基于SDN和NFV技术的天地一体化网络架构及数据传输方法技术

本发明专利技术公开了基于软件定义网络和网络功能虚拟化的天地一体化网络架构。在该体系架构中，全网分为地面网部分和空间网部分，被统一的划分为管理层、控制层和转发层。其中，管理层负责天地一体化网络中地面部分和空间部分的网络状态与网络服务功能的注册与查询，和路由、安全、计费、服务调用，以及资源管理等策略的制定；控制层包括地面和空间两部分，负责根据管理层的策略控制数据转发并收集网络链路以及网络服务功能的信息；转发层包括地面和空间两部分，负责转发数据并提供网络服务功能。本架构采用了软件定义网络和网络功能虚拟化的思想，在天地一体化网络中实现了高效的信息传输管控以及卫星服务的按需提供。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及互联网
，特别是涉及一种基于软件定义网络SDN技术和网络功能虚拟化NFV技术的天地一体化网络架构及数据传输方法。
技术介绍
现有互联网自面世以来，已经渗透到包括政治、文化、教育、卫生、体育甚至医疗等人类社会生活的方方面面，在人类社会的发展过程中发挥了巨大的推动作用。进入21世纪以来，随着卫星通信高速发展和空间应用需求逐渐增加，空间信息网络在经济和国防领域，如航天测控、对地观测及空间科学实验等领域的作用日趋明显，对空间与地面之间的信息传输提出了新的、更高的要求。卫星通信有全球覆盖、高移动性和高可扩展性等特点，可以提供覆盖全球的语音、导航、遥感和电视转播等服务。但是，卫星通信有带宽和频率资源有限、可控可管性差、卫星服务提供方式僵化以及与地面通信结合差等缺点。为此，近年来世界各国都积极开展了空间信息网络的研究工作。但是应该看到，目前国内外对空间信息网络相关研究工作还基本处在起步阶段，急需突破已有的研究思路，以一种有效而灵活的方式来为天地一体化网络提供可控可管的信息传输以及按需的卫星服务，以整合和优化空间资源，提高信息传输效率，提高卫星服务质量，适应未来天地一体化网络的多元化需求。近年来，新兴的网络技术，比如软件定义网络(Software Defined Network,SDN)，和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)为我们提供了解决传统卫星网络问题的新方法。SDN是一种新的网络概念，为网络管理和配置带来了新的思路。它引入了把控制策略从转发设备上分离出来的思想，把当前IP网络互连节点中决定报文如何转发的复杂控制逻辑从交换机/路由器等设备中分离出来，以便通过软件编程实现对数据转发规则的控制，最终达到对流量进行自由操控的目的。控制器南向接口是SDN的核心技术之一，控制器通过南向接口与底层交换机通信，实现了交换机/路由器的控制平面与转发平面功能的解耦，由集中控制器下发统一的数据转发规则给交换设备，现在，南向接口大多采用OpenFlow协议。NFV技术旨在利用标准的IT(Information Technology)虚拟化技术，把网络功能从物理硬件中解耦出来，在一个通用的x86硬件平台上，而不是定制的设备上，实现多种类型网络设备的快速部署。NFV技术的突出优点是可以频繁快速的提供新的服务，提高了网络服务功能部署的灵活性，并且降低了网络服务功能部署的代价。由于空间网络环境具有卫星链路时延大、链路状况差以及不能保证端到端传输等特点，地面网络中使用的传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)不能继续在空间网络中使用。需要有一种合适的空间组网协议来满足在空间链路中数据可靠传输的需求。延迟容忍网络(Delay Tolerant Network,DTN)是一种通信网络技术，可以在高信号传输时延或者长时间链路不可用的环境中，保证通信实体之间的数据传输。DTN主要包括汇聚层协议Licklider传输协议(Licklider Transmission Protocol,LTP)和包裹协议(Bundle Protocol,BP)。DTN数据传输的基本单位是包裹(bundle)，采取存储转发的形式，逐跳地保障数据在受限网络中的可靠传输。现有的DTN部署方式中，比较常用的是使用ION(Interplanetary Overlay Network)。ION是一个以“覆盖”(overlay)方式实现DTN在IP网络中部署的软件，采用连接图路由(Contact Graph Routing,CGR)和自定义的节点标识方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于软件定义网络SDN技术和网络功能虚拟化NFV技术的天地一体化网络架构及数据传输方法，以实现整合优化空间资源，提高信息传输效率，满足服务质量需求，适应未来天地一体化网络的多元化需求。为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案：基于SDN和NFV技术的天地一体化网络架构，所述天地一体化网络架构包括：管理层，用于进行网络状态与网络服务功能的注册于查询，并根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略；控制层，用于将预处理后的所述数据传输质量管理策略发送至转发层，并将实时收集得到的网络链路和网络服务的网络状态信息发送至管理层；转发层，根据预处理后的所述数据传输质量管理策略进行数据转发，并提供相应的网络服务。优选地，所述管理层采用卫星网络管理中心SNMC；所述卫星网络管理中心包括：注册单元，根据用户的注册信息进行网络状态与网络服务功能的注册认证；查询单元，根据用户的查询需求进行网络状态与网络服务功能的查询；策略制定单元，根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略。优选地，所述网络状态包括带宽、丢包率和时延；所述网络服务功能包括防火墙、入侵检测服务、计费器、网络地址转换器和性能增强代理；所述管理策略包括路由策略、安全策略、计费策略、服务调用策略和资源管理策略。优选地，所述控制层包括：地面控制器，收集维护本域网络服务功能注册信息并发送至管理层，并根据管理层制定的数据传输策略控制数据的转发；空间控制器，实时收集空间网络链路网络状态信息，并发送至管理层。优选地，所述地面控制器包括：卫星网关控制器，收集并在数据库中维护卫星网关中的网络服务功能注册信息，并将此信息转发给卫星网络管理中心SNMC，同时，根据卫星网络管理中心SNMC制定的服务调用策略，控制数据流通过卫星网关中卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能；数据中心控制器，收集并在数据库中维护数据中心交换机/路由器上的网络服务功能的注册信息，并将此信息转发给卫星网络管理中心SNMC，同时，根据卫星网络管理中心SNMC制定的服务调用策略以及路由策略，控制数据流通过数据中心中卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能。优选地，所述空间控制器为GEO卫星，所述GEO卫星收集来自中轨MEO卫星以及低轨LEO卫星的链路状态信息，并发送给卫星网络管理中心SNMC；将从卫星网络管理中心SNMC收到的路由策略以及资源管理策略转换成OpenFlow流表形式下发到中轨卫星MEO。优选地，所述空间控制器GEO卫星的控制链路实现方式为：使用bundle隧道方式在GEO卫星与MEO卫星之间传输控制信令，即bundle数据包中封装OpenFlow信令数据。优选地，所述转发层包括：地面转发系统，根据本域控制器的指令转发数据和承载卫星网络服务功能；空间转发系统，按照控制层的控制规则转发用户数据。优选地，所述地面转发系统包括路由器、交换机和卫星网关。优选地，所述空间转发系统包括中轨卫星MEO和低轨卫星LEO。优选地，在中轨卫星MEO上部署OVS，在GEO卫星节点上布置POX控制器；在POX控制器的控制下，中轨卫星MEO按照流表规则转发数据。基于SDN和NFV技术的天地一体化网络数据传输方法，该方法的步骤包括：卫星网络管理中心SNMC收集数据中心和卫星网关中的网络服务功能注册信息和卫星网络中的网络状态信息，制定路由策略、服务调用策略和资源管理策略等；用户请求的数据从数据中心的服务器发出，在地面网络中经过卫星网络管理中心SNMC指定的网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于SDN和NFV技术的天地一体化网络架构，其特征在于，所述天地一体化网络架构包括：管理层，用于进行网络状态与网络服务功能的注册于查询，并根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略；控制层，用于将预处理后的所述数据传输质量管理策略发送至转发层，并将实时收集得到的网络链路和网络服务的网络状态信息发送至管理层；转发层，根据预处理后的所述数据传输质量管理策略进行数据转发，并提供相应的网络服务。

【技术特征摘要】
1.基于SDN和NFV技术的天地一体化网络架构，其特征在于，所述天地一体化网络架构包括：管理层，用于进行网络状态与网络服务功能的注册于查询，并根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略；控制层，用于将预处理后的所述数据传输质量管理策略发送至转发层，并将实时收集得到的网络链路和网络服务的网络状态信息发送至管理层；转发层，根据预处理后的所述数据传输质量管理策略进行数据转发，并提供相应的网络服务。2.根据权利要求1所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述管理层采用卫星网络管理中心SNMC；所述卫星网络管理中心包括：注册单元，根据用户的注册信息进行网络状态与网络服务功能的注册认证；查询单元，根据用户的查询需求进行网络状态与网络服务功能的查询；策略制定单元，根据控制层提供的网络状态信息，制定数据传输质量管理策略。3.根据权利要求2所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述网络状态包括带宽、丢包率和时延；所述网络服务功能包括防火墙、入侵检测服务、计费器、网络地址转换器和性能增强代理；所述管理策略包括路由策略、安全策略、计费策略、服务调用策略和资源管理策略。4.根据权利要求1所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述控制层包括：地面控制器，收集维护本域网络服务功能注册信息并发送至管理层，并根据管理层制定的数据传输策略控制数据的转发；空间控制器，实时收集空间网络链路网络状态信息，并发送至管理层。5.根据权利要求4所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述地面控制器包括：卫星网关控制器，收集并在数据库中维护卫星网关中的网络服务功能注册信息，并将此信息转发给卫星网络管理中心SNMC，同时，根据卫星网络管理中心SNMC制定的服务调用策略，控制数据流通过卫星网关中卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能；数据中心控制器，收集并在数据库中维护数据中心交换机/路由器上的网络服务功能的注册信息，并将此信息转发给卫星网络管理中心SNMC，同时，根据卫星网络管理中心SNMC制定的服务调用策略以及路由策略，控制数据流通过数据中心中卫星网络管理中心SNMC指定的网络服务功能。6.根据权利要求4所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述空间控制器为GEO卫星，所述GEO卫星收集来自中轨MEO卫星以及低轨LEO卫星的链路状态信息，并发送给卫星网络管理中心SNMC；将从卫星网络管理中心SNMC收到的路由策略以及资源管理策略转换成OpenFlow流表形式下发到中轨卫星MEO。7.根据权利要求4所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述空间控制器GEO卫星的控制链路实现方式为：使用bundle隧道方式在GEO卫星与MEO卫星之间传输控制信令，即bundle数据包中封装OpenFlow信令数据。8.根据权利要求1所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述转发层包括：地面转发系统，根据本域控制器的指令转发数据和承载卫星网络服务功能；空间转发系统，按照控制层的控制规则转发用户数据。9.根据权利要求7所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述地面转发系统包括路由器、交换机和卫星网关。10.根据权利要求7所述的天地一体化网络架构，其特征在于，所述空间转发系统包括中轨卫星MEO和低轨卫星LEO。11.根据权利要求6所述的天地一体化网络架构，其特征在于，在中轨卫星MEO上部署OVS，在GEO卫星节点上布置POX控制器；在POX控制器的控制下，中轨卫星MEO按照流表规则转发数据。12.基于SDN和NFV技术的天地一体化网络数据传输方法，其特征在于，该方法的步骤包括：卫星网络管理中心SNMC收集数据中心和卫星网关中...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华春，李泰新，叶玥，李观文，徐琪，李光磊，张宏科，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11