[发明专利]一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法

权利要求书

1.一种基于SDN的天基信息网络多控制器失效处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A.构建基于SDN的天基信息网络多控制器失效备援架构，其具体为：

所述的基于SDN的天基信息网络多控制器失效备援架构，包括应用层、控制层和转发层；

应用层建立在地面，由应用层控制中心和基站组成，通过北向接口与GEO即高轨卫星相互通信；控制层由GEO和MEO即中轨卫星组成，其中GEO作为主控制器，分管作为普通控制器的MEO，MEO通过OpenFlow协议与转发层的LEO即低轨卫星相互通信；架构中的控制层控制整个物理网络；

步骤B.失效检测机制的设计，所述失效检测机制的数学模型表示为：

O＝M×L (1)

其中，O为失效检测的输出，表示为：

M为心跳同步的输出，表示为：

同理双向转发机制的输出L表示为：

只有当心跳同步和双向转发机制两种方法的输出都为1的时候，整个天基信息网络才正常运行，否则当某一种方法检测出故障时，则说明整个天基信息网络存在失效状况；

B1.所述的心跳同步，其具体为：

GEO与其管辖区域内的每一个MEO保持固定间隔的心跳，心跳报文用于主控制器确定普通控制器是否存在；如果在规定时间内，主控制器没有收到来自于普通控制器心跳返回消息，那么就判断主控制器与此普通控制器失去连接；这种方法的数学模型为：

其中T_heart为MEO发出心跳同步消息到GEO收到心跳同步信息的时延，如果GEO未收到心跳同步消息，则T_heart＝∞；R表示链路的时延带宽积：

R＝t_i(T_rec,T_send)×B (6)

时延带宽积代表当发送端发送的第一个比特即将到达终点时，链路中存在的比特数；t_i(T_rec,T_send)表示链路的传播时延，即T_rec-T_send；B表示链路的带宽；η为带宽利用率，用公式表示为：

天基信息网络处于高动态的环境中，因此星间链路的通断状态频繁切换，当链路断开时一段报文可能还未完成发送；因此，将报文u分为n组，分别用u_i表示，其中i＝1,2,…,n；

B2.所述的双向转发机制，其具体为：

当MEO与某个LEO之间连接中断时，作为交换机的LEO根据自身的反应机制自动向GEO发送出现故障的普通控制器MEO和交换机LEO的信息，这个信息被称为反馈信息；这时，GEO会判断故障的情况，并产生解决方案；

其数学模型表示为：

S为LEO是否向GEO发送失去连接信息，当S＝1为已发送失去连接信息，反之则相反；

步骤C.基于帕克索斯Paxos算法的故障恢复控制器选举算法，其具体为：

定义1：用w_c,f表示待选的普通控制器与交换机的节点对；Q(w_c,f)＝{E₁,E₂,...,E_p}代表待选的普通控制器和交换机之间的链路连接，即普通控制器经过q-1跳到达交换机；令链路包含函数为：

定义2：用f₁表示链路的连接时间，其优化函数为：

定义3：用f₂表示链路的链路总时延，其优化函数为：

定义4：用f₃表示待选控制器的容量，其优化函数为：

maxf₃＝c (12)

定义5：用f₄表示待选控制器的负载，其优化函数为：

minf₄＝(L_j1,L_j2,…,L_jn) (13)

对链路连接时间t、链路总时延d、待选控制器容量c及卫星的资源L_j进行多目标优化，其优化函数和约束条件如下：

s.t.

i∈k,k≤4,j∈V (14)

利用加权系数将其转化为单目标优化工作，如下式：

maxF＝ω₁f₁-ω₂f₂+ω₃f₃-ω₄f₄ (15)

式中maxF为控制器总优化函数，ω₁、ω₂、ω₃和ω₄为f₁，f₂，f₃和f₄，也就是链路连接时长t，总时延d，控制器容量c以及资源L_j的加权值为ω₁+ω₂+ω₃+ω₄＝1；

所述的故障恢复控制器选举算法，包括以下步骤：

C1、每个控制器维护自己的投票号B_i和优化值maxF，并按投票号的顺序依次进行投票，接受投票的卫星节点被称为Proposer，进行投票的卫星节点被称为Acceptor；

C2、每个Acceptor在收到准备投票消息后，需要保存当前收到过的最大投票号maxB_i，如果Acceptor首次受到投票号，则maxB_i为空，那么Acceptor直接保存所收到的B_i；如果maxB_i非空，则Acceptor会把刚收到的B_i与maxB_i进行比较；如果B_i小于maxB_i，则Acceptor不予回应，返回步骤C1；反之则进行步骤C3；

C3、将选票中的maxF与Acceptor自身议案中的maxF值进行比较，如果Acceptor自身议案中的maxF值小于收到议案的maxF值，则Acceptor向Proposer发送同意其被选举为控制器的信息ACCEPTED；反之则不予回应；

C4、进行多次迭代，直到有一个Proposer收到全部ACCEPTED消息为止。