0 概述

软件定义空间信息网络^[1-2]是以卫星组成的骨干通信网为背景、软件定义网络(SDN)为核心的卫星网络, 其可以实现侦测、通信、遥感等多种功能。相对于传统空间信息网络传输速率低、卫星节点资源有限、组网不灵活、通信协议多样化等缺点, 软件定义网络^[3-5]的低耦合、数控分离、灵活编程控制等特性, 引起了人们将SDN应用到空间信息网络的兴趣。

空间信息网络具有高时延、拓扑时变、多种协议共存和网络异构等特点^[6], 实现高服务质量的卫星网络信息传输主要存在以下难点:星间通信拓扑时变、数据传输窗口链路存在时间短、发生链路中断, 导致数据传输失败可能性高; 卫星资源有限、星间通信链路稀少, 导致数据传输平均时延增大, 网络可靠性低; 网络层多种协议共存导致数据包不能被解析, 无法建立链接使得通信链路中断。

在空间信息网络中, ATM和IP交换方式将长期共存, ATM交换机无法承载IP数据包的传输, 网络异构性对传输效率的影响随着时间的推移, 网络复杂度的提升逐渐增大, 数据的交换和控制模块功能模糊, 无法适应日益庞杂的网络结构, 导致传输效率降低。并且, 空间信息网络的发展缺乏相应的基础理论支撑, 需要建立一套完备的空间信息网络协议体系。

在已有的研究中, 一些学者提出了自己的观点。文献[7]认为空间信息网络发展缺乏基础理论支撑, 空间信息网络协议体系并不完善, 现有的空间信息网络路由算法在针对特定网络拓扑结构时, 剩余容量、队列时延等一些特定影响因素没有被考虑。文献[8]认为软件定义网络是一种优秀的网络架构, 其具有方便集中管控、灵活组网等特点, 但空间网络节点处理能力不强、通信时间不确定, 因此将SDN架构应用在空间信息网络中可以针对不同时间片的拓扑结构进行集中调配, 更加方便平衡负载。文献[9]提出一种基于SDN思想的天地一体化信息网络管理技术, 将SDN从地面网络转向空间信息网络提供了部分理论支撑。文献[10]搭建了基于SDN的空间信息网络半实物仿真平台, 将理论转化为实际, 为半实物仿真提供了理论基础和基础仿真环境。文献[11]提出多种无线网络技术的组合算法, 在提升网络性能方面效果十分显著。文献[12]提出基于时空特性的消息机会转发算法, 提高了消息传输成功率, 改善了网络负载降低了时延。文献[13]提出在无线传感器网络中, 节点选择性编码的多路径传输策略提升了传输可靠性, 大幅改善了传输可靠性。文献[14]在网络资源定价的基础上, 提出一种实时可靠性传输策略, 通过对网络资源的合理表征, 可以保证数据实时传输的可靠性。

本文基于SDN架构, 对传统的空间信息网络进行建模分析, 通过添加修改控制器模块, 根据Openflow流表对空间信息网络资源进行统一调配与集中控制, 并依靠控制器下发流表确定网络状态, 监控全网拓扑时变, 实现网络层不同协议间数据包的相互传输。针对异构网络多变的拓扑结构, 通过对链路最小吞吐量、链路通信能力、异构网络影响因子综合加权分析, 提出一种基于网络有效性的路由算法(Network Effectiveness Routing Algorithm, NERA)。

1 软件定义异构空间信息网络架构与技术

SDN通过控制器和数据平面的分离, 将控制功能从底层交换设备中抽出, 可以使空间信息网络设备耦合度降低、服务提供速度加快与敏捷性增强, 降低运行开销, 并提供虚拟化服务。SDN的出现加强了网络的健壮性, 有效地解决了传统异构空间信息网络组网不灵活、网络资源匮乏、实时性需求响应速度慢等问题^[15]。

1.1 软件定义异构卫星网络架构

软件定义异构卫星网络(Software Define Heterog-eneous Satellite Network, SDHSN)将地面上传统SDN架构移植到异构卫星网络中, 对不同卫星进行模块化区域性划分, 以适应多任务不同类型的业务。该架构下控制层由高轨卫星GEO1、GEO2和地面控制中心组成, 主要功能是实现网络资源的统一调配、维护网络拓扑与完成协议转换。数据交换层由低轨卫星LEO交换机、ATM交换机、地面站和地面网络交换节点构成, 负责数据的存储-转发。

如图 1所示, 网络架构采用分布式集群控制, GEO1可以管理并通过南向接口协议给LEO1、LEO2和ATM交换机下发流表, GEO2给LEO4、LEO5和ATM交换机下发流表, 地面网络中的交换机由地面控制中心统一管理。在该架构下主要使用Openflow的南向接口协议, 该协议作为SDN架构的核心协议为实现网络的集中控制定义了标准, 实现了流表下发、策略制定、链路发现、拓扑信息管理等关键性功能^[16]。相比于传统的空间信息网络骨干网与交换网, SDN架构可以对通信请求进行集中统一处理, 将数据面与控制面分离, 减少骨干网的交换负担与交换网的计算负担。控制器在网络初始化时可以搜集全网拓扑并且在网络运行过程中对拓扑进行实时更新, 当有传输请求时统一进行路由选择并下发流表, 每个交换机根据流表信息进行存储-转发。SDN架构有着可编程、组网灵活等优点, 可将网络资源进行集中管控, 通过全局网络状态对网络负载均衡、路由选择与抗毁重构产生了积极的影响, 可以解决空间信息网络组网困难、资源匮乏等难题^[17]。

1.2 控制器模块和流表项设计

SDN控制器作为整个网络的控制核心, 拥有多种功能, 比如:路由策略制定, 网络拓扑管理, 向上层应用提供服务, 流表项下发等^[18]。

本文在SDN控制器原有功能上定义了包处理模块, 该模块对下一跳交换机无法识别的数据包进行操作, 若IP数据包要经过ATM交换机, 则将IP数据的MAC头与IP头拆除, 查找流表写入ATM信元信息, 封装数据包, 使下一跳交换机可以识别该数据包。该策略使得控制器有对IP数据和ATM数据包进行处理的功能, 对实现数据传输起到了关键性作用。改进的SDN控制器主要功能模块如图 2所示。

SDN控制器数据包处理模块具有以下功能:

1) AMM模块提供主机在网络中的位置信息, 实现MAC地址与IP地址或VPI/VCI的相互映射。

2) PP模块获取PE/U模块将数据包解封后的信息, 获取流表中下一跳交换机类型:

(1) 若IP数据包下一跳是ATM交换机, 则在AMM模块中获取IP地址映射的VPI/VCI信息组成信头, 并将数据部分拆分成48 Byte的数据块送到PE/U模块与信头拼合生成ATM信元。

(2) 若ATM信元下一跳是IP交换机, 则在AMM模块中获取VPI/VCI映射的IP地址信息组成IP包头, 并将数据部分送到PE/U模块拼接生成IP数据包。

3) PE/U提供数据包的封装/解封操作。

SDN交换机进行存储转发的依据是控制器根据全网拓扑进行决策后下发的流表, 流表是网络设备存储转发功能的抽象, 包含了各个层的配置信息^[19]。当网络连接建立后, 控制器与Openflow交换机之间建立TLS安全通道, 控制器通过安全通道发送Packet_Out包至底层的Openflow交换机, 交换机将该包发送给相连的主机, 并发送Packet_In包返回至控制器, 用以统计全网拓扑信息, 统计完拓扑信息将下发流表至各交换机, 交换机存储路由表^[20]。包处理模块核心方法如图 3所示。

原有流表无法记录ATM信元的相关信息, 针对空间信息网络ATM和IP交换共存的特点, 本文在原有Openflow流表的基础上进行改进, 添加了VPI/VCI信息、包类型识别以及业务类型, 在初始化过程中为IP地址建立ATM地址映射, 使得ATM信头中的信息也可以查找路由表, 不会因为无法识别而丢弃。流表项如图 4所示。

改进的Openflow流表加入了VPI/VCI信息, 当数据包到达交换机时, 无论是ATM信元还是IP数据包都可以查找到下一跳信息, 并且交换机可以识别包的类型以及该数据包的业务类型为之后的路由算法或多业务识别进行提前预判。

支持IP协议的用户H1向支持ATM节点的用户H3发送文件时的数据传输过程如图 5所示。

在图 5中, S1、S2、S3代表Openflow卫星交换机, H1、H3分别代表支持IP协议和ATM协议的用户, C代表高轨卫星控制器。当用户H1向用户H3发送数据时, 其数据传输过程如下:1)H1向S1发送想要给H3发送数据的传输请求; 2)S1收到H1的请求后通过Openflow的南向接口协议将该请求发送给C; 3)当C收到H1的传输请求后查询存储模块中的路由信息, 计算路由路径, C将该路径写入流表并下发到路径中涵盖的所有交换机(S1、S2、S3);4)S1收到流表后向H1发送数据交换请求被允许的信息; 5)H1收到传输允许指令后, 将数据封装成IP数据包并发送给S1;6)S1收到数据包后将数据包存入Cache, 并按照流表中下一跳地址将数据包发送给S2;7)ATM交换节点S2收到数据包后无法识别IP数据包, 按照Openflow南向接口协议将无法识别的数据包发送给控制器C, 通过C中的PP模块对数据包进行处理; 8)控制器C将重新生成的ATM信元发送给S2;9)S2收到ATM信元后查找流表中VPI/VCI信息, 选择下一跳地址并将信元发送给ATM交换机S3;10)ATM交换机S3收到信元后解析信头, 根据流表找到H3地址并将信元转发给H3。

同理, 当数据包从ATM网络发送到IP网络时也做上述操作, 需取出ATM信元的数据部分, 并查找路由表将VPI/VCI映射为IP地址, 将包头信息和数据信息封装为IP包。

该策略使得SDN架构下的控制器节点可以处理不同类型的数据包, 使得数据包对链路的适应性更强, 可以提升交换节点的利用率, 增强网络弹性与健壮性, 解决异构卫星网络多协议共存的问题, 减少网络拓扑的切换。

2 基于网络有效性的路由选择算法

由于空间信息网络具有拓扑时变、星间链路利用率低等特性, 地面的一些路由算法^[21]如Dijkstra算法、普里姆算法等, 在计算好最优路径后由于时间片的切换使得网络拓扑频繁改变, 重新计算路由代价大, 权值定义模糊无法准确表征空间信息网络, 导致这些路由算法难以在该领域应用。在网络有效性中, 吞吐量代表一个连接对数据量的承载能力, 在选路过程中若不考虑单连接吞吐量的大小可能会造成拥塞或者资源浪费。所以, 在NERA路由算法中结合空间信息网络的特性, 加入异构网络对时延产生的影响θ, 将单位时间片内平均吞吐量单独列出, 取平均吞吐量最小值计算通信链路权值, 并对Dijkstra算法进行改进, 改进算法采用基于最小吞吐量代价的方式计算出的影响因子来计算最优路径。

在路由计算过程中, 空间信息网络的拓扑变化具有周期性, 在将SDN架构应用到空间信息网络时, 控制器中的路由存储模块会记录每个时间片下的拓扑, 当源节点产生发送请求时, 控制器将会根据已存储的路由表建立一个面向连接的基于网络有效性的按需路由算法。NERA路由算法流程如图 6所示。

在SDN架构中, 传统的地面网络由于不面向连接的IP协议, 因此并不考虑网络异构性, 导致在空间信息网络中一些骨干节点的ATM交换机无法识别IP报文, 而Openflow面向连接的流表代替了传统的IP报文, 并且本文提出的控制器改进方法在计算路由时可以屏蔽网络异构性, 实现空间信息网络系统互联互通。改进后的路由结构如图 7所示。

改进前路由结构为IP节点与箭头所示, 无法有效利用闲置的ATM节点, 改进后两节点可以直接通过ATM交换节点进行数据交换, 该策略可以增强网络弹性与健壮性, 降低平均传输时延。

定义1  将物理网络用一个图表模型表示, 即G=(V, E), 集合V={1, 2, …, N}代表各通信节点, E代表各节点之间的通信链路, D(i_u, i_n)代表相邻可通节点i_u与i_n之间的时延, 时延上限为Dcont, Pe(i_u, i_n)代表相邻可通节点i_u与i_n之间的误码率, R(i_u, i_n)代表相邻可通节点i_u与i_n之间的平均吞吐量。

规定卫星网络的周期为T, 将T划分为若干个时间片, 每个时间片内的网络拓扑结构保持不变, 时间片内有M个时刻(t₁, t₂, …, t_m)。当计算相邻节点间在一个时间片内的时延时, 要求节点间的时延要根据不同时刻的平均值进行定义, 其中, θ(i_u, i_n)与数据包大小成正比, 代表经过异构链路造成的时延影响因子, 由处理数据包的时延、控制器与交换机间数据传输时延之和组成。

NERA路由算法步骤如下:

步骤1  记节点(i_u, i_n)间在一个时间片内的平均时延为:

$ d\left(i_{u}, i_{n}\right)=\left\{\begin{array}{l}{\frac{1}{M} \sum\limits_{t f=1}^{m}\left(d_{\mathrm{spread}}^{tf}\left(i_{u}, i_{n}\right)+d_{\mathrm{wait}}^{t f}\left(i_{u}, i_{n}\right)+\right.} \\ \;\;\;\; {\theta\left(i_{p}, i_{n}\right) ), H L=1} \\ {\frac{1}{M} \sum\limits_{tf=1}^{m}\left(d_{\mathrm{spread}}^{tf}\left(i_{u}, i_{n}\right)+d_{\mathrm{wait}}^{t f}\left(i_{u}, i_{n}\right)\right), H L=0}\end{array}\right. $

(1)

其中, HL为网络异构标志, 当两节点间网络异构时, 记HL=1, 此时两节点间平均时延为每个时刻下传播时延d_spread^tf、等待时延(发送时延、处理时延与排队时延之和)d_wait^tf与异构网络时延影响因子θ(i_u, i_n)之和取M个时刻的平均值, 当HL=0时代表网络不异构, 则不考虑异构网络影响因子。

步骤2  记节点(i_u, i_n)间在一个时间片内的平均误码率为:

$ {Pe}\left(i_{u}, i_{n}\right)=\frac{1}{M} \sum\limits_{tf=1}^{m} N e_{t f}\left(i_{u}, i_{n}\right) / N_{t f}\left(i_{u}, i_{n}\right) $

(2)

其中, N代表两节点间发送的码的数量, Ne代表误码数量, 误码率的优劣与两节点u、n间物理信道受干扰程度有关。

步骤3  记节点(i_u, i_n)间在一个时间片内的平均吞吐量为:

$ r\left(i_{u}, i_{n}\right)=\frac{1}{M} \sum\limits_{t f=1}^{m} r_{t f}\left(i_{u}, i_{n}\right) $

(3)

其中, 吞吐量r为两节点间在单位时间内的实际数据传输速率, r_tf(i_u, i_n)代表在时刻m时u、n间的实际传输速率。

步骤4  通过式(4)对数据进行归一化处理:

$ X^{*}=(x-\min x) /(\max x-\min x) $

(4)

得到:

$ -d^{*}\left(i_{u}, i_{n}\right)=\frac{d\left(i_{u}, i_{n}\right)-\min d\left(i_{u}, i_{n}\right)}{\max d\left(i_{u}, i_{n}\right)-\min d\left(i_{u}, i_{n}\right)} $

(5)

$ -P e^{*}\left(i_{1}, i_{n}\right)^{-1}=\frac{P e\left(i_{u}, i_{n}\right)-\min P e\left(i_{u}, i_{n}\right)}{\max P e\left(i_{u}, i_{n}\right)-\min P e\left(i_{u}, i_{n}\right)} $

(6)

$ r^{*}\left(i_{u}, i_{n}\right)=\frac{r\left(i_{u}, i_{n}\right)-\min r\left(i_{u}, i_{n}\right)}{\max r\left(i_{u}, i_{n}\right)-\min r\left(i_{u}, i_{n}\right)} $

(7)

步骤5  记节点u、n间存在一条只经过一条的连接, 该连接的具有属性为:

$ \left\{\begin{array}{l}{\mu_{1}(D, P e)=\left(-D^{*}\left(i_{u}, i_{n}\right), -P e^{*}\left(i_{u}, i_{n}\right)-1\right)} \\ {\mu_{2}(R)=R^{*}\left(i_{u}, i_{n}\right)}\end{array}\right. $

(8)

步骤6  在计算链路影响因子时链路经过多跳, 每条链路包含多个连接, 影响因子为W=-(ω₁+ω₂), 其中, p、q表示链路经过的节点, α、β、γ分别表示时延、误码率、平均吞吐量所占的权重, ω₁、ω₂计算公式如式(6)所示。

$ \left\{\begin{array}{l}{\omega_{1}=\sum\limits_{p=u}^{q=n}\left(-\alpha D^{*}\left(i_{p}, i_{q}\right)-\beta P e^{*}\left(i_{p}, i_{q}\right)^{-1}\right)} \\ {\omega_{2}=\gamma \min \left(R^{*}\left(i_{p}, i_{q}\right)\right), p, q \in(u \cdots n)}\end{array}\right. $

(9)

其中, ω₂为链路中吞吐量最小的一个连接的值, α、β、γ是以时延之和、误码率之和与最小吞吐量和连接跳数之积通过熵权法计算求得, 当链路影响因子W越大时, 该链路被路由算法选中的概率越高。

3 仿真结果与分析

文献[22]将SDSN架构应用到传统的网络模型中, 通过仿真验证从时延、吞吐量2个方面分析该架构的性能。本节对文中所提出的架构及配置策略的性能进行仿真验证, 采用STK搭建空间信息网络模型, 包括GEO/LEO/FAC。

3.1 仿真参数

仿真对象的运行轨道参数如表 1所示, 其中, GEO为3颗高轨卫星, LEO是减少轨道卫星后的改进Walker星座, 可实现区域覆盖, Detect为探测卫星, 通过卫星网络向地面站(北京、喀什)发送数据, ATM为一个异步传输交换节点。在该架构下存在额外一颗高轨卫星被命名为主星作为控制器, 数据交换路径通过主星下发流表进行统一调配。

在仿真中, 定义节点间链路平均时延权值为α, 误码率为β, 链路平均吞吐量权值为γ, 根据特征向量法求得的权向量为W=(0.54, 0.2, 0.26)^T。

3.2 结果分析

仿真结果分析如下:

1) 单链路时延分析

表 2所示仿真时间为380 min, 选择网络拓扑中的一条IP链路A由卫星S1向地面站发送数据包, 在可视范围内进行通信。当遇到地球遮挡或通信距离过远时A链路中断, 若此时存在ATM链路B, 则通信链路切换至B。单链路时延如图 8所示。

图 8中虚线表示的是采用本文数据传输策略后的链路时延, 在图 8中认为delay≥0.24 s时链路失效, 可以明显地看出在第172 min时由于信道被干扰导致链路失效, 但采用了该策略后的软件定义空间信息网络在174 min~197 min可以令ATM节点承载IP交换的功能, 虽然在单位时间内时延相较于IP交换增大, 但是在IP交换机无法工作时该策略可以使网络连通得到更好的保障, 增强了网络弹性, 降低时延。

2) 时延

如图 9所示, 仿真时间约为250 min, 链路切换约5 min发生一次, 每次路由路径相对随机, 计算SDSN架构的时延与改进路由算法后的SDHSN架构时延进行对比, 计算链路时延时在数据包中加入时间项, 每次数据处理时将时间进行累加, 在经过ATM节点时在原有时延基础上加入影响因子, 最终得到链路时延。

在星间链路由于拓扑时变原因导致通信能力下降时, 连通时延整体增加, 但偶尔会有波谷出现, 该波谷的出现表示链路切换进入异步传输模式, 通过ATM交换机进行数据交换, 该策略可以降低平均时延, 但会增大处理时延, 增加了拥塞的可能。相较于普通空间信息网络模型, 改进后路由算法架构增大了高效链路被选中的概率, 但增大路由开销会导致发送时延和处理时延增大, 在单位时间片内网络平均时延降低了约3.75%。

3) 吞吐量

在相同的路由算法及卫星环境下, 比较本文的空间信息网络架构和普通卫星网络架构下在350 min内端到端的平均吞吐量。仿真结果如图 10所示。

从图 10可以看出, 本文改进路由算法后的SDHSN架构吞吐量普遍高于普通卫星网络架构下的吞吐量, 且能够适应网络拓扑的动态变化, 该路由算法以吞吐量最小的链路作为标准, 以特征向量法将时延、吞吐量和误码率进行加权分析。计算有效性最高的链路, 减少由于卫星节点数量不足导致的地球对卫星信号产生遮挡, 使得吞吐量下降, 该算法在本软件定义卫星网络下使得星间链路的有效性相对提升, 经过仿真验证, 相较于普通卫星网络架构, 吞吐量约提升7.22%~11.49%。

4 结束语

随着信息技术的发展, 对通信实时性和网络带宽的要求越来越高。本文基于SDN的空间信息网络统一调配资源, 提升链路利用率, 增强网络灵活性与可靠性, 并针对异构网络多变的拓扑结构, 通过对计算链路最小吞吐量、链路通信能力、异构网络影响因子综合加权分析, 提出一种基于网络有效性的路由算法。仿真结果表明, 该路由算法可以适应星间复杂网络环境, 降低平均传输时延, 增强网络抗毁性, 平衡网络负载, 提高星间通信服务质量。下一步将研究网络拓扑频繁切换导致的网络路由重新计算问题, 以提升空间信息网络多业务类型QoS, 稳定拓扑环境。