朱小茹，王興偉，張 爽，黃 敏

1.東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110169

2.東北大學(xué) 軟件學(xué)院，沈陽 110169

3.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819

1 引言

空間信息網(wǎng)絡(luò)是由衛(wèi)星、臨近空間飛行器、航天器及相應(yīng)地面設(shè)施等組成的綜合性一體化網(wǎng)絡(luò)[1]，既能服務(wù)于遠(yuǎn)洋航行、應(yīng)急救援、導(dǎo)航定位、航空運輸、航天測控等重大應(yīng)用，又能支持對地觀測的高動態(tài)、寬帶實時傳輸?shù)萚2]。但是空間信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更換困難、技術(shù)更新不易、資源有限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化、鏈路傳輸時延長等特性制約了其發(fā)展，此外，大量新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的涌現(xiàn)也致使網(wǎng)絡(luò)中的能耗激增，該問題受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注[3-4]。尤其是下一代空間信息網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)更加豐富的特性，如平臺環(huán)境各異、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、通信流量大等。這些特征的出現(xiàn)導(dǎo)致現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不再適用，迫切需要新的體系結(jié)構(gòu)、新的協(xié)議和路由機制支持空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined networking，SDN）是一種新型的數(shù)據(jù)控制分離、軟件可編程的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[5]，它允許數(shù)據(jù)平面和控制平面運行在物理距離較遠(yuǎn)的兩臺設(shè)備上，由控制平面負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中式管控，使新功能的部署與實施更加靈活。此外，數(shù)據(jù)和控制的高度解耦性有助于控制平面的可編程性實現(xiàn)，達(dá)到簡化網(wǎng)絡(luò)運維，靈活網(wǎng)絡(luò)管理與調(diào)度的目標(biāo)[6]。根據(jù)SDN的上述特性，將其思想引入空間信息網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計，有助于改善其設(shè)備維護(hù)更新難以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存儲計算能力有限等問題。目前，國內(nèi)外將二者結(jié)合的研究還在初期階段，尚沒有較為成熟的理論成果，因此對基于SDN的空間信息網(wǎng)絡(luò)的路由機制進(jìn)行研究具有必要性和迫切性。

接觸圖是將動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑橄鬄檫B接計劃，包括兩類數(shù)據(jù)信息，即接觸機會數(shù)據(jù)和接觸距離數(shù)據(jù)，前者用于描述鏈路連通性，后者用于描述鏈路距離屬性[7]。基于接觸圖的路由技術(shù)最早產(chǎn)生于深空探測，后來在地面延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中得到推廣，能夠同時計算多條路徑，并考慮了鏈路帶寬的消耗問題，既可以用于基于先驗知識的集中式路由計算，也可以用于節(jié)點分布式路由計算?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)屬于延遲中斷容忍網(wǎng)絡(luò)范疇，其骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化具有周期性和可預(yù)測性，因此由接觸圖刻畫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂锌尚行浴?/p>

綜上，本文針對空間信息網(wǎng)絡(luò)目前所存在的一些問題以及SDN和接觸圖的優(yōu)勢，結(jié)合研究現(xiàn)狀，提出了基于SDN和接觸圖的空間信息網(wǎng)絡(luò)路由機制。本設(shè)計旨在改善空間信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護(hù)更新難以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存儲計算能力有限等問題，增強網(wǎng)絡(luò)故障應(yīng)對能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝屎透呖煽啃浴?/p>

2 相關(guān)工作

將SDN思想引入空間信息網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計具有極高的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[8]提出軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（OpenSAN），其將衛(wèi)星的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能和控制計算功能進(jìn)行解耦，得到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平面、控制平面和管理平面三部分。但是，OpenSAN架構(gòu)對地面設(shè)施依賴較為嚴(yán)重，一旦地面設(shè)施癱瘓，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也將無法正常運行。而且因為OpenSAN將GEO（geostationary earth orbit）衛(wèi)星群組設(shè)置為控制器，用于數(shù)據(jù)平面和管理平面之間的指令翻譯，忽略了GEO所處運行軌道高度最高、延遲較大的問題，從而對整個網(wǎng)絡(luò)的實時響應(yīng)能力造成影響。文獻(xiàn)[9]提出將SDN和虛擬化用于寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，通過詳細(xì)的應(yīng)用場景分析，說明寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與SDN結(jié)合的必要性及優(yōu)勢。文獻(xiàn)[10]提出SDN部署在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵解決方案將帶來改進(jìn)的覆蓋性、優(yōu)化的通信資源使用和更好的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)能力，以及改進(jìn)的創(chuàng)新能力和業(yè)務(wù)靈活性，以便通過組合網(wǎng)絡(luò)部署通信服務(wù)。

目前國內(nèi)外關(guān)于空間信息網(wǎng)絡(luò)路由機制的研究仍在不斷深入。文獻(xiàn)[11]首次將ATM（asynchronous transfer mode）網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)引入到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出了采用基于時隙劃分的虛擬拓?fù)洳呗?，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載的均衡分布，減輕了流量對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由的影響。但是，該策略會導(dǎo)致系統(tǒng)周期內(nèi)存在大量的時隙拓?fù)湫蛄?，路由計算通常也采用離線的集中計算模式，因此無法在通信流量和網(wǎng)絡(luò)資源之間進(jìn)行權(quán)衡。文獻(xiàn)[12]提出了一種支持負(fù)載均衡的路由機制，減輕了流量對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由的影響。為了從根本上提高網(wǎng)絡(luò)的實時動態(tài)響應(yīng)能力，文獻(xiàn)[13]提出了分布式數(shù)據(jù)報路由協(xié)議，首先采用虛擬節(jié)點策略屏蔽衛(wèi)星相對地面的移動性，然后采用分布式策略實現(xiàn)最短傳播時延路由。無連接的路由機制在一定程度上消除了網(wǎng)絡(luò)突發(fā)狀況的影響，但需依賴星上路由計算，對衛(wèi)星的計算與存儲能力構(gòu)成了挑戰(zhàn)，并且路由決策受限于規(guī)則的衛(wèi)星星座，擴展性差。文獻(xiàn)[14]首先提出多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計和實現(xiàn)了一個分層服務(wù)質(zhì)量路由協(xié)議（hierarchical QoS routing protocol，HQRP）。文獻(xiàn)[15]提出了針對LEO（low earth orbit）/MEO（medium earth orbit）/GEO三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議MLSR（multi-layered satellite Routing）。

此外，文獻(xiàn)[16]針對空間鏈路的中斷性和延遲性，引入接觸圖路由機制，結(jié)果顯示將接觸圖路由機制用于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有很大優(yōu)勢。接觸圖路由（contact graph routing，CGR）算法是基于流粒度生成的，但是路由計算過程關(guān)注更多的是下一跳節(jié)點，沒有考慮到路徑的存在，因此數(shù)據(jù)每傳輸?shù)揭粋€節(jié)點，都要啟動一次路由程序。文獻(xiàn)[17]將CGR路由機制擴展到機會式連接網(wǎng)絡(luò)場景中，增強了該路由機制使用的靈活性，有望使其成為各類異構(gòu)DTN（delay tolerant network）實現(xiàn)中的核心路由機制，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，例如地面網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

3 整體設(shè)計描述

3.1 網(wǎng)絡(luò)功能模型設(shè)計

本文設(shè)計的空間信息網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)控制中心和骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，其用戶主要分為空間用戶和地面用戶，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Fig.1 Architectural design of space information network圖1 空間信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

NCC（network control center）為地面全局控制器，負(fù)責(zé)管理空間骨干網(wǎng)中所有衛(wèi)星設(shè)備，這是因為NCC位于地面，硬件設(shè)施的更替和軟件設(shè)施的部署、更新與維護(hù)均比在太空環(huán)境下易操作和可實現(xiàn)。NCC存儲整個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，不存儲流表，不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，能夠與MEO層和GEO層衛(wèi)星建立星間鏈路。

MEO層衛(wèi)星組成空間局部控制器，管理鄰居節(jié)點衛(wèi)星，因為MEO衛(wèi)星的端到端傳輸時延、時延抖動以及發(fā)射難度等性能指標(biāo)均優(yōu)于GEO衛(wèi)星，而且其計算和存儲能力優(yōu)于LEO層衛(wèi)星。MEO層衛(wèi)星能存儲鄰居衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)和流表，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，能夠與NCC、GEO、MEO和LEO衛(wèi)星建立星間鏈路。

GEO層衛(wèi)星具有傳播時延大，信號衰減嚴(yán)重，軌道位置資源有限，不能覆蓋兩極地區(qū)等缺陷，不宜用作控制器，但是其天生具有廣播轉(zhuǎn)發(fā)能力，宜作交換設(shè)備使用。GEO層衛(wèi)星安放有流表，能同NCC、MEO及GEO建立星間鏈路。

作為交換設(shè)備，LEO層衛(wèi)星可將原本控制層面的功能分離出去，簡化系統(tǒng)實現(xiàn)難度。LEO層衛(wèi)星中也安放有流表，能同MEO、LEO層衛(wèi)星建立星間鏈路。

此外，地面全局控制器和空間局部控制器模型均由控制模塊、存儲模塊、計算模塊以及端口模塊組成。但是兩類控制器中某些模塊的具體功能存在一些差異：全局控制器的控制模塊比局部控制器的控制模塊多了對局部控制器的管理功能；全局控制器的存儲模塊包含全局網(wǎng)絡(luò)知識庫和全局網(wǎng)絡(luò)路徑信息，局部控制器的存儲模塊含有局部網(wǎng)絡(luò)知識庫、流表數(shù)據(jù)以及緩存空間。交換機設(shè)備包含管理模塊、存儲模塊、端口模塊和鏈路發(fā)現(xiàn)功能模塊。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計

本文結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)的特性，引入接觸圖策略，描述了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型和鏈路模型?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)絡(luò)模型為有向帶權(quán)圖，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袝r變性，表示為G=(V(t),E(t))，其中V(t)代表網(wǎng)絡(luò)中隨時間變化的節(jié)點，E(t)代表網(wǎng)絡(luò)中隨時間變化的邊，具有連通性和鏈路距離兩個屬性，二者均為時間t的函數(shù)。

（1）節(jié)點模型

本文的衛(wèi)星節(jié)點用一個五維坐標(biāo)刻畫：sat(addr(type,orbit,num),lati(t),longi(t),r,role)。其中，衛(wèi)星的地址為addr(type,orbit,num)，type為衛(wèi)星類型，orbit為軌道編號，num為衛(wèi)星在軌道內(nèi)的編號；lati(t)表示在時刻t衛(wèi)星sat的緯度；longi(t)表示在時刻t衛(wèi)星sat的經(jīng)度；r為衛(wèi)星sat的軌道半徑；role表示該衛(wèi)星在空間信息網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)慕巧刂破骰蚪粨Q機）。

由節(jié)點經(jīng)緯度位置，可得節(jié)點的直角坐標(biāo)，表示為(X(t),Y(t),Z(t))，坐標(biāo)求解如下所示。

（2）鏈路模型

鏈路模型由節(jié)點間鏈路距離和鏈路連通性刻畫。鏈路連通性的公式可以表示為：

其中，V=Wlb(1+S/N)表示數(shù)據(jù)傳輸速率；W為信道帶寬；S為信號的平均功率；N為噪聲的平均功率；S N為信噪比；StartTime表示開始通信時間；EndTime表示結(jié)束通信時間；Srcsat表示源節(jié)點衛(wèi)星；Destsat表示目的節(jié)點衛(wèi)星。鏈路距離可由節(jié)點的直角坐標(biāo)表示，如式（4）所示：

4 路由機制描述

4.1 路由流程

本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)功能模型包含全局控制器和局部控制器，前者存儲全局網(wǎng)絡(luò)知識庫，依據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)信息生成流表數(shù)據(jù)；后者存儲監(jiān)控范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)知識庫，依據(jù)局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)信息生成流表數(shù)據(jù)。據(jù)此，本文設(shè)計空間信息網(wǎng)絡(luò)的更新和路由工作過程如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)知識庫更新過程。網(wǎng)絡(luò)知識庫存在兩種更新方式，分別為周期性更新和觸發(fā)更新。更新啟動后，控制器會獲取相關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接報告。

（2）全局控制器網(wǎng)絡(luò)初始化過程。NCC首先依據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用預(yù)計算多路徑路由策略為網(wǎng)絡(luò)中每對節(jié)點間生成多條路徑，再生成流表數(shù)據(jù)，沿GEO、MEO、LEO各層方向發(fā)到整個網(wǎng)絡(luò)。

（3）數(shù)據(jù)流的傳輸過程。在網(wǎng)絡(luò)完成初始化過程后，具有轉(zhuǎn)發(fā)功能的節(jié)點獲得流表數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)開始傳輸數(shù)據(jù)。

（4）控制器對網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)突發(fā)狀況的感知、處理過程。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)突發(fā)狀況時，路由請求信息會觸發(fā)局部控制器感知網(wǎng)絡(luò)突發(fā)狀況，更新網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，然后全局控制器根據(jù)存儲的全局網(wǎng)絡(luò)路徑數(shù)據(jù)確定失效路徑并完成網(wǎng)絡(luò)失效路徑的替換。

4.2 流表結(jié)構(gòu)

流表存儲在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的設(shè)備中，功能類似于路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表的合體，是執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)操作的依據(jù)。流表表頭包括3個字段，分別是匹配域、操作和計數(shù)器。流表項格式如圖2所示。

（1）匹配域

匹配域中字段的不同組合決定了匹配粒度，不同粒度的匹配規(guī)則對轉(zhuǎn)發(fā)動作有直接的影響。匹配域中主要字段的計算公式如下。

最早傳輸時間和最晚傳輸時間的計算公式為：

其中，now為當(dāng)前時間（now只有在最早和最晚時間點之間時，數(shù)據(jù)包才能使用這條路徑進(jìn)行傳輸，否則路徑過期，傳輸失?。籗tartTimefirstLink∈Path為組成路徑的第一條鏈路的開始通信時間。最晚傳輸時間與數(shù)據(jù)包失效時間ExpireTimemessage、組成路徑的所有鏈路的通信截止時間EndTime?link∈Path、數(shù)據(jù)包的大小Lengthmessage、組成路徑的鏈路帶寬Bandwidth?link∈Path、物理傳播速度Vtransmit、鏈路距離Distance?link∈Path以及常數(shù)c有關(guān)。c表示數(shù)據(jù)傳輸過程中兩顆衛(wèi)星相對運動造成距離變化可能產(chǎn)生的延遲上限。此外，物理傳播速度用光速代替。

（2）延遲

空間信息網(wǎng)絡(luò)中的鏈路距離長且具有時變性，不能忽視鏈路距離帶來的延遲。鏈路類型很多，不同類型的鏈路帶寬不同，由帶寬和數(shù)據(jù)流長度造成的延遲也要考慮，如下所示：

式（8）中Dt、Dave、Dmax、Dmin分別表示鏈路在某段時間內(nèi)的瞬時距離、平均距離、最大距離和最小距離。

（3）操作字段

操作字段用來描述數(shù)據(jù)匹配成功后執(zhí)行的動作，可以為一個動作或一個動作集。

（4）統(tǒng)計信息

統(tǒng)計信息用來統(tǒng)計有多少條數(shù)據(jù)流成功匹配到當(dāng)前流表項。

4.3 路由策略

本文針對SDN結(jié)構(gòu)的場景，將靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合，提出了預(yù)計算多路徑路由算法與動態(tài)響應(yīng)路由算法。由于兩種路由算法都基于CGR的回溯思想，同時空間信息網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓癄顩r又比深空網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，算法時間復(fù)雜度較大。為了加快搜索速度，兩種算法都添加了一些減枝操作。算法中涉及的變量和公式說明如表1所示。

Fig.2 Form of OpenFlow flow entry圖2 流表項格式

式（10）定義了數(shù)據(jù)預(yù)計投遞時間變量[18]，其中，

ExpireTimemessage表示數(shù)據(jù)的失效時間，EndTimefinalLink∈path表示組成路徑的最后一條鏈路的截止時間，l定義見式（7）。

Table 1 Explanation of terminologies used in algorithm表1 算法中相關(guān)術(shù)語說明

式（11）表示剩余鏈路容量，它是傳輸時間和鏈路帶寬的乘積和排隊等待使用這條鏈路的數(shù)據(jù)量之差，curTime為數(shù)據(jù)訪問節(jié)點的當(dāng)前時間。

式（12）表示數(shù)據(jù)包的最晚傳輸時間，它與數(shù)據(jù)包的生存時間和路徑的失效時間FT有關(guān)。

4.3.1 基于接觸圖的預(yù)計算多路徑路由

預(yù)計算多路徑路由算法由地面控制器周期性地執(zhí)行，旨在生成系統(tǒng)整個運行周期內(nèi)所有節(jié)點間的多條路徑，在計算路徑時不再關(guān)注某個時間點，而是從系統(tǒng)周期跨度上計算多條路徑。同時，算法在遞歸搜索路徑時，不再只考慮路由的下一跳，而是將搜索過程中遍歷到的整條路徑進(jìn)行存儲。這些改進(jìn)對于資源稀缺的空間網(wǎng)絡(luò)來說無疑是有益的，因為不再需要空間中的每個節(jié)點進(jìn)行星上路由計算，路徑數(shù)據(jù)在進(jìn)行下發(fā)時也可以不使用洪泛策略，而是沿著路徑有目的地進(jìn)行傳輸。預(yù)計算多路徑路由策略包括算法CGR_T和CGR_CRP，在CGR_T的執(zhí)行過程中會多次調(diào)用CGR_CRP，它是CGR_T算法的核心步驟。

CGR_T算法主要思想：針對每一對源節(jié)點和目的節(jié)點，先從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刑崛〕鲈垂?jié)點所有發(fā)射方向的接觸列表，根據(jù)每條接觸的開始時間生成升序排列的時間軸。針對時間軸上的每個時間點，計算多條路徑，評價生成的路徑以及將路徑存儲起來。

算法1CGR_T算法

CGR_CRP算法主要思想：提取以D為接收端節(jié)點的所有接觸，對每條滿足數(shù)據(jù)傳輸量和存儲時間要求的接觸進(jìn)行判斷，如果發(fā)射端節(jié)點、剩余傳輸容量和跳數(shù)滿足規(guī)定條件，則進(jìn)行相應(yīng)的更新或生成路徑操作。

算法2CGR_CRP算法

4.3.2 基于接觸圖的動態(tài)響應(yīng)路由策略

動態(tài)響應(yīng)路由算法由局部控制器和全局控制器在響應(yīng)路由請求時執(zhí)行，目的是在網(wǎng)絡(luò)突發(fā)狀況下，快速生成一條可達(dá)路徑。同預(yù)計算多路徑路由相比，基于接觸圖的動態(tài)響應(yīng)路由從兩點做了適應(yīng)場景的調(diào)整。第一是添加了預(yù)計投遞時間變量PDT，該變量能夠根據(jù)請求的數(shù)據(jù)流和生成的具體路徑，估計數(shù)據(jù)流到達(dá)目的節(jié)點的投遞時間，即在CGR_CRP算法步驟1處增加存儲變量PDT。第二是動態(tài)響應(yīng)要求控制器的響應(yīng)速度要快，因此當(dāng)算法在搜索到一條能確保投遞的路徑時就會停止。CGR_CRP算法修改如下所示：

5 性能評價

本文基于STK（satellite tool kit）軟件仿真，選用LEO/MEO/GEO三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為仿真實現(xiàn)的拓?fù)溆美抡嫘亲饕獏?shù)設(shè)定如表2所示。仿真總體框架包括拓?fù)渖赡K、路由計算模塊及仿真輸出模塊。實驗從拓?fù)涮幚聿呗?、兩種策略下路徑性能指標(biāo)、多條路徑間的性能指標(biāo)及兩種策略的數(shù)據(jù)傳輸開銷和故障處理開銷等方面對本文提出的路由機制進(jìn)行分析與評價。在以下仿真實驗中，系統(tǒng)周期為86 400 s，評價指標(biāo)有延遲、跳數(shù)、穩(wěn)定性等。在仿真結(jié)果圖中，0到35代表LEO衛(wèi)星，36到47代表MEO衛(wèi)星，48到50代表GEO衛(wèi)星。

Table 2 Main parameters of simulation satellite constellation表2 仿真星座主要參數(shù)設(shè)定

（1）不同拓?fù)涮幚聿呗韵碌臅r隙分布情況

圖3和圖4分別為MLSR和CGR_T的時隙圖。MLSR的時隙間隔絕大多數(shù)分布在2 min以內(nèi)，時隙數(shù)量近5 000個，因為MLSR將動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆x散化為N張靜態(tài)時隙圖，組間關(guān)系頻繁變化時導(dǎo)致大量的時隙生成；CGR_T分布在2 h以內(nèi)，時隙數(shù)量只有幾十個，因其關(guān)注的是每條鏈路的連通時間和每條路徑的有效時間。從一對源節(jié)點和目的節(jié)點間的傳輸路徑來考慮，使用MLSR需要經(jīng)歷5 000個時隙，從而需要進(jìn)行5 000次路由計算；使用CGR_T則只需要經(jīng)歷幾十個時隙，進(jìn)行幾十次路由計算，極大地減少了重路由的次數(shù)。

Fig.3 Distribution of MLSR timeslot圖3MLSR時隙分布圖

Fig.4 Distribution of CGR_T timeslot圖4CGR_T時隙分布圖

（2）不同路由策略下的路由跳數(shù)和路徑延遲

圖5顯示的是源節(jié)點固定為0，目的節(jié)點在1到50之間變化時的路徑延遲和路由跳數(shù)。由圖可得，使用MLSR求得的延遲通常會比利用CGR_T得到的延遲大些。但也存在少量的由CGR_T生成路徑的延遲大于MLSR生成的路徑延遲的情況。原因是CGR_T屬于預(yù)計算路由機制，在評估路徑延遲性能時，綜合考慮了鏈路的最大傳播延遲、最小傳播延遲、平均傳播延遲以及瞬時傳播延遲，反映的是路徑有效期內(nèi)的路徑性能，時隙跨度大，而MLSR更多反映的是路徑的瞬時性能，時隙跨度小。

Fig.5 Routing hops and path delay with MLSR and CGR_T routing strategy圖5MLSR和CGR_T策略的路徑延遲和路由跳數(shù)

此外，使用MLSR生成的路徑跳數(shù)分布得較均勻，CGR_T生成的路徑跳數(shù)分布得較分散。然而，在CGR_T生成的路由跳數(shù)大于MLSR生成的路由跳數(shù)時，延遲性能卻好于后者。

（3）數(shù)據(jù)傳輸開銷

數(shù)據(jù)傳輸開銷是指從節(jié)點發(fā)起通信請求到所有請求都訪問完目的端節(jié)點所經(jīng)歷的時間。這里只采集了并發(fā)傳輸路徑條數(shù)上限為3時的數(shù)據(jù)。

圖6表明使用CGR_T策略耗費的通信時延明顯小于使用MLSR策略。因為某時刻一對節(jié)點間出現(xiàn)多個通信請求時，通信的排隊時延將增大。并且使用單條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的時延會隨著通信請求量的增加而增加。在使用多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，產(chǎn)生的時延也會隨著通信請求量增加而緩慢增加。

（4）故障處理開銷

圖7表明采用CGR_Quick策略的平均開銷值在100~200 ms之間浮動；總開銷隨著故障節(jié)點數(shù)增多而逐漸增大。采用MLSR策略的平均開銷和總開銷持平，穩(wěn)定在600 ms。綜上，MLSR策略適用于故障發(fā)生次數(shù)多但頻率小的場景，而CGR_Quick適合應(yīng)對小數(shù)量多次數(shù)故障發(fā)生場景。

Fig.6 Data transmission time overhead圖6 數(shù)據(jù)傳輸時間開銷

Fig.7 Fault processing overhead圖7 故障處理開銷

6 結(jié)束語

本文基于SDN和接觸圖設(shè)計了一種空間信息網(wǎng)絡(luò)路由機制。首先，引入SDN數(shù)據(jù)平面和控制平面分離的思想簡化了星上設(shè)備，提高了路由計算能力；其次，提出基于接觸圖的路由策略，增強數(shù)據(jù)傳輸速率以及網(wǎng)絡(luò)故障應(yīng)對能力。其中，相比于基準(zhǔn)路由機制，本文設(shè)計的預(yù)計算多路徑路由策略在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時，多路徑傳輸時間開銷更低；動態(tài)響應(yīng)路由策略在網(wǎng)絡(luò)故障少量且多次發(fā)生時，相應(yīng)處理時間更優(yōu)。仿真實驗證明，本文提出的路由機制是可行的和有效的。

下一步工作的重點將是算法與模型的進(jìn)一步實用化。此外，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大后，本文設(shè)計的路由機制時間復(fù)雜度將會提高，這將是今后研究工作的重要方向。

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