CN113543261A - 一种卫星网络多径传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星网络多径传输方法及装置，所述方法中基于软件定义网络和分段控制技术对全局子流进行追踪、识别，基于卫星网络在窗口时间段内的拓扑结构以及各类型业数据流的传输需求，基于最小化费用最大化流确定每个数据流的最优路径，在全局维度上进行网络管理和资源分配。在确定数据流的最优路径后，直接以标签栈的形式将传输路径记录在数据流的包头信息中，在后续传输过程中各卫星节点基于标签栈转发数据，显著降低了整个网络的信令开销，提高了传输效率。

Description

一种卫星网络多径传输方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星网络多径传输方法及装置。

背景技术

卫星网络具有空间跨度大、覆盖范围广、鲁棒性高、抗毁能力强等优势，在定位导航、应急通信、资源勘探和国家军事战略意义等方面有着不可或缺的作用。低轨卫星网络由大量低轨道通信卫星组成星座，通过采用星间链路传输与地面中继回传等方式，实现全球海量用户的无缝覆盖。

随着互联网的快速发展，现代网络设备通常配备多个硬件接口，可以通过在所有接口上聚合可用带宽来满足不断增加的流量需求。但是低轨道卫星与地面保持着高速相对运动关系，对于地面用户而言，网络拓扑在不断变化，因此地面终端需要频繁地切换接入的卫星节点，这对卫星网络传输层的稳定性和灵活性提出了挑战。

现有技术中的多种传输协议虽然对多数据流、多宿主和移动性管理等问题进行解决，但并不考虑子流特性、链路情况以及宽带资源等条件，不能适应低轨卫星网络复杂物理环境引起的链路不稳定以及卫星高速运动引起的网络不确定性或业务量的突然增加的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种卫星网络多径传输方法及装置，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，用以解决高速运动变化的低轨道卫星在海量业务条件下传输不稳定、传输质量差的问题。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种卫星网络多径传输方法，所述方法在软件定义网络控制器上运行，所述方法包括：

获取卫星网络的各卫星节点信息以及当前窗口时间段内各链路信息，所述卫星节点信息至少包括卫星IP和端口信息，所述链路信息至少包括链路稳定性信息、链路带宽、链路持续时间，在所述窗口时间段内令所述卫星网络拓扑关系不变；

获取当前窗口时间段内由地面终端经入口卫星发送的第一数据流的包头信息；

解析所述包头信息，获取所述包头信息中记载的业务类型、该业务对时延的敏感度和对丢包率的敏感度、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP、出口卫星端口号以及身份密钥信息；

将所述第一数据流的身份密钥信息与流信息存储表中记载的各前序数据流的身份密钥信息进行对比；

若所述第一数据流的身份密钥信息与其中一个或多个前序数据流的身份密钥信息一致，则将所述第一数据流与相应的前序数据流进行关联，将所述第一数据流的身份密钥信息、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP和出口卫星端口号记入所述流信息存储表中，根据各前序数据流的传输路径和占用的带宽计算各链路的剩余带宽，将各链路的剩余带宽更新为链路带宽，基于最小化费用且最大化流计算所述第一数据流的最优路径；

若所述第一数据流的身份密钥信息与所有前序数据流的身份密钥信息均不一致，将所述第一数据流的身份密钥信息、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP和出口卫星端口号记入所述流信息存储表中，基于最小化费用且最大化流计算所述第一数据流的最优路径；

采用标签栈标识所述最优路径，将所述标签栈写入所述包头信息后回传至所述入口卫星，以供各卫星节点根据所述标签栈以及各卫星节点存储的本地标签定义对所述第一数据流进行转发。

在一些实施例中，对时延的敏感度采用时延权重

表示；其中，t_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的时延；

为关于业务流f₁的时延敏感因子，值域为(0，1]。

在一些实施例中，对丢包率的敏感度采用丢包率权重

表示；其中，ε_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的丢包率；

为关于业务流f₁的丢包率敏感因子，值域为(0，1]。

在一些实施例中，所述链路稳定性信息包括由卫星拓扑关系影响的规律稳定性值和由环境影响的非规律稳定性值；

所述规律稳定性值u_A的表达式为：

其中，ω∈(0，1)表示该星间链路的稳定性，e_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路，Inter ISL为邻轨星间链路，Intra ISL为同轨星间链路；

所述非规律稳定性值为u_B的表达式为：

其中，flag为链路e_ij在当前窗口时间段之前第N个窗口时间段的工作状态，链路正常时为1，故障时为0，N为正整数；

链路e_ij的稳定性u_ij为：

u_ij＝(1-β)·u_A+β·u_B

其中，β∈(0,1)为调节规律稳定性值和非规律稳定性值权值的参数。

在一些实施例中，基于最小化费用且最大化流计算所述第一数据流的最优路径，包括：

获取从入口卫星到出口卫星的最小费用路径；

基于所述最小费用路径采用标号法获取流最大的所述最优路径。

在一些实施例中，获取从入口卫星到出口卫星的最小费用路径中，所述最小费用路径满足如下条件：

其中，f_l[i,j]是通过链路e_ij的流，业务流集合F＝{f₁,f₂,...,f_l}；路径集P＝{P₁,P₂,...,P_l}，每条路径P_l＝{V₁,V₂,...,V_k}在发送方和接收方对之间形成一条k跳路径，V_k表示该路径的第k个卫星节点；

是业务流f_l在链路边e_ij的链路权重，所述链路权重为：

其中，u_ij为链路e_ij的稳定性；t_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的时延，

为关于业务流f₁的时延敏感因子；ε_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的丢包率，

为关于业务流f₁的丢包率敏感因子。

在一些实施例中，若所述第一数据流的身份密钥信息与其中一个或多个前序数据流的身份密钥信息一致，则在基于最小化费用且最大化流计算所述第一数据流的最优路径之前，还包括：

剔除所述卫星网络中与所述第一数据流相关联的各前序数据流传输的链路；和/或，剔除所述卫星网络中剩余带宽不足链路总带宽80％的链路。

在一些实施例中，所述标签栈由出口卫星节点清除出所述包头信息。

另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明的有益效果至少是：

本发明所述卫星网络多径传输方法及装置中，所述方法中基于软件定义网络和分段控制技术对全局子流进行追踪、识别，基于卫星网络在窗口时间段内的拓扑结构以及各类型业数据流的传输需求，基于最小化费用最大化流确定每个数据流的最优路径，在全局维度上进行网络管理和资源分配。在确定数据流的最优路径后，直接以标签栈的形式将传输路径记录在数据流的包头信息中，在后续传输过程中各卫星节点基于标签栈转发数据，显著降低了整个网络的信令开销，提高了传输效率。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例所述卫星网络多径传输方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例所述卫星网络多径传输方法的逻辑示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

随着互联网的快速发展，现代网络设备通常配备多个硬件接口，可以通过在所有接口上聚合可用带宽来满足不断增加的流量需求。为了支持多宿主终端，因特网工程任务组(IETF)已经提出了许多新的协议，如流控制传输协议(Stream Control TransmissionProtocol,SCTP)支持在网络两终端之间同时传输多个数据流，SHIM6协议解决了IPv6(Internet Protocol Version 6)的多宿主问题，主机识别协议(Host IdentityProtocol,HIP)提供了安全的主机移动和多宿主的方法，多转发地址注册协议(MultipleCare-of Address,MCoA)解决了多宿主通信时的移动性管理问题，以及多路径传输控制协议(Multi-Path Transmission Control Protocol,MPTCP)等。MPTCP被提出作为传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)的扩展，它允许在一对主机之间利用多个接口实现传输层端到端协议，通过并发使用不同接口提供带宽聚合的支持，同时向上层提供单个TCP连接，为用户提供更大吞吐量。

多路径传输控制协议(Multi-Path Transmission Control Protocol，MPTCP)是当前新兴且有非常前景的网络传输层协议，将MPTCP应用在低轨卫星网络中前景广阔。在用户与低轨卫星网络接入节点处于稳定连接状态时，MPTCP可以将地面终端上传的不同流量分成多个子流，在若干个卫星网络路径上传输；在用户终端需要切换卫星网络接入节点时，可以使每个地面终端使用多个接口与不同的网关卫星建立连接，模仿地面多宿主主机的MPTCP模式。在低轨卫星网络中采用MPTCP不仅能够显著提高吞吐量性能，补偿长网络往返时间(Round-Trip Time,RTT)的影响，并且在切换过程中，能够有效利用星间链路容量，平滑地将流量从中断链路切换传输到其他可以通信的链路，防止传输中断，使端到端会话从切换状态中快速恢复。

但是，现有卫星网络中的MPTCP将子流分配在若干条最大不相交路径上，不考虑子流特性、链路情况、带宽资源等条件，该方案不能适应低轨卫星网络复杂物理环境引起的链路不稳定以及卫星高速运动引起的网络不确定性或业务量的突然增加的问题。

低轨卫星网络中卫星节点是分布式的，MPTCP在低轨卫星网络上独立运行的方式需要卫星节点具有较强的星载处理和存储能力；其次，为了充分利用星座图拓扑，不可避免地会在路径发现或数据传输期间引入额外开销，星座拓扑的存储和信息交换也会消耗星上有限的带宽资源。当地面终端被不同网关卫星覆盖，需要切换传输时，如果只有单纯的星间通信，信息交互时间过长，无法及时将MPTCP子流拆分为多条最优路径，连接不稳定甚至断开。由于缺乏全局网络信息，底层子流的路径特性(如带宽、时延、丢失率、抖动等)可以显著地不同，或随时间变化，若针对不同的业务及路径特性不加以区分传输，会导致网络资源利用率低、资源分配不均。当前MPTCP协议栈采用粗粒度控制的效果无法满足网络性能的高要求。数据业务流沿着MPTCP最优路径集传输时，所有设备都需要感知路径信息及实时状态，每个节点均需要维护大量的路径状态信息，无法快速响应业务对网络的需求，网络可扩展性差、硬件结构复杂、实现成本高。

鉴于此，本发明提供一种卫星网络多径传输方法，所述方法在软件定义网络(SDN)控制器上运行，SDN技术能够实现数据平面和控制平面的分离，通过将控制平面集中到逻辑控制器上，提供全局网络信息，收集并监测网络状态数据。控制平面对网络进行管理，数据平面的交换设备不知道任何网络信息，只依据控制器下发的指令工作。该技术提高了网络的灵活性和可扩展性，使网络具有可编程性，便于对网络进行管理。进一步地，本发明实施例还结合应用分段控制技术，将传输路径分割成若干段，以便更好地控制数据分组转发。网络节点根据分段报头中的指令序列在传输路径上引导数据转发。该技术将最优流量路径集注入源端节点，中间传输节点只根据指令转发数据包，不需要在路径上的中间设备处维护每个流条目，使卫星网络能够简单、灵活地实现数据传输，用报头开销的微小增加为代价显著降低整个网络中的信令开销，提高传输效率。

具体的，本发明中，卫星网络各卫星节点连接SDN控制器，形成动态网络拓扑。在这种结构下，设卫星网络是一个有向图G＝{V,E}，其中，V表示卫星网络交换机或终端主机集合，E表示它们之间的物理连接即链路集合。V＝{V₁,V₂,...,V_n}表示网络中共有n个卫星节点，E中的每条链路表示为边e_ij，代表V_i至V_j的链路。每一条边e_ij具有的属性包括：链路带宽b_ij、时延t_ij以及丢包率ε_ij。

设路径集P＝{P₁,P₂,...,P_l}，其中每条路径P_l＝{V₁,V₂,...,V_k}等价于一个有序顶点集，其中，每个V_i∈V，使得(V₁,V₂,...,V_k)在发送方和接收方对之间形成一条k跳路径，还可以将每条路径P_l表示为P₁＝{e₁₂,e₂₃,...,e_k-1,k}。对整个网络而言，网络请求的业务流集合F＝{f₁,f₂,...,f_l}，对每一条路径，设每条链路边e_ij上承载的流为f_l[i,j]，其所需带宽为

则剩余带宽可以表示为：

带宽利用率可以表示为：

对于每个节点，设X_ij为边e_ij上的有效数据传输速率，每个节点遵循流量守恒，那么有：

s.t.et_ij≤rst_ij (5)

具体的，如图1所示，所述卫星网络多径传输方法，包括步骤S101～S105：

步骤S101：获取卫星网络的各卫星节点信息以及当前窗口时间段内的各链路信息，卫星节点信息至少包括卫星IP和端口信息，链路信息至少包括链路稳定性信息、链路带宽、链路持续时间，在窗口时间段内令卫星网络拓扑关系不变。

步骤S102：获取当前窗口时间段内由地面终端经入口卫星发送的第一数据流的包头信息。

步骤S103：解析包头信息，获取包头信息中记载的业务类型、该业务对时延的敏感度和对丢包率的敏感度、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP、出口卫星端口号以及身份密钥信息。

步骤S104：将第一数据流的身份密钥信息与流信息存储表中记载的各前序数据流的身份密钥信息进行对比。

步骤S1041：若第一数据流的身份密钥信息与其中一个或多个前序数据流的身份密钥信息一致，则将第一数据流与相应的前序数据流进行关联，将第一数据流的身份密钥信息、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP和出口卫星端口号记入流信息存储表中，根据各前序数据流的传输路径和占用的带宽计算各链路的剩余带宽，将各链路的剩余带宽更新为链路带宽，基于最小化费用且最大化流计算第一数据流的最优路径。

步骤S1042：若第一数据流的身份密钥信息与所有前序数据流的身份密钥信息均不一致，将第一数据流的身份密钥信息、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP和出口卫星端口号记入流信息存储表中，基于最小化费用且最大化流计算第一数据流的最优路径。

步骤S105：采用标签栈标识最优路径，将标签栈写入包头信息后回传至入口卫星，以供各卫星节点根据标签栈以及各卫星节点存储的本地标签定义对第一数据流进行转发。

在步骤S101中，卫星网络是由多个低轨道卫星组成的网络拓扑，由于低轨道卫星不断高速运动，其所构成的网络拓扑结构也在不断变换。本实施例中，为了构建有效的传输路径，首先要获取各卫星IP以及各卫星上多个端口号，用于标记传输节点。进一步的，针对变化的网路拓扑，本实施例设置一个窗口时间段以将高度动态的网络拓扑分解为一系列静态的拓扑，在窗口时间段内可以认为低轨道卫星网络拓扑是静态的。该窗口时间段可以是10min，也可以根据实际低轨道卫星网络的数量和运行速度确定，卫星数量越多、运行速度越快则窗口时间段越短。在一个窗口时间段内，将卫星网络作为静态处理，由SDN控制器获取链路信息作为参考，用于后续最优路径的决策。

在一些实施例中，链路稳定性信息包括由卫星拓扑关系影响的规律稳定性值和由环境影响的非规律稳定性值；

所述规律稳定性值u_A的表达式为：

其中，ω∈(0，1)表示该星间链路的稳定性，e_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路，Inter ISL为邻轨星间链路，Intra ISL为同轨星间链路；

所述非规律稳定性值为u_B的表达式为：

其中，flag为链路e_ij在当前窗口时间段之前第N个窗口时间段的工作状态，链路正常时为1，故障时为0，N为正整数；

链路e_ij的稳定性u_ij为：

u_ij＝(1-β)·u_A+β·u_B (8)

其中，β∈(0,1)为调节规律稳定性值和非规律稳定性值权值的参数。

在步骤S102中，在当前的窗口时间段内，当地面终端向入口卫星发送待处理的第一数据流后，入口卫星会获取第一数据流的包头信息并发送给SDN控制器，以供SDN控制器进行分析并确定最优路径。

在步骤S103中，SDN控制器解析第一数据流的包头信息，并得到第一数据流的业务类型以及该业务对时延的敏感度和对丢包率的敏感度。本实施例引入业务类型，进一步划分不同业务类型对时延和丢包率的敏感度，综合评价并进行路径选择。入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP以及出口卫星端口号用于精确标记源端和目标端。身份密钥信息用于区分不同数据流之间的关系，具体的，SDN控制器具有MPTCP感知能力，能够识别并绑定MPTCP中同一个IP下的多个子流。为了能够实现对子流的识别，第一数据流的包头信息中记载身份密钥信息，身份密钥信息可以是对源端身份标识信息以及数据批次进行加密得到的，也可以基于其他设定规则对数据的源端以及是否为子流进行标记。

在一些实施例中，对时延的敏感度可以采用时延权重

表示；其中，t_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的时延；

为关于业务流f₁的时延敏感因子，值域为(0，1]。

在一些实施例中，对丢包率的敏感度采用丢包率权重

表示；其中，ε_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的丢包率；

为关于业务流f₁的丢包率敏感因子，值域为(0，1]。

在步骤S104中，基于第一数据流的身份密钥信息进一步判断是否存在其他与第一数据流相对应的子流。具体的，SDN控制器设置并维护流信息存储表(flow message表)，流信息存储表内主要记录业务流的身份密钥信息、对时延的敏感度、对丢包率的要求等的指标，也可以记录各数据流源端和目的端口号，是否为子流的标识。流信息存储表记载是单一窗口时间段内流的相关信息。

在步骤S1041中，当第一数据流的身份密钥信息与一个或多个前序数据流的身份密钥信息一致时，则表示第一数据流与这几个相应的前序数据流属于同一个源端的子流，则在同步传输过程中，需要综合考虑已经确定了传输路径的前序数据流的流和路径的影响，以各路径剩余的带宽作为配置和选择最优路径的条件，进一步地，选择最优路径的方式可以转化为最小费用最大流问题，以基于最小化费用且最大化流计算和迭代得到第一数据流的最优路径。其中，将第一数据流与相应的前序数据流进行关联，一方面是为了确认和关联同一源端发出的多个子流，进行统筹决策传输路径，另一方面，是为了在目标端进行精确的重组。将第一数据流的相关信息记入流信息存储表，以作为后续数据流的判断参数，以判断是否为存在相应的子流。

在一些实施例中，在步骤S1041中，若第一数据流的身份密钥信息与其中一个或多个前序数据流的身份密钥信息一致，则在基于最小化费用且最大化流计算第一数据流的最优路径之前，还包括：剔除卫星网络中与第一数据流相关联的各前序数据流传输的链路；和/或，剔除卫星网络中剩余带宽不足链路总带宽80％的链路。

在本实施例中，为了使第一数据流所确定的最优路径传输效果最好，一方面可以在卫星网络中剔除与第一数据流相关联的前序数据流，以保证第一数据流与其他关联的子流的传输路径不同。另一方面，可以从卫星网络中将剩余带宽不足80％的链路去除，以保证第一数据流的传输质量。

在步骤S1042中，若第一数据流的身份密钥信息与所有前序数据流的身份密钥信息均不一致，则表示第一数据流的源端没有同步传输的其他子流，不存在其他数据流的影响，则可以直接应用各链路的全部带宽作为配置和选择最优路径的条件，进一步地，以基于最小化费用且最大化流计算和迭代得到第一数据流的最优路径。其中，将第一数据流的相关信息记入流信息存储表，以作为后续数据流的判断参数。其中，将第一数据流的相关信息记入流信息存储表，以作为后续数据流的判断参数，以判断是否为存在相应的子流。进一步地，步骤S1041和步骤S1042中，基于最小化费用且最大化流计算第一数据流的最优路径，包括步骤S201和步骤S202：

步骤S201：获取从入口卫星到出口卫星的最小费用路径。

步骤S202：基于最小费用路径采用标号法获取流最大的所述最优路径。

在一些实施例中，步骤S201中，获取从入口卫星到出口卫星的最小费用路径中，最小费用路径满足如下条件：

其中，f_l[i,j]是通过链路e_ij的流，业务流集合F＝{f₁,f₂,...,f_l}；路径集P＝{P₁,P₂,...,P_l}，每条路径P_l＝{V₁,V₂,...,V_k}在发送方和接收方对之间形成一条k跳路径，V_k表示该路径的第k个卫星节点；

是业务流f_l在链路边e_ij的链路权重，所述链路权重为：

其中，u_ij为链路e_ij的稳定性；t_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的时延，

为关于业务流f₁的时延敏感因子；ε_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的丢包率，

为关于业务流f₁的丢包率敏感因子。

在步骤S105中，在获得第一数据流对应的最优路径之后，将最优路径以标签栈的形式记载在第一数据流的包头信息中并返回至入口卫星。在第一数据流的后续传输过程中，每一个卫星节点直接读取包头信息中标签栈记载的最优路径对数据包进行转发，而不再需要进行多余信令的交互传输和认证，极大降低了信令开销。在一些实施例中，在第一数据流最终传达到出口卫星后，标签栈可以由出口卫星节点清除出包头信息，以减小容量。

具体的，标签栈以预定形式记载第一数据流的传输路径，标签栈记载在第一数据流的包头信息中一同传输。每个卫星节点处都记载有本地标签，用于记录标签栈中记载的标签所对应的传输方向或路径。当第一数据流到达一卫星节点时，只需要提取标签栈并与本地标签对比解读，则可以直接根据解读得到的路径进行转发。

另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

下面结合一具体实施例对本发明进行说明：

本实施例提供一种卫星网络多径传输方法，是基于SDN技术与分段控制的MPTCP，在SDN控制器上运行，SDN控制器连接低轨卫星网络。基于SDN控制器的SDN技术将卫星网络分为控制平面与数据平面。控制平面实现的功能有：管理对卫星网络拓扑结构的完全访问权，提供全局资源视图；负责卫星网络中的资源探测和分配，收集链路历史稳定性信息，进行更细粒度的控制。SDN控制器具有MPTCP感知能力，无论在稳定状态还是切换状态下，能够识别并绑定MPTCP中同一个IP下的多个子流，具有监视网络、管理用户连接等功能。在分段控制技术中，SDN控制器负责将流量路径由源端节点注入，并通过标签栈定义传输路径。数据平面主要负责数据的转发，数据转发路径在源节点由SDN控制器通过标签栈标识在分段控制包头(Segment Control Header)中，即包头信息中。后续卫星节点只需将标签栈中的全局标签(Nodal Segment)与本地标签(Adjacency Segment)对比，根据本地标签中记载的定义进行简单操作来指导转发。分段控制技术应用在卫星网络后，所有应用被映射到由分段表(Segment list)所定义的路径上，网络只需要维护分段表，无需维护应用状态信息。

在稳态情况下，即一个窗口时间段内，当入口卫星即源节点从地面终端第一次接收到流消息时，源节点卫星会将新来的流定向到SDN控制器，SDN控制器计算并分配源节点与目的节点之间对该流而言的最优路径，再将相关路径及操作信息以标签栈定义的形式，封装进流消息的分段控制包头中，回传给源节点卫星即入口卫星，后续卫星节点根据标签栈中定义的操作和指示路径来转发数据流，到达目的节点之后，将所有标签弹出栈。即，只有业务流的入口节点需要接收来自SDN控制器的指令并维护每个流的条目，而传输节点只是根据指令转发数据包，这在控制面是一种无状态并且极为简单的实现。另外，在SDN控制器中，维护一张流信息存储表，即fmsg表(flow message)，其中包括各数据流的业务类型(时延敏感因子和丢包率敏感因子)、身份密钥、IP地址对、端口地址对。每当网络中收到一个数据流，SDN控制器首先匹配身份密钥，判断是否为前序数据流的子流，若是，则完成子流绑定，在表中标记，更新拓扑并计算路径；若不是，则在fmsg表中新增一项条目，完成路径计算，并将路径注入源节点。

如图2所示，具体步骤可以包括如下步骤1～步骤8：

步骤1：SDN控制器通过与卫星网络的各卫星节点交互，获取卫星节点信息及链路信息，卫星节点信息至少包括卫星IP和端口信息，链路信息至少包括链路稳定性信息、链路带宽、链路持续时间。

步骤2：在窗口时间段内某一时刻，地面终端向入口卫星发送数据流。

步骤3：入口卫星接收数据流后，将该数据流的包头信息发送给SDN控制器，控制器解析包头信息，获取数据流的业务类型，得到该业务对时延、丢包率等的敏感度；获取入口卫星与出口卫星的IP地址、端口号，以及身份密钥。

步骤4：SDN控制器将获取到的身份密钥与流信息存储表中已有的流进行匹配，判断本数据流是否为已有前序数据的子流，若是，转步骤5；若否，转到步骤6。

步骤5：SDN控制器将本数据流与相关的前序数据的子流绑定，并将其相关信息写入流信息存储表中，更新此时的网络拓扑图，基于相关的前序数据已经确定的路径和流量计算卫星网路中各链路的剩余带宽，以各链路的剩余带宽作为参数，基于最小化费用且最大化流计算最优路径。

步骤6：SDN控制器在流信息存储表中新增条目，将相关信息写入流信息存储表，基于最小化费用且最大化流计算最优路径。

步骤7：SDN控制器得到最优路径之后，定义标签栈标识最优路径及相关操作，将其写入本数据流的包头，回传给入口卫星节点，后续卫星节点根据标签定义的操作进行数据包转发；

步骤8：下一个时间窗开始时，跳回步骤1。

最优路径的获取方式可以包括如下内容：

1.卫星网络系统描述：

进一步地，设卫星网络是一个有向图G＝{V,E}，其中，V表示卫星网络交换机或终端主机集合，E表示它们之间的物理连接即链路集合。V＝{V₁,V₂,...,V_n}表示网络中共有n个卫星节点，E中的每条链路表示为边e_ij，代表V_i至V_j的链路。每一条边e_ij具有的属性包括：链路带宽b_ij、时延t_ij以及丢包率ε_ij。

设路径集P＝{P₁,P₂,...,P_l}，其中每条路径P_l＝{V₁,V₂,...,V_k}等价于一个有序顶点集，其中，每个V_i∈V，使得(V₁,V₂,...,V_k)在发送方和接收方对之间形成一条k跳路径，还可以将每条路径P_l表示为P₁＝{e₁₂,e₂₃,...,e_k-1,k}。对整个网络而言，网络请求的业务流集合F＝{f₁,f₂,...,f_l}，对每一条路径，设每条链路边e_ij上承载的流为f_l[i,j]，其所需带宽为

则剩余带宽可以表示为：

带宽利用率可以表示为：

对于每个节点，设X_ij为边e_ij上的有效数据传输速率，每个节点遵循流量守恒，那么有：

s.t.et_ij≤rst_ij (5)

2.参数配置：

将卫星高度动态的网络拓扑分解为一系列静态拓扑，可以认为在每个窗口时间段内卫星网络的拓扑是固定的。

2.1根据业务类型配置对时延的敏感度：

对时延的敏感度可以采用时延权重

表示；其中，t_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的时延；

为关于业务流f₁的时延敏感因子，值域为(0，1]。

2.2根据业务类型配对置链路丢包率的敏感度：

对丢包率的敏感度采用丢包率权重

表示；其中，ε_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的丢包率；

为关于业务流f₁的丢包率敏感因子，值域为(0，1]。

2.3由SDN获取链路稳定性信息

链路稳定性信息包括由卫星拓扑关系影响的规律稳定性值和由环境影响的非规律稳定性值；

由于极地区域的卫星轨道密集，邻轨卫星容易互相干扰，轨间链路进入极地区域时会断开。因此，同一轨道内的链路会比邻轨链路具有更高的稳定性，本实施例采用规律稳定性值描述，规律稳定性值u_A的表达式为：

其中，ω∈(0，1)表示该星间链路的稳定性，e_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路，Inter ISL为邻轨星间链路，Intra ISL为同轨星间链路；

宇宙空间中存在日凌等电磁辐射和激光等影响因素，以及特殊天象和降雨等自然现象，会对卫星通信的信号造成不确定性的干扰，本发明用规律稳定性值来描述。非规律稳定性值为u_B的表达式为：

其中，flag为链路e_ij在当前窗口时间段之前第N个窗口时间段的工作状态，链路正常时为1，故障时为0，N为正整数；

链路e_ij的稳定性u_ij为：

u_ij＝(1-β)·u_A+β·u_B (8)

其中，β∈(0,1)为调节规律稳定性值和非规律稳定性值权值的参数。

3.最优路径选择：

将本选路问题构建为最大流-最小费用数学模型。将最佳选路问题列为一个线性优化问题，选取的最优路径首先满足如下计算式9：

其中，f_l[i,j]是通过链路e_ij的流，业务流集合F＝{f₁,f₂,...,f_l}；路径集P＝{P₁,P₂,...,P_l}，每条路径P_l＝{V₁,V₂,...,V_k}在发送方和接收方对之间形成一条k跳路径，V_k表示该路径的第k个卫星节点；

是业务流f_l在链路边e_ij的链路权重，所述链路权重为：

解决最大流问题需要利用图的特点和图论的方法。实际上卫星网络是多源多汇网络，但为了计算的规格化，可将多源多汇网络化成单源单汇网络，最大流问题就是在图中找到流值最大的可行流(即最大流)。本实施例解决最大流问题采取的是标号法(参照Ford,L.R.；Fulkerson,D.R.‘Maximal flow through a network.’Canadian Journal ofMathem atics.)。标号法的基本思想是在图中寻找可增广路，使网络的流量增加，直到最大为止。即，首先给出一个初始流，如果存在它的可增广路，那么调整该路上每条弧上的流量，可以得到新的流。对于新的流，循环这个过程，直到网络中不存在关于新流的可增广路为止，则该流就是所求的最大流。

在已知最大流的基础上，最小费用模型是考虑网络上流的费用问题，在网络图G＝{V,E}中，V表示网络中的节点，E表示网络中的可通信链路。给每条路径设置权重w，权重w表示通过网络中两个节点之间的弧(i,j)单位流的费用。所谓最小费用问题，就是从源端到目的端如何以最小费用输送一已知量为v(f)的总流量。显然，如果设定v(f)＝v(f_max)，则以上问题就是最小费用最大流问题。

本实施例求解最小费用的方法是迭代法，其主要步骤如下1)～4)：

1)设置初始值v(f)＝0，求出从源端到目的端的最小费用通路P_l。

2)对该通路P_l分配最大可能的流量v(f)(受限于容量最小的链路)，并让通路上的所有边的容量相应减少f；对于通路上的饱和边，其单位流费用相应改为正无穷大∞。

3)作该通路P_l上所有边(i,j)的反向边(j,i)；令每条边的流量等于f，费用数值取相反数。

4)在这样构成的新网络中，重复上述步骤(1)，(2)，(3)，直到从源端到目的端的全部流量等于v(f)为止(或者再也找不到从源端到目的端的最小费用路径)。

综上所述，本发明基于SDN与分段控制的卫星星间组网方案是一种灵活、可扩展的体系结构，能够支持卫星网络不断发展的需求。控制器通过收集全局视图、对网络进行全局管理与配置，进行子流跟踪、识别和重定向具有不同特性的数据包，计算对当前业务流而言最优路径，将其封装进数据包包头，上传给源节点卫星，其他节点根据标签定义的操作指导数据转发与传输。基于SDN与分段控制技术的卫星网络MPTCP机制，能够降低网络的开销，给SDN技术部署在卫星网络带来了便利。SDN控制器在接收到卫星网络起始端发出的数据流后，根据本发明设计的多路径选路方案，查找卫星源和目的节点之间的n条路径集，并利用分段控制技术减小卫星网络中的控制开销。

本发明的的卫星网络中多路径传输方案，更能适应实际低轨卫星网络中链路丢包率较高、海量网络请求的场景。以及减小卫星链路进入极地、空间环境复杂、自然现象干扰等情况对卫星通信的信号造成的不确定性干扰产生的影响，能够提高网络带宽利用率，节省有限的卫星网络带宽资源。选路方案结合当前时间窗内的链路时延、稳定性以及丢包率特性，以及网络请求的业务对时延和丢包率的敏感度，在全局维度上进行高效网络管理与公平资源分配。

本发明将卫星网络多路径传输选路构建为一个最大流最小费问题，并给出数学描述，根据不同业务的性能对参数进行调整，从而以最优性能指标提供内容传输的最佳机会。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星网络多径传输方法，其特征在于，所述方法在软件定义网络控制器上运行，所述方法包括：

获取卫星网络的各卫星节点信息以及当前窗口时间段内各链路信息，所述卫星节点信息至少包括卫星IP和端口信息，所述链路信息至少包括链路稳定性信息、链路带宽、链路持续时间，在所述窗口时间段内令所述卫星网络拓扑关系不变；

获取当前窗口时间段内由地面终端经入口卫星发送的第一数据流的包头信息；

解析所述包头信息，获取所述包头信息中记载的业务类型、该业务对时延的敏感度和对丢包率的敏感度、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP、出口卫星端口号以及身份密钥信息；

将所述第一数据流的身份密钥信息与流信息存储表中记载的各前序数据流的身份密钥信息进行对比；

若所述第一数据流的身份密钥信息与其中一个或多个前序数据流的身份密钥信息一致，则将所述第一数据流与相应的前序数据流进行关联，将所述第一数据流的身份密钥信息、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP和出口卫星端口号记入所述流信息存储表中，根据各前序数据流的传输路径和占用的带宽计算各链路的剩余带宽，将各链路的剩余带宽更新为链路带宽，基于最小化费用且最大化流计算所述第一数据流的最优路径；

若所述第一数据流的身份密钥信息与所有前序数据流的身份密钥信息均不一致，将所述第一数据流的身份密钥信息、入口卫星IP、入口卫星端口号、出口卫星IP和出口卫星端口号记入所述流信息存储表中，基于最小化费用且最大化流计算所述第一数据流的最优路径；

采用标签栈标识所述最优路径，将所述标签栈写入所述包头信息后回传至所述入口卫星，以供各卫星节点根据所述标签栈以及各卫星节点存储的本地标签定义对所述第一数据流进行转发。

2.根据权利要求1所述的卫星网络多径传输方法，其特征在于，对时延的敏感度采用时延权重

表示；其中，t_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的时延；

为关于业务流f₁的时延敏感因子，值域为(0，1]。

3.根据权利要求2所述的卫星网络多径传输方法，其特征在于，对丢包率的敏感度采用丢包率权重

表示；其中，ε_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的丢包率；

为关于业务流f₁的丢包率敏感因子，值域为(0，1]。

4.根据权利要求3所述的卫星网络多径传输方法，其特征在于，所述链路稳定性信息包括由卫星拓扑关系影响的规律稳定性值和由环境影响的非规律稳定性值；

所述规律稳定性值u_A的表达式为：

其中，ω∈(0，1)表示该星间链路的稳定性，e_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路，InterISL为邻轨星间链路，Intra ISL为同轨星间链路；

所述非规律稳定性值为u_B的表达式为：

其中，flag为链路e_ij在当前窗口时间段之前第N个窗口时间段的工作状态，链路正常时为1，故障时为0，N为正整数；

链路e_ij的稳定性u_ij为：

u_ij＝(1-β)·u_A+β·u_B

其中，β∈(0,1)为调节规律稳定性值和非规律稳定性值权值的参数。

5.根据权利要求4所述的卫星网络多径传输方法，其特征在于，基于最小化费用且最大化流计算所述第一数据流的最优路径，包括：

获取从入口卫星到出口卫星的最小费用路径；

基于所述最小费用路径采用标号法获取流最大的所述最优路径。

6.根据权利要求5所述的卫星网络多径传输方法，其特征在于，获取从入口卫星到出口卫星的最小费用路径中，所述最小费用路径满足如下条件：

其中，f_l[i,j]是通过链路e_ij的流，业务流集合F＝{f₁,f₂,...,f_l}；路径集P＝{P₁,P₂,...,P_l}，每条路径P_l＝{V₁,V₂,...,V_k}在发送方和接收方对之间形成一条k跳路径，V_k表示该路径的第k个卫星节点；

是业务流f_l在链路边e_ij的链路权重，所述链路权重为：

其中，u_ij为链路e_ij的稳定性；t_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的时延，

为关于业务流f₁的时延敏感因子；ε_ij为卫星节点i至卫星节点j的链路e_ij的丢包率，

为关于业务流f₁的丢包率敏感因子。

7.根据权利要求1所述的卫星网络多径传输方法，其特征在于，若所述第一数据流的身份密钥信息与其中一个或多个前序数据流的身份密钥信息一致，则在基于最小化费用且最大化流计算所述第一数据流的最优路径之前，还包括：

剔除所述卫星网络中与所述第一数据流相关联的各前序数据流传输的链路；和/或，剔除所述卫星网络中剩余带宽不足链路总带宽80％的链路。

8.根据权利要求1所述的卫星网络多径传输方法，其特征在于，所述标签栈由出口卫星节点清除出所述包头信息。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。

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