一种基于软件定义网络控制点优化的卫星网络路由方法
【专利摘要】本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于软件定义网络控制点优化的卫星网络路由方法，卫星节点根据不同通信业务类型设定不同的路径代价函数，初始化网络并维护基础路由表；实时监测自身业务和转发业务负载，根据卫星链路负载状态的反馈结果判断链路是否拥塞，如果拥塞启动拥塞避免的绕行机制直到拥塞区域内链路负载小于解除拥塞阈值。本发明结合了软件定义网络集中控制的特点和传统卫星路由技术，能以较低的开销实现网络的拥塞避免和负载均衡，考虑了不同业务类型的QoS要求，优先绕行低优先级业务，绕行业务基于业务流的方式实现，根据绕行业务比率设置合理的哈希函数选择绕行的业务流ID，以保持同一业务流的分组按序到达。
【专利说明】
一种基于软件定义网络控制点优化的卫星网络路由方法
技术领域
[0001] 本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于软件定义网络控制点优化的卫 星网络路由方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球通信技术的发展，卫星通信在全球通信中起到越来越重要的作用。卫星 网络具有全球无缝覆盖、受地球地理条件限制小等优点。多层卫星网络由低轨卫星(LE0)、 中轨卫星（ME0)及同步轨道卫星（GEO)等多种卫星星座组成，层内卫星通过星间链路 (Inter-Satellite Link，ISL)相连，层间通过层间链路（Inter-Layer Link，IIL)相连，相 比于传统的单层卫星网络，多层卫星网络具有灵活性好、覆盖范围更广、网络容量更大以及 通信可靠性更高等优点。然而，卫星星座由于资源（功率、星上处理能力等）受限，传输时延 大，拓扑结构动态变化，业务分布不均匀等特点，卫星网络路由技术需要针对卫星星座的特 点进行设计。
[0003] 目前已经有一些学者提出了各种卫星网络路由方法:Akyildiz等人提出了一种基 于IP的路由算法MLSR(Multi_Layered Satellite Routing algorithm)，适用于LE0/ME0/ GEO三层组网的多层卫星网络中，该算法按照卫星之间的覆盖关系对下层卫星进行分组，上 层卫星负责计算并分发路由表，在分组内的成员关系发生改变时更新路由表，该方法实现 上层卫星对下层卫星的路由管理和控制;H.Nishiyama等人提出了一种GE0/LE0混合卫星网 络的负载均衡分配和服务质量(QoS)保证的路由方法。该方法依据业务对时延的要求将业 务分为三类，当检测到节点为阻塞节点时对不同的业务分别采取不同的路由策略，进而保 障了在出现网络拥塞情况下高优先级业务的性能;Zhou Yunhui等人提出一种基于ME0/LE0 卫星网络的QoS路由协议HDRP(Hierarchical and Distributed QoS Routing Protocol)， 该协议也采用卫星分组管理的概念，根据卫星的地理位置确定组成员关系，同时采用组内 路由和组外路由相结合的策略。上述三种算法利用多层卫星网络的特点来设计路由算法， 从而提尚网络的性能。
[0004] 但上述方法在实际中还面临着挑战，具体来说，MLSR算法仅利用上层卫星来计算 分发路由表，要求上层卫星计算能力很强，没有充分利用其传输业务的能力，当下层网络负 载较重出现拥塞时不能得到有效的缓解，不能实现网络的负载均衡;第二种方法根据业务 对时延的要求进行分类分级，但没有充分考虑不同类型业务对其他服务质量(如带宽）的不 同要求;HDRP算法中若两个相邻卫星分组不同，路由时需要经过上层卫星转发，会产生更大 的时延，导致网络性能下降。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，为了实现能以较低的开销实现网络的拥塞避免和负载均衡，降低 丢包率，提升网络效率，同时考虑不同类型业务的QoS要求，本发明提出了一种基于软件定 义网络控制点优化的卫星网络路由方法，包括：
[0006] 步骤1、卫星节点根据不同通信业务类型设定不同的路径代价函数，初始化网络并 维护基础路由表；
[0007] 步骤2、各卫星节点按照不同通信业务类型实时监测自身业务和转发业务负载，周 期性地通过信令通道向控制器节点反馈卫星链路负载状态；
[0008] 步骤3、控制器节点根据卫星链路负载状态的反馈结果判断链路是否拥塞，如果拥 塞则将拥塞链路邻接节点及其1跳邻居标记为拥塞区域，受影响节点启动拥塞避免的绕行 机制；
[0009] 步骤4、控制器节点根据监测到的网络状态和优化准则，绕行一部分业务到其它节 点，以缓解相关链路的拥塞状况，降低丢包率，提升网络效率；
[0010]步骤5、控制器节点判断拥塞区域内链路负载是否小于解除拥塞阈值，若否，则重 复步骤4~5直到拥塞区域内链路负载小于解除拥塞阈值，然后解除相关节点的拥塞状态， 并终止拥塞避免的绕行机制，继续按基础路由表进行业务的传输。
[0011] 所述不同通信业务类型根据时延权重系数和带宽权重系数的比较获得的：大、小、 等于这三个不同结果将类型分为:时延敏感业务、带宽敏感业务、尽力而为业务。
[0012] 所述路径代价函数计算式如下：
[0014] 其中：COST (i，j)为节点i传输数据到相邻节点j的路径代价函数;D (i，j)为节点i 传输数据到相邻节点j的总时延，包括传输时延、排队时延和处理时延;B(i，j)为节点i到相 邻节点j的空闲带宽，P#PP 2分别代表时延权重系数与带宽权重系数。
[0015] 所述拥塞避免的绕行机制为:节点控制器根据系统已存在和目前到达的业务，列 出以链路容量为约束的在线优化问题，然后找出此问题的对偶问题，根据弱对偶定理和原 始-对偶优化准则，从对偶问题的可行解中找出使系统计算开销增加最少的控制点k，并更 新相关的辅助变量以便求取后续的控制点。
[0016]所述绕行机制采用启发式算法，直接从网络状态反馈获取辅助变量值，以降低计 算开销。
[0017] 所述绕行机制针对不同通信业务类型具体包括：
[0018] 尽力而为业务C3优先级最低，在绕行时如果是全球型业务则从LE0层直接绕行到 ME0层，如果ME0层比较拥堵或是重点针对中国本土的业务则从LE0层直接绕行到GE0层；
[0019] 带宽敏感业务C2在绕行时先在LE0层进行路径的重新选择，在仍不能满足负载要 求的情况下，如果是全球型业务则从LE0层绕行到ME0层，如果ME0层此刻较拥堵或是重点针 对中国本土的业务则从LE0层绕行到GE0层；
[0020] 时延敏感业务&优先级最高，不进行绕行，维持原路。
[0021] 所述判断链路是否拥塞的方法为:链路负载Tlink是否大于拥塞阈值Tth;自身业务 的负载值为Tself，时延敏感业务Cl、带宽敏感业务C2、尽力而为业务C3这三类转发业务的负 载值分别为A、巧2、仏，转发业务负载值总和^^ = A +心3;令绕行比率为《，则
[0023] 若a>〇，则需要绕行aTreiay的业务量；
[0024] 若< &，则仅绕行C3类业务，比率为叫/7；;:
[0025] 若& < 4 + [ *则绕行全部尽力而为业务C3和部分带宽敏感业务C2,带宽 敏感业务C2类业务绕行比率为(aTreiay_Tc3) /Tc2;
[0026] 若叫> & +&，则绕行全部尽力而为业务C3和带宽敏感业务C2。
[0027] 所述绕行机制基于业务流的方式实现，根据绕行比率设置合理的哈希函数选择绕 行的业务流ID，以保持同一业务流的分组按序到达。
[0028]本发明的有益效果在于：
[0029] 1)采用软件定义网络架构建设卫星网络，利用控制节点负责网络状态监测和网络 的集中控制；
[0030] 2)控制器根据全网信息和优化准则，动态选择控制点进行拥塞避免的绕行机制；
[0031] 3)解除拥塞过程中考虑了不同类型业务的QoS要求，优先绕行低优先级业务；
[0032] 4)本发明路由方法能以较低的开销实现网络的拥塞避免和负载均衡，提升网络效 率。
【附图说明】
[0033]图1是多层卫星网络结构3D视图。
[0034]图2是多层卫星网络连接图。
[0035] 图3是只有C3类业务在网络中需要绕行。
[0036] 图4是C#PC3类在网络中都需要绕行，且&类业务在LE0层绕行。
[0037] 图5是C2和C3类在网络中都需要绕行，且C2类业务在ME0或GE0层绕行。
[0038]图6是本发明方法的工作流程图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图，详细说明实施方案。
[0040] 图1给出了一种多层卫星通信网络的结构3D视图。如图2所示，多层卫星通信网络 包含地面终端、LE0层卫星、ME0层卫星和GE0层卫星，图2为示意图，每层的卫星数量不代表 真实情况中的卫星数量。
[0041 ]图3、图4和图5给出了针对时延敏感业务&、带宽敏感业务C2、尽力而为业务C3这三 类优先级依次降低的业务在该通信网络中的绕行策略示意图，时延敏感业务心不绕行，带 宽敏感业务C2绕行时优先在LE0层进行选路，仍不能满足负载要求的情况下，再绕行到ME0 或GE0层，尽力而为业务C 3重新路由时直接绕行到ME0或GE0层。
[0042]结合图6,实现本发明在多层卫星通信网络中的实施，包括以下具体步骤：
[0043] 1.网络初始化:卫星节点根据特定的路径代价函数初始化并维护基础路由表。
[0044]根据不同业务类型设定不同的路径代价函数，其计算方法如下：
[0046] D( i，j)为节点i传输数据到相邻节点j的总时延，包括传输时延、排队时延、处理时 延。B(i，j)为节点i至Ij相邻节点j的空闲带宽。Pi和P2是代表时延与带宽权重的系数，可以通 过合理设置P#PP2参数的大小来适应不同业务类型的需求，提升服务质量。
[0047] 考虑到在网络中处理时延比较小，可以忽略不计，因此D(i，j)可用下式计算：
[0049]其中第一项为传输时延，第二项为排队时延，distance(i，j)是节点i与节点j之间 的距离，v是光速，q(i)为队列长度，c为带宽。t为当前时刻，A为测量时间间隔步长，一般认 为其足够小则在间隔内队列长度不变。
[0050] 针对不同类型业务设定不同的P1和P2,其中01多〇，02多〇，01+02 = 1，具体设定原则 如下所示：
[0051] 时延敏感业务(CihpOp〗
[0052] 带宽敏感业务(⑶业加 [0053]尽力而为业务(C3) :Pi = P2 = 0.5
[0054] 2.各卫星节点按业务类型实时监测自身业务和转发业务负载，周期性地通过特定 信令通道向控制器节点反馈链路负载状态。
[0055] 3.控制器节点根据卫星链路状态反馈结果判断链路是否拥塞，判断拥塞方法为： 设定Ti ink为链路负载，链路负载为链路已使用带宽占总带宽的比重，Tth = 0.8为拥塞阈值， 若Tiink>Tth，则拥塞，将链路邻接节点和其1跳邻居标记为拥塞区域，受影响节点启动拥塞避 免机制。
[0056] 4.控制器节点根据监测到的网络状态和某种优化准则，选择合适的控制点按特定 规则绕行一部分业务到其它节点，以缓解相关链路的拥塞状况，降低丢包率，提升网络效 率。
[0057] (1)控制器选择绕行的控制点机制为（以最大网络吞吐目标为例）： 臓E 4 < 1 ' Vr I：邮成r)Y：kf如说 < cil) VI X》 > 0 u
[0059] 其中d(r)为业务流r的带宽需求，c(l)为链路1的容量，.V) e ;0.1丨为示性函数，表示 业务流r选择节点k绕行业务，这里我们取e 以避免求整形规划问题。另外，<(/)表 示单位业务流经控制点k作为绕行节点在链路1上产生的负载值。上述问题中，业务流r是在 线到达的，控制器可通过如下的原始-对偶在线网络优化算法得到近似优化的控制点k解：
[0060] 首先找出上述原问题的对偶问题，即 ? ? ~'r) f E?
[o06i] 7f{r) > fi(r) jl - J2tgr(l)^U}\ 'irr.k ?ir}J(l) > 〇 Vr,广卜 '
[0062] 1.1)初始化链路的辅助对偶变量:的7)-〇 Wei；
[0063] 1.2)业务流r到达时
[0064] 1 ? 2 ? 1)令控制点F =吨min/ Z以⑴即）
[0065] 1.2.2)计算业务接纳判决参数^/ = ^>,4(/0(/>，若￥〉1则拒绝业务流4妾入，若\^ 1则接受业务流，并继续以下步骤
[0066] ^以令业务对偶变量冲心一而'丨丨-乏^丨:/爾/) _ / _
[0067] 1.2.4)更新辅助变量
[0069] n表示节点数量，向左箭头-表示赋值。
[0070] 上述方法可以得到竞争比为e-1/e+l的近似最优算法，证明略去，实际操作时0 (1) 与链路负载呈指数关系，因此步骤1.2.4)可简化减少系统状态开销，在此基础上设计更为 简单的启发式算法。
[0071] (2)在绕行业务时考虑不同类型业务的QoS要求进行绕行路径的选择：
[0072] 尽力而为业务C3,优先级最低，在绕行时如果是全球型业务则从LE0层直接绕行到 ME0层，如果ME0层比较拥堵或是重点针对中国本土的业务则从LE0层直接绕行到GE0层；
[0073] 带宽敏感业务C2,在绕行时先在LE0层进行路径的重新选择，仍不能满足负载要求 的情况下，如果是全球型业务则从LE0层绕行到ME0层，如果ME0层此刻较拥堵或是重点针对 中国本土的业务则从LE0层绕行到GE0层；
[0074] 时延敏感业务&，优先级最高，对时延敏感，不进行绕行，维持原路。
[0075] (3)拥塞阈值为Tth，自身业务的负载值为Tseif，&、C 2、C3三类转发业务的负载值分 别为A .、心2、，其和为% +rc3。令绕行比率为a，则
[0077] 若a>〇，则需要绕行aTreiay的业务量：若aT reiay〈TC3，则仅绕行C3类业务，比率为 ；若I〈吨<A2 +1，则绕行全部c3类业务和部分c2类业务，c2类业务绕行比 率为(aTreiay-TC3)/TC2;若叫+/ (\，则绕行全部c3类业务和&类业务。
[0078] (4)绕行业务基于业务流的方式实现，根据绕行比率设置合理的哈希函数选择绕 行的业务流ID，以保持同一业务流的分组按序到达。
[0079] 5.绕行业务后控制器节点再次判断拥塞区域内链路负载是否小于解除拥塞阈值 Tr = 0.5，若Tiink〈Tr，则解除相关节点的拥塞状态，并终止拥塞避免的绕行机制。
[0080] 6 ?路由结束。
[0081]与现有卫星网络路由技术相比，本发明采用软件定义网络架构建设卫星网络，利 用控制点优化思想对网络进行集中控制，控制器根据全网信息和优化准则，动态选择控制 点进行拥塞避免的绕行机制。在绕行业务过程中考虑了不同类型业务的QoS要求，优先绕行 低优先级业务，能以较低的开销实现网络的拥塞避免和负载均衡，提升网络效率。
[0082]此实施例仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种基于软件定义网络控制点优化的卫星网络路由方法，其特征在于，包括： 步骤1、卫星节点根据不同通信业务类型设定不同的路径代价函数，初始化网络并维护 基础路由表； 步骤2、各卫星节点按照不同通信业务类型实时监测自身业务和转发业务负载，周期性 地通过信令通道向控制器节点反馈卫星链路负载状态； 步骤3、控制器节点根据卫星链路负载状态的反馈结果判断链路是否拥塞，如果拥塞则 将拥塞链路邻接节点及其1跳邻居标记为拥塞区域，受影响节点启动拥塞避免的绕行机制； 步骤4、控制器节点根据监测到的网络状态和优化准则，绕行一部分业务到其它节点， 以缓解相关链路的拥塞状况，降低丢包率，提升网络效率； 步骤5、控制器节点判断拥塞区域内链路负载是否小于解除拥塞阈值，若否，则重复步 骤4~5直到拥塞区域内链路负载小于解除拥塞阈值，然后解除相关节点的拥塞状态，并终 止拥塞避免的绕行机制，继续按基础路由表进行业务的传输。2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述不同通信业务类型根据时延权重系数和 带宽权重系数的比较获得的：大、小、等于这三个不同结果将类型分为:时延敏感业务&、带 宽敏感业务C2、尽力而为业务C 3。3. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述路径代价函数计算式如下：其中：COST(i，j)为节点i传输数据到相邻节点j的路径代价函数;D( i，j)为节点i传输 数据到相邻节点j的总时延，包括传输时延、排队时延和处理时延;B( i，j)为节点i到相邻节 点j的空闲带宽，Pi和P2分别代表时延权重系数与带宽权重系数。4. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述拥塞避免的绕行机制为:节点控制器根 据系统已存在和目前到达的业务，列出以链路容量为约束的在线优化问题，然后找出此问 题的对偶问题，根据弱对偶定理和原始-对偶优化准则，从对偶问题的可行解中找出使系统 计算开销增加最少的控制点k，并更新相关的辅助变量以便求取后续的控制点。5. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述绕行机制采用启发式算法，直接从网络 状态反馈获取辅助变量值，以降低计算开销。6. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述绕行机制针对不同通信业务类型具体包 括： 尽力而为业务C3优先级最低，在绕行时如果是全球型业务则从LEO层直接绕行到MEO层， 如果ME0层比较拥堵或是重点针对中国本土的业务则从LEO层直接绕行到GE0层； 带宽敏感业务C2在绕行时先在LEO层进行路径的重新选择，在仍不能满足负载要求的情 况下，如果是全球型业务则从LEO层绕行到ME0层，如果ME0层此刻较拥堵或是重点针对中国 本土的业务则从LEO层绕行到GE0层； 时延敏感业务&优先级最高，不进行绕行，维持原路。7. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述判断链路是否拥塞的方法为:链路负载 Tlink是否大于拥塞阈值Tth;自身业务的负载值为Tself，时延敏感业务&、带宽敏感业务(： 2、尽 力而为业务C3这三类转发业务的负载值分别为&、7λ、，转发业务负载值总和 7二/u, = A + ? + ? ;令绕行比率为α，则若α>〇，则需要绕行aTreiay的业务量； 若,则仅绕行C3类业务，比率为《7^/1 若A +&，则绕行全部尽力而为业务C3和部分带宽敏感业务C2,带宽敏感 业务C2类业务绕行比率为(aTrelay-T(；3)/Tc2 ; 若，则绕行全部尽力而为业务C3和带宽敏感业务C2。8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述绕行机制基于业务流的方式实现，根据 绕行比率设置合理的哈希函数选择绕行的业务流ID，以保持同一业务流的分组按序到达。
【文档编号】H04L12/803GK105959232SQ201610430639
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】晏坚, 钟贵廷, 张明阳, 匡麟玲
【申请人】清华大学