基于时变图的DTN网络路由算法研究

摘要

近年来，许多国家和公司都越来越重视空间网络的实际应用，掀起了空间网络建设与关键技术研究的热潮。而路由算法是网络高效运行的关键，因此，为空间网络设计高效的路由算法十分重要。空间网络的链路时延大、链路断续连通，是典型的DTN网络，直接采用地面互联网协议体系，将导致网络的链路利用率低下，QoS需求难以保障。美国国家航空航天局（NASA）提出了CGR（contactgraph routing）路由算法，来适应DTN网络环境。但该算法仍存在一些问题，对业务的保障仍然不尽如人意。针对空间网络的特征以及适应于DTN网络的高效路由算法的需求，本文主要进行了如下研究工作： 首先，本文分析了传统静态图理论在DTN网络环境下的不适应性，并针对单业务发送时的QoS保障需求，设计了基于时变图可靠链路容量的时变网络路由算法（TDRR）。该算法利用存储时间聚合图模型,分析链路误码率带来的丢包问题，引入了剩余容量修正模型以及存储时间聚合图边容量修正模型，修正了发送数据时链路容量的占用比，提高了利用存储时间聚合图计算最大流的可靠性。并且该算法利用最大流算法，通过多径传输单业务，保障业务的时延，提高了业务的投递率。最后通过MATLAB仿真对比TDRR算法与Dijkstra算法的性能，仿真结果表明TDRR具有更好的性能。 其次，本文综合考虑了链路误码率和业务量的影响，设计了基于业务感知的DTN网络路由算法（SSDR）。该算法引入了多业务并发的拓扑更新机制，通过对多业务需求进行优先级排队处理并实时更新网络拓扑，减小了多业务竞争资源的概率。同时，该算法引入了时变网络的路由表更新机制，提出了一种适应于DTN网络的路由表格式，在原有的路由表项中加入了等待连通时间，使得业务传输过程中进行高效存储转发成为可能。最后通过MATLAB仿真对比SSDR算法与CGR算法的性能，仿真结果表明SSDR算法具有更好的性能。 最后，本文为了验证DTN网络路由算法在实际场景中的性能，设计并实现了DTN网络路由算法仿真软件，并将本文所设计的两种路由算法在DTN网络路由算法仿真软件中实现。此外，本文设计了基于低轨卫星应用的测试场景，并搭建了仿真平台，在仿真平台中运行DTN网络路由算法仿真软件，测试软件的功能以及路由算法的性能，为未来天地一体化信息网络的建设提供了平台支撑。

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ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作和创新点

1.4 本文结构安排

第二章 路由算法在空间网络面临的挑战

2.1 空间网络体系架构

2.2 QoS保障路由算法在空间网络面临的挑战

2.2.1 QoS保障内涵

2.2.2 QoS保障在空间网络面临的挑战

2.3 CGR路由算法面临的挑战

2.3.1 CGR路由算法简介

2.3.2 CGR路由算法的不足

2.4 本章小结

第三章 基于时变图可靠链路容量的时变网络路由算法

3.1 时变图概述以及传统静态图不适应性分析

3.1.1 时变图衍生

3.1.2 静态图在空间网络的不适应性

3.2 基于时变图可靠链路容量的时变网络路由算法详述

3.2.1 缓存受限时间聚合图模型

3.2.2 剩余容量修正模型

3.2.3 存储时间聚合图边容量修正模型

3.2.4 基于时变图可靠链路容量的时变网络路由算法

3.3 算法仿真与分析

3.3.1 仿真场景与参数说明

3.3.2 仿真结果分析

3.4 本章小结

第四章 基于业务可感知的DTN网络路由算法

4.1 CGR算法问题分析

4.2 基于业务可感知的DTN网络路由算法详述

4.2.1 多业务并发的拓扑更新机制

4.2.2 时变网络的路由表更新机制

4.2.3 基于业务可感知的DTN网络路由算法

4.3 算法仿真与分析

4.3.1 仿真场景与参数说明

4.3.2 仿真结果分析

4.4 本章小结

第五章 DTN网络路由算法仿真软件设计与实现

5.1 DTN网络路由算法仿真软件总体设计与实现方案

5.1.1 DTN网络路由算法仿真软件总体框架

5.1.2 DTN网络路由算法仿真软件接口设计

5.2 DTN网络路由算法仿真软件详细设计与实现方案

5.2.1 拓扑生成模块

5.2.2 业务生成模块

5.2.3 分组转发模块

5.2.4 性能评估模块

5.2.5 显示模块

5.3 路由算法仿真测试平台设计

5.3.1 仿真测试场景简介

5.3.2 仿真测试平台搭建

5.4 路由算法测试与结果分析

5.4.1 网络拓扑配置功能测试

5.4.2 路由功能测试

5.4.3 数据传输功能测试

5.4.4 路由算法性能测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 未来研究方向

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 发表学术论文

3.2 参与科研项目及获奖