基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置

摘要

本发明提供了一种基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置，该装置构建了面向SDN卫星网络场景的从用户应用到数据物理传输全系统仿真的试验装置，并可为网络决策者提供优化的网络管控方案。所述装置采用了SDN集中式的分层管控架构，应用了自设计的卫星网络模拟系统硬件部署方案以及网络管控软件。本发明具备良好的人机界面，使用SDN实物交换机构建卫星传输模拟系统，所设计的虚拟拓扑机制可在有线网中快速生成卫星动态网络拓扑，因而本发明具备友好的可视化、仿真结果真实可靠、网络场景快速构建等优点。

权利要求

1.一种基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置，其特征在于，包括卫星网络模拟系统以及卫星网络管控系统；

所述卫星网络模拟系统作为硬件部分，实现卫星环境的构建，包括场景控制器、动态链路模拟器以及卫星模拟节点；

所述的卫星网络管控系统作为软件部分，面向用户侧，实现大规模用户需求的高效统一筹划，及网络计算、存储和通信资源的统一规划，实现网络状态的实时监测与分析并进行高效的网络流量部署，包括应用层、任务规划层、SDN控制层以及数据转发层；

其中：

所述场景控制器：包含于控制层的SDN控制器中，用于完成卫星类型定制及网络拓扑生成、通信带宽动态配置；所述动态链路模拟器：由彼此之间全连接的SDN交换机组成，用于实现星间和星地链路的控制与切换；

所述卫星模拟节点：一台服务器与一台SDN交换机组成一个能被SDN网络管控的卫星节点，其中服务器用于模拟卫星节点的计算、存储资源并等效地模拟星上各类传感器资源，交换机用于完成卫星的通信传输、链路控制以及自定义路由策略的部署；

所述的卫星网络管控系统中，

所述的应用层，负责通过北向接口协议构建各种卫星应用；

所述的任务规划层，面向用户侧，实现大规模用户需求的高效统一筹划，实现网络计算和存储资源的统一管理，通过资源组合替换技术在应急突发场景下实现网络的鲁棒性以及对用户QoS的保障；

所述的SDN控制层，实现网络状态的实时监测与分析，实现网络流量部署、节点路由选择网络性能的优化，一方面通过虚拟化技术向任务规划层屏蔽通信细节，另一方面通过定制化的南向接口实现异构网络的适配，同时负责网络场景的控制与生成；

所述的数据转发层，由从硬件交换机中抽象出的虚拟SDN交换机组成，负责网络的通信功能实现；

工作流程如下：

‑在收到自然语言描述的用户需求后，任务规划层将自然语言描述的用户需求转化为形式化描述的任务模板，并规划出多组任务工作流供网络管理者选择；

‑网络管理者通过考虑不同的约束选择一种任务工作流以进行后续的资源匹配，任务规划层通过心跳包的交互来获取网络多维资源状态并形成统一的资源池，最后根据网络实时的资源状态给出最优的工作流‑网络资源的匹配方案，并将匹配结果发送至SDN控制层；

‑SDN控制层一方面负责收集网络状态并通过心跳包反馈给任务规划层，另一方面计算网络通信策略并将其通过流表的方式下发至数据转发层；

‑数据转发层根据SDN控制层下发的策略对数据流做相应的处理，并对时延、端口带宽指标实时监控并反馈给SDN控制层，SDN控制层做数据处理后将任务执行的结果反馈给任务规划层。

2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置，其特征在于，所述的任务规划层通过虚拟化技术形式化表达用户需求与网络资源，通过基于机器学习的子任务分解与聚类技术减小任务规划的状态空间，通过服务组合替换技术在任务执行过程中保障用户QoS。

3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置，其特征在于，所述的场景控制器作为卫星网络模拟系统的控制中心，对动态链路模拟器与卫星模拟节点进行实时配置以生成定制化的卫星网络场景，其中，场景控制器通过主动下发流表的方式来阻塞部分交换机端口以达到动态网络拓扑的生成与控制，场景控制器通过ARP代理的方式抑制有环物理连接下的广播风暴，场景控制器使用SDN南向接口协议所提供能的限速功能实现链路带宽的动态配置。

说明书

基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及空天通信领域，具体地，涉及一种基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置。该装置用于异构卫星网络场景的生成与硬件模拟以及针对典型卫星任务的网络
关键技术仿真，友好的人机交互界面便于用户实现自定义卫星网络场景、查看测试结果等
需求。

背景技术

[0002] 软件定义网络(Software Defined Network,SDN)作为一种控制转发分离的新型网络架构，凭借其灵活性、开放性及可编程性，引起了人们将SDN应用到空间信息网络的极
大兴趣。如果在真实的网络体系中进行技术研究与验证，不仅周期长，成本高，而且有可能
影响现有卫星系统的正常运行，也无法进行可扩展性和可重构性的实验。因此在基于SDN的
空间信息网络技术发展中，现在迫切需要有效的平台与工具进行大规模的仿真和实验验
证。然而，SDN技术虽然是如今应用在高吞吐量有线网中的一个较为成熟的技术，其原有的
仿真工具对于卫星场景的模拟与测试不适用。SDN技术在设计之初是为了方便科研人员快
速地搭建有线试验网而提出的，随后由于SDN架构的可编程思想受到了交换机厂商的关注
与追捧，并在核心传输网中发展起来，例如谷歌所搭建的B4网络是SDN技术应用于工业界有
线网的最成功案例。然而，卫星网络场景与地面有线网场景在节点资源特性、网络动态性、
业务类型与网络需求等方面差异巨大，SDN现有仿真工具(例如Mininet)无法模拟卫星场
景，无法满足SDN架构下卫星场景的仿真需求。

[0003] 如今一些学术研究工作致力于开发适用于卫星场景下SDN管控技术研究的仿真平台。对成熟的SDN仿真工具进行面向卫星场景的适应性改造是一个思路，有研究人员通过集
成Mininet、STK等软件仿真工具完成卫星网络中拓扑控制、动态路由等功能，然而使用简单
的软件模拟，首先仿真功能会受限于所集成的软件框架，其次无法产生真实的数据流，结果
的真实性大大降低。有研究人员面向星间动态路由的研究搭建了半实物仿真平台，然而其
局限性在于使用主机虚拟出SDN交换机和控制器节点，SDN协议无可避免受到简化，且仅能
实现路由的仿真测试，无法对具体任务类型(例如遥感观测、导航定位任务)以及其他资源
(例如计算资源、传感器资源)进行仿真。综上所述，针对SDN架构下的卫星网络场景，需要设
计出一种既能反映卫星网络真实物理环境，又能对从用户输入到任务下发与执行全过程仿
真的试验平台。

[0004] 目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

[0005] 针对上述技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一个涵盖用户应用开发、网络传输、链路接入、硬件搭建的全系统卫星网络管控协议试验装置。所述装置设计的分层
体系架构保证了系统的高扩展性，设计的以SDN实物交换机为主体搭建的网络传输层对基
于SDN架构的卫星网络环境提供了较真实的近似，设计的任务规划系统的智能算法与友好
的人机交互界面可为网络决策者提供优化的网络管控方案。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的。

[0007] 一种基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置，其特点在于，包括卫星网络模拟系统以及卫星网络管控系统；

[0008] 所述卫星网络模拟系统作为硬件部分，实现卫星环境的构建，包括场景控制器、动态链路模拟器以及卫星模拟节点；

[0009] 所述的卫星网络管控系统作为软件部分，面向用户侧，实现大规模用户需求的高效统一筹划，及网络计算/存储/通信资源的统一规划，实现网络状态的实时监测与分析并
进行高效的网络流量部署，包括应用层、任务规划层、SDN控制层以及数据转发层；

[0010] 其中：

[0011] 所述场景控制器：包含于控制层的SDN控制器中，用于完成卫星类型定制及网络拓扑生成、通信带宽动态配置；所述动态链路模拟器：由彼此之间全连接的SDN交换机组成，用
于实现星间/星地链路的控制与切换；

[0012] 所述卫星模拟节点：一台服务器与一台SDN交换机组成一个能被SDN网络管控的卫星节点，其中服务器用于模拟卫星节点的计算、存储资源并等效地模拟星上各类传感器资
源，交换机用于完成卫星的通信传输、链路控制以及自定义路由策略的部署。

[0013] 所述的卫星网络管控系统中，

[0014] 所述的应用层，负责通过北向接口协议构建各种卫星应用；

[0015] 所述的任务规划层，面向用户侧，实现大规模用户需求的高效统一筹划，实现网络计算/存储资源的统一管理，通过资源组合替换技术在应急突发场景下实现网络的鲁棒性
以及对用户QoS的保障；

[0016] 所述的SDN控制层，实现网络状态的实时监测与分析，实现网络流量部署、节点路由选择等网络性能的优化，一方面通过虚拟化技术向任务规划层屏蔽通信细节，另一方面
通过定制化的南向接口实现异构网络的适配，同时负责网络场景的控制与生成；

[0017] 所述的数据转发层，由从硬件交换机中抽象出的虚拟SDN交换机组成，负责网络的通信功能实现。

[0018] 工作流程如下：

[0019] ‑在收到自然语言描述的用户需求后，任务规划层将自然语言描述的用户需求转化为形式化描述的任务模板，并规划出多组任务工作流供网络管理者选择；

[0020] ‑网络管理者通过考虑不同的约束选择一种任务工作流以进行后续的资源匹配，任务规划层通过心跳包的交互来获取网络多维资源状态并形成统一的资源池，最后根据网
络实时的资源状态给出最优的工作流‑网络资源的匹配方案，并将匹配结果发送至SDN控制
层。

[0021] ‑SDN控制层一方面负责收集网络状态并通过心跳包反馈给任务规划层，另一方面计算网络通信策略并将其通过流表的方式下发至数据转发层；

[0022] ‑数据转发层根据SDN控制层下发的策略对数据流做相应的处理，并对时延、端口带宽等指标实时监控并反馈给SDN控制层，SDN控制层做数据处理后将任务执行的结果反馈
给任务规划层。

[0023] 所述的任务规划层通过虚拟化技术形式化表达用户需求与网络资源，通过基于机器学习的子任务分解与聚类技术减小任务规划的状态空间，通过服务组合替换技术在任务
执行过程中保障用户QoS。

[0024] 所述的场景控制器作为卫星网络模拟系统的控制中心，对动态链路模拟器与卫星模拟节点进行实时配置以生成定制化的卫星网络场景，其中，场景控制器通过主动下发流
表的方式来阻塞部分交换机端口以达到动态网络拓扑的生成与控制，场景控制器通过ARP
代理的方式抑制有环物理连接下的广播风暴，场景控制器使用SDN南向接口协议所提供能
的限速功能实现链路带宽的动态配置

[0025] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0026] 1.构建了一个面向SDN卫星网络场景的从用户应用到数据物理传输全系统仿真的试验装置，具有友好的人机交互界面，可实现卫星网络管控协议的高效验证以及管控性能
的快速分析，并可为网络决策者提供优化的网络管控方案；

[0027] 2.使用SDN物理交换机来构建SDN卫星网络半实物试验装置，仿真结果的真实性与可靠性得到充足保证；

[0028] 3.分层系统架构使得试验平台层次清晰，易于维护与故障排查，定制化的南北向接口使得试验装置具备灵活性与可扩展性；

[0029] 4.设计的广播风暴避免与虚拟拓扑生成机制可在有线网中快速构建出动态时变的卫星网络。

附图说明

[0030] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显。

[0031] 图1为本发明一实例所提供的基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置的卫星网络管控系统总体架构。

[0032] 图2为本发明一实例所提供的基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置的任务规划层架构。

[0033] 图3本发明一实例所提供的基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置的可扩展服务平台模型。

[0034] 图4本发明一实例所提供的基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置的需求规划调度模型。

[0035] 图5本发明一实例所提供的基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置的实时预测及重调度模型。

[0036] 图6本发明一实例所提供的基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置的四卫星节点半实物试验装置硬件搭建方案。

具体实施方式

[0037] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保
护范围。

[0038] 本发明实施例提供了一种基于SDN的卫星网络管控协议半实物试验装置，包括卫星网络模拟系统以及网络管控系统。本发明所构建装置的卫星网络管控系统总体架构如图
1所示，该架构由应用层、任务规划层、控制层、数据转发层组成。应用层负责通过北向接口
协议构建各种卫星应用，例如遥感、导航等。任务规划层作为面向用户业务处理的核心层，
首先将多样化的用户请求根据统一的用户模板转化成多条工作流，通过虚拟化技术维护网
络资源池并根据网络实时资源状态为工作流匹配网络资源，当网络发生故障或某一资源掉
线时，该层将通过服务组合替换来确保用户服务质量。SDN控制层为用户屏蔽通信细节，可
通过定制化南向接口协议的方式实现异构网络的适配。控制层由SDN控制器、卫星状态数据
库以及链路信息数据库等构成，其中的卫星状态数据库存储着卫星ID、载荷能力、噪声温
度、轨道参数、计算/存储性能等基本属性；其中的链路信息数据库保存着链路ID、实时带
宽、通信频段等信息；SDN控制器主要负责网络路由的计算与流量部署，在有突发任务出现
或网络通信故障出现时，SDN控制器将实现区域集中式管控。以上各层均以软件实现并部署
于服务器中，位于最底层的数据转发层主要由从硬件交换机中抽象出的虚拟SDN交换机组
成，负责SDN交换机的功能实现。

[0039] 任务规划层可进一步分为需求规划调度模块、实时预测及重调度模块以及可扩展服务平台模块，具体的技术架构与流程如图2所示。

[0040] 可扩展服务平台模块如图3所示，主要完成对各种基资源的实时监控并向上对任务调度模块提出的服务需求提供可选服务，以及在发生资源不可用的情况下进行动态替
换。首先，该模块其对各种天基资源进行形式化建模并将其抽象成各个服务，并根据实时预
测及重调度模块解析的卫星心跳包数据来维护可用服务池，即包括对新的可用服务的发现
并进行服务注册、当前各个服务状态的更新，以及对不可用服务进行删除操作等。基于其所
维护的可用服务池，可拓展服务平台模块则可以向任务调度模块提供服务选择接口，针对
任务调度模块提出的服务需求来从可用服务池中选择适当的服务返回给上层，从而任务调
度模块可以实现任务到可用服务之间的映射；当发生异常情况导致某些服务无法正常提供
服务时，该模块可以得到异常服务的信息并调用动态服务替换的方法，将其他可用服务组
合来满足该异常服务的功能供上层使用，之后将结果提供给实时预测及重调度模块，从而
满足异常情况下的任务正常进行。

[0041] 需求规划调度模块如图4所示，其主要工作是通过配置需求描述元模型和任务建模元模型来将需求转化成任务，进而根据任务元模型将任务描述为具有多个子任务的工作
流模型，从而完成对单个用户需求到工作流的映射。为了减少工作流数量，该模块可针对某
一时刻的多个用户需求形成多个工作流，进而对多个工作流进行合并预处理，对于那些相
同或可覆盖的子任务进行合并。最后，根据当前可用服务进行任务调度算法，通过调用可服
务平台模块的接口寻找当前资源状态下工作流分配的最优解，完成任务到服务的映射。

[0042] 实时预测及重调度模型如图5所示，实时预测模块对每个工作流维护一个实时任务完成状态的有向图并根据监控数据更新有向图，继而重新计算该工作流的剩余工作时
间，并在计算过程中寻找该有向图的瓶颈任务，最后将判断结果提交到工作流重调度模块，
工作流重调度模块则根据当前资源状态对工作流的瓶颈任务进行重新调度，使系统的任务
完成率更高。

[0043] 所述控制层中的SDN控制器实现了卫星网络模拟系统中的场景控制以及网络流量优化部署等网络性能的优化。实现对SDN网络流量的部署可使用如今主流的SDN控制器软件
实现，例如开源的Floodlight、OpenDaylight、Ryu等。本发明使用轻量的Ryu控制器软件来
实现流量部署策略的下发。计算流量部署策略的工作主要由SDN控制器的速率监控模块以
及路由计算模块完成。速率监控模块不断监控网络的流量状态，路由计算模块可以快速部
署用户需要测试的路由协议。路由计算模块通过不断从速率监控模块获取网络状态信息来
识别当前网络负载状态，并计算出当下较优的流量部署方案。场景控制主要由SDN控制器的
虚拟拓扑生成、链路仿真两个模块实现，用于实现广播风暴抑制、动态拓扑生成以及动态链
路配置的功能。

[0044] 针对广播风暴抑制，本发明采用了ARP代理的方式来处理广播风暴。控制器预存主机IP地址和MAC地址映射表。交换机根据预设流表，将ARP请求帧上传至控制器而不对其进
行泛洪。当控制器接收到ARP请求帧时，控制器根据预设的IP‑MAC地址映射表查询目的主机
的MAC地址，并封装为ARP回复帧，下发给对应的OpenFlow交换机，使该帧传送回发送ARP请
求帧的主机。

[0045] 针对动态拓扑生成，本发明首先利用STK软件导出以一分钟为间隔的星间、星地可见关系和星间、星地链路距离并将上述结果保存至excel表格中。虚拟拓扑生成模块通过读
取excel表格并构建时间拓展图。虚拟拓扑生成模块只需要按照时间属性对各条边进行筛
选即可获得某时刻的拓扑切片并下发流表以对部分端口进行阻塞。

[0046] 针对动态链路配置，本发明使用南向接口协议OpenFlow v1.3版本的meter表功能进行带宽链路的动态配置。虚拟拓扑生成模块首先读取两个节点之间的距离值并传递给链
路仿真模块。链路仿真模块根据链路模型计算数据传输速率后下发相应meter表。

[0047] 在卫星网络模拟系统的硬件构建方案上，本发明使用一台SDN交换机与一台服务器模拟一颗卫星节点。SDN交换机用于模拟星上的通信转发器，服务器用于模拟卫星的计算
存储资源以及各类传感器资源。SDN交换机之间使用全连接的方式进行物理连接，即每台交
换机与其他任何一台交换机进行连接。数据转发层的硬件构建方案以及数据转发层与上层
之间的硬件连接方案如图6所示，图6展示出一个可模拟4颗卫星节点以及大规模用户的半
实物试验装置搭建方案。

[0048] 除了装置主体框架与功能模块的搭建，本发明设计了友好的人机交互界面以方便装置的使用者进行软件交互。人机交互界面基于vue框架，并使用html与javascript语言进
行构建，主要分为卫星星座可视化展示、卫星状态信息可视化展示以及任务执行过程的可
视化展示三大模块，该人机交互界面可实现网络状态信息的可视化展示、以及网络性能分
析等功能。

[0049] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形和修改，这并不影
响本发明的实质内容。