CN108737141A - 一种卫星链路间歇性与延时仿真方法 - Google Patents

一种卫星链路间歇性与延时仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星链路间歇性与延时仿真方法，涉及网络仿真技术领域，有效解决了卫星网络仿真中卫星链路间歇性与延时仿真问题，所述方法包含以下步骤：融合OpenStack和STK构建卫星网络仿真平台；在STK中构建卫星通信网络，将卫星网络拓扑、链路持续通信时间、链路长度形成XML配置文件；在控制节点中加载卫星网络拓扑配置文件，自动化部署虚拟卫星网络，根据卫星轨道高度，仿真多粒度卫星节点，初始化卫星链路状态；在计算节点中加载链路持续通信时间、链路长度配置文件，实时检测并动态切换卫星链路状态与延时。本发明提供一种卫星链路间歇性与延时仿真方法，可用于不同卫星网络场景的科学研究。

Description

一种卫星链路间歇性与延时仿真方法
技术领域
本发明涉及网络仿真技术领域，具体涉及一种卫星链路间歇性与延时仿真方法。
背景技术
卫星网络在全球数据通信中占据重要的地位，处理大量的数据传输业务，在军事领域和移动通信领域都得到了广泛的应用。卫星在轨道平面周期性地运动造成了卫星链路的间歇性，卫星链路按照空间分布可以分为星间链路和星地链路，星地链路是指卫星和地面站之间的链路，星间链路又可分为相同轨道平面的星间链路和相邻轨道平面的星间链路。卫星之间的传输距离较长，链路具有较大的传播延时。卫星链路间歇性与延时仿真是空间网络通信系统仿真的重要组成部分。
OpenStack作为主流的开放云平台，对计算、存储、网络等资源进行统一的调度和管理，易于集成主流的虚拟化技术和SDN技术，可有效保障仿真规模的可扩展性和仿真节点的逼真性。STK作为专业的航天领域分析软件，提供了卫星、航天器、地面站等丰富的三维可视化场景，具备强大的数据分析能力。
发明内容
本发明解决的技术问题是提出一种卫星链路间歇性与延时仿真方法，融合OpenStack和STK构建卫星网络仿真平台，通过对星间链路、星地链路进行建模分析，有效地解决了卫星网络仿真中卫星链路间歇性与延时仿真，有利于对不同卫星网络场景的科学研究。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
S1：融合OpenStack和STK构建卫星网络仿真平台，采用多粒度虚拟化技术仿真虚拟卫星节点，通过OpenvSwitch(简称ovs)构建虚拟卫星链路；
S2：在STK上构建卫星网络场景，设置星座结构、卫星轨道参数、地面站位置，获取建模分析后的卫星网络拓扑、链路持续通信时间、链路长度，形成XML配置文件，将配置文件分别传输至OpenStack的控制节点和计算节点中；
S3：根据STK中所构建的卫星网络拓扑，实现在OpenStack中自动化部署虚拟卫星网络拓扑，LEO卫星(轨道高度在500km-2000km)和地面站采用Docker容器节点，MEO卫星(轨道高度在10000km-20000km)采用KVM虚拟机节点，其详细的部署步骤如下所示：
(1)在OpenStack的控制节点中加载卫星网络拓扑XML配置文件，获取STK中卫星的名称、类型、链路状态；
(2)通过OpenStack的身份认证服务，获取调用管理接口的权限；
(3)通过管理接口获取云平台中的计算、存储、网络资源，根据卫星是MEO卫星还是LEO卫星，分别采用KVM或Docker虚拟化方式分配资源并生成虚拟卫星节点；
(4)根据链路状态，包含可通与中断，初始化虚拟卫星链路状态；
S4：在OpenStack的计算节点中加载链路持续通信时间，实时检测并动态切换卫星链路状态，实现卫星链路的间歇性仿真，其详细的仿真过程如下：
(1)获取卫星节点的虚拟网卡设备信息，包含了虚拟网卡的名称、MAC地址、IP地址、与其相关联的虚拟网卡对；
(2)查询虚拟网卡对在ovs上的vlan tag、端口号；
(3)加载STK链路持续通信时间XML配置文件；
(4)开启监听线程实时检测并动态切换链路状态，获取当前仿真时间，判断其是否在星历时间内，如果不在，则结束仿真，反之，则根据其是否在链路持续通信时间内，设置链路状态标识符，0表示链路中断，1表示链路可通；
(5)如果当前链路状态与标识符一致，则无需执行任何操作，反之，则根据标识符来切换链路状态，如果标识符为0，则将卫星节点的虚拟网卡对从ovs上的br-int中删除，如果标识符为1，则将卫星节点的虚拟网卡对添加到br-int上，并设置相应的vlan tag，此外，还需要添加四条流表规则，两条对应于ARP协议，另外两条对应于IP协议；
S5：在OpenStack的计算节点中加载链路长度，计算出卫星链路的传播延时，实时检测并动态切换卫星链路延时，卫星链路延时仿真需要满足步骤S4中链路状态可通的必要条件，其详细的仿真过程如下：
(1)加载STK链路长度XML配置文件；
(2)开启监听线程实时检测当前链路是否可通，如果不可通，则结束仿真，反之，则根据当前仿真时间匹配当前链路长度，计算出卫星链路的传播延时；
(3)获取卫星节点的虚拟网卡名称，如果卫星节点间的链路未设置过延时，则直接在虚拟网卡上建立队列管理规则，延迟数据报文的转发时间，否则，需要重新定义队列延迟时间来切换链路延时。
本发明的有益效果如下：
(1)融合OpenStack和STK仿真卫星网络，取长补短，解决了OpenStack中无法保障卫星链路的逼真性仿真和STK中卫星无法模拟真实的网络流量的问题。
(2)自动化部署虚拟卫星网络，提高了仿真的效率与精确性，基于OpenvSwitch构建虚拟卫星链路，可实现卫星链路的快速配置与重构。
(3)卫星链路状态和链路延时可动态实时切换，可满足对不同卫星网络场景的科学研究。
附图说明
图1为一种卫星链路间歇性与延时仿真方法的流程图
图2为融合OpenStack和STK的卫星网络仿真平台总体架构图
图3为MEO卫星与LEO卫星、地面站间的链路持续通信时间图
图4为MEO卫星与LEO卫星、地面站间的链路长度图
图5为自动化部署的虚拟星型卫星网络拓扑图
图6为卫星链路间歇性仿真流程图
图7为卫星链路持续通信时间对比图
图8为卫星链路延时仿真流程图
图9为卫星链路延时变化图
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
本发明方法的流程图如图1所示，技术方案如下：
S1：融合OpenStack和STK构建卫星网络仿真平台，采用多粒度虚拟化技术仿真虚拟卫星节点，通过OpenvSwitch(简称ovs)构建虚拟卫星链路；
S2：在STK上构建卫星网络场景，设置星座结构、卫星轨道参数、地面站位置，获取建模分析后的卫星网络拓扑、链路持续通信时间、链路长度，形成XML配置文件，将配置文件分别传输至OpenStack的控制节点和计算节点中；
S3：根据STK中所构建的卫星网络拓扑，实现在OpenStack中自动化部署虚拟卫星网络拓扑，LEO卫星(轨道高度在500km-2000km)和地面站采用Docker容器节点，MEO卫星(轨道高度在10000km-20000km)采用KVM虚拟机节点，其详细的部署步骤如下所示：
(1)在OpenStack的控制节点中加载卫星网络拓扑XML配置文件，获取STK中卫星的名称、类型、链路状态；
(2)通过OpenStack的身份认证服务，获取调用管理接口的权限；
(3)通过管理接口获取云平台中的计算、存储、网络资源，根据卫星是MEO卫星还是LEO卫星，分别采用KVM或Docker虚拟化方式分配资源并生成虚拟卫星节点；
(4)根据链路状态，包含可通与中断，初始化虚拟卫星链路状态；
S4：在OpenStack的计算节点中加载链路持续通信时间，实时检测并动态切换卫星链路状态，实现卫星链路的间歇性仿真，其详细的仿真过程如下：
(1)获取卫星节点的虚拟网卡设备信息，包含了虚拟网卡的名称、MAC地址、IP地址、与其相关联的虚拟网卡对；
(2)查询虚拟网卡对在ovs上的vlan tag、端口号；
(3)加载STK链路持续通信时间XML配置文件；
(4)开启监听线程实时检测并切换链路状态，获取当前仿真时间，判断其是否在星历时间内，如果不在，则结束仿真，反之，则根据其是否在链路持续通信时间内，设置链路状态标识符，0表示链路中断，1表示链路可通；
(5)如果当前链路状态与标识符一致，则无需执行任何操作，反之，则根据标识符来切换链路状态，如果标识符为0，则将卫星节点的虚拟网卡对从ovs上的br-int中删除，如果标识符为1，则将卫星节点的虚拟网卡对添加到br-int上，并设置相应的vlan tag，此外，还需要添加四条流表规则，两条对应于ARP协议，另外两条对应于IP协议；
S5：在OpenStack的计算节点中加载链路长度，计算出卫星链路的传播延时，实时检测并动态切换卫星链路延时，卫星链路延时仿真需要满足步骤S4中链路状态可通的必要条件，其详细的仿真过程如下：
(1)加载STK链路长度XML配置文件；
(2)开启监听线程实时检测当前链路是否可通，如果不可通，则结束仿真，反之，则根据当前仿真时间匹配当前链路长度，计算出卫星链路的传播延时；
(3)获取卫星节点的虚拟网卡名称，如果卫星节点间的链路未设置过延时，则直接在虚拟网卡上建立队列管理规则，延迟数据报文的转发时间，否则，需要重新定义队列延迟时间来切换链路延时。
上述技术方案，在步骤S1中，融合OpenStack和STK构建卫星网络仿真平台，如图2所示，包含了一个控制节点、一个网络节点、一个STK节点和两个计算节点，两个计算节点分别采用KVM全虚拟化和Docker操作系统级虚拟化仿真虚拟卫星节点，通过OpenvSwitch构建虚拟卫星链路，卫星链路仿真模块部署在计算节点。
上述技术方案，在步骤S2中，在STK中建立LEO/MEO双层卫星网络，包含4颗LEO卫星，采用Walker星座，其轨道参数为：半长轴7578km，偏心率0°，轨道倾角40°，近地点幅角0°，升交点赤经0°，真近角点分别为0°、90°、180°、270°，1颗MEO卫星，其轨道参数为：半长轴16378km，偏心率0°，轨道倾角40°，近地点幅角0°，升交点赤经0°，真近角点0°，1个位于中国北京的地面站，其位置类型为Geodetic，纬度40.1172°，经度116.228°，高度0.038km，星历为7Apr 2017 00:00:00.000到8Apr 2017 00:00:00.000，步长为60s，将所构建的卫星网络拓扑和对卫星链路持续通信时间、链路长度进行计算后，形成XML配置文件分别传输到OpenStack的控制节点和计算节点中，卫星MEO与卫星LEO、地面站之间的持续通信时间、链路长度分别如图3、4所示。
上述技术方案，在步骤S3中，利用python脚本，自动化部署如图5所示虚拟星型卫星网络拓扑，在OpenStack控制节点中加载卫星网络拓扑XML配置文件，获取5个卫星节点(LEO11、LE012、LEO13、LEO14、MEO11)和一个地面站节点BJGS，卫星链路(MEO11-LEO11、MEO11-LEO12、MEO11…LEO13、MEO11-LEO14、MEO11-BJStation)，-表示初始链路状态可通，…表示初始链路状态中断，通过keystone的身份认证服务，获取session会话后调用novaclient管理接口部署虚拟卫星节点，默认情形下，虚拟卫星节点间的链路都是可通的，因此，需要根据卫星链路状态，中断虚拟卫星网络拓扑中不可通的链路，切换其与ovs的连接，初始化虚拟卫星链路状态。
上述技术方案，在步骤S4中，以卫星节点MEO11与LEO11间的链路间歇性仿真为例，运行自动化python脚本，其执行流程如图6所示，首先，获取卫星节点MEO11的虚拟网卡设备信息，其虚拟网卡名称为tap2c8dffae-47、MAC地址为fa:16:3e:34:1a:eb、IP地址为192.168.100.6、与其相关联的虚拟网卡对为qvo2c8dffae-47，查询虚拟网卡对在ovs上的vlan tag为24、端口号为33。然后，加载STK链路持续通信时间配置文件，获取MEO11与LEO11链路通信的开始时间与结束时间{(7Apr 2017 00:00:00.000,7Apr 2017 00:44:18.534),(7Apr 2017 01:55:22.881,7Apr 2017 03:23:59.783),(7Apr 2017 04:35:04.630,7Apr2017 06:03:40.516),(7Apr 2017 07:14:46.257,7Apr 2017 08:43:20.734),(7Apr 201709:54:27.508,7Apr 2017 11:23:00.541),(7Apr 2017 12:34:08.248,7Apr 2017 14:02:40.179),(7Apr 2017 15:13:48.470,7Apr 2017 16:42:19.911),(7Apr 2017 17:53:28.278,7Apr 2017 19:21:59.982),(7Apr 2017 20:33:07.917,7Apr 2017 22:01:40.565),(7Apr 2017 23:12:47.645,8Apr 2017 00:00:00.000)}。最后，开启监听线程，根据当前链路状态与标识符执行相关操作，如果当前链路中断，则通过“ovs-vsctl del-portbr-int qvo2c8dffae-47”中断卫星节点MEO11到LEO11的链路，如果当前链路可通，则通过“ovs-vsctl add-port br-int qvo2c8dffae-47tag＝24”添加卫星节点的虚拟网卡对并设置vlan tag，添加四条流表规则，两条对应于ARP协议，另外两条对应于IP协议，基础流表规则为“ovs-ofctl add-flow br-int‘table＝*,priority＝*,dl_type＝*,in_port＝*,actions＝*’”,*为具体的参数值，ARP协议的dl_type为0x0806，in_port为33，table分别为0、24，priority分别为10、2，actions分别为resubmit(,24)、resubmit(,25)，对于第二条ARP协议的流表，还需检测数据报文的源IP地址，在基础流表规则中增加参数arp_spa＝192.168.100.6，IP协议的dl_type对应Ox0800，in_port为33，table分别为0、25，priority分别为9、2，actions分别为resubmit(,25)、normal，对于第二条IP协议的流表，还需检测数据报文的源MAC地址，在基础流表规则中增加参数dl_src＝fa:16:3e:34:1a:eb。卫星链路持续通信时间如图7所示，可以看出OpenStack仿真值相对于STK计算值误差较小。
上述技术方案，在步骤S5中，以卫星节点MEO11与LEO11链路通信持续时间在7Apr2017 00:00:00.000到7Apr 2017 00:44:18.534的链路延时为例，运行自动化python脚本，其执行流程如图8所示，首先，加载STK链路长度配置文件，获取卫星节点MEO11与LEO11对应具体时间的链路长度{8800，8810，8843，8897，8972，9068，9183，9316，9467，9635，9819，10016，10227，10450，10684，10929，11182，11443，11711，11985，12265，12549，12837，13128，13422，13717，14014，14312，14610，14908，15206，15502，15797，16091，16382，16671，16957，17240，17520，17796，18068，18336，18600，18860，19114，19192}km。然后，开启监听线程判断链路是否可通，如果不可通，则结束仿真，如果可通，则根据当前仿真时间匹配出当前链路长度，匹配规则为当前仿真时间与链路长度所对应的时间之差在[0,60]内，该区间的右端点由STK中的步长确定，根据电磁波在自由空间的传播速率，即3×105km/s，计算出卫星链路传播延时。最后，获取卫星节点MEO11与LEO11的虚拟网卡名称，如果卫星节点间的链路未设置过延时，则直接在虚拟网卡上建立队列管理规则，延迟数据报文的转发时间，否则，需要重新定义队列延迟时间来切换链路延时。卫星链路延时变化如图9所示，可以看出链路延时根据每个通信时刻所对应的链路长度不同而动态变化。
上面结合附图对本发明的具体实施方式做了详细说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，对于本领域的技术人员来说，可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，所做的任何修改、替换、改进，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种卫星链路间歇性与延时仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：融合OpenStack和STK构建卫星网络仿真平台，采用多粒度虚拟化技术仿真虚拟卫星节点，通过OpenvSwitch(简称ovs)构建虚拟卫星链路；
S2：在STK上构建卫星网络场景，设置星座结构、卫星轨道参数、地面站位置，获取建模分析后的卫星网络拓扑、链路持续通信时间、链路长度，形成XML配置文件，将配置文件分别传输至OpenStack的控制节点和计算节点中；
S3：根据STK中所构建的卫星网络拓扑，实现在OpenStack中自动化部署虚拟卫星网络拓扑，LEO卫星(轨道高度在500km-2000km)和地面站采用Docker容器节点，MEO卫星(轨道高度在10000km-20000km)采用KVM虚拟机节点；
S4：在OpenStack的计算节点中加载链路持续通信时间，实时检测并动态切换卫星链路状态，实现卫星链路的间歇性仿真；
S5：在OpenStack的计算节点中加载链路长度，计算出卫星链路的传播延时，实时检测并动态切换卫星链路延时，实现卫星链路的延时仿真。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述自动化部署虚拟卫星网络拓扑包含以下步骤：
(1)在OpenStack的控制节点中加载卫星网络拓扑XML配置文件，获取STK中卫星的名称、类型、链路状态；
(2)通过OpenStack的身份认证服务，获取调用管理接口的权限；
(3)通过管理接口获取云平台中的计算、存储、网络资源，根据卫星是MEO卫星还是LEO卫星，分别采用KVM或Docker虚拟化方式分配资源并生成虚拟卫星节点；
(4)根据链路状态，包含可通与中断，初始化虚拟卫星链路状态。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述卫星链路的间歇性仿真包含以下步骤：
(1)获取卫星节点的虚拟网卡设备信息，包含了虚拟网卡的名称、MAC地址、IP地址、与其相关联的虚拟网卡对；
(2)查询虚拟网卡对在ovs上的vlan tag、端口号；
(3)加载STK链路持续通信时间XML配置文件；
(4)开启监听线程实时检测并切换链路状态，获取当前仿真时间，判断其是否在星历时间内，如果不在，则结束仿真，反之，则根据其是否在链路持续通信时间内，设置链路状态标识符，0表示链路中断，1表示链路可通；
(5)如果当前链路状态与标识符一致，则无需执行任何操作，反之，则根据标识符来切换链路状态，如果标识符为0，则将卫星节点的虚拟网卡对从ovs上的br-int中删除，如果标识符为1，则将卫星节点的虚拟网卡对添加到br-int上，并设置相应的vlan tag，此外，还需要添加四条流表规则，两条对应于ARP协议，另外两条对应于IP协议。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述卫星链路的延时仿真包含以下步骤：
(1)加载STK链路长度XML配置文件；
(2)开启监听线程实时检测当前链路是否可通，如果不可通，则结束仿真，反之，则根据当前仿真时间匹配当前链路长度，计算出卫星链路的传播延时；
(3)获取卫星节点的虚拟网卡名称，如果卫星节点间的链路未设置过延时，则直接在虚拟网卡上建立队列管理规则，延迟数据报文的转发时间，否则，需要重新定义队列延迟时间来切换链路延时。
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