CN106603147A - 基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法。根据空天信息网络不同类型业务在带宽、时延、丢包率具有不同的服务质量要求需求特点，引入软件定义网络的思想，采取集中控制的方式，实现控制平面和数据平面的分离，在空天信息网络拓扑核心网中构建基于业务类型的隧道控制机制，多个隧道根据预留带宽、优先级和隧道业务类型进行不同类型业务流量路径计算。根据南向接口传递的上传报文流元组匹配信息，判断业务基于分组或者标签转发。根据数据平面节点流状态反馈信息，在网络资源不够时根据优先级重新规划标签路径。本发明设计的转发机制具备灵活性和全局性，可以高效地实现空天信息网络业务投递。

Description

基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法

技术领域

本发明属于信息网络技术领域，具体涉及一种基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法。

背景技术

名词解释：

GEO卫星：Geostationary Orbit地球静止轨道(正圆轨道)

MEO卫星：Middle Earth Orbit中地球轨道

LEO卫星：Low Earth Orbit低地球轨道

PBTSP模块：结合网络拓扑类拓扑信息，根据初始定制的隧道信息，利用最短路径的Dijkstra算法，计算满足业务对于带宽和优先级的标签路径。

Dijkstra算法：迪杰斯特拉算法，指的是从一个顶点到其余各项顶点的最短路径算法，解决的是有向图中最短路径问题。

空天信息网络以各类型空间平台为载体，通过多***体系融合，是天地一体化信息网络的核心，是我国十三五重点建设计划。空天信息网络中主要包括GEO通信卫星、导航卫星、遥感卫星、喷气式飞机、地面用户。

空天无线信道资源有限，相比地面网络传输介质(例如电缆、双绞线、光纤)，当传输空间扩展到空天领域，会受到电离层、热辐射、地球磁场、太空环境、终端高速移动性各类型因素影响。同时，空天信息网络***结构成分中，各类型飞行器、不同轨道高度的卫星，其数据传输会出现长延迟的问题。

战术数据链是空天信息网络的核心组成，是一体化信息融合的关键要素，决定着网络的整体效能。自上世纪60年代，美军率先研发并使用一系列战术数据链，随着信息化发展的趋势，战术数据链也在不断的更新换代，主要战术数据链包含Link4A、Link4C、Link11、Link16、Link22等。近几场由美国主导的局部信息化战争中，各类型战术数据链体现出极大的效能，加速推动对新型数据链的研发工作。

但是，由于战术数据链规范和技术缺乏统一，各个数据链形成了“烟囱”现象，数据链缺乏灵活性、频谱利用率低、缺乏信息网络的全局观念、没有整体的网络安全措施，不同数据链之间互联互通互操作性受到严重制约，影响整体效能。而且未来空天信息网络正逐步以平台为中心向以网络为中心过渡，以网络为中心的概念需要将一系列的战术数据链资源进行融合，最大化的实现环境全维度覆盖。以网络为中心融合不同类型的战术数据链资源，一个实际可行的办法是在网络层提供有效的聚合机制将不同类型战术数据链***进行互联，利用网络层聚合解决异构链路应用层网关传输交换问题，使得空间单元可以灵活的进入或者离开网络，在面向空天信息网络的环境中，增加战术数据链的应用服务范围。

同地面网络一样，基于IP的下一代卫星网络也存在较多的缺点，比如分布式路由算法收敛速度慢、缺少全局视野、网络配置繁杂、无法进行灵活的配置更新以及提供细粒度的网络管理服务。另外，卫星网络的特点也对网络性能带来了更多的挑战，例如，网络动态拓扑属性导致路由算法更加不稳定，较长的星地距离以及卫星过顶传输的数据交互方式使得全局网络路由更新耗时更长。因此，需要解决如何利用空天信息网络实现高效灵活的业务投递过程。

发明内容

本发明的目的是为了解决空天信息网络中多业务投递问题，提出一种基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法，实现多种业务流量灵活控制、高效投递。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法，步骤为：

a针对空天信息网络组网特点，如图1所示，网络可分为核心网、接入网、用户子网和控制中心。核心网由GEO卫星或中继卫星组成。接入网由MEO卫星和LEO卫星组成，用户子网既可以通过接入网接入网络，也可以直接接入GEO通信或中继卫星。用户子网包括遥感卫星、遥感卫星子网、空间站其他航天器、地面网络和个人终端。控制中心位于地面网络，包括网络操作控制中心、数据信息中心。核心网是实现业务流量转发的关键部分，其内部包含控制平面节点和数据平面节点。控制平面节点要求具备很强的计算能力，以实现集中控制能力，主要由GEO卫星承担。

b不同的空天信息业务类型对于带宽、优先级的需求不同，控制平面以隧道方式建立多个虚拟隧道连接。***静态配置若干隧道，空天信息网络控制平面节点启动后，建立业务隧道，维护网络全局拓扑。报文转发过程中，根据服务需求以及初始隧道配置，形成业务标签路径，标签路径在二层报头和分组报头间添加标签报头。根据空天网络环境中，作为标签网络中骨干节点其实体对象主要为GEO卫星或者部分MEO卫星组成，数量相对较少、位置相对稳定。骨干路由器BR(Backbone Router)，边界路由器ER(Edge Router)。BR节点构成空天信息网络的核心骨干网络，ER节点连接多种类型的子网络。隧道建立前网络拓扑如图2，隧道建立后网络拓扑如图3。为实现网络状态的实时优化，隧道状态统计单元会记录上次的报文字节数和上次记录时间，通过两者的比较计算出隧道的带宽使用情况，然后根据该流状态反馈信息，动态调整隧道参数，满足空天信息网络业务流量需求。

c如图2***初始化后，标签隧道建立完成。空天信息网络设定中，网络拓扑内部流量为分组类型。分组流量从某个子网流经核心网进入目的子网，初始情况下，无法确定转发路径，分组报文会以一定方式进入控制平面节点确定转发路径。进入控制平面节点后，首先会进行标签路径的判断，判断的机理主要根据分组报文流元组中UDP/TCP目的端口号信息，以及网络环境中预定义的空天业务类型编码，判断是否满足于初始隧道对于流量类型的需求，当满足需求的情况下，会根据特定的隧道路由算法确定该分组报文流的标签路径，并将相应的控制标签表通过南向接口协议配置数据平面节点，分组报文会依据标签信息添加标签头部，如图3所示。当该业务流量离开隧道时，需要剔除报文中的标签头部。

所述步骤a中需要根据空天信息网络中子***属性特征和***内节点特点，进行网络管理，依据业务规划配置隧道。

所述步骤b中要启用业务流状态监控，实时计算数据平面节点内部多业务流量特点，通过南向接口向控制平面节点进行反馈。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明利用软件定义网络的思想实现空天信息网络的集中控制，将卫星节点的数据转发功能和路由决策功能分离，使得业务转发过程更加灵活，网络控制更加直接、灵活，避免分布式路由算法收敛速度慢、缺少全局视野、网络配置繁杂、无法进行灵活的配置更新以及提供细粒度的网络管理服务等问题。

(2)本发明提出分组/标签混合转发。基于标签的转发方式可以避免复杂的路由表查询，标签识别是虚拟隧道中的节点而不是网络拓扑的终点，并且标签方式可以隐藏多种二层接入的异构性，同时依据实时的流状态反馈信息动态调整控制参数，实现高效灵活的业务投递。

附图说明

图1是本发明所述空天信息网络组网示意图；

图2是本发明所述某网络实例隧道建立前拓扑图；

图3是本发明所述某网络实例隧道建立后拓扑图；

图4是本发明所述标签报头结构；

图5是本发明所述基于软件定义网络的空天信息网络业务转发机制的隧道调整流程图；

图6是本发明所述基于软件定义网络的空天信息网络业务转发机制的网络层次图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步地详细说明。图1是本发明所述空天信息网络组网示意图，图2是本发明所述某网络实例隧道建立前拓扑图，图3是本发明所述某网络实例隧道建立后拓扑图，图4是本发明所述标签报头结构，图5是本发明所述基于软件定义网络的空天信息网络业务转发机制的隧道调整流程图，图6是本发明所述基于软件定义网络的空天信息网络业务转发机制的网络层次图。

本发明针对针对空天信息网络的***环境特点，采取集中控制、服务质量控制的概念。将相对简单的数据平面和协议复杂的控制平面解耦。如图1，根据空天信息网络组网特点和组成，划分不同的网络成分。在网络成分分析的基础上，确定软件定义网络层次如图6，主要包含三个层次：应用层、控制平面和数据平面。控制平面作为***架构中最核心的内容，也是整个***中最复杂的部分。通过链路发现协议获得全局的网络状态，包括网络节点拓扑结构、动态节点通断状态。链路发现模块使用链路层发现协议LLDP(Link LayerDiscovery Protocol)动态维护全局拓扑信息。基于优先级和业务类型的最短路径模块和路由模块利用全局拓扑信息生成相应的报文转发策略。PBTSP模块主要实现标签最优路径的计算，路由算法模块主要基于全局的数据平面节点拓扑信息，利用APSP算法(All PairsShortest Paths)计算最短路径。业务规划模块主要分析配置不同服务质量需求的业务。隧道定制模块实现隧道控制的初始化过程。交换机管理主要完成数据平面节点的监控。状态管理完成网络状态的综合管控。主机跟踪负责对网络中主机节点的状态监控。服务抽象就是将应用层具体的服务内容抽象成控制平面的控制动作。

不同的空天信息业务类型对于带宽、优先级的需求不同，这个在控制平面以隧道方式建立多个虚拟通道连接。初始情况下，***静态配置若干隧道。根据空天网络环境中，作为标签网络中骨干节点其实体对象主要为GEO卫星或者部分MEO卫星组成，数量相对较少、位置相对稳定。设定初始阶段采用静态隧道定制的方式，隧道的建立处于***启动初始化阶段。隧道建立之后，通过基于优先级和业务类型算法计算出最短路径后，形成当前最优的标签路径。***初始化完成，开始对不同的业务流量进行处理，数据平面节点此刻担任的角色是依据流表转发数据，并且以一定的时间周期对经过该节点的报文流进行信息统计，该统计信息包含一条流量的基本信息(包含源目的分组地址、源目的端口号、标签、周期内流量信息)。该统计信息最后以南向接口协议通过南向接口传递到控制器中。任务管理主要完成控制平面的任务规划。LISP服务主要实现名址分离网络协议。Openstack一个开源的云计算管理平台。

为实现网络状态的实时监控，如图5所示，控制平面节点注册流状态监控事件，会以一定周期实时监控多条分组流量的状态反馈信息，当流状态统计信息进入该组件后调用相关函数进行相关处理。其具体流程如下：

(1)来自某数据平面节点的流状态统计信息包含多条数据流量，控制器有具体的隧道流量记录单元，每条分组流利用参数所属数据平面标识与源目的分组地址基本信息与隧道流量记录单元进行匹配，确定该流的隧道归属。

(2)隧道状态统计单元会记录上次的报文字节数和上次记录时间，通过两者的比较计算出隧道的带宽使用情况，隧道建立阶段每个隧道都会确定预留的带宽数值。此时，会根据隧道实际带宽使用情况和预留带宽值调整隧道的当前带宽预留。

(3)当隧道预留带宽大于新流量需求带宽时，不需要重新规划隧道路由路径，此时隧道带宽调整为流量需求带宽大小，提高带宽利用率。

(4)当新流量需求带宽较大时，当前隧道的预留带宽无法满足该流量的需求，首先检查该路由路径上所有链路有效预留带宽是否满足该流量需求，当需求满足时继续步骤6，不满足时转向步骤5。

(5)此时隧道路由路径不满足新的流量需求，根据隧道新带宽需求和隧道优先级重新规划隧道路由路径，并且将之前低优先级隧道建立的标签路径剔除。如果新规划路由路径失败，则带宽调整失败，返回错误。当新路由规划成功，则转向6。

(6)此时，根据新的路由规划配置标签路径，并且将剔除的隧道重新规划路由，并完成相应的标签路径配置。最后完成隧道状态信息的统计和规整。

Claims (5)

1.一种基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法，其特征在于，包括如下步骤：

a空天信息网络可分为核心网、接入网、用户子网和控制中心；核心网由GEO卫星或中继卫星组成，是实现业务流量转发的关键部分，其内部包含控制平面节点和数据平面节点；接入网由MEO卫星和LEO卫星组成；用户子网包括遥感卫星、遥感卫星子网、空间站其他航天器、地面网络和个人终端，用户子网既可以通过接入网接入网络，也可以直接接入GEO通信或中继卫星；控制中心位于地面网络，包括网络操作控制中心、数据信息中心；

b基于标签的转发方式可以避免复杂的路由表查询，且基于标签的转发方式可以隐藏多种二层接入的异构性，符合空天信息网络多***特点，不同的空天信息业务类型对于带宽、优先级的需求不同，在控制平面以隧道方式建立多个虚拟通道连接；

c基于软件定义的集中控制方式，控制平面主要集中在功能完善、性能卓越的卫星节点，本发明的核心工作位于控制平面，内容包含：隧道定制、PBTSP模块和业务规划，其中，隧道定制主要完成核心网节点中基于标签转发方式的静态定制；PBTSP模块结合网络拓扑信息，根据初始定制的隧道信息，利用最短路径的Dijkstra算法，计算满足业务对于带宽和优先级的标签路径；业务规划根据不同类型业务在带宽、时延、丢包率具有不同的服务质量要求综合管理业务路径，例如话音业务、视频业务和数据链业务对实时性有着较高的要求，要求具有较低的时延；数据链业务对数据传输的可靠性要求较高，需要保证数据的正确传输，而话音业务和视频业务则能容忍一定程度的丢包；

d不同的空天信息业务类型对于带宽、优先级的需求不同，这个在控制平面以隧道方式建立多个虚拟隧道连接，隧道建立之后，通过PBTSP模块计算出最短路径，形成当前最优的标签路径，数据平面节点担任流表转发角色，以一定的时间周期对经过该节点的报文流进行信息统计，该统计信息包含一条流量的基本信息，基本信息包含源目的分组地址、源目的端口号、标签、周期内流量信息；隧道状态统计单元会根据数据平面节点的流状态反馈信息，动态调整隧道参数，满足空天信息网络业务流量需求。

2.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法，其特征在于，空天信息网络组成多样化，依据子***特点屏蔽链路层差异，综合调度业务信息。

3.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法，其特征在于，采取标签交换方式隐藏二层接入的异构性、降低分组路由的复杂性，从而实现转发过程的优化。

4.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法，其特征在于，基于软件定义网络的思路，在空天信息网络中实现集中控制。

5.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的空天信息网络业务转发方法，其特征在于，针对不同的业务需求特点，建立专属隧道，隧道可以根据实时链路状态进行参数调整。