[发明专利]一种基于分布式SDN的卫星网络及其构建方法

权利要求书

1.一种基于分布式SDN的卫星网络的构建方法，所述的基于分布式SDN的卫星网络，采用GEO/MEO/LEO三层卫星网络模型，其星座轨道参数如下：

GEO层的轨道参数为：轨道高度35786km，轨道平面数目1个，轨道内卫星数3个，轨道倾角0°，角速度0.25°/min，最小仰角8°；

MEO层的轨道参数为：轨道高度10390km，轨道平面数目2个，轨道内卫星数5个，轨道倾角45°，角速度1.0°/min，最小仰角10°；

LEO层的轨道参数为：轨道高度896km，轨道平面数目8个，轨道内卫星数6个，轨道倾角90°，角速度3.6°/min，最小仰角8°；

所述的GEO层为3颗同步轨道卫星；MEO层采用ICO星座；LEO层采用Iridum星座；

所述的GEO层、MEO层及LEO层都提供全球覆盖；

其特征在于：所述的构建方法，包括以下步骤：

A、根据SDN的思想重新定义卫星网络的节点，进行网络的节点部署

SDN具有以下三个特点：可编程、控制平面与数据平面分离以及用于网络瞬时状态管理的集中式控制模型；基于这三个特点SDN的基本网络由转发层、控制层和业务层三层构成；基于SDN的卫星网络中包含三类节点，分别为全局控制器节点、局部控制器节点和交换机节点；

考虑到卫星网络大的空间尺度的问题，控制器采用分层分布式的控制器集群，GEO层放置三个主控制器负责整个卫星网络，MEO层部署多个局部控制器只负责本区域内的网络节点；作为控制节点的卫星需实现以下功能：

A1、通过链路发现功能获取全网信息，包括节点资源、运行状态、链路利用率和拥塞情况，从而完成网络地址学习、路由转发功能；

A2、获取交换机的相关信息，完成拓扑管理功能；

A3、通过控制器配置路由信息，生成流表；

A4、通过流表下发实现对交换机的管理；同样交换机也部署在网络的每一层，其他的卫星作为普通的通信节点连接到交换机；作为交换机节点的卫星负责完成网络中的数据转发功能；

此时完成了基于SDN的卫星节点的定义，并基于DSDSN网络进行了节点部署；

B、构建DSDSN网络

根据卫星网络的三层卫星星座分层，将卫星网络的天基网络分为三层网络，即分为高轨道卫星、中轨道卫星和低轨道卫星三层网络，分别命名为GEO层、MEO层和LEO层；每层网络包含作为控制器的卫星与作为交换机的卫星，其他的卫星作为通信节点连接到交换机的卫星；分布在各层网络的控制器实现控制层逻辑上的集中和物理上的分布，所有的控制器都按照标准的网络级视图，运行相同的控制软件和应用程序集；其余卫星作为基础设施层负责简单的数据转发；

同一层网络的卫星群内，控制器组成集群，共享本层网络内的拓扑变化信息，此时每个节点距离它直连的节点的传输延时要求高；每层控制器集群中设置一个主控制器，各层的主控制器通过事件传播系统共享各层信息；

C、基于聚类和贪婪算法对控制器系统配置策略进行重新设计

所述的控制器系统指的是控制器集合所构成的系统，针对DSDSN网络基于这两种算法提出一种改进的选择算法；

定义1：用G＝(V,E,C)表示一个卫星网络，集合V＝{1,...,N}代表各通信节点，E代表各节点之间的通信链路，C＝{C1,...,Ck}代表控制器集合；用D(i,j)代表控制器i与控制器j之间的传输时延，Dreq为通信节点与控制器之间的传输时延上限；设T为卫星时变网络的周期，(T₁,T₂,...,T_i)为T的几个时间节点，在计算节点间的时延时，将其定义为不同时间点的平均值，即：

考虑到卫星网络大的时空尺度的特性在设计控制器选择算法时，将整个网络根据就近原则进行分块；综合考虑控制器到达节点的时延和放置的控制器的个数，对算法的权重进行重新设计；

在上式中，表示所有节点到控制器C_k时延的平均值，D_max(v,C_k)代表控制器C_k到域内节点最大时延值，M为控制器的个数；控制器系统配置策略包括以下步骤：

C1、由于卫星网络的卫星根据轨道进行划分，因此卫星网络中的组网需要根据邻近轨道进行划分，依据相邻网络将卫星网络划分为几个区域，即R＝{R1,R2,R3,...,Rj}；

C2、针对每个划分的区域设计控制器配置策略；以控制器个数M作为聚类数，在该区域中计算每个节点的u值并从小到大排列{u₁,u₂,...,u_m,...,u_n}，选出u₁,u₂,...,u_m作为聚类质心k，即作为控制器；

C3、找出符合d(k,v)≤Dreq要求的节点归入聚类中；

C4、在已生成的聚类中，基于本聚类，重新计算聚类内的每个节点的u值，选出最小的那个节点作为控制器，否则继续使用k作为控制器；

C5、按照这种方法继续生成聚类，重复步骤C2-C4三个步骤，直到所有的节点都包含在所有的聚类中；

D、对主控制器选择策略进行重新设计

定义2：用图G(t)＝(V,E(t)),0≤t≤T表示控制器集群所在卫星网络在t时刻的网络结构，其中V＝{v₁,v₂,...,v_s}表示卫星网络中的卫星节点集合，E(t)为t时刻的星际链路集合，T为卫星网络的拓扑变化周期；

定义3：用w_m,o表示控制器集群中主控制器Master_Ctrl和任一其他控制器Other_Ctrl节点对，则Q(w_m,o)＝{E₁,E₂,...,E_k,...,E_K}代表Master_Ctrl和Other_Ctrl之间的链路连接，即Master_Ctrl经过K-1跳到达Other_Ctrl；

为了表示单个链路上的流量，令链路包含函数为：

式中，若路径经过链路E_k则取1，反之取0；

用表示链路E_k上的时延，表示链路E_k连接时长；

定义4：用m表示卫星节点集合V＝{v₁,v₂,...,v_s}组成的控制器系统中共有m类资源，每个卫星上有若干资源；

对链路连接时长c、链路总时延d及卫星的资源R_j进行多目标优化，其优化函数和约束条件如下：

利用加权系数将其转化为单目标优化工作，如下式：

max f＝ω₁c-ω₂d+ω₃R_j (5)

式中ω₁、ω₂和ω₃分别为链路连接时长c，总时延d和资源R_j的加权值为(ω₁+ω₂+ω₃＝1)；

解决多目标优化问题各目标之间矛盾性的关键在于权值系数的确定，运用本征向量法来求解各权值；

由决策人把n个属性的重要性成对比较，把第p个属性对第q个属性的相对重要性记为α_pq，并认为，这就是属性p的权w_p和属性q的权w_q之比的近似值，α_pq＝w_p/w_q，n个目标成对比较的结果形成决策矩阵A；

权重是指把第1个属性链路连接时长的权ω₁和第2个属性总时延的权ω₂之比记为α₁₂，第2个属性总时延的权ω₂和第3个属性卫星资源的权ω₃之比记为α₂₃，以此类推，构成决策矩阵A；则：

(Α-nΙ)w＝0 (7)

式中Ι是单位矩阵，若决策矩阵A中的值估计准确，上式严格等于0；若估计不够准确，则决策矩阵A中元素的小的摄动代表本征值的小的摄动，于是有：

Αw＝λ_maxw (8)

式中λ_max是决策矩阵Α的最大本征值；根据该式求得本征向量即权向量；

w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T (9)

式中，w是本征向量，w₁、w₂、… 、w_n表示权重；

为了判定决策矩阵Α在此方法中的科学性，引入一致性比率CR的概念，用一致性指标CI与随机指标RI的比值来表示，它用来判定决策矩阵Α是否被接受；

若比率CR0.1，说明各元素α_pq的估计一致性太差，应重新估计；若CR0.1，认为α_pq的估计基本一致，用式(9)求得w。