一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，所述低轨星座网络中的每颗卫星都包含至少1条星间链路，网络中包括两类设备：地面SDN控制器和星载SDN交换机，同一时刻只有一台地面控制器作为主地面SDN控制器连接至星座网络，其余地面控制器作为备份，单台地面控制器能够同时接入至少两颗卫星，所述带内控制系统逻辑上分为上层SDN和下层SDN，上层SDN和下层SDN均包括了数据面和控制面；主地面SDN控制器，用于实现上层SDN控制面和下面SDN控制面功能；星载交换机网络，用于实现上层SDN数据面和下层SDN数据面功能。下层SDN数据面功能。下层SDN数据面功能。

【技术实现步骤摘要】
一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统


[0001]本专利技术设计一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，尤其是一种应用于低轨星座的基于软件定义网络(SDN)的网络管理系统。属于航天信息领域。

技术介绍

[0002]低轨星座系统是一种由几十至几万颗低地球轨道卫星组成的通信系统，可以为全球范围内的各类用户提供实时通信服务，包括移动通信、数据传输、互联网接入等业务。近年来，低轨巨星座系统迅猛发展，以Starlink为首的星座工程的星座设计规模达到了42000颗左右，目前在轨卫星已向地面用户提供了部分服务。利用星间链路进行星座的组网是低轨星座系统未来的发展趋势。通过星座组网可实现全球点到点的不落地传输，可在不借助地面现有网络的情况下实现大容量、低时延的通信。
[0003]不同于地面网络，低轨星座网络的网络拓扑及连接关系频繁发生变化，因此网络路由管理尤为重要。传统的分布式路由管理算法如OSPF，Bellman
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Ford，Darting，IS
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IS等，应用于低轨星座会面临以下两方面问题：第一，计算开销巨大，路由收敛慢。分布式的管理方法需要每个网络节点独立的获取网络拓扑信息并计算到其他所有节点的路由。随着网络规模提升，网络拓扑变化频率也随着节点数量的提升的增高，因此每个节点的计算压力迅速增大，以星上的计算能力无法实现路由快速收敛。第二，无法避免网络拥塞问题。由于上述分布式路由算法需要统一采用最短路径算法计算路由，无法从全局的角度对网络进行流量工程，因此当业务量较大时不可避免地会出现网络拥塞问题。
[0004]软件定义网络(SDN)作为一种集中控制方法，可以有效解决以上问题。通过在网络中设置一个统一的控制器，可以使每个卫星不再需要维护整个网络的拓扑，从而减小星上的计算压力。同时，通过集中控制的手段可以实现路由路径的按需调整，实现全局的流量工程，提高网络的吞吐量、时延等性能。此外，集中控制的SDN对业务的灵活控制、新业务部署等需求十分友好，可以通过在控制器中统一配置，再下发到各个交换机的方式实现业务的快速部署与更新。
[0005]SDN控制面建立技术分为两种：带外控制与带内控制。带外控制通过一条独立的专用控制信道将每个SDN交换机与控制器相连，该信道专门用于交换机的管理、网络的拓扑发现、流表下发、网络资源管理等控制面功能。带外控制有着控制面稳定、不占用数据面带宽等优势，然而由于控制面需要通过专用信道物理连接，交换机的部署范围受限，因此一般用于数据中心这类地域相对集中的网络中。带内控制方式则是使控制面数据和数据面数据共用一条物理信道，同时保持控制面与数据面逻辑隔离。这类控制方式可以省去单独部署控制信道的成本，有利于SDN的广域部署，然而这类方法的问题在于，当数据面链路断开时，交换机也会同时失去控制，同时控制面信息会以较高的优先级占用链路，当控制信令较多时会影响数据业务的传送。
[0006]基于SDN的卫星网络由于仅和相邻卫星有着星间链路连接，因此带内控制是使控制器维持对数据面控制的有效手段。在现有的研究中，有的学者提出了基于地面网络的带
内控制的控制面建立及故障恢复的方法，可以对SDN网络进行自组织及故障恢复。然而不同于地面带内控制的SDN系统，卫星网络时刻处在运动变化之中，无法像地面的带内控制方式保持稳定的控制面链路连接。同时，恶劣的空间环境和大规模卫星制造发射带来的可靠性下降等因素也增加了星座网络的不确定性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的技术解决问题是：针对低轨星座网络拓扑大量变化、链路高不确定性的问题，提供一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，该系统具有弹性、开销较小、快速收敛、且对控制面透明的控制面建立维持机制，以确保卫星SDN网络的正常运行。
[0008]本专利技术的技术方案为：一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，所述低轨星座网络中的每颗卫星都包含至少1条星间链路，网络中包括两类设备：地面SDN控制器和星载SDN交换机，同一时刻只有一台地面控制器作为主地面SDN控制器连接至星座网络，其余地面控制器作为备份，单台地面控制器能够同时接入至少两颗卫星，其特征在于：所述带内控制系统逻辑上分为上层SDN和下层SDN，上层SDN和下层SDN均包括了数据面和控制面；
[0009]主地面SDN控制器，用于实现上层SDN控制面和下面SDN控制面功能；
[0010]上层SDN控制面功能包括：收集卫星连接关系消息，分析每台星载交换机与周围星载交换机的连接关系，并汇总得到网络的总拓扑关系，由此计算出主地面控制器到达每一个星载交换机的多条可用控制路径，生成和维护控制路径表，再根据控制路径表，得到每一个星载交换机的控制面流表，将控制路径表发送到目的星载交换机，将控制面流表发送到各个控制路径途经的对应星载交换机；控制路径表和控制面流表属于上层SDN控制信息；
[0011]下层SDN控制面功能包括：负责生成用于控制交换机数据转发的数据面流表，将数据面流表通过上层SDN构建的控制路径派发给每一台星载交换机；数据面流表属于下层SDN控制信息；
[0012]星载交换机网络，用于实现上层SDN数据面和下层SDN数据面功能；
[0013]上层SDN数据面功能包括：每一台星载交换机，获取与周围星载交换机的连接关系，形成卫星连接关系消息，将卫星连接关系消息发送给主地面SDN控制器；将控制路径表或者控制面流表进行转发；将数据面流表进行转发，并根据控制面流表向主地面SDN控制器反馈路径状态信息；
[0014]下层SDN数据面功能包括：每一台星载交换机利用主地面SDN控制器派发的数据面流表进行业务数据转发。
[0015]所述卫星连接关系消息、上层SDN控制信息通过洪泛的方式发送至对应的星载交换机。
[0016]所述卫星连接关系消息、下层SDN控制信息、上层SDN控制消息均采用同一物理链路进行传输，星载交换机收到这些消息后，将目的地为本星载SDN交换机的信息留在本交换机，其余信息汇总为同一数据流，从输出端口去往下一跳。
[0017]所述控制面流表的每一项中包括但不限于以下元素：
[0018]源地址：在控制路径的一端发送包的主地面控制器或星载交换机的地址；
[0019]目的地址：在控制路径的一端接收包的主地面控制器或星载交换机的地址；
[0020]下一跳地址：控制路径中下一跳地址。
[0021]所述主地面SDN控制器采用上层SDN的定时更新模式和/或触发更新模式更新和维护控制路径表和控制面流表。
[0022]当主地面SDN控制器采用定时更新模式更新和维护控制路径表时，所有地面SDN控制器和星载交换机时间同步，且主地面SDN控制器与卫星的连接稳定，且主地面SDN控制器已知整个卫星网络的星历。
[0023]所述星载交换机和主地面SDN控制器之间维护多条可用的控制路径，但只设定其中一条为活跃路径，并用该活跃路径进行下层SDN控制信息的传输，其余路径为非活跃路径，作为活跃路径的备份，在当前活跃路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，所述低轨星座网络中的每颗卫星都包含至少1条星间链路，网络中包括两类设备：地面SDN控制器和星载SDN交换机，同一时刻只有一台地面控制器作为主地面SDN控制器连接至星座网络，其余地面控制器作为备份，单台地面控制器能够同时接入至少两颗卫星，其特征在于：所述带内控制系统逻辑上分为上层SDN和下层SDN，上层SDN和下层SDN均包括了数据面和控制面；主地面SDN控制器，用于实现上层SDN控制面和下面SDN控制面功能；上层SDN控制面功能包括：收集卫星连接关系消息，分析每台星载交换机与周围星载交换机的连接关系，并汇总得到网络的总拓扑关系，由此计算出主地面控制器到达每一个星载交换机的多条可用控制路径，生成和维护控制路径表，再根据控制路径表，得到每一个星载交换机的控制面流表，将控制路径表发送到目的星载交换机，将控制面流表发送到各个控制路径途经的对应星载交换机；控制路径表和控制面流表属于上层SDN控制信息；下层SDN控制面功能包括：负责生成用于控制交换机数据转发的数据面流表，将数据面流表通过上层SDN构建的控制路径派发给每一台星载交换机；数据面流表属于下层SDN控制信息；星载交换机网络，用于实现上层SDN数据面和下层SDN数据面功能；上层SDN数据面功能包括：每一台星载交换机，获取与周围星载交换机的连接关系，形成卫星连接关系消息，将卫星连接关系消息发送给主地面SDN控制器；将控制路径表或者控制面流表进行转发；将数据面流表进行转发，并根据控制面流表向主地面SDN控制器反馈路径状态信息；下层SDN数据面功能包括：每一台星载交换机利用主地面SDN控制器派发的数据面流表进行业务数据转发。2.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述卫星连接关系消息、上层SDN控制信息通过洪泛的方式发送至对应的星载交换机。3.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述卫星连接关系消息、下层SDN控制信息、上层SDN控制消息均采用同一物理链路进行传输，星载交换机收到这些消息后，将目的地为本星载SDN交换机的信息留在本交换机，其余信息汇总为同一数据流，从输出端口去往下一跳。4.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述控制面流表的每一项中包括但不限于以下元素：源地址：在控制路径的一端发送包的主地面控制器或星载交换机的地址；目的地址：在控制路径的一端接收包的主地面控制器或星载交换机的地址；下一跳地址：控制路径中下一跳地址。5.根据权利要求1所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述主地面SDN控制器采用上层SDN的定时更新模式和/或触发更新模式更新和维护控制路径表和控制面流表。6.根据权利要求5所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于当主地面SDN控制器采用定时更新模式更新和维护控制路径表时，所有地面SDN控制器和星载交换机时间同步，且主地面SDN控制器与卫星的连接稳定，且主地面SDN控制器已知整个卫星网络的星历。
7.根据权利要求5所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述星载交换机和主地面SDN控制器之间维护多条可用的控制路径，但只设定其中一条为活跃路径，并用该活跃路径进行下层SDN控制信息的传输，其余路径为非活跃路径，作为活跃路径的备份，在当前活跃路径无法通信时，保持星载交换机与主地面SDN控制器的下层SDN控制信息传输；多条可用控制路径间尽可能减少物理星间链路及卫星的共用，以避免出现单点故障；主地面SDN控制器在计算针对某一星载交换机的多条可用路径后，将控制路径按传播跳数由小到大进行排序，序号越小，被选为活跃路径的优先级越高。8.根据权利要求6所述的一种低轨星座网络双层SDN带内控制系统，其特征在于所述主地面SDN控制器的定时更新工作模式包括如下步骤：S1
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1、主地面SDN控制器为每个星载交换机规划多条相互独立的控制路径，并将其中一条设为活跃路径，用于承担实际的控制信息传输，之后在每个时间片循环执行步骤S1
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2～S1
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3；S1
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2、在当前时间片结束之前，获取星载交换机与周围星载交换机的连接关系，并汇总得到网络的总拓扑关系，若下一时间片内包含可预测的网络拓扑变化，主地面SDN控制器计算好变化前后的控制面流表和控制路径表，并设定控制面流表和控制路径表切换的时间为预测变化发生时刻，将变化后的控制面流表、控制路径表及其切换时间一并传输给相应的星载交换机；S1
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈东，王宁远，裴胜伟，刘亮，李峰，黄华，包泽宇，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：