号，可以基于该编号分辨卫星之间的关系，包括轨内相邻卫星与轨间相邻卫星关系等；

其次，根据卫星运行的规律，采用虚拟拓扑将卫星网络动态拓扑离散化，对其进行时间片段划分，上传对应的卫星网络链路状态图。当卫星进入和退出极区时，为了使卫星能根据多播树正常转发，运行过程中会持续地从信关站接收关于卫星网络的拓扑快照，从而触发路径临时更新。将卫星网络的拓扑变化的n个时刻定义成集合T＝(t

再次，由于卫星在进出极区时会出现多条卫星链路同时断开和恢复的情况，因此舍弃该段时间的时间段，令s

最后，计算卫星网络最大延迟时延，具体如下：假设s

具体实施时，首先采用虚拟拓扑将卫星网络动态拓扑离散化，卫星运动运动周期T划分为若干时间片[t

具体的，基于曼哈顿街区网络模型，为每颗卫星设定一个坐标号，其中x坐标为轨道号，y坐标为轨道内卫星号，若卫星网络轨道数量为A，各轨道内卫星数量为B，那么卫星编号第一个参数和第二个参数分别从集合Set

d＝|a

即路径权值相等，那么虚拟拓扑即为方格式结构。

基于上述分析，每颗卫星可根据编号参数以及本地维护的邻居卫星状态表得到本地卫星相邻链路的状态。在基于多播路由协议生成多播树路径时，路径相关信息通过生成多播转发表并存储在本地，以及从根节点向所有卫星洪泛的根节点映射表，共同构成多播树的完整结构，保证卫星多播的正常运行。

基于上述分析，可以根据卫星运行的规律，采用虚拟拓扑将卫星网络动态拓扑离散化，对卫星运行过程按照时间片进行划分；按照切分时间间隔划分为多个快照切片；将卫星进出极区的时间段舍弃，按照网络的最大延迟计算得到快照切片的提前时间即为最佳多播树对应的多播转发表的提前转发时间，其中提前转发时间为T

102、采用根节点备份策略将根节点所在卫星轨道上的其他卫星作为备份根节点，通过从初始根节点向卫星运动方向的反方向发送备份根节点搜集消息，按序依次存储每个备份根节点的所有接口地址，用于根节点的切换，并更新终端接收多播数据的多播树路径；

在本发明实施例中，为了解决卫星运动导致星地链接切换频繁，从而使得多播通信长时间中断的问题。本发明基于卫星运动的周期性和规律性，对卫星运动一周的周期进行时间段划分，每经过一个时间段在即将切换下一个时间段时，触发全局所有卫星的多播转发表的转交。通过将本地多播转发表封装在多播路由报文中以消息的形式传送，报文格式如图3所示，除去多播路由协议报头，其余的数据部分为多播转发表的表项，包括标志不同组的多播地址、多播源地址、根节点地址、接口号。

多播树转交的方向由轨道的卫星运动方向决定，若卫星在轨道中顺时钟运动，那么转交的方向即为逆时针，可以通过卫星编号确定转交报文发送接口，网络场景中所有卫星发送方向相同，如图4所示。当指定方向的邻居卫星接收到该消息后进行解封装，取出报文中的所有表项，若该邻居卫星在本地没有多播转发表，那么直接使用取出的所有表项作为本地多播转发表的表项，否则进行全部替换。在所有卫星进行本地多播表替换之后，可实现多播树的整体转交，其多播树结构相对不变。

所述多播树根节点备份策略包括将初始选中的根节点所在卫星轨道上的其它卫星作为备份根节点，在第一次多播树构建之前通过从初始根节点向轨道的卫星运动方向的反方向发送备份根节点收集消息，按序依次收集每个备份根节点的所有接口地址直到该消息重新发送至该根节点。

上述实施例中，基于系统时间段切换周期，在下一个卫星移动到当前位置导致卫星与终端接入关系发生变化时，即进入下一时间段时，将本地存储的多播转发表转交发送给该移动到当前位置的下一个卫星上，对于该低轨卫星网络中所有卫星亦是如此，从而实现多播树路径在同一时刻的整体向后转移。

可以理解的是，在本发明中，若未限定所述根节点为备份根节点，则表明所述根节点为多播树路径中已有的根节点，而所述备份根节点作为所述已有的根节点的备用节点；而所述初始根节点为多播树路径中的未更新时已有的根节点。

在交换转发表的同时，根节点的切换方式采用根节点主备切换的方法，从而更新多播树的根节点。方法如下：

1)多播树开始建立之前，在确定了唯一根节点时，从根节点触发对该轨道内所有卫星的接口地址进行收集的流程。从根节点开始向卫星运动的反方向发送备份根节点收集报文。当非根节点收到该备份根节点收集报文时，将本节点地址添加进备份根节点收集报文内，继续向相同方向转发，直至备份根节点收集发送到根节点，表明此时收集完该轨道内的所有备份根节点的所有接口地址；

2)然后将根节点映射表以及备份根节点表一同洪泛给卫星网络中的所有卫星。那么在时间片切换即多播树进行转交时，同时触发各卫星本地存储的根节点映射表更新切换为下一个备份根节点对应的地址。从而保证后续多播通信的正常进行。

为了使得后续的新多播成员加入以及旧多播成员的退出过程能正常进行，在多播树的整体所有路径进行转交了之后，需要将多播树的根节点进行切换。因此采用主备根节点切换的方法，在第一次构建多播树之前先对选定的根节点同轨道上的其他卫星接口地址进行收集。从主根节点开始向卫星运动方向的相反方向发送备份根节点收集报文，具体方法如图5所示，每经过一颗卫星便将其所有接口的地址填入其中，直到该报文再次发送回到初始根节点，至此所有备份根节点信息收集完成。

在根节点将多播根节点映射表发送至所有卫星的同时将备份根节点地址映射表与根节点映射表一同发送。那么每颗卫星可知所有的主备根节点地址，周期性切换当前使用的根节点映射表为某一条备份根节点映射表项中的内容，从而实现主备根节点切换。

切换过程包括网络层的切换过程如移动检测、转交地址配置与重复地址检测，以及绑定更新三个阶段。链路层切换延迟是指移动终端离开当前网络的无线接入点，直到与新网络中的无线接入点建立链路层连接所花费的时间，以T

T＝T

当终端快速移动时，该终端与卫星的接入关系可能会存在不确定的频繁变化，即链路不稳定，因此在周期交换转发表的基础上针对于移动终端采用隧道和原接入卫星数据转发抑制的方法，可以减小转交地址配置延迟T

103、判断终端的稳定因子是否小于预设阈值，若不小于预设阈值，则采用IGMP/MLD协议接入所述终端，从原接入卫星接收多播数据并同时向新接入卫星发送加入报文的方法屏蔽其移动性，若小于预设阈值，则建立从初始接入卫星到终端的隧道，保持终端的多播数据正常接收，当该终端在新接入卫星下成功加入多播组并生成新多播树路径，再对隧道的多播数据转发进行抑制。

移动终端与卫星的接入关系可能会存在不确定的频繁变化，链路的稳定性通过计算稳定因子fac来判断，该因子数值处于0与1之间，数值越大表示链路的稳定性越高，当稳定因子为最大值时，节点之间的相对速度为0。具体方法流程如下：

1)首先计算稳定因子fac，该稳定因子计算方法：其中s为卫星与终端之间的相对运动速度，fac′则是上一个hello邻居探测报文接收之后，在本次hello邻居探测报文接收之前两节点间的链路稳定因子，n则是在一个hello报文发送周期从邻居接收到的hello报文数量，fac′和n都是在hello报文周期结束时被重置为0，w为fac的计算权重，即

2)然后，当计算得到的稳定因子小于0.5时采用隧道保持从原接入卫星接收多播数据并同时向新接入卫星发送加入报文的方法减少其切换延迟，其中所述加入报文是计算机网络组成员管理协议中的报文。新接入卫星接收到该报告消息后，执行新的多播树分支路径构建过程。原接入卫星通过隧道接收到报告消息之后，再通过隧道直接转发多播数据给移动终端。

3)最后，当移动终端接收从原接入卫星发送过来的多播数据之后，检测是否收到从新接入卫星直接接收到多播数据。一旦移动终端从新接入卫星接收到多播数据则向原接入卫星发送一个自定义的抑制消息，使其停止数据转发但保持多播状态用以该移动终端回到原位置时快速恢复多播通信。

其中的稳定因子fac计算公式得到某个终端与其接入卫星之间的链路稳定因子数值小于预设阈值为0.5时，即星地链路不稳定时需要为该终端与接入卫星之间建立隧道，并采取发送双加入报告报文和原接入卫星转发抑制的方法。而固定终端仍然基于周期交换转发表，不需要新增该方法。

具体实施步骤如图6所示：移动终端同时向新接入卫星和原隧道发送组成员报告消息。新接入卫星接收到该报告消息后，执行新的多播树分支路径构建过程。原接入卫星通过隧道接收到报告消息之后，再通过隧道直接转发多播数据给移动终端。移动终端接收从原接入卫星发送过来的多播数据之后，检测是否收到从新接入卫星直接接收到多播数据。一旦移动终端从新接入卫星接收到多播数据则向原接入卫星发送一个自定义的抑制类型消息，使其停止数据转发但保持多播状态，终端基于新生成的最佳路径进行多播数据接收，即端到端时延更短。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

完整全部详细技术资料下载