一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法及系统，包括构建基于SDN的卫星网络架构；获取LEO卫星网络全局负载信息，基于三个门限判定LEO卫星网络的负载状态；若LEO卫星网络处于整体过载状态、局部过载状态或欠载状态，则基于LEO卫星网络的负载状态制定迁移策略；若LEO卫星网络处于正常状态，则输出LEO卫星网络信息；基于迁移策略进行动态迁移；更新LEO卫星网络中LEO卫星交换机节点与LEO卫星控制器节点的映射关系以获得当前LEO卫星网络；基于三个门限判断当前LEO卫星网络的负载状态，若当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态，则输出当前LEO卫星网络相关信息；若处于不正常状态，则重复上述步骤直至当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态。

权利要求

1.一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法，其特征在于，包括以下步骤：S100：构建基于SDN的卫星网络架构；

S200：获取LEO卫星网络全局负载信息，基于三个门限判定LEO卫星网络的负载状态；所述LEO卫星网络的负载状态包括整体过载状态、局部过载状态、欠载状态和正常状态；

S300：若所述LEO卫星网络处于整体过载状态、局部过载状态或欠载状态，则基于所述LEO卫星网络的负载状态制定迁移策略；若所述LEO卫星网络处于正常状态，则输出LEO卫星网络信息；

S400：基于所述迁移策略进行动态迁移；

S500：更新LEO卫星网络中LEO卫星交换机节点与LEO卫星控制器节点的映射关系以获得当前LEO卫星网络；

S600：基于三个门限判断当前LEO卫星网络的负载状态，若当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态，则输出当前LEO卫星网络相关信息；若当前LEO卫星网络的负载状态不处于正常状态，则重复上述步骤S200～S500，直至当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态；

其中，所述步骤S300包括：若所述LEO卫星网络处于整体过载状态，则制定以下迁移策略：S311：添加LEO卫星控制器节点，将过载的LEO卫星控制器节点确定为迁移LEO卫星控制器节点；

S312：基于优先迁移率在所述迁移LEO卫星控制器节点中选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

S313：基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对所述目标函数进行求解以确定新添加LEO卫星控制器节点的位置；并将所述新添加LEO卫星控制器节点作为目标域。

2.根据权利要求1所述的卫星网络多控制器动态部署方法，其特征在于，所述步骤S200包括：基于LEO卫星网络全局负载信息判断LEO卫星网络负载是否大于第一门限，若大于第一门限，则判定LEO卫星网络处于整体过载状态；

若小于第一门限，则进一步判断任一LEO卫星控制器节点负载是否大于第二门限，若大于第二门限，则判定LEO卫星网络处于局部过载状态；

若小于第二门限，则进一步判断任一LEO卫星控制器节点负载是否小于第三门限，若小于第三门限，则判定LEO卫星网络处于欠载状态；

若大于第三门限，则判定LEO卫星网络处于正常状态。

3.根据权利要求1所述的卫星网络多控制器动态部署方法，其特征在于，所述步骤S300包括：若LEO卫星网络处于局部过载状态，则制定以下迁移策略：S321：筛选出任一过载的LEO卫星控制器节点，将所述过载的LEO卫星控制器节点确定为迁移LEO卫星控制器节点；

S322：基于优先迁移率在所述迁移LEO卫星控制器节点中选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

S323：基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对目标函数进行求解以选择出合适的卫星控制器节点作为目标域。

4.根据权利要求1所述的卫星网络多控制器动态部署方法，其特征在于，所述步骤S300包括：若LEO卫星网络处于欠载状态，则制定以下迁移策略：S331：筛选出任一欠载的LEO卫星控制器节点，将所述欠载的LEO卫星控制器节点确定为迁移LEO卫星控制器节点；

S332：基于优先迁移率在所述迁移LEO卫星控制器节点中选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

S333：基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对目标函数进行求解以选择出合适的卫星控制器节点作为目标域。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的卫星网络多控制器动态部署方法，其特征在于，所述优先迁移率通过以下公式表示：式中，Qj为LEO卫星交换机节点sj优先迁移率；λj为迁移LEO卫星交换机节点sj的数据流请求速率；dij为迁移LEO卫星交换机节点sj与迁移LEO卫星控制器节点ci之间的最短距离；fi为LEO卫星控制器节点ci的处理能力。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的卫星网络多控制器动态部署方法，其特征在于，所述目标函数通过以下公式表示：Wmin＝α×BL+β×newcost+γ×newTa

式中，Wmin为基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数的最小值；BL为迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数；newcost为LEO卫星网络迁移开销进行归一化之后的值；newTa为迁移后LEO卫星控制链路时延进行归一化后的值；β、γ、α分别为LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数的不同权重，α+β+γ＝1，

0≤α,β,γ≤1。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的卫星网络多控制器动态部署方法，其特征在于，采用鲸鱼优化算法和模拟退火算法对目标函数进行求解。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的卫星网络多控制器动态部署方法，其特征在于，所述步骤S400包括：迁移LEO卫星控制器节点选取待迁移LEO卫星交换机节点，并向待迁移的LEO卫星交换机节点部署迁移规则，待迁移LEO卫星交换机节点向目标域发送请求，目标域接受待迁移LEO卫星交换机节点的请求，将待迁移LEO卫星交换机节点迁移至目标域下；

若LEO卫星网络处于欠载状态，将待迁移LEO卫星交换机节点迁移至目标域下后，关闭欠载的LEO卫星控制器节点。

9.一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署系统，包括卫星网络构建模块、负载状态判定模块、迁移策略制定模块、迁移模块、更新模块和判断模块；

所述卫星网络构建模块用于构建基于SDN的卫星网络架构；

所述负载状态判定模块用于获取LEO卫星网络全局负载信息，基于三个门限判定LEO卫星网络的负载状态；所述LEO卫星网络的负载状态包括整体过载状态、局部过载状态、欠载状态和正常状态；

所述迁移策略制定模块用于当所述LEO卫星网络处于整体过载状态、局部过载状态或欠载状态时，基于所述LEO卫星网络的负载状态制定迁移策略，以及当所述LEO卫星网络处于正常状态时，输出LEO卫星网络信息；

所述迁移模块用于基于所述迁移策略进行动态迁移；

所述更新模块用于更新LEO卫星网络中LEO卫星交换机节点与LEO卫星控制器节点的映射关系，以获得当前LEO卫星网络；

所述判断模块用于基于三个门限判断当前LEO卫星网络的负载状态，若当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态，则输出当前LEO卫星网络相关信息；

所述迁移策略制定模块执行以下操作：

若所述LEO卫星网络处于整体过载状态，则制定以下迁移策略：

S311：添加LEO卫星控制器节点，将过载的LEO卫星控制器节点确定为迁移LEO卫星控制器节点；

S312：基于优先迁移率在所述迁移LEO卫星控制器节点中选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

S313：基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对所述目标函数进行求解以确定新添加LEO卫星控制器节点的位置；并将所述新添加LEO卫星控制器节点作为目标域。

说明书

一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星网络技术领域，具体涉及一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法及系统。

背景技术

[0002] 卫星网络具有体系结构庞大、卫星数量多且分布广、网络拓扑灵活多变等特征；软件定义网络(Software Define Network，SDN)是一种灵活的、可编程的、集中控制的新型网络架构，主要由控制平面、数据平面和应用平面构成，SDN基本架构如图1所示，SDN解耦了控制平面和数据平面，能够以全局视角分配网络资源，并制定有效的资源分配策略；控制平面作为SDN架构的核心组成部分，通常由一个或多个控制器组成；数据平面由简单的交换机等硬件转发设备组成，数据平面设备通过南向接口接收来自上层控制平面的决策指令，并根据控制平面下发的流规则进行相应的数据转发与处理；当转发设备接收到数据包时，首先会检查本地流表，寻找对应的流表项，若流表项存在且匹配成功则根据对应的转发路径进行转发，若匹配失败，则封装成Packet‑in请求消息发送给控制器，随后控制器间进行通信寻找对应的转发策略，并封装成Packet‑out消息返回给交换机，此外，数据平面还会将当前的网络状态、统计信息等数据通过南向接口返回给控制平面。

[0003] 将SDN技术应用于卫星网络中具有简化卫星节点功能、增强卫星网络的控制能力、降低网络维护与建设成本以及实现网络资源灵活管理的优势，将SDN技术应用于卫星网络中能缓解卫星网络拓扑时变、星间链路变化频繁、卫星资源有限等多个问题，可以更好地满足空间网络的功能需求，控制平面可获取卫星网络全局视图，灵活管控卫星网络，卫星节点可分离控制与转发功能，降低星载设备的复杂性；同时，卫星控制器节点可以实时监测网络节点变化，随时掌握卫星网络负载情况。

[0004] 目前，基于SDN的卫星网络多控制器部署研究，主要从控制器静态部署和控制器动态部署两个角度来进行分析；卫星网络多控制器静态部署方法不考虑网络流量、拓扑的动态变化，始终认为网络的流量和网络结构与初始时刻保持一致，能够保证在某一状态下的网络性能达到最优，但却无法达到整体性能最优，无法应对空间信息网络的突发性任务引起的流量剧增、控制器容量不足，出现控制器停滞甚至导致整个网络瘫痪的现象，对网络的安全性与可靠性无形中产生了威胁，对整个网络的性能造成了影响；卫星网络多控制器动态部署方法，能够积极应对不同网络用户、服务需求下，卫星数据流量发生的激烈变化时产生的网络流量分布不均，控制器负载不均的现象。

[0005] 由于当前传统的基于SDN的卫星网络多控制器的动态部署方法在应对卫星网络数据流量剧烈变化时，无法适应当前LEO卫星网络网络拓扑变化，部分LEO卫星控制器节点可能会出现异常状态，如整体过载状态、局部过载状态及欠载状态；当LEO卫星控制器节点整体过载或是局部过载时，LEO卫星控制器节点的性能将遭到冲击，无法正常处理LEO卫星交换机节点的相关数据，导致整个卫星网络的处理性能受到影响；当LEO卫星控制器节点出现欠载情况时，LEO卫星控制器节点的处理能力得不到合理使用，造成卫星资源的浪费。

发明内容

[0006] 针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法，该方法基于SDN的卫星网络架构，将卫星网络中的主控制器部署在地面站，区域控制器部署在GEO卫星，部分的LEO卫星部署从控制器；该方法针对卫星网络的流量变化，重新调整卫星控制域的划分，采用“三门限”交换机迁移策略，通过动态迁移LEO卫星交换机节点，动态改变LEO卫星控制器节点与交换机节点的映射关系，解决当前卫星网络流量分布不均问题，提高卫星节点资源利用率、卫星网络的服务质量与处理性能。

[0007] 本发明的第二个目的是提供一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署系统。

[0008] 本发明所采用的第一个技术方案是：一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法，包括以下步骤：

[0009] S100：构建基于SDN的卫星网络架构；

[0010] S200：获取LEO卫星网络全局负载信息，基于三个门限判定LEO卫星网络的负载状态；所述LEO卫星网络的负载状态包括整体过载状态、局部过载状态、欠载状态和正常状态；

[0011] S300：若所述LEO卫星网络处于整体过载状态、局部过载状态或欠载状态，则基于所述LEO卫星网络的负载状态制定迁移策略；若所述LEO卫星网络处于正常状态，则输出LEO卫星网络信息；

[0012] S400：基于所述迁移策略进行动态迁移；

[0013] S500：更新LEO卫星网络中LEO卫星交换机节点与LEO卫星控制器节点的映射关系以获得当前LEO卫星网络；

[0014] S600：基于三个门限判断当前LEO卫星网络的负载状态，若当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态，则输出当前LEO卫星网络相关信息；若当前LEO卫星网络的负载状态不处于正常状态，则重复上述步骤S200～S500，直至当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态。

[0015] 优选地，所述步骤S200包括：

[0016] 基于LEO卫星网络全局负载信息判断LEO卫星网络负载是否大于第一门限，若大于第一门限，则判定LEO卫星网络处于整体过载状态；

[0017] 若小于第一门限，则进一步判断任一LEO卫星控制器节点负载是否大于第二门限，若大于第二门限，则判定LEO卫星网络处于局部过载状态；

[0018] 若小于第二门限，则进一步判断任一LEO卫星控制器节点负载是否小于第三门限，若小于第三门限，则判定LEO卫星网络处于欠载状态；

[0019] 若大于第三门限，则判定LEO卫星网络处于正常状态。

[0020] 优选地，所述步骤S300包括：若所述LEO卫星网络处于整体过载状态，则制定以下迁移策略：

[0021] S311：添加LEO卫星控制器节点，将过载的LEO卫星控制器节点确定为迁移LEO卫星控制器节点；

[0022] S312：基于优先迁移率在所述迁移LEO卫星控制器节点中选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

[0023] S313：基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对所述目标函数进行求解以确定新添加LEO卫星控制器节点的位置；并将所述新添加LEO卫星控制器节点作为目标域。

[0024] 优选地，所述步骤S300包括：若LEO卫星网络处于局部过载状态，则制定以下迁移策略：

[0025] S321：筛选出任一过载的LEO卫星控制器节点，将所述过载的LEO卫星控制器节点确定为迁移LEO卫星控制器节点；

[0026] S322：基于优先迁移率在所述迁移LEO卫星控制器节点中选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

[0027] S323：基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对目标函数进行求解以选择出合适的卫星控制器节点作为目标域。

[0028] 优选地，所述步骤S300包括：若LEO卫星网络处于欠载状态，则制定以下迁移策略：

[0029] S331：筛选出任一欠载的LEO卫星控制器节点，将所述欠载的LEO卫星控制器节点确定为迁移LEO卫星控制器节点；

[0030] S332：基于优先迁移率在所述迁移LEO卫星控制器节点中选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

[0031] S333：基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对目标函数进行求解以选择出合适的卫星控制器节点作为目标域。

[0032] 优选地，所述优先迁移率通过以下公式表示：

[0033]

[0034] 式中，Qj为LEO卫星交换机节点sj优先迁移率；λj为迁移LEO卫星交换机节点sj的数据流请求速率；dij为迁移LEO卫星交换机节点sj与迁移LEO卫星控制器节点ci之间的最短距离；fi为LEO卫星控制器ci的处理能力。

[0035] 优选地，所述目标函数通过以下公式表示：

[0036] Wmin＝α×BL+β×newcost+γ×newTa

[0037] 式中，Wmin为基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数的最小值；BL为迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数；newcost为LEO卫星网络迁移开销进行归一化之后的值；newTa为迁移后LEO卫星控制链路时延进行归一化后的值；α、β、γ分别为LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数的不同权重，α+β+γ＝1，0≤α,β,γ≤1。

[0038] 优选地，采用鲸鱼优化算法和模拟退火算法对目标函数进行求解。

[0039] 优选地，所述步骤S400包括：

[0040] 迁移LEO卫星控制器节点选取待迁移LEO卫星交换机节点，并向待迁移的LEO卫星交换机节点部署迁移规则，待迁移LEO卫星交换机节点向目标域发送请求，目标域接受待迁移LEO卫星交换机节点的请求，将待迁移LEO卫星交换机节点迁移至目标域下；

[0041] 若LEO卫星网络处于欠载状态，将待迁移LEO卫星交换机节点迁移至目标域下后，关闭欠载的LEO卫星控制器节点。

[0042] 本发明所采用的第二个技术方案是：一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署系统，包括卫星网络构建模块、负载状态判定模块、迁移策略制定模块、迁移模块、更新模块和判断模块；

[0043] 所述卫星网络构建模块用于构建基于SDN的卫星网络架构；

[0044] 所述负载状态判定模块用于获取LEO卫星网络全局负载信息，基于三个门限判定LEO卫星网络的负载状态；所述LEO卫星网络的负载状态包括整体过载状态、局部过载状态、欠载状态和正常状态；

[0045] 所述迁移策略制定模块用于当所述LEO卫星网络处于整体过载状态、局部过载状态或欠载状态时，基于所述LEO卫星网络的负载状态制定迁移策略，以及当所述LEO卫星网络处于正常状态时，输出LEO卫星网络信息；

[0046] 所述迁移模块用于基于所述迁移策略进行动态迁移；

[0047] 所述更新模块用于更新LEO卫星网络中LEO卫星交换机节点与LEO卫星控制器节点的映射关系以获得当前LEO卫星网络；

[0048] 所述判断模块用于基于三个门限判断当前LEO卫星网络的负载状态，若当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态，则输出当前LEO卫星网络相关信息。

[0049] 上述技术方案的有益效果：

[0050] (1)本发明公开的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法基于SDN的卫星网络架构，将卫星网络中的主控制器部署在地面站，区域控制器部署在GEO卫星，部分的LEO卫星部署从控制器；本发明借助铱星网络拓扑着重对LEO卫星网络的控制器动态部署进行研究。

[0051] (2)本发明公开的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法针对卫星网络的流量变化，重新调整卫星控制域的划分，采用“三门限”交换机迁移策略，通过动态迁移LEO卫星交换机节点，动态改变LEO卫星控制器节点与交换机节点的映射关系，解决当前卫星网络流量分布不均问题，提高卫星节点资源利用率、卫星网络的服务质量与处理性能。

[0052] (3)本发明公开的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法针对LEO卫星控制器节点的部署问题，采用“三门限”交换机迁移策略，通过交换机迁移机制，使用鲸鱼优化算法与模拟退火算法相结合的算法，以优化网络的迁移开销和卫星控制链路时延、负载均衡为目标，动态改变控制器与交换机间的映射关系，从而满足正常的卫星通信需求。

[0053] (4)本发明公开的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法解决了不同网络用户、服务需求和任务等发生变化时，卫星网络产生数据流量突变时，卫星网络可能出现的控制器整体过载状态、局部过载状态及欠载状态下的控制器动态部署问题。

[0054] (5)本发明将SDN引入卫星网络的研究中，对控制平面采用分布式部署方式，在地面站部署主控制器，在GEO卫星部署区域控制器，在部分LEO卫星部署从控制器；综合考虑到卫星网络中LEO卫星具有传输时延短、数量多、应用场景丰富等特征，进一步提高卫星网络管理的灵活性，能够为用户提供高效率、高标准的服务。

附图说明

[0055] 图1为SDN的基本架构图；

[0056] 图2为本发明的一个实施例提供的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法的流程示意图；

[0057] 图3为本发明的一个实施例提供的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法的流程图；

[0058] 图4为本发明一个实施例提供的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法的详细过程示意图；

[0059] 图5为本发明的一个实施例提供的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署系统的结构示意图。

具体实施方式

[0060] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。

[0061] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0062] 实施例一

[0063] 图2、图3和图4为本发明的一个实施例，针对LEO卫星网络拓扑，提供的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署方法，主要包括以下步骤：

[0064] S100：构建基于SDN的卫星网络架构；

[0065] 将卫星网络中的主控制器部署在地面站，区域控制器部署在GEO卫星，部分的LEO卫星部署从控制器；借助铱星网络拓扑着重对LEO卫星网络的控制器动态部署进行研究；

[0066] 本发明使用铱星网络拓扑研究LEO卫星网络控制器部署问题，该网络拓扑由6条极地轨道，每条轨道上11颗卫星，共计66颗LEO卫星组成，轨道平面间隔30°，轨道高度781千米，轨道倾角86.4°；本发明将66颗LEO卫星都认为是LEO卫星交换机节点，带内部署即为将控制器部署在LEO卫星交换机节点上，此时部署了控制器的LEO卫星交换机节点的传播时延可不计，此外该部署方式所产生的控制链路与数据链路重合，信息传输过程互不影响。

[0067] S200：获取LEO卫星网络全局负载信息，基于三个门限判定LEO卫星网络的负载状态；LEO卫星网络的负载状态包括整体过载状态、局部过载状态、欠载状态和正常状态；

[0068] 对LEO卫星控制器节点进行负载监测，获取LEO卫星网络全局负载信息，基于LEO卫星网络全局负载信息判断LEO卫星网络全局负载是否大于第一门限(整体过载门限)，若大于第一门限，则判定LEO卫星网络处于整体过载状态；若小于第一门限，则进一步判断任一LEO卫星控制器节点负载是否大于第二门限(局部过载门限)，若大于第二门限，则判定LEO卫星网络处于局部过载状态，若小于第二门限，则进一步判断任一LEO卫星控制器节点负载是否小于第三门限(欠载门限)，若小于第三门限，则判定LEO卫星网络处于欠载状态，若大于第三门限，则判定LEO卫星网络处于正常状态，输出LEO卫星网络信息；

[0069] 其中，第一门限为

[0070] 当大于第一门限时，即 时，则表明LEO卫星网络全局负载出现整体过载现象；

[0071] 当小于第一门限时，即 时，则进一步基于第二门限进行判断。

[0072] 第二门限为ri＝0.8，

[0073] 当大于第二门限时，即当 ri>0.8时，则表明LEO卫星网络全局负载出现局部过载现象；

[0074] 当小于第二门限时，即当 ri<0.8时，则进一步基于第三门限进行判断；

[0075] 其中，i为LEO卫星控制器节点集合中的一个卫星控制器节点ci；

[0076] C＝{c1,..,ci,..,cm}为LEO卫星控制器节点的集合。

[0077] 第三门限为ri＝0.2，

[0078] 当小于第三门限时，即当 ri<0.2时，则表明LEO卫星网络存在部分LEO卫星控制器节点的欠载现象；

[0079] 当大于第三门限时，即当 0.2

[0080] 其中，

[0081]

[0082]

[0083] 式中，ri为LEO卫星控制器节点ci控制域范围内所有LEO卫星交换机节点的数据流请求速率与LEO卫星控制器处理能力的比值；λj为LEO卫星交换机节点sj的数据流请求速率；Hij为LEO卫星控制器节点ci与LEO卫星交换机节点sj的连接关系；fi为LEO卫星控制器节点ci的处理能力；j为LEO卫星交换机节点集合中的一个卫星交换机节点sj；S＝{s1,…,sj,…sn}为LEO网络中卫星交换机节点的集合； 为整个LEO卫星网络控制器节点的平均资源利用率，体现当前LEO卫星控制器节点的资源利用情况；m为LEO卫星控制器节点的数量。

[0084] S300：若所述LEO卫星网络处于整体过载状态、局部过载状态或欠载状态，则基于所述LEO卫星网络的负载状态制定迁移策略；若所述LEO卫星网络处于正常状态，则输出LEO卫星网络信息；

[0085] 根据LEO卫星网络的负载状态实现卫星交换机节点迁移策略，包括：

[0086] ①正常状态：正常状态表示当前的LEO卫星网络全局负载状态正常，此时不需要迁移卫星交换机节点；

[0087] ②整体过载状态：整体过载状态表示当整个LEO卫星网络流量过载时，此时部署的LEO卫星控制器节点无法正常处理网络数据，整个LEO卫星网络处于超载，可能会呈现出“瘫痪”的现象，此刻需要增加LEO卫星控制器节点，即在整体过载状态下，LEO卫星网络中的LEO卫星控制器节点无法处理整个网络所产生的数据，需要添加部分的LEO卫星控制器节点，且需要将其他卫星控制域内的部分卫星交换机节点迁移至新添加的LEO卫星控制域内；

[0088] ③局部过载状态：局部过载状态表示从网络整体上来看当前的LEO卫星网络控制器节点能够处理卫星数据，但部分的LEO卫星控制器节点存在过载现象，无法成功处理数据，此时需要筛选出过载的LEO卫星控制器节点，通过迁移过载卫星控制器控制域内的LEO卫星交换机节点的方法，减轻该LEO卫星控制器节点的负担；即当出现局部过载状态时，通过判断过载LEO卫星控制器节点的状况，迁移过载控制器控制域内的LEO卫星交换机节点至其他LEO卫星控制器节点的控制域内；

[0089] ④欠载状态：从LEO卫星网络的资源利用率出发，由于欠载现象的发生，导致部分的卫星资源浪费，此时考虑休眠或关闭部分LEO卫星控制器节点，在其他LEO卫星控制器节点的处理能力范围内，迁移该LEO卫星控制器节点下的LEO卫星交换机节点至其他控制域内；即通过迁移欠载LEO卫星控制器节点控制域内的卫星交换机节点至其他LEO卫星控制器节点的控制域下，随后关闭该LEO卫星控制器节点。

[0090] 若所述LEO卫星网络处于整体过载状态、局部过载状态或欠载状态，则基于所述LEO卫星网络的负载状态制定迁移策略包括：

[0091] (1)若LEO卫星网络处于整体过载状态，则执行整体过载门限机制：

[0092] S311：添加LEO卫星控制器节点，确定过载的LEO卫星控制器节点为迁移LEO卫星控制器节点；

[0093] S312：基于优先迁移率在迁移LEO卫星控制器节点内的卫星交换机节点中，选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

[0094] S313：确定待迁移的LEO卫星交换机节点后，基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对目标函数使用鲸鱼优化算法与模拟退火算法相结合的混合算法进行求解，从而确定最佳的新添加LEO卫星控制器节点的位置；将新添加LEO卫星控制器节点作为目标域。

[0095] (2)若LEO卫星网络处于局部过载状态，则执行局部过载门限机制：

[0096] S321：筛选出任一出现过载的LEO卫星控制器节点，将该过载的LEO卫星控制器节点确定为迁移LEO卫星控制器节点；

[0097] S322：基于优先迁移率在迁移LEO卫星控制器节点内的卫星交换机节点中，选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

[0098] S323：确定待迁移的LEO卫星交换机节点后，基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对目标函数使用鲸鱼优化算法与模拟退火算法相结合的混合算法进行求解，选择出合适的卫星控制器节点作为目标域。

[0099] (3)若LEO卫星网络处于欠载状态，则执行欠载门限机制：

[0100] S331：筛选出任一出现欠载的LEO卫星控制器节点，将该欠载的LEO卫星控制器节点锁定为迁移LEO卫星控制器节点；

[0101] S332：基于优先迁移率在迁移LEO卫星控制器节点内的卫星交换机节点中，选择待迁移的LEO卫星交换机节点；

[0102] S333：确定待迁移的LEO卫星交换机节点后，基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡构建目标函数，对目标函数使用鲸鱼优化算法与模拟退火算法相结合的混合算法进行求解，选择出合适的卫星控制器节点作为目标域。

[0103] 其中，步骤S212、S222和S232中确定迁移LEO卫星控制器节点后，基于优先迁移率在迁移LEO卫星控制器节点内的卫星交换机节点中，选择待迁移的LEO卫星交换机节点具体为：

[0104] 当迁移LEO卫星控制器节点确定后，需要考虑如何选择迁移卫星交换机节点；当LEO卫星控制器节点出现负载较重时，一般来讲，迁移数据请求率最大的卫星交换机节点最为合适，但一味追求请求率最大的卫星交换机节点被迁移有欠考虑，此时还需判断LEO卫星控制器节点目标域的负载情况及LEO卫星控制器节点的处理能力；请求率较大的卫星交换机节点对卫星网络传输的扰动影响较大，且交互时间较长；另一方面，较大的请求速率，增大了卫星控制器目标域的负载压力，可能存在处理能力不足的现象；因此，从对卫星网络的扰动影响来讲，本发明优先选择迁移请求率较小、距离迁移控制器节点较远的边缘卫星交换机节点；

[0105] 本发明综合LEO卫星控制器负载和链路距离，提出了LEO卫星交换机节点优先迁移率这一概念，优先迁移率越大的卫星交换机节点，其优先级越高，越先被迁移；其中，LEO卫星交换机节点sj优先迁移率表示Qj如下：

[0106]

[0107] 式中，Qj为LEO卫星交换机节点sj优先迁移率；λj为迁移LEO卫星交换机节点sj的数据流请求速率；dij为迁移LEO卫星交换机节点sj与迁移LEO卫星控制器节点ci之间的最短距离；fi为LEO卫星控制器ci的处理能力。

[0108] 当LEO卫星交换机的请求率(即LEO卫星交换机节点sj的数据流请求速率λj)越小，链路距离(即LEO卫星交换机节点sj与LEO卫星控制器节点ci最短距离dij)越大，则Qj越大，说明sj优先级越高，则LEO卫星交换机节点sj最先从LEO卫星控制器节点ci中被迁移。

[0109] 其中，步骤S213、S223和S233中确定待迁移的LEO卫星交换机节点后，基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡进一步选择目标域具体为：

[0110] 目标域的选择即为解决待迁移的LEO卫星交换机节点往哪儿迁移的问题，选择合适的LEO卫星控制器节点来管控待迁移的LEO卫星交换机节点；目标域的选择主要与卫星网络迁移开销、迁移后卫星控制链路时延和迁移后卫星网络的负载均衡参数有关；

[0111] (1)卫星网络迁移开销

[0112] LEO卫星交换机节点的迁移开销主要由LEO卫星网络通信开销和LEO卫星迁移规则部署开销组成；LEO卫星交换机节点进行迁移时，会产生迁移请求，存在LEO卫星通信开销，LEO卫星交换机节点实现迁移的前提是LEO卫星控制器节点部署了迁移规则至迁移LEO卫星交换机节点的流表中，产生了LEO卫星迁移规则部署开销；即LEO卫星网络迁移开销表示为：cost＝costcom+costrule，其中，cost为LEO卫星网络迁移开销，costcom为LEO卫星通信开销，costrule为LEO卫星迁移规则部署开销；

[0113] LEO卫星通信开销主要包括两个方面：一是待迁移LEO卫星交换机节点与迁移LEO卫星控制器节点的建立通信关系产生的开销，二是请求进行迁移时，待迁移LEO卫星交换机节点与目标域之间的通信开销，LEO卫星通信开销costcom表示如下：

[0114]

[0115] 式中，costcom为LEO卫星通信开销；dij为迁移LEO卫星交换机节点sj与迁移LEO卫星控制器节点ci之间的最短距离；dwj为迁移LEO卫星交换机节点sj与目标域cw之间的最短距离；λj为迁移LEO卫星交换机节点sj的数据流请求速率；

[0116] LEO卫星迁移规则部署开销costrule表示为：

[0117] costrule＝ξ×dij×Hij

[0118] 式中，costrule为LEO卫星迁移规则部署开销；ξ为flow_mod流规则数据包的平均大小；dij为迁移LEO卫星交换机节点sj与迁移LEO卫星控制器节点ci之间的最短距离；Hij为迁移LEO卫星控制器节点ci与迁移LEO卫星交换机节点sj的连接关系；该LEO卫星迁移规则部署开销仅与迁移的LEO卫星交换机节点有关。

[0119] (2)迁移后LEO卫星控制链路时延

[0120] 迁移后的LEO卫星控制链路时延主要包括迁移后的LEO卫星控制器控制域内LEO卫星交换机节点至LEO卫星控制器节点的星间链路传播时延、网络排队时延和LEO卫星任务处理时延；

[0121]

[0122] 式中，Ta为迁移后LEO卫星控制链路时延；Ti为LEO卫星控制器节点ci的控制域内的总时延；Tcc为整个LEO卫星网络中控制器节点间总的传播时延；Tqi为LEO卫星控制器节点ci控制域内的排队时延； 为LEO卫星控制器节点ci的处理时延； 为LEO卫星控制器节点ci与LEO卫星交换机节点间的传播时延。

[0123] (3)迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数

[0124] 通过LEO卫星网络负载均衡参数可评价LEO卫星控制器节点负载的差异程度，采用方差法计算各个LEO卫星控制器节点的负载与整个网络LEO卫星控制器节点平均负载的差异度，其结果越接近于0，表明各LEO卫星控制器节点负载越均衡，LEO卫星控制器节点的平均负载 表示为：

[0125]

[0126] 式中， 为LEO卫星控制器节点的平均负载；m为LEO卫星控制器节点的数量； 为LEO卫星控制器节点ci的负载；

[0127] 则迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数表示为：

[0128]

[0129] 式中，BL为迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数； 为LEO卫星控制器节点的平均负载；m为LEO卫星控制器节点的数量； 为LEO卫星控制器节点ci的负载；

[0130] 迁移LEO卫星交换机目标域的选择问题是LEO卫星交换机迁移问题的关键所在，需综合LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数对目标域进行分析；为了更好地权衡LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数这三个目标，需对LEO卫星网络迁移开销cost和迁移后LEO卫星控制链路时延Ta进行归一化处理，即为：

[0131]

[0132]

[0133] 则目标函数Wmin定义为

[0134] Wmin＝α×BL+β×newcost+γ×newTa

[0135] 式中，Wmin为基于LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数的最小值，以确定目标域的选择；BL为迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数；newcost为LEO卫星网络迁移开销cost进行归一化之后的值；newTa为迁移后LEO卫星控制链路时延进行归一化后的值；α、β、γ分别为三个0～1的数，分别代表LEO卫星网络迁移开销、迁移后LEO卫星控制链路时延和迁移后LEO卫星网络的负载均衡参数的不同权重，α+β+γ＝1，0≤α,β,γ≤1。

[0136] 鲸鱼优化算法(Whale Optimization Algorithm，WOA)是一种新的群智能优化算法，该算法具有结构简单、参数少、搜索能力强且易于实现等优势特征，但该算法易陷入局部最优；考虑到模拟退火算法的全局搜索能力较强，因此将鲸鱼优化算法与模拟退火算法相结合以提升算法的全局搜索能力；因此，在目标函数确定后，使用鲸鱼优化算法与模拟退火算法相结合的混合算法进行求解，选择出合适的卫星控制器节点作为目标域。

[0137] 进一步的，在一个实施例中，目标域的选择还考虑星间链路的可靠性。

[0138] 本发明采用“三门限”LEO卫星交换机节点的迁移策略，主要通过动态迁移LEO卫星交换机节点，解决当前LEO卫星网络流量分布不均问题，包括LEO卫星网络整体过载的情况、LEO卫星网络局部过载的情况以及LEO卫星网络中存在部分卫星控制器节点欠载的情况；本发明的LEO卫星控制器节点的动态部署策略主要是通过迁移LEO卫星控制器节点下的LEO卫星交换机节点来实现，LEO卫星交换机节点迁移过程中会产生迁移开销，迁移前后LEO卫星控制器节点的负载、网络时延也会发生变化；因此本发明以迁移开销、负载均衡和时延为目标，来制定LEO卫星交换机节点迁移策略。

[0139] S400：基于迁移策略进行动态迁移，即将待迁移LEO卫星交换机节点迁移至目标域下；

[0140] (1)若LEO卫星网络处于整体过载状态，则执行以下迁移操作：

[0141] 迁移LEO卫星控制器节点(即过载的LEO卫星控制器节点)向待迁移的LEO卫星交换机节点部署迁移规则，待迁移LEO卫星交换机节点向新添的LEO卫星控制器节点(目标域)发送请求，新添的LEO卫星控制器节点接受待迁移LEO卫星交换机节点的请求，将所选择的待迁移LEO卫星交换机节点迁移至新添LEO卫星控制器节点以实现LEO卫星交换机节点的动态迁移。

[0142] (2)若LEO卫星网络处于局部过载状态，则执行以下迁移操作：

[0143] 迁移LEO卫星控制器节点(即过载的LEO卫星控制器节点)选取待迁移LEO卫星交换机节点，并向待迁移的LEO卫星交换机节点部署迁移规则，待迁移LEO卫星交换机节点向目标域(合适的LEO卫星控制器节点)发送请求，目标域接受待迁移LEO卫星交换机节点的请求，将所选择的待迁移LEO卫星交换机节点迁移至目标域下以实现LEO卫星交换机节点的动态迁移。

[0144] (3)若LEO卫星网络处于欠载状态，则执行以下迁移操作：

[0145] 迁移LEO卫星控制器节点(即欠载的LEO卫星控制器节点)选取待迁移LEO卫星交换机节点，并向待迁移的LEO卫星交换机节点部署迁移规则，待迁移LEO卫星交换机节点向目标域(合适的LEO卫星控制器节点)发送请求，目标域接受待迁移LEO卫星交换机节点的请求，将所选择的待迁移LEO卫星交换机节点迁移至目标域下，并关闭上述欠载的LEO卫星控制器节点，以实现LEO卫星交换机节点的动态迁移。

[0146] S500：更新LEO卫星网络中LEO卫星交换机节点与LEO卫星控制器节点的映射关系以获得当前LEO卫星网络；

[0147] LEO卫星交换机节点实现迁移后，LEO卫星控制器节点控制域内的LEO卫星交换机节点的数量、网络负载等情况均会产生变化，因此需要将LEO卫星网络中LEO卫星交换机节点与LEO卫星控制器节点的映射关系进行更新。

[0148] S600：LEO卫星网络更新后，基于三个门限负载监测模块对当前LEO卫星网络中的LEO卫星控制器节点进行判断，若判断出当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态，则输出当前LEO卫星网络相关信息；若判断出当前LEO卫星网络的负载状态不处于正常状态，则重复上述步骤S200～S500，直至判断出当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态。

[0149] 实施例二

[0150] 图5为本发明的一个实施例提供的一种基于SDN的卫星网络多控制器动态部署系统，包括卫星网络构建模块、负载状态判定模块、迁移策略制定模块、迁移模块、更新模块和判断模块；

[0151] 卫星网络构建模块用于构建基于SDN的卫星网络架构；

[0152] 负载状态判定模块用于获取LEO卫星网络全局负载信息，基于三个门限判定LEO卫星网络的负载状态；LEO卫星网络的负载状态包括整体过载状态、局部过载状态、欠载状态和正常状态；

[0153] 迁移策略制定模块用于当所述LEO卫星网络处于整体过载状态、局部过载状态或欠载状态时，基于所述LEO卫星网络的负载状态制定迁移策略，以及当所述LEO卫星网络处于正常状态时，输出LEO卫星网络信息；

[0154] 迁移模块用于基于所述迁移策略进行动态迁移；

[0155] 更新模块用于更新LEO卫星网络中LEO卫星交换机节点与LEO卫星控制器节点的映射关系以获得当前LEO卫星网络；

[0156] 判断模块用于基于三个门限判断当前LEO卫星网络的负载状态，若当前LEO卫星网络的负载状态处于正常状态，则输出当前LEO卫星网络相关信息。

[0157] 结合本发明需做出以下说明：第一，无论哪种网络状态(整体过载状态、局部过载状态或欠载状态)，均采用同样的LEO卫星交换机节点迁移方式；第二，当前网络中所有的LEO卫星交换机节点均不存在失效现象；第三，可见的LEO卫星间即可连。

[0158] 在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0159] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0160] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

[0161] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0162] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。