一种基于集中式控制的卫星网络路由弹性恢复方法及系统

技术特征：
1.一种基于集中式控制的卫星网络路由弹性恢复方法，其特征在于，包括：步骤s1.地控中心根据卫星运行轨迹与建链规则生成一系列由静态拓扑构成的有序快照集合，为每个拓扑快照构建一个以地控中心为根、其它所有转发节点为枝的树型控制链路；步骤s2.地控中心根据当前时间从数据库中获取对应拓扑快照下的树型控制链路；步骤s3.地控中心根据当前时间所对应的树型控制链路向网络各节点依次发送探测包，通过节点的回复报文收集节点与链路的运行状态；若无异常节点与链路，则获取全网运行状态信息，等待下一周期检测的开始；若当前存在异常节点与链路，则与所对应拓扑快照进行对比，去掉所探测的可达节点后获得当前失效链路与节点；步骤s4.地控中心进行路由恢复，删除当前失效链路后，根据网络异常出现的位置选择恢复方式。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：步骤s5.地控中心为将要恢复的节点重新计算路由，获得该节点到地控中心的新路径；步骤s6.地控中心为新路径上的节点下发新的转发规则；步骤s7.地控中心确认下发的转发规则是否生效，并做出进一步处理。3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述的步骤s1包括：s1.1.地控中心根据卫星运行轨迹与建链规则生成一系列由静态拓扑构成的有序快照集合；s1.2.针对每一个拓扑快照，为每个中、低轨卫星轨道寻找一个能够连接地面站或高轨卫星的节点作为连接地控中心的中继点；若某个卫星轨道存在多个可选中继点时，地控中心以某种度量为目标计算这些可选中继节点到其的最小路径开销，并将具有最低路径开销的可选中继点作为主中继点；若某个卫星轨道未找到连接地面站或高轨卫星的节点，则寻找连接该轨道的层内异轨节点作为该轨道的可选中继点；s1.3.根据中继点距离地控中心的远近以及轨内节点距离中继点的远近构建节点间层级关系，进而根据节点间的连接关系构建树型控制链路，一个节点的上级节点称为其父节点，一个节点的下级称为其子节点；s1.4.将一个周期下的每一个拓扑快照所对应的树型控制链路映射关系存于数据库中。4.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述的步骤s2包括：根据当前时间层次遍历数据库中的所有树型控制链路，获得有序全网节点集合a、父节点与子节点映射关系、以及树型控制链路的全部枝干集合，地控中心到一个叶子节点的路径称为一个枝干，有序全网节点集合a用于判断网络是否存在异常并用于寻找异常位置，父节点与子节点映射关系用于后续查找某一节点的子节点、子孙节点以及为失效节点计算新路径，全部树枝枝干集合用于网络异常的有序检测。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤s3包括：s3.1.地控中心周期性地按照树枝枝干所指明节点层级关系，按顺序向各节点发送探测包，检测枝干上每个节点的有效性，检测时，依次记录每个枝干上的节点，若本树枝上的某一节点未曾出现在前面枝干，则主动给该节点发送探测包，记录当前时间，并设置超时阈值；若前面树枝枝干已包含该节点，则跳过不做处理；
s3.2.地控中心监听每个节点对于检测请求的响应，分为以下两种情况：
①
地控中心收到来自某个节点对于检测请求的响应，则解析响应信息中的节点与其邻居的通断情况、平均时延、平均吞吐量和平均丢包率信息，并将其响应信息加入相关状态信息集合，该节点加入有效节点集合v，检测该树枝上的下一个节点；
②
若地控中心在规定时间内没有收到对于某一节点的响应，则将该节点视为失效节点，暂时不对该节点进行处理，其子孙节点亦暂时不做处理；s3.3.检测完树型控制链路之后，依据检测结果做出进一步判决，分为两种情况：
①
有效节点集合v与有序全网节点集合a相等，即网络正常，则进行下一轮检测与状态信息收集；
②
有效节点集合v与有序全网节点集合a不等，则网络出现异常，选取有序全网节点集合a和有效节点集合v的差集获得失效节点集合f，根据此检测结果进行路由弹性恢复。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤s4中的根据网络异常出现的位置选择恢复方式，包括：1)对于链路异常：
①
若同轨轨内链路出现异常，优先通过同轨轨内链路恢复方式对失效节点处理，获得有序恢复节点集合m；
②
若层间链路或层内轨间链路出现异常，通过层间或层内异轨链路恢复方式对失效节点处理，获得有序恢复节点集合m；2)对于节点异常：
①
若某轨道非中继点出现异常，优先通过同轨轨内链路恢复方式对失效节点进行处理，获得有序恢复节点集合m；
②
若某轨道的中继点出现异常，通过层间或层内异轨链路恢复方式对失效节点进行处理，获得有序恢复节点集合m。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤s4包括：地控中心在树型控制链路中层次遍历寻找到第一个失效节点的位置，确定当前异常位置，将第一个失效节点与其父节点相连的链路视为当前失效链路，并根据链路类型做出以下不同处理；更具体地，在处理当前失效链路时：s4.1.在有序全网节点集合a中查找距离根节点最近的失效节点作为第一失效节点，根据父节点与子节点的映射关系找到第一失效节点的全部子孙节点，即有序首要恢复节点集合p，将失效节点中除有序首要恢复节点集合p之外的失效节点记为剩余失效节点集合r，以便恢复完有序首要恢复节点集合p中的节点后，无需检测与状态信息收集，直接进入s4，将剩余失效节点集合r作为失效节点集合f处理；s4.2.在所对应的拓扑快照中删除当前失效链路，剩余部分即为潜在可用拓扑；s4.3.根据当前失效链路两端节点分析异常位置，划分失效类型：若同轨轨内链路或某轨道非中继点出现异常，优先通过同轨轨内链路恢复方式对失效节点进行处理，获得有序恢复节点集合m；若层间链路、层内异轨链路或某轨道的中继点出现异常，通过层间或层内异轨链路恢复方式对失效节点处理，获得有序恢复节点集合m；更具体地，在失效处理时：
s4.3.1.若采用同轨轨内链路恢复方式：由于同轨节点之间相对静止，同轨轨内链路相对稳定，所以同轨轨内链路恢复使用轨内有效节点作为有序首要恢复节点集合p的祖先节点；s4.3.1.1.查找有序首要恢复节点集合p中最后一个节点的同轨有效邻居节点，查找结果分为以下两种情况：
①
可以找到同轨有效邻居节点，则将有序首要恢复节点集合p按照树型控制链路从下游到上游排序，存于有序恢复节点集合m以及有序尚需路由更新节点集合n，此时调整树型控制链路级联关系，即将有序首要恢复节点集合p所在枝干异常处的下游枝干截取下来，将其倒序排列之后，连接于同轨所在的另一个枝干叶子节点下方，并更新树型控制链路的映射关系，进入步骤s5；
②
无法找到同轨有效邻居节点，进入s4.3.2，即采用层间或层内异轨链路恢复；s4.3.2.若选择层间或层内异轨链路恢复：s4.3.2.1.按照有序首要恢复节点集合p所处的轨道，将有序首要恢复节点集合p分为同轨失效节点集合s与异轨失效节点集合h；s4.3.2.2.按照树型控制链路将同轨失效节点集合s处理，依据异常位置的不同分为以下两种情况：
①
若层间链路、层内异轨链路或某轨道的中继点出现异常，同轨失效节点集合s在树型控制链路上分为左枝和右枝；
②
对于同轨轨内链路或某轨道非中继点出现异常，即s4.3.1中采用层间或层内异轨链路恢复的情况，此时将同轨失效节点集合s作为左枝处理，按照树型控制链路从上游到下游排序；s4.3.2.3.将第一失效节点存放于有序恢复节点集合m以及有序尚需路由更新节点集合n，根据潜在可用拓扑依次查找第一失效节点的层间或层内异轨邻居节点，并根据所收集的状态信息查找邻居节点中的有效节点，查找结果分为以下两种情况：
①
第一失效节点存在层间或层内异轨有效邻居节点，则将第一失效节点作为第一恢复节点，调整树型控制链路级联关系，即将有效邻居节点作为第一失效节点的父节点，将左枝、右枝依次加入有序恢复节点集合m，此时有序恢复节点集合m＝{第一失效节点，左枝，右枝}，进入s5；
②
第一失效节点不存在层间或层内异轨有效邻居节点：a.先在左枝上寻找第一恢复节点，则将左枝上的第一个节点插入有序恢复节点集合m的首位以及有序尚需路由更新节点集合n的首位，即有序恢复节点集合m＝{左枝上的第一个节点，第一失效节点}，n＝{左枝上的第一个节点，第一失效节点}，此时调整有序恢复节点集合m中前两节点的父子映射关系，即前者为父节点、后者为子节点；之后，查找左枝上的第一个节点的有效邻居节点，存在以下两种情况：i)若左枝上第一节点存在有效邻居节点，则将左枝上第一节点作为第一恢复节点，调整树型控制链路层级关系，即将其有效邻居节点作为左枝第一节点的父节点，然后将第一恢复节点的子孙节点、右枝依次加入有序恢复节点集合m＝{第一恢复节点，第一失效节点，第一恢复节点的子孙节点，右枝}，进入s5；ii)若左枝上第一个节点不存在有效邻居节点，则按照从上游至下游的顺序依次查找
左枝节点，直至找到第一恢复节点，即在左枝能找到第一恢复节点的情况下，将左枝上第一恢复节点的所有祖先节点按其到第一恢复节点距离由近到远依次插入有序恢复节点集合m的首位以及有序尚需路由更新节点集合n的首位，将第一恢复节点的子孙节点以及右枝失效节点依次加入有序恢复节点集合m，此时m＝{第一恢复节点，左枝上第一恢复节点的所有祖先节点，第一失效节点，第一恢复节点的子孙节点，右枝}，n＝{第一恢复节点，左枝上第一恢复节点的所有祖先节点，第一失效节点}，进入s5；b.若在左枝的全部节点未找到第一恢复节点，则还原原有左枝节点的父子映射关系，然后按照上述处理左枝的方式处理右枝，若能找到第一恢复节点，此时，m＝{第一恢复节点，右枝上第一恢复节点的所有祖先节点，第一失效节点，第一恢复节点的子孙节点，左枝}，n＝{第一恢复节点，右枝上第一恢复节点的所有祖先节点，第一失效节点}，则进入s5；若右枝依旧不能找到第一恢复节点，则此轨道与其他轨道之间不存在链路，无法恢复，此时跳过对此轨道的恢复，若剩余失效节点集合r不为空，则将剩余失效节点集合r作为失效节点集合f，进入s4；若剩余失效节点集合r为空，则进入s3；s4.3.2.4.当异轨失效节点集合h不为空时，按照树型控制链路的父子映射关系，查找异轨中继点与其父节点，然后查看其父节点是否是异常节点，分为下面两种情况：
①
若其父节点不是异常节点，将树型控制链路上异轨失效节点按照前序遍历排序，存于有序恢复节点集合m，进入s5；
②
若其父节点是异常节点，则将异轨失效节点集合h当做有序首要恢复节点集合p，进入s4.3.2。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的步骤s5具体包括：地控中心利用更新的树型控制链路映射关系依次为有序恢复节点集合m中的将要恢复的节点重计算新转发规则，获得该节点到地控中心的新路径；更具体地，路由重计算时：s5.1.遍历有序恢复节点集合m，并判断恢复节点属于第一失效节点、左枝或右枝；s5.2.根据有序恢复节点集合m中的节点顺序对每个恢复节点进行恢复，对集合m中当前首个恢复节点，根据其与其父节点的映射关系，逐步跳转到地控中心；该恢复节点到地控中心的所有链路即为新路径，利用更新的树型控制链路映射关系依次为有序恢复节点集合m中的恢复节点重计算新转发规则。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤s6具体包括：地控中心为新路径上的节点下发新的转发规则，在下发转发规则时，依据恢复节点是否属于有序尚需路由更新节点集合n分为以下两种情况：
①
若当前恢复节点属于有序尚需路由更新节点集合n，从地控中心到恢复节点沿途所涉及的所有节点都需要更新转发规则，将新路径上的节点加入有序下发节点集合i；遍历有序下发节点集合i，依次为有序下发节点集合i中节点下发相关转发规则，通过地控中心依次为恢复节点之外的沿途节点下发正向转发规则，并进入s7判断转发规则是否生效；为恢复节点下发反向转发规则，并进入步骤s7，判断转发规则是否生效；
②
若恢复节点不属于有序尚需路由更新节点集合n，则从地控中心到恢复节点沿途所涉及的部分节点需要更新转发规则，判断新路径上节点是否需要更新转发规则，具体如下：a.若除第一恢复节点之外，若地控中心到当前恢复节点的新路径上存在节点属于有序
尚需路由更新节点集合n，则需要为地控中心到第一失效节点之间的所有节点下发转发规则，将这些节点依次加入有序下发节点集合i，剩余节点无需下发转发规则，所以不做处理，最后将恢复节点加入有序下发节点集合i；b.若上述新路径上的所有节点只有第一恢复节点属于有序尚需路由更新节点集合n，则将新路径上地控中心到第一恢复节点之间的所有节点依次加入有序下发节点集合i，剩余节点无需下发转发规则，不做处理，最后将恢复节点加入有序下发节点集合i；遍历有序下发节点集合i，依次为有序下发节点集合i中节点下发转发规则，通过地控中心依次为恢复节点之外的沿途节点下发正向转发规则，下发一条转发规则则进入s7判断转发规则是否生效，而为恢复节点下发探测包，然后进入s7判断能否收到恢复节点的响应。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步骤s7包括：地控中心根据卫星的响应进行下一步处理，若能收到来自节点的响应，启用上述步骤s3、s4、s5或是s6，在完成上述控制链路的恢复之后，利用地控中心收集到的状态信息集合以及可用拓扑，重计算路由，更新卫星网络中的数据链路；如果转发规则未生效，删除该未生效节点与其父节点之间的失效链路，并记录此未恢复的节点以及其子孙节点为未知失效节点集合u；以下将对于未知失效节点集合u的处理简称为未知异常处理，具体步骤如下：
①
若之前采用同轨轨内链路恢复方式，此时仍存在未知异常，分为以下两种情况：a.若未生效节点是第一失效节点，此时为节点异常，将其记为异常节点，不做处理，判断剩余失效节点集合r是否为空，不为空时，则将剩余失效节点集合r作为失效节点集合f，进入步骤s4；b.若未生效节点不是第一失效节点，将第一失效节点到未生效节点的所有节点作为有序首要恢复节点集合p，采用层间或层内异轨链路恢复方式，即s4.3.2；
②
若之前采用层间或层内异轨链路恢复方式，此时仍存在未知异常，则采用同轨轨内链路恢复处理未知失效节点集合u，分为以下两种情况：a.若未生效节点不是第一失效节点，将未生效节点作为第一失效节点：i)若未知异常处于左枝，此时优先按照层间或层内异轨链路恢复处理有序首要恢复节点集合p的方式处理右枝，即将右枝节点从上游到下游排序，依次加入有序恢复节点集合m与有序尚需路由更新节点集合n，此时m＝n＝{右枝}，通过步骤s5-s7恢复完右枝节点，通过同轨轨内链路恢复方式处理未知失效节点集合u，即将左枝未知异常链路下面部分枝干截取下来，将其按照原有上下游关系倒序排列之后，连接于右枝叶子节点上，也就是将未知失效节点集合u倒序后，加入有序恢复节点集合m，进入步骤s5；ii)未知异常处于右枝，此时通过s4.3.1.1的同轨轨内链路恢复方式处理未知失效节点集合u，获得有序恢复节点集合m与有序尚需路由更新节点集合n后，进入步骤s5；b.若未生效节点是第一失效节点，将未生效节点记为异常节点，依据s4.3.2.3方式对第一失效节点不做处理，直接查找左枝上节点的有效邻居节点，若能找到有效邻居节点，则左枝获取有序恢复节点集合m以及有序尚需路由更新节点集合n方式同上，调整树型控制链路级联关系，即将右枝截取下来，将其按照原有上下游关系倒序排列之后，连接于同轨所在的另一个枝干叶子节点下方，并更新树型控制链路的映射关系，将倒序排列的右枝节点加入有序恢复节点集合m以及有序尚需路由更新节点集合n，进入步骤s5。11.一种基于集中式控制的卫星网络路由弹性恢复系统，其特征在于，应用权利要求1
至10任一项所述的基于集中式控制的卫星网络路由弹性恢复方法，所述系统包括：拓扑管理模块、检测与状态收集模块、失效处理模块、路由重计算模块、转发规则管理模块和确认转发规则生效模块；所述拓扑管理模块，用于通过构建和更新以控制中心为根、其它转发节点为枝所组成的树型控制链路，将树型控制链路存储于数据库中；所述检测与状态收集模块，用于根据当前时间从数据库中获取对应拓扑快照下的树型控制链路，根据当前时间所对应的树型控制链路向网络各节点依次发送探测包，以探测各节点的可达情况，并通过节点的回复报文收集节点与链路的运行状态；若无异常节点与链路，则获取全网运行状态信息，之后，等待下一周期检测的开始；若当前存在异常节点与链路，则与所对应拓扑快照进行对比，去掉所探测的可达节点后获得当前失效链路与节点；所述链路失效处理模块，用于网络出现异常时，删除初始完整拓扑里的失效链路，依据异常位置的不同，将异常链路或节点恢复分为同轨轨内链路恢复和层间或层内异轨链路恢复处理，获得有序恢复节点集合；负责恢复过程中转发规则未生效时发现的未知异常处理；所述路由重计算模块，用于规避失效链路，为失效节点寻找到地控中心的最佳新路径；所述转发规则管理模块，用于将路由重计算模块所获得的新路径下发给新路径上需要新转发规则的卫星节点；所述确认转发规则生效模块，用于确定下发的转发规则是否生效，并根据结果做出响应处理。

技术总结
本发明提供了一种基于集中式控制的卫星网络路由弹性恢复方法及系统。该方法包括：地控中心根据卫星运行轨迹与建链规则生成一系列由静态拓扑构成的有序快照集合，为每个拓扑快照构建一个以地控中心为根、其它所有转发节点为枝的树型控制链路，地控中心根据当前时间所对应的树型控制链路向网络各节点依次发送探测包，通过节点的回复报文收集节点与链路的运行状态，获取异常节点与链路信息。地控中心进行路由恢复，删除当前失效链路后，根据网络异常出现的位置选择恢复方式。之后，通过路由重计算、下发转发规则以及确认转发规则生效恢复失效节点。通过地控中心对网络控制链路的周期探测与有效维护，实现其对网络态势的有效感知与路由异常恢复。知与路由异常恢复。知与路由异常恢复。


技术研发人员：冯博昊 马玉科 黄云雪 田阿勒滕 周华春 张宏科
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2022.05.17
技术公布日：2022/8/30