基于軟件定義網絡的衛星網絡容錯路由機制

賈夢瑤 王興偉 張爽 易波 黃敏

摘 要：鑒于衛星網絡對安全性和應對故障的能力有很高的要求，引入了軟件定義網絡（SDN）技術，在網絡中放置中央控制器來增強網絡對故障的應對能力。首先，基于SDN的思想設計了一種衛星網絡模型，計算了三層軌道上衛星運行的參數并構建星座;然后，采用分層路由的方法，設計了一種針對衛星網絡的容錯路由機制;最后，在Mininet平臺上進行了仿真實驗，將容錯路由算法（FTR）的實驗結果與基于鏈路感知的星間路由算法（LRSR）和多層衛星網絡路由算法（MLSR）的實驗結果進行了對比。對比結果表明，在網絡中無損壞節點和鏈路的情況下，FTR的路由總延時比LRSR平均降低了6.06%，說明了引入SDN集中控制的有效性;FTR的丟包率比同樣以最小延時為目標的MLSR降低了25.79%，說明了在網絡模型中為中軌道（MEO）衛星設計臨時存儲路由機制的有效性。而當網絡中節點和鏈路的失效情況比較嚴重時，FTR的路由總延時比LRSR降低了3.99%，比MLSR降低了19.19%;其丟包率比LRSR降低了16.94%，比MLSR降低了37.95%，說明了FTR的容錯有效性。實驗結果驗證了基于SDN的衛星網絡路由機制具有更好的容錯能力。

關鍵詞：衛星網絡;網絡模型;軟件定義網絡;容錯;路由

中圖分類號： TP393.04 通信規程、通信協議

文獻標志碼：A

Abstract： Duing to the satellite network has high requirement for security and fault-dealing ability， with Software Defined Network （SDN） technology introduced， the central controller was set in the network to enhance the networks fault-dealing ability. Firstly， a satellite network model was designed based on the SDN idea， and the satellites operating parameters on the three-layer orbit were calculated and the constellations were built. Then， the method of hierarchical routing was used to design a fault tolerant routing mechanism for satellite network. Finally， the simulation experiments were carried out on the Mininet platform， and the experimental results of Fault-Tolerant Routing algorithm （FTR） were compared with the results of inter-Satellite Routing algorithm based on Link Recognizing （LRSR） and Multi-Layered Satellite Routing algorithm （MLSR）. The comparison results show that in the case without damaged nodes or links in the network， the total routing delay of FTR is reduced by 6.06% on average compared with that of LRSR， which shows the effectiveness of introducing SDN centralized control; the packet loss rate of FTR is reduced by 25.79% compared with that of MLSR which also targets the minimum delay， which shows the effectiveness of temporary storage routing mechanism design for the Medium Earth Orbit （MEO） satellites. When the failure of nodes and links in the network is serious， FTR has the total routing delay 3.99% lower than LRSR and 19.19% lower than MLSR， and has the packet loss rate 16.94% lower than LRSR and 37.95% lower than MLSR， which shows the effectiveness of fault tolerance of FTR. The experimental results prove that the fault tolerant routing mechanism of satellite network based on SDN has better fault tolerant capability.

Key words： satellite network; network model; Software Defined Network （SDN）; fault tolerance; routing

0 引言

隨著空間信息技術不斷發展，衛星網絡作為新興起的網絡系統，在天地一體化進程中占有很重要的地位。它具有容量大、成本低、無地理環境限制、靈活組網等特點，能有效緩解地面骨干網絡流量擁塞以及邊緣網絡無法接入主干網絡等問題。

但衛星網絡周期性動態變化的拓撲對路由協議的設計等問題提出了新的挑戰[1]。由于傳統網絡的路由協議不再適用于衛星網絡，近年來，國內外有大量的工作著重于提高多層衛星網絡的性能。為了提高網絡吞吐量和網絡利用率，文獻[2]提出了一種最優分布的路由方法，優化了近地軌道 （Low Earth Orbit， LEO） / 中軌道（Medium Earth Orbit， MEO）雙層衛星網絡中的流量分配。文獻[3]提出了一種新的路由和鏈路調度聯合優化方法來聯合生成吞吐量最優路由和傳輸時刻表，優化了由18個低地球軌道衛星組成的網絡的吞吐量，并提出了一種使衛星網絡吞吐量最大化的線性規劃方案。文獻[4]提出了一種在低地球軌道多跳衛星網絡中由微型衛星組成的延遲敏感包傳輸路由算法，平衡了衛星間鏈路的流量分配，降低了流量中斷率。文獻[5]提出了一種新型的MEO/LEO衛星網絡體系結構，構建了有效的衛星間鏈路，提出了一種基于網絡編碼的多路徑路由算法，提高了網絡吞吐量并減少了MEO/LEO混合衛星網絡的端到端延遲和數據包丟失率。為了避免網絡擁塞，文獻[6-7]提出了基于負載均衡的路由協議，并分別為LEO/MEO雙層衛星網絡開發了新的網絡結構。為了減少開銷，文獻[8]提出了一種在LEO衛星網絡中的路由算法，稱作加權半分布式路由算法 （Weighted Semi-Distributed Routing Algorithm， WSDRA），它能夠以較小的開銷找到一個具有最小傳播延遲的路徑。文獻[9]通過合理的路由流量，將空間路由器轉換為睡眠模式，提出了一種在衛星網絡中節能的路由選擇方案。另外，文獻[10]基于虛擬策略提出了一種服務質量 （Quality of Service， QoS）路由方案，數據消息只需要到達目的地，而不考慮網絡或應用程序的差異。虛擬策略是一種中間件，它提供了一個統一的接口，應用程序可以使用它來容納不同的通信技術從而配置協議屬性或傳輸消息。文獻[11]利用基于有限狀態自動機的狀態轉移模型，對故障塊的構造進行了形式化描述。在此模型基礎上，針對故障塊外的無死鎖容錯自適應路由提出了一種邊界擴散方法，即自適應容錯路由算法，稱作X-Y邊界路由算法 （X-Y Boundary Routing Algorithm， X-YBRA），徹底解決了故障塊的路由問題。文獻[12]針對衛星實時直播的應用場景，提出了一種 LEO 衛星網絡并行鏈路不相交多徑路由算法 （Satellite Parallel Edge-disjoint Multipath Routing algorithm， SPEMR），與其他衛星網絡路由協議共享網絡狀態信息，在滿足用戶應用需求的同時減小對網絡基本通信服務的影響。文獻[13]提出了一種基于拓撲控制的路由算法，該算法應用了虛擬節點策略和衛星分組的思想，并分別由地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit， GEO）衛星和LEO衛星進行路由計算和數據轉發，降低了路由時延和分組丟失率。

1）衛星節點的存儲空間、運算能力受限。

隨著衛星網絡的發展，衛星數量不斷增加，想要通過星載路由計算來維護整個網絡的鏈路狀態是十分困難的。如果在衛星節點上動態地執行路由算法，衛星節點要有全網拓撲信息，但收集鏈路信息十分耗時，路由的計算也很容易出錯。

2）星間鏈路易受影響。

首先，考慮到外太空環境的惡劣，衛星網絡的星間鏈路容易受到如太陽活動、電磁干擾等因素的影響。其次，衛星節點本身也面臨著失效的問題。因此在衛星網絡中設計一種容錯路由機制是十分必要的，以保證在節點或鏈路出現故障時能快速地算出新的路由路徑。

由于衛星是按照既定軌跡運行的，因此它們的運動和鏈路連接具有可預測性。人們可以在地面站預先計算出某顆衛星在某一時刻的位置，然后根據不同的策略解決空間信息網絡中拓撲動態變化的問題。基于這種考慮，本文引入了軟件定義網絡（Software Defined Network， SDN）技術，根據SDN中將控制平面和數據平面分離的思想，分配好控制器、路由器以及衛星網絡中其他組件的位置和功能，從而降低衛星節點的負載，提高路由計算效率，增強故障應對能力。

本文基于SDN思想，選取三層衛星網絡結構，設計了一種衛星網絡模型，可以有效監測和控制整個網絡狀態，并根據衛星的運行特點設計了三層衛星星座;其次，設計了MEO層的托管傳輸機制和LEO層的故障塊路由算法，用于增強網絡的故障處理能力;最后，對所提出的路由算法進行了驗證，并對結果進行了分析。

1 基于SDN的衛星網絡模型

三層衛星網絡結構包括三種衛星： GEO、MEO和LEO衛星。高層的衛星管理低層的衛星，從而實現覆蓋全球的目的。其中LEO采用極軌道星座，MEO采用傾斜軌道星座，GEO則是在地球同步軌道上運行。

SDN實現了網絡中通過軟件智能管控網絡組件的思想，該技術可以提高網絡的可編程性、可操作性和可重用性[14]。如圖1所示，本文將SDN思想引入到衛星網絡模型的設計中，讓衛星節點僅負責數據的傳輸，而鏈路的維護和路由計算都由控制器進行處理，從而有效地監測和控制整個網絡的狀態，降低衛星網絡中的星上負載，提高路由計算效率，更好地實現容錯路由的目的。

1.1 衛星網絡架構

本文設計的網絡架構如圖2所示。在該架構中，SDN控制器被部署于地面站，負責管控整個網絡，LEO層的每個衛星都是網絡中的一個只具有轉發功能的OpenFlow交換機。每顆LEO衛星上配有臨時存儲器，暫存當前需要轉發的數據包;每顆MEO衛星上配有長期存儲器，通常只存儲自己轉發的數據包，需要托管傳輸時，則收集其管理的LEO衛星的數據包，交付給其他MEO衛星。

考慮到地面站數量的限制，需要配置若干局部控制器輔助管控整個網絡，以保證SDN控制器對LEO層請求衛星的持續連接和控制。由于MEO層的衛星比LEO層的衛星壽命更長，緩存空間和處理能力更好，且與其他層衛星通信不需要建立跨層通信鏈路，因此將局部控制器放置在MEO層衛星上。

作為局部控制器的MEO衛星對其通信范圍內的衛星進行控制。MEO衛星首先收集網絡狀態信息，并通過星間鏈路上傳給GEO衛星，GEO衛星再通過廣播發送給地面控制中心，控制中心計算出路由表后通過星地鏈路上傳給LEO衛星。當某衛星接收到數據包但無法進行正常流表匹配，且此時該衛星無法與地面控制器進行通信時，就將請求發給局部控制器進行處理。

本模型中的網關位于地面，是控制中心與LEO層衛星間鏈路的接口，負責星間鏈路協議和TCP/IP協議之間的轉換。

控制中心基于收集的信息計算最優路由表，并發送給LEO層衛星。同時與應用程序相連接，實現網絡的可編程操控。

1.2 衛星星座設計

三層衛星星座從下至上分別采用極軌道星座、傾斜軌道星座和3個傾角120°的GEO衛星，實現衛星對地達到100%覆蓋，最小化衛星星座的系統周期，并且使得衛星軌道數與衛星個數盡可能少。同時，衛星星座的設計還應考慮以下環境因素：

1）地球大氣層影響。大氣層的擾動會影響衛星的正常工作，且氧氣會腐蝕衛星設備，因此LEO層衛星的軌道高度應高于大氣層頂端（800km）。

2）范·艾倫帶的影響。設計LEO和MEO層衛星的軌道高度時需要避開這兩層輻射帶。

1.2.1 LEO衛星星座設計

LEO層采用極軌道星座，設計時需要實現對地面的完全覆蓋。由于LEO層衛星在高緯度地區對地面的覆蓋比較緊密，低緯度地區相對稀疏，而且衛星存在逆向飛行的可能，所以網絡中最初和最后軌道面之間的間隔與其他鄰接軌道面之間的間隔相比略小。

網絡架構應盡可能簡潔，考慮到環境因素，這里LEO衛星軌道數取6，每個軌道衛星個數為11，軌道高度是868km。

為了方便控制，LEO衛星和MEO衛星應在運行一段時間后回到起始點，即滿足TL×K1=TM×K2=TE×N，其中，K1、K2、N都是整數，表示衛星運行的圈數，TL和TM分別是LEO衛星和MEO衛星的運行周期，TE是地球自轉周期。依據開普勒第三定律以及環境對衛星軌道的限制，可得到LEO和MEO衛星軌道參數，其中星座系統周期是24h，具體見表2。

1.2.2 MEO衛星星座設計

MEO衛星使用了Walker delta星座，在衛星運行期間，同一水平衛星之間的關系保持相對穩定。目前最常用的Walker delta星座有3條軌道，每條軌道上6顆衛星，共計18顆衛星。因此三層衛星網絡參數如表2所示。

1.3 流表結構設計

由于衛星網絡存在著連接不穩定、傳輸時延較大等問題，傳統的TCP/IP協議不適用于衛星網絡，因而必須使用新型網絡協議，本文將SDN引入到衛星網絡中，通過修改流表項以應用適合于延遲容忍網絡 （Delay Tolerant Network， DTN）的協議。本課題采用當前衛星網絡中最廣泛的Licklider傳輸協議 （Licklider Transmission Protocol， LTP），即在TCP/IP網絡運行的所有協議上層提供一個兼容覆蓋層，使用托管傳輸，使鏈路在不穩定的情況下能確保所傳輸的數據不會損失。

基于LTP協議和束協議的特性，對流表項進行適當的修改。在OpenFlow 1.0中，流表主要分為匹配域、動作以及統計項三部分。

在匹配域中加入LTP Block num字段和Segment num字段，用于傳輸后重新組合數據段，并劃分成束，由束協議進行之后的處理。

在動作域中加入等待、重傳和上傳字段。當控制器預測到無法與下一個節點建立連接，但可以在短時間內恢復時，下發等待指令，暫停數據包的傳輸，并由交換機記錄等待時長。當數據包丟失時，控制器下發重傳指令，交換機則按照流表重傳臨時存儲器中的數據包。上傳指令由MEO衛星的局部控制器下發，存在長時間鏈路中斷時，MEO衛星啟用托管傳輸機制，收集組內LEO衛星的數據包并交給其他MEO衛星進行傳輸。

在統計域中加入4個字段：重傳數據包數量、上傳數據包數量、等待次數以及等待時間。控制器據此分析易失效的鏈路以及鏈路失效周期等網絡參數。

2 容錯路由算法

首先由控制器通過各節點及鏈路的相關參數計算出最優路徑，若路徑中同時包含MEO和LEO衛星節點，則分層進行路由計算。

2.1 MEO衛星容錯路由算法

MEO層內路由時節點和鏈路的失效分為兩種情況：可預測失效和突發性失效。可預測失效采用托管傳輸機制，MEO衛星控制器在檢測到即將發生失效時下達上傳指令，將自身的數據包和其管理范圍內LEO衛星緩存的數據包一起交付給最近的MEO衛星，并移交管理者位置，由托管者暫時代理其功能。而針對突發性失效的情況，首先開始計時，并啟用LTP協議的容錯機制進行等待和重傳，若超過時限仍未恢復，則由地面控制器重新計算路徑。

2.2 LEO衛星容錯路由算法

本文針對LEO衛星設計了一種基于故障塊的容錯路由算法。將衛星節點和消息進行分類，使數據包能夠繞開故障傳輸，從而達到容錯的目的。該機制將節點劃分為以下四種狀態。

1）失效節點（Faulty node）：已損壞的節點。

2）禁用節點（Deactivated node）：周圍有兩個或以上的失效節點或禁用節點，且沒有活躍節點的節點。

3）不安全節點（Unsafe node）：周圍的鄰居節點中至少有一個節點為活躍節點的節點。

4）活躍節點（Active node）：所有剩余節點。

通過當前節點的狀態，以及該節點周圍四個節點的狀態可以判斷當前節點的類型。

故障塊的邊界由活躍節點組成，故障塊如圖4所示。

3 仿真與結果分析

本文仿真實現的硬件環境采用Windows 7旗艦版64位系統和Ubuntu 16.04系統;仿真實現的軟件環境為STK軟件、Mininet仿真平臺以及Ryu控制器。實驗中衛星星座的所有衛星運動軌跡的實時坐標數據和衛星間可見性時間段均是從STK軟件中提取的，將STK中提取的數據導入Mininet仿真平臺上的路由機制項目中仿真實現。

3.1 對比算法

本文選取了兩種MEO和LEO雙層衛星星座的路由算法作為對比，避免與單層星座對比時由于跨層帶來的信號損失。

第一種是基于鏈路感知的星間路由算法（inter-Satellite Routing algorithm based on Link Recognizing， LRSR），每顆衛星通過“存儲攜帶轉發”的方式為其他衛星提供數據中繼服務[15]。在該算法中，每個衛星實時監控鏈路狀態，當接收到鏈路狀態信息，則更新鏈路狀態數據庫;當發送數據包時，根據Dijkstra算法和鏈路狀態數據庫計算最短路徑和最佳的下一跳。

第二種算法是多層衛星網絡路由算法（Multi-Layered Satellite Routing algorithm， MLSR），該算法根據衛星上、下層的覆蓋關系對LEO層和MEO層衛星進行分組，使得一個GEO衛星管理一組MEO衛星，一個MEO衛星管理一組LEO衛星[16]。當GEO或MEO衛星管理域內的衛星成員改變時，需要重新進行路由表的計算。

這兩種算法都是由各個衛星實時監測鏈路狀態，在衛星節點上進行鏈路維護和路由計算，而本文提出了一種基于SDN的路由機制，衛星節點只負責傳輸數據，鏈路信息的處理和路由的計算都在SDN控制器中完成。

3.2 實驗拓撲

本文選用三層衛星網絡作為仿真的拓撲用例，根據三層衛星網絡參數在STK仿真平臺中構建多層衛星網絡。先將設計好的衛星星座模型輸入到STK中，取某一時刻的拓撲作為實驗數據，輸入到Mininet仿真平臺中構建拓撲，并結合具體的路由算法生成路由表。

為了體現本文算法的容錯機制，這里構建了3種衛星網絡拓撲進行對比實驗：第一種拓撲中無損壞情況;第二種拓撲中有少量衛星節點損壞和鏈路中斷，這里選取3顆衛星損壞，2條鏈路中斷;第三種拓撲損壞較嚴重，這里選取8顆衛星損壞，4條鏈路中斷。所有損壞的衛星和鏈路都均勻分布在拓撲中。

選取路徑周圍50顆衛星構建局部拓撲，包括 40顆LEO衛星、8顆MEO衛星、2顆GEO衛星。通過STK表給出的地面站對衛星的跟蹤弧段和跟蹤AER（Azimuth， Elevation， Range）值計算衛星間距，并得到相鄰衛星之間的傳輸時延，若時延大于一定閾值則視為兩顆衛星之間沒有鏈路連接。

3.3 性能對比

本文將在三種不同的拓撲下從延時、延遲抖動、丟包率以及路由跳數這四個方面進行性能評價。

3.3.1 延時

路由總延時隨數據包數量的變化如圖6所示。由圖6（a）可以看出，在網絡中無損壞節點且數據包數量較少時，由于MLSR以延時為路由度量集，總是選取延時最小的路徑進行路由，因此延時較小;而LRSR需要節點實時監控鏈路狀態，計算過程需要花費時間，因此延時較高;相比于LRSR，本文的容錯路由算法（Fault-Tolerant Routing algorithm， FTR）中鏈路狀態信息由SDN控制器監控和計算，因此延時較小，體現出了SDN控制的優勢。但是當網絡負載較重時，路由延時中的處理延時和排隊延時已經是影響路徑延時的主要因素，因此三種算法的實驗結果相差不大。

由圖6可知，隨著拓撲中失效情況的加劇，FTR和LRSR的容錯效果有所提升，因為FTR可以快速判斷并繞開拓撲中損壞的部分，而LRSR對鏈路的實時監控也可以在節點失效時重新構建拓撲并計算出新的路由路徑，因此相較MLSR都有更好的適應能力。

3.3.2 延遲抖動

路由延遲抖動隨數據包數量的變化如圖7所示。由圖7（a）可以看出，在網絡正常無損壞節點的情況下，當數據包數量較少時，三種算法的延遲抖動接近，而在數據量變大后，LRSR對延遲抖動的控制能力比較強。這是因為該算法中節點掌握網絡拓撲的實時狀態，能夠根據鏈路的剩余帶寬調整路由路徑。而本文提出的FTR只在節點失效和鏈路中斷情況下進行處理，MLSR則僅在到達計算周期時才重新計算路由，因此均會帶來較大的延遲抖動。

由圖7可知，隨著網絡狀態惡劣化加劇，三種算法的延遲抖動差也逐漸增大。這是因為網絡中節點和鏈路失效也會帶來擁塞問題，LRSR對網絡擁塞和失效問題都有解決方案，本文的FTR針對網絡故障也具有較好的應對措施;而MLSR只選擇時延最小的路徑，面對故障時只有等待計算周期來重新選取路徑。

3.3.3 丟包率

丟包率隨數據包數量的變化如圖8所示。由圖8（a）可以看出，在網絡正常無損壞節點的情況下，數據包數量較少時，三種算法的丟包率大致相同;但隨著傳輸數據增加， MLSR的丟包率會高于LRSR和FTR，這是由于該算法總是選擇延時最小的路徑，在減少延時的同時增加了路由跳數，因此增大了丟包率。FTR在網絡無損壞的情況下也是以延時最小為目標，但在本文設計的網絡模型中，MEO衛星的臨時存儲路由機制能夠緩解擁塞，因此丟包率低于MLSR，說明本文設計的網絡模型是有效的。而LRSR的鏈路監測功能也可以較好地應對網絡擁塞，從而降低丟包率。

由圖8可知，網絡拓撲中節點失效和鏈路中斷會顯著增加路由過程的丟包率，而隨著網絡損壞程度的加劇，節點和鏈路的失效逐漸成為影響丟包率的主要因素。因此本文的FTR的容錯機制能夠更有效地降低丟包率。

3.3.4 路由跳數

路由跳數是數據包經過的路由器個數。圖9展示了在不同拓撲下三種算法的路由跳數分布情況，這里取20000數據包作為基準數量。

由圖9（a）可知，三種算法在網絡拓撲無故障時采取的都是延時最短路徑，因此路徑的選擇基本一致。而通過圖9（b）、圖9（c）可以看出，當網絡中有損壞情況時，FTR采用繞開故障塊的方式進行路由，增加了數據包經過的路由器數量，因此FTR的路由跳數較高，而且失效的節點和鏈路越多，跳數差距越大。

上述對比結果表明，在網絡中無損壞節點和鏈路的情況下，FTR的路由總延時比LRSR平均降低了6.06%，證明了引入SDN集中控制的有效性;FTR的丟包率比同樣以最小延時為目標的MLSR降低了25.79%，證明了在網絡模型中為中軌道（MEO）衛星設計臨時存儲路由機制的有效性。而當網絡中節點和鏈路的失效情況比較嚴重時，FTR的路由總延時比LRSR降低了3.99%，比MLSR降低了19.19%;其丟包率比LRSR降低了16.94%，比MLSR降低了37.95%，證明了FTR的容錯有效性。綜上所述，本文提出基于SDN的路由機制具有較低的時延和延遲抖動，正常的路由開銷，以及較少的丟包率，因此可以提供更出色的路由服務。

4 結語

由于衛星節點所處的環境惡劣，衛星及星間鏈路會受到不同程度的影響。為增強衛星網絡應對故障的能力，本文引入了SDN的概念，將衛星網絡的控制平面和數據平面分離，設計了基于SDN的衛星網絡模型，并根據星座設計原理，計算了三層衛星網絡中各層衛星的相關參數。最后設計了一種針對于衛星網絡的容錯路由算法用于實現容錯的目的，并通過延時、延遲抖動、丟包率等參數驗證了設計的合理性和可行性。

本文對軟件定義網絡和衛星網絡相結合的研究還僅僅是一個開始，下一步將充分利用SDN的優勢，在實現有效的路由容錯的基礎上考慮衛星網絡中節點的能效等問題，延長衛星網絡的壽命。

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