基于SDN 的高性能QoS 保障低軌道衛星星間路由算法

王奎宇，宋曉勤，繆娟娟，張昕婷，雷 磊

（南京航空航天大學電子信息工程學院，南京 211106）

0 概述

隨著經濟全球化和全球信息化進程的加速，地面通信網絡已經不能滿足日益增長的用戶需求，天地一體化信息網絡將提供更多資源［1］。衛星通信是一種理想的遠距離通信技術，不僅可以克服地理條件的局限性，而且可以提供廉價、持續、可靠的通信信道［2-4］。因此，將衛星網絡的全球覆蓋性、移動性和可擴展性的優勢與地面網絡的巨大傳輸能力和低時延的特點相結合來實現空天地一體化的信息網絡成為迫切需要解決的問題［5-6］。但低軌道（Low-Earth Οrbit，LEΟ）衛星通信網絡中的動態拓撲，不均勻的流量分布，有限的功率、存儲和處理能力使得傳統路由算法無法應用于低軌道衛星的星間路由，并且新興的網絡應用需求日益復雜多變，亟需設計有效和靈活的衛星通信網絡管理方案［7-9］。為解決衛星網絡中的這些問題，研究人員將注意力轉向了軟件定義網絡（Software-Defined Network，SDN）。

SDN 是一種新的通信網絡體系結構模式，簡化了通信網絡系統的管理方式，將傳統網絡的控制平面和數據轉發平面分開［10-12］，實現了數據的集中控制處理和通信網絡資源的優化和利用。文獻［13］經過深入研究指出SDN 在通信網絡集成方面具有很大優勢，可以降低衛星機載處理成本以及整個衛星網絡成本。文獻［14］在SDN 框架上提出多路徑傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP），并證明該協議顯著提高了網絡吞吐量，可防止切換過程中的傳輸中斷。

在現有研究中，星間路由算法主要包括虛擬拓撲法、虛擬節點法、動態拓撲更新法3 類。虛擬拓撲法利用衛星星座運轉的周期性和可預測性，將星座周期劃分為若干個時間片［15］。衛星網絡拓撲在每個時間間隔內均可以看作是靜態的，屏蔽了衛星高速運動造成的拓撲變化。但大量的時間片導致了巨大的路由表，并占用了大量衛星的存儲資源。虛擬節點法的每個區域對應一個具有唯一邏輯地址的衛星，該地址用于確定衛星的下一跳。當衛星移動到下一個區域時，邏輯地址也會隨之改變，但會出現網絡擁塞等問題［16］。動態拓撲更新法利用衛星交換網絡狀態信息，獲取實時的拓撲結構計算路由表，能夠實時響應衛星節點失效、鏈路擁塞等情況，但路由算法復雜度明顯增加。

近年來，低軌道衛星路由技術受到越來越多的關注。文獻［17］提出衛星切換方案，以確保通信鏈路的可靠性。該方案可以減少用戶的接入延遲，保證通信的連續性，但沒有分析衛星間通信鏈路的連續性和穩定性。文獻［18］提出一種基于軟件定義網絡的頻譜共享和流量分流機制，實現蜂窩網絡的地面基站與星地通信波束群之間的合作與競爭，但在星間鏈路（Inter-Satellite Link，ISL）切換時會產生較大的性能波動，并且未對不同優先級的業務提供保證。文獻［19］提出一種基于時間結構的增廣路徑搜索方法，用于計算三層異構衛星網絡容量，然而該方法并沒有考慮實時星間鏈路狀態變化的優化問題。文獻［20］構建了一個按需任務模型來描述網絡動態特性和不同的任務需求，然后將QoS 支持問題變為基于圖的最大流量問題，并提出一種QoS 支持路由策略，但該策略僅考慮了QoS 保障，未考慮節點負載均衡以及星間鏈路切換問題。

針對上述問題，本文利用SDN 網絡架構管理和優化LEΟ 衛星網絡通信系統，提出一種高性能QoS保障的LEΟ 衛星星間路由算法。針對通信鏈路狀態信息和星間鏈路通斷實時變化的問題，根據剩余鏈路持續時間定義星間鏈路生存時間，得出每條星間鏈路的穩定度，解決由于鏈路切換導致的業務路徑重構問題?；诟哕壍溃℅eostationary-Earth Οrbit，GEΟ）衛星得到的星間鏈路的流量狀態，定義鏈路負載矩陣，給出星間鏈路負載度函數，并利用標簽交換路徑（Label Switching Path，LSP）集合得到每條路徑的負載度，以避免節點擁塞，實現網絡負載均衡。通過路徑代價函數給出路由決策矩陣，根據用戶對業務時延、帶寬和丟包率的不同要求，將業務分為3 種類型，定義權重因子矩陣，根據不同業務類型的需求，分配不同的權重因子，保證用戶的QoS 要求。針對瓶頸節點提出調整因子來減小其對路由算法的影響，并通過理論證明調整因子的有效性。

1 系統模型

1.1 網絡架構

采用基于SDN 的衛星網絡通信架構，該架構由用戶層、控制層和數據層組成［21］，其中，用戶層主要由各類地面用戶終端組成，控制層主要由地面站、GEΟ 衛星和中軌道（Medium-Earth Οrbit，MEΟ）衛星組成，數據層主要由LEΟ 衛星組成，如圖1 所示。采用SDN 將網絡通信設備的控制面和用戶面解耦，在邏輯上集中控制面，并提供網絡可編程性以及簡化的標準接口管理功能。通過控制層中的GEΟ 與MEΟ 監控LEΟ 的全局鏈路狀態信息，由地面控制層完成路由計算以及流表的下發。在圖1 中：GEΟ 衛星是控制衛星，負責監控星間鏈路狀態信息；MEΟ為輔助衛星，輔助GEΟ 收集LEΟ 衛星的狀態信息；LEΟ 是數據轉發衛星。利用SDN 的可編程功能，GEΟ 可以輕松實現LEΟ 網絡中轉發規則的更新，從而保證較低的數據傳輸延遲和少量的資源消耗，實現衛星網絡中的資源優化分配。

圖1 衛星網絡通信架構Fig.1 Communication architecture of satellite network

1.2 衛星模型

數據轉發任務由低軌道衛星通信系統組成，包含NL×ML顆低軌道衛星，其中，NL表示星座軌道平面的個數，ML表示每個軌道包含的衛星顆數。每顆低軌道衛星用(i,j)進行編號，i代表衛星所處的軌道號(i=1,2,…,NL)，j為衛星所處軌道內的衛星編號(j=1,2,…,ML)。1 顆衛星的星間鏈路一般考慮為4 條，包括2 條相鄰軌道的軌間鏈路和2 條同一軌道面的軌內鏈路。在一般情況下，可以建立兩條連續的軌內鏈路，軌間鏈路則需要根據衛星的運動不斷切換，并且在極地地區衛星密度較大、業務量較低、衛星相對運動角速度較高，因此極地地區的軌間鏈路將會暫時關閉，當衛星回到低緯度地區時再與相鄰軌道建立軌間鏈路。

低軌道衛星通信系統基本模型可以表示為G(ν,ε,W(t)|υ∈ν,(u,υ) ∈ε)，其 中：一組節點由ν=u∪R∪G表示，包括用戶衛星u，中繼衛星R和地面節點G；ε=εisl∪εgsl是鏈路集合，εisl是ISL 集合，εgsl是星地鏈路（Ground-Satellite Link，GSL）集合；W(t)=(Wu,υ(t))表示在時間區間[t1,t2]上節點u與節點υ之間的代價函數，一般由可用帶寬、傳輸時延、誤碼率等因素組成，[t1,t2]為衛星拓撲更新時間間隔。

2 路由算法

本文算法基于SDN 架構，路由計算由SDN 控制器實現，以節省星上有限存儲計算資源。衛星通信網絡中的每個節點在SDN 控制器中映射成虛擬節點，每個虛擬節點存儲來自GEΟ 衛星報告的LEΟ 衛星節點鏈路狀態信息，SDN 控制器將虛擬節點組成虛擬MPLS［22］網絡，根據算法計算結果以標簽的形式集成到ΟpenFlow［23］協議流表中，通過南向接口發送給LEΟ 衛星來執行數據轉發任務。

2.1 初始權重函數

在虛擬MPLS 衛星網絡中首先定義cu,υ為鏈接因子，當衛星節點u與節點υ之間無鏈路建立時cu,υ被置為0；當衛星節點u與節點υ之間有鏈路建立時cu,υ被置為1。定義Cm×m=(cu,υ)m×m為鏈接矩陣，代表衛星節點間的鏈路鏈接狀況；Bm×m=(bu,υ)m×m為剩余帶寬矩陣，代表鏈路的可獲得帶寬；Dm×m=(du,υ)m×m為傳播時延矩陣，代表各星間鏈路的傳播時延。

星間鏈路Su→Sυ的初始權重值定義如下：

其 中：Bu,υ(t)為鏈路Su→Sυ在t時刻的 剩余可用帶寬；Bmax為當前衛星網絡鏈路中可用剩余帶寬的最大值；Du,υ(t)為鏈路Su→Sυ在t時刻的傳播時延；Dmin為當前衛星網絡鏈路中的最小傳播時延；α、β為權重因子。

根據Cm×m，計算并獲得從源衛星節點S到目的衛星節點D的標簽交換路徑集合：

集合中共有n條可選用路徑，lspk(1 ≤k≤n)代表第k條路徑，則第k條路徑的初始權重值定義如下：

其中：m表示lspk路徑的總條數。

2.2 鏈路穩定度函數

考慮鏈路切換和QoS 保障的需要，定義3 種不同的業務服務類型ToS={tos1,tos2,tos3}，其中：tos1表示需要大帶寬、低丟包率的業務，例如視頻會議；tos2表示可容忍延遲但需要較大帶寬的業務，例如大文件數據傳輸；tos3表示具有最高優先級的業務，即要求低時延、低丟包率和低抖動，例如信號指令數據傳輸。針對不同的業務類型，為了能夠動態地分配和均衡網絡流量負載，定義Tm×m=(tu,υ)m×m為鏈路穩定度矩陣，代表各星間鏈路在當前時間的鏈路剩余生存時間；Jm×m=(ju,υ)m×m為鏈路負載度矩陣，代表各衛星節點的負載程度。

在衛星星座系統中星間鏈路的通斷在一個軌道周期內會發生多次切換，假設衛星Su與衛星Sυ在時刻建立星 間鏈路并在時刻鏈路斷開，此時星間鏈路Su→Sυ的生存時間Tk定義如下：

在任意時刻t，星間鏈路的剩余生存時間定義如下：

星間鏈路Su→Sυ的穩定度定義如下：

其中：Ttol為衛星星座系統的運動周期。

根據式（6）得到星間鏈路穩定度矩陣：

根據星間鏈路的剩余生存時間可以定義lspk(1 ≤k≤n)的星間鏈路穩定值：

其中：T(Su→Sυ)min為lspk(1 ≤k≤n)中各星間鏈路的最小鏈路剩余生存時間。

2.3 鏈路負載度函數

當有多個用戶向SDN 控制器發起端到端的業務申請時，通過流量監測來獲取網絡的實時流量信息，動態分配整個衛星網絡的業務流量，避免擁塞節點的出現。定義lspk(1 ≤k≤n)中每一條Su→Sυ的鏈路負載度為jk(t)，jk(t)計算公式如下：

其中：F(t)為t時刻星 間鏈路Su→Sυ被分配 的流量負載；P(t)為所有LSP 集合的總條數。

根據式（9）得到鏈路負載度矩陣：

定義lspk(1 ≤k≤n)的鏈路負載度函數：

其 中：Fmax(t) 為t時 刻lspk(1 ≤k≤n) 中星間鏈路Su→Sυ被分配的流量負載的最大值。

2.4 鏈路代價函數

通過考慮lspk(1 ≤k≤n)的初始權重函數、鏈路穩定度函數和鏈路負載度函數，定義權重因子矩陣：

其中：w11為tos1初始權重值的權重因子；w22為tos2鏈路穩定度的權重因子；w33為tos3鏈路負載度的權重因子。同時，有w11+w12+w13=1，w21+w22+w23=1 和w31+w32+w33=1。

將鏈路初始權重函數、鏈路穩定度函數和鏈路負載度函數歸一化。根據式（3）得到歸一化后的初始權重函數：

其中：amin(t)為lsp 中鏈路初始權重值的最小值；amax(t)為lsp 中鏈路初始權重值的最大值。

根據式（8）得到歸一化后的鏈路穩定度函數：

其中：smin(t)為lsp 中鏈路穩定度的最小值；smax(t)為lsp 中鏈路穩定度的最大值。

根據式（11）得到歸一化后的鏈路負載度函數：

其中：jmin(t)為lsp 中鏈路負載度的最小值；jmax(t)為lsp 中鏈路負載度的最大值。

為減少瓶頸節點對鏈路初始權重函數的影響，引入調整因子Q并定義鏈路初始權重函數調整因子：

由此可以看出，當Ix(t)越大時的取值越大，從而可以減小瓶頸節點對鏈路初始權重函數的影響。

針對不同的業務服務類型tos1、tos2和tos3得出鏈路代價函數：

此時決策矩陣更新如下：

根據本文路由算法的決策矩陣，分配具有合適值的權重因子矩陣ω，從LSP 可選路徑集合中為具有不同QoS 要求的業務類型選擇合適的路由路徑，完成路由轉發。

本文算法主要由星間鏈路的狀態信息交互與低軌道衛星的路由計算兩部分組成，算法復雜度主要體現于路由計算過程。路由計算根據三大函數加權計算最優路徑，可以看出本文算法的時間復雜度為常數級，傳統SPFA 算法的時間復雜度為Ο（N2），其中N為衛星節點數。由于本文算法采用SDN 網絡架構，低軌道衛星幾乎只需存儲狀態信息，大幅節省了星上存儲資源，占用的空間復雜度也為常數級，而傳統SPFA 算法的空間復雜度為Ο（N），因此本文算法適用于衛星通信網絡資源受限的應用場景。

3 仿真驗證

為驗證路由算法的有效性，利用STK 來構建低軌道衛星星座運動模型。衛星星座模型有4 個軌道平面，即NL=4，每個軌道平面由9 顆衛星組成，即ML=9，共有36 顆衛星。當衛星緯度超過75°時認為進入極區，軌間鏈路斷開，僅保留2 條軌內鏈路。衛星星座參數如表1 所示。

表1 衛星星座參數Table 1 Satellite constellation parameters

通過STK 構建衛星星座模型，得到衛星的星間鏈路通斷時間，衛星周期運動軌跡、位置距離等數據，構建低軌道衛星通信系統的網絡拓撲模型。衛星星座模型如圖2 所示。

圖2 衛星星座模型Fig.2 Satellite constellation model

為驗證本文路由算法的性能，仿真結果與SDRA［24］算法進行對比，并針對3 種不同需求的業務類型tos1、tos2、tos3，設置權重因子矩陣：

圖3 鏈路穩定度對比Fig.3 Comparison of link stability degree

圖4 給出了在相同的網絡通信環境下業務類型tos1、tos2、tos3與SDRA 算法的鏈路負載度。由圖4可以看出，本文算法的3 種業務類型對應的鏈路負載度均明顯小于SDRA 算法，其中業務tos2的鏈路負載度權重因子最大，仿真結果表明其路徑的平均鏈路負載度為最小，僅為0.37 左右。

圖4 鏈路負載度對比Fig.4 Comparison of link load degree

圖5給出了在相同的網絡通信環境下業務類型tos1、tos2、tos3與SDRA 算法的業務時延。由圖5 可以看出，本文算法得出的3種業務類型的平均時延均低于SDRA算法，其中業務tos3對應時延的權重因子較大，平均時延均小于業務tos1和tos2的平均時延。

圖5 業務時延對比Fig.5 Comparison of business delay

圖6 給出了在不同數據發送速率下本文算法與SDRA 算法的吞吐量對比結果。由圖6 可以看出，本文算法考慮鏈路狀態、網絡負載均衡等關鍵因素，得到的系統吞吐量明顯高于SDRA 算法。綜合仿真結果圖3～圖6 可以看出：本文算法在保證不同用戶業務類型tos1、tos2、tos3的QoS 需求的前提下，在網絡負載均衡、業務時延、系統吞吐量等方面均具有較明顯的性能優勢。

圖6 不同數據發送速率下的吞吐量對比Fig.6 Comparison of throughput at different data transmission rates

4 結束語

本文提出一種支持QoS 的高性能LEΟ 衛星星間路由算法。利用SDN 網絡架構節省有限的星上計算和存儲資源，并提高衛星通信網絡的自適應能力?？紤]星間鏈路的時延、可用帶寬、鏈路切換與負載等因素，定義星間鏈路的初始權重函數、鏈路穩定度與鏈路負載度。針對不同要求的業務服務類型，定義權重因子矩陣，并利用調整因子來減小瓶頸節點的影響，有效保證多用戶的QoS 要求。仿真結果表明，本文算法相比SDRA 算法復雜度更低，不但在業務時延、系統吞吐量、網絡負載均衡等方面具有良好的性能，而且保證了多用戶的QoS 要求。下一步將對衛星通信網絡中由業務服務類型數量眾多導致的網絡擁塞展開研究，進一步優化網絡通信性能。