CN113660024B - 一种低轨星座网络双层sdn带内控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，所述低轨星座网络中的每颗卫星都包含至少1条星间链路，网络中包括两类设备：地面SDN控制器和星载SDN交换机，同一时刻只有一台地面控制器作为主地面SDN控制器连接至星座网络，其余地面控制器作为备份，单台地面控制器能够同时接入至少两颗卫星，所述带内控制系统逻辑上分为上层SDN和下层SDN，上层SDN和下层SDN均包括了数据面和控制面；主地面SDN控制器，用于实现上层SDN控制面和下面SDN控制面功能；星载交换机网络，用于实现上层SDN数据面和下层SDN数据面功能。

Description

一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统

技术领域

本发明设计一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，尤其是一种应用于低轨星座的基于软件定义网络(SDN)的网络管理系统。属于航天信息领域。

背景技术

低轨星座系统是一种由几十至几万颗低地球轨道卫星组成的通信系统，可以为全球范围内的各类用户提供实时通信服务，包括移动通信、数据传输、互联网接入等业务。近年来，低轨巨星座系统迅猛发展，以Starlink为首的星座工程的星座设计规模达到了42000颗左右，目前在轨卫星已向地面用户提供了部分服务。利用星间链路进行星座的组网是低轨星座系统未来的发展趋势。通过星座组网可实现全球点到点的不落地传输，可在不借助地面现有网络的情况下实现大容量、低时延的通信。

不同于地面网络，低轨星座网络的网络拓扑及连接关系频繁发生变化，因此网络路由管理尤为重要。传统的分布式路由管理算法如OSPF，Bellman-Ford，Darting，IS-IS等，应用于低轨星座会面临以下两方面问题：第一，计算开销巨大，路由收敛慢。分布式的管理方法需要每个网络节点独立的获取网络拓扑信息并计算到其他所有节点的路由。随着网络规模提升，网络拓扑变化频率也随着节点数量的提升的增高，因此每个节点的计算压力迅速增大，以星上的计算能力无法实现路由快速收敛。第二，无法避免网络拥塞问题。由于上述分布式路由算法需要统一采用最短路径算法计算路由，无法从全局的角度对网络进行流量工程，因此当业务量较大时不可避免地会出现网络拥塞问题。

软件定义网络(SDN)作为一种集中控制方法，可以有效解决以上问题。通过在网络中设置一个统一的控制器，可以使每个卫星不再需要维护整个网络的拓扑，从而减小星上的计算压力。同时，通过集中控制的手段可以实现路由路径的按需调整，实现全局的流量工程，提高网络的吞吐量、时延等性能。此外，集中控制的SDN对业务的灵活控制、新业务部署等需求十分友好，可以通过在控制器中统一配置，再下发到各个交换机的方式实现业务的快速部署与更新。

SDN控制面建立技术分为两种：带外控制与带内控制。带外控制通过一条独立的专用控制信道将每个SDN交换机与控制器相连，该信道专门用于交换机的管理、网络的拓扑发现、流表下发、网络资源管理等控制面功能。带外控制有着控制面稳定、不占用数据面带宽等优势，然而由于控制面需要通过专用信道物理连接，交换机的部署范围受限，因此一般用于数据中心这类地域相对集中的网络中。带内控制方式则是使控制面数据和数据面数据共用一条物理信道，同时保持控制面与数据面逻辑隔离。这类控制方式可以省去单独部署控制信道的成本，有利于SDN的广域部署，然而这类方法的问题在于，当数据面链路断开时，交换机也会同时失去控制，同时控制面信息会以较高的优先级占用链路，当控制信令较多时会影响数据业务的传送。

基于SDN的卫星网络由于仅和相邻卫星有着星间链路连接，因此带内控制是使控制器维持对数据面控制的有效手段。在现有的研究中，有的学者提出了基于地面网络的带内控制的控制面建立及故障恢复的方法，可以对SDN网络进行自组织及故障恢复。然而不同于地面带内控制的SDN系统，卫星网络时刻处在运动变化之中，无法像地面的带内控制方式保持稳定的控制面链路连接。同时，恶劣的空间环境和大规模卫星制造发射带来的可靠性下降等因素也增加了星座网络的不确定性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对低轨星座网络拓扑大量变化、链路高不确定性的问题，提供一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，该系统具有弹性、开销较小、快速收敛、且对控制面透明的控制面建立维持机制，以确保卫星SDN网络的正常运行。

本发明的技术方案为：一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，所述低轨星座网络中的每颗卫星都包含至少1条星间链路，网络中包括两类设备：地面SDN控制器和星载SDN交换机，同一时刻只有一台地面控制器作为主地面SDN控制器连接至星座网络，其余地面控制器作为备份，单台地面控制器能够同时接入至少两颗卫星，其特征在于：所述带内控制系统逻辑上分为上层SDN和下层SDN，上层SDN和下层SDN均包括了数据面和控制面；

主地面SDN控制器，用于实现上层SDN控制面和下面SDN控制面功能；

上层SDN控制面功能包括：收集卫星连接关系消息，分析每台星载交换机与周围星载交换机的连接关系，并汇总得到网络的总拓扑关系，由此计算出主地面控制器到达每一个星载交换机的多条可用控制路径，生成和维护控制路径表，再根据控制路径表，得到每一个星载交换机的控制面流表，将控制路径表发送到目的星载交换机，将控制面流表发送到各个控制路径途经的对应星载交换机；控制路径表和控制面流表属于上层SDN控制信息；

下层SDN控制面功能包括：负责生成用于控制交换机数据转发的数据面流表，将数据面流表通过上层SDN构建的控制路径派发给每一台星载交换机；数据面流表属于下层SDN控制信息；

星载交换机网络，用于实现上层SDN数据面和下层SDN数据面功能；

上层SDN数据面功能包括：每一台星载交换机，获取与周围星载交换机的连接关系，形成卫星连接关系消息，将卫星连接关系消息发送给主地面SDN控制器；将控制路径表或者控制面流表进行转发；将数据面流表进行转发，并根据控制面流表向主地面SDN控制器反馈路径状态信息；

下层SDN数据面功能包括：每一台星载交换机利用主地面SDN控制器派发的数据面流表进行业务数据转发。

所述卫星连接关系消息、上层SDN控制信息通过洪泛的方式发送至对应的星载交换机。

所述卫星连接关系消息、下层SDN控制信息、上层SDN控制消息均采用同一物理链路进行传输，星载交换机收到这些消息后，将目的地为本星载SDN交换机的信息留在本交换机，其余信息汇总为同一数据流，从输出端口去往下一跳。

所述控制面流表的每一项中包括但不限于以下元素：

源地址：在控制路径的一端发送包的主地面控制器或星载交换机的地址；

目的地址：在控制路径的一端接收包的主地面控制器或星载交换机的地址；

下一跳地址：控制路径中下一跳地址。

所述主地面SDN控制器采用上层SDN的定时更新模式和/或触发更新模式更新和维护控制路径表和控制面流表。

当主地面SDN控制器采用定时更新模式更新和维护控制路径表时，所有地面SDN控制器和星载交换机时间同步，且主地面SDN控制器与卫星的连接稳定，且主地面SDN控制器已知整个卫星网络的星历。

所述星载交换机和主地面SDN控制器之间维护多条可用的控制路径，但只设定其中一条为活跃路径，并用该活跃路径进行下层SDN控制信息的传输，其余路径为非活跃路径，作为活跃路径的备份，在当前活跃路径无法通信时，保持星载交换机与主地面SDN控制器的下层SDN控制信息传输；多条可用控制路径间尽可能减少物理星间链路及卫星的共用，以避免出现单点故障；主地面SDN控制器在计算针对某一星载交换机的多条可用路径后，将控制路径按传播跳数由小到大进行排序，序号越小，被选为活跃路径的优先级越高。

所述主地面SDN控制器的定时更新工作模式包括如下步骤：

S1-1、主地面SDN控制器为每个星载交换机规划多条相互独立的控制路径，并将其中一条设为活跃路径，用于承担实际的控制信息传输，之后在每个时间片循环执行步骤S1-2～S1-3；

S1-2、在当前时间片结束之前，获取星载交换机与周围星载交换机的连接关系，并汇总得到网络的总拓扑关系，若下一时间片内包含可预测的网络拓扑变化，主地面SDN控制器计算好变化前后的控制面流表和控制路径表，并设定控制面流表和控制路径表切换的时间为预测变化发生时刻，将变化后的控制面流表、控制路径表及其切换时间一并传输给相应的星载交换机；

S1-3、若本时间片内包含预测变化发生时刻，则在预测变化发生时刻到来之前，控制路径主动更新流程开始，主地面SDN控制器将当前活跃控制路径首先切换为不受本次拓扑变化影响的可用控制路径；预测变化发生时刻到来时，全网同步进行控制路径表和控制面流表的切换，且不改变当前活跃路径的表项，之后，主地面SDN控制器就每条更新的控制路径发送测试消息，对应星载交换机接收测试消息后按原路径返回消息，主地面SDN控制器再确认收到测试消息后，控制路径主动更新流程结束。

所述步骤S1-1中主地面SDN控制器为每个星载交换机规划多条相互独立的控制路径的流程具体如下：

S1-1.1、主地面SDN控制器收集所有卫星交换机发送的卫星连接关系消息，并汇总得到网络的总拓扑关系，由此计算出主地面SDN控制器到达每一个星载交换机的多条可用控制路径，并将多条可用路径按照跳数由小到大排序，得到控制路径表，根据控制路径表，生成控制面流表；

S1-1.2、主地面SDN控制器将控制面流表与控制路径表派发到相应星载交换机；

S1-1.3、星载交换机接收对应的控制面流表和控制路径表，将控制路径表中排序靠前的控制路径设置为活跃路径，并分别通过多条可用控制路径向主地面SDN控制器发送包含活跃路径设置信息的ACK消息；

S1-1.4、主地面SDN控制器接收包含活跃路径设置信息的ACK消息，确认活跃路径，控制路径首次建立完成。

所述主地面SDN控制器的触发更新模式包括如下步骤：

S2-1.1、控制路径首次建立：主地面SDN控制器为每个星载交换机规划多条相互独立的控制路径，并将其中一条设为活跃路径，用于承担实际的控制信息传输，之后，进入步骤S2-1.2；

S2-1.2、控制路径的切换：当星载交换机检测到周边链路变化时，向全网洪泛链路变化消息，所述链路变化消息包含了链路连接状态发生变化的卫星编号及端口编号，每个星载交换机及主地面SDN控制器接收到链路变化消息后，各自查询控制路径表当前活跃控制路径是否经过发生变化的卫星和/或端口，若经过，则将活跃路径切换为不受变化影响且排序靠前的路径；否则，保持活跃路径不变；

S2-1.3、控制链路的更新：主地面SDN控制器收到链路变化信息后重新计算受影响的控制路径，并更新网络的控制面流表和控制链路表，将更新后的控制面流表和控制链路表发送给相应的星载交换机。

所述步骤S2-1.2中控制路径的切换流程可分为以下步骤：

S2-1.2.1、收到洪泛的链路变化消息的星载交换机或地面SDN控制器成为流程发起者；

S2-1.2.2、流程发起者根据控制路径表判断链路变化对活跃路径影响；

S2-1.2.3、若链路变化影响活跃路径，流程发起者将依照路径优先级排序切换活跃路径，并向活跃路径的另一端发送路径切换消息；

S2-1.2.4、活跃路径的另一端接收路径切换消息，按路径切换消息切换活跃路径，若收到路径切换消息时，当前活跃路径已切换为路径切换消息中路径，则无需再次切换。

所述步骤S2-1.3中控制路径的更新流程可分为以下步骤：

S2-1.3.1、主地面SDN控制器在不改变当前活跃路径的前提下，计算与当前活跃路径相互独立的多条带内控制路径，将包括当前活跃路径在内的多条路径进行排序，根据排序生成控制路径表和控制面流表；

S2-1.3.2、主地面SDN控制器将控制面流表派发到相应星载交换机；

S2-1.3.3、星载交换机接收对应的控制面流表，更新非活跃控制路径，并通过更新的路径向主地面SDN控制器发送ACK消息；

S2-1.3.4、主地面SDN控制器接收确认信息，并确认更新完成，向星载交换机传递更新完成消息；

S2-1.3.5、星载交换机收到更新完成消息，根据路径排序切换活跃路径。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明采用将软件定义卫星网络的控制器的控制路径管理功能与其他功能相解耦，分别形成上层SDN与下层SDN，下层SDN履行数据面转发的控制职责，利用上层控制面建立的控制路径回传及上注数据面的控制信息，从而完成系统的集中管理；

(2)、本发明采用网络状态定时更新与触发更新相结合的模式，保障了上层SDN的可靠传输；

(3)、本发明星载交换机通过洪泛的方式广播自身周边的链路状态信息，使得每个星载交换机无需知晓网络拓扑、无需计算路由的即可将链路状态传递至主地面SDN控制器。

(4)、本发明控制面流表的内容实行“按需分配”，每个星载交换机仅被分派经过该交换机控制路径的流表。因为不会收到相关路径以外的包，交换机仅知道去往路径源、目的地址的下一跳转发地址，以节约链路资源。

附图说明

图1为本发明实施例低轨星座网络系统示意图；

图2为本发明实施例双层SDN网络控制架构；

图3为本发明实施例星载交换机数据流图；

图4为本发明实施例上层SDN定时更新流程；

图5为本发明实施例控制路径首次建立流程；

图6为本发明实施例控制路径更新流程；

图7为本发明实施例活跃路径主动更新流程；

图8为本发明实施例上层SDN触发更新流程；

图9为本发明实施例控制路径更新流程；

图10为本发明实施例活跃路径被动切换流程；

图11为本发明实施例系统中卫星1的控制路径表实施例。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

由于在低轨巨星座环境下，低轨卫星网络拓扑频繁变化带来了带内控制流路由频繁变化、管理困难的问题。为此，本发明提出了一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，将软件定义卫星网络的控制器的控制路径管理功能与其他功能相解耦，分别形成上层SDN与下层SDN。上层SDN用于规划SDN控制器到星载交换机的控制流路由路径(控制路径)，采用“集中控制”的思想来实现控制流的传输。下层SDN履行数据面转发的控制职责，利用上层控制面建立的控制路径回传及上注数据面的控制信息，从而完成系统的集中管理。同时，为了保障上层SDN的可靠传输，本发明采用网络状态定时更新与触发更新相结合的模式。

本发明中提出的双层SDN控制系统包括：1)双层SDN的控制架构和2)上层SDN的工作模式。

所述的双层SDN架构，描述了双层SDN分作上下层两层、每层包括控制面和数据面两部分共4个逻辑单元，以及各单元之间的逻辑关系和信息流动关系。

所述的上层SDN工作模式，包括上层SDN的定时更新模式和触发更新模式。定时更新模式描述了上层SDN对可预测网络拓扑变化的应对方法，其中包括控制路径的建立、更新以及主动切换流程。触发更新模式描述了上层SDN对不可预测网络拓扑变化的应对方法，包括控制路径触发更新与被动切换的流程。

名词定义如下：

带外控制：使用单独的物理信道作为SDN的控制路径的控制方式。

带内控制：控制信息采用与业务数据相同物理信道的控制方式。

控制路径表：由SDN控制器生成，作用于目的星载交换机，用于明确一条控制路径所途经的所有卫星及端口编号。

控制面流表：由SDN控制器生成，作用于控制路径途经星载交换机，用于下层SDN控制信息路由转发的表项。

数据面流表：由SDN控制器生成，作用于星载交换机，用于业务数据路由转发的表项。

时间片：将星座运行时间划分成多个时间段，指其中的一段时间。

控制路径：采用带内控制方式情况下，地面控制器和星载交换机间控制信息的路由通过的卫星及星间、星地链路。

可用控制路径：一组互为备份的控制路径，均处于连通状态，即可随时进行双向的数据传输。

活跃路径：可用控制路径之一，在被标记为活跃的状态下主要承担的控制信息的传递。

非活跃路径：除活跃路径外的其他控制路径，在被标记为非活跃状态起到活跃路径的备份作用，在当前活跃路径发生故障时通过被动切换机制变为活跃路径。

系统描述

本发明考虑含有星间链路的低轨星座网络。网络中的每颗卫星都包含至少1条星间链路，使得整个星座网络为一个连通图。

本发明利用软件定义网络(SDN)的原理对上述低轨星座网络进行构建。网络中主要考虑两类设备：地面SDN控制器和星载SDN交换机。一定数量的地面控制器中，同一时刻只有一台连接至星座网络，作为主地面SDN控制器，其余作为备份。单台地面控制器可通过但不限于微波、激光等方式同时接入至少两颗卫星。低轨星座网络系统如图1所示。

主地面SDN控制器通过使控制信令与业务数据共信道传输的方式(带内方式)实现对网络的管理，网络控制信令通过控制器与卫星的星地双向链路、以及星间链路发送及回传。上层SDN的定时更新要求主地面SDN控制器和所有星载交换机可通过但不限于利用全球导航卫星系统(GNSS)的方法进行时间同步，且假设主地面SDN控制器与卫星的连接稳定，且控制器已知整个卫星网络的星历。上层SDN的触发更新无上述要求。

双层SDN网络控制架构

架构描述

由于低轨星座网络拓扑快速变化，且地面控制器的接入卫星也不断切换，SDN的带内传输缺乏稳定的数据面控制路径。为此，本发明提出了双层的带内SDN网络控制架构，如图2所示。

本发明的架构从逻辑上可分为上层SDN和下层SDN，每一层分别包括了数据面和控制面。从实体设备上看，上层和下层的控制面由主地面SDN控制器承载，上层和下层的数据面由星载交换机网络承载。

上层SDN的功能是为低轨星座网络提供可靠的带内控制途径，确保每个卫星交换机在每一时刻都有至少一条由主地面SDN控制器可达的控制路径。

上层SDN控制面负责收集每台星载交换机与周围交换机的连接关系，并汇总得到网络的总拓扑关系，由此计算出到达每一个星载交换机的主备份控制路径，形成控制路径表与控制面流表，最后通过某种传输途径(包括但不限于洪泛等)将控制路径表和控制面流表发送到对应的星载交换机。当星座网络拓扑发生变换时，主地面SDN控制器会重新计算所有受影响的星载交换机的控制路径，并上注到对应星载交换机。

上层SDN数据面即为控制面所构建的控制路径的集合。每个星载交换机对应多条可用控制路径，路径间没有共用的星间、星地链路，以保证单条星间链路发生变化或故障时不会同时影响到两条控制路径。其中一条可用路径被设置为活跃路径(主控制路径)，当活跃路径发生变化时，非活跃路径(备份路径)承担消息传输工作，主地面SDN控制器会重新计算控制器与该卫星间的路由并更新活跃路径(主控制路径)；当非活跃路径(备份路径)发生变化时，地面控制仅重新计算并更新控制路径，不改变活跃路径(主控制路径)。

下层SDN的功能为实现业务数据经由星座网络的高效传输。下层SDN仅应用控制路径，并不参与控制路径的建立、管理、与更新，即下层SDN对上层SDN完全无感。

下层SDN控制面负责对下层数据面的业务数据进行管理，通过上层SDN构建的控制路径(即上层数据面)向每一台星载交换机派发控制信令，包括但不限于数据面流表、交换机工作状态、链路负载状态、卫星接入用户情况等。

下层SDN数据面承担业务数据转发的功能。各星载交换机与地面终端相连，利用下层控制面派发的数据面流表进行业务数据转发，并通过上层数据面提供的控制路径向下层控制面反馈路径状态信息。

控制路径与相关表项描述

控制路径指的是由部分指定的星间链路和星地链路组成、从星载交换机到主地面SDN控制器、用于传输控制面数据的双向路径。每个星载交换机到主地面SDN控制器都建立多条控制路径，将其中一条激活作为主控制路径，其余作为备份路径。每条控制路径与两类表项相关：控制面流表和控制路径表。

控制面流表

控制面流表是由主地面SDN控制器生成与维护，作用于控制路径途经的星载交换机，用于控制信息路由转发的表项。一条控制路径在经过的每个星载交换机上对应流表中的一项。控制面流表的每一项中包括但不限于以下元素：

·源地址：在控制路径的一端发送包设备的地址。

·目的地址：在控制路径的一端接收包设备的地址。

·下一跳地址：路径中下一跳的地址。

控制面流表的内容实行“按需分配”，每个星载交换机仅被分派经过该交换机控制路径的流表。因为不会收到相关路径以外的包，交换机仅知道去往路径源、目的地址的下一跳转发地址，以节约链路资源。由于星载交换机与主地面SDN控制器为双向连接，因此每个交换机中同时存在两条路径的流表，即去往星载交换机和和去往地面控制器的流表。

控制面流表的维护完全由主地面SDN控制器进行，即流表的删除与添加都由控制器进行，交换机自身无法更改流表。

控制路径表

控制路径表是由主地面SDN控制器生成与维护，完整描述控制路径途经卫星与端口的表项。该表的作用为使星载交换机了解自身到地面控制器所有可用路径的信息，以实现在星载交换机端的控制路径切换。

星载交换机自身与主地面SDN控制器中每一条可用控制路径对应控制路径表中的一项。

表中的每一项中的基本单元按路径的途经卫星顺序排列。当网络发生变化时，交换机接收到网络发生变化的消息，并查询当前活跃控制路径是否经过发生变化的卫星或端口，若经过则切换活跃路径。

控制路径中的每一项除链表外，还包含控制路径的优先级排序。在路径切换时按照优先级顺序依次切换。

控制路径表的维护完全由主地面SDN控制器进行，即表的删除与添加都由地面控制器进行，交换机自身无法更改流表。

备份控制路径的设置

由于控制信息的畅通传递是SDN网络的基础，本发明中采用多条备份控制路径的方式提高控制路径的可靠性。星载交换机和地面控制器之间维护多条可用的控制路径，但只设定其中一条为活跃路径，并用该活跃路径进行控制信息的传输。其余路径为非活跃路径，作为活跃路径的备份，在当期活跃路径无法通信时保持交换机与控制器的控制信息传输。

同一目的节点的多条控制路径间应尽可能减少物理星间链路及卫星的共用，以避免出现单点故障。由于SDN网络要求控制路径的时延尽可能短，SDN控制器在计算针对某一星载交换机的多条可用路径后，将路径按传播跳数由小到大进行排序，序号越小，被选为活跃路径的优先级越高。

消息类型描述

上层SDN数据面中需要进行三类消息的传递：

1.每个卫星交换机周边的连接关系消息，由卫星交换机通过包括但不限于洪泛的方式回传到上层控制面。2.控制面流表等上层SDN控制消息，由上层控制面通过包括但不限于洪泛、源路由的方式派发到每个卫星交换机。3.数据面流表等下层SDN控制面消息，由下层控制面经由建立的控制路径派发到每个卫星交换机。相比之下，下层数据面中仅有数据业务传输。所有的信息均共用星座网络的物理链路进行传输。以星载交换机的视角来看，其内部的数据流情况如图3所示。周边连接状态、上层数据面与下层数据面信息共用同一物理链路进行传输，在进入星载交换机后分流进入对应的模块。目的地为本交换机的控制信息留在本交换机，其余信息汇总为同一数据流，从输出端口去往下一跳。

其中传递消息类型的优先级由高至低排序如下：

1.卫星连接关系消息

2.控制面流表等上层控制消息

3.数据面流表等下层控制消息

4.业务数据

上层SDN工作模式

从双层SDN架构可知，上层SDN负责为系统建立稳定可靠的控制路径，下层SDN利用上层建立的控制路径对实现对数据面的高效调度。因此，本发明架构的关键在于上层SDN控制路径的建立与维持。低轨星座的控制平面可支持两种更新机制：定时更新和触发更新，分别对应星座可预测的变化和不可预测的变化。下面将对两种更新方式的流程分别加以描述。

定时更新模式

定时更新指的是地面控制器以一定的时间周期T对低轨星座网络的控制面路由进行更新，目的是针对可预测的网络拓扑变化提前进行控制路径部署，以实现无缝切换。低轨星座网络作为一类航天器系统，每颗卫星的轨道、姿态、工作模式都具备一定的可预测性，可以通过过去一段时间的运行状态推知未来一段时间的星座轨道、卫星可见性、日凌干扰等情况。主地面SDN控制器可根据一段时间内的星座运行状态预测星座下一时间片内将要发生的由星间链路切换、开关等造成的网络拓扑变化及发生变化的具体时间，提前部署好下一时间片变化前后的控制面流表和控制链路表，并制定切换时间，以实现控制路径的无缝切换。

上层SDN的定时更新工作流程如图4所示。

流程开始于控制路径的首次建立。上层控制面通过接收卫星连接关系绘制网络拓扑。控制路径采用主备份路径的设计，上层控制面为每个星载交换机规划多条相互独立的控制路径，并将其中一条设为活跃路径，用于承担实际的控制信息传输。将上述信息传递给星载交换机且受到确认回复后，控制路径的首次建立完成。

在当前时间片结束之前，需要完成下个时间片的更新，并在结束之时进行时间片的切换，切换的内容包括但不限于控制面流表和控制路径表。若下一时间片内包含可预测的网络拓扑变化，主地面SDN控制器会计算好变化前后的相关表项，并设定表项切换的时间(预测的变化发生的时间)，将以上一并传输给相应的星载交换机。

当时间片内即将发生可预测的拓扑变化时，控制路径主动更新流程开始。当前活跃控制路径会首先切换为不受本次拓扑变化影响的可用控制路径。到达切换时间时，全网同步进行控制路径表和控制面流表的切换，且不改变当前活跃路径的表项。随后主地面SDN控制器就每条更新的控制路径发送测试消息，对应星载交换机接收消息后按原路径返回消息。主地面SDN控制器再确认收到测试消息后，控制路径主动更新流程结束。

控制路径首次建立：

控制路径的首次建立流程如图5所示，可分为以下步骤：

步骤一：卫星交换机各自发现与周边其他卫星的连接情况，并通过某种方式(包括但不限于洪泛)发送至主地面SDN控制器。

步骤二：主地面SDN控制器首先收集所有卫星交换机的连接信息，汇总全网拓扑。接着计算多条相互独立的带内控制路径，生成控制面流表和控制路径表，并将多条可用路径按照跳数由小到大排序。这里相互独立的含义为不同路径不经过除源节点和目的节点外相同的网络节点。最后主地面SDN控制器将控制面流表与控制路径表通过某种方式(包括但不限于洪泛)派发到相应星载交换机。

步骤三：星载交换机接收对应的控制面流表和控制路径表，将路径中排序靠前的设置为活跃路径，并分别通过多条控制路径向主地面SDN控制器发送包含活跃状态的ACK消息。

步骤四：主地面SDN控制器接收确认信息，并确认活跃路径。控制路径首次建立完成。

时间片提前更新与定时切换

上层SDN控制面时间片定时更新方法，如图6所示。与首次建立类似，定时更新同样需要获取星座的拓扑连接，也采用同样的信息传输机制。区别在于，第一，时间片更新以一定周期进行，第二，更新流程只对下一时间片的路径进行更新，避免影响正在传输的控制流，并采用定时的方式切换至下一时间片。更新流程可分为以下步骤：

步骤一：循环开始时，卫星交换机各自发现与周边其他卫星的连接情况，并通过某种方式(包括但不限于洪泛)发送至主地面SDN控制器。

步骤二：主地面SDN控制器首先收集所有卫星交换机的连接信息，汇总全网拓扑，并对之前的拓扑模型进行修正。接着计算下一时间片内即将发生的网络拓扑变化，计算变化前后的控制路径，生成控制路径表和控制面流表，并制定全网统一的时间片切换时间。最后主地面SDN控制器将控制面流表通过某种方式(包括但不限于洪泛)派发到相应星载交换机。

步骤三：星载交换机接收对应的控制路径表和控制面流表，更新下一时间片控制路径，并通过该控制路径向主地面SDN控制器发送ACK消息。

步骤四：主地面SDN控制器接收确认信息，并确认更新完成。

步骤五：根据制定的统一时间切换时间片，将新的路径按优先级标记为活跃路径。

路径主动更新

活跃路径主动切换是由切换发起者自己的定时触发的。该定时全网同步，定时到达后全网设备(包括所有星载交换机和主地面SDN控制器)同步进行控制路径的切换。如图7所示，主动切换流程可分为以下步骤：

步骤一：若当前时间片内预测到将有拓扑变化发生，则各星载交换机提前将活跃控制路径切换为不经过变化链路的可用控制路径。

步骤二：预测发生切换的时刻到达，在维持当前活跃路径不变的前提下，全网设备同步切换控制面流表和控制路径表，更新除活跃路径外的其他可用路径。星载交换机沿新的可用路径向地面控制器发送更新消息。

步骤三：主地面SDN控制器向各条更新的控制路径发送链路测试消息，各星载交换机接收并原路返回该消息。主地面SDN控制器接收链路测试消息，控制路径主动更新完成。

触发更新模式

空间SDN网络控制面建立的另一个挑战在于恶劣的空间环境导致的设备可靠性下降，进而较为频繁发生故障，且此类情况导致的网络拓扑变化不可预知。因此，当网络发生这类不可预知的拓扑变化时，位于地面的SDN控制器需要及时且可靠的知晓变化，并受变化“触发”对于受到影响的控制路径做出重新规划与更新。

上层SDN的触发更新工作流程如图8所示。

图中描述了每一个星载交换机的控制路径的建立和更新流程。假设初始状态的系统满足前面所述的系统模型，且每颗卫星已与周边卫星建立星间链路。

首先是控制路径的首次建立。该部分同定时更新流程。

其次是控制路径的切换。控制路径采用触发更新的方式应对星座网络的动态变化。当星载交换机检测到周边链路变化时，向全网洪泛变化信息。每个星载交换机接收到网络发生变化的消息后，查询当前活跃控制路径是否经过发生变化的卫星或端口，若经过则将活跃路径切换为不受变化影响的路径。

最后是控制链路的更新。主地面SDN控制器收到链路变化的信息后重新计算受影响的控制路径，并更新网络的控制面流表和控制链路表。由于在控制链路切换的设计中，各星载交换机的活跃路径会在收到链路变化信息后就切换为未受影响的可用路径，因此更新流程不会改变活跃路径，也就不会对下层SDN的控制面造成影响。

控制路径触发更新

采用SDN的低轨星座网络控制路径建立与更新方法如图9所示。与首次建立不同的是，控制路径的更新是由网络拓扑连接的变化触发的。更新流程可分为以下步骤：

步骤一：卫星交换机发现与周边其他卫星的链路连接变化，并通过洪泛机制发送至主地面SDN控制器。

步骤二：主地面SDN控制器首先根据链路变化信息得到新的网络拓扑。其次，控制器计算拓扑变化对控制路径的影响，并得到当前星载交换机新的活跃路径。接着控制器在不改变当前活跃路径的前提下，计算与当前活跃路径相互独立的多条带内控制路径，将包括当前活跃路径在内的多条路径进行排序，并生成控制面流表和控制路径表。最后主地面SDN控制器将控制面流表通过某种方式(包括但不限于洪泛)派发到相应星载交换机。

步骤三：星载交换机接收对应的控制面流表，更新非活跃控制路径，并通过更新的路径向主地面SDN控制器发送ACK消息。

步骤四：主地面SDN控制器接收确认信息，并确认更新完成，向星载交换机传递更新完成消息。

步骤五：星载交换机收到更新完成消息，根据路径排序切换活跃路径。

路径被动切换

SDN网络需要保证控制路径的畅通，因此无论星载交换机还是主地面SDN控制器都需要能在网络拓扑发生变化时在多条备份路径间无缝切换。因此要求星载交换机和主地面SDN控制器均可发起路径被动切换流程。流程发起方首先需要了解网络中发生的连接变化，并判断该变化是否对当前活跃路径造成影响。若造成了影响，则需要将活跃路径切换为其他可用控制路径。这一流程对于切换流程如图10所示。

步骤一：收到洪泛的链路变化消息的星载交换机或地面控制器成为流程发起者。

步骤二：流程发起者根据控制路径表判断链路变化对活跃路径影响。

步骤三：若连接变化影响活跃路径，流程发起者将依照路径优先级排序切换活跃路径，并向活跃路径的另一端发送路径切换消息。

步骤四：活跃路径的另一端接收路径切换消息，按路径切换消息切换活跃路径。若收到路径切换消息时，当前活跃路径已切换为消息中路径，则无需再次切换。

星载交换机和主地面SDN控制器各自独立发起路径被动切换流程，以降低控制路径断开时间。由于连接变化消息采用洪泛方式播发，星载交换机和主地面SDN控制器都会接收到该消息，但由于网络时延，接收可能存在先后顺序。由于控制路径表中可用路径已进行排序，且星载交换机和主地面SDN控制器所持有的排序相同，因此无论哪端发起被动切换流程，切换结果均相同。

先发起方进行活跃路径切换并向对端发动路径切换消息；若对端先收到活跃路径切换消息，则根据消息切换活跃路径；若先收到洪泛消息，则独立发起路径被动切换流程。

实施例：

本实施例是上述发明的一种情况，由于技术方案中已描述了大部分系统实施方案，本实施例中仅对星座构型、控制路径表结构、控制面流表结构、链路状态信息的回传方式、以及主地面SDN控制器向星载交换机回传表项的方式几方面加以具体示例说明。

低轨星座构型为walker-delta，规模为M个轨道面，每个轨道面N颗卫星，N为偶数，相位因子为N/2。每颗卫星与同轨道面相邻两颗卫星、以及两个相邻轨同向道面的卫星维持激光星间链路，链路具备缓存功能。主地面SDN控制器至少同时维持与两颗卫星的星地链路。双层SDN网络控制架构如图2所述。

控制面流表实施例如下表所示：

源地址	目的地址	发送端口
			卫星1	控制器	端口1
控制器	卫星1	端口3
			…	…	…
卫星N	控制器	端口2
			控制器	卫星N	端口4

控制路径表的实施例如图11所示。

在本实施例中，星载交换机通过洪泛的方式广播自身周边的链路状态信息，使得每个星载交换机无需知晓网络拓扑、无需计算路由的即可将链路状态传递至主地面SDN控制器。主地面SDN控制器接收所有星载交换机的链路状态信息，进行网络拓扑的汇总，计算多条可用控制路径，并生成每个星载交换机的控制面流表和控制路径表。主地面SDN控制器同样以洪泛的方式将两种表项播发到每颗卫星。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，所述低轨星座网络中的每颗卫星都包含至少1条星间链路，网络中包括两类设备：地面SDN控制器和星载SDN交换机，同一时刻只有一台地面控制器作为主地面SDN控制器连接至星座网络，其余地面控制器作为备份，单台地面控制器能够同时接入至少两颗卫星，其特征在于：所述带内控制系统逻辑上分为上层SDN和下层SDN，上层SDN和下层SDN均包括了数据面和控制面；

主地面SDN控制器，用于实现上层SDN控制面和下层SDN控制面功能；

上层SDN控制面功能包括：收集卫星连接关系消息，分析每台星载交换机与周围星载交换机的连接关系，并汇总得到网络的总拓扑关系，由此计算出主地面控制器到达每一个星载交换机的多条可用控制链路，生成和维护控制链路表，再根据控制链路表，得到每一个星载交换机的控制面流表，将控制链路表发送到目的星载交换机，将控制面流表发送到各个控制链路途经的对应星载交换机；控制链路表和控制面流表属于上层SDN控制信息；

下层SDN控制面功能包括：负责生成用于控制交换机数据转发的数据面流表，将数据面流表通过上层SDN构建的控制链路派发给每一台星载交换机；数据面流表属于下层SDN控制信息；

星载交换机网络，用于实现上层SDN数据面和下层SDN数据面功能；

上层SDN数据面功能包括：每一台星载交换机，获取与周围星载交换机的连接关系，形成卫星连接关系消息，将卫星连接关系消息发送给主地面SDN控制器；将控制链路表或者控制面流表进行转发；将数据面流表进行转发，并根据控制面流表向主地面SDN控制器反馈路径状态信息；

下层SDN数据面功能包括：每一台星载交换机利用主地面SDN控制器派发的数据面流表进行业务数据转发；

所述控制面流表的每一项中包括但不限于以下元素：

源地址：在控制链路的一端发送包的主地面控制器或星载交换机的地址；目的地址：在控制链路的一端接收包的主地面控制器或星载交换机的地址；

下一跳地址：控制链路中下一跳地址；

所述主地面SDN控制器采用上层SDN的定时更新模式和/或触发更新模式更新和维护控制链路表和控制面流表；

控制面流表的内容实行“按需分配”，每个星载交换机仅被分派经过该交换机的控制链路的流表，交换机仅知道去往路径源、目的地址的下一跳转发地址，控制面流表由上层控制面通过包括但不限于洪泛、源路由的方式派发到每个星载交换机；

主地面SDN控制器根据一段时间内的星座运行状态预测星座下一时间片内将要发生的由星间链路切换、开关造成的网络拓扑变化及发生变化的具体时间，提前部署好下一时间片变化前后的控制面流表和控制链路表，并制定切换时间，以实现控制链路的无缝切换。

2.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述卫星连接关系消息、上层SDN控制信息通过洪泛的方式发送至对应的星载交换机。

3.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述卫星连接关系消息、下层SDN控制信息、上层SDN控制信息均采用同一物理链路进行传输，星载交换机收到这些信息后，将目的地为本星载SDN交换机的信息留在本交换机，其余信息汇总为同一数据流，从输出端口去往下一跳。

4.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于当主地面SDN控制器采用定时更新模式更新和维护控制链路表时，所有地面SDN控制器和星载交换机时间同步，且主地面SDN控制器与卫星的连接稳定，且主地面SDN控制器已知整个卫星网络的星历。

5.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述星载交换机和主地面SDN控制器之间维护多条可用的控制链路，但只设定其中一条为活跃路径，并用该活跃路径进行下层SDN控制信息的传输，其余路径为非活跃路径，作为活跃路径的备份，在当前活跃路径无法通信时，保持星载交换机与主地面SDN控制器的下层SDN控制信息传输；多条可用控制链路间尽可能减少物理星间链路及卫星的共用，以避免出现单点故障；主地面SDN控制器在计算针对某一星载交换机的多条可用路径后，将控制链路按传播跳数由小到大进行排序，序号越小，被选为活跃路径的优先级越高。

6.根据权利要求4所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述主地面SDN控制器的定时更新模式包括如下步骤：

S1-1、主地面SDN控制器为每个星载交换机规划多条相互独立的控制链路，并将其中一条设为活跃路径，用于承担实际的控制信息传输，之后在每个时间片循环执行步骤S1-2～S1-3；

S1-2、在当前时间片结束之前，获取星载交换机与周围星载交换机的连接关系，并汇总得到网络的总拓扑关系，若下一时间片内包含可预测的网络拓扑变化，主地面SDN控制器计算好变化前后的控制面流表和控制链路表，并设定控制面流表和控制链路表切换的时间为预测变化发生时刻，将变化后的控制面流表、控制链路表及其切换时间一并传输给相应的星载交换机；

S1-3、若本时间片内包含预测变化发生时刻，则在预测变化发生时刻到来之前，控制链路主动更新流程开始，主地面SDN控制器将当前活跃控制链路首先切换为不受本次拓扑变化影响的可用控制链路；预测变化发生时刻到来时，全网同步进行控制链路表和控制面流表的切换，且不改变当前活跃路径的表项，之后，主地面SDN控制器就每条更新的控制链路发送测试消息，对应星载交换机接收测试消息后按原路径返回消息，主地面SDN控制器在确认收到测试消息后，控制链路主动更新流程结束。

7.根据权利要求6所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述步骤S1-1中主地面SDN控制器为每个星载交换机规划多条相互独立的控制链路的流程具体如下：

S1-1.1、主地面SDN控制器收集所有星载交换机发送的卫星连接关系消息，并汇总得到网络的总拓扑关系，由此计算出主地面SDN控制器到达每一个星载交换机的多条可用控制链路，并将多条可用路径按照跳数由小到大排序，得到控制链路表，根据控制链路表，生成控制面流表；

S1-1.2、主地面SDN控制器将控制面流表与控制链路表派发到相应星载交换机；

S1-1.3、星载交换机接收对应的控制面流表和控制链路表，将控制链路表中排序靠前的控制链路设置为活跃路径，并分别通过多条可用控制链路向主地面SDN控制器发送包含活跃路径设置信息的ACK消息；

S1-1.4、主地面SDN控制器接收包含活跃路径设置信息的ACK消息，确认活跃路径，控制链路首次建立完成。

8.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述主地面SDN控制器的触发更新模式包括如下步骤：

S2-1.1、控制链路首次建立：主地面SDN控制器为每个星载交换机规划多条相互独立的控制链路，并将其中一条设为活跃路径，用于承担实际的控制信息传输，之后，进入步骤S2-1.2；

S2-1.2、控制链路的切换：当星载交换机检测到周边链路变化时，向全网洪泛链路变化信息，所述链路变化信息包含了链路连接状态发生变化的卫星编号及端口编号，每个星载交换机及主地面SDN控制器接收到链路变化信息后，各自查询控制链路表当前活跃控制链路是否经过发生变化的卫星和/或端口，若经过，则将活跃路径切换为不受变化影响且排序靠前的路径；否则，保持活跃路径不变；

S2-1.3、控制链路的更新：主地面SDN控制器收到链路变化信息后重新计算受影响的控制链路，并更新网络的控制面流表和控制链路表，将更新后的控制面流表和控制链路表发送给相应的星载交换机。

9.根据权利要求8所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述步骤S2-1.2中控制链路的切换流程可分为以下步骤：

S2-1.2.1、收到洪泛的链路变化信息的星载交换机或地面SDN控制器成为流程发起者；

S2-1.2.2、流程发起者根据控制链路表判断链路变化对活跃路径影响；

S2-1.2.3、若链路变化影响活跃路径，流程发起者将依照路径优先级排序切换活跃路径，并向活跃路径的另一端发送路径切换消息；

S2-1.2.4、活跃路径的另一端接收路径切换消息，按路径切换消息切换活跃路径，若收到路径切换消息时，当前活跃路径已切换为路径切换消息中路径，则无需再次切换。

10.根据权利要求8所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述步骤S2-1.3中控制链路的更新流程可分为以下步骤：

S2-1.3.1、主地面SDN控制器在不改变当前活跃路径的前提下，计算与当前活跃路径相互独立的多条带内控制链路，将包括当前活跃路径在内的多条路径进行排序，根据排序生成控制链路表和控制面流表；

S2-1.3.2、主地面SDN控制器将控制面流表派发到相应星载交换机；

S2-1.3.3、星载交换机接收对应的控制面流表，更新非活跃控制链路，并通过更新的路径向主地面SDN控制器发送ACK消息；

S2-1.3.4、主地面SDN控制器接收确认信息，并确认更新完成，向星载交换机传递更新完成消息；

S2-1.3.5、星载交换机收到更新完成消息，根据路径排序切换活跃路径。

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