CN106059650B - 基于sdn和nfv技术的天地一体化网络架构及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于软件定义网络和网络功能虚拟化的天地一体化网络架构。在该体系架构中，全网分为地面网部分和空间网部分，被统一的划分为管理层、控制层和转发层。其中，管理层负责天地一体化网络中地面部分和空间部分的网络状态与网络服务功能的注册与查询，和路由、安全、计费、服务调用，以及资源管理等策略的制定；控制层包括地面和空间两部分，负责根据管理层的策略控制数据转发并收集网络链路以及网络服务功能的信息；转发层包括地面和空间两部分，负责转发数据并提供网络服务功能。本架构采用了软件定义网络和网络功能虚拟化的思想，在天地一体化网络中实现了高效的信息传输管控以及卫星服务的按需提供。

Description

基于SDN和NFV技术的天地一体化网络架构及数据传输方法

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，特别是涉及一种基于软件定义网络SDN技术和网络功能虚拟化NFV技术的天地一体化网络架构及数据传输方法。

背景技术

现有互联网自面世以来，已经渗透到包括政治、文化、教育、卫生、体育甚至医疗等人类社会生活的方方面面，在人类社会的发展过程中发挥了巨大的推动作用。进入21世纪以来，随着卫星通信高速发展和空间应用需求逐渐增加，空间信息网络在经济和国防领域，如航天测控、对地观测及空间科学实验等领域的作用日趋明显，对空间与地面之间的信息传输提出了新的、更高的要求。卫星通信有全球覆盖、高移动性和高可扩展性等特点，可以提供覆盖全球的语音、导航、遥感和电视转播等服务。但是，卫星通信有带宽和频率资源有限、可控可管性差、卫星服务提供方式僵化以及与地面通信结合差等缺点。为此，近年来世界各国都积极开展了空间信息网络的研究工作。但是应该看到，目前国内外对空间信息网络相关研究工作还基本处在起步阶段，急需突破已有的研究思路，以一种有效而灵活的方式来为天地一体化网络提供可控可管的信息传输以及按需的卫星服务，以整合和优化空间资源，提高信息传输效率，提高卫星服务质量，适应未来天地一体化网络的多元化需求。

近年来，新兴的网络技术，比如软件定义网络(Software Defined Network,SDN)，和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)为我们提供了解决传统卫星网络问题的新方法。

SDN是一种新的网络概念，为网络管理和配置带来了新的思路。它引入了把控制策略从转发设备上分离出来的思想，把当前IP网络互连节点中决定报文如何转发的复杂控制逻辑从交换机/路由器等设备中分离出来，以便通过软件编程实现对数据转发规则的控制，最终达到对流量进行自由操控的目的。控制器南向接口是SDN的核心技术之一，控制器通过南向接口与底层交换机通信，实现了交换机/路由器的控制平面与转发平面功能的解耦，由集中控制器下发统一的数据转发规则给交换设备，现在，南向接口大多采用OpenFlow协议。

NFV技术旨在利用标准的IT(Information Technology)虚拟化技术，把网络功能从物理硬件中解耦出来，在一个通用的x86硬件平台上，而不是定制的设备上，实现多种类型网络设备的快速部署。NFV技术的突出优点是可以频繁快速的提供新的服务，提高了网络服务功能部署的灵活性，并且降低了网络服务功能部署的代价。

由于空间网络环境具有卫星链路时延大、链路状况差以及不能保证端到端传输等特点，地面网络中使用的传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)不能继续在空间网络中使用。需要有一种合适的空间组网协议来满足在空间链路中数据可靠传输的需求。

延迟容忍网络(Delay Tolerant Network,DTN)是一种通信网络技术，可以在高信号传输时延或者长时间链路不可用的环境中，保证通信实体之间的数据传输。DTN主要包括汇聚层协议Licklider传输协议(Licklider Transmission Protocol,LTP)和包裹协议(Bundle Protocol,BP)。DTN数据传输的基本单位是包裹(bundle)，采取存储转发的形式，逐跳地保障数据在受限网络中的可靠传输。现有的DTN部署方式中，比较常用的是使用ION(Interplanetary Overlay Network)。ION是一个以“覆盖”(overlay)方式实现DTN在IP网络中部署的软件，采用连接图路由(Contact Graph Routing,CGR)和自定义的节点标识方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于软件定义网络SDN技术和网络功能虚拟化NFV技术的天地一体化网络架构及数据传输方法，以实现整合优化空间资源，提高信息传输效率，满足服务质量需求，适应未来天地一体化网络的多元化需求。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

基于SDN和NFV技术的天地一体化网络架构，所述天地一体化网络架构包括：

管理层，用于进行网络状态与网络服务功能的注册于查询，并根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略；

控制层，用于将预处理后的所述数据传输质量管理策略发送至转发层，并将实时收集得到的网络链路和网络服务的网络状态信息发送至管理层；

转发层，根据预处理后的所述数据传输质量管理策略进行数据转发，并提供相应的网络服务。

优选地，所述管理层采用卫星网络管理中心SNMC；

所述卫星网络管理中心包括：

注册单元，根据用户的注册信息进行网络状态与网络服务功能的注册认证；

查询单元，根据用户的查询需求进行网络状态与网络服务功能的查询；

策略制定单元，根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略。

优选地，

所述网络状态包括带宽、丢包率和时延；

所述网络服务功能包括防火墙、入侵检测服务、计费器、网络地址转换器和性能增强代理；

所述管理策略包括路由策略、安全策略、计费策略、服务调用策略和资源管理策略。

优选地，所述控制层包括：

地面控制器，收集维护本域网络服务功能注册信息并发送至管理层，并根据管理层制定的数据传输策略控制数据的转发；

空间控制器，实时收集空间网络链路网络状态信息，并发送至管理层。

优选地，所述地面控制器包括：

卫星网关控制器，收集并在数据库中维护卫星网关中的网络服务功能注册信息，并将此信息转发给卫星网络管理中心SNMC，同时，根据卫星网络管理中心SNMC制定的服务调用策略，控制数据流通过卫星网关中卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能；

数据中心控制器，收集并在数据库中维护数据中心交换机/路由器上的网络服务功能的注册信息，并将此信息转发给卫星网络管理中心SNMC，同时，根据卫星网络管理中心SNMC制定的服务调用策略以及路由策略，控制数据流通过数据中心中卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能。

优选地，所述空间控制器为GEO卫星，所述GEO卫星收集来自中轨MEO卫星以及低轨LEO卫星的链路状态信息，并发送给卫星网络管理中心SNMC；将从卫星网络管理中心SNMC收到的路由策略以及资源管理策略转换成OpenFlow流表形式下发到中轨卫星MEO。

优选地，所述空间控制器GEO卫星的控制链路实现方式为：

使用bundle隧道方式在GEO卫星与MEO卫星之间传输控制信令，即bundle数据包中封装OpenFlow信令数据。

优选地，所述转发层包括：

地面转发系统，根据本域控制器的指令转发数据和承载卫星网络服务功能；

空间转发系统，按照控制层的控制规则转发用户数据。

优选地，所述地面转发系统包括路由器、交换机和卫星网关。

优选地，所述空间转发系统包括中轨卫星MEO和低轨卫星LEO。

优选地，在中轨卫星MEO上部署OVS，在GEO卫星节点上布置POX控制器；在POX控制器的控制下，中轨卫星MEO按照流表规则转发数据。

基于SDN和NFV技术的天地一体化网络数据传输方法，该方法的步骤包括：

卫星网络管理中心SNMC收集数据中心和卫星网关中的网络服务功能注册信息和卫星网络中的网络状态信息，制定路由策略、服务调用策略和资源管理策略等；

用户请求的数据从数据中心的服务器发出，在地面网络中经过卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能的处理，然后在空间网中，根据卫星网络管理中心SNMC下发的策略，实现在卫星节点间的数据传输以及资源管理。

优选地，所述信息收集和策略制定的步骤包括：

步骤1、数据中心DC中的网络服务功能首先向数据中心DC的控制器进行注册；注册的网络服务功能信息存储在本地控制器的数据库中；然后数据中心DC中的控制器把已经注册的网络服务功能信息转发给卫星网络管理中心SNMC；

步骤2、在接收到来自数据中心DC中控制器的网络服务功能注册信息之后，卫星网络管理中心SNMC向数据中心控制器发送注册确认信息；

步骤3、卫星网关SG中的网络服务功能首先向卫星网关SG中的控制器进行注册；注册的网络服务功能信息存储在本地控制器的数据库中；然后卫星网关SG中的控制器把已经注册的网络服务功能信息转发给卫星网络管理中心SNMC；

步骤4、在接收到来自卫星网关SG中控制器的网络服务功能注册信息之后，卫星网络管理中心SNMC向卫星网关SG控制器发送注册确认信息；

步骤5、MEO卫星和LEO卫星首先周期性地向GEO卫星发送网络状态信息；然后GEO卫星把收集到的网络状态信息转发给卫星网络管理中心SNMC；

步骤6、在接收到来自GEO卫星的网络状态信息之后，卫星网络管理中心SNMC向GEO卫星发送确认信息；

步骤7、用户向卫星网络管理中心SNMC发出请求，想要通过卫星网络从数据中心获取数据，并且申请网络服务功能来处理这些数据；

步骤8、在接收到来自用户的请求之后，卫星网络管理中心SNMC向用户发送确认信息；

步骤9、卫星网络管理中心SNMC根据用户的请求和已经注册的网络服务功能信息，制定路由策略以及服务调用策略等，并下发给数据中心DC和卫星网关SG中的控制器，指导控制器下发控制指令来控制数据在承载卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能的节点上转发，并得到相应网络服务功能的处理；卫星网络管理中心SNMC根据用户的请求和已经收集的卫星网络状态信息，制定路由策略以及资源管理策略，并下发给GEO卫星，指导GEO卫星下发控制指令来控制数据在卫星间的转发以及管理空间网络资源。

优选地，所述数据传输以及资源管理的步骤包括：

步骤10、用户请求的数据从数据中心的服务器发出，在数据中心控制器的控制下，在承载卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能的节点上转发，并得到相应的网络服务功能的处理；

步骤11、用户请求的数据通过地面骨干网传输到卫星网关SG1，并且根据卫星网络管理中心SNMC下发的策略，在卫星网关SG1控制器的控制下，得到卫星网关SG1中网络服务功能的处理；

步骤12、用户请求的数据经过卫星网关SG1的处理，从TCP/IP协议栈转换为DTN协议栈，向LEO卫星发送；根据SNMC制定的路由策略，GEO卫星控制数据在MEO/LEO卫星中转发，同时，根据SNMC制定的资源管理策略，GEO卫星下发控制指令为传输的数据分配合适的卫星网络资源；然后，用户申请的数据发送到用户侧的卫星网关SG2；

步骤13、卫星网关SG2收到的数据经过转换后，从DTN协议栈转换为TCP/IP协议栈；然后根据卫星网络管理中心SNMC下发的策略，在卫星网关SG2控制器的控制下，得到卫星网关SG2中网络服务功能的处理；最后，用户请求的数据通过地面骨干网到达用户，完成整个传输过程。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案在保证空间网络高利用率的同时，实现天地一体化网络的按需服务、合理的整合优化空间资源、提高信息传输效率，从而满足服务质量需求，适应未来天地一体化网络的多元化需求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本方案所述天地一体化网络架构的网络模型示意图；

图2示出本方案所述天地一体化网络架构的网络拓扑示意图；

图3示出本方案所述天地一体化网络的卫星网关协议栈的示意图；

图4示出本方案所述天地一体化网络的空间控制链路隧道方式的封装示意图；

图5示出本方案所述天地一体化网络架构的信令及数据传输流程图；

图6示出实施例1的示意图；

图7示出实施例2的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种基于软件定义网络SDN技术和网络功能虚拟化NFV技术的天地一体化网络架构。在该体系架构中，全网分为地面网部分和空间网部分，被统一的划分为管理层，控制层，和转发层。其中，管理层负责天地一体化网络中地面部分和空间部分的路由、安全、计费，服务调用，以及资源管理等策略的制定；控制层包括地面和空间两部分，负责根据管理层的策略控制数据转发并收集网络链路以及网络服务功能的信息；转发层包括地面和空间两部分，负责转发数据并提供网络服务功能。通过采用SDN和NFV技术，在天地一体化网络中实现了高效的信息传输管控以及卫星服务的按需提供。在下文中，本发明所提出的基于软件定义网络和网络功能虚拟化的天地一体化的网络体系架构简称为“天地一体化网络”。

一、天地一体化网络体系架构的具有构架包括：

如图2所示，为天地一体化网络架构拓扑示意图。在天地一体化网络中，管理层的实体为卫星网络管理中心(Satellite Network Management Center,SNMC)。考虑到卫星上处理能力有限，将SNMC放置在地面骨干网，负责天地一体化网络中的网络状态与网络服务功能的注册与查询，以及数据传输策略的制定。本方案中，所述网络状态指可用带宽、丢包率和时延等；所述网络服务功能指防火墙、入侵检测服务、计费器、网络地址转换器和性能增强代理(Performance Enhancing Proxy,PEP)等；所述数据传输策略包括路由策略计算、安全策略制定、计费策略制定、服务调用策略，以及资源管理策略制定。这里需要注意的是，本方案服务调用策略特指由SNMC在已经注册的网络服务功能中指定使用哪些网络服务功能。

如图2所示，在天地一体化网络中，控制层的实体分为两部分。一部分是地面控制器，包括卫星网关承载的卫星网关控制器(Controller-Satellite Gateway,C-SG)，以及数据中心控制器(Controller-Data Center,C-DC)；另一部分是空间控制器，这里由地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)卫星承载。控制器负责根据管理层的策略控制数据转发并收集网络链路以及网络服务功能的信息。地面控制器有两个作用：(1)收集并在数据库中维护本域的网络服务功能注册信息，将此信息转发给SNMC；(2)根据SNMC制定的服务调用策略以及路由策略，控制数据流通过本域中SNMC指定的网络服务功能。空间网控制器有两个作用：(1)收集来自中轨(Medium Earth Orbit,MEO)卫星以及低轨(Low EarthOrbit,LEO)卫星的链路状态信息，并发送给SNMC；(2)将从SNMC收到的路由策略以及资源管理策略转换成OpenFlow流表形式下发到MEO。

如图2所示，在天地一体化网络中，转发层的实体分为两部分。一部分是地面上的转发实体，包括路由器、交换机和卫星网关(Satellite Gateway,SG)；另一部分是空间中的转发实体，包括MEO卫星和LEO卫星。地面上的转发实体有两个作用：(1)根据本域控制器的指令转发数据；(2)承载卫星网络服务功能，如防火墙、计费器、入侵检测服务以及PEP等。空间中的转发实体负责在GEO卫星的控制下转发用户数据。LEO卫星负责接收用户数据，并把用户数据向覆盖自己的MEO卫星转发；MEO卫星负责接收LEO卫星发送来的数据，并通过MEO卫星的星间链路向用户转发。

本方案在天地一体化网络中，运用了SDN的控制与转发分离的思想。在地面网部分，应用SDN思想来控制数据的转发，使用一种软件定义网络控制器POX作为C-DC和C-SG，转发设备上安装OVS(高质量的、多层虚拟交换机OpenvSwitch，OVS)。在空间网部分，由于GEO卫星具有覆盖面积大，与地面连接持续稳定，处理能力强等特点，所以将空间网控制器放置在GEO卫星上。具体的方法是把控制器POX，部署在GEO卫星节点上，南向接口采用OpenFlow协议。该部署的优点是能够实现对空间网中卫星的全局性控制，能够更加快速的部署细粒度的控制策略。同时，在MEO卫星上部署OVS，在POX控制器的控制下，按照流表规则转发数据。

本方案在天地一体化网络中，利用NFV技术来部署卫星网络服务功能。在这里，我们把与卫星数据相关的网络服务功能，如防火墙、计费器、入侵检测服务以及PEP等，部署在轻量级的虚拟机中，这些虚拟机运行位置可以是卫星网关，数据源网络域，或者终端网络域。这种方式可以灵活地简化诸如添加/删除/打开/关闭服务之类的配置操作。我们只需要操作虚拟机，就可以配置基于不同代码平台的网络服务功能。本架构的地面网部分支持复杂的集成服务，即把多个网络服务功能以一定的顺序连成一个服务功能链。其设计思想可以总结为网络功能分散化，转发设备功能化，即网络服务功能可以部署在转发层各处的设备上。通过控制器下发指令实现在数据转发的过程中，指引数据流通过SNMC指定的网络服务功能。

本方案在天地一体化网络中，采用延迟容忍网络和TCP/IP混合协议栈。在空间网部分，由于卫星链路时延大，而且链路状况差，不能保证端到端传输，所以采用DTN协议，用bundle数据包进行数据传输，使用ION作为DTN的部署方式。而地面协议栈是TCP/IP，所以本架构将协议转换功能放置在SG上。如图3所示为SG上的协议栈示意图。本发明不涉及到物理层和数据链路层，因此在协议栈示意图中省略这两层。通过采用层次化、模块化、多进程的协议转换功能，在SG处实现属于TCP/IP协议栈的IP数据包和属于DTN协议栈的bundle数据包的双向转换。

本方案在天地一体化网络的空间部分，使用隧道方式在GEO卫星与MEO卫星之间传输控制信令。这是一种在DTN的基础上部署OpenFlow的方法，使用bundle隧道的方式，即在bundle数据包中封装OpenFlow信令数据。如图4所示为天地一体化网络空间控制链路隧道方式封装图。隧道头部为标准的bundle数据包头部，隧道数据为OpenFlow的信令数据。隧道程序采用双进程方式，一个进程负责接收bundle数据包并解封装发送到TCP/IP协议栈处理进程；一个进程负责接收TCP/IP协议栈的数据包并封装进bundle。

二、天地一体化网络中信令以及数据的传输流程：

如图5所示，为天地一体化网络中信令以及数据的传输流程。用户想要通过卫星网络从数据中心获取数据，并且申请了网络服务功能来处理这些数据。全部过程可以分为两个部分：步骤1到步骤9是数据传输和数据处理的准备阶段，步骤10到步骤13是数据传输和数据处理阶段。详细过程描述如下：

1、步骤1到步骤9是数据传输和数据处理的准备阶段，数据中心和卫星网关中的网络服务功能(比如防火墙、入侵检测服务和PEP)向SNMC注册，并且SNMC收集卫星的状态信息(比如卫星链路可用带宽、时延和丢包率)。这个阶段详细描述如下：

步骤1、数据中心DC中的网络服务功能首先向DC的控制器进行注册。注册的网络服务功能信息(包括服务名字、功能描述、版本和大小)存储在本地控制器的数据库中。然后DC中的控制器把已经注册的网络服务功能信息转发给SNMC，在步骤9中，可以使用这些信息，针对用户对网络服务功能的请求进行匹配查找，并制定服务调用策略。

步骤2、在接收到来自DC中控制器的网络服务功能注册信息之后，SNMC向数据中心控制器发送注册确认信息。

步骤3、卫星网关SG中的网络服务功能首先向SG中的控制器进行注册。注册的网络服务功能信息(内容同步骤1)存储在本地控制器的数据库中。然后SG中的控制器把已经注册的网络服务功能信息转发给SNMC，在步骤9中，可以使用这些信息，针对用户对网络服务功能的请求进行匹配查找，并制定服务调用策略。

步骤4、在接收到来自SG中控制器的网络服务功能注册信息之后，SNMC向SG控制器发送注册确认信息。

步骤5、MEO卫星和LEO卫星首先周期性地向GEO卫星发送网络状态信息，包括可用带宽、丢包率和时延等。然后GEO卫星把收集到的网络状态信息转发给SNMC。在步骤9中，SNMC需要使用这些信息制定路由策略以及资源管理策略等。

步骤6、在接收到来自GEO卫星的网络状态信息之后，SNMC向GEO卫星发送确认信息。

步骤7、用户向SNMC发出请求，想要通过卫星网络从数据中心获取数据，并且申请网络服务功能来处理这些数据。

步骤8、在接收到来自用户的请求之后，SNMC向用户发送确认信息。

步骤9、SNMC根据用户的请求和已经注册的网络服务功能信息，制定路由策略、服务调用策略以及安全策略等，下发给DC和SG中的控制器，指导控制器下发控制指令来控制数据在承载SNMC指定的网络服务功能的节点上转发，并得到相应网络服务功能的处理；SNMC根据用户的请求和已经收集的卫星网络状态信息，制定路由策略以及资源管理策略等，下发给GEO卫星，指导GEO卫星下发控制指令来控制数据在卫星间的转发以及管理空间网络资源。

2、步骤10到步骤13是数据传输和数据处理阶段。用户请求的数据从数据中心的服务器发出，在地面网络中经过SNMC指定的网络服务功能的处理。然后在空间网中，根据SNMC下发的策略，实现在卫星节点间的数据传递以及资源管理。

这个阶段详细描述如下：

步骤10、用户请求的数据从数据中心的服务器发出，在数据中心控制器的控制下，在承载SNMC指定的网络服务功能的节点上转发，并得到相应的网络服务功能的处理。

步骤11、用户请求的数据通过地面骨干网传输到SG1。并且根据SNMC下发的策略，在SG1控制器的控制下，得到SG1中网络服务功能(如计费以及分类等)的处理。

步骤12、用户请求的数据经过SG1的处理，从TCP/IP协议栈转换为DTN协议栈，向LEO卫星发送。根据SNMC制定的路由策略，GEO卫星控制数据在MEO/LEO卫星中转发。同时，根据SNMC制定的资源管理策略，GEO卫星下发控制指令为传输的数据分配合适的卫星网络资源。然后，用户申请的数据发送到用户侧的SG2。

步骤13、SG2收到的数据经过转换后，从DTN协议栈转换为TCP/IP协议栈。然后根据SNMC下发的策略，在SG2控制器的控制下，得到SG2中网络服务功能(如PEP以及NAT)的处理。最后，用户请求的数据通过地面骨干网到达用户，整个传输过程结束。

下面通过实施例对本发明做进一步说明：

实施例1：空间网络控制链路的隧道实现方式

本实施例主要涉及在空间网中，是一种以bundle隧道的方式实现SDN控制器与OVS之间的OpenFlow信令交互的方法。如图6所示为实施例1的示意图，使用了bundle隧道的方式，即在bundle数据包中封装OpenFlow信令数据。隧道程序采用双进程方式，一个进程负责接收bundle数据包并解封装发送到TCP/IP协议栈处理进程；一个进程负责接收TCP/IP协议栈的数据包并封装进bundle数据包。具体实现方式为：

分别在GEO卫星节点和MEO卫星节点上创建虚拟网口tun0，并且运行隧道程序。(1)OVS向POX控制器发送信令：建立默认路由将OVS发出的信令包传输给虚拟网口tun0。隧道程序监听tun0，若有数据包进入，则截获该数据包(即为OpenFlow信令包)，取出OpenFlow信令数据，将其作为bundle数据包的负载发向承载POX控制器的GEO卫星节点。GEO卫星节点接收到bundle隧道数据包之后，调用隧道程序将其解封装，通过原始套接字发送到本地的回环地址lo，POX控制器就可以收到OVS发过来的信令。(2)POX控制器向OVS发送信令：建立默认路由将POX控制器发出的信令包传输给虚拟网口tun0。隧道程序监听tun0，若有数据包进入，则截获该数据包(即为OpenFlow信令包)，取出OpenFlow信令数据，将其作为bundle数据包的负载发向承载OVS的MEO卫星节点。MEO卫星节点接收到bundle隧道数据包之后，隧道程序将其解封装，通过原始套接字发送到本地的回环地址lo，OVS就可以收到POX控制器发过来的信令。

在实际部署中，本发明在空间网部分采用ION来部署DTN，其网络拓扑配置方式是读取描述节点间连接情况的配置脚本。本发明在部署空间网络控制链路隧道时，为了实现空间网络中的控制层与转发层分离，采取控制链路和数据链路分别运行独立的ION进程的方式，具体说明如下：

如图6所示，一颗GEO卫星要与五颗MEO卫星建立控制链路并控制MEO卫星的数据转发。分别在GEO卫星和五颗MEO卫星上运行ION进程，读取的拓扑连接性脚本内容是从一颗GEO卫星到五颗MEO卫星的连接。然后在MEO卫星上开启新的ION进程，读取的拓扑连接性脚本内容为五颗MEO卫星之间的连接。即在MEO卫星上运行两个独立的ION进程，从而实现控制链路与数据链路的分离，体现SDN的数据与转发分离的思想。

实施例2：天地一体化网络数据传输和按需服务实现方法

数据中心1中的服务器与数据中心2中的服务器通过卫星网络进行数据交互。数据交互的服务需求是要保证数据安全，所以申请数据中心里安全相关的网络服务功能，并且，在SG处申请计费服务和性能增强服务。由于数据中心之间的交互的数据量很大，需要较大的带宽，所以在卫星网络中，需要分配带宽较大的链路。如图7所示，为实施例2的示意图。

首先，数据中心里的网络服务功能向数据中心控制器进行注册，在本实施例中，数据中心1和数据中心2里安全相关的网络服务功能——防火墙和入侵检测服务，向本域的控制器C-DC1和控制器C-DC2注册服务名字、功能描述、版本和大小等信息。C-DC1和C-DC2分别将注册的网络服务功能信息存储在数据库中，然后转发给SNMC。

在接收到来自C-DC1和C-DC2的网络服务功能注册信息之后，SNMC分别向C-DC1和C-DC2发送注册确认信息。

卫星网关SG1和SG2中的网络服务功能向SG控制器进行注册，在本实施例中，SG1和SG2中的计费服务和性能增强服务向分别向本域的控制器C-SG1和C-SG2注册服务名字、功能描述、版本和大小等信息。C-SG1和C-SG2分别将注册的网络服务功能信息存储在数据库中，然后转发给SNMC。

在接收到来自C-SG1和C-SG2的网络服务功能注册信息之后，SNMC分别向C-SG1和C-SG2发送注册确认信息。

MEO卫星和LEO卫星周期性地向GEO卫星发送网络状态信息，包括可用带宽、丢包率和时延等。然后GEO卫星把收集到的网络状态信息转发给SNMC。

在接收到来自GEO卫星的网络状态信息之后，SNMC向GEO卫星发送确认信息。

数据中心1中的服务器开始向数据中心2中的服务器发送数据，提出的需求是要保证数据安全，并且提供较大的链路带宽。

SNMC根据本次任务的需求和已经注册的网络服务功能信息，制定的安全策略是，调用数据中心1和数据中心2中的入侵检测服务和防火墙服务。制定的地面网部分的路由策略如图7中带箭头的虚线所示，在数据中心1中，数据从服务器发出后，要先后经过承载着入侵检测服务和防火墙功能的交换机，通过核心网到达SG1中运行着计费功能的设备；当数据从空间网到达SG2之后，要先经过SG2中运行着性能增强代理的设备，然后通过核心网到达数据中心2并先后经过承载着防火墙功能和入侵检测服务的交换机，最后到达数据中心2中的服务器。SNMC根据本次任务的需求和收集的卫星网络状态信息，制定的空间网部分的路由策略如图7中带箭头的虚线所示。SNMC计算出可用带宽最大的一条路径，即图7中的路径①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-⑧。

这些策略下发到数据中心、SG以及GEO卫星中的POX控制器之后，转换为OpenFlow流表的形式，下发到转发层设备的OVS上。在地面网中，流表直接通过有线链路下发到OVS上；在空间网中，流表通过bundle隧道下发到MEO卫星的OVS上。

数据中心1中的服务器发出数据，按照交换机中的流表转发，先后经过数据中心1中承载入侵检测服务的交换机和承载防火墙的交换机，并得到这两个网络服务功能的处理。

数据通过地面骨干网传输到SG1，按照流表转发，经过承载计费功能的设备，并得到计费功能的处理。

数据经过SG1的协议转换功能处理，从TCP/IP协议栈转换为DTN协议栈，以bundle数据包的形式向LEO卫星发送。在空间网中，根据MEO卫星中的流表转发，转发路径如图7中的①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-⑧，然后数据到达SG2。

SG2收到数据后，经过SG2的协议转换功能处理，从DTN协议栈转换为TCP/IP协议栈，以IP数据包的形式传输。数据按照SG2中设备上的流表转发，经过承载性能增强代理功能的设备，并得到性能增强处理。

数据通过地面骨干网到达数据中心2。按照交换机中的流表转发，先后经过数据中心2中承载防火墙和入侵检测服务的交换机，并得到这两个网络服务功能的处理。最后，数据到达数据中心2中的服务器，整个传输过程结束。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.基于SDN和NFV技术的天地一体化网络架构，其特征在于，所述天地一体化网络架构中与卫星数据相关的网络服务功能部署在轻量级的虚拟机中，所述虚拟机的运行位置为卫星网关、数据源网络域或终端网络域，所述天地一体化网络架构包括：

管理层，用于进行网络状态与网络服务功能的注册与查询，并根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略；

控制层，用于将预处理后的所述数据传输质量管理策略发送至转发层，并将实时收集得到的网络链路和网络服务的网络状态信息发送至管理层；

转发层，根据预处理后的所述数据传输质量管理策略进行数据转发，并提供相应的网络服务；

所述控制层包括：

地面控制器，收集维护本域网络服务功能注册信息并发送至管理层，并根据管理层制定的数据传输策略控制数据的转发；

空间控制器，实时收集空间网络链路网络状态信息，并发送至管理层；

所述地面控制器包括：

卫星网关控制器，收集并在数据库中维护卫星网关中的网络服务功能注册信息，并将此信息转发给卫星网络管理中心SNMC，同时，根据卫星网络管理中心SNMC制定的服务调用策略，控制数据流通过卫星网关中卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能；

数据中心控制器，收集并在数据库中维护数据中心交换机/路由器上的网络服务功能的注册信息，并将此信息转发给卫星网络管理中心SNMC，同时，根据卫星网络管理中心SNMC制定的服务调用策略以及路由策略，控制数据流通过数据中心中卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能。

2.根据权利要求1所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述管理层采用卫星网络管理中心SNMC；

所述卫星网络管理中心包括：

注册单元，根据用户的注册信息进行网络状态与网络服务功能的注册认证；

查询单元，根据用户的查询需求进行网络状态与网络服务功能的查询；

策略制定单元，根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略。

3.根据权利要求2所述的天地一体化网络架构，其特征在于，

所述网络状态包括带宽、丢包率和时延；

所述网络服务功能包括防火墙、入侵检测服务、计费器、网络地址转换器和性能增强代理；

所述管理策略包括路由策略、安全策略、计费策略、服务调用策略和资源管理策略。

4.根据权利要求1所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述空间控制器为GEO卫星，所述GEO卫星收集来自中轨MEO卫星以及低轨LEO卫星的链路状态信息，并发送给卫星网络管理中心SNMC；将从卫星网络管理中心SNMC收到的路由策略以及资源管理策略转换成OpenFlow流表形式下发到中轨卫星MEO。

5.根据权利要求1所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述空间控制器GEO卫星的控制链路实现方式为：

使用bundle隧道方式在GEO卫星与MEO卫星之间传输控制信令，即bundle数据包中封装OpenFlow信令数据。

6.根据权利要求1所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述转发层包括：

地面转发系统，根据本域控制器的指令转发数据和承载卫星网络服务功能；

空间转发系统，按照控制层的控制规则转发用户数据。

7.根据权利要求5所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述地面转发系统包括路由器、交换机和卫星网关。

8.根据权利要求5所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述空间转发系统包括中轨卫星MEO和低轨卫星LEO。

9.根据权利要求4所述的天地一体化网络架构，其特征在于，在中轨卫星MEO上部署OVS，在GEO卫星节点上布置POX控制器；在POX控制器的控制下，中轨卫星MEO按照流表规则转发数据。

10.基于SDN和NFV技术的天地一体化网络数据传输方法，其特征在于，该方法将与卫星数据相关的网络服务功能部署在轻量级的虚拟机中，所述虚拟机的运行位置为卫星网关、数据源网络域或终端网络域，该方法的步骤包括：

卫星网络管理中心SNMC收集数据中心和卫星网关中的网络服务功能注册信息和卫星网络中的网络状态信息，制定路由策略、服务调用策略和资源管理策略；

用户请求的数据从数据中心的服务器发出，在地面网络中经过卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能的处理，然后在空间网中，根据卫星网络管理中心SNMC下发的策略，实现在卫星节点间的数据传输以及资源管理；

其中，所述信息收集和策略制定的步骤包括：

步骤1、数据中心DC中的网络服务功能首先向数据中心DC的控制器进行注册；注册的网络服务功能信息存储在本地控制器的数据库中；然后数据中心DC中的控制器把已经注册的网络服务功能信息转发给卫星网络管理中心SNMC；

步骤2、在接收到来自数据中心DC中控制器的网络服务功能注册信息之后，卫星网络管理中心SNMC向数据中心控制器发送注册确认信息；

步骤3、卫星网关SG中的网络服务功能首先向卫星网关SG中的控制器进行注册；注册的网络服务功能信息存储在本地控制器的数据库中；然后卫星网关SG中的控制器把已经注册的网络服务功能信息转发给卫星网络管理中心SNMC；

步骤4、在接收到来自卫星网关SG中控制器的网络服务功能注册信息之后，卫星网络管理中心SNMC向卫星网关SG控制器发送注册确认信息；

步骤5、MEO卫星和LEO卫星首先周期性地向GEO卫星发送网络状态信息；然后GEO卫星把收集到的网络状态信息转发给卫星网络管理中心SNMC；

步骤6、在接收到来自GEO卫星的网络状态信息之后，卫星网络管理中心SNMC向GEO卫星发送确认信息；

步骤7、用户向卫星网络管理中心SNMC发出请求，想要通过卫星网络从数据中心获取数据，并且申请网络服务功能来处理这些数据；

步骤8、在接收到来自用户的请求之后，卫星网络管理中心SNMC向用户发送确认信息；

步骤9、卫星网络管理中心SNMC根据用户的请求和已经注册的网络服务功能信息，制定路由策略以及服务调用策略，并下发给数据中心DC和卫星网关SG中的控制器，指导控制器下发控制指令来控制数据在承载卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能的节点上转发，并得到相应网络服务功能的处理；卫星网络管理中心SNMC根据用户的请求和已经收集的卫星网络状态信息，制定路由策略以及资源管理策略，并下发给GEO卫星，指导GEO卫星下发控制指令来控制数据在卫星间的转发以及管理空间网络资源。

11.根据权利要求10所述的天地一体化网络数据传输方法，其特征在于，所述数据传输以及资源管理的步骤包括：

步骤10、用户请求的数据从数据中心的服务器发出，在数据中心控制器的控制下，在承载卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能的节点上转发，并得到相应的网络服务功能的处理；

步骤11、用户请求的数据通过地面骨干网传输到卫星网关SG1，并且根据卫星网络管理中心SNMC下发的策略，在卫星网关SG1控制器的控制下，得到卫星网关SG1中网络服务功能的处理；

步骤12、用户请求的数据经过卫星网关SG1的处理，从TCP/IP协议栈转换为DTN协议栈，向LEO卫星发送；根据SNMC制定的路由策略，GEO卫星控制数据在MEO/LEO卫星中转发，同时，根据SNMC制定的资源管理策略，GEO卫星下发控制指令为传输的数据分配合适的卫星网络资源；然后，用户申请的数据发送到用户侧的卫星网关SG2；

步骤13、卫星网关SG2收到的数据经过转换后，从DTN协议栈转换为TCP/IP协议栈；然后根据卫星网络管理中心SNMC下发的策略，在卫星网关SG2控制器的控制下，得到卫星网关SG2中网络服务功能的处理；最后，用户请求的数据通过地面骨干网到达用户，完成整个传输过程。