基于拓?fù)漕A(yù)測與LLDP控制的天基網(wǎng)絡(luò)路由方法

劉愛兵 吳靜 吳兆陽 江昊

摘 要： 隨著SDN的興起，許多基于SDN的天基網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被提出，但這些架構(gòu)沒有考慮突發(fā)情況對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠绊懸约癓LDP的合理使用。針對以上不足，提出基于拓?fù)漕A(yù)測與LLDP控制的天基網(wǎng)絡(luò)路由方法。該方法采用基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在正常情況下關(guān)閉LLDP協(xié)議，根據(jù)預(yù)測拓?fù)渲苯佑嬎懵窂较掳l(fā)流表;在突發(fā)情況下開啟LLDP，獲取實時拓?fù)淙缓笥嬎懵窂较掳l(fā)流表。為了驗證TP?LC，搭建基于SDN交換機的仿真平臺，能夠同時模擬天基網(wǎng)絡(luò)特性與SDN架構(gòu)特性。仿真結(jié)果表明，TP?LC與OpenSAN相比，降低了信令開銷，減少了數(shù)據(jù)丟失。

關(guān)鍵詞： SDN; 天基網(wǎng)絡(luò); 突發(fā)情況; 拓?fù)漕A(yù)測; LLDP控制; SDN交換機; 仿真平臺

中圖分類號： TN927?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0011?06

Abstract： With the development of the software definition network （SDN）， many space?based network architectures based on SDN have been proposed， in which the impact of sudden situation on the network topology and the reasonable use of link layer discovery protocol （LLDP） aren′t considered. In view of the above shortcomings， a space?based network routing method based on topology prediction and LLDP control （TP?LC） is proposed. The SDN?based network architecture is adopted in this method to close the LLDP in the normal situation， and calculate the path and send the flow chart directly according to the predicted topology; open the LLDP in the sudden situation， and calculate the path and send the flow chart after the real?time topology acquisition. In order to verify the TP?LC， a simulation platform based on SDN switch was established， which can simulate the characteristics of space?based network and SDN architecture simultaneously. The simulation results show that， in comparison with the open satellite network （Open?SAN）， the method based on TP?LC can reduce the signaling overhead and data loss.

Keywords： SDN; space?based network; sudden situation; topology prediction; LLDP control; SDN switch; simulation platform

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外針對天基網(wǎng)絡(luò)的路由問題進(jìn)行了大量的研究，例如LAOR[1]，MLSR[2]，SGRP[3]。這些研究能在一定程度上解決天基網(wǎng)絡(luò)的路由問題，但也有各自的局限。LAOR采用帶內(nèi)控制，收斂時間較長，MLSR與SGRP需要頻繁地更新路由表，信令開銷較大。

2012 年開放網(wǎng)絡(luò)基金會組織提出了SDN（Software Definition Network）架構(gòu)[4]，它與傳統(tǒng)路由最大的區(qū)別在于將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面與數(shù)據(jù)平面分開。文獻(xiàn)[5]從整體上分析了SDN在天基網(wǎng)絡(luò)中運用的優(yōu)勢：在靈活性與控制性間進(jìn)行權(quán)衡;快速部署及更新網(wǎng)絡(luò)配置;提供靈活、細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)控制; 協(xié)作覆蓋及避免沖突;提供更好的兼容性;減少系統(tǒng)開銷。

文獻(xiàn)[6]提出一種基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)OpenSAN（Open Satellite Network），該架構(gòu)包含三部分：數(shù)據(jù)平面（衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施，終端路由器）、控制平面（GEO衛(wèi)星組）、管理平面（網(wǎng)絡(luò)操作控制中心）。數(shù)據(jù)平面的設(shè)備通過流表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，控制平面的作用主要在于：將管理平面的規(guī)則進(jìn)行翻譯并下發(fā)到數(shù)據(jù)平面;監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并將這些信息發(fā)送至管理平面。管理平面設(shè)備位于地面，運行各種應(yīng)用模塊，包括路由計算、虛擬化、安全、資源分配以及移動管理等。文獻(xiàn)[7]提出TS?SDN架構(gòu)，TS?SDN根據(jù)拓?fù)滏溄雍吐窂降目深A(yù)測性進(jìn)行拓?fù)涔芾恚x擇更有效的鏈接，關(guān)閉多余鏈接，同時對鏈接的可接入性進(jìn)行控制，從而避免頻譜干擾。文獻(xiàn)[8]對比了OLSR與TS?SDN，表明TS?SDN更適合LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

OpenSAN與TS?SDN都能為天基網(wǎng)絡(luò)提供路由服務(wù)，但存在以下問題：

1） 考慮到正常情況下拓?fù)涞目深A(yù)測性——周期性變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢詣澐譃槿舾赏負(fù)洹翱煺铡盵9]，但沒有考慮突發(fā)狀況對拓?fù)涞挠绊懀瑢嶋H上電離層活動[10]、衛(wèi)星設(shè)備故障[11]等因素都可能導(dǎo)致鏈路中斷，使得拓?fù)漕A(yù)測失效;

2） 沒有考慮到LLDP（Link Layer Discovery Protocol）的合理使用問題，LLDP的作用是為了發(fā)現(xiàn)拓?fù)鋄12]，但由1）可知，正常情況下LLDP的作用冗余。

針對以上不足，本文提出一種基于拓?fù)漕A(yù)測與LLDP控制的天基網(wǎng)絡(luò)路由方法。該方法在正常情況下關(guān)閉LLDP，根據(jù)預(yù)測拓?fù)渲苯佑嬎懵窂较掳l(fā)流表，在突發(fā)情況下開啟LLDP，獲取實時拓?fù)浜笥嬎懵窂较掳l(fā)流表。

1 TP?LC路由方法

對于基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，首先需要運行LLDP發(fā)現(xiàn)拓?fù)洌缓蟛拍苓M(jìn)行路由計算，計算路徑下發(fā)流表。但是天基網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫强深A(yù)測的，因此可以根據(jù)預(yù)測拓?fù)溆嬎懵窂礁铝鞅恚藭r可關(guān)閉LLDP。正常情況下，天基網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涠际强深A(yù)測的，但是可能由于電離層活動、衛(wèi)星設(shè)備故障等突發(fā)情況導(dǎo)致某些鏈路中斷，使得拓?fù)漕A(yù)測失效。因此突發(fā)狀況下，需要啟動LLDP獲取實時拓?fù)洌员阌嬎懵窂礁铝鞅怼?/p>

為了充分利用天基網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇深A(yù)測性以及LLDP的特性，本文提出一種基于拓?fù)漕A(yù)測與LLDP控制的天基網(wǎng)絡(luò)路由方法。

1.1 基于SDN的天基網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，控制器部署在三顆GEO衛(wèi)星上，構(gòu)成控制平面;同時每顆GEO衛(wèi)星部署管理模塊，構(gòu)成管理平面;多顆LEO衛(wèi)星構(gòu)成數(shù)據(jù)平面。這樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有以下幾點好處：

1） 將控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，減少LEO衛(wèi)星設(shè)備的復(fù)雜度;

2） LEO衛(wèi)星軌道低，作為數(shù)據(jù)平面層可減小傳輸時延;

3） 控制器部署在GEO衛(wèi)星，相比OpenSAN等架構(gòu)可以減少信令的延時與地面站的部署。

1.2 TP?LC路由方法設(shè)計

本文提出的TP?LC（Topology Prediction and LLDP Control）路由方法流程如圖2所示。

上傳拓?fù)鋽?shù)據(jù)，是指將LEO衛(wèi)星拓?fù)鋽?shù)據(jù)上傳至所有管理模塊中，以便每顆GEO衛(wèi)星進(jìn)行拓?fù)漕A(yù)測。

用戶入網(wǎng)登記，是指當(dāng)用戶接入LEO衛(wèi)星時，將此信息發(fā)送至所有管理模塊，以便管理模塊根據(jù)用戶接入的位置計算路徑。

初始流表下發(fā)，是指當(dāng)用戶間準(zhǔn)備進(jìn)行通信時，所有管理模塊根據(jù)預(yù)測拓?fù)溆嬎懵窂讲⒄{(diào)用控制器下發(fā)流表，建立通信鏈接。

流表更新，是指當(dāng)用戶通信時，通信路徑可能發(fā)生變化，此時需要更新流表。

1.2.1 上傳拓?fù)鋽?shù)據(jù)

地面站將LEO衛(wèi)星拓?fù)淇煺招蛄衃G]上傳至其中一顆GEO衛(wèi)星的管理模塊中，然后該衛(wèi)星將數(shù)據(jù)[G]同步到其余GEO衛(wèi)星的管理模塊。[G]表示為：

1.2.2 用戶入網(wǎng)登記

一般而言，用戶能夠接收到多個LEO衛(wèi)星的信號，根據(jù)距離優(yōu)先原則[13]選擇LEO衛(wèi)星接入。當(dāng)用戶接入LEO衛(wèi)星后，該衛(wèi)星將用戶的接入信令發(fā)送至GEO衛(wèi)星的管理模塊，然后GEO衛(wèi)星將該信令發(fā)送到其余GEO衛(wèi)星的管理模塊。

1.2.3 初始流表下發(fā)

當(dāng)用戶間需要進(jìn)行通信時，用戶向接入的LEO衛(wèi)星發(fā)送鏈接建立信令。類似接入信令的處理，鏈接建立信令會發(fā)送到所有GEO的管理模塊中。

各管理模塊收到鏈接建立信令后，根據(jù)式（2）和式（3）計算用戶通信的路徑[Pt。]式（2）采用dijkstra算法計算最短路徑，其中，[LEOuser1，LEOuser2]表示用戶所接入的LEO衛(wèi)星。[Pt]中的LEO衛(wèi)星節(jié)點分散接入在不同的GEO衛(wèi)星下，因此，GEO衛(wèi)星中的控制器向?qū)?yīng)的LEO衛(wèi)星節(jié)點下發(fā)流表（流表的idle_time默認(rèn)設(shè)置為5 s，如果流表空閑超過5 s則被清除）。

當(dāng)用戶所接入的LEO衛(wèi)星收到流表后，LEO衛(wèi)星向用戶發(fā)送流表下發(fā)完成信令，用戶收到該信令后發(fā)送一個探測信令到對端用戶，如果能夠收到對端用戶的回復(fù)信令，則確認(rèn)鏈接建立成功，此時可開始通信。

1.2.4 流表更新

在用戶通信的過程中，鏈接中斷時需要更新流表，這出自于兩方面原因：一是由于LEO衛(wèi)星正常運行導(dǎo)致拓?fù)渥兓?二是由于突發(fā)情況導(dǎo)致拓?fù)渥兓?/p>

LEO衛(wèi)星正常運行導(dǎo)致的“拓?fù)渥兓焙w兩種情況：

1） LEO衛(wèi)星之間的通斷關(guān)系發(fā)生變化：根據(jù)拓?fù)涞念A(yù)測性，各管理模塊根據(jù)式（2）與式（3）計算下一時間段的最短路徑[Pt+1，]如果[Pt+1=Pt，]說明雖然拓?fù)浒l(fā)生變化，但是最短路徑保持不變，不用進(jìn)行鏈接切換;如果[Pt+1！=Pt，]說明鏈接需要發(fā)生切換，各管理模塊根據(jù)[Pt+1]下發(fā)新流表，實現(xiàn)切換。

2） 用戶與LEO衛(wèi)星之間的通斷關(guān)系發(fā)生變化：用戶會根據(jù)距離優(yōu)先原則接入LEO衛(wèi)星，當(dāng)用戶接入新的LEO衛(wèi)星時，更新入網(wǎng)登記，然后管理模塊根據(jù)式（2）與式（3）計算路徑下發(fā)新流表，實現(xiàn)切換。

針對原因二，首先要考慮如何判定突發(fā)情況。突發(fā)情況包括電離層活動、衛(wèi)星設(shè)備故障等情況，這些意外事件發(fā)生時難以即刻被檢測出來，但是它們會造成用戶無法接收到數(shù)據(jù)，因此當(dāng)用戶中斷數(shù)據(jù)接收超過一定時間[T，]則視為發(fā)生了突發(fā)情況。[T]的確定是一個復(fù)雜問題，[T]過大會導(dǎo)致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟失增大，[T]過小會導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生誤判，從而導(dǎo)致不必要的LLDP開銷。[T]的確定不僅需要考慮持續(xù)通信情況下的數(shù)據(jù)接收間隔，也要考慮到鏈接切換時所增加的中斷時間，因此[T]的計算公式為：