Lite-FRR：基于分段路由的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)輕量化快速重路由算法研究

摘 要：低地球軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有低時延和大容量的特性，成為未來衛(wèi)星通信領(lǐng)域的一個關(guān)鍵發(fā)展趨勢。由于衛(wèi)星處于電磁開放空間，易受到電磁干擾和網(wǎng)絡(luò)攻擊等因素影響，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或鏈路出現(xiàn)故障。為應(yīng)對挑戰(zhàn)，確保衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)故障時能夠保持流量轉(zhuǎn)發(fā)的穩(wěn)定性，在深入分析現(xiàn)有重路由算法在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的優(yōu)勢與局限性的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出了一種基于分段路由（Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｒｏｕｔｉｎｇ，ＳＲ）的輕量化快速重路由（Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ-Ｆａｓｔ Ｒｅ-Ｒｏｕｔｉｎｇ，Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ）算法，通過利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的時空信息來計算備份的無環(huán)路徑，有效降低計算復(fù)雜度?？紤]衛(wèi)星星座的空間分布特性，設(shè)計了一種隧道傳輸機制，以實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速重路由（Ｆａｓｔ Ｒｅ-Ｒｏｕｔｉｎｇ，ＦＲＲ）。仿真實驗結(jié)果表明，在４３２ 顆衛(wèi)星星座場景下，當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)遭遇鏈路故障，Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 備份路由計算時間僅為傳統(tǒng)拓撲無關(guān)無環(huán)路備份（Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ-Ｌｏｏｐ Ｆｒｅｅ Ａｌｔｅｒｎａｔｅ，ＴＩ-ＬＦＡ）算法的１ ／ ２０，有效減少備份路徑的計算時間，確保了流量業(yè)務(wù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量，提升了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可靠性，也為未來衛(wèi)星通信的發(fā)展提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；重路由；無環(huán)備份路徑；分段路由

中圖分類號：ＴＮ９２ 文獻標志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０４－０６７４－０７

０ 引言

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和通信需求的日益多樣化，傳統(tǒng)的地面通信網(wǎng)絡(luò)在解決覆蓋范圍限制和高昂的設(shè)備鋪設(shè)成本方面力不從心。相比之下，低地球軌道（Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ，ＬＥＯ）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以其低時延、大容量和高覆蓋率的優(yōu)勢脫穎而出。與此同時，航天技術(shù)的進步還使衛(wèi)星通信的成本逐漸降低，使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為６Ｇ 移動通信技術(shù)研究的一個新興方向［１－３］。

然而，ＬＥＯ 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)且多變，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信鏈路時斷時續(xù)。同時，ＬＥＯ衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)處于電磁開放的空間環(huán)境中，容易受到電磁干擾、物理攻擊或網(wǎng)絡(luò)攻擊的影響，引發(fā)鏈路故障或節(jié)點故障［４－５］。因此，迫切需要研究一種星上自主的快速重路由（Ｆａｓｔ Ｒｅ-Ｒｏｕｔｉｎｇ，ＦＲＲ）機制，以便在發(fā)生故障時能夠迅速繞過故障鏈路或節(jié)點，實現(xiàn)星間轉(zhuǎn)發(fā)路徑的快速恢復(fù)，確保業(yè)務(wù)流的連續(xù)傳輸，從而增強衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的魯棒性。

現(xiàn)有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)重路由算法雖然借鑒了地面網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)機制，但由于衛(wèi)星節(jié)點的星上計算資源有限，且網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨時間高度動態(tài)變化，這些算法在應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時可能會因復(fù)雜度過高而導(dǎo)致路由無法收斂［６ － ７］。針對這些問題，本文創(chuàng)新性地提出了一種基于分段路由（Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｒｏｕｔｉｎｇ，ＳＲ）的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)輕量化快速重路由（Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ-Ｆａｓｔ Ｒｅ-Ｒｏｕｔｉｎｇ，Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ）算法。該算法基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲中同軌節(jié)點間鏈路長期連通的前提，旨在確保衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)備份路由路徑的高效計算，并能夠與基于最短路徑優(yōu)先（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｆｉｒｓｔ，ＳＰＦ）的路由協(xié)議有效融合。

１ ＦＲＲ 技術(shù)

針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域發(fā)生的鏈路和節(jié)點故障，通常通過迅速調(diào)整衛(wèi)星的物理設(shè)備狀態(tài)來恢復(fù)底層的傳輸網(wǎng)絡(luò)。然而，這種恢復(fù)手段并非萬無一失，網(wǎng)絡(luò)層面往往需要在故障發(fā)生后重新規(guī)劃路由路徑。在任意兩個衛(wèi)星節(jié)點通過星間鏈路傳輸數(shù)據(jù)時，會根據(jù)數(shù)據(jù)流量的特性分配相應(yīng)的策略路由。一旦網(wǎng)絡(luò)中的某個鏈路或節(jié)點發(fā)生故障，路由協(xié)議將啟動重路由機制，為數(shù)據(jù)包提供一條繞過故障點的路徑［８－９］。因此，為了提升網(wǎng)絡(luò)性能，采用合理的重路由計算機制，可以顯著增強網(wǎng)絡(luò)的抗毀損能力，滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信需求。

借鑒地面網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)機制，重路由方法主要分為被動重路由和主動重路由兩種。被動重路由通常在故障發(fā)生后才啟動，以恢復(fù)受影響的流量。這種機制通常依賴內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｇａｔｅｗａｙ Ｐｒｏｔｏ-ｃｏｌ，ＩＧＰ），例如開放ＳＰＦ（Ｏｐｅｎ ＳＰＦ，ＯＳＰＦ）來識別網(wǎng)絡(luò)故障，并等待網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收斂至更新后的拓撲結(jié)構(gòu)，完成重路由［１０－１１］。被動重路由機制通常需要數(shù)秒甚至數(shù)分鐘的故障探測和路由收斂時間，這無法滿足在故障情況下對數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

相比之下，主動重路由在流量建立之初就為其分配了備份資源。路由器通過檢測鏈路或相鄰節(jié)點的故障，在故障發(fā)生時激活備份路徑，繞過故障鏈路或節(jié)點，并迅速通過預(yù)先設(shè)定的備份路徑重新路由流量。然而，在主動重路由機制中，只有與故障相鄰的節(jié)點能夠立即感知故障，而不相鄰的節(jié)點則需要依賴ＩＧＰ 的收斂過程來識別故障，導(dǎo)致故障發(fā)現(xiàn)的速度較慢。此外，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點可能仍依據(jù)舊的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這可能導(dǎo)致路由環(huán)路的出現(xiàn)，即無環(huán)路備份（Ｌｏｏｐ Ｆｒｅｅ Ａｌｔｅｒｎａｔｅ，ＬＦＡ）路徑問題。

文獻［７］提出了常用的主動重路由方法ＦＲＲ，允許數(shù)據(jù)流通過本地修復(fù)點（Ｐｏｉｎｔ ｏｆ Ｌｏｃａｌ Ｒｅｐａｉｒｅ，ＰＬＲ）繞過故障點重新選擇路由路徑。然而，ＰＬＲ 在故障點周圍重新路由時，可能由于修復(fù)路徑非最優(yōu)而導(dǎo)致路由效率降低，同時如果相鄰節(jié)點無法提供ＬＦＡ，還可能出現(xiàn)無備份路徑的問題。

文獻［１２－１３］對遠程ＬＦＡ 進行了規(guī)定和實現(xiàn)細節(jié)的描述，有效彌補了ＦＲＲ 的不足，通過多協(xié)議標簽交換（Ｍｕｌｔｉ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｌａｂｅｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＭＰＬＳ）技術(shù)將數(shù)據(jù)路徑指向一個遠程節(jié)點，該節(jié)點到目的地的最短路徑不經(jīng)過ＰＬＲ，從而計算備份路徑。然而，遠程鏈路狀態(tài)通告（Ｌｉｎｋ Ｓｔａｔｅ Ａｄｖｅｒｔｉｓｅｍｅｎｔ，ＬＳＡ）方案在遠程節(jié)點選擇上存在問題，可能沒有合適的遠程節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。文獻［１４－１５］提出了基于ＳＲ的拓撲無關(guān)無環(huán)路備份（Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ-ＬｏｏｐＦｒｅｅ Ａｌｔｅｒｎａｔｅ，ＴＩ-ＬＦＡ），以彌補遠程ＬＳＡ 的不足。利用ＳＲ 路徑，ＰＬＲ 可以將受影響的流量引導(dǎo)至從ＰＬＲ 到目的地的后匯聚路徑，從而恢復(fù)故障，解決了遠程ＬＳＡ 方案中遠程節(jié)點選擇的問題。ＴＩ-ＬＦＡ算法在解決網(wǎng)絡(luò)故障時需要為每個目的網(wǎng)段計算備份ＳＲ 路徑。對于大規(guī)模的ＬＥＯ 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點數(shù)量通常超過百顆，而星上載荷的計算能力相對較低，為每個網(wǎng)段計算備份ＳＲ 路徑的開銷較大，可能會影響衛(wèi)星節(jié)點處理其他數(shù)據(jù)的力。

文獻［１６］設(shè)計了一種適用于包含中繼衛(wèi)星的ＬＥＯ 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)基于ＳＲ 的ＦＲＲ 算法，結(jié)合了集中式和分布式路由的優(yōu)勢，設(shè)計了一種無需全局重新計算即可更新和維護備份路徑的解決方案。然而，該算法在拓撲層面存在限制，需要額外規(guī)劃中繼衛(wèi)星并合理分配計算衛(wèi)星與轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星的角色，計算衛(wèi)星需要與地面節(jié)點頻繁通信以保證算法的運行，且在鏈路或節(jié)點故障時鏈路的平均時延較長。

ＬＥＯ 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的重路由算法還需要解決在網(wǎng)絡(luò)故障時至少計算一條滿足約束的ＬＦＡ 路徑的問題，以確保數(shù)據(jù)包通過無故障路徑被轉(zhuǎn)發(fā)至目的地。由于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點距離故障點的空間位置不同，導(dǎo)致它們對網(wǎng)絡(luò)全局拓撲的感知也不同。數(shù)據(jù)包在傳輸過程中，當(dāng)感知到下一個節(jié)點為故障節(jié)點時，該節(jié)點會利用重路由算法計算出的備份路徑將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的地。然而，備份路徑可能與無故障情況下的路由路徑重合，從而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，造成鏈路擁塞［１７－２０］-因此，在數(shù)據(jù)傳輸過程中不會產(chǎn)生路由環(huán)路是重路由算法的前提。

針對上述挑戰(zhàn)，本文提出了一種基于ＳＲ 的Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法，針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)模大、空間環(huán)境中干擾或攻擊導(dǎo)致的鏈路／ 節(jié)點故障頻率高的特點，設(shè)計了局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊和全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)模塊。在分階段計算衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中各網(wǎng)段的備份路徑的同時，確保數(shù)據(jù)包沿ＳＲ 顯式路徑無環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在鏈路／ 節(jié)點故障情況下的路由快速收斂。局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊根據(jù)本衛(wèi)星的ＩＧＰ 路由計算出的最短路徑樹，在其他軌道面上分別選擇與本衛(wèi)星距離最近的衛(wèi)星節(jié)點［ｓａｔｏ１ｉ１，ｓａｔｏ２ｉ２，…，ｓａｔｏｍ－１ｉｎ］，ｍ 為軌道數(shù)，ｉｎ 取值范圍為軌道面上衛(wèi)星個數(shù)，該節(jié)點數(shù)量即為軌道數(shù)，取值范圍為軌道面上衛(wèi)星的數(shù)量，并在本節(jié)點維護到這些選定衛(wèi)星的端到端ＳＲ 路徑。全局衛(wèi)星備份路徑計算模塊則根據(jù)局部計算結(jié)果，計算其他軌道面上剩余衛(wèi)星節(jié)點的端到端ＳＲ 路徑，并在本節(jié)點維護與所有衛(wèi)星的備份路徑。

２ 基于ＳＲ 的Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法設(shè)計

本文提出的基于ＳＲ 的Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法核心理念，是通過局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊和全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)模塊，預(yù)先計算并確定備用路徑。該算法將端到端的ＳＲ 路徑中每個網(wǎng)段視作一個由主用路徑和備用路徑構(gòu)成的受保護路徑。

總體而言，Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法利用雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ＢＦＤ）協(xié)議構(gòu)建故障探測機制，以確得ＰＬＲ 對鏈路狀態(tài)的快速和高效檢測。當(dāng)鏈路或節(jié)點故障發(fā)生時，ＰＬＲ 能夠迅速利用預(yù)先計算的備用路徑替代原有的主用路徑，從而避免了因ＩＧＰ 對鏈路狀態(tài)感知的延遲而導(dǎo)致的長時間路由中斷問題。

局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊承擔(dān)的主要任務(wù)是依據(jù)ＩＧＰ 協(xié)議計算出的最短路徑信息，在模擬目的地網(wǎng)段輸出接口不可用的情形下，計算出備用路徑。在節(jié)點選擇上，該模塊遵循軌道面劃分的原則，確保每個軌道面上僅針對一個衛(wèi)星節(jié)點計算備用路徑。

而全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)模塊，則在局部模塊計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)同軌節(jié)點間鏈路的穩(wěn)定性，推導(dǎo)出軌道面內(nèi)所有其他節(jié)點的備用路徑。這一全局視角的模塊設(shè)計，旨在實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)重路由策略，以適應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在面對鏈路或節(jié)點故障時的動態(tài)需求。局部衛(wèi)星備份路徑計算與全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)模塊計算范圍如圖１ 所示。

２． １ 局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊設(shè)計

局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊負責(zé)計算出到達網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他各個軌道面距離最近節(jié)點的備份路徑，當(dāng)發(fā)生節(jié)點或鏈路故障時，源節(jié)點經(jīng)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)路徑到達感知到故障的節(jié)點，該節(jié)點將報文經(jīng)備份路徑轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。

局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊沿用ＴＩ-ＬＦＡ 中Ｐ 空間、Ｑ 空間、拓展Ｐ 空間等定義，基于ＩＧＰ 的計算結(jié)果構(gòu)建ＦＲＲ 計算集合，將節(jié)點的計算范圍含蓋至遠端節(jié)點，而不僅限于鄰居節(jié)點，保證了衛(wèi)星環(huán)境中備份路徑計算的成功概率。Ｐ 空間、Ｑ 空間、拓展Ｐ 空間具體定義及ＰＱ 節(jié)點選擇規(guī)則如下：

① Ｐ 空間：以保護鏈路源端為根節(jié)點建立ＳＰＦ樹，所有從根節(jié)點不經(jīng)過保護鏈路／ 節(jié)點可達的節(jié)點集合稱為Ｐ 空間。

② Ｑ 空間：以保護鏈路末端為根節(jié)點建立反向ＳＰＦ 樹，所有從根節(jié)點不經(jīng)過保護鏈路可達的節(jié)點集合稱為Ｑ 空間。

③ 拓展Ｐ 空間：當(dāng)Ｐ 空間和Ｑ 空間沒有交集，無法選出ＰＱ 節(jié)點時，需計算Ｐ 擴展空間，以保護鏈路源端的所有鄰居為根節(jié)點分別建立ＳＰＦ 樹，所有從根節(jié)點不經(jīng)過保護鏈路可達的節(jié)點集合稱為拓展Ｐ 空間。

ＰＱ 節(jié)點選擇規(guī)則：ＰＱ 節(jié)點在Ｐ 空間／ 拓展Ｐ空間、Ｑ 空間的交集中選擇，當(dāng)交集中包含多個節(jié)點時，選擇離源節(jié)點最近的節(jié)點為ＰＱ 節(jié)點。

在ＩＧＰ 中會針對每一個網(wǎng)段計算最短路徑，為降低局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊計算層面的復(fù)雜度，會有效利用計算出的最短路徑信息。以源節(jié)點ｓ 為根，在ＩＧＰ 維護的網(wǎng)絡(luò)全局ＳＰＦ 樹上剪切掉故障節(jié)點或鏈路生成新的ＳＰＦ 樹，ＳＰＦ 樹上節(jié)點的集合記為Ｐ 空間；以目的節(jié)點ｔ 為根，利用ＩＧＰ 維護的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息生成到達源節(jié)點ｓ 的逆向ＳＰＦ 樹，在ＳＰＦ 樹上剪切掉故障節(jié)點或鏈路生成新的ＳＰＦ 樹，ＳＰＦ 樹上節(jié)點的集合記為Ｑ 空間。

局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊可實現(xiàn)ＬＦＡ 路徑計算，包括以下兩個過程的迭代：① 當(dāng)ＰＱ 空間有交集時，則交集空間內(nèi)的節(jié)點（記為ＰＱ 節(jié)點）到達源節(jié)點ｓ 與目的節(jié)點ｔ 的路徑均為最短路徑，由此得到數(shù)據(jù)報文在故障節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)時的最短路徑為源節(jié)點ｓ—ＰＱ 節(jié)點—目的節(jié)點ｔ。因此最短路徑的計算可以等效為ＰＱ 節(jié)點的計算。② 若ｓ 節(jié)點無法計算出ＰＱ 空間，則以ｓ 節(jié)點的所有鄰居節(jié)點為新的ｓ 節(jié)點，計算拓展Ｐ 空間并搜索ＰＱ 節(jié)點。重復(fù)此步驟直至搜索出ＰＱ 節(jié)點。

將該軌道內(nèi)所有節(jié)點的備份路徑計算過程聚合為單個節(jié)點的備份路徑計算過程，只需計算出軌道內(nèi)一個節(jié)點的備份路徑，并將該節(jié)點視為軌道內(nèi)其余節(jié)點計算備份路徑過程中的ＰＱ 節(jié)點，從而簡化備份路徑計算過程中最為復(fù)雜的ＰＱ 節(jié)點搜索過程。

由此可以獲得最短路徑構(gòu)成：若僅搜索Ｐ 空間就已獲得ＰＱ 節(jié)點，則備份路徑由［ｓ，ＰＱ，ｔ］構(gòu)成，其中ｓ 為源節(jié)點，ｔ 為目的節(jié)點，ＰＱ 為Ｐ 空間與Ｑ 空間的交集節(jié)點；若ＰＱ 節(jié)點由拓展Ｐ 空間搜索獲得，則備份路徑由［ｓ，ｓ′，ＰＱ，ｔ］構(gòu)成。

為解決引言所述的路由環(huán)路問題，算法采用ＳＲ技術(shù)，利用顯式路徑傳輸方案，將報文傳輸過程分割為由多個ＳＲ 標簽分割的子域，在每一個子域內(nèi)報文的傳輸路徑都是最短路徑。局部衛(wèi)星備份路徑計算方法如算法１ 所示。

２． ２ 全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)模塊設(shè)計

地面網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性在于其拓撲結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不規(guī)則的網(wǎng)狀，這使得從算法層面難以有效利用網(wǎng)絡(luò)拓撲內(nèi)部的已知信息。相對而言，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)則呈現(xiàn)出規(guī)律性的網(wǎng)狀，具有普遍的連通性特點。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，往往存在多條到達目的節(jié)點且成本相近的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。特別是，在連通性未受損的情況下，同軌衛(wèi)星之間的路由路徑通常是最優(yōu)的選擇。

基于這一特性，全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)模塊在局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊已確定每個軌道面內(nèi)最近節(jié)點的備份路徑之后，進一步利用同軌節(jié)點間的連通性優(yōu)勢。該模塊策略性地設(shè)置，使源節(jié)點通往同一軌道上其余各節(jié)點的備份路徑均經(jīng)由該最近節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。通過這種方法，算法２ 能夠高效地計算出軌道上其他所有節(jié)點的備份路徑，從而為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的ＦＲＲ 提供堅實的路徑基礎(chǔ)。

設(shè)局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊在該軌道選取的節(jié)點為Ｒ，則全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)模塊推導(dǎo)出到該軌道面內(nèi)其余節(jié)點ｔ 的備份路徑，［ｓ，ＰＱ，Ｒ，ｔ］，其中ｓ 為源節(jié)點，ｔ 為其余節(jié)點，ＰＱ 為Ｐ 空間與Ｑ 空間的交集節(jié)點，Ｒ 為局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊在該軌道選取的節(jié)點。全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)方法如算法２ 所示。

若衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)同軌道面節(jié)點的連通性被破壞，即存在同軌鏈路故障，則本節(jié)提出的計算方案不能有效覆蓋這一場景，因此需要重新選?。?節(jié)點的計算，選取的Ｒ 節(jié)點應(yīng)為到該軌道面內(nèi)經(jīng)由同軌鏈路能夠正確轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)量最多的節(jié)點。其余節(jié)點依照局部衛(wèi)星備份路徑計算模塊中提出的方法計算。

此外，在ＳＲ 中，端到端路徑中的分段數(shù)量受限于可編碼為源路由的段列表長度。這個限制被稱為ＳＲ 網(wǎng)絡(luò)的段列表深度（Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｌｉｓｔ Ｄｅｐｔｈ，ＳＬＤ）。在本文提出的全局衛(wèi)星備份路徑推導(dǎo)模塊中，ＳＬＤ起著重要作用，能在一定程度上規(guī)避多鏈路故障導(dǎo)致的路由中斷、降低故障情況下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的帶寬壓力。如果某個分段內(nèi)的主路徑發(fā)生故障，則只需要將該分段流量切換到備份路徑，在這種情況下，備份路徑長度的增加值可能較小，因為只有部分端到端路徑從主路徑切換到備份路徑。此外，當(dāng)分段較多時，多鏈路／ 節(jié)點故障導(dǎo)致流量中斷的可能性較小，而在端到端僅存在一個分段的情況下，多鏈路／ 節(jié)點故障導(dǎo)致的流量中斷可能性較大。例如，ＳＬＤ 僅為１，整個端到端路徑就必須被視為單一分段，在這種情況下，主路徑上的任何故障都會要求端到端流量切換到備份路徑，若備份路徑上同時存在ＰＬＲ 未感知到的故障，仍會導(dǎo)致路由中斷；但如果ＳＬＤ 為３，則流量的端到端路徑可分為３ 個分段，每個分段的路徑長度均小于主路徑長度，ＰＬＲ 對于分段內(nèi)鏈路狀態(tài)變化的感知更加靈敏，當(dāng)發(fā)生多鏈路／ 節(jié)點故障時，ＰＬＲ 提供可靠備份路徑的可能性更高。本文提出的ＬｉｔｅＦＲＲ 算法從設(shè)計層面保證了ＳＬＤ 至少為３，即從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由過程中，備份路徑被ＳＲ 分割為３ 個分段，在一定程度上保證了多鏈路故障時備份路徑的可用性。

３ 實驗與結(jié)果分析

為了驗證所提Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法的有效性，本文對算法運行時間、備份路徑跳數(shù)對比、路由中斷時間３ 個指標進行驗證。為了使驗證結(jié)果更具有普遍性，本文采用了兩種不用規(guī)模的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)測試算法計算時間，分別為１０８ 顆星的傾斜軌星座（星座－１０８）、４３２ 顆星的傾斜軌星座（星座－４３２），各星座詳細軌道參數(shù)如表１ 所示。

３． １ 備份路徑計算時間對比實驗

本文設(shè)計的Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法與ＴＩ-ＬＦＡ 算法的求解時間相比，在兩種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下隨機選擇源節(jié)點、目的節(jié)點，求解出主路徑和備份路徑并記錄備份路徑計算時間。比較結(jié)果如圖２ 所示，可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，傳統(tǒng)ＴＩ-ＬＦＡ 算法與所提Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法計算時間均有增加趨勢，但所提Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法重路由機制在計算時間層面優(yōu)于ＴＩ-ＬＦＡ算法，計算開銷較小，在星座－４３２ 的傾斜軌衛(wèi)星星座場景下計算時間小于８０ ｍｓ，優(yōu)于ＴＩ-ＬＦＡ 算法的１． ６ ｓ 計算時間，并且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，兩種算法計算開銷的差距有上升趨勢。

３． ２ 重路由跳數(shù)對比實驗

所提Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法與ＴＩ-ＬＦＡ 算法的重路由路徑跳數(shù)進行比較，在兩種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下隨機選擇源節(jié)點、目的節(jié)點，求解出主路徑和備份路徑并記錄備份路徑計算結(jié)果。將跳數(shù)評價指標設(shè)置為重路由路數(shù)／ 原始跳步數(shù)之比，比較結(jié)果如圖３ 所示。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點之間的可選鏈路數(shù)目也逐漸上升。從圖３ 可以看出，所提Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法相比現(xiàn)有ＴＩ-ＬＦＡ 算法的跳數(shù)評價指標更小。且當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加時，基于時空信息的Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法跳數(shù)更趨近于主路徑跳數(shù)，而ＴＩ-ＬＦＡ 算法的跳數(shù)評價指標也與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模呈負相關(guān)趨勢。

３． ３ 路由中斷時間對比實驗

與ＴＩ-ＬＦＡ 算法的鏈路中斷時間進行比較，測試丟包時間的方案為網(wǎng)際報文控制協(xié)議（ＩｎｔｅｒｎｅｔＣｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｓｓａｇｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＩＣＭＰ）報文探測法，統(tǒng)計當(dāng)前鏈路上的最大傳輸時延ｔ，設(shè)置報文超時時間Δｔ略大于ｔ。以２０ ｍｓ 為間隔連續(xù)發(fā)送ＩＣＭＰ 報文，并正確設(shè)置超時時間，連續(xù)測試一段時間，統(tǒng)計報文丟失數(shù)量ｋ，得到丟包時間為ｋ×２０ ｍｓ。在兩種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下隨機選擇源節(jié)點、目的節(jié)點，在源節(jié)點和目的節(jié)點之間以２０ ｍｓ 為間隔傳輸１ ０００ 個ＩＣＭＰ報文，在報文的傳輸過程中模擬鏈路故障，求解出成功轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點的ＩＣＭＰ 報文個數(shù)，比較結(jié)果如圖４ 所示。

可以看出，當(dāng)算法啟用ＢＦＤ 協(xié)議且設(shè)置鏈路超時間隔為３ 次３００ ｍｓ，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，ＴＩ-ＬＦＡ算法與所提Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法計算路由中斷時間均有增加趨勢，且兩種算法的路由中斷時間相近，去除探測鏈路故障的９００ ｍｓ 時間間隔，路由協(xié)議將流量由主路徑導(dǎo)向備份路徑的時間約為５００ ｍｓ。

４ 結(jié)束語

本文基于ＳＲ 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 算法以鏈路跳數(shù)為主要度量指標，利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中同軌道面衛(wèi)星節(jié)點空間相對位置穩(wěn)定的前提設(shè)計重路由算法，可以有效降低重路由計算復(fù)雜度。從軌道面內(nèi)單節(jié)點備份路徑計算、同軌道面內(nèi)節(jié)點備份路徑推導(dǎo)兩個方面進行詳細設(shè)計。依據(jù)本文設(shè)計的重路由算法，在典型規(guī)模的星座場景下隨機選取多對源節(jié)點和目的節(jié)點，對備份路徑計算時間、備份路徑跳數(shù)與主路徑跳數(shù)之比、路由中斷時間３ 個指標進行驗證，實驗結(jié)果表明，所提Ｌｉｔｅ-ＦＲＲ 具有運算開銷較小、備份路徑跳數(shù)接近主路徑的優(yōu)勢。

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作者簡介：

丁春旭 男，（１９９８—），碩士研究生。主要研究方向：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

丁熙浩 男，（１９９３—），碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

徐志平 男，（１９７８—），碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

丁文慧 女，（１９８７—），博士，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

（*通信作者）虞志剛 男，（１９８９—），博士，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

陸 洲 男，（１９７０—），碩士，研究員。主要研究方向：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（２０２２ＹＦＢ２９０２７００）；國家自然科學(xué)基金（６２２０１５３４，６１９３１０１７）