软件定义天地一体化网络的可编程管理与自适应组网方法与流程

本发明涉及天地一体化信息网络，具体地，涉及一种软件定义天地一体化网络的可编程管理与自适应组网方法。

背景技术：

1、天地一体化网络主要由各层卫星网络(leo、meo、geo三层)、地面移动通信网与internet融合而成，是未来6g的传输与处理基础设施。在这样一个节点时空动态、业务随机波动的复杂网络中，需要对天地网元进行可编程的按需管理；并依据时变的网络与负载，进行自适应组网，从而实现网络资源优化，功能按需可扩，能力持续演进，满足全球覆盖、业务多变的未来需求。

2、卫星具有良好的覆盖特性，便于在全球范围内提供无死角的通信；使用现代宽带通信技术，还可以为多种媒体提供不同需求的宽带传输。地基网络拥有成熟的技术与强大的处理能力，但由于地形或成本限制，只能覆盖人口相对稠密的陆地。因此，融合各层卫星网络与地面网络，按照一星多用、多星组网的原则，形成全球通信覆盖和连续稳定的服务能力，势在必行。但是，目前的大多数卫星系统采用天星地网架构和过顶传输机制，覆盖有限，传输时延大。这是由于目前投入使用的卫星系统，包括中继卫星系统、气象卫星系统、遥感卫星系统和导航卫星系统，大部分是按功能单独建设的，形成烟囱林立但能力不足的现象，导致了卫星系统、各种航天器资源的严重浪费，比如，采用“过顶传输”的遥感卫星的链路使用效率只有8％左右。

3、对天地网络资源进行统一管理与调度的网络架构，是天地一体化的基础。但传统的完全分布网络架构，由于没有局部控制中心，难以对天地网进行网络可控、功能可配的按需管理。sdn(software-defined networking)技术通过对区域内节点资源进行集中式、可编程管理，可以显著提升网络资源的利用率，便于提供服务质量保障，并减轻了普通交换节点的开销。因此，针对无法在轨升级硬件的卫星系统，基于sdn进行按需管理，以支持天地网络资源的有效融合和功能可重配，特别适合于资源、能量受限的卫星网络。因而，近年来使用sdn管理卫星网络的概念与方案被相继提出。2017年，加拿大著名学者xuemin shen等提出了基于软件定义的天地一体化车联网概念架构，分析了技术挑战与解决方案，认为软件定义技术能够简化网络管理，提高网络适变能力与灵活性，有效支持不同网元的共享与协作。

4、然而，经过系统的文献检索发现：现有方案均侧重于天地网络的互联互通，将控制器扁平部署在地面或同步卫星，导致对其它层设备的控制消息时延长、同步代价大，不能有效支持天地资源的按需管理，限制了天地网络的深度融合。代表性的方案有，学者bao等(jinzhen bao,baokang zhao,wanrong yu,zhenqian feng et al.opensan:a software-defined satellite network architecture.proceedings of the 2014 acm conferenceon sigcomm,pp.347–348，2014.)设计了一个天地一体化网络结构opensan，它将地面控制中心作为管理平面，负责路由计算、用户管理、资源分配等；geo卫星作为控制平面，获取全网状态并交付管理平面，并按管理平面信令转化为控制指令下传给作为数据平面的leo卫星。学者li等(taixin li,huachun zhou,hongbin luo,shui yu.service:a softwaredefined framework for integrated space-terrestrial satellitecommunication.ieee transactions on mobi le computing,vol.17,no.3,pp.703-716,2018.)设计了一个基于sdn的软件定义框架，通过三个平面：管理平面(managementplane)、控制平面(control plane)和转发平面(forwarding plane),实现天地一体化网络通信。该框架也将网络状态收集与决策制定部件布置在geo和地面网络上。此外，feng等(b.feng et al.,hetnet:a flexible architecture for heterogeneous satellite-terrestrial networks.ieee network,vol.31,no.6,pp.86–92,2017.)提出卫星-地面骨干网络的灵活管理架构hetnet,基于卫星的移动性，设计了四元组命名规则，包括服务标识、节点标识、网络标识以及位置标识；每个网络内部需要层次化的逻辑上集中式的网络管理者，解析服务标识、完成网络标识/节点表示与位置标识之间的映射。

5、考虑到现有空间平台的性能限制与lte可用设施，gomez等(k gomez,t rasheed,lreynaud,et al.realist ic deployments of lte-based hybrid aerial-terrestrialnetworks for public safety.ieee 18th international workshop on computer aidedmodeling and design of communication links and networks,pp.233-237,2013.)基于lte架构对天-空-地融合网络进行仿真实现，验证了在自然灾害等紧急场景下天-空-地融合网络的可用性。

6、专利文献cn112822273a(申请号：cn202110023288.4)公开了一种天地一体化网络系统及其控制方法，其中，地面管理中心连接至少一个第一卫星以及与第一卫星保持连接的至少一个第二卫星，第一卫星用于采集地面终端产生的数据，并发送至地面管理中心；地面管理中心接收并处理第一卫星发送的终端数据；第二卫星用于获取各个第一卫星之间的网络连接关系以规划第一卫星发来的终端数据的路由信息。该方法通过卫星采集地面终端产生的数据，能够实现偏远地区的物联网设备的数据传输。

7、综上所述，现有相关工作对软件定义的天地一体化网络研究做出了有益的探索，奠定了较好的研究基础。但这些方案都以天地网络互联互通为目标，没有考虑基于整体资源优化的可编程管理与自适应组网；同时，由于将最重要的控制平面部署在地面网络或geo卫星上，管理路径长、开销大、难以扩展，不能满足6g时代的复杂、实时应用需求。

8、因此，本发明针对现有成果上述局限性，基于软件定义思想，以深度融合空间与地面异构网络为目标，设计软件定义的天地网络体系结构；建立控制器分层控制与协同机理；联合考虑高度动态拓扑和随机波动负载，提出控制域动态重构方法，以管理高效、规模可扩、功能可配的方式，统一管理各层卫星、地面internet和移动通信网，实现天地网络结构一体化与按需管理。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种软件定义天地一体化网络的可编程管理与自适应组网方法。

2、根据本发明提供的软件定义天地一体化网络的可编程管理与自适应组网方法，包括：

3、步骤s1：基于sdn思想，以卫星星座、internet自治系统为单元，按照域内管控、域间协作的原则，以网络资源的按需可控管理为目标，构建基于软件定义的天地一体化网络；

4、步骤s2：自治域内部通过二级控制器管控网元，自治域间通过其超级控制器进行网络间协作，从而实现天地一体化网络的协同管控；

5、步骤s3：建立天地一体化网络的二层管控开销模型，量化不同组网方案下的时间开销；

6、步骤s4：以最小化星座总体管控的时间开销为目标，进行自适应拓扑动态、负载变化的优化组网。

7、优选的，所述步骤s1包括：

8、步骤s1.1：设计可编程管控的天地一体化网络架构，将网络管控完整对象作为一个自治域，卫星网络中以星座为一个自治域，地面网络中以运营商骨干网作为一个自治域，自治域内包含3种节点：交换机、控制器、超级控制器；

9、步骤s1.1.1：将一组交换节点组成一个控制域，由一个控制器管控，所述控制器通过南向接口管理域内的物理交换设备，提供路由计算、资源调配和信息管理；不同星座的卫星按自身设计的周期运动，形成一组稳定子拓扑序列，称为时隙，控制域在每个时隙开始时自适应动态规划；

10、步骤s1.1.2：将多个控制器组成一个超级控制域，由一个超级控制器管控，所述超级控制器通过南向接口管理其下层的域控制器，进行域间路由规划、容错与负载均衡；同一自治域内的超级控制器之间通过东西向接口保持状态同步，共同管理星座；超级控制域也在每个时隙开始时自适应动态规划；

11、步骤s1.1.3：在不同自治域的超级控制器之间利用东西向接口共享信息，基于资源状况以协作的方式进行网络管理、资源与信息聚合、协调域间路由，实现天地立体传输、协同处理与负载均衡；

12、步骤s1.2：软件定义天地一体化网络功能架构，包括：控制平面、聚合平面、协同平面和数据平面，进行天、地异构网络的按需管理、资源融合和网络协同。

13、优选的，所述步骤s1.2包括：

14、对于控制平面，通过自治域的内部管控与域间协作，可控管理异构天地网络；控制器和超域控制器通过南向接口分别管理物理交换设备和下层域控制器，相应实现控制域内部和控制域之间的路由计算、资源调配与网络管理；通过东西接口，同一自治域内超级控制器保持状态同步；基于规约，不同自治域的超级控制器之间进行信息交换和协作传算；

15、对于聚合平面，通过对控制域、超级控制器的拓扑-资源进行联合抽象汇聚，提供不同粒度的资源视图，支持天地资源的统一表征和透明分配；

16、对于协同平面，通过可编程的北向接口，提供天地协同的传输与处理，实现天地多层次网络的传输与处理能力一体化；

17、对于数据平面，在其控制器管理下，实现高效的天地网数据传输。

18、优选的，所述步骤s2包括：

19、步骤s2.1：进行自治域内部的网元管控，设计天地一体化网络管理接口，同一自治域内包含控制域、超级控制域二级管控关系；

20、步骤s2.1.1：进行控制域内管控，包括：控制器通过南向接口管控其域内所有交换设备；域控制器向上层控制器提供网络抽象；对控制逻辑进行域内路径设置、负载均衡、故障恢复；记录节点状况，并向其超级控制器汇报；

21、步骤s2.1.2：进行超控域内管控，包括：超级控制器通过南向接口管控其下属多个控制器；通过控制逻辑，根据域控制器报告，进行域间路径设置和流量迁移；通过东西向接口，超控域之间同步状态；

22、步骤s2.2：进行自治域之间的网络协作，不同自治域的超级控制器之间，通过东西向接口，按约定进行资源共享与协同调度，实现星座之间、星地之间的协同管理。

23、优选的，所述步骤s3包括：

24、步骤s3.1：参数初始化；

25、星座内卫星运动周期表示成t＝{t1,t2,…,tγ}，将星座拓扑分为γ个稳定子序列，并呈现周期性，在每个时隙内，星座内卫星之间的邻接关系保持不变，重构控制域/超级控制域发生在每个时隙开始；

26、以i、j、k分别表示一个星座内交换机、控制器和超级控制器的数量，则交换机集合为s＝{s1,s2,…,si}；控制器集合为c＝{c1,c2,…,cj}；超级控制器集合为sc＝{sc1,sc2,…,sck}；

27、设置两个决策变量和来表达节点的角色与管控关系，分别表示在时隙t内，卫星是否作为控制器cj和超级控制器sck，表达式为：

28、

29、

30、设置两个决策变量和来表达在时隙t内，交换机与控制器、以及控制器与超级控制器之间是否存在管控关系，表达式为：

31、

32、

33、步骤s3.2：构建路径规划开销模型，交换机si向控制器cj发出路由请求，cj规划路径、并下发给交换机si；如果低层的控制器cj无法规划路径，则向其高层的超级控制器sck发出请求，在时隙t内，路径规划开销由控制器处理时间和超级控制器处理时间两部分组成，表达式为：

34、

35、步骤s3.3：构建控制域/超级控制域切换开销模型，当卫星应用跨越不同的时隙时，对控制域/超级控制域进行重构，得到切换开销

36、步骤s3.4：构建状态同步开销模型，在一个星座中，超级控制器之间保持状态同步，超级控制器的同步开销是两个超级控制器之间路径延迟的总和，表达式为：

37、

38、步骤3.5：计算一个星座内控制域/超级控制域重构的总体时间开销ot，表达式为：

39、

40、优选的，所述步骤s3.2包括：

41、步骤s3.2.1：计算控制器处理时间表达式为：

42、

43、其中，是交换机si和控制器cj之间的传播时延；是si的请求在cj上的排队时延；是交换机si在时隙t内产生的路径请求总数；

44、步骤s3.2.1.1：计算si请求在cj上的排队时延表达式为：

45、

46、其中，ηj是控制器cj的处理能力，即单位时间内完成路径规划的数量；是cj待处理队列中请求数量；

47、包含两部分：一是仅考虑si请求在cj上引起的排队时延二是考虑其它交换机并发请求增加的排队时延分别估算如下：

48、步骤s3.2.1.1.1：计算si请求在cj上引起的排队时延由于交换机si的请求发出后，需要经历的传播时延才能到达控制器cj，因此：

49、如果则请求到cj之前，cj的队列已经清空，此时，

50、否则，

51、步骤s3.2.1.1.2：计算cj管控的其它交换机的请求在cj上引起的排队时延sdn应用引起的队列时延为控制器数量平方的线性函数；参数α体现并发请求对处理时延影响的权重，通过测试获得；控制器能力越强，α越小；

52、步骤s3.2.2：计算超级控制器处理时间当控制器无法为交换机规划路径时，请求超级控制器规划路径，表达式为：

53、

54、其中，是交换机cj和超级控制器sck之间的传播时延；是cj的请求在sck上的排队时延；是交换机si在时隙t内产生的跨域请求数量。

55、优选的，所述步骤s3.3包括：

56、步骤s3.3.1：交换机si由cj切换到cj′的开销包括控制器和超级控制器之间的路径时延以及不同超级控制器之间的路径时延计算如下：

57、

58、步骤s3.3.1.1：如果si切换前后的两个控制器cj和cj′属于同一个超级控制器，则si的切换开销为控制器和超级控制器之间的路径时延总和，表达式为：

59、

60、步骤s3.3.1.2：如果si切换前后的两个控制器cj和cj′属于不同超级控制器，则切换开销还包括两个超级控制器之间的路径时延表达式为：

61、

62、步骤s3.3.2：计算整个星座的子网切换开销表达式为：

63、

64、优选的，所述步骤s4包括：

65、步骤s4.1：优化星座重构机制，表达式为：

66、最小化：ot

67、约束1：

68、约束2：

69、其中，对来自交换机si控制器处理时间不超过阈值超级控制器处理时间不超过阈值

70、步骤s4.2：确定控制器/超级控制器候选集，包括：

71、步骤s4.2.1：准备相关变量，定义控制器cj能管控交换机si的时隙集合ts：

72、

73、其中，是处理时延满足约束1的控制器cj集合；是这样的控制器cj可以管控交换机si的时隙集合；

74、同理定义：

75、

76、其中，是处理时延满足约束2的超级控制器sck集合；是这样的超级控制器sck可以管控控制器cj的时隙集合；

77、计算控制器/超级控制器能管控的总时隙数量：

78、

79、

80、其中，是控制器cj在一个拓扑周期中能管控所有交换机的总时隙数量；是超级控制器sck能管控的所有控制器的总时隙数量；

81、分别定义控制器、超级控制器的空闲时隙集合为并全部初始化为一个周期中的所有时隙；

82、步骤s4.2.2：确定完整控制器候选集对于一个由卫星节点v＝vsc∪vc∪vs组成的星座，v在所有时隙是相同的；定义为完整控制器集合，其中vsc、vc和vs分别是超级控制器、控制器和交换机的集合；

83、由下列步骤确定：

84、步骤s4.2.2.1：初始化：令v＝所有卫星节点，即所有节点的空闲时隙集合初始化为一个周期的所有时隙，表示它们尚未被管控；

85、步骤s4.2.2.2：从当前拥有最大管控时隙数nv的节点开始，将其放入控制器候选集，

86、步骤s4.2.2.3：每当有节点v放入候选集后，更新所有节点的能管控总时隙数量nv和空闲时隙集合fv，且v＝v-{v}；每当节点v被选入候选集，或者能管控总时隙数量nv＝0的节点v被相邻控制器管控时，节点v的空闲时隙集合置为空，即fv＝{}；

87、步骤s4.2.2.4：重复上述步骤s4.2.2.2和步骤s4.2.2.3，直到所有控制器空闲时隙集合fv为空，则所有节点在所有时隙都管理或被管理，此时的为完整控制器候选集；

88、步骤s4.2.3：确定超级控制器的候选集vsc；

89、步骤s4.2.3.1：初始化：令

90、步骤s4.2.3.2：从当前拥有最大管控时隙数的节点开始，将其放入控制器候选集，即vsc＝vsc+{v}；

91、步骤s4.2.3.3：每当有节点v放入候选集vsc后，更新所有节点的能管控总时隙数量nv和空闲时隙集合fv，且v＝v-{v}；

92、步骤s4.2.3.4：重复上述步骤s4.2.3.2和步骤s4.2.3.3，直到所有控制器空闲时隙集合fv为空，此时的vac为超级控制器的候选集；

93、步骤s4.2.4：确定控制器的候选集vc，

94、步骤s4.3：构建控制关系图，然后将管控开销转换成求解控制关系图上的最小支配集，从而计算针对每个交换机的管控开销；

95、步骤s4.4：根据各节点的角色，以及各节点之间的管控关系，进行控制域/超级控制域自适应划分。

96、优选的，所述步骤s4.3包括：

97、步骤s4.3.1：控制关系图建模，在时隙t，一个星座的控制关系图为gt＝(v,et,ot)，其中，和分别是t时隙内超级控制器、控制器和交换机的集合；v在所有时隙是相同的；et为超级控制器、控制器和交换机之间的链接；ot为每一种管控方案的控制开销；

98、步骤s4.3.2：构建控制关系图，在每个时隙t的开始，按下述步骤构建一个控制关系图；

99、步骤s4.3.2.1：确定各类节点，交换机集合

100、步骤s4.3.2.2：确定边的集合et，对于任一超级控制器sck，连接它与所有控制器cj；对于任一控制器cj，连接它与所有交换节点si；1≤k≤k，1≤j≤j，1≤i≤i；

101、步骤s4.3.2.3：确定边权集合ot，控制关系图中边权，对应着不同节点之间的管控开销，使用管控开销模型计算出任一对超级控制器sck与控制器cj之间、以及任一对控制器cj与交换节点si之间的边权。

102、优选的，所述步骤s4.4包括：

103、步骤s4.4.1：在控制关系图中，对任意一个未被管控的交换机s，寻找一条从s到超级控制器sc之间边权最小的路径；该路径上的有向三元组(s→c→sc)表示它们之间的管控关系：

104、

105、(s→c→sc)表示：c是s的控制器，sc是c的超级控制器；

106、步骤s4.4.2：更新控制关系图；

107、设置c为控制器，sc是超级控制器；

108、确认c管控s，sc管控c；

109、步骤s4.4.3：更新s为另一个尚未被管控的交换机，即然后返回步骤s4.4.1，直到所有节点都管理或被管理。

110、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

111、1、基于软件定义设计的天地一体化网络架构，通过可编程的网络管理，实现了天地一体化网络的精细化资源分配，支持网络功能可扩展；

112、2、以卫星星座作为自治域，部署二层控制结构，以自治域内管控、域间协作的方式融合网络，既实现了天地网络的按需管理，又满足实际运营商的自治管理需求；

113、3、联合考虑高度动态拓扑和随机波动负载，进行控制域/超级控制域的自适应重构，实现了优化组网。