CN110972168B - 天地一体化网络sdn控制器按需动态放置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法，包括：根据应急任务需求构建应急卫星子网，确定低轨道卫星LEO卫星子网S₀；确定卫星对地最大覆盖时间窗口和卫星对终端覆盖的时间窗口值，计算卫星节点的覆盖冗余值N；根据N确定满足冗余覆盖的卫星子网S_r；建立基于网络时延的优化模型；利用近似算法对优化模型进行求解，确定S_r控制器放置的位置。本发明以卫星对任务终端的覆盖窗口为基础设置卫星节点覆盖冗余度，可以保障任务区域的有效覆盖；此外，对网络时延进行分析建模，利用近似算法对模型进行求解，能够在满足网络覆盖需求的同时优化网络时延。

Description

天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法。

背景技术

卫星网络能够覆盖到极限及边远区域，在重大自然灾害预防及救援工作中能够根据覆盖需求动态组网支撑应急服务，将卫星网络与地面网络进行融合构建天地一体信息网络支撑多样化的空间网络需求已成为空间信息网络发展的新趋势，软件定义技术(Software Defined Network,SDN)的引入进一步提高了天地一体化网络的可扩展性及灵活性。面对应急任务低时延高可靠的服务需求，需要部署多个SDN控制器实现卫星网络的灵活管控。因此，控制器放置的位置成为设计控制器放置方案提高卫星网络灵活性需要考虑的关键问题。

针对此问题，研究者提出在单卫星轨道层或者地面部署控制器，又有研究者提出基于地面用户流量动态需求模型设计LEO层动态控制器放置算法，并将控制器放置模型转换为整型线性规划模型求解最优控制器配置方案优化平均流建立时延。然而，上述基于卫星星座在整个LEO层设计分布式控制器放置方案，虽然能够充分利用LEO层低时延的特点，但需要放置大量的卫星节点作为控制器以满足控制器节点对交换节点的关联覆盖。在节点数目增加和动态性增强时，控制节点需要进行同步以维护全局网络视图，此时，节点间大量的信令交互会导致网络时延增加，无法很好地满足应急任务动态组网的低时延需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法。

天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法，包括以下步骤：

S1、确定低轨道卫星LEO卫星子网S₀；

S2、根据覆盖冗余度的卫星子网划分机制确定卫星对地最大覆盖时间窗口ΔT和卫星对终端覆盖的时间窗口值T_max，根据ΔT和T_max计算卫星节点的覆盖冗余值N；

S3、根据根据S₀和卫星节点的覆盖冗余度N确定满足冗余覆盖的卫星子网S_r；

S4、根据网络时延、卫星的可用度和卫星之间链路的可靠性，建立基于网络时延的优化模型；

S5、利用近似算法对优化模型进行求解，确定卫星子网S_r控制器放置的位置。

本发明的有益效果：

1.本发明以卫星对任务终端的覆盖窗口为基础设置卫星节点覆盖冗余度，并设计基于冗余覆盖的应急卫星子网划分机制，可以保障任务区域的有效覆盖。

2.本发明对网络时延进行分析建模，在子网内以时延为优化目标确定控制器放置的位置；将控制器放置问题转化为设备放置问题，利用近似算法对模型进行求解，能够在满足网络覆盖需求的同时优化网络时延，克服低轨卫星节点的动态性对网络时延产生的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的软件定义天地一体化网络架构；

图2为本发明实施例的一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法的流程图；

图3为卫星对地覆盖的几何特性；

图4为基于冗余覆盖的卫星子网划分；

图5为分布式控制系统时延分析；

图6为本发明优选实施例的一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是天地一体化软件定义SDN控制器的网络架构图，整个控制平面由地面管理控制中心、GEO卫星、主控制器、LEO层从属控制器和卫星子网构成，所述LEO层从属控制器对应附图1中的“从控制器”，所述“卫星子网”对应附图1中的“子网”。

图2为本发明实施例的一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法的流程图，该方法可以在保障任务区域有效覆盖的同时有效的降低网络时延，该方法包括但不限于如下步骤：

S1、根据应急任务需求构建应急卫星子网，确定低轨道卫星LEO卫星子网S₀；

S2、根据覆盖冗余度的卫星子网划分机制确定卫星对地最大覆盖时间窗口ΔT和卫星对终端覆盖的时间窗口值T_max，根据ΔT和T_max计算卫星节点的覆盖冗余值N；

S3、根据根据S₀和卫星节点的覆盖冗余度N确定满足冗余覆盖的卫星子网S_r；

S4、根据网络时延、卫星的可用度和卫星之间链路的可靠性，建立基于网络时延的优化模型；

S5、利用近似算法对优化模型进行求解，确定S_r控制器放置的位置。

为使本发明实施例的方法更加清楚、完整，接下来对本发明的各个步骤进行详细描述：

根据应急区域中移动终端分布的情况、地面应急区域大小以及卫星对地覆盖的几何特性确定LEO卫星子网S₀。

根据覆盖冗余度的卫星子网划分机制确定卫星对地最大覆盖时间窗口ΔT和卫星对终端覆盖的时间窗口值T_max，根据ΔT和T_max计算卫星节点的覆盖冗余值N。

覆盖冗余值N表示在基础的卫星对地时间窗口周期内，终端需要切换的卫星数目。卫星对地覆盖的几何性质如图3所示，假设卫星对地高度为H，卫星运行速度为v_s，地球半径为R_e，卫星对地球的两条切线可以确定卫星的最大覆盖范围，此时的地心角设为α，卫星沿运行轨道在单位时间T内转过的弧度为α_s，结合弧长计算公式可得：

t表示时间，当α_s＝α时，得出卫星对地最大覆盖时间窗口ΔT：

在卫星对地的覆盖空间内，假设终端是对地高度为h、速度为V_u的节点，终端节点单位时间内转过的弧度为β_u：

当α_s-β_u＝2α时，得出卫星对终端覆盖的时间窗口值为T_max：

得到卫星对地最大覆盖时间窗口ΔT和卫星对终端覆盖的时间窗口值T_max后，根据下式求出覆盖冗余度N。

其中，

表示向上取整。N的取值对应如下几种情况：当终端速度V_u为0时，此时N为1；当终端与卫星相对运动方向相同时，此时N取值1；当终端与卫星相对运动方向相反时，此时N取值为2。

根据S₀和卫星节点的覆盖冗余度N确定满足冗余覆盖的卫星子网S_r，在卫星节点动态组网中能够避免因网络切换而产生的覆盖漏洞，计算出子网边界卫星节点关联终端的N值(即卫星节点的覆盖冗余度)后，取最大的N值作为该卫星节点的扩展冗余度。图4以N＝1为例进行说明，选取LEO卫星子网S₀的边界卫星节点(如图节点A和节点B)，这类卫星节点和图中的Oaa轨道和Oba轨道相隔N-1条轨道，和图中的Cas轨道和Cbs轨道间隔N-1颗卫星，这些边界卫星节点的外围曲线与Oaa轨道、Oba轨道、Cas轨道和Cbs轨道围成一个区域，该区域中所包含的卫星节点构成基于冗余度扩展后的卫星子网Sr，该Sr满足可能存在的终端切换的要求，从而满足卫星子网冗余覆盖需求。

根据网络时延、卫星的可用度和卫星之间链路的可靠性，建立基于网络时延的优化模型。在卫星子网内，基于对分布式控制网络时延的分析，以网络时延作为控制器放置位置的优化目标函数，以卫星的可用度和相间链路的可靠性作为约束条件进行建模分析，能够在设计控制器放置的位置时，优化网络时延，提高网络的灵活性。

进一步的，对分布式控制网络时延的分析包括：

如图5所示，主控制器管理多个从属主控制器，一个从属控制器管理多个交换机，如图5中的a-c过程所示，从属控制器首先根据链路检测协议向其管理的交换机节点发送链路检测数据包，交换机节点向其邻域节点一跳转发链路检测数据包，接收到该链路检测数据包的交换机节点通过packet_in方式将信息上传给对应连接的从属控制器，该网络维护过程中产生的网络时延称为网络维护过程产生的时延代价，计算公式如下：

其中，T_m表示网络维护过程产生的时延代价，T_re表示执行算法间隔，T_s表示网络维护间隔，i、j表示节点位置集合，d_ij表示节点i到节点j的距离，p表示控制域内交换机关联矩阵，p_ij是二进制数，r表示链路传输速率，I_m表示网络维护信息数据量，r_s表示设备端口收发速率，e_ij表示两点之间的边，E表示边长的集合，V表示子网卫星节点集合。

如图5中d、e过程所示，当新的业务流到达交换机节点时，若在交换机流表中匹配到相应的数据转发规则，则根据匹配到的相应数据转发规则转发数据，若在交换机流表中没有匹配到相应的数据转发规则，则向控制器packet_in业务信息，控制器再向交换机packet_out并安装该业务流的转发规则，在这个过程中也会产生网络时延，称为流建立过程产生的时延代价，计算公式如下：

其中，表示流建立过程产生的时延代价，F_ij表示交换机向控制器请求路由条目，I_p表示packet_In信息数据量，I_f表示流表下发信息量，

如图5中f、g过程所示为控制器集群网络信息同步过程，从属控制器向主控制器c_m发送本域的网络信息，主控制器接收到从属控制器发送的网络信息后更新全局网络信息，再将更新后的全局网络信息发送给从属T_f控制器，完成控制器集群的网络信息同步过程，这个过程产生的网络时延称为控制器集群网络信息同步过程中的时延代价，计算公式如下：

其中，T_syn表示控制器集群网络信息同步过程中的时延代价，c_m表示主控制器节点，d_cmj表示从属控制器节点与主控制器节点c_m之间的距离，I_s表示控制器同步全局网络信息数据量。

如图5中h-j过程所示为交换机S₂的控制器切换过程，该过程需要将交换机S₂的原控制器C₁切换成控制器C₂，在控制器切换过程中，首先，需要进行控制器切换的交换机发送切换请求给主控制器，主控制器接收到切换请求后随即执行控制器集群网络信息同步过程，同步完成后，主控制器向交换机S₂的原控制器C₁向发送同意切换命令，原控制器C₁收到切换命令后向请求切换的交换机S₂发送切换信息，同时向目的控制器C₂发送交换机S₂的相关数据包；交换机S₂收到切换信息后向新关联的控制器C₂发送连接请求，目的控制器C₂收到连接请求后回复确认信息，并接收交换机S₂的相关数据包。交换机的控制器切换过程产生的网络时延称为交换机状态切换产生的时延代价，计算公式如下：

其中，T_h交换机状态切换产生的时延代价，V表示子网卫星节点集合，C′表示控制器节点结合，p′_ij表示节点i到节点j域内交换机关联矩阵，I_h表示交换机节点迁移请求信息数据量，I_a表示迁移请求ACK信息数据量。

进一步的，根据网络维护过程产生的时延代价、流建立过程产生的时延代价、控制器集群网络信息同步过程中的时延代价和交换机状态切换产生的时延代价构建优化模型，构建的优化模型如下所示：

minT_m+T_f+T_syn+T_h

利用近似算法对优化模型进行求解，确定卫星子网S_r控制器放置的位置，进一步降低网络时延。具体的实现方式包括：

通过近似算法求解基于时延代价的优化模型，求解出的优化模型结果即可以确定控制器放置的位置，即控制器放置的位置，优化模型的求解结果如下：

其中：

y_i＝p_ii,

x_ij＝p_ij,

j∈V，

其中，f_i表示开设控制器所产生的的网络时延，y_i表示卫星的相间链路的数量，c_ij表示交换机的连接消耗，x_ij表示与控制器相关交换机个数。

根据求解出的的优化模型结果，控制器放置的数量由卫星子网S_r的覆盖范围决定，卫星子网S_r的覆盖范围越大，所需控制器的数量越多，控制器放置的位置以及控制器管理的交换机数量由求解出的优化模型结果确定，建立控制器节点与交换机之间的关联，随着控制器数量的增加，重新判断交换机和控制器的关联关系，直至输出最终结果。

在上述实施例的基础之上，为了实现天地一体化网络SDN控制器的实时维护，本发明的步骤除了S1-S5，还可括以下步骤，作为本发明的优选实施方式：

S6、判断当前卫星链路状态是否发生变化，若发生了变化，返回步骤S4，若没有发生变化，进入步骤S7；

S7、判断是否需要更新卫星子网，若需要更新，返回步骤S3，若不需要更新，则进入步骤S8；

S8、判断卫星子网应急所有任务是否全部完成，若未全部完成，返回步骤S6，若全部完成，释放该卫星子网区域内的控制器。

该优选实施方式可以根据卫星链路的实时变化更新天地一体化网络中的控制器的放置方法，对网络进行实时维护。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定低轨道卫星LEO卫星子网S₀；

S2、根据覆盖冗余度的卫星子网划分机制确定卫星对地最大覆盖时间窗口ΔT和卫星对终端覆盖的时间窗口值T_max，根据ΔT和T_max计算卫星节点的覆盖冗余值N；

S3、根据S₀和卫星节点的覆盖冗余度N确定满足冗余覆盖的卫星子网S_r；

S4、根据网络时延、卫星的可用度和卫星之间链路的可靠性，建立基于网络时延的优化模型；

S5、利用近似算法对优化模型进行求解，确定卫星子网S_r控制器放置的位置；

卫星对地最大覆盖时间窗口ΔT的计算方式包括：

其中，α为卫星对地球作切线时的地心角，R_e为地球半径，H为卫星对地高度，v_s为卫星运行速度；

卫星对终端覆盖的时间窗口值T_max的计算方式包括：

其中，α为卫星对地球作切线时的地心角，R_e为地球半径，h为终端对地高度，H为卫星对地高度，v_s为卫星运行速度，v_u为终端运行速度；

覆盖冗余度N的计算方式包括：

其中，

表示向上取整，ΔT表示卫星对地最大覆盖时间窗口，T_max表示卫星对终端覆盖的时间窗口值，v_u为终端运行速度，R_e为地球半径，h为终端对地高度，H为卫星对地高度，v_s为卫星运行速度；

优化模型的构建包括：根据网络维护过程产生的时延代价、流建立过程产生的时延代价、控制器集群网络信息同步过程中的时延代价和交换机状态切换产生的时延代价构建优化模型，构建的优化模型包括：

min T_m+T_f+T_syn+T_h

其中：

T_m表示网络维护过程产生的时延代价，T_re表示执行算法间隔，T_s表示网络维护间隔，i、j表示节点位置集合，d_ij表示节点i到节点j的距离，p表示控制域内交换机关联矩阵，p_ij是二进制数，r表示链路传输速率，I_m表示网络维护信息数据量，r_s表示设备端口收发速率，e_ij表示两点之间的边，E表示边长的集合，V表示子网卫星节点集合；

表示流建立过程产生的时延代价，F_ij表示交换机向控制器请求路由条目，I_p表示packet_In信息数据量，I_f表示流表下发信息量；

T_syn表示控制器集群网络信息同步过程中的时延代价，c_m表示主控制器节点，

表示从属控制器节点与主控制器节点c_m之间的距离，I_s表示控制器同步全局网络信息数据量；

T_h交换机状态切换产生的时延代价，V表示子网卫星节点集合，C'表示控制器节点结合，p′_ij表示节点i到节点j域内交换机关联矩阵，I_h表示交换机节点迁移请求信息数据量，I_a表示迁移请求ACK信息数据量；

所述利用近似算法对优化模型进行求解，确定卫星子网S_r控制器放置的位置，进一步降低网络时延，包括：

通过近似算法求解基于时延代价的优化模型，求解出的优化模型结果即可以确定控制器放置的位置，即控制器放置的位置，优化模型的求解结果如下：

其中：

其中，f_i表示开设控制器所产生的网络时延，y_i表示卫星的相间链路的数量，c_ij表示交换机的连接消耗，x_ij表示与控制器相关交换机个数。

2.根据权利要求1的一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法，其特征在于，流建立过程产生的时延代价包括：当交换机节点收到新的业务流时，若在交换机流表中匹配到相应的数据转发规则，则根据匹配到的相应数据转发规则转发数据，若在交换机流表中没有匹配到相应的数据转发规则，则向发送控制器业务信息，控制器再向交换机发送并安装该业务流的转发规则，在这个过程中产生网络时延为流建立过程产生的时延代价。

3.根据权利要求1的一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法，其特征在于，网络维护过程产生的时延代价包括：控制器根据链路检测协议向其管理的交换机发送链路检测数据包，交换机接收后将链路检测数据包转发给领域交换机节点，接收到该链路检测数据包的所有交换机节点通过packet_in方式将信息上传给对应连接的控制器，该网络维护过程产生网络时延为网络维护过程产生的时延代价。

4.根据权利要求1的一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法，其特征在于，控制器集群网络信息同步过程中的时延代价包括：从属控制器向主控制器发送本域的网络信息，主控制器接收到从属控制器发送的网络信息后更新全局网络信息，再将更新后的全局网络信息发送给从属控制器，完成控制器集群的网络信息同步过程，该过程产生的网络时延为控制器集群网络信息同步过程中的时延代价。

5.根据权利要求1的一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法，其特征在于，交换机状态切换产生的时延代价包括：首先，需要进行控制器切换的交换机向主控制器发送切换请求，主控制器接收到切换请求后执行控制器集群网络信息同步过程，同步完成后，主控制器向该交换机的原控制器发送同意切换命令，原控制器收到切换命令后向请求切换的交换机发送切换信息，同时向目的控制器发送该交换机的相关数据包；交换机收到切换信息后向目的控制器发送连接请求，目的控制器收到连接请求后回复确认信息，并接收交换机的相关数据包，该过程产生的时延代价为交换机状态切换产生的时延代价。

6.根据权利要求1的一种天地一体化网络SDN控制器按需动态放置方法，其特征在于，根据S₀和卫星节点的覆盖冗余度N确定满足冗余覆盖的卫星子网S_r包括：取最大的N值作为该卫星节点的扩展冗余度，选取LEO卫星子网S₀的边界卫星节点，这些边界卫星节点的外围曲线与Oaa轨道、Oba轨道、Cas轨道和Cbs轨道围成一个区域，该区域中所包含的卫星节点构成满足冗余覆盖的卫星子网Sr，其中，Oaa轨道和Oba轨道与LEO卫星子网S₀的边界卫星节点相隔N-1条轨道，Cas轨道和Cbs轨道与LEO卫星子网S₀的边界卫星节点间隔N-1颗卫星。

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