CN108075825B - 一种基于sdn的天基信息网络多控制器失效处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法，包括以下步骤：构建基于SDN的天基信息网络多控制器失效备援架构；失效检测机制的设计；基于帕克索斯Paxos算法的故障恢复控制器选举算法。本发明将SDN的核心技术应用到天基信息网络上，从而简化了网络设备的结构，使卫星只需要实施简单的转发和硬件配置功能，由此解决了卫星节点设计复杂、造价高的弊端。基于SDN的天基信息网络可实现资源全局分配、全局优化，提高了资源利用率。采用多控制器架构可提高天基信息网络的扩展性，从而达到灵活高效的网络配置和管理。此外，这种集中式管理拥有整个网络中所有节点的全局视图，可把握卫星节点的状态，提高网络的抗毁性。

Description

一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法

技术领域

本发明涉及基于软件定义天基信息网络(Software Defined Space-basedInformation Network，简称SDSIN)，特别是一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法。

背景技术

天基信息网络具有拓扑时变性，这会导致星间链路通断状态的频繁切换。另外，卫星节点也会因受到攻击或其他自身原因出现故障，导致天基信息网络出现性能上的问题。这些因素都会使得天基信息网络的抗毁性大大降低。近年来，一些新技术的出现极大促进了天基信息网络的发展，如星上处理(On-board Processing，OBP)、星间链路(Inter-satellite Link，ISL)等，这些技术较好地解决了天基信息网络通信时延长，地面通信终端负载过大、功率过小等问题。但这些技术也增加了天基信息网络的部署周期和管理维护成本，同时也增加了卫星节点的复杂性。

软件定义网络(Software Defined Networking，简称SDN)的核心思想是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，从而简化了网络设备的结构，交换机只需要实施简单的转发和硬件配置功能，降低了卫星节点的复杂性。逻辑上集中的控制能够支持获得网络资源的全局信息并根据业务需求进行资源的全局调配和优化，例如流量工程、负载均衡等。同时，集中控制还使得整个网络可在逻辑上被视作是一台设备进行运行和维护，无需对物理设备进行现场配置，从而提升了网络控制的便捷性，降低了天基信息网络的部署周期和管理维护成本。

目前，有研究人员提出了一种基于单一SDN控制器的天基信息网络，在该网络中将控制器放置在地面，整个路由的计算和配置生成由地面站(GS)和网络运营控制中心(NOCC)执行，这种网络一旦该控制器出现故障，整个网络则会处于崩溃状态，网络的抗毁性不好。也有研究人员提出了故障转移和邻居控制器接管的失效处理方法，这种方法虽然可以提升整个网络的抗毁性，但是会导致时延过大的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够提升天基信息网络抗毁性的基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法，同时简化卫星节点设计、降低造价。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于SDN的卫天基信息网络多控制器失效处理方法，包括以下步骤：

A、构建基于SDN的天基信息网络多控制器失效备援架构

所述的基于SDN的天基信息网络多控制器失效备援架构，包括应用层、控制层和转发层。

架构中的控制层控制整个物理网络，因而获得全局的网络状态视图，并根据全局网络状态视图实现对网络的优化。

B、失效检测机制的设计

失效检测机制为鉴别一个网络是否存在故障提供了有效的方法，为提高检测效率，采用心跳同步与双向转发检测相结合的方式进行失效检测机制的设计，其数学模型表示为：

O＝M×L (1)

其中，O为失效检测的输出，表示为：

M为心跳同步的输出，表示为：

同理双向转发机制的输出L表示为：

只有当心跳同步和双向转发机制两种方法的输出都为1的时候，整个天基信息网络才正常运行，否则当某一种方法检测出故障时，则说明整个天基信息网络存在失效状况。

B1、心跳同步

GEO与其管辖区域内的每一个MEO保持固定间隔的心跳，心跳报文用于主控制器确定普通控制器是否存在。如果在规定时间内，主控制器没有收到来自于普通控制器心跳返回消息，那么就判断主控制器与此普通控制器失去连接。

这种方法的数学模型为：

其中T_heart为MEO发出心跳同步消息到GEO收到心跳同步信息的时延，如果GEO未收到心跳同步消息，则T_heart＝∞；R表示链路的时延带宽积：

R＝t_i(T_rec,T_send)×B (6)

时延带宽积代表当发送端发送的第一个比特即将到达终点时，链路中存在的比特数。t_i(T_rec,T_send)表示链路的传播时延，即T_rec-T_send；B表示链路的带宽。η为带宽利用率，用公式表示为：

天基信息网络处于高动态的环境中，因此星间链路的通断状态频繁切换，当链路断开时一段报文可能还未完成发送。因此，将报文u分为n组，分别用u_i表示，其中i＝1,2,…,n。

B2、双向转发检测

当MEO与某个LEO之间连接中断时，作为交换机的LEO根据自身的反应机制自动向GEO发送出现故障的普通控制器MEO和交换机LEO的信息，这个信息被称为反馈信息。这时，GEO会判断故障的情况，并产生解决方案。

其数学模型表示为：

S为LEO是否向GEO发送失去连接信息，当S＝1为已发送失去连接信息，反之则相反。

C、基于帕克索斯Paxos算法的故障恢复控制器选举算法

在卫星网络的三层架构中，作为普通控制器的MEO由两种原因引起：一是普通控制器非正常损毁，导致其与作为主控制器GEO和其管辖区域内的作为交换机的LEO链路断开；二是因网络拓扑结构的变化导致链路通断状态频繁切换，致使普通控制器与主控制器或交换机暂时出现连接故障。通过对上述两种故障的分析提出改进帕克索斯Paxos算法作为故障恢复控制器选举算法。

定义1：用w_c,f表示待选的普通控制器与交换机的节点对；Q(w_c,f)＝{E₁,E₂,...,E_p}代表待选的普通控制器和交换机之间的链路连接，即普通控制器经过q-1跳到达交换机；令链路包含函数为：

定义2：用f₁表示链路的连接时间，其优化函数为：

定义3：用f₂表示链路的链路总时延，其优化函数为：

定义4：用f₃表示待选控制器的容量，其优化函数为：

max f₃＝c (12)

定义5：用f₄表示待选控制器的负载，其优化函数为：

min f₄＝(L_j1,L_j2,…,L_jn) (13)

对链路连接时间t、链路总时延d、待选控制器容量c及卫星的资源L_j进行多目标优化，其优化函数和约束条件如下：

利用加权系数将其转化为单目标优化工作，如下式：

max F＝ω₁f₁-ω₂f₂+ω₃f₃-ω₄f₄ (15)

式中max F为控制器总优化函数，ω₁、ω₂、ω₃和ω₄为f₁，f₂，f₃和f₄，也就是链路连接时长t，总时延d，控制器容量c以及资源L_j的加权值为ω₁+ω₂+ω₃+ω₄＝1。

故障恢复控制器选举算法，包括以下步骤：

C1、每个控制器维护自己的投票号B_i和优化值max F，并按投票号的顺序依次进行投票，接受投票的卫星节点被称为Proposer，进行投票的卫星节点被称为Acceptor；

C2、每个Acceptor在收到准备投票消息后，需要保存当前收到过的最大投票号maxB_i，如果Acceptor首次受到投票号，则maxB_i为空，那么Acceptor直接保存所收到的B_i。如果maxB_i非空，则Acceptor会把刚收到的B_i与maxB_i进行比较。如果B_i小于maxB_i，则Acceptor不予回应，返回步骤C1；反之则进行步骤C3；

C3、将选票中的max F与Acceptor自身议案中的max F值进行比较，如果Acceptor自身议案中的max F值小于收到议案的max F值，则Acceptor向Proposer发送同意其被选举为控制器的信息ACCEPTED。反之则不予回应；

C4、进行多次迭代，直到有一个Proposer收到全部ACCEPTED消息为止。

进一步地，步骤A所述的应用层建立在地面，由应用层控制中心和基站组成，通过北向接口与GEO即高轨卫星相互通信；控制层由GEO和MEO即中轨卫星组成，其中GEO作为主控制器，分管作为普通控制器的MEO，MEO通过OpenFlow协议与转发层的LEO即低轨卫星相互通信。

进一步地，所述的低轨卫星与设立在地面的基站进行数据通信。

进一步地，所述的GEO所管辖的区域分成三部分来控制MEO，每一部分区域内的MEO作为一个控制器集群，同时每一个MEO管理其区域内的LEO；每个普通控制器只掌握自己管辖区域内的信息，不掌握全局信息；全局信息通过由3颗GEO共同维护的全局网络状态视图表来共享。

进一步地，所述的全局网络状态视图表的内容及数据类型如下：

A1、主控制器ID，其数据类型为String类型，它是主控制器的唯一标识；

A2、普通控制器ID，其数据类型为String类型，它是主控制器管辖的普通控制器的唯一标识；

A3、交换机ID，其数据类型为String类型，它是一个普通控制器域内交换机的唯一标识；

A4、交换机流量负载，其数据类型为Double类型，它表示交换机的流量；

A5、反馈信息，其数据类型为String类型，它是交换机向主控制器发送出现故障的普通控制器的信息；

A6、失去连接信息，其数据类型为String类型，它表示出现故障的普通控制器信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)的核心技术应用到天基信息网络上。软件定义网络的核心思想是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，从而简化了网络设备的结构，使卫星只需要实施简单的转发和硬件配置功能，由此解决了卫星节点设计复杂、造价高的弊端。同时，基于SDN的天基信息网络可以实现资源全局分配、全局优化，提高了资源利用率。采用多控制器架构可以提高天基信息网络的扩展性，从而达到灵活高效的网络配置和管理。此外，这种集中式管理拥有整个网络中所有节点的全局视图，可以把握卫星节点的状态，提高网络的抗毁性。

2、本发明设计了从失效检测到故障恢复的一整套策略，从网络拓扑结构变化和卫星节点非正常损毁两个方面给出了故障解决办法，解决了因部分节点失效导致天基信息网络服务质量下降甚至瘫痪的问题。在失效检测机制方面，本发明提高了链路利用率，有效地弥补了传统多控制器失效检测机制在时延上的劣势。在故障恢复方面，本发明对Paxos算法进行改进，并与多目标优化思想相结合，更全面的考虑了影响因素。

附图说明

图1是基于SDN的天基信息网络多控制器失效备援架构。

图2是基于改进Paxos算法的控制器选举算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

本发明首先构建了基于SDN的天基信息网络失效备援架构图，如图1所示，采用GEO/MEO/LEO三层卫星网络模型，高轨卫星GEO作为主控制器分管作为普通控制器的MEO，而MEO又通过OpenFlow协议分管作为交换机的LEO。地面基站作为应用层，通过北向接口与GEO相连。SDN具有以下三个特点：可编程、控制平面与数据平面分离以及用于网络瞬时状态管理的集中式控制模型。如图2所示，基于图1的架构进行失效检测以及恢复的设计，提高了星间链路带宽利用率，弥补了时延上的劣势，同时提高了系统的资源利用率与网络可靠性。

本发明针对不同层控制器之间的通信问题提出了基于多目标优化的主控制器选择策略，该策略优化了链路连接时间，总时延，控制器容量及卫星资源。在具体实施时，先根据选择的SDN组网方式选择出完全分布式SDN组网架构；根据已选择的完全分布式SDN架构应用到卫星网络上形成DSDSN网络架构，设计基于Paxos算法的改进控制器选择算法，综合控制器到达节点的时延和控制器的个数，对权重进行了重新设计，以适应卫星网络的需求，该算法大大提高了星间链路的带宽利用率以及故障恢复的时延。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A.构建基于SDN的天基信息网络多控制器失效备援架构，其具体为：

所述的基于SDN的天基信息网络多控制器失效备援架构，包括应用层、控制层和转发层；

应用层建立在地面，由应用层控制中心和基站组成，通过北向接口与GEO即高轨卫星相互通信；控制层由GEO和MEO即中轨卫星组成，其中GEO作为主控制器，分管作为普通控制器的MEO，MEO通过OpenFlow协议与转发层的LEO即低轨卫星相互通信；架构中的控制层控制整个物理网络；

步骤B.失效检测机制的设计，所述失效检测机制的数学模型表示为：

O＝M×L (1)

其中，O为失效检测的输出，表示为：

M为心跳同步的输出，表示为：

同理双向转发机制的输出L表示为：

只有当心跳同步和双向转发机制两种方法的输出都为1的时候，整个天基信息网络才正常运行，否则当某一种方法检测出故障时，则说明整个天基信息网络存在失效状况；

B1.所述的心跳同步，其具体为：

GEO与其管辖区域内的每一个MEO保持固定间隔的心跳，心跳报文用于主控制器确定普通控制器是否存在；如果在规定时间内，主控制器没有收到来自于普通控制器心跳返回消息，那么就判断主控制器与此普通控制器失去连接；这种方法的数学模型为：

其中T_heart为MEO发出心跳同步消息到GEO收到心跳同步信息的时延，如果GEO未收到心跳同步消息，则T_heart＝∞；R表示链路的时延带宽积：

R＝t_i(T_rec,T_send)×B (6)

时延带宽积代表当发送端发送的第一个比特即将到达终点时，链路中存在的比特数；t_i(T_rec,T_send)表示链路的传播时延，即T_rec-T_send；B表示链路的带宽；η为带宽利用率，用公式表示为：

天基信息网络处于高动态的环境中，因此星间链路的通断状态频繁切换，当链路断开时一段报文可能还未完成发送；因此，将报文u分为n组，分别用u_i表示，其中i＝1,2,…,n；

B2.所述的双向转发机制，其具体为：

当MEO与某个LEO之间连接中断时，作为交换机的LEO根据自身的反应机制自动向GEO发送出现故障的普通控制器MEO和交换机LEO的信息，这个信息被称为反馈信息；这时，GEO会判断故障的情况，并产生解决方案；

其数学模型表示为：

S为LEO是否向GEO发送失去连接信息，当S＝1为已发送失去连接信息，反之则相反；

步骤C.基于帕克索斯Paxos算法的故障恢复控制器选举算法，其具体为：

定义1：用w_c,f表示待选的普通控制器与交换机的节点对；Q(w_c,f)＝{E₁,E₂,...,E_p}代表待选的普通控制器和交换机之间的链路连接，即普通控制器经过q-1跳到达交换机；令链路包含函数为：

定义2：用f₁表示链路的连接时间，其优化函数为：

定义3：用f₂表示链路的链路总时延，其优化函数为：

定义4：用f₃表示待选控制器的容量，其优化函数为：

maxf₃＝c (12)

定义5：用f₄表示待选控制器的负载，其优化函数为：

minf₄＝(L_j1,L_j2,…,L_jn) (13)

对链路连接时间t、链路总时延d、待选控制器容量c及卫星的资源L_j进行多目标优化，其优化函数和约束条件如下：

s.t.

i∈k,k≤4,j∈V (14)

利用加权系数将其转化为单目标优化工作，如下式：

maxF＝ω₁f₁-ω₂f₂+ω₃f₃-ω₄f₄ (15)

式中maxF为控制器总优化函数，ω₁、ω₂、ω₃和ω₄为f₁，f₂，f₃和f₄，也就是链路连接时长t，总时延d，控制器容量c以及资源L_j的加权值为ω₁+ω₂+ω₃+ω₄＝1；

所述的故障恢复控制器选举算法，包括以下步骤：

C1、每个控制器维护自己的投票号B_i和优化值maxF，并按投票号的顺序依次进行投票，接受投票的卫星节点被称为Proposer，进行投票的卫星节点被称为Acceptor；

C2、每个Acceptor在收到准备投票消息后，需要保存当前收到过的最大投票号maxB_i，如果Acceptor首次受到投票号，则maxB_i为空，那么Acceptor直接保存所收到的B_i；如果maxB_i非空，则Acceptor会把刚收到的B_i与maxB_i进行比较；如果B_i小于maxB_i，则Acceptor不予回应，返回步骤C1；反之则进行步骤C3；

C3、将选票中的maxF与Acceptor自身议案中的maxF值进行比较，如果Acceptor自身议案中的maxF值小于收到议案的maxF值，则Acceptor向Proposer发送同意其被选举为控制器的信息ACCEPTED；反之则不予回应；

C4、进行多次迭代，直到有一个Proposer收到全部ACCEPTED消息为止。

2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法，其特征在于：所述的LEO与设立在地面的基站进行数据通信。

3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法，其特征在于：所述的GEO所管辖的区域分成三部分来控制MEO，每一部分区域内的MEO作为一个控制器集群，同时每一个MEO管理其区域内的LEO；每个普通控制器只掌握自己管辖区域内的信息，不掌握全局信息；全局信息通过由3颗GEO共同维护的全局网络状态视图表来共享。

4.根据权利要求3所述的一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法，其特征在于：所述的全局网络状态视图表的内容及数据类型如下：

A1、主控制器ID，其数据类型为String类型，它是主控制器的唯一标识；

A2、普通控制器ID，其数据类型为String类型，它是主控制器管辖的普通控制器的唯一标识；

A3、交换机ID，其数据类型为String类型，它是一个普通控制器域内交换机的唯一标识；

A4、交换机流量负载，其数据类型为Double类型，它表示交换机的流量；

A5、反馈信息，其数据类型为String类型，它是交换机向主控制器发送出现故障的普通控制器的信息；

A6、失去连接信息，其数据类型为String类型，它表示出现故障的普通控制器信息。

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