[發明專利]一種基于分布式SDN的衛星網絡及其構建方法

有效

• 申請號: 201710458229.3
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107294592B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 楊力;孔志翔;潘成勝;余莉;石懷峰
• 申請（專利權）人: 大連大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04L12/24
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 畢進

1.一種基于分布式SDN的衛星網絡的構建方法，所述的基于分布式SDN的衛星網絡，采用GEO/MEO/LEO三層衛星網絡模型，其星座軌道參數如下：

GEO層的軌道參數為：軌道高度35786km，軌道平面數目1個，軌道內衛星數3個，軌道傾角0°，角速度0.25°/min，最小仰角8°；

MEO層的軌道參數為：軌道高度10390km，軌道平面數目2個，軌道內衛星數5個，軌道傾角45°，角速度1.0°/min，最小仰角10°；

LEO層的軌道參數為：軌道高度896km，軌道平面數目8個，軌道內衛星數6個，軌道傾角90°，角速度3.6°/min，最小仰角8°；

所述的GEO層為3顆同步軌道衛星；MEO層采用ICO星座；LEO層采用Iridum星座；

所述的GEO層、MEO層及LEO層都提供全球覆蓋；

其特征在于：所述的構建方法，包括以下步驟：

A、根據SDN的思想重新定義衛星網絡的節點，進行網絡的節點部署

SDN具有以下三個特點：可編程、控制平面與數據平面分離以及用于網絡瞬時狀態管理的集中式控制模型；基于這三個特點SDN的基本網絡由轉發層、控制層和業務層三層構成；基于SDN的衛星網絡中包含三類節點，分別為全局控制器節點、局部控制器節點和交換機節點；

考慮到衛星網絡大的空間尺度的問題，控制器采用分層分布式的控制器集群，GEO層放置三個主控制器負責整個衛星網絡，MEO層部署多個局部控制器只負責本區域內的網絡節點；作為控制節點的衛星需實現以下功能：

A1、通過鏈路發現功能獲取全網信息，包括節點資源、運行狀態、鏈路利用率和擁塞情況，從而完成網絡地址學習、路由轉發功能；

A2、獲取交換機的相關信息，完成拓撲管理功能；

A3、通過控制器配置路由信息，生成流表；

A4、通過流表下發實現對交換機的管理；同樣交換機也部署在網絡的每一層，其他的衛星作為普通的通信節點連接到交換機；作為交換機節點的衛星負責完成網絡中的數據轉發功能；

此時完成了基于SDN的衛星節點的定義，并基于DSDSN網絡進行了節點部署；

B、構建DSDSN網絡

根據衛星網絡的三層衛星星座分層，將衛星網絡的天基網絡分為三層網絡，即分為高軌道衛星、中軌道衛星和低軌道衛星三層網絡，分別命名為GEO層、MEO層和LEO層；每層網絡包含作為控制器的衛星與作為交換機的衛星，其他的衛星作為通信節點連接到交換機的衛星；分布在各層網絡的控制器實現控制層邏輯上的集中和物理上的分布，所有的控制器都按照標準的網絡級視圖，運行相同的控制軟件和應用程序集；其余衛星作為基礎設施層負責簡單的數據轉發；

同一層網絡的衛星群內，控制器組成集群，共享本層網絡內的拓撲變化信息，此時每個節點距離它直連的節點的傳輸延時要求高；每層控制器集群中設置一個主控制器，各層的主控制器通過事件傳播系統共享各層信息；

C、基于聚類和貪婪算法對控制器系統配置策略進行重新設計

所述的控制器系統指的是控制器集合所構成的系統，針對DSDSN網絡基于這兩種算法提出一種改進的選擇算法；

定義1：用G＝(V,E,C)表示一個衛星網絡，集合V＝{1,...,N}代表各通信節點，E代表各節點之間的通信鏈路，C＝{C1,...,Ck}代表控制器集合；用D(i,j)代表控制器i與控制器j之間的傳輸時延，Dreq為通信節點與控制器之間的傳輸時延上限；設T為衛星時變網絡的周期，(T₁,T₂,...,T_i)為T的幾個時間節點，在計算節點間的時延時，將其定義為不同時間點的平均值，即：

考慮到衛星網絡大的時空尺度的特性在設計控制器選擇算法時，將整個網絡根據就近原則進行分塊；綜合考慮控制器到達節點的時延和放置的控制器的個數，對算法的權重進行重新設計；

在上式中，表示所有節點到控制器C_k時延的平均值，D_max(v,C_k)代表控制器C_k到域內節點最大時延值，M為控制器的個數；控制器系統配置策略包括以下步驟：

C1、由于衛星網絡的衛星根據軌道進行劃分，因此衛星網絡中的組網需要根據鄰近軌道進行劃分，依據相鄰網絡將衛星網絡劃分為幾個區域，即R＝{R1,R2,R3,...,Rj}；

C2、針對每個劃分的區域設計控制器配置策略；以控制器個數M作為聚類數，在該區域中計算每個節點的u值并從小到大排列{u₁,u₂,...,u_m,...,u_n}，選出u₁,u₂,...,u_m作為聚類質心k，即作為控制器；

C3、找出符合d(k,v)≤Dreq要求的節點歸入聚類中；

C4、在已生成的聚類中，基于本聚類，重新計算聚類內的每個節點的u值，選出最小的那個節點作為控制器，否則繼續使用k作為控制器；

C5、按照這種方法繼續生成聚類，重復步驟C2-C4三個步驟，直到所有的節點都包含在所有的聚類中；

D、對主控制器選擇策略進行重新設計

定義2：用圖G(t)＝(V,E(t)),0≤t≤T表示控制器集群所在衛星網絡在t時刻的網絡結構，其中V＝{v₁,v₂,...,v_s}表示衛星網絡中的衛星節點集合，E(t)為t時刻的星際鏈路集合，T為衛星網絡的拓撲變化周期；

定義3：用w_m,o表示控制器集群中主控制器Master_Ctrl和任一其他控制器Other_Ctrl節點對，則Q(w_m,o)＝{E₁,E₂,...,E_k,...,E_K}代表Master_Ctrl和Other_Ctrl之間的鏈路連接，即Master_Ctrl經過K-1跳到達Other_Ctrl；

為了表示單個鏈路上的流量，令鏈路包含函數為：

式中，若路徑經過鏈路E_k則取1，反之取0；

用表示鏈路E_k上的時延，表示鏈路E_k連接時長；

定義4：用m表示衛星節點集合V＝{v₁,v₂,...,v_s}組成的控制器系統中共有m類資源，每個衛星上有若干資源；

對鏈路連接時長c、鏈路總時延d及衛星的資源R_j進行多目標優化，其優化函數和約束條件如下：

利用加權系數將其轉化為單目標優化工作，如下式：

max f＝ω₁c-ω₂d+ω₃R_j (5)

式中ω₁、ω₂和ω₃分別為鏈路連接時長c，總時延d和資源R_j的加權值為(ω₁+ω₂+ω₃＝1)；

解決多目標優化問題各目標之間矛盾性的關鍵在于權值系數的確定，運用本征向量法來求解各權值；

由決策人把n個屬性的重要性成對比較，把第p個屬性對第q個屬性的相對重要性記為α_pq，并認為，這就是屬性p的權w_p和屬性q的權w_q之比的近似值，α_pq＝w_p/w_q，n個目標成對比較的結果形成決策矩陣A；

權重是指把第1個屬性鏈路連接時長的權ω₁和第2個屬性總時延的權ω₂之比記為α₁₂，第2個屬性總時延的權ω₂和第3個屬性衛星資源的權ω₃之比記為α₂₃，以此類推，構成決策矩陣A；則：

(Α-nΙ)w＝0 (7)

式中Ι是單位矩陣，若決策矩陣A中的值估計準確，上式嚴格等于0；若估計不夠準確，則決策矩陣A中元素的小的攝動代表本征值的小的攝動，于是有：

Αw＝λ_maxw (8)

式中λ_max是決策矩陣Α的最大本征值；根據該式求得本征向量即權向量；

w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T (9)

式中，w是本征向量，w₁、w₂、… 、w_n表示權重；

為了判定決策矩陣Α在此方法中的科學性，引入一致性比率CR的概念，用一致性指標CI與隨機指標RI的比值來表示，它用來判定決策矩陣Α是否被接受；

若比率CR0.1，說明各元素α_pq的估計一致性太差，應重新估計；若CR0.1，認為α_pq的估計基本一致，用式(9)求得w。