CN117118497A - 一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法，属于通信网技术领域。该方法针对星地一体化网络异构性和低轨卫星网络时变性导致的交换机到控制器传播时延增大问题，引入软件定义提出了一种控制器和网关联合部署方法，在获得控制器与网关最佳部署位置的同时，实现了控制器、交换机关系动态重分配。根据网络连通率和流量分布率定义了网络可靠性，利用网络可靠性划分时间片屏蔽低轨卫星网络动态性；根据网络时延和部署成本建立控制器和网关联合部署模型，利用改进模拟退火算法求得控制器与网关最佳部署位置。最后，综合考虑网络可靠性和卫星动态性，利用最短路径算法对交换机与控制器关系进行重分配以降低网络时延。

Description

一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法
技术领域
本发明涉及通信网技术领域。具体涉及一种适用于星地一体化网络的控制器和网关部署方法。
背景技术
星地一体化网络(Satellite-Terrestrial Integrated Network，STIN)具有覆盖范围广、数据传输速率高、网络可靠性高等优点，可广泛应用于地球观测与测绘、智能交通系统、军事任务、国土安全、灾难营救等领域。然而，对于STIN这样一个包含了各种通信系统的融合网络架构，很难利用有限的网络资源去获得信息交换的最佳性能，特别是在卫星、地面不同网络段之间的跨层数据传输。网关作为STIN中的重要节点，是实现地面网络层和卫星网络层之间跨层数据传输的保障，确保了网络连通性。如何确定网关部署的数量和位置是一个基本问题，不同的网关部署方案将会影响整个网络的性能及数据的传输过程，合理的网关部署不仅会降低传输时延，还能提高网络可靠性。同时，STIN是一个异构的网络，大多数源和目的对都存在多条路径，可以利用多条路径进行不同类型的流量传输，满足不同的业务需求。但是这就得需要对网络有全局概览，这样才能更好的决定在何种情况下利用何种路径传输，而软件定义网络(Software Defined Network，SDN)恰好具备这种功能，引入SDN构建软件定义星地网络，以扩展网络管理的灵活性。在SDN中，逻辑控制实体(称为控制器)与交换机解耦，以便在数据平面中进行集中控制。受星载存储计算能力和卫星网络规模的限制，需要部署多个控制器，因此，控制器的合理布局成为提高网络管理灵活性的瓶颈。
综上所述，在引入SDN的STIN中，有必要制定一个联合优化问题，以确定网关和SDN控制器在STIN中的最佳位置以确保网络性能。星地一体化网络中由于网络的异构型以及网络拓扑的时变性，导致通信的可靠性大大降低。现有的关于控制器或网关放置问题的工作，虽然为可靠性和延迟的性能优化提供了宝贵的见解，但是经过对比发现，这些文章大多虽然在星地融合通信的场景下，但是都集中在将控制器和网关都放置在地面或GEO卫星等静止网络平面中，这样部署导致无法满足某些应急动态组网应用，如地震救援和联合军事行动。这些业务应用需要根据地面终端覆盖要求迅速建立卫星应急网络，所以本发明选择将控制器部署在LEO卫星网络上，但是卫星网络的动态性和卫星星载处理能力的限制也使得基于地面网络的控制器布置方案不能直接应用于软件定义卫星网络中。控制器放置在低轨卫星中由于动态拓扑结构，导致频繁的切换。高度动态的拓扑结构，使得交换机需要动态连接到合适的控制器上，连续变化和长传播时延造成很高的控制开销。因此，在低轨道卫星网络布置和分配控制器必须适应的其动态特性，应该根据网络的时变性设置SDN交换机和控制器的动态重分配方法解决由于网络拓扑变化而导致网络时延变大的问题。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种适用于星地一体化网络的控制器和网关部署方法。本发明的技术方案如下：
一种适用于星地一体化网络的控制器和网关部署方法，其包括以下步骤：
S1：对于星地一体化网络，设置基于SDN控制器部署架构，并划分数据平面和控制平面，在此模型中，所有卫星都是SDN开关，并形成潜在的控制器集，只有其中一些卫星将承担SDN控制器的功能。控制器在物理上与卫星交换机位于同一位置，但在逻辑上与它们分离。
S2：运用虚拟拓扑(VT)的思想将卫星运动周期划分为多个时间片来表示拓扑变化，引入网络可靠性计算公式修改普通VT方法，将一个卫星运行周期内的时间片划分为Δτ1，Δτ2，…，Δτn，以更好的捕捉由网络节点和链路故障带来拓扑变化；
S3：将网关选择部署在地面网络，控制器选择部署在低轨卫星网络，并根据选择位置计算网络时延和部署成本，当网络时延和部署成本最小时，即为控制器和网关的最佳静态部署位置；
S4：由于本发明是将SDN控制器部署在卫星上，控制器和星上交换机的位置是实时变化的，所以必须采用动态分配算法，将上述静态部署的结果作为输入，在一个卫星运行周期内运行基于最短路经的SDN控制器与交换机关系重分配算法，其具体过程是，检测到卫星运行时间大于步骤S2中求得的Δτ1，Δτ2，…，Δτn，则执行动态分配算法重新计算交换机和控制器的分配关系。
2、所述步骤S1中，本发明的星地一体化网络包括两个部分：天基网络和地面网络。
1)天基网络主要由地面网段、卫星网段和天地链路三部分组成。地面网段一般包括各类通信站、卫星监测中心等。卫星层只采用LEO(低轨道卫星)，负责接收和转发信息。地面站与天基网络连接，形成天对地网络，可提供全球范围内的通信覆盖。
2)地面网络由地面站、基站和地面接入网组成。面向智能城市、全球通信、自动驾驶等6g应用场景，提供低时延、高可用性通信。
SDN控制平面和数据平面划分：SDN的控制平面为部署在LEO上的控制器集合组成；数据平面是LEO卫星网络和地面网络，负责收集网络状态信息，转发各种业务数据。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明方案针对星地一体化网络异构性和时变性的特点，联合当前SDN控制器和网关的部署问题，提出了控制器和网关联合静态部署和动态调整交换机控制器分配的方法。本发明的主要创新在于这是在星地一体化场景中第一次根据网络异构性和时变性提出SDN控制器的静态放置和动态分配结合的方法。本发明将静态放置问题制定为MIP模型，根据网络时延和部署所需成本寻找网关部署在地面网络，以及SDN控制器部署在低轨卫星网络的最佳位置，并为控制器分配初始交换机集。进一步地，由于控制器部署在低轨卫星上所带来的动态性问题，本发明根据网络可靠性即将达不到最低网络可靠性阈值要求的最大时间节点，设计动态重分配算法重新寻找使得网络时延最小的控制器和交换机的连接关系重分配，以此解决卫星动态性问题。因此本发明在解决手段上具备创造性和易实现的特性。本发明在静态部署的同时考虑由于网络时变性所带来的动态变化，从网络可靠性的角度分析，充分融合了星地一体化网络的异构型和时变性特点，开发了同时在地面网络和卫星网络部署网关和控制器的方法。在已有研究中，研究人员设置的部署模型太过单一化，在关于网关和控制器的联合部署上都将两种设备部署在地面或者GEO卫星等静止网络平面中，未考虑到现有应急动态组网应用，如地震救援和联合军事行动因此本发明具备独特性和创造性。未来低轨道卫星网络中CPP的工作可能涉及节点可靠性和其他控制器放置度量的评估。巨型星座和多层复杂星座在未来的工作中也值得研究。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例基于SDN的星地一体化网络架构图
图2是本发明SDN控制器与交换机动态分配的关系图；
图3是本发明在可靠性约束下优化网络时延和成本的SDN控制器与网关联合部署流程图。
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明内容所涉及的概念和模型如下：
1、网络模型
本发明的主要研究场景是星地一体化网络，天基网络由LEO卫星组成，地面网络由卫星网关，数据管理中心，基站等部分组成。将整个空天地网络模型抽象为无向图，表示为其中V表示交换机集，包括了t地面节点和n卫星交换机节点，V＝{v1,v2，…，vt,vt+1,…,vt+n}。C表示控制器集C＝{c1,c2，…，ck}，共有k个控制节点，对应k个交换机集合。G表示网关集G＝{g1,g2，…，gm}，共有m个网关。X表示节点间的通信链路集，包括控制器与交换机之间的链路集、控制器与控制器之间的链路集。
2、本发明的技术方案说明如下：
1)时间片划分方案
网络链路的可靠性通常是不固定的，将链路的故障率设置为一个随时间变化的函数，网络可靠性由流量分布概率和网络连通性概率组成。流量分布概率考虑了网络容量，可以量化网络拥塞导致的业务中断程度。流量分布概率由危害率模型导出；网络连通性概率反映了网络拓扑中链路的连通性程度，可以表示网络节点损坏的概率，网络连通概率由设备故障概率导出；将网络可靠性阈值设为R，这个可靠性阈值含义为在主链路无故障的情况下网络平均时延一定保障在通信所要求的最大时延内，根据可靠性阈值即可求得LEO拓扑时间片的划分，即Δτ1，Δτ2，…，Δτn。
2)SDN控制器和网关联合静态部署方案
假设控制器可以被部署到交换机的位置上，即控制器与交换机可以处于同一位置。此外，卫星节点的总数为n，那么控制器的位置就可以用一个n维的向量C＝(c1,c2,c3,…,cn)来描述，其中ci为：
对于交换机和控制器之间的二进制分配决策变量x的集合被表示为：
地面节点总数为t，如果网关放置在节点i，那么网关的位置就可以用一个t维的向量G＝(g1,g2,g3,...,gt)来描述，其中gi为：
如果将地面节点j的流量分配给位于节点i的网关，则二进制分配决策变量y的集合被表示为：
本发明的时延分为3个部分，星上部分D1：时间片中控制器与星上交换机的平均时延；星地部分D2：时间片中地面交换机经过网关到控制器或者星上交换机的平均时延；星上部分D3：时间片中控制器与控制器之间的平均同步时延，其具体表达式如下：
其中，n表示卫星节点总数，k表示控制器数量，t表示地面节点总数，m表示网关数量，Vs,Vt,V分别表示星上交换机、地面交换机以及所有交换机集合，C表示控制器集合，G表示网关集合，dij表示两节点之间的传播时延那么网络总平均时延D可表示为：
D＝D1+D2+D3 (6)
另外对于网络成本，本发明将网络成本分为：部署控制器和网关Cc(x)的成本，与控制器和网关的数量相关；控制器连接到交换机，以及网关连接地面和卫星节点Cl(v)的成本，与控制器负载、交换机与控制器之间的距离、网关到地面和卫星节点的距离有关；控制器同步的成本Ct(z)，控制器之间需要实时共享网络拓扑信息、流表信息、事件通知等，以确保网络的一致性和正确性，与控制器之间距离有关。相关表达式如下：
其中，ωi，υi分别为将控制器，网关放置在期望位置的固定成本，lj为控制器的负载，φl为以l型链路进行传输的成本。dij、ci、gi分别表示两节点之间传播时延，控制器位置二元决策变量和网关位置二元决策变量。
本发明节点的容量通过其处理能力来量化，即节点每秒处理请求的数量，由于节点有容量限制，所以必须确保交换机发送的数据包数量可以被控制器处理，满足如下表达式：
基于此，LEO网络下SDN控制器和网关的联合静态部署问题可以被总结为：
C1保证了网络中产生数据交互的节点对之间的最大时延不超过所设置的阈值，C2则预设了LEO网络中控制器的数量为k，C3保证了每个交换机只分配给一个控制器。C4表示只要有交换机关联，那么控制器必须处于开启状态；C5预设了LEO网络中网关的数量为m，约束C6表示每个地面节点，无论是否是控制器，都必须分配给一个网关，约束C7表示地面交换机节点i到节点j的分配只有在最终的放置策略中，网关位于节点j时才有效。约束C8、C9、C10、C11是二元决策变量，C12预设了节点的容量约束。
3)SDN控制器与交换机动态分配方案
用C来表示控制器集，对于控制器集的任意控制器节点即有一个分配交换机集V，j∈V。对于这个控制器节点和其交换机集/>有xij＝1。在某个时刻，如果j应该被重新分配给由ξ表示的新控制器，则分配关系矩阵X应该被更新为：
技术方案1中已经计算出需要动态分配的时间点，即Δτ1，Δτ2，…，Δτn每个时间片末尾时刻，基于最短路径的交换机迁移算法中的新分配xij，即在保持控制器的静态部署方案不变的同时计算出新的交换机和控制器之间的分配关系X。其SDN控制器和交换机动态分配问题可总结为：
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对于星地一体化网络，设置基于SDN控制器部署架构，首先划分数据平面和控制平面，所有卫星和地面节点都是SDN交换机，并在卫星网络中形成潜在的控制器集；
S2：运用虚拟拓扑VT的思想将卫星运动周期划分为多个时间片来表示拓扑变化，引入网络可靠性计算公式修改传统VT方法，将一个卫星运行周期内的时间片划分为Δτ1，Δτ2，…，Δτn，捕捉由网络节点和链路故障带来的拓扑变化；
S3：将网关选择部署在地面网络，控制器选择部署在低轨卫星网络，并根据选择位置计算网络时延和部署成本，当网络时延和部署成本最小时，即为控制器和网关的最佳静态部署位置；
S4：采用动态分配算法，将静态部署的结果作为输入，在一个卫星运行周期内运行基于最短路的SDN控制器与交换机关系重分配算法，检测到卫星运行时间大于步骤S2中所求得的Δτ1，Δτ2，…，Δτn，则执行动态分配算法重新计算交换机和控制器的分配关系。
2.根据权利要求1所述的一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法，其特征在于，所述步骤S1中星地一体化网络包括两个部分：天基网络和地面网络；
1)天基网络包括地面网段、卫星网段和天地链路三部分，地面网段包括各类通信站、卫星监测中心；卫星网段采用LEO低轨道卫星，负责接收和转发信息；地面站与天基网络连接，形成天对地网络，可提供全球范围内的通信覆盖；
2)地面网络由地面站、基站和地面接入网组成；
SDN控制平面和数据平面划分：SDN的控制平面为部署在LEO上的控制器集合组成；数据平面是LEO卫星网络和地面网络，负责收集网络状态信息，转发各种业务数据。
3.根据权利要求1所述的一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
1)网络链路的可靠性的表达式由流量分布概率和网络连通性概率组成；
2)流量分布概率用于量化网络拥塞导致的业务中断程度；流量分布概率由危害率模型导出，危害率模型的概率密度函数如下所示，其中t表示时间段t内无发生故障；表示固有危险率，/>P为网络流量分布变化率，-1<P<1：
w(t)＝tφe-p (1)
3)网络连通性概率反映了网络拓扑中链路的连通性程度，表示网络节点损坏的概率，网络连通概率由设备故障概率导出，设备故障的概率密度函数如下所示，其中a和b分别为形状参数和规模参数；
4)考虑流量分布概率和网络连通性概率的网络可靠性R(t)表达式由下式得到：
6)将网络可靠性阈值设为Rmin，根据积分公式计算卫星运行周期内考虑网络可靠性的时间片划分，即Δτ1，Δτ2，…，Δτn。
4.根据权利要求1所述的一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法，其特征在于，所述步骤S3中，假设控制器被部署到交换机的位置上，即控制器与交换机处于同一位置；此外，卫星节点的总数为n，那么控制器的位置用一个n维的向量C＝(c1,c2,c3,…,cn)来描述，其中ci为：
对于交换机和控制器之间的二进制分配决策变量x的集合被表示为：
地面节点总数为t，如果网关放置在节点i，那么控制器的位置就可以用一个t维的向量G＝(g1,g2,g3,…,gt)来描述，其中gi为：
如果将地面节点j的流量分配给位于节点i的网关，则二进制分配决策变量y的集合被表示为：
5.根据权利要求4所述的一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法，其特征在于，所述步骤S3的时延分为3个部分，D1表示时间片中控制器与所有交换机的平均时延；D2表示时间片中地面交换机经过网关到控制器或者星上交换机的平均时延；D3表示时间片中控制器与控制器之间的平均同步时延，其具体表达式如下：
其中，n表示卫星节点总数，k表示控制器数量，t表示地面节点总数，m表示网关数量，Vs,Vt,V分别表示星上交换机、地面交换机以及所有交换机集合，C表示控制器集合，G表示网关集合，dij表示两节点之间传播时延，那么网络总平均时延D可表示为：
D＝D1+D2+D3 (9) 。
6.根据权利要求5所述的一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法，其特征在于，所述步骤S3的网络成本，分为：部署控制器和网关Cc(x)的成本；控制器连接到交换机，以及网关连接地面和卫星节点Cl(v)的成本；控制器同步的成本Ct(z)，相关表达式如下：
其中，ωi，υi分别为将控制器，网关放置在期望位置的固定成本，lj为控制器的负载，φl为以l型链路进行传输的成本；dij、ci、gi分别表示两节点之间传播时延，控制器位置二元决策变量和网关位置二元决策变量；
节点的容量通过其处理能力来量化，即节点每秒处理请求的数量，满足如下表达式：
其中，σj表示交换机发送到未来连接的控制器的数据包的数量，μi表示控制器每秒可以处理的数据包数；
基于此，SDN控制器和网关的联合静态部署问题被总结为：
C1保证了网络中产生数据交互的节点对之间的最大时延不超过所设置的阈值，C2则预设了LEO网络中控制器的数量为k，C3保证了每个交换机只分配给一个控制器；C4表示只要有交换机关联，控制器必须处于开启状态；C5预设了LEO网络中网关的数量为m，约束C6表示每个地面节点，无论是否是控制器，都必须分配给一个网关，约束C7表示地面交换机节点i到节点j的分配只有在最终的放置策略中，网关位于节点j时才有效；约束C8、C9、C10、C11是二元决策变量，C12预设了节点的容量约束。
7.根据权利要求6所述的一种适用于星地一体化网络的控制器和网关联合部署方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
用C来表示控制器集，对于控制器集的任意控制器节点即有一个分配交换机集V，j∈V；对于这个控制器节点和其交换机集/>有xij＝1。在某个时刻，如果j应该被重新分配给由ξ表示的新控制器，则分配关系矩阵X更新为：
根据计算出的需要动态分配的时间点，即Δτ1，Δτ2，…，Δτn每个时间片末尾时刻，基于最短路径的交换机迁移算法中的新分配xij，即在保持控制器的静态部署方案不变的同时计算出新的交换机和控制器之间的分配关系X；其SDN控制器和交换机动态分配问题可总结为：
其中，C1限制了网络的可靠性始终大于阈值，C2表示了在不同时间片控制器与交换机分配的变化关系，C3表示LEO网络中控制器的数量为k，C4保证了每个交换机只分配给一个控制器，C5、C6则是二元决策变量。
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