田 睿，郁小松，趙永利，王為眾，李亞杰，王春鋒，張 杰

(1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.錢學森空間技術實驗室，北京100094)

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基于SDN的空間信息網(wǎng)絡多路徑承載策略

田 睿1，郁小松1，趙永利1，王為眾1，李亞杰1，王春鋒2，張 杰1

(1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.錢學森空間技術實驗室，北京100094)

針對空間信息網(wǎng)絡結構復雜、拓撲動態(tài)以及空間通信時延大等特點，提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Networking，SDN)的空間信息網(wǎng)絡架構。在該架構中，地面核心網(wǎng)作為骨干網(wǎng)，多種鄰近衛(wèi)星構成接入網(wǎng)，整個網(wǎng)絡通過多域控制器與單域控制器協(xié)同控制的方式實現(xiàn)空間信息網(wǎng)絡的統(tǒng)一組網(wǎng)。同時，針對空間信息網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化易導致通信中斷的特點，提出了基于星際光互聯(lián)的多路徑承載策略，并對該策略進行了系統(tǒng)仿真。仿真結果表明，相比于一般的保護策略，多路徑承載策略具有更低的阻塞率，且隨著該策略中保護級別系數(shù)的增加，網(wǎng)絡的阻塞率也相應增大。

SDN；空間信息網(wǎng)絡；架構；多路徑承載策略

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展以及航天任務需求的不斷提高，空間網(wǎng)絡已經(jīng)逐步成為全球研究的熱點[1]?？臻g網(wǎng)絡大體分為天基、空基和地基3層[2]。天基網(wǎng)絡由衛(wèi)星構成，空基網(wǎng)絡由無人機和飛行器構成[3]，地基網(wǎng)絡由傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡構成?？臻g信息網(wǎng)絡具有空間分布層次多、網(wǎng)絡節(jié)點差異大、拓撲狀態(tài)變化快和業(yè)務分布范圍廣等特點。隨著光通信技術與空間光通信技術的發(fā)展，星間光通信具有高速率、大帶寬、低損耗和高可靠的特點[4]。星間無線光互聯(lián)技術需建立在通信衛(wèi)星之間在視距范圍內(nèi)的基礎上，這對于衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)的研究是一個巨大的挑戰(zhàn)?；诳臻g網(wǎng)絡的特點，將SDN的思想引入空間信息網(wǎng)絡中，提出空間信息網(wǎng)絡組網(wǎng)架構對空間信息網(wǎng)絡的控制和管理。在該架構下，基于星間光互聯(lián)技術，提出多路徑承載策略，解決了由于衛(wèi)星移動，原有鏈路中斷，導致業(yè)務中斷傳輸?shù)膯栴}。同時，對多路徑承載策略進行了仿真，并與其他路徑保護策略進行了對比分析。

1 網(wǎng)絡控制架構

目前，空間網(wǎng)絡主要分為空域網(wǎng)絡和地域網(wǎng)絡，空域網(wǎng)絡主要由衛(wèi)星系統(tǒng)構成，衛(wèi)星系統(tǒng)根據(jù)其軌道不同可分為地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)和非地球靜止軌道衛(wèi)星(NGEO)，NGEO又可分為低地球軌道衛(wèi)星(LEO)和中地球軌道衛(wèi)星(MEO)等[5]。與地面網(wǎng)絡相比，空間網(wǎng)絡主要面臨拓撲結構高動態(tài)變化、各種異構網(wǎng)絡緊密融合、通信模式復雜、網(wǎng)絡可靠性和安全性要求高等問題。

為了解決這個問題，本文提出將SDN引入空間信息網(wǎng)絡組網(wǎng)架構，大大增加了網(wǎng)絡的靈活性、可編程性和可擴展性[6]。在該架構下，網(wǎng)絡整體分為核心網(wǎng)與接入網(wǎng)，如圖1所示。核心網(wǎng)網(wǎng)元主要為交換機，通過光纖相互連接。接入網(wǎng)將骨干網(wǎng)與用戶連接起來，其中衛(wèi)星網(wǎng)絡根據(jù)其位置關系劃分為多個接入網(wǎng)，通過基站與骨干網(wǎng)相連[7]。

圖1 控制架構示意

核心網(wǎng)分為多個域，每個接入網(wǎng)作為單獨一個域，每個域由一個單域控制器控制，多個單域控制器再由一個多域控制器統(tǒng)一控制[8]。單域控制器收集底層網(wǎng)元的拓撲信息，當域內(nèi)業(yè)務到來時，單域控制器計算域內(nèi)鏈路，通過流表下發(fā)的方式控制網(wǎng)元，實現(xiàn)路徑建路以及對業(yè)務的處理。多域控制器負責全網(wǎng)資源的調配，從單域控制器中獲取各域拓撲資源，建立全網(wǎng)整體拓撲，當跨域資源到來，負責跨域路經(jīng)計算，實現(xiàn)業(yè)務跨域傳輸，除此之外，由于域和域間網(wǎng)絡的異構性，多域控制器還負責統(tǒng)一異構設備接口，實現(xiàn)異構設備跨域的互聯(lián)互通[9]。

1.1 網(wǎng)絡組成

地面網(wǎng)絡包括骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)，其中接入網(wǎng)直接與用戶相連，節(jié)點主要包括靈活光節(jié)點、靈活柵格的ROADM和OXC、openflow交換機、L2L3交換機以及服務器等。每個接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)的邊緣節(jié)點相連，連接處包括網(wǎng)關和防火墻等，給接入網(wǎng)中的服務器和用戶提供保護。骨干網(wǎng)節(jié)點由靈活光交換設備構成，主要包括可切片光交換設備、四無靈活節(jié)點和靈活柵格節(jié)點等，節(jié)點之間通過光纖相連，實現(xiàn)了大容量、大帶寬、高速率和高靈活性的彈性全光網(wǎng)絡架構。

衛(wèi)星網(wǎng)絡架構分為空間部分與地面部分，空間部分主要由多種不同軌道的衛(wèi)星構成，其由遠到近依次為同步軌道衛(wèi)星(GEO)、中軌道衛(wèi)星(MEO)與低軌道衛(wèi)星(LEO)。根據(jù)在太空空間位置的關系，將一種或多種上述衛(wèi)星劃分在一個域內(nèi)，同步衛(wèi)星由于軌道較高，相互之間位置的可見性，因此可以實現(xiàn)星間光通信；同樣域內(nèi)相同類型的衛(wèi)星之間由于相對位置較近，也可以實現(xiàn)星間光通信。衛(wèi)星網(wǎng)絡與骨干網(wǎng)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡的地面部分相連，地面部分主要由衛(wèi)星基站構成，其中又分為控制基站與網(wǎng)關基站，實現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離。網(wǎng)關基站將衛(wèi)星網(wǎng)絡與骨干網(wǎng)相連，其不僅作為衛(wèi)星接入網(wǎng)的網(wǎng)關，同時也是骨干網(wǎng)邊緣節(jié)點，實現(xiàn)了衛(wèi)星網(wǎng)絡向骨干網(wǎng)的接入，業(yè)務跨域的轉發(fā)等功能。

1.2 網(wǎng)絡控制流程

業(yè)務到來時控制流程示意圖如圖2所示。

圖2 業(yè)務到來時控制流程示意

以下詳細闡述基于SDN的空間網(wǎng)絡架構下業(yè)務建立和全網(wǎng)控制的流程：假設地區(qū)A需要同距該地區(qū)遙遠的B通信，中間依次經(jīng)過衛(wèi)星接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)以及地面接入網(wǎng)。首先，多域控制器收到網(wǎng)管的建路請求，先向單域控制器發(fā)送網(wǎng)絡狀態(tài)查詢消息，單域控制器收到消息之后向下層查詢域內(nèi)網(wǎng)絡狀態(tài)，并將狀態(tài)上報多域控制器；多域控制器獲取到網(wǎng)絡狀態(tài)之后，進行跨域路徑的計算，計算出最優(yōu)路徑，并將結果發(fā)送給地面網(wǎng)絡控制器和空間網(wǎng)絡控制器，地面網(wǎng)絡控制器根據(jù)結果下發(fā)流表并改變光收發(fā)機狀態(tài)，空間網(wǎng)絡控制器根據(jù)結果調整星載激光器角度等，建立一條由A到B的通路。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡中的多路徑承載策略

在基于星間光互聯(lián)的衛(wèi)星網(wǎng)絡架構中，由于衛(wèi)星沿軌道運動，其位置會發(fā)生變化，很容易造成衛(wèi)星激光發(fā)射機和接收機之間的遮擋，或由于衛(wèi)星運動造成對準角度的偏差，導致業(yè)務還未處理完畢，而衛(wèi)星間通信中斷，導致業(yè)務的傳輸中斷[10]。本文提出一種基于多路徑的頻譜分配算法，在部分鏈路出現(xiàn)中斷的情況下，業(yè)務能依靠其他路徑繼續(xù)傳輸，保證部分帶寬有效，實現(xiàn)業(yè)務雖然出現(xiàn)一定的質量下降然而不會導致中斷傳輸，增加網(wǎng)絡的可靠性[11]。由于在空間網(wǎng)絡中只有衛(wèi)星網(wǎng)絡部分存在上述問題，因此僅在衛(wèi)星網(wǎng)絡部分應用于該算法[12]。

2.1 多路徑承載原理

假設建立一條連接處理業(yè)務，除了有通常的帶寬需求，還有保護級別的需求。設業(yè)務r=，式中，s表示源節(jié)點；d表示宿節(jié)點；B表示業(yè)務帶寬需求；q(0≤q≤1)表示保護級別需求。當有鏈路出現(xiàn)故障、引起斷路時，仍有qB帶寬可以保證。當q=0時，表示沒有保護；當q=1時，表示全保護；0

當采用多路徑方案時，對于每個業(yè)務r=，為其提供N條互不相交的路徑，這N條路徑的總帶寬滿足B；當有n條路徑發(fā)生中斷時，能保證N-n條路徑提供的帶寬至少能滿足qB。為了減小路徑的總帶寬，為每條路徑分配相同的帶寬。當N≥n/(1-q)時，為每條路徑分配B/N的帶寬。這樣總帶寬滿足B，且當有n條路徑中斷時，剩余路徑的總帶寬超過qB。當NB，且當有n條路徑中斷時，保證剩余路徑帶寬為qB[13]。

為了分析N的取值對路徑保護的影響，首先研究極限情況。當N=1時，為業(yè)務只建立了一條路徑，因此沒有多路徑保護，當該路徑出現(xiàn)中斷時，業(yè)務也會發(fā)生中斷。當N=時，即路徑無限多，則分給每條路徑的帶寬無限小，因此當n(n有限)條路徑發(fā)生故障時，損失的帶寬無限小，因此對于業(yè)務沒有影響。不難發(fā)現(xiàn)，N越大，n條路徑出現(xiàn)故障對業(yè)務的影響越小，多路徑保護的能力越強。

2.2 啟發(fā)式多路徑承載算法

① 對于每個業(yè)務r=，N條路徑的總帶寬至少滿足B；當有n條路徑發(fā)生中斷時，能保證N-n條路徑提供的帶寬至少能滿足qB；

② 頻譜連續(xù)性限制：為一條路徑分配的頻譜是一段連續(xù)的頻譜；

③ 頻譜無重疊性限制：每一條光路中的每一段頻譜只能分配給一個業(yè)務；

④ 保護帶寬(Guard Band，GB)限制：2個子載波共用一條光路時，由于濾波器有一定誤差，子載波之間需要保護帶寬[14]。

2.2.1 單一業(yè)務處理

為了滿足r=的條件，首先從Ps,d中選出N條路徑，并且按照2.1中的原則為其分配一定帶寬。對于每條路徑分配的子載波，除了滿足業(yè)務需求之外，還需要為其分配GB。

為了確定N的值，發(fā)現(xiàn)N=Ps,d不是最優(yōu)方案，因為隨著N的增加，GB所占的帶寬也隨之增加。并且一條路徑鏈路數(shù)越多，建立一條路徑消耗的資源越大，所以優(yōu)先選擇路徑長度較短的。為了確定處理業(yè)務r需要的路徑數(shù)量，將計算出的所有路徑Ps,d按照開銷大小升序排列(比如路徑包含的鏈路數(shù))。的目的是滿足r=并且占用的帶寬資源最少。因此，按照排列的順序計算前2條、前3條、前4條……前Ps,d-1條和所有Ps,d條路徑占用的總的帶寬大小，將計算結果由小到大排列。最后判斷選擇的方案中每條路徑是否能提供所需要的帶寬，如果可以則采用該方案；如果不行則選擇下一個方案判斷。

2.2.2 業(yè)務排序

為了處理一組到來的業(yè)務，將這些業(yè)務按照一定順序排列，并依次進行處理?，F(xiàn)提出了如下幾種排序的方法：① 最大帶寬需求優(yōu)先：優(yōu)先處理帶寬需求大的業(yè)務；② 最長路徑優(yōu)先：優(yōu)先處理最短路徑長的業(yè)務；③ 最大q優(yōu)先：優(yōu)先處理保護級別q大的業(yè)務。

將上述3種方法按順序按照排列組合衍生出6種排序方法，分別按照比較的先后順序為①②③、①③②、②①③、②③①、③①②、③②①。

啟發(fā)式多路徑業(yè)務承載算法如下：

1：for每個R中的業(yè)務r=do

2：計算一組Ps,d鏈路不相交的路徑作為備選路徑

3：end for

4：對R中的業(yè)務按照3.2B中提到的方法進行排序

5：for 每個排序后的r=do

6：按照路徑長度升序排列Ps,d

8：路徑數(shù)i=0

9：每條路徑帶寬n=0

10：for i=2 to|Ps,d|do

11：ni=NumSub(i,r)根據(jù)i和r計算每條路徑帶寬n

12：Totali=ni×Ps,d中前i條路徑鏈路總和

13：if Totali

14：TotalSub=Totali

15：最佳路徑數(shù)BestIndex=i

16：n=ni

17：end if

18：end for

19：for j=1 to BestIndex do

20：為第j條路徑中的每條鏈路分配n連續(xù)的帶寬

21：end for

22：end for

3 仿真結果分析

通過仿真的方法，對比當網(wǎng)絡參數(shù)出現(xiàn)變化時性能的變化，同時對多路徑業(yè)務承載算法與路徑保護算法進行對比，通過數(shù)據(jù)說明多路徑承載算法的性能。

3.1 參數(shù)q對算法性能的影響

通過改變q的取值進行仿真，驗證當q改變時對算法性能的影響。仿真時使用8點的網(wǎng)絡拓撲。圖3中對于任意2個節(jié)點，之間都能找到至少2條鏈路不相交的路徑，設定每條鏈路中包含200個slot。對于業(yè)務發(fā)生器產(chǎn)生的業(yè)務，帶寬在20～40 slot區(qū)間隨機分布。同時取n=1，即當有1條路徑發(fā)生中斷時保證qB的帶寬。假設保護帶寬GB=1。設定3個q值，分別為0.5、0.8和1.0。仿真結果用柱狀圖表示，如圖3所示。

圖3 多路徑承載算法在不同q下的阻塞量

從圖3中可以看出，隨著q的增大，阻塞率也隨之增大。由于當q增大時，n/(1-q)值增大，即N的臨界值增大，這樣使得需要更多的帶寬才能滿足當有部分路徑中斷時，其余路徑能保證qB的帶寬。

3.2 多路徑承載算法與路徑保護算法比較

通過阻塞率比較多路徑承載算法與路徑保護算法的性能。路徑保護算法除了為業(yè)務建立一條業(yè)務處理路徑外，還為業(yè)務建立一條保護路徑，該保護路徑帶寬也滿足業(yè)務的帶寬要求。當業(yè)務處理路徑中斷時，業(yè)務通過保護路徑傳輸，保證業(yè)務不中斷傳輸。

仿真采用24節(jié)點的網(wǎng)絡拓撲，取q=0.8，n=1，每條鏈路包含200個slot，業(yè)務帶寬范圍從10～30個slot。同時保護帶寬仍取值為GB=1。仿真結果如圖4所示。

圖4 多路徑承載算法與路徑保護算法的阻塞量

從圖4中看出，多路徑承載算法相對于保護路徑算法有更低的阻塞率，其主要原因是多路徑承載算法所占用的總帶寬比路徑保護算法少。同時，由于每條路徑上分配的帶寬較少，因此路徑不易出現(xiàn)由于處理大帶寬業(yè)務而導致其他業(yè)務的阻塞。隨著業(yè)務量的增長，鏈路上被業(yè)務占用的帶寬越來越多，由于多路徑算法中每條鏈路被更多的業(yè)務分享，因此頻譜碎片的現(xiàn)象更加嚴重，在圖中表現(xiàn)出被阻塞的業(yè)務隨著業(yè)務量增長要快于保護路徑算法。

4 結束語

隨著航天航空技術的發(fā)展，以及空間網(wǎng)絡在應急通信、軍事通信中的優(yōu)勢，空間網(wǎng)絡逐漸成為了研究熱點。提出軟件定義網(wǎng)絡架構的空間信息網(wǎng)絡，將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，使得空間網(wǎng)絡具有更強的靈活性，很好地解決了整體網(wǎng)絡架構、網(wǎng)元設備異構等一系列問題；同時，針對空間網(wǎng)絡中衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化引起的鏈路中斷，提出了基于星間光互聯(lián)的多路徑業(yè)務承載的方法，使得鏈路中斷后保證業(yè)務不中斷傳輸，并通過仿真驗證了其相對于現(xiàn)有的保護路徑的方法有更低的阻塞率。

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田 睿 男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：天地一體化組網(wǎng)技術研究。

郁小松 男，(1986—)，博士后。主要研究方向：天地一體化組網(wǎng)技術研究。

Multi-path Carrying Strategy in SDN-based Space Information Networks

TIAN Rui1，YU Xiao-song1，ZHAO Yong-li1，WANG Wei-zhong1，LI Ya-jie1，WANG Chun-feng2，ZHANG Jie1

(1.StateKeyLaboratoryofInformationPhotonicsandOpticalCommunications(IPOC)，BeijingUniversityofPostsandTelecommunications，Beijing100876，China; 2.QianXuesenLaboratoryofSpaceTechnology，Beijing100094，China)

Due to the characteristics such as complex structure，dynamic topology and long communication delay of space information networks，a novel structure for space networks based on Software Defined Network (SDN) is proposed.The architecture is composed of multiple sub-networks，among which the terrestrial core network is used as backbone network，and a variety of satellites are used as access networks.The space information network is controlled by combining the single-domain controller and the multi-domain controller.Meanwhile，according to the characteristic that the changing topology leads to the interrupt of communication，a multi-path algorithm is proposed.The simulation results show that with the increasing value of protection factor，the network blocking rate increases.Meanwhile，the blocking rate of the multi-path carrying strategy is lower than that of the general protection strategy.

SDN；space information network；architecture；multi-path carrying strategy

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.01

田 睿，郁小松，趙永利，等.基于SDN的空間信息網(wǎng)絡多路徑承載策略[J].無線電工程,2016,46(12):1-4,67.

2016-08-29

國家自然科學基金資助項目(61271189,61571058)。

TP393.03

A

1003-3106(2016)12-0001-04