基于SDN的卫星网络多路径传输方法

基于sdn的卫星网络多路径传输方法
技术领域
1.本发明涉及卫星网络领域，具体涉及一种基于sdn的卫星网络多路径选路和流表更新方法，以实现卫星网络的高效和可靠传输。


背景技术：

2.卫星网络节点众多、链路构成复杂。这些特点使得卫星网络更加适合多路径传输协议(mptcp)。但传统的网络架构对mptcp的支持有限，无法根据当前全局网络状态为子流选择好的传输路径，易造成子流碰撞。软件定义网络架构(sdn)通过分离控制平面和数据平面，能获取全局网络状态，更好地管控网络。引入sdn可以解决传统网络无法基于全局网络状态来优化子流传输的问题。然而，现有基于sdn的方案主要针对地面网络进行优化，将网络可用带宽作为重点参考因素，这并不适合卫星网络这样大时空尺度的网络环境。另外，由于卫星节点高速移动，链路频繁切换会导致已选路径失效，影响路径上的子流传输。


技术实现要素：

3.本发明为解决现有方法将网络可用带宽作为重点参考因素，无法满足大时空尺度的网络环境使用要求，同时由于链路频繁切换会导致已选路径失效，影响路径上的子流传输等问题，提供一种基于sdn的卫星网络多路径传输方法。
4.基于sdn的卫星网络多路径传输方法，该方法由以下步骤实现：
5.步骤一、采用sdn实时获取卫星网络状态，以最小时延、最大可用带宽为目标确定端到端传输起止节点间不相交的路径集，并将所述路径集中的路径依次分配给不同子流；所述确定起止节点间不相交的路径集的方法为：
6.步骤一一、寻找起止点之间的最短路径；
7.步骤一二、判断起止点之间是否存在最短路径，如果是，执行步骤一三；否则，执行步骤一五；
8.步骤一三、将最短路径加入路径集合m；
9.步骤一四、从网络拓扑图中删除最短路径的所有边，返回执行步骤一一；
10.步骤一五、计算路径集合m中每条路径的传输成本；
11.步骤一六、从所述路径集合m中选择传输成本最小的若干条路径组成新的路径集合n，所述路径集合n则为起止点之间最优的路径集；
12.步骤二、当控制器预测链路切换时，基于预测的流表更新方法，进行在切换开始时的流表添加操作和切换完成前的流表删除操作，二者可通过信号量或共享变量同步，保证子流的稳定传输。
13.本发明的有益效果：本发明所述的基于sdn的卫星网络多路径传输方法，在多路径选路方面，构建了结合时延和带宽的路径成本模型，并设计了不相交路径的选择方法，在提高传输能力的同时实现链路的负载均衡。本选路方法比现有技术仅以带宽或跳数为依据的方法更适合卫星网络，因为在具有大时空跨度的网络环境下，时延在路径选择中将起更重
要的作用。
14.在动态拓扑支持方面，提出了基于预测的流表更新方法，该方法基于链路切换并非瞬时完成这一前提假设，在链路切换刚开始时就计算好新的路径，并将新流表下发交换机，避免在切换完成时再进行路径计算导致传输性能的剧烈抖动，保障了卫星网络数据传输的稳定性。
附图说明
15.图1为本发明所述的基于sdn的卫星网络多路径传输方法中多路径选路流程图；
16.图2为本发明所述的基于sdn的卫星网络多路径传输方法中流表更新流程图。
具体实施方式
17.结合图1和图2说明本实施方式，基于sdn的卫星网络多路径传输方法，将本该方法应用到卫星网络，可以将低轨卫星和地面交换节点作为数据面，将中高轨卫星和地面控制节点作为控制面。控制器首先需要获得可见性矩阵序列a和距离矩阵序列l。这两个序列有两种构造方式：通过卫星轨道参数计算或通过诸如systems tool kit(stk)这样的软件获得。前者可以计算出连续的序列，而后者通常是离散序列，时间精度最小可以到秒级。本实施例以离散序列为例，时间精度为秒。
18.本实施方式首先利用sdn控制平面实时获得全局网络状态，再为子流选择时延低且带宽高的路径。为实现负载均衡，同一个连接的每条子流将被分配到不同的路径，且这些路径之间没有共享的瓶颈链路。本发明一方面在为子流分配路径时综合考虑了时延和带宽，且时延为主、带宽为辅。另一方面，增加了对卫星网络拓扑变化的预测，以便及时重构传输路径。架构图见图1。
19.本实施方式中，首先，利用sdn控制平面实时获取卫星网络中的变化，如星间链路的通断、卫星节点负载和链路可用带宽等。
20.其次，以最小化时延、最大化可用带宽为目标确定端到端传输起止节点间不相交的路径集，再将这些路径依次分配给不同子流。这是一个多目标优化问题，为了提高求解效率，本发明构建了路径成本模型，将多目标优化问题转换成单目标优化问题以快速求得近似解。
21.最后，当控制器预测链路即将切换时，会提前在新建立和将要断开的链路上分别执行流表的添加和删除操作，以保证子流的稳定传输。流程图见图2。
22.在网络状态监控方面，由于卫星节点绕轨道周期性运动，因此网络拓扑变化、节点之间的传播时延是可预测的。本发明使用可见性矩阵序列a来表示网络拓扑的变化情况，序列中的每个矩阵a
t
表示t时刻节点之间的连接关系，如：
23.24.其中k为卫星网络节点个数，的值为0或1。若为1，则表明节点i和节点j之间存在连接，否则表示不存在连接。本发明使用距离矩阵序列l来表示节点之间距离的变化情况，序列中的每个矩阵l
t
表示t时刻节点之间的距离，如：
[0025][0026]
当为0时表示节点i和节点j之间无连接，否则表示两个节点之间的距离。计算可得节点之间的传播时延，c为光速。
[0027]
除了a和l，控制器还需要实时获取链路带宽使用情况。有了这些信息，控制器就可以使用如下方法为每个端到端连接建立最优的传输路径集：
[0028]
步骤1：在t时刻，使用dijkstra算法，以传播时延最小为目标计算连接起点s和终点e之间的最短路径p
se
；
[0029]
步骤2：若s和e之间不存在路径，则执行步骤6，否则执行步骤3
[0030]
步骤3：将p
se
加入路径集合m；
[0031]
步骤4：从网络拓扑图中删除路径p
se
的所有边；
[0032]
步骤5：执行步骤1；
[0033]
步骤6：对集合m中的每条路径p，计算其传输成本c用下式表示为：
[0034][0035]
式中，d
p
为路径p的时延，b
p
为路径p的最大带宽，b
p
为路径p的可用带宽。
[0036]
步骤7：从集合m中选择传输成本最小的若干条路径组成新的路径集合n；
[0037]
经过上述步骤，最终集合n就是t时刻s和e之间最优的路径集。
[0038]
本实施方式中，由于卫星网络的链路频繁切换，为保证链路切换不影响数据传输，本实施方式设计了基于预测的流表更新方法。该方法包含两个独立操作：切换开始时的流表添加操作和切换完成前的流表删除操作。这两个操作可以是控制器中两个独立的进程或线程，二者可通过信号量或共享变量同步。流表添加操作的具体步骤为：
[0039]
步骤a1：设置一个变量l，其值为 ∞；
[0040]
步骤a2：从可见性矩阵序列a中依次取出t时刻矩阵a
t
；
[0041]
步骤a3：如果a
t
等于a
t k
，k≥2，则执行步骤a2，否则执行步骤a4；
[0042]
步骤a4：如果t-l《k，则执行步骤a2，否则执行步骤a5；
[0043]
步骤a5：从t时刻可见性矩阵a
t
中依次取出节点i和节点j之间的可见性若所有的都处理完毕，则执行步骤a8；否则执行步骤a6；
[0044]
步骤a6：若为1且t k时刻节点i和节点j之间的可见性为0，则执行步骤a7，否则执行步骤a5；
[0045]
步骤a7：获取链路ij所关联的所有路径的集合ps，将其并入更大的集合pss，并将ps中的所有链路并入更大的链路集合es，之后执行步骤a5；
[0046]
步骤a8：从pss中依次取出每条路径p，若所有的路径都处理完毕，则执行步骤a11，否则执行步骤a9；
[0047]
步骤a9：使用本发明的选路方法在a
t k
的网络拓扑中为路径p的起止点选择新的路径p
′
；
[0048]
步骤a10：将p
′
中的所有链路并入更大的链路集合es
′
，之后执行步骤a8；
[0049]
步骤a11：计算链路集合es与集合es
′
的差集关联的交换机，并为这些交换机下发新流表；
[0050]
步骤a12：将变量l的值置为t，执行步骤a2。
[0051]
本实施方式中，所述流表删除操作需要和流表添加操作共享变量es
′
，并在其上同步，即t时刻，流表删除操作应等待流表添加操作完成es
′
集合的构建，才能继续执行。流表删除操作的具体步骤为：
[0052]
步骤b1：从可见性矩阵序列a中依次取出a
t
；
[0053]
步骤b2：如果a
t
等于a
t 1
，则执行步骤b1，否则执行步骤b3；
[0054]
步骤b3：从a
t
中依次取出若所有的都处理完毕，则执行步骤b6；否则执行步骤b4；
[0055]
步骤b4：若为1且为0，则执行步骤b5，否则执行步骤b3；
[0056]
步骤b5：获取链路ij所关联的所有路径的集合ps，并将ps中的所有链路并入更大的链路集合es，之后执行步骤b3；
[0057]
步骤b6：计算链路集合es与集合es
′
的差集所关联的交换机，并为这些交换机下发删除流表指令，之后执行步骤b1。
[0058]
本实施方式所述的基于sdn的卫星网络多路径传输子流动态分配方法，使用sdn控制器来监控、分析网络状态，再结合时延和带宽为子流选择综合性能最优且不相交的多条传输路径，以提高链路的利用率和负载均衡性。本发明还利用卫星网络拓扑的可预测特性，预测即将断开的链路，为子流重新选择最优路径，解决链路切换导致的子流不能连续传输的问题。