CN110995601A

CN110995601A - 一种软件定义的空基骨干网络拓扑构建方法

Info

Publication number: CN110995601A
Application number: CN201911317511.5A
Authority: CN
Inventors: 黎海涛; 张昊
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: CN110995601B

Abstract

本发明公开了一种软件定义的空基骨干网络拓扑构建方法，其实施步骤包括：空基网络中各节点先利用两跳拓扑发现算法寻找到邻居节点，然后计算表征链路稳定度的邻节点间预期访问持续时间，并删除一些链路稳定度低的邻居节点链路；最后，在节点发现形成的初始网络拓扑基础上进行节点关联，即根据各节点任务确定其功能属性，从而构建出整个空基网络拓扑，并将全网拓扑保存于骨干节点的SDN控制器。本发明利用获得的两跳信息来选择邻居节点链路，解决了节点多波束定向发射时，其覆盖的节点数量受限的问题。同时，通过删除连接稳定度低的链路可以获得最大化网络连通。进一步，在各个骨干节点部署SDN控制器，能够获得全网拓扑而优化资源调度、分配。

Description

一种软件定义的空基骨干网络拓扑构建方法

技术领域

本发明涉及机载网络领域，是一种软件定义空基骨干网络拓扑的构建方法。

背景技术

随着现代战争模式由平台中心战向网络中心战演进，通信系统必须支持广域、大容量的信息传输，以满足各参战单元对海量情报和战术协同信息的共享需求。目前，短波和卫星是广域超视距通信的两种主要手段，但短波通信速率仅在Kbps级，无法传输战场视频等信息。卫星具有很高的通信速率，但其轨道相对固定，抗毁性不能满足战场通信的需求。因此，在新的战场形势下迫切需要研究广域覆盖的空基高速无线通信系统。

空基骨干网络利用长滞空平台组网实现大范围通信覆盖，譬如在三个高空节点就可以建立一个跨越2000海里的空中骨干网络。利用空基网络在微波频段可以提供数百兆的通信速率，其可以作为除卫星通信之外的一种宽带高速的骨干传输网络。尽管空基骨干网络具有着很大的发展潜力，但是也还存在一些尚未解决的关键性研究问题，譬如网络资源利用率较低、机间协同通信难、网络管控复杂等。具备灵活、开放、可编程等优势的软件定义网络(SDN)为解决上述问题提供了新思路。

SDN是近年提出的一种全新的网络范式，网络架构由应用平面、控制平面、数据平面和管理平面构成。其基本特征包括：控制平面与数据平面分离；依靠逻辑集中的控制器进行网络配置；通过软件实现网络控制逻辑；具备标准化的编程接口。把SDN应用于空基骨干网络将增强网络的灵活性和开放性，软件定义网络对网络设备进行集中控制，大大降低了整体网络控制的难度。同时，控制平面能获得全网信息，能够优化调度网络资源分配。

网络拓扑结构是网络节点进行正常通信的物理基础，对保障网络端到端可靠传输起着至关重要的作用。因此，面向空中战场的应用场景，本发明针对软件定义空基骨干网络，提出空基骨干网络节点发现、节点关联等拓扑形成方法，达到设计高可靠性软件定义空基骨干网络的目的。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何构建软件定义的空基骨干网络拓扑结构。

本发明的基本原理为：空基网络中各节点先利用一般的两跳拓扑发现方法寻找到邻居节点，然后计算表征链路稳定度的空集网络邻节点间预期访问持续时间，并删除一些链路稳定度低的邻居节点链路；最后，在节点发现形成的初始空基网络拓扑基础上进行节点关联，即根据各节点任务确定其功能属性，从而构建出整个空基网络拓扑。

一种软件定义的空基骨干网络拓扑构建方法，基于由骨干网络层和接入网络层构成的空基网络架构，包括以下实现步骤：

步骤(1)：空基网络节点周期广播自己的Hello消息并接收网内其他节点Hello消息；

步骤(2)：空基网内节点之间周期地交换Hello消息，使得每个节点可以获得其两跳范围以内的邻居节点信息；

步骤(3)：把所有空基网络节点的邻节点信息汇总起来，得到初步的全网拓扑结构；

步骤(4)：各空基网络节点根据当前的位置信息来计算节点间可能保持接入的时间；

步骤(5)：删除保持连接时间短的链路节点，优化空基网络的初始拓扑；

步骤(6)：从优化后的初始空基网络拓扑中选择邻居节点多或优先级高的节点作为骨干节点；

步骤(7)：把优化后的初始空基网络拓扑中的骨干节点相互连接起来形成骨干节点链路；

步骤(8)：把接入网络层的各子网节点与其最邻近的骨干节点进行关联；

步骤(9)：通过节点关联形成最终网络拓扑之后，在各个骨干节点部署SDN控制器，同时在接入层子网节点部署SDN交换机完成数据转发。

有益效果

拓扑节点发现是确定能够形成通信链路的网络节点的过程。一般的拓扑发现算法假设每个节点可以建立所有的连接，即一个节点可以连接到它发现的所有一跳邻节点。而空基骨干网络为了支持大容量传输，需要采用多波束发射方式。但当节点多波束定向发射时，其覆盖的节点数量受限。因此，本发明提出的软件定义空基网络拓扑构建方法中，采用优化的两跳拓扑发现算法。该算法不是通过尝试连接所有的一跳邻节点来形成拓扑，而是每个节点通过周期地发送Hello消息，利用获得的两跳信息来选择邻居节点链路，并删除连接稳定度低的链路可以获得最大化网络连通。同时，在各个骨干节点部署SDN控制器，能够实现全网拓扑的资源优化调度、分配。

附图说明

图1为实施步骤。

图2为空基网络示意图。

图3为两跳节点发现示意图。

图4为初始网络拓扑。

图5为优化的网络拓扑。

图6为骨干节点选择。

图7为骨干节点连接。

图8为子网节点接入。

具体实施方式

本发明基于图2所示的软件定义的空基网络架构，包括骨干网络层和接入网络层。骨干网络层包括大型空中平台预警机、指通机等，可为战斗机等各战术子网节点提供网络接入功能。骨干网络节点都具有路由网关功能，可以通过多跳方式实现数据信息的路由、交换与转发。接入层由机载等战术子网节点组成，接入网络节点通过骨干节点中继实现广域通信。

本发明的具体实现步骤为：

步骤(1)：空基网络节点周期广播自己的Hello消息并接收其他节点Hello消息。

Hello消息的基本内容可包含：1)节点的ID号；2)节点的状态；3)节点能力等级；4)与节点关联的骨干节点ID等。

步骤(2)：节点之间周期性地交换Hello消息，使得每个节点可以获得其两跳范围以内的邻居节点信息，如图3为两跳拓扑发现示意图，其中C为中心源节点，其左方4，5，6，9为其一跳节点，7，8，10为两跳节点。图3与后续附图没有直接关系。

步骤(3)：把所有空基网络节点的邻节点信息汇总综合起来，得到一个初步的全网拓扑结构，如图4所示为8个节点网络通过节点发现后形成的网络拓扑示意图。

步骤(4)：各节点根据当前的运动轨迹(空间位置)来计算节点间可能保持接入的时间，其计算公式为

这里R为节点电台通信范围，d(i,j)为节点间距离，Δd(i,j)/Δt为节点之间相对距离的变化率。

譬如空基网络节点1的邻居节点有4、5、8，电台通信范围为10km，节点1—4间距离为2km，测得相对距离变化率(Δd/Δt)为1km/s；节点1—5间距离为3km，测得相对距离变化率(Δd/Δt)为2km/s；节点1—8间距离为5km，测得相对距离变化率(Δd/Δt)为7km/s；由此可计算出节点1—4间可能保持连接的时间为8s，节点1—5间可能保持连接的时间为3.5s，节点1—8间可能保持连接的时间为0.71s。

步骤(5)：删除保持连接的时间最短的链路节点1—8，得到网络的初始拓扑，如图5。

步骤(6)：选择邻居节点多或优先级高的传统节点1、2、6作为骨干节点，如图6。

步骤(7)：把网络拓扑中的骨干网节点相互连接起来形成骨干节点链路，如图7。

步骤(8)：把各子网节点与其最邻近的骨干节点进行关联，如图8。当被指定为父节点的骨干网络节点收到来自接入子网节点的Hello消息时，若未超过其负载能力，则将该子网节点加入其节点列表。否则，则应拒绝该节点的接入。子网节点在收到拒绝接入的消息后将自动寻找次邻近的骨干节点进行接入。

步骤(9)：通过节点关联后形成最终空基网络拓扑之后，在各个骨干网络节点部署SDN控制器，其中优先级较高的骨干节点(如预警机等)作为全网控制节点，其他骨干节点作为网关节点，并把全网拓扑保存于控制器。同时，在接入子网节点部署SDN交换机完成数据转发功能，且这些子网节点以多跳组网形式进行通信。

Claims

1.一种软件定义的空基骨干网络拓扑构建方法，基于由骨干网络层和接入网络层构成的空基网络架构，其特征在于，包括以下实现步骤：

2.根据权利要求2所述的一种软件定义的空基骨干网络拓扑构建方法，其特征在于：步骤4中所述保持接入的时间的计算方法为：

其中，R为节点电台通信范围，d(i,j)为节点间距离，Δd(i,j)/Δt为节点之间相对距离的变化率。