一种基于请求域的软件定义星地融合网络域间路由方法

1.本发明属于星地融合网络通信和路由领域，具体涉及一种基于请求域的软件定义星地融合网络域间路由方法。


背景技术：

2.随着地面偏远地区、海上通信、空中通信业务需求的不断增长，通过卫星网络与地面网络的优势互补建设覆盖全球、全场景信息立体覆盖的星地融合网络是未来移动通信网络发展的必然方向。为促进卫星网络与地面网络的深度融合发展，国内外学者提出了基于“软件化”和“虚拟化”技术的软件定义星地融合网络架构，以降低网络运营成本，实现卫星网络与地面网络的无缝集成，促进新应用、新业务和新通信技术的融合。而大规模低轨道卫星网络能够降低网络传输延迟，为地面移动终端设备提供实时接入服务，成为星地融合网络提供快速、低廉、便捷通信服务的重要组成部分。但低轨道卫星数目的增多使星地融合网络规模不断扩大、拓扑结构更加复杂、链路切换和中断更加频繁。
3.星地融合网络规模的扩大和网络动态性的增强给软件定义星地融合网络的管理与控制带来了巨大的挑战，为此国内外学者提出了多种针对软件定义星地融合网络的分布式控制器部署的方案。根据控制器的覆盖范围可以将软件定义星地融合网络划分为多个独立的控制域，每个控制域独立向域用户提供服务，从而提高网络路由方案的可扩展性，减弱控制器的资源制约。而控制域间路由的作用则是互联软件定义星地融合网络的各控制域，实现全球用户间的业务传输。因此，研究高效、可克服网络拓扑动态变化、改善用户体验质量的域间路由，对实现全球用户跨地区互联以及促进星地网络一体化融合非常重要。
4.然而，由于星地融合网络具有高动态性，直接将地面网络的域间路由方法应用到星地融合网络会面临路由频繁更新等技术挑战。另外，将星地融合网络视为一个整体，利用卫星在轨运行的规律性和确定性预测网络节点的位置与链路状态，借助时隙划分方法静态化网络拓扑，再通过地面站进行业务转发路径的计算。该类方法需要较长的时间来完成整网的路由更新，而且过度依赖部署在全球范围内的地面站，极大程度上制约了星地融合网络的服务范围和服务能力。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于面向软件定义星地融合网络采用分布式控制器部署结构带来的控制域间路由问题，从克服星地融合网络拓扑动态变化、改善用户体验质量、提升网络性能的角度，本发明利用地球固定足印和最大化虚拟链路数的拓扑静态化方法，结合最小矩形请求域和随机选择原则，提出了一种可根据静态化虚拟拓扑在分布式控制域划分和最小矩形请求域构造基础上的域间路由方法。
6.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明公开了一种基于请求域的软件定义星地融合网络域间路由方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤1：利用基于地球固定足印的虚拟节点策略，构建软件定义星地融合网络低轨
道卫星所形成的逻辑区域，标识每个逻辑区域的固定虚拟节点的逻辑地址，并将虚拟节点逻辑地址与其距离最近的低轨道卫星相关联，
8.其中，步骤1所述的逻辑区域为每颗卫星的对地足印所等效成的球面六角形，记作r
i,j
，i＝1,2,
…
,n
l
，j＝1,2,
…
,m
l
，
9.所述的固定虚拟节点对应每个逻辑区域的中心，使用逻辑地址《i,j》标识，i为轨道面编号，j为虚拟节点编号，所述的逻辑区域不随卫星运动而变化，一旦低轨道卫星运动到新的逻辑区域，其足印将同步切换到新的逻辑区域，其逻辑地址更换为新逻辑区域的地址；
10.步骤2：以维持逻辑区域间持续连接为虚拟链路建立原则，构建同轨道面内以及相邻轨道面上相邻逻辑区域间的虚拟链路，并采用最大化虚拟链路数的逻辑区域划分方法将动态变化的软件定义星地融合网络数据平面静态化为固定虚拟拓扑；
11.步骤3：根据对准时刻域控制器覆盖的经度范围将固定虚拟拓扑均匀划分为多个控制域，并标记出每个控制域内的虚拟边界节点，每个控制域由相应的域控制器控制，整网由超控制器控制；
12.步骤4：源虚拟节点将接收到的新业务请求发送给相应的域控制器，域控制器收到请求后判断该业务请求的目的虚拟节点是否在其控制域内，若是，则该域控制器计算业务流的域内转发路径，并下发卫星交换机的流表配置消息，结束本流程；若不是，则域控制器将业务请求发送给超控制器处理，并执行步骤5；
13.步骤5：根据源虚拟节点和目的虚拟节点的逻辑地址《i,j》和《k,l》判断两节点是否位于同一半球，若是，则在固定虚拟拓扑上构造以虚拟节点《i,j》和《k,l》为对角线顶点的最小矩形请求域，并执行步骤6；若不是，则执行步骤7；
14.步骤6：根据两虚拟节点的节点编号j和l以及同一半球内两相邻域间存在轨间虚拟链路的虚拟边界节点的节点编号集合sm'进行以下判断：
15.(1)如果j＝l且j，l∈sm
′
，则分别优先选择两个域内节点编号与j和l相同的虚拟边界节点作为出口和入口节点；
16.(2)如果j＝l且j，则选择虚拟节点编号在集合sm
′
范围内，且与j和l的差值最小的虚拟边界节点作为出口和入口节点；
17.(3)如果j≠l且j，l∈sm
′
，则随机选择最小矩形请求域内任意虚拟边界节点编号作为两个域的出口和入口节点的节点编号；
18.(4)如果j≠l且j，则从sm
′
内随机选择一个虚拟边界节点编号作为两个域的出口和入口节点的节点编号；
19.步骤7：判断源虚拟节点和目的虚拟节点的轨道编号i和k是否均属于同一不同半球内轨道相同的相邻域间虚拟边界节点所在轨道编号集合dn
′
中，若是，则分别计算源虚拟节点和目的虚拟节点绕过南极或北极连通所间隔的距离，选择跨越距离较短的极点构造最小矩形请求域，并执行步骤8；若不是，则执行步骤9；
20.步骤8：根据源虚拟节点和目的虚拟节点所在轨道编号i和k进行以下判断：
21.(1)如果i＝k，则分别选择两个域内轨道i和k上的虚拟边界点作为出口和入口节点；
22.(2)如果i≠k，则从最小矩形请求域所覆盖的轨道编号范围内随机选择一个轨道
编号作为两个域内出口和入口节点的轨道编号；
23.步骤9：随机执行以下(1)或者(2)，
24.(1)选出与源虚拟节点＜i，j＞在同一半球的相邻域内节点编号为j的虚拟边界节点作为出口节点，并将该出口节点与目的虚拟节点作为新的源和目的节点对继续执行步骤7；
25.(2)选择与源虚拟节点＜i，j＞在不同半球内轨道编号为i的相邻域内的虚拟边界节点作为出口节点，并将该出口节点与目的虚拟节点作为新的源和目的节点对继续执行步骤5；
26.步骤10：完成相邻域间的出口和入口节点选择后，按照直接转发的原则构造域间转发路径。
27.其中，所述的软件定义星地融合网络数据平面采用由n
l
×ml
颗低轨道卫星组成的铱星星座，域控制器为ng颗静止轨道卫星，超控制器为地面网络控制中心；
28.所述铱星星座中除反向缝两侧轨道上的低轨道卫星外，每颗低轨道卫星均可以与相邻卫星间建立4条星间链路，反向缝两侧轨道上的低轨道卫星间不存在跨反向缝隙的星间链路，并且低轨道卫星通过极区时，关闭与左右相邻轨道上的星间链路；
29.所述的铱星星座系统周期为t，所述的极区纬度阈值为
30.优选的，步骤2所述的虚拟链路建立原则为：同轨道面内相邻逻辑区域间则存在持续连接的轨内虚拟链路，而仅当相邻轨道面上的两相邻逻辑区域均不受极区影响时，两相邻逻辑区域之间形成轨间虚拟链路。
31.进一步的，步骤2所采用的最大化虚拟链路数的逻辑区域划分方法，包括以下步骤：
32.步骤21：以铱星系统反向缝为边界，将卫星从北向南运动的半球划分东半球，从南向北运动的半球划分西半球；
33.步骤22：确定对准时刻为系统周期内东半球中紧邻反向缝右侧的轨道上首次出现卫星真近点角为0
°
的时刻；
34.步骤23：标记虚拟节点的轨道位置为对准时刻低轨道卫星轨道面的位置；
35.步骤24：从东半球上位于反向缝右侧的第一条虚拟节点轨道开始，依次将东半球内的虚拟节点轨道编号为1，2，
…
，n
l
；
36.步骤25：将奇数虚拟节点轨道上距北极区的纬度范围为经度范围为[λ
2n-1-π/2n
l
，λ
2n-1
+π/2n
l
]的逻辑区域作为第一个逻辑区域，并以2π/m
l
的纬度间隔从东半球依次划分逻辑区域，并分别编号为1，2，
…
，m
l
；其中λ
2n-1
为编号为2n-1的虚拟节点轨道的经度值；
[0037]
步骤26：将偶数虚拟节点轨道上距北极区的纬度范围为经度范围为[λ
2n-π/2n
l
，λ
2n
+π/2n
l
]的逻辑区域作为第一个逻辑区域，并以2π/m
l
的纬度间隔从东半球依次划分逻辑区域，并分别编号为1，2，
…
，m
l
；其中λ
2n
为编号为2n的虚拟节点轨道的经度值。
[0038]
进一步，当n
l
、m
l
和为定值时，北极区与紧邻的逻辑区域之间的角距为0
°
时，固定虚拟拓扑中的轨间虚拟链路数目取得最大值，最大链路数的计算公式为：
[0039][0040]
其中，所述域控制器管控其覆盖范围内若干条轨道上的虚拟节点所构成的控制域，每个控制域内包含多个虚拟边界节点，相邻虚拟边界节点间通过单条虚拟链路相连。
[0041]
优选的，所述的虚拟边界节点包括每个控制域内紧邻南北极的虚拟节点和每个控制域内与同一半球的相邻控制域间存在轨间虚拟链路的虚拟节点。
[0042]
进一步的，所述步骤7中，当源虚拟节点和目的虚拟节点位于不同半球且轨道编号位于不同轨道编号集合时，则先选定同一半球内沿目的节点方向与源虚拟节点所在控制域相邻的控制域内节点编号为i的虚拟边界节点为中间虚拟节点，构造以源虚拟节点《i,j》和中间虚拟节点为对角线顶点的最小矩形请求域，然后构造不同半球内以中间虚拟节点和目的虚拟节点《k,l》为对角线顶点的最小矩形请求域。
[0043]
进一步的，所述步骤7中，当源虚拟节点和目的虚拟节点位于不同半球且轨道编号位于不同轨道编号集合时，选定不同半球内跨极区且与源虚拟节点所在控制域相邻控制域内轨道编号为i的虚拟边界节点为中间虚拟节点，构造以源虚拟节点《i,j》和中间虚拟节点为对角线顶点的最小矩形请求域，然后构造同一半球内以中间虚拟节点和目的虚拟节点《k,l》为对角线顶点的最小矩形请求域。
[0044]
本发明具有以下有益效果：
[0045]
本发明利用基于地球固定足印和最大化虚拟链路数的逻辑区域划分方法将不断变化的星地融合网络数据平面抽象为一个相对地面静止且不随卫星运动变化的固定虚拟拓扑，克服了低轨道卫星不停绕行和链路频繁中断引起的拓扑变化。
[0046]
本发明通过综合考虑了虚拟域内所选边界节点与源/目的节点间的路径跳数以及边界节点发生拥塞的可能性来选择相邻域的出口和入口节点，同时引入距离最短和随机选择原则构建控制域间路径，以降低数据传输的传输延迟和丢包率，为用户体验质量的提升提供保障。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例1中卫星a和卫星b在极区外时二者间的星间链路示意图。
[0048]
图2为本发明实施例1中卫星b进入极区时与卫星a之间的星间链路示意图。
[0049]
图3为本发明实施例1中极区附近固定虚拟拓扑示例图。
[0050]
图4为本发明实施例1中控制域与虚拟边界节点示例图。
[0051]
图5为本发明实施例1中源虚拟节点和目的虚拟节点位于同一半球时生成的请求域示意图。
[0052]
图6为本发明实施例1中源虚拟节点和目的虚拟节点位于不同半球但轨道编号范围相同时生成的请求域示意图。
[0053]
图7为本发明实施例1中源虚拟节点和目的虚拟节点位于不同半球且轨道编号范围不同时生成的请求域示意图。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0055]
实施例1
[0056]
本发明所述的软件定义星地融合网络由4颗静止轨道卫星、6
×
11颗低轨道卫星组成的铱星星座、地面网络控制中心和地面用户终端组成。
[0057]
静止轨道卫星之间通过同轨道星间链路互连，地面用户终端通过上下行用户数据链路直接与低轨道卫星通信，地面网络控制中心仅与可见的静止轨道卫星建立持续稳定的星地链路。除反向缝两侧轨道上的低轨道卫星外，每颗低轨道卫星与紧邻的4颗低轨道卫星建立星间链路，而反向缝两侧轨道上的低轨道卫星仅与同轨道内紧邻的2颗低轨道卫星建立星间链路，不建立跨反向缝隙的星间链路。
[0058]
而且，当低轨道卫星通过极区时，关闭与左右相邻轨道上低轨道卫星间的星间链路。低轨道铱星星座的系统周期为t，极区纬度阈值为静止轨道卫星仅与其覆盖范围内的低轨道卫星建立层间链路。
[0059]
网络的域控制器部署在4颗静止轨道卫星上，超控制器部署在地面网络控制中心。本发明以上述所构建的星地融合网络为例，公开的一种基于请求域的软件定义星地融合网络域间路由方法实施步骤如下：
[0060]
步骤1：利用基于地球固定足印的虚拟节点策略，构建软件定义星地融合网络低轨道卫星所形成的逻辑区域，标识每个逻辑区域的固定虚拟节点的逻辑地址，并将虚拟节点逻辑地址与其距离最近的低轨道卫星相关联，
[0061]
其中，步骤1所述的逻辑区域为每颗卫星的对地足印所等效成的球面六角形，记作r
i，j
，i＝1，2，
…
，6，j＝1，2，
…
，11，
[0062]
固定虚拟节点对应每个逻辑区域的中心，使用逻辑地址＜i，j＞标识，i为轨道面编号，j为虚拟节点编号，逻辑区域不随卫星运动而变化，一旦低轨道卫星运动到新的逻辑区域，其足印将同步切换到新的逻辑区域，其逻辑地址更换为新逻辑区域的地址；
[0063]
步骤2：以维持逻辑区域间持续连接为虚拟链路建立原则，构建同轨道面内以及相邻轨道面上相邻逻辑区域间的虚拟链路，并采用最大化虚拟链路数的逻辑区域划分方法将动态变化的软件定义星地融合网络数据平面静态化为固定虚拟拓扑；
[0064]
所采用的最大化虚拟链路数的逻辑区域划分方法具体步骤如下：
[0065]
步骤21：以铱星系统反向缝为边界，将卫星从北向南运动的半球划分东半球，从南向北运动的半球划分西半球；
[0066]
步骤22：确定对准时刻为系统周期内东半球中紧邻反向缝右侧的轨道上首次出现卫星真近点角为0
°
的时刻；
[0067]
步骤23：标记虚拟节点的轨道位置为对准时刻低轨道卫星轨道面的位置，轨道面内虚拟节点以2π/11为间隔均匀分布；
[0068]
步骤24：从东半球上位于反向缝右侧的第一条虚拟节点轨道开始，依次将东半球内的虚拟节点轨道编号为1，2，
…
，6；
[0069]
步骤25：将奇数虚拟节点轨道上距北极区的纬度范围为经度范围为[λ
2n-1-π/2
×
6，λ
2n-1
+π/2
×
6]的逻辑区域作为第一个逻辑区域，并以2π/11的纬度间隔从
东半球依次划分逻辑区域，并分别编号为1，2，
…
，11；其中λ
2n-1
为编号为2n-1的虚拟节点轨道的经度值；
[0070]
步骤26：将偶数虚拟节点轨道上距北极区的纬度范围为经度范围为[λ
2n-π/2
×6l
，λ
2n
+π/2
×
6]的逻辑区域作为第一个逻辑区域，并以2π/11的纬度间隔从东半球依次划分逻辑区域，并分别编号为1，2，
…
，11；其中λ
2n
为编号为2n的虚拟节点轨道的经度值。
[0071]
如图1和图2所示，当卫星a和卫星b均在极区之外时，二者之间可以建立轨间星间链路；而当卫星b越过极区纬度阈值线时，卫星a和卫星b之间的轨间星间链路由连通状态变为关闭状态。即当逻辑区域r
i+1，j
被极区纬度阈值线划分为两部分时，卫星b在逻辑区域r
i+1，j
内绕行时会引起逻辑区域r
i，j
和逻辑区域r
i+1，j
之间的连通性发生变化。
[0072]
因此，为保证虚拟拓扑固定不变，规定仅当相邻两逻辑区域均不受极区纬度阈值影响时，相邻逻辑区域之间才存在虚拟链路，极区附近的固定虚拟拓扑示例如图3所示。逻辑区域不随卫星运动而变化，形成叠加在物理拓扑上的地球固定虚拟拓扑。
[0073]
步骤3：根据对准时刻域控制器覆盖的经度范围将虚拟拓扑均匀划分为4个域，并将相邻控制域间存在虚拟链路的虚拟节点标记为虚拟边界节点，每个控制域由相应的域控制器控制，整网由超控制器控制。
[0074]
如图4所示，域控制器管控其所在半球内三条轨道上的虚拟节点所构成的控制域。每个控制域内紧邻南北极的虚拟节点被选作虚拟边界节点，其中包括紧邻反向缝的两条轨道中紧邻南北极的四个虚拟节点。
[0075]
此外，每个控制域内与同一半球的相邻控制域间存在轨间虚拟链路的虚拟节点也均被选作虚拟边界节点。每个控制域内包含多个虚拟边界节点，相邻虚拟边界节点间通过单条虚拟链路相连。
[0076]
步骤4：源虚拟节点将接收到的新业务请求发送给相应的域控制器，域控制器收到请求后判断该业务请求的目的虚拟节点是否在其控制域内，若是，则该域控制器计算业务流的域内转发路径，并下发卫星交换机的流表配置消息，结束本流程；若不是，则域控制器将业务请求发送给超控制器处理，并执行步骤5；
[0077]
步骤5：根据源虚拟节点和目的虚拟节点的逻辑地址＜i，j＞和＜k，l＞判断两节点是否位于同一半球，若是，则在固定虚拟拓扑上构造以虚拟节点＜i，j＞和＜k，l＞为对角线顶点的最小矩形请求域，并执行步骤6；若不是，则执行步骤7；
[0078]
当两个虚拟节点＜i，j＞和＜k，l＞域位于同一半球时，根据两虚拟节点的逻辑地址编号构成一个最小矩形请求域，如图5所示，
[0079]
步骤6：根据两虚拟节点的节点编号j和l以及同一半球内两相邻域间存在轨间虚拟链路的虚拟边界节点的节点编号集合，sm
′
进行以下判断：
[0080]
(1)如果j＝l且j，l∈sm
′
，则分别优先选择两个域内节点编号与j和l相同的虚拟边界节点作为出口和入口节点；
[0081]
(2)如果j＝l且j，则选择虚拟节点编号在集合sm
′
范围内，且与j和l的差值最小的虚拟边界节点作为出口和入口节点；
[0082]
(3)如果j≠l且j，l∈sm
′
，则随机选择最小矩形请求域内任意虚拟边界节点编号作为两个域的出口和入口节点的节点编号；
[0083]
(4)如果j≠l且j，则从sm
′
内随机选择一个虚拟边界节点编号作为两个域的出口和入口节点的节点编号；
[0084]
步骤7：判断源虚拟节点和目的虚拟节点的轨道编号i和k是否均属于同一不同半球内轨道相同的相邻域间虚拟边界节点所在轨道编号集合dn
′
中，若是，则分别计算源虚拟节点和目的虚拟节点绕过南极或北极连通所间隔的距离，即计算j和l之间间隔的节点编号个数，选择跨越距离较短的极点构造最小矩形请求域，并执行步骤8；若不是，则执行步骤9；
[0085]
当两节点位于不同半球但轨道编号位于同一轨道编号集合范围内时，分别计算源虚拟节点和目的虚拟节点绕过南极或北极相连通所间隔的距离，即计算j和l之间间隔的节点编号个数，选择跨越距离较短的极点方向构造最小矩形请求域，如图6所示。
[0086]
当两节点位于不同半球且轨道编号位于不同轨道编号集合时，则可以先选定同一半球内沿目的节点方向与源虚拟节点所在控制域相邻的控制域内节点编号为i的虚拟边界节点为中间虚拟节点，构造以源虚拟节点＜i，j＞和中间虚拟节点为对角线顶点的最小矩形请求域，然后构造不同半球内以中间虚拟节点和目的虚拟节点＜k，l＞为对角线顶点的最小矩形请求域；
[0087]
或者，先选定不同半球内跨极区且与源虚拟节点所在控制域相邻控制域内轨道编号为i的虚拟边界节点为中间虚拟节点，构造内以源虚拟节点＜i，j＞和中间节点为对角线顶点的最小矩形请求域，然后构造同一半球内以中间虚拟节点和目的虚拟节点＜k，l＞为对角线顶点的最小矩形请求域；结果如图7所示。
[0088]
步骤8：根据源虚拟节点和目的虚拟节点所在轨道编号i和k进行以下判断：
[0089]
(1)如果i＝k，则分别选择两个域内轨道i和k上的虚拟边界点作为出口和入口节点；
[0090]
(2)如果i≠k，则从最小矩形请求域所覆盖的轨道编号范围内随机选择一个轨道编号作为两个域内出口和入口节点的轨道编号；
[0091]
步骤9：随机执行以下(1)或者(2)，
[0092]
(1)选出与源虚拟节点＜i，j＞在同一半球的相邻域内节点编号为j的虚拟边界节点作为出口节点，并将该出口节点与目的虚拟节点作为新的源和目的节点对继续执行步骤7；
[0093]
(2)选择与源虚拟节点＜i，j＞在不同半球内轨道编号为i的相邻域内的虚拟边界节点作为出口节点，并将该出口节点与目的虚拟节点作为新的源和目的节点对继续执行步骤5；
[0094]
步骤10：完成相邻域间的出口和入口节点选择后，按照直接转发的原则构造域间转发路径。
[0095]
以上所述，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。