一种空间信息网络架构的制作方法

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种空间信息网络架构。

背景技术：

空间信息网络SIN(Spatial Information Networks)是由不同高度的地球卫星、空间站、无人/有人飞船、飞艇、飞机等节点通过星地、星间链路将各类航天器和地面通信网等异构网络互联互通起来，按照信息资源的最大有效综合利用原则构成的天地协同的信息网络。

空间信息网络由大量专用系统、专用网络构成，各自长期发展过程中缺乏统一标准，彼此间相互独立，网络的管理实体应用需求和习惯也大相径庭，不同管理域异构网络互联互通困难，节点资源协同困难。

天基网络相对于地面网络的一些特殊性影响着网络性能：卫星上受限等原因使得卫星上处理能力弱；拓扑动态变化使得路由不稳定；节点的通信技术与协议不一致使得节点间协同能力弱；任务需求多样性，目前缺乏有效的方法来根据不同的任务需求来灵活调度不同类型的节点资源协同完成复杂的空间任务；天基网络的特性，决定了传统的以固定拓扑为基础的地面网络架构理论并不能完全移植到空间网络中，尤其是在动态路由算法、接入负载均衡等方面。

软件定义网络(Software Defined Network,简称SDN)是一种新型的网络创新架构，其通过将网络设备控制面与数据面进行解耦，从而实现了对网络流量的灵活控制。在现有SDN网络中,存在一种分布-集中式的控制架构模型，即设置大量控制器用以对各网络硬件设备进行数据转发等操作，并通过一个与各控制器连接的主控制器对各控制器进行统筹，从而实现多个控制器的协同运行。

到目前为止，研究者们提出一些基于SDN(Software Defined Networking，软件定义网络)的应用框架：包括软件定义蜂窝网络，软件定义无线接入网，在卫星网络领域，SDN、网络虚拟化和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)技术对卫星网络具有极大的意义和重要性，并通过真实用例来说明了用SDN来设计空间信息网络架构是一种可行方案，是SDN应用于空间信息网络的理论基础。但该架构并不适用于我国地面站受限的情况，本发明针对我国国情，提出了基于天地多控制器协作的空间信息网络架构。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的网络架构和通信方法。

根据本发明的一个方面，提供一种空间信息网络架构，所述网络架构包括：地面信息港，通过数据转发层与天基骨干网相连接，用于根据接收到的流表执行用户任务请求、与天基骨干网同步全局信息、对网络进行全局控制；数据转发层，由中地球轨道卫星和低地球轨道卫星中的至少一种构成，用于接收流表，调用资源执行用户任务请求，根据流表进行数据传输和转发；天基骨干网，至少包含一个地球静止轨道空间卫星，所述地球静止轨道空间卫星内的控制器为所述任务请求分配资源，并下发流表，和地面信息港同步控制信息、全局信息；所述地面信息港和天基骨干网共同组成双骨干控制系统。

本申请提出空间信息网络架构，通过分离每一颗卫星的数据与控制平面，卫星只需要实现最简单的转发与硬件配置功能，另外，地球静止轨道(Geostationary Orbit,GEO)卫星的全球覆盖特性适合用于发现全局视图；因此，除了全局视图发现功能的其它复杂的控制和计算功能全部配置在地面基站上。通过高效地结合GEO卫星控制器的全球覆盖特性和地面站控制器的计算能力，空间信息网络可以实时的获取路由转发策略，同时可以根据任务合理分配资源和节点，提高资源利用率和节点协作能力。进一步，本发明有益效果包括以下三点。

一、异构网络融合。SDN控制和转发分离的思想使得网络设备转发平面的能力要求趋于简化和统一，硬件组件趋于通用化，而且便于不同设备的互联互通，有利于降低设备的复杂度以及硬件成本，实现星载通信设备的归一化和标准化，可在异构网络的情况下对全网设备进行统一管理；另外，软件定义无线电技术在卫星载荷上的应用使得无需更换硬件就能适应新的应用和服务；再者，SDN对二层转发表、三层路由表进行了抽象处理，整合了各个层次的网络配置信息，能够同时处理与相应空间网络中并存的各种协议，从而很好的解决了网络协议异构性的问题。因此，未来的空间信息网络能够解决异构网络互联互通的问题。

二、灵活的资源调度。空间任务种类多，不同任务的需求差异大，传统卫星网络中低效的控制结构和相对固定的路由策略不能支撑细粒度的管理以及快速变化的用户需求。新架构利用网络资源虚拟化方法，根据具体的任务目标和需求，抽象出底层设施多维度(如天线、功率、频率、计算、存储等)资源，构建多维空间资源池，从而可以方便实现对有限空间资源最大限度的综合利用；另外，控制与转发分离的思想使得数据平面专注于转发，控制平面对网络资源拥有全局视图，并能够实现可编程化控制，从而可以根据上层用户的不同业务需求，灵活高效地分配调度基础网络资源，最终实现对整个网络可控可管可测可调，快速部署新业务、提升网络资源利用率、保障业务服务质量的目标。

三、灵活、可扩展的网络控制。SDN的集中控制特性使卫星节点的处理功能简化和标准化，卫星和地面站各司其职，复杂的网络控制和计算功能都部署在地面控制器中，这样的架构能够快速部署和更新网络配置，通过GEO卫星来转发流表能进一步提高整个配置更新流程的速度；另外，GEO控制器可以根据全局网络视图生成全局路由和配置策略，然后结合卫星网络拓扑的规律性和可预测性，控制器能够提前部署全局路由和配置策略，灵活地适应空间网络的拓扑时变性。因此，相对于传统网络而言，新架构在网络控制方面更灵活且扩展性较高。

附图说明

图1为根据本发明实施例一种空间信息网络的物理架构图示意图；

图2为根据本发明实施例一种空间信息网络架构中扁平多控制器结构的示意图；

图3为根据本发明实施例另一种空间信息网络的逻辑架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的一个实施例中，示出了一种空间信息网络架构示意图。总体来说，包括：地面信息港，通过数据转发层与天基骨干网相连接，用于根据接收到的流表执行用户任务请求、与天基骨干网同步全局信息、对网络进行全局控制；数据转发层，由中地球轨道卫星和低地球轨道卫星中的至少一种构成，用于接收流表，调用资源执行用户任务请求，根据流表进行数据传输和转发；天基骨干网，至少包含一个地球静止轨道空间卫星，所述地球静止轨道空间卫星内的控制器为所述任务请求分配资源，并下发流表，和地面信息港同步控制信息、全局信息；所述地面信息港和天基骨干网共同组成双骨干控制系统。

本发另一个具体实施例中，所述信息网络架构包含多个控制器。本具体实施例没有单独采用地面控制器或者单独采用GEO(Geosynchronous orbit地球同步轨道)空间控制器，而是在地面和空间同时布置控制器，使GEO卫星和地面信息港共同承担控制器的职能。同时，虽然单控制器管控范围大，当跨域建立流表或者通信时均会产生额外的时延；控制能力的集中化，也使控制器具有了更大的责任，一旦控制器在性能或者安全性上不能得到有效保障，随着而来的就是整个SDN(Software Defined Networking软件定义网络)网络的服务能力降级甚至全网瘫痪。在该种情况下，多控制器的思想便应运而生,其思想是用多个独立的控制器来替代一个全能的控制器，每个控制器只负责部分网络，使其共同管控整个网络，逻辑上相当于一个中央控制器。

本发另一个具体实施例中，综合利用GEO卫星的全局覆盖能力和地面站的高速计算能力，提高系统性能。由于三颗GEO卫星可以提供几乎全球的覆盖，因此在GEO上部署的控制器非常适用于发现全局视图，但由于星上载荷受限等原因使得系统具有内存小、CPU处理能力低、所带电源有限等特点，卫星控制器并不适用于复杂的计算，而地面站成熟的SDN技术可以用来执行复杂的控制逻辑。

如图2所示，本发另一个具体实施例中，示出网络构架中扁平多控制器结构的示意图。本实施例中网络架构控制器采用扁平控制方式，分布式控制器一般可采用两类方式进行扩展，分别是扁平控制方式和层次控制方式，因为GEO卫星彼此能力相差不大，因此本发明提出的架构采用的是扁平控制方式，在扁平控制方式中，控制器放置在不相交的区域，地位相同；逻辑上集中控制，所有控制器掌握相同的全网状态。

如图3所示，本发明的一个实施例中，示出了一种空间信息网络架构在逻辑上的示意图。总体来说，包括：空间任务系统，与控制平面系统相连，提供开放性接口用于各类任务的接入，并用于任务整合和重组，向控制平面申请所需的资源；控制平面系统，与数据平面系统相连，根据任务进行资源映射，将离线流表发送给数据平面系统；数据平面系统，用于接收控制平面的流表，并根据流表进行数据的转发。

本发另一个具体实施例中，所述网络构架中空间任务系统还用于实现空间探测、对地探测、航天测控、导航定位、卫星遥感等功能。

本发另一个具体实施例中，所述网络构架中空间任务系统通过北向接口以软件编程的方式调用各种各样的网络资源能力，控制平面系统通过南向接口进行链路发现、拓扑管理、策略制定、表项下发等功能，多个控制器之间通过东西向接口沟通和联系，数据平面系统只负责简单的数据转发。本实施例中，空间任务系统功能由地面控制器实现，控制平面系统功能由地面控制器和GEO控制器共同实现，数据平面系统功能由数据转发层来实现。

本发明的另一个实施例中，一种空间信息网络架构，如图3所示，所述控制平面系统还包括物理资源抽象模块，用于利用网络资源虚拟技术，根据具体任务信息，抽象出底层设施多维度(如天线、功率、频率、计算、存储等)资源，构建多维空间资源池，从而可以方便实现对有限空间资源最大限度的综合利用。控制平面系统的主要功能包括路由优化、网络虚拟化、通信质量监控、拓扑管理、设备管理、接口适配等。

本发明的另一个实施例中，一种空间信息网络架构，如图3所示，所述控制平面系统还包括虚拟切片子模块，用于根据各空间虚拟网络请求，利用抽象、隔离机制将底层空间物理网络资源以切片的形式划分给不同的虚拟网络请求。底层空间网络节点和资源能够被多个网络切片(Slice)共享。在每个网络切片上运行不同的控制逻辑和高层策略,并且各个网络切片之间通过隔离机制而互不影响。这种基于切片的控制模式,使得多个控制器可以同时管理一个空间节点,多个空间实验网络可以同时运行在同一个底层物理网络。

本发明的另一个实施例中，一种空间信息网络架构，如图3所示，所述控制平面系统还包括网络控制和管理子模块，用于将空间网络资源于计算资源、存储资源统一调度。该实施例中，空间网络资源可以和计算资源、存储资源等资源一起被统一调度和按需交付。各种虚拟化空间网络设备协同工作，在空间资源管理平台的统一控制下，通过在空间节点间按需搭建虚拟空间网络，实现空间网络资源的虚拟化。

本发明的另一个实施例中，一种空间信息网络架构，如图3所示，所述控制平面系统还包括资源调度与业务适配模块，用于根据任务优先级和到达时间，采用动态、静态调度相结合的资源调度方法，设计基于SDN的空间信息网络资源共享机制。在保证高效利用网络资源的基础上为尽可能多的业务提供高质量的支撑服务。通过空间网络的接入资源进行统一规划以及一体化资源管理等技术，可以实现对空间网络资源的整体优化配置和管理。

本发明又一个具体实施例中，上述网络架构的工作流程分任务请求、任务到资源的映射、离线流表计生成、下发流表、执行用户任务请求四个步骤：

a、任务请求：用户向系统发出任务请求，要求分配空间资源和路径；

b、任务到资源的映射：天地双骨干控制器采用优化的接入控制机制、资源动态调度机制及网络虚拟化技术，完成任务到资源的映射；

c、流表生成与下发：将b中完成的映射封装到流表中，并通过南向接口下发给空间交换机；

d、执行用户任务请求：空间交换机调用资源执行相应任务，并根据流表进行数据传输和转发。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。