CN114268593B - 基于sdn的空间卫星网络源路由转发方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法与装置，该方法主要包括：为卫星节点和节点间链路分配SR标签并保存SR标签信息；终端业务触发SR隧道创建，计算SR隧道路径并下发至SR隧道头节点卫星；基于所述SR隧道路径转发终端业务；基于卫星星历定时更新终端地址网段与卫星地址的映射表，根据映射表确定终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况，根据所述卫星移动性切换的情况计算新的SR隧道路径，基于新的SR隧道路径继续转发终端业务。该方法实现了端到端路由的开通以及对转发过程中因卫星移动性切换引起的SR隧道路径变更管理。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信领域，具体涉及一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法与装置。
背景技术
随着Starlink计划的持续推进并提供低成本、高带宽的网络服务，新型卫星互联网的商业价值不断得到体现。Amazon计划推出Kuiper全球卫星宽带服务，旨在为成千上万还无法获得基本接入宽带互联网的人提供服务。中国航天科技和中国航天科工两大集团都启动了各自的低轨通信项目“鸿雁星座”和“虹云工程”，两大工程的首颗试验卫星均在2018年12月发射升空。2020年11月06日，电子科技大学发射了全球第一颗6G卫星，积极开展低轨卫星技术试验。我国在2020年11月9日已经正式向国际电信联盟(ITU)申请12992颗宽带通信卫星的轨道和无线频率资源。空间卫星网络可以将网络拓展到海洋、山脉等地面网无法到达的地方，具有有效分流地面流量、减轻地面回程网络拥塞的能力，能够在地面网络设施被自然灾害破坏的时候，提供可靠的网络服务，成为未来移动通信网络发展的重要方向。
地面网络近十年主要在推动软件定义网络(SDN)技术，即网络设备的数据控制平面分离，控制平面集中可编程。该架构与当前卫星集中式的弯管转发架构非常相似，有很好的机会从基于控制的物理层转发演进至基于控制的网络交换。
卫星互联网相较于地面通信网而言，其网络拓扑具有时变性，同时星载存储、计算及功率有限，因此现有地面通信网路由策略往往无法直接应用于卫星通信网中。目前我国卫星网络在面向多样业务时，对应一项应用需建设一套系统，模式效率低下，而且卫星只进行透明转发，没有解决空间卫星网络面向连接路由问题，缺少完整的网络功能。
发明内容
为了解决空间卫星网络面向连接路由问题，本发明提供了一种可以实现完整网络功能的空间卫星网络源路由转发方法与装置，实现了端到端路由的开通以及对转发过程中因卫星移动性切换引起的SR隧道路径变更管理，为空间卫星网络网络切片、资源动态调度和业务QOS保障实现提供支撑。
本发明提出的技术方案如下：
一方面本发明公开了一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，该方法包括：
S1：为卫星节点和节点间链路分配SR标签并保存SR标签信息；
S2：终端业务触发SR隧道创建，计算SR隧道路径并下发至SR隧道头节点卫星；
S3：基于所述SR隧道路径转发终端业务；
S4：基于卫星星历定时更新终端地址网段与卫星地址的映射表，根据映射表确定终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况，根据所述卫星移动性切换的情况计算新的SR隧道路径，基于新的SR隧道路径继续转发终端业务。
进一步的，S2的具体过程是：
S2.1：根据星历生成终端地址网段与卫星地址的映射表，通过查找映射表确定SR隧道创建需要的头尾节点卫星地址；
其中，映射表如下所示：
| 终端地址网段 | 卫星地址 |
表1终端地址网段与卫星地址映射表
S2.2：根据头尾节点卫星地址计算SR隧道路径；
S2.3：将计算好的SR隧道路径和基于所述终端业务的特性设置的SR隧道引流策略同时下发至SR隧道头节点卫星。
进一步的，S3的具体过程是：
所述SR隧道头节点卫星根据所述引流策略将计算好的SR隧道路径插入报文头中，SR隧道中间节点卫星根据报文中的外层SR标签进行转发并剥离外层SR标签，SR隧道尾节点卫星剥离SR标签，并将报文发送至相应的网络进行转发。其中，SR标签是以SR标签栈的形式存在，即一条SR隧道在是在报文中插入SR标签栈，每层SR标签标识一跳转发。SR隧道中间节点只判断最外层SR标签，然后根据SR标签指示转发并剥离外层SR标签。报文到达SR隧道的尾节点卫星时，SR标签已经全部被剥除，报文已经恢复成原始报文，按照尾节点卫星的路由规则转发到相应的网络进行转发。
进一步的，所述终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况包括：发送终端接入的卫星发生切换，接收终端接入的卫星发生切换，或网络拓扑快照发生周期性切换中的一种或组合。
进一步的，发送终端接入的卫星发生切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
在卫星移动性切换发生前准备阶段，头节点卫星发起SR隧道路径重新计算并将计算后的SR隧道路径下发到新头节点卫星更新,终端业务基于计算后的SR隧道路径转发。
进一步的，接收终端接入的卫星发生切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
在尾节点卫星发生接收终端地址网段与卫星地址切换的时间点触发以该卫星节点为尾节点卫星的SR隧道路径重新计算，并将计算后的路径下发至头节点卫星更新，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发。
进一步的，当接收终端已经完成了接入卫星的切换，但接收终端地址网段与卫星地址的映射表没有发生更新时，发往接收终端的数据流依然发到切换前的旧卫星，所述旧卫星发现所述接收终端已经发生了切换，由所述旧卫星将所述数据流发往切换后的新卫星，完成数据流的中继转发，其中所述旧卫星将所述数据流发往切换后的新卫星的方式包括静态路由转发或SR隧道转发。
进一步的，网络拓扑快照发生周期性切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
当卫星网络拓扑发生周期性切换，在切换发生前计算好切换后的SR隧道路径并下发到SR隧道的头节点卫星更新，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发。
进一步的，当卫星网络发生故障时，故障链路发生的相邻卫星感知到故障发生后，根据故障链路信息，重新计算SR隧道路径并将计算后的SR隧道路径下发给SR隧道头节点卫星，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发。
另一方面本发明还公开了一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发装置，所述转发装置根据对计算能力的需求，可以布置在地面上，也可以布置在卫星上，包括：
SR标签管理单元，用于为卫星节点和星间链路分配SR标签并保存SR标签信息；
SR隧道管理单元，用于计算SR隧道路径并将路径下发到SR隧道路径的头节点卫星；
业务转发单元，用于转发终端业务；
转发路径变更管理单元，用于基于卫星星历定时更新终端地址网段与卫星地址的映射表，根据映射表确定终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况，根据所述卫星移动性切换的情况计算新的SR隧道路径。
有益效果
本发明提出的基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，弱化了时钟同步需求，解决了空间卫星网络面向连接路由问题，实现了端到端路由的开通以及对转发过程中因卫星移动性切换引起的SR隧道路径变更管理，实现空间卫星网络链路切换、星地链路切换业务无感知和星间星地链路故障快速收敛，为空间卫星网络网络切片、资源动态调度和业务QOS保障实现提供支撑。
本发明提出的基于SDN的空间卫星网络源路由转发装置，采用SDN管控分离架构，可以根据对计算能力的需要选择转发装置的布置方案，SR标签采用SR标签管理单元统一分配，降低了对星上计算、存储能力的要求，简化星间控制信令，适配卫星节点能力较弱的特征并有利异构网络融合。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1中控制器的结构示意图；
图2是本发明实施例2中一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法的流程图；
图3是本发明中SR标签分配及SR隧道创建下发流程图；
图4是本发明实施例2中分配好的SR标签示意图；
图5是本发明实施例2中空间卫星网络业务SR隧道创建及转发流程图；
图6是本发明实施例2中卫星移动性切换的情况示意图；
图7是本发明实施例2中发送终端接入卫星发生切换时计算新的SR隧道路径的过程及业务转发流程图；
图8是本发明实施例2中接收终端接入卫星发生切换时计算新的SR隧道路径的过程及业务转发流程图；
图9是本发明实施例2中网络拓扑快照发生周期性切换时计算新的SR隧道路径的过程及业务转发流程图；
图10是本发明实施例2中网络发生故障时计算新的SR隧道路径的过程及业务转发流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行详细阐述，通过实施例更好地描述本发明方案。
实施例1
参照图1，本实施例提供一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发装置，所述装置集中于一个地面控制器，包括以下模块：
标签管理模块101，用于为卫星节点和星间链路分配SR标签；
网络拓扑管理模块102，用于保存SR标签信息；
算路模块103，用于计算生成SR隧道路径；
SR隧道管理模块104，用于将SR隧道路径下发到所述SR隧道路径的头节点，完成终端业务的转发；
转发路径变更管理模块105，用于基于卫星星历定时更新终端地址网段与卫星地址的映射表，根据映射表确定终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况，根据所述卫星移动性切换的情况计算新的SR隧道路径。
该装置采用SDN管控分离架构，算路计算，网络拓扑管理、SR隧道管理都在计算能力强的地面服务器进行，SR标签采用控制器统一分配，降低了对星上计算、存储能力的要求，简化星间控制信令，适配卫星节点能力较弱的特征并有利异构网络融合。
实施例2
参照图2，基于上述转发装置，本实施例提供一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，该转发方法包括以下步骤：
S1：为卫星节点和节点间链路分配SR标签并保存SR标签信息；
具体的，地面控制器标签管理模块为卫星节点分配标签(1～8)，为各个星间链路统一分配SR标签(101～110)，由网络拓扑管理模块保存所有卫星SR标签信息，然后通过南向接口下发到各个卫星节点上，SR标签分配流程如图3所示，具体分配情况如图4所示；
S2：终端业务触发SR隧道创建，计算SR隧道路径并下发至SR隧道头节点卫星；
具体的，第一终端要和第二终端发起业务，第一终端向接入的第一卫星发起业务创建申请，第一卫星将创建业务申请发送给地面控制器，地面控制器通过查找第二终端地址网段与卫星地址映射表确定此时第二终端对应第七卫星，算路模块计算出第一卫星到第七卫星的SR隧道路径为101—>105—>108，地面控制器通过SR隧道管理模块经过南向接口下发给SR隧道头节点第一卫星，同时将第一终端对应的引流策略下发到第一卫星。
S3：基于所述SR隧道路径转发终端业务；
具体的，第一终端上发送给第二终端的数据报文在接入头节点第一卫星上匹配到控制器下发的引流策略，将报文发送给SR隧道101—>105—>108，报文被发送到SR隧道尾节点第七卫星，最终发送给第二终端。业务SR隧道创建及转发流程如图5所示；
S4：基于卫星星历定时更新终端地址网段与卫星地址的映射表，根据映射表确定终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况，根据所述卫星移动性切换的情况计算新的SR隧道路径，基于新的SR隧道路径继续转发终端业务；
其中，终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况包括：发送终端接入的卫星发生切换，接收终端接入的卫星发生切换，或网络拓扑快照发生周期性切换中的一种或组合；
当发送终端接入的卫星发生切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
在卫星移动性切换发生前准备阶段，头节点卫星发起SR隧道路径重新计算并将计算后的SR隧道路径下发到新头节点卫星更新,终端业务基于计算后的SR隧道路径转发；
具体的，当卫星网络周期性运动到第一终端上空的接入卫星即将由第一卫星切换到第二卫星的时候，第一卫星和第二卫星进入切换准备阶段，第二卫星主动以自己为头节点发起原以第一卫星为头节点的SR隧道路径计算，地面控制器算路模块把第一卫星上的所有SR隧道路径以第二卫星为头节点重新计算，例如原第一卫星到第七卫星的SR隧道按照第二卫星到第七卫星重新计算SR隧道路径B为：103—>106—>107—>108，并由SR隧道管理模块通过南向接口下发给第二卫星，同时下发该SR隧道的引流策略。这样当第一终端的接入卫星从第一卫星切换到第二卫星时，第一终端上发送给第二终端的数据报文在接入头节点第二卫星上匹配到控制器下发的引流策略，将报文发送给SR隧道路径B:103—>106—>107—>108，报文被发送到SR隧道尾节点第七卫星，最终发送给第二终端。发送终端接入卫星发生切换业务SR隧道移动性管理及转发流程如图7所示，其中A为卫星切换前的SR隧道路径，B为卫星切换后新计算的SR隧道路径。
当接收终端接入卫星发生切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
在尾节点卫星发生接收终端地址网段与卫星地址切换的时间点触发以该卫星节点为尾节点卫星的SR隧道路径重新计算，并将计算后的路径下发至头节点卫星更新，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发；
当接收终端已经完成了接入卫星的切换，但接收终端地址网段与卫星地址的映射表没有发生更新时，发往接收终端的数据流依然发到切换前的旧卫星，所述旧卫星发现所述接收终端已经发生了切换，由所述旧卫星将所述数据流发往切换后的新卫星，完成数据流的中继转发，其中旧卫星将所述数据流发往切换后的新卫星的方式包括静态路由转发或SR隧道转发；
具体的，当卫星网络周期性运动到第二终端上空的接入卫星即将由第七卫星切换到第八卫星的时候，第七卫星和第八卫星进入切换准备阶段，第七卫星监测第二终端的切换状态，当第七卫星监测到第二终端发生接入卫星切换，第七卫星标记第二终端的信息，第七卫星上收到转发到第二终端的报文，发现第二终端已经发生了切换，第七卫星对该报文创建一条专用SR隧道将该报文转发给第八切入卫星，实现路由中继转发，第八卫星收到发给第二终端的报文发送给第二终端完成报文转发。接收终端接入卫星发生切换业务SR隧道移动性管理及转发流程如图8所示，其中A为卫星切换前的SR隧道路径，B为卫星切换后新计算的SR隧道路径。
当网络拓扑快照发生周期性切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
当卫星网络拓扑周期性切换，由于变化是提前预知的，在切换发生前计算好切换后的SR隧道路径并下发到SR隧道的头节点卫星更新，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发；
具体的，当卫星网络周期性运动到第一终端到第二终端上创建业务SR隧道路径发生断链时，由于网络拓扑的这种变化时可以预知的，地面控制器会根据预知的变化提前计算出SR隧道的新路径，并在变化发生前下发SR隧道路径到头节点第一卫星。网络拓扑快照发生周期性切换SR隧道移动性管理流程如图9所示，其中A为网络拓扑快照未切换前的SR隧道路径，B为网络拓扑快照发生周期性切换后新计算的SR隧道路径。
当网络发生故障时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
当卫星网络发生故障时，故障链路发生的相邻卫星感知到故障发生后，根据故障链路信息，重新计算SR隧道路径并将计算后的SR隧道路径下发给SR隧道头节点卫星，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发；
具体的，故障链路发生的相邻卫星感知到故障发生后，将故障信息发送回地面控制器，如105链路发生故障，第三卫星监测到105链路发生故障，将故障信息回传给地面控制器，控制器算路模块重新计算SR隧道路径，并将新SR隧道路径下发给SR隧道头节点第一卫星实现SR隧道的故障切换。网络拓扑发生动态变化SR隧道移动性管理流程如图10所示，其中A为网络未发生故障的SR隧道路径，B为故障发生后新计算的SR隧道路径。
该转发方法弱化了时钟同步需求，解决了空间卫星网络面向连接路由问题，实现了端到端路由的开通以及对转发过程中因卫星移动性切换引起的SR隧道路径变更进行管理，实现空间卫星网络链路切换、星地链路切换业务无感知和星间星地链路故障快速收敛，为空间卫星网络网络切片、资源动态调度和业务QOS保障实现提供支撑。
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可存储有程序，该程序执行时包括上述方法实施例中记载的任何基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法的部分或全部步骤。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(英文：Read-OnlyMemory，简称：ROM)、随机存取器(英文：RandomAccessMemory，简称：RAM)、磁盘或光盘等。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：为卫星节点和节点间链路分配SR标签并保存SR标签信息；
S2：终端业务触发SR隧道创建，计算SR隧道路径并下发至SR隧道头节点卫星；
S3：基于所述SR隧道路径转发终端业务；
S4：基于卫星星历定时更新终端地址网段与卫星地址的映射表，根据映射表确定终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况，根据所述卫星移动性切换的情况计算新的SR隧道路径，基于新的SR隧道路径继续转发终端业务；
S2的具体过程是：
S2.1：根据卫星星历生成终端地址网段与卫星地址的映射表，查找映射表确定SR隧道创建需要的头尾节点卫星地址；
S2.2：根据头尾节点卫星地址计算SR隧道路径；
S2.3：将计算好的SR隧道路径和基于所述终端业务的特性设置的SR隧道引流策略同时下发至SR隧道头节点卫星，从而完成SR隧道路径创建；
S3的具体过程是：
所述SR隧道头节点卫星根据所述引流策略将计算好的SR隧道路径插入报文头中，SR隧道中间节点卫星根据报文中的外层SR标签进行转发并剥离外层SR标签，SR隧道尾节点卫星剥离SR标签，并将报文发送至相应的网络进行转发。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，其特征在于，所述终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况包括：发送终端接入的卫星发生切换，接收终端接入的卫星发生切换，或网络拓扑快照发生周期性切换中的一种或组合。
3.根据权利要求2所述的基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，其特征在于，发送终端接入的卫星发生切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
在卫星移动性切换发生前准备阶段，头节点卫星发起SR隧道路径重新计算并将计算后的SR隧道路径下发到新头节点卫星更新,终端业务基于计算后的SR隧道路径转发。
4.根据权利要求2所述的基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，其特征在于，接收终端接入的卫星发生切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
在尾节点卫星发生接收终端地址网段与卫星地址切换的时间点触发以该卫星节点为尾节点卫星的SR隧道路径重新计算，并将计算后的路径下发至头节点卫星更新，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发。
5.根据权利要求4所述的基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，其特征在于，当接收终端已经完成了接入卫星的切换，但接收终端地址网段与卫星地址的映射表没有发生更新时，发往接收终端的数据流依然发到切换前的旧卫星，所述旧卫星发现所述接收终端已经发生了切换，由所述旧卫星将所述数据流发往切换后的新卫星，完成数据流的中继转发，其中所述旧卫星将所述数据流发往切换后的新卫星的方式包括静态路由转发或SR隧道转发。
6.根据权利要求2所述的基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，其特征在于，网络拓扑快照发生周期性切换时，计算新的SR隧道路径包括以下过程：
当卫星网络拓扑发生周期性切换，在切换发生前计算好切换后的SR隧道路径并下发到SR隧道的头节点卫星更新，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发。
7.根据权利要求1所述的基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法，其特征在于:
当卫星网络发生故障时，故障链路发生的相邻卫星感知到故障发生后，根据故障链路信息，重新计算SR隧道路径并将计算后的SR隧道路径下发给SR隧道头节点卫星，终端业务基于计算后的SR隧道路径转发。
8.一种基于SDN的空间卫星网络源路由转发装置，其特征在于，包括：
SR标签管理单元，用于为卫星节点和星间链路分配SR标签并保存SR标签信息；
SR隧道管理单元，用于计算SR隧道路径并将路径下发到SR隧道路径的头节点卫星；
业务转发单元，用于转发终端业务；
转发路径变更管理单元，用于基于卫星星历定时更新终端地址网段与卫星地址的映射表，根据映射表确定终端业务转发过程中卫星移动性切换的情况，根据所述卫星移动性切换的情况计算新的SR隧道路径。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中含有如权利要求1至7任一项所述的基于SDN的空间卫星网络源路由转发方法。
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2021
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