基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统及通信方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统及通信方法，主要用于提高卫星通信网络资源的利用率和网络服务质量。包括卫星地面站（STA），地面数据中心（DC），地球同步轨道卫星（GEO），低轨道卫星（LEO）以及彼此之间的无线通信链路。通过在地面站和GEO上部署的低层SDN控制器（D‑controller），在LEO上部署SDN交换机来组成一种基于SDN的分布式空间信息网络，利用多轨道的多颗LEO对整个地球表面进行全覆盖，在GEO的覆盖范围内，通过GEO上的控制器进行全局控制，形成一张覆盖全球的空间信息网络，同时GEO通过地面卫星地面站STA接入地面网络，利用地面数据中心中部署的SDN超级控制器（S‑controller）进行对D‑controller的集中管控，从而实现卫星网络与地面固定网络的融合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星网络
，特别涉及一种多层次卫星组网技术以及卫星网络资源的管理与调度方法。
技术介绍
空间信息网对于国防，遥感探测，航海等领域具有重要意义，可以跨地域，跨运营商实现全球范围内不间断通信。天地一体化是指将天基信息系统融入地面应用为地面用户提供服务，包括以卫星为中心和融合了卫星通信的各类应用服务。从最初的卫星实现跨洋通信，到卫星数字多媒体广播，或是各类对地观测卫星系统，天地一体化已经成为与卫星相关的各类应用系统的基本要求。天地一体化信息网络不仅能保证人烟稀少、地理偏远等地面基础设施较薄弱地区用于接入互联网，而且能支持深空探测、对地观测、航天测控、卫星导航、航空运输、远洋航行、应急救援、维稳处突、智慧城市等多种特殊应用。SDN具有控制和转发分离、设备资源虚拟化、通用硬件及软件可编程三大特性，不仅将整个网络在水平方向更加统一化、标准化，而且在垂直方向上让网络开放化、标准化、可编程，让网络资源更容易、更有效的被使用。将多层次的SDN网络技术运用于天地一体化空间信息网络中，采用新的网络架构来改善天地一体化信息网络性能，降低建设成本和维护难度，达到显著改善网络资源利用率的目的。
技术实现思路
为了解决空间信息网的全局网络拓扑管理，星间链路资源的灵活调度和分配，本专利技术提出了一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统及通信方法。本专利技术的系统所采用的技术方案是：一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统，其特征在于：包括数据层，控制层和应用层；所述数据层由多个轨道面上的多颗低轨道卫星LEO上部署SDN交换机组成，利用LEO之间的无线通信链路进行组网；所述控制层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心上的超级控制器构成；所述应用层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心中的超级控制器上运行的应用程序构成，对整个基于SDN的卫星通信网络进行灵活地管理和控制。作为优选，所述数据层中的多颗低轨道卫星LEO按照一定倾角分布在多个轨道面上，其飞行轨迹对整个地球实现包括两极在内的完全覆盖。作为优选，所述控制层中设置有三颗赤道上空的地球同步轨道卫星GEO，三颗地球同步轨道卫星GEO上均部署有垂直型控制架构中的低层SDN控制器(D-Controller)，每颗地球同步轨道卫星GEO与某时刻自己覆盖范围内且可以建立通信连接的低轨道卫星LEO组成SDN网络；三颗地球同步轨道卫星GEO与各自覆盖范围内的地球地面站STA进行无线连接，通过地球地面站STA接入网关接入地面网络，利用地面有线网络接入数据中心；数据中心上部署有顶层的超级SDN控制器(S-Controller)，利用超级控制器来管理地球同步轨道卫星GEO中的低层控制器，实时获取全局网络拓扑和网络状态信息，进行高效的管理和调度。本专利技术的方法所采用的技术方案是：一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统的通信方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：信源A发出数据包，接入通信质量最优的低轨道卫星LEO；步骤2：低轨道卫星LEO根据SDN交换机内所存储的转发表与此数据包的目的地址是否匹配来判断能否由低轨道卫星LEO直接转发；若是，则信宿B接收目的信号，本流程结束；若否，则执行下述步骤3；步骤3：移交给此低轨道卫星LEO所属的低层SDN控制器(D-Controller)；步骤4：低层SDN控制器根据其掌握的网络状态信息，根据其存储的转发表判断此数据包的目的地址能否转发给其控制范围内的另一颗低轨道卫星LEO；若是，则低层SDN控制器转发给目标低轨道卫星LEO，信宿B接收目的信号，本流程结束；若否，则执行下述步骤5；步骤5：低层SDN控制器将数据包发送给地面SDN超级控制器；步骤6：地面超级SDN控制器根据其掌握的全局网络视图判断数据包的目的地址是否可以通过不同的低层SDN控制器(D-Controller)转发低轨道卫星LEO送达；若是，则发给目标低层SDN控制器，接着执行下述步骤7；若否，则将数据包重新定向或丢弃，本流程结束；步骤7：发给低层SDN控制器，由低层SDN控制器发给目标低轨道卫星LEO，信宿B接收目的信号，本流程结束。本专利技术的创新点在于：(1)利用SDN的网络架构，将现有卫星网络分为三个抽象层面，数据平面(SDN交换机)、控制平面(SDN控制器)、应用平面(SDN应用程序)。(2)通过在LEO(低轨道卫星)、GEO(地球同步轨道卫星)、STA(地球地面站)上部署控制器或者交换机来实现卫星网络的全球覆盖和地面站对于整个网络的全局控制。(3)利用SDN技术灵活可编程的特点，实现星上资源的灵活处理。比如，根据不同业务的实时性要求，带宽要求，计算和存储资源等要求，利用SDN控制器的全局控制能力为不同业务分配不同的响应优先级，计算和存储资源等。(4)利用SDN的全局视图进行网络拓扑管理。比如，卫星网络的拓扑结构变化速度较快，可以利用SDN控制器的全局视图能力对网络的链路状况进行监控，随时获取最新的拓扑状态。附图说明图1：本专利技术实施例的系统构架图；图2：本专利技术实施例的网络拓扑图；图3：本专利技术实施例的SDN分层结构图；图4：本专利技术实施例的系统部署图；图5：本专利技术实施例的通信流程图。具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请见图1、图2和图3，本专利技术提供的一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统，根据SDN的分层设计思想，将卫星通信网络与地面的固定网络进行了逻辑上的整合，将其抽象为三个层面，数据层、控制层和应用层。多个轨道面上的多个LEO上部署SDN交换机组成数据层，地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心上的超级控制器构成控制层，GEO和数据中心中的超级控制器上运行的应用程序构成应用层。(1)数据层：按照一定倾角的多个轨道面上分布多颗LEO，其飞行轨迹对整个地球实现包括两极在内的完全覆盖。在LEO上部署SDN交换机，利用LEO之间的无线通信链路进行组网。(2)控制层：三颗赤道上空的GEO卫星可以实现除地球两极之外的所有区域的全覆盖。将垂直型控制架构中的低层控制器部署在三颗GEO上，每颗GEO与某时刻自己覆盖范围内且可以建立通信连接的LEO组成SDN网络。由于不同...

【技术保护点】
一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统，其特征在于：包括数据层，控制层和应用层；所述数据层由多个轨道面上的多颗低轨道卫星LEO上部署SDN交换机组成，利用LEO之间的无线通信链路进行组网；所述控制层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心上的超级控制器构成；所述应用层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心中的超级控制器上运行的应用程序构成，对整个基于SDN的卫星通信网络进行灵活地管理和控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统，其特征在于：包括
数据层，控制层和应用层；
所述数据层由多个轨道面上的多颗低轨道卫星LEO上部署SDN交换机组
成，利用LEO之间的无线通信链路进行组网；
所述控制层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心上的超级控制器构
成；
所述应用层由地球同步轨道卫星GEO和地面数据中心中的超级控制器上运
行的应用程序构成，对整个基于SDN的卫星通信网络进行灵活地管理和控制。
2.根据权利要求1所述的基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统，
其特征在于：所述数据层中的多颗低轨道卫星LEO按照一定倾角分布在多个轨
道面上，其飞行轨迹对整个地球实现包括两极在内的完全覆盖。
3.根据权利要求1所述的基于SDN技术的天地一体化空间信息网络系统，
其特征在于：所述控制层中设置有三颗赤道上空的地球同步轨道卫星GEO，三
颗地球同步轨道卫星GEO上均部署有垂直型控制架构中的低层SDN控制器，每
颗地球同步轨道卫星GEO与某时刻自己覆盖范围内且可以建立通信连接的低轨
道卫星LEO组成SDN网络；三颗地球同步轨道卫星GEO与各自覆盖范围内的
地球地面站STA进行无线连接，通过地球地面站STA接入网关接入地面网络，
利用地面有线网络接入数据中心；数据中心上部署有顶层的超级SDN控制器，
利用超级控制器来管理地球同步轨道卫星GEO中的低层...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱博，卢宁宁，江昊，张海鹏，吴静，杨悦，周建国，付文亮，
申请(专利权)人：武汉大学，中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42