CN105933227A - 软件定义卫星网络中的路由决策及流表一致性优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了软件定义卫星网络的路由决策及流表一致性优化方法，涉及软件定义卫星网络领域。本发明的流表一致性优化方法首先通过网络感知实时监测卫星网络全局状态，维护卫星网络中不同时刻的拓扑图，并及时更新网络的拓扑状态及事件；然后将基于下发时延的路由决策和基于路径相似度的路由决策结合，所需的下发延时以及写入延时都较小，从而降低流表更新过程的总延时；最后通过调整交换机的下发顺序，减少交换机到控制器的时延对流表不一致的影响，通过对新旧流表进行分类处理，减少下发流表项的数目来达到减少流表项的写入时间，从而减少流表更新的总时延。本发明更好的改善了软件定义卫星网络流表更新的不一致性问题。

Description

软件定义卫星网络中的路由决策及流表一致性优化的方法

技术领域

本发明涉及软件定义卫星网络(Software Defined SatelliteNetwork，SDSN)领域，特别是涉及到改善软件定义卫星网络流表更新的不一致性问题。

背景技术

近年来软件定义网络(Software Defined Network,SDN)作为一种新的技术理念受到了越来越多的关注。它通过将网络中的管理功能从交换机或路由器等传统网络设备上剥离，从而实现了控制平面与数据平面的完全独立。SDN中控制平面可以实时监控和收集网络信息，及时反馈网络状态，包括网络设备工作状态和链路连接状态。这种集中控制功能应用到卫星网络中，能够很好地解决卫星网络由于拓扑时变性引起的控制信息发布和收敛时效性差等问题。在SDN控制机制中，提出了流表的概念。流表是对传统网络中二层转发表、三层路由表的抽象，对网络中链路层、网络层、以及传输层的网络配置信息进行了整合。该机制弱化了协议在卫星网络中概念，达到同时处理与响应卫星网络中并存的各个层次的协议的目的，进而能够解决卫星网络中存在的协议异构性问题。基于上述分析，SDN为解决卫星网络的协议异构性、拓扑时变性都提供了一个新的方向。

在SDN技术中，控制平面与数据平面的分离、网络状态分发机制和时延的影响，都对SDN流表的一致性需求提出了挑战。SDN数据平面不运行任何协议，通过控制器下发控制指令对数据进行处理。由于数据平面的分布式结构以及网络时延的存在，在下发流表时，不同网络设备中的流表不可能同时到达。这种情况下可能会造成网络设备中同时存在新旧两种流表，引起流表的不一致。流表的不一致可能导致数据平面对同一个业务的不同的处理，影响网络性能造成网络出现断路、丢包、环路等现象。尤其在卫星网络中，动态拓扑使得网络状态频繁发生变化，控制器需要不断的对网络状态进行收集，频繁更改路由策略并对路由表进行下发。这些状态的频繁改变使得软件定义卫星网络中流表不一致性问题更加突出。为了提高卫星网络的稳定性和可靠性，对卫星网络的SDN流表一致性进行研究具有重要意义。

流表的更新延时是影响流表一致性的主要因素，而流表在更新过程中时延包括两部分：下发时延和流表写入时延。下发时延是控制器将流表发送到交换机上所需的下发时延，该时延受控制器到交换机之间的控制链路的时延的影响，又被称为控制延时。写入时延是指SDN中流表安装到交换机上的时延。更新时延则是流表下发时延与流表写入时延之和。在控制器在对网络中交换机进行流表更新时，交换机更新的先后顺序也会对流表的一致性产生影响。同时流表的更新策略不同，流表的写入时间也不同。

目前对流表一致性的研究大多集中于流表的下发规则，这是因为针对地面网络，网络的节点数目多，业务量大，在网络控制规则发生变化时，需要大量的更新流表。而在卫星网络中，卫星节点的数目不多，且卫星网络所承担的业务量相对地面网络来说较少，此外由于卫星网络特殊的网络环境，卫星节点间的相对距离较大，使得卫星网络相比地面网络具有较大的网络延时。如卫星网络中GEO(高轨卫星网络)节点对地面的延时多达一百多毫秒，而且卫星网络的恶劣的空间环境使得网络中的延迟问题加剧。同时卫星网络的动态拓扑，使得网络环境不稳定，星间、星地间链路的切换使得业务传输过程中所经路径切换频繁，会造成网络控制规则频繁变化，控制器需要不断的收集网络状态，制定路由策略以及更新流表规则。

不一致时延是用来判断计算的路径中各交换机节点是否存在逻辑不一致的情况，若交换机m到控制器的延时c_m大于路径中源交换机节点到控制器的延时c₁与路径中前m个节点的链路延迟之和，则认为交换机m存在不一致时延，则不一致时延△t＝c_m-c₁-前m个节点链路之和，那么在网络对该路径更新流表时，交换机m的流表生效所需要的时间较长，会发生在数据包到达交换机m时，交换机m的流表仍然没有生效的情况；若不存在不一致时延，△t＝0。

发明内容

针对卫星网络的网络延迟大，动态拓扑的特性，本发明分别从控制时延、流表写入时延以及切换来考虑在卫星网络中的流表一致性优化问题，进一步优化了流表一致性，提高了卫星网络的可靠性和稳定性。

本发明通过以下技术放案来实现：

软件定义卫星网络中基于路径相似度的路由决策方法，包括以下步骤：

(101)软件定义卫星网络中的控制器根据当前网络拓扑和当前网络参数计算源节点到目的节点的所有可达路径，并将所有可达路径生成可达路径集；

(102)分别计算原始路径与各可达路径中表示每个交换机状态的节点状态矩阵；所述的节点状态矩阵为：在路径中经过的交换机，在节点状态矩阵的对应元素为1；在路径中不经过的交换机，在节点状态矩阵的对应元素为0；

(103)分别计算各可达路径与原始路径之间的相似矩阵；所述的相似矩阵为：可达路径与原始路径都经过同一交换机或者都不经过同一交换机，在相似矩阵的对应元素为1；否则，在相似矩阵的对应元素为0；

(104)根据相似矩阵计算各可达路径与原始路径的路径相似度，将路径相似度最大的路径作为最大相似度路径。

其中，步骤(104)所述的路径相似度计算具体为：其中，R_i为路径i与原始路径的路径相似度，为路径i与原始路径的相似矩阵，n为软件定义卫星网络中的交换机个数。

一种基于软件定义卫星网络的路由决策方法，将最大相似度路径与最小下发时延路径相结合得到的路径作为最优路径，具体包括以下步骤：

(201)将最小下发时延路径与最大相似度路径结合，构造双目标函数；

所述的双目标函数为：min(∑_m∈Pc_m+Δt_max)与maxR_i，其中，c_m为交换机m到控制器的控制时延，P为软件定义卫星网络中源节点到目的节点的可达路径集，Δt_max为可达路径中各个交换机不一致时延的最大值，R_i为路径i与原始路径的路径相似度；

(202)将双目标函数转换为单目标函数，将满足单目标函数的路径作为最优路径；

所述的单目标函数为：min[α(∑_m∈Pc_m+△t_max)+ββ′(1-R_i)]，其中，β′为归一化因子，α和β分别为两个目标的权重系数，代表两个目标的相对重要程度，且α+β＝1。

其中，所述的最小下发时延路径的获得包括以下步骤：

(301)软件定义卫星网络中的控制器根据当前网络拓扑和当前网络参数计算源节点到目的节点的所有可达路径，并将所有可达路径生成可达路径集；所述的网络参数包含各个节点信息和延迟信息，网络拓扑包含链路连接关系、链路延迟以及网络中交换机和控制器之间的控制延迟；

(302)分别计算各可达路径的中的每个交换机的不一致时延；

(303)找出可达路径中所有满足目标函数min(∑_m∈Pc_m+Δt_max)的路径；其中，c_m为交换机m到控制器的控制时延，P为软件定义卫星网络中源节点到目的节点的可达路径集，Δt_max为可达路径中各个交换机不一致时延的最大值；

(304)判断步骤(303)所得路径的传播延时是否小于等于路径时延指标，并将小于等于路径时延指标的路径作为最小下发时延路径。

一种基于软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，包括一种基于软件定义卫星网络的路由决策方法和流表更新方法。

其中，所述的流表更新方法具体包括步骤：

(401)控制器计算最优路径中各交换机的不一致时延，若最优路径中存在不一致时延，则控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表到交换机的顺序；若最优路径中各交换机均不存在不一致时延，则控制器按照最优路径中各交换机的先后顺序依次下发流表到各交换机；

(402)把各交换机的流表项分为新增流表项、删除流表项、更改流表项以及共同流表项四类；

(403)将最优路径与原始路径对比分析，通过判断交换机的流表项属于哪一类并执行相应的下发流表策略。

其中，步骤(401)中控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表到交换机的顺序，具体为：控制器按照不一致时延的由大到小的顺序对新路径中的交换机下发流表。

本发明具有以下创新点：

(1)将基于下发时延的流表一致性优化方法和基于路径相似度的流表一致性优化方法结合，在判断一致性的基础上求出从源交换机节点到目的交换机节点的具有最短下发延迟的路径，同时在卫星网络发生切换时，新旧路径相似度较高，从而在对路径中交换机更新流表时，所需的下发延时以及写入延时都较小，从而降低流表更新过程的总延时；

(2)通过调整交换机的下发顺序，减少交换机到控制器的时延对流表不一致的影响，通过对新旧流表进行分类处理，减少下发流表项的数目来达到减少流表项的写入时间，从而减少流表更新的总时延。

附图说明

图1为本发明的最优路径选择流程图；

图2为本发明的流表更新流程图；

图3为本发明基于最短下发时延的路由决策中的网络物理拓扑图；

图4为本发明基于路径相似度的路由决策中的网络切换前后路径差异图；

图5为本发明的流表更新示意图。

具体实施方案

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，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。

Ⅰ、软件定义卫星网络中基于下发延时的路由决策方法，具体包括以下步骤：

步骤1：控制器根据网络物理拓扑，计算网络链路延迟矩阵以及各个交换机到控制器的延迟集合，将链路延迟标识在链路上，节点上标识的是节点号以及该节点到交换机的延迟；

实施例：如图3所示，该卫星网络中共有7个节点，9条链路(e₁₂,e₁₄,e₂₃,e₂₅,e₃₆,e₃₇,e₄₆,e₅₇,e₆₇)，图3中给出了各条链路的延迟，以及交换机到控制器的延时。

步骤2：软件定义卫星网络中的控制器根据当前网络参数计算源节点到目的节点的所有可达路径，并将所有可达路径生成可达路径集；

所述的网络参数包含各个节点信息和延迟信息，网络拓扑包含链路的连接关系、链路延迟以及网络中交换机节点和控制器之间的控制延迟。

实施例：假设源节点和目的节点分别为节点1和节点7，则根据当前网络参数利用深度遍历算法计算节点1与节点7之间所有可达路径，有(1,2,5,7,0,0,0)，(1,2,3,7,0,0,0)，(1,2,3,6,7,0,0)，(1,4,6,7,0,0，0)，(1，4，6，3，7，0，0)，(1,4,6,3,2,5,7)。

步骤3：计算所有可达路径中的每个交换机是否存在不一致时延Δt；

实施例：所有可达路径中只有路径(1,2,5,7,0,0,0)存在不一致时延，不一致时延的最大值Δt_max值为4，其他可达路径的Δt_max为0。

步骤4：计算每条可达路径中所有节点到控制器的控制时延之和；

实施例：所有可达路径的控制时延之和分别为25,21,27,21,29,43。

步骤5：结合步骤3和步骤4计算满足min(∑_m∈Pc_m+Δt_max)的路径；

实施例：选择结果为路径(1,2,3,7,0,0,0)和(1,4,6,7,0,0,0)。

步骤6：判断步骤5所得路径的传播延时是否小于等于路径时延指标，并将小于等于路径时延指标的路径作为最小下发时延路径。

Ⅱ、软件定义卫星网络中基于路径相似度的路由决策方法，具体步骤如下：

步骤1：控制器根据当前网络拓扑和当前网络参数计算源节点到目的节点的所有可达路径，并将所有可达路径生成可达路径集；

所述的网络参数包含各个节点信息和延迟信息，网络拓扑包含链路的连接关系、链路延迟以及网络中交换机节点和控制器之间的控制延迟。

步骤2：分别计算原始路径与各可达路径中表示每个交换机状态的节点状态矩阵；

假设网络中共有n个节点，则表示网络切换前的原始路径中各交换机状态，(1≤i≤q)表示网络切换后的可达路径i中各交换机状态，q为可达路径的个数；若路径经过交换机k(1≤k≤n)，则反之，若路径不经过交换机k，则

实施例：如图4所示，假设从节点S₁到节点S₁₄切换前的原始路径为(S₁，S₃，S₄，S₅，S₆，S₁₀，S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄)，则原始路径的节点状态矩阵X_A＝(1,0,1,1,1,1,0,0,0,1,1,1,1,1)。

当S₁与S₃断开连接后，控制器根据收到的数据包中业务源和目的IP以及网络拓扑结构计算S₁节点与S₁₄节点之间的新的所有可达路径集有两种，分别为路径一(S₁，S₅，S₆，S₁₀，S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄)和路径二(S₁，S₂，S₇，S₈，S₉，S₁₀，S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄)，则各可达路径节点状态矩阵为：X₁＝(1,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,1,1,1)、X₂＝(1,1,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1)。

步骤3：分别计算各可达路径与原始路径之间的相似矩阵；

相似矩阵S＝[S₁,S₂,…,S_q]，当即当可达路径与原始路径都经过交换机k或都不经过交换机k时，否则

实施例：对比可知路径一、路径二分别于原始路径的相似矩阵分别为S₁＝(1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1)、S₂＝(1,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1)。

步骤4：根据相似矩阵计算各可达路径与原始路径的路径相似度，将路径相似度最大的路径作为最大相似度路径。

路径相似度其中，为路径i与原始路径的相似矩阵，n为软件定义卫星网络中的交换机个数。

实施例：计算路径一、路径二的路径相似度分别为R₁＝6/7、R₂＝3/7，所以，选择路径一为最大相似度路径。

Ⅲ、一种基于软件定义卫星网络的路由决策方法，具体包括步骤：

步骤1：将Ⅰ得到的最小下发时延路径与Ⅱ得到的最大相似度路径结合，构造双目标函数；

所述的双目标函数为：min(∑_m∈Pc_m+Δt_max)与maxR_i，其中，c_m为交换机m到控制器的控制时延，P为软件定义卫星网络中源节点到目的节点的可达路径集，Δt_max为可达路径中各个交换机不一致时延的最大值，R_i为路径i与原始路径的路径相似度；

其中，最小下发时延路径的获得方式还可以采用现有技术中的基于平均时延的SDN控制逻辑一致性解决方案(CLCBAD)。CLCBAD方法的中心思想是首先对网络节点间、节点与SDN控制器之间的网络时延进行平均测量，然后通过改变下发控制规则的次序和时间而使SDN网络到达逻辑控制一致。考虑延时对流表一致性的影响，根据交换机的不一致延时建立了路由优化模型，通过选取不存在不一致性问题的交换机，得到SDN网络逻辑一致的时延最小路由路径。

步骤2：将双目标函数转换为单目标函数，将满足单目标函数的路径作为最优路径；

所述的单目标函数为：min[α(∑_m∈Pc_m+Δt_max)+ββ′(1-R_i)]，其中，β′为归一化因子，α和β分别为两个目标的权重系数，代表两个目标的相对重要程度，且α+β＝1。

Ⅳ、一种基于软件定义卫星网络的流表更新方法，包括以下步骤：

步骤1：由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或者常规方法确定最优路径；

实施例：如图5所示，网络路径从原始路径S1→S2→S3→S5→S6切换到最优路径S1→S2→S4→S6。

步骤2：控制器检查最优路径是否存在不一致时延问题，若存在，则控制器需要对交换机下发流表的顺序进行调整，并按照调整后的顺序下发流表；若不存在，则按照路径节点的先后顺序依次下发流表；

控制器需要对交换机下发流表的顺序进行调整，并按照调整后的顺序下发流表，具体包括步骤：

(201)将最优路径中所有交换机的不一致时延Δt_k按从大到小的顺序依次放入队列L中；

(202)设置一个定时器T，初始化T＝Δt_kmax；

(203)定时器T开始工作，判断定时器T的值是否为0，若T＝0，转到步骤3；否则若T＝Δt_k，则转到步骤(204)，否则转到步骤(205)；

(204)对交换机k下发流表，并删除队列L中的第一个元素；

(205)定时器递减一个时钟周期，转到步骤(203)。

步骤3：把各交换机的流表项分为新增流表项、删除流表项、更改流表项以及共同流表项四类；

实施例：交换机S4需要增加一条将数据包转给S6的流表项，交换机S3、S5需要删除旧路由流表项，交换机S2则需要将原先的操作更改为将数据包转发给S4。

步骤4：将最优路径与原始路径对比分析，通过判断交换机的流表项属于哪一类并执行相应的下发流表策略。

可以把交换机的流表项分为新增、删除、更改以及共同流表项四类，通过判断交换机的流表项属于哪一类并执行相应的下发流表策略，如果属于新增流表项，则执行新增操作，同理可类比于删除与更改流表项，如果属于共同流表项，则不更新该交换机的流表项。

实施例：当发生切换后，数据包到达交换机S2，S2将数据上传给控制器，控制器根据下发顺序，增加S4中的流表项，然后等待一个S2到S6的延时，删除S3、S5的流表项，然后更改S2的流表操作，最后控制器将原先从S2接收到的数据包再发回给S2，该数据包就会按照新的流表进行转发。

Ⅴ、一种针对软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，包括网络感知、路由决策和流表更新三个部分。

网络感知包括链路发现和拓扑管理，实时监测卫星网络全局状态，维护卫星网络中不同时刻的拓扑图，并及时更新网络的拓扑状态及事件。

路由决策的方法提出了两种，分别为基于下发延时的路由决策方法和基于路径相似度的路由决策方法。

基于下发延时的流表一致性优化根据网络参数计算源节点和目的节点之间的所有可达路径集，在判断一致性的基础上求出从源交换机节点到目的交换机节点的具有最短下发延时的路径，从而在对路径中交换机更新流表时，所需的下发延时最小；基于路径相似度的流表一致性优化是当网络发生切换后重新计算源节点和目的节点之间的所有可达路径，从中选择路径相似度最大的路径作为最优路径，从而在网络发生切换更新流表时需要更新的节点数目最少，所需的写入时延也最小。

流表更新从调整路径中交换机的下发先后顺序和对新旧流表进行分类两个方面减小更新延时。

流表更新策略中，一是调整路径中交换机的下发先后顺序，流表下发的先后顺序与路径中各交换机的不一致时延的大小相关，先对路径中不一致时延最大的交换机下发流表；二是对新旧流表进行分类，将流表项分为新增流表项、删除流表项、更改流表项以及共同流表项四类。

应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.软件定义卫星网络中基于路径相似度的路由决策方法，其特征在于：包括以下步骤：

(101)软件定义卫星网络中的控制器根据当前网络拓扑和当前网络参数计算源节点到目的节点的所有可达路径，并将所有可达路径生成可达路径集；

(102)分别计算原始路径与各可达路径中表示每个交换机状态的节点状态矩阵；所述的节点状态矩阵为：在路径中经过的交换机，在节点状态矩阵的对应元素为1；在路径中不经过的交换机，在节点状态矩阵的对应元素为0；

(103)分别计算各可达路径与原始路径之间的相似矩阵；所述的相似矩阵为：可达路径与原始路径都经过同一交换机或者都不经过同一交换机，在相似矩阵的对应元素为1；否则，在相似矩阵的对应元素为0；

(104)根据相似矩阵计算各可达路径与原始路径的路径相似度，将路径相似度最大的路径作为最大相似度路径。

2.根据权利要求1所述的软件定义卫星网络中基于路径相似度的路由决策方法，其特征在于：步骤(104)所述的路径相似度计算具体为：其中，R_i为路径i与原始路径的路径相似度，为路径i与原始路径的相似矩阵，n为软件定义卫星网络中的交换机个数。

3.一种基于软件定义卫星网络的路由决策方法，其特征在于：将用权利要求1所述方法得到的最大相似度路径与最小下发时延路径相结合得到的路径作为最优路径，具体包括以下步骤：

(201)将最小下发时延路径与最大相似度路径结合，构造双目标函数；

所述的双目标函数为：min(∑_m∈Pc_m+△t_max)与maxR_i，其中，c_m为交换机m到控制器的控制时延，P为软件定义卫星网络中源节点到目的节点的可达路径集，△t_max为可达路径中各个交换机不一致时延的最大值，R_i为路径i与原始路径的路径相似度；

(202)将双目标函数转换为单目标函数，将满足单目标函数的路径作为最优路径；

所述的单目标函数为：min[α(∑_m∈Pc_m+△t_max)+ββ′(1-R_i)]，其中，β′为归一化因子，α和β分别为两个目标的权重系数，代表两个目标的相对重要程度，且α+β＝1。

4.根据权利要求3所述的一种基于软件定义卫星网络的路由决策方法，其特征在于：所述的最小下发时延路径的获得包括以下步骤：

(301)软件定义卫星网络中的控制器根据当前网络拓扑和当前网络参数计算源节点到目的节点的所有可达路径，并将所有可达路径生成可达路径集；所述的网络参数包含各个节点信息和延迟信息，网络拓扑包含链路连接关系、链路延迟以及网络中交换机和控制器之间的控制延迟；

(302)分别计算各可达路径的中的每个交换机的不一致时延；

(303)找出可达路径中所有满足目标函数min(∑_m∈Pc_m+△t_max)的路径；其中，c_m为交换机m到控制器的控制时延，P为软件定义卫星网络中源节点到目的节点的可达路径集，△t_max为可达路径中各个交换机不一致时延的最大值；

(304)判断步骤(303)所得路径的传播延时是否小于等于路径时延指标，并将小于等于路径时延指标的路径作为最小下发时延路径。

5.一种基于软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，其特征在于，包括如权利要求3所述的一种基于软件定义卫星网络的路由决策方法和流表更新方法。

6.根据权利要求5所述的一种基于软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，其特征在于，所述的流表更新方法具体包括步骤：

(401)控制器计算最优路径中各交换机的不一致时延，若最优路径中存在不一致时延，则控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表到交换机的顺序；若最优路径中各交换机均不存在不一致时延，则控制器按照最优路径中各交换机的先后顺序依次下发流表到各交换机；

(402)把各交换机的流表项分为新增流表项、删除流表项、更改流表项以及共同流表项四类；

(403)将最优路径与原始路径对比分析，通过判断交换机的流表项属于哪一类并执行相应的下发流表策略。

7.根据权利要求6所述的一种基于软件定义卫星网络的流表一致性优化方法，其特征在于，步骤(401)中控制器按照不一致时延的降序来调整下发流表到交换机的顺序，具体为：控制器按照不一致时延的由大到小的顺序对新路径中的交换机下发流表。