基于SDN的TDMA體制星間網絡架構設計

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(華北計算技術研究所，北京 100083)

基于SDN的TDMA體制星間網絡架構設計

房皓，孫劍偉，田露

(華北計算技術研究所，北京100083)

TDMA(時分多址)體制的導航星間網絡既可以實現導航測距，也具備較高的數據傳輸速率，具有較為廣泛的業務適應能力；然而，TDMA體制的星間網絡系統也存在著星上處理復雜與衛星節點處理能力低的矛盾;借鑒SDN(軟件定義網絡)將網絡系統控制層面與數據層面相分離的思想，在TDMA體制的星間網絡中引入SDN技術，設計了基于SDN的TDMA體制星間網絡架構，將控制功能從衛星節點抽離出來，使其可以專注于星間數據轉發，控制管理信息主要由衛星地面站(后續為高軌道衛星)扮演的SDN控制節點制定并分發，從而簡化了衛星的業務負擔，同時可以借鑒成熟的地面網絡技術制定高效的控管策略;對所設計架構的主要的控管流程進行了仿真模擬，仿真結果表明，該架構具有一定的可行性。

軟件定義網絡；時分多址；星間網絡

0 引言

近年來，隨著應用需求的逐步加深，衛星導航系統已經成為各個國家的戰略性基礎資源，尤其是在軍事領域的廣泛應用催生了“導航戰”的概念，對系統的可靠性、頑存性提出了新的要求[1-2]。星間鏈路具有信息交互便捷、作用范圍廣等特點，利用星間鏈路技術，可以改善導航系統的定位測距精度，可以提高導航衛星星歷更新頻度。依拖星間鏈路技術，在空間建立衛星測控網絡是衛星導航系統發展的必然趨勢[3]。

然而，由于衛星在空間的高速運動，衛星網絡的網絡拓撲結構不斷更新，傳統的地面網絡路由規劃技術無法適用[4-6]；同時，導航系統相比其他衛星網絡除了要提供衛星間通信的功能外，還要承擔導航測距的任務，增加了導航系統建鏈方案的復雜性；另外，由于衛星網絡節點系統內存較小，單顆衛星業務處理能力偏低，往往需要多顆衛星聯合處理某個星上業務[7]，但目前尚缺乏高效的規劃調度策略使得多顆衛星靈活地協同作業。這些都為導航系統在空間組網提出了更高的要求。

在導航衛星網絡中引入TDMA信道接入機制可以較好地適應其在組網及運行過程中面臨的挑戰[8]。每個TDMA時間幀里認為導航星座的拓撲結構固定不變，衛星在TDMA時間幀的每個時隙可以與不同的其他衛星建鏈，根據鏈路狀態及衛星運動的可預測性，對每個時隙衛星的建鏈狀況進行合理的規劃，可以使導航衛星在一個TDMA時間幀的時間段內建立較多的星間鏈路，滿足導航測量的需求。美國的GPS(全球定位系統)就是采用了TDMA體制的組網模式，其作為典型的衛星網絡為其他系統提供了借鑒[9-12]。

TDMA機制為衛星導航系統組網過程中面臨的網絡拓撲動態變化、兼顧通信和測距兩方面需求等挑戰提出了解決方案，但其仍存在著需要頻繁計算時隙表、路由表與衛星節點處理能力低的矛盾[13-14]，SDN(軟件定義網絡)技術則為克服這種缺陷提供了方向。SDN的主要思想是將網絡系統的控制層面和數據層面進行分離，控制層面負責對整個網絡進行集中化的控制與部署，數據層面僅完成簡單的數據轉發和硬件配置功能[15-16]。將SDN技術引進到TDMA體制的衛星導航系統中，可以將控制功能從底層設備中抽離出來，使衛星網絡節點專注于數據轉發，大大降低導航衛星的任務負擔。例如一個具有n顆衛星的星型網絡，在路由規劃過程中，由衛星節點各自收集網絡鏈路狀態信息，所需要收發的數據包數量為O(n2)級別；依照SDN的思想，由控制層面收集網絡運行信息，制定全網時隙規劃、路由策略，然后分發給底層衛星節點，通信的數據量為O(n)級別。

本文利用SDN技術將網絡系統控制層面與數據層面相分離的特性，針對當前衛星導航網絡面臨的問題，設計了基于SDN的TDMA體制星間網絡架構。同時，對該架構下控制層面控制數據層面網絡設備流表整網更新的過程進行了仿真，驗證了該網絡架構的可行性。

1 軟件定義網絡

SDN是一種新型的控制與轉發分離的網絡架構[17]。其采用分層的思想，將控制功能從底層的網絡設備中抽離出來并遷移到可控的計算機設備中，使得網絡的底層設備可被上層的網絡服務所抽象。網絡管理者可以通過僅僅操作上層的SDN應用程序來實現對網絡底層資源的部署和調度，從而以靈活可控的模式達到軟件定義網絡的目的。

典型的SDN架構分為3個層面，如圖1所示。最底層是基礎設施層，主要由網絡設備組成，負責在控制層的控制下建立數據通路，實現數據傳輸。中間是控制層，是SDN架構的核心部分，一方面，控制層通過其與基礎設施層的接口(南向接口)收集底層網絡設備的信息，掌控全網的狀態，并對基礎設施層下發控制策略；另一方面，控制層為上層應用層提供可擴展、可編程的接口(北向接口)。最上層是應用層，包括各種業務和應用，根據不同的需求，調用北向接口實現相關的功能。

圖1 SDN架構

SDN這種三層的架構模式，使得網絡維護僅需要通過對軟件更新來實現網絡功能的升級，降低了網絡維護的成本和難度[18]。同時，由于將控制功能完全從底層網絡設備中抽離，使得網絡設備可以只專注于數據轉發的功能，簡化了其設計的復雜度，降低了構網的成本。從數據轉發方面來看，傳統網絡中網絡設備只能收集局部區域的網絡信息，生成的路由策略勢必會產生一定的局限性，而SDN架構中控制層面可以掌握整個網絡的運行狀況，進而可以在全網的層面上設計數據轉發路由，使得全網設備利用率以及數據轉發效率得以提高。

OpenFlow協議是首個將SDN南向接口標準化的協議。其具體實現了SDN控制與轉發相分離的思想，將控制功能從網絡設備中分離出來，并規定了控制層與基礎設施層之間交互所用的信息格式、類型以及接口運行等所需遵循的規則，包括基礎設施層所需遵循的接入協議和路由協議等。OpenFlow交換機的處理單元由流表構成，其借助流表機制，實現了數據包在底層設備間的轉發規則[19]。本文設計的基于SDN的TDMA體制星間網絡架構就是采用OpenFlow協議作為控制層面與數據層面的接口。

2 基于SDN的TDMA體制衛星網絡架構

2.1 基于SDN的TDMA體制衛星網絡架構

針對前述TDMA體制的衛星導航系統在組網及運行過程中面臨的星上處理復雜而衛星節點處理能力較低的問題，本文引入基于OpenFlow協議的SDN技術，依據其將控制層面與數據層面相分離的思想，設計了基于SDN的TDMA體制星間網絡架構，將控制功能從衛星節點抽離出來以降低其任務處理負擔。該網絡架構如圖2所示,對照典型的SDN網絡架構，該星間網絡架構也采用3層的架構模型，包含應用層面、控制層面和數據層面3個層面，下面對該架構的每個層面的組成和功能進行介紹。

圖2 基于SDN的TDMA體制星間網絡架構

1)位于左側的是該星間網絡架構的應用層面，可以選擇部署在地面上或者某個空間站，由星間網絡的各種空間應用組成。應用層面通過調用與控制層面的北向接口靈活地實現各種空間應用需求。

2)本文所設計的衛星網絡架構的控制層面由若干個部署在地面上的地面站聯合組成，負責以全局視圖對網絡的整個數據層面進行控制和管理。控制層面對多個地面站控制節點進行扁平式的部署，每個控制節點具有相同的功能定位。控制層面通過南向接口按照OpenFlow協議規定的格式與數據層面進行控管信息的交互，達到控制與轉發相分離的目的。選擇由地面站組成該網絡架構的控制層面，主要有以下幾個原因：

1)控制層面由地面站組成，借助于成熟的地面網絡技術，一方面可以加強網絡架構數據層面多控制器協調的業務處理能力，制定高效的控制層面控管策略，提高該網絡架構數據層面衛星節點的數據轉發效率；另一方面，可以靈活地設計控制層面與應用層面的北向接口，簡化應用層面軟件的復雜度，同時在突發情況發生時，可以將控制層面的控制管理權限交由同在地面站的應用層面負責，由應用層面對整個網絡進行人為的控管。

2)有的學者也提出用高軌道的GEO/IGSO衛星扮演控制層面控制器的角色，因為從覆蓋面積來講，位于高軌道的GEO/IGSO衛星要優于地面站。但是受制于當前星上處理能力有限，將空間的高軌道衛星選定為控制器在實現上具有較大的難度，同時，由于衛星在空間的高速運動，衛星間鏈路的穩定性和數據傳輸速率都有待提高，不利于控制層面多控制器節點之間的信息交換。而地面的網絡技術和地面站的硬件設施則較為成熟，具備組建控制層面的條件，所以，選擇在地面構建該網絡架構的控制層面。隨著空間網絡技術的逐漸發展，未來可以將高軌道衛星逐步加入到控制層面中來，實現地基、天基聯合控管。以體系工程研究的思想來看，本文提出的網絡架構是最終基于SDN的TDMA體制星間網絡的起步架構，該架構會以一個科學的、迭代的、不斷演化進步的過程逐漸完善。

3)該架構的數據層面則由空間眾多的中低軌道衛星節點組成，負責網絡中數據包的轉發。中低軌道的MEO/LEO衛星距離地球較近且數量較多，衛星軌道較為穩定，適合做轉發數據的底層網絡節點。數據層面的網絡節點通過南向接口向控制層面報告設備運行狀態信息，同時接收控制層面下發的控管信息，按照一定的規則對本地流表進行更新。導航衛星業務處理較為復雜，要兼顧通信和測距兩個方面的需求，基于SDN的TDMA體制星間網絡架構將邏輯功能從衛星節點中分離出來，大大減輕了星上的任務處理負擔，降低衛星設計的復雜度；同時控制層面收集全網衛星數據節點的運行信息，可以使其以全局視圖對數據層面進行一體化的管控，提高底層數據傳輸效率。

2.2 控制管理流程

在本文設計的基于SDN的TDMA體制星間網絡架構方案中，應用層面調用與控制層面的北向接口，實現導航系統的各種需求；控制層面作為系統的控制管理中心，向上為應用層提供可編程、可擴展的北向接口，收集各種應用需求，向下通過南向接口對數據層的網絡狀況進行監視，同時按照一定的策略生成網絡規劃信息和路由策略，以既定的格式下發至數據層面對其進行控管和監視；數據層面則通過南向接口接收控制層面下發的控制指令更新本地流表并按照其進行衛星之間的建鏈和數據轉發，同時上報底層基礎設施信息。

TDMA體制的衛星導航網絡中，網絡規劃和路由策略分別以時隙表和路由表的形式體現。時隙表對應一個TDMA時間幀，由固定數量的時隙組成。在一個時隙內，導航衛星可以與另一顆衛星建鏈進行數據傳輸和測距，在一個時隙表內，衛星可以與多顆衛星輪詢進行建鏈。時隙表每隔一段時間會更新一次，以反映導航星座拓撲的動態變化。在時隙表的基礎上，靈活的運用各種路由算法，如Dijkstra算法等，生成路由表。在本文設計的基于SDN的TDMA體制星間網絡架構中，時隙表和路由表相互配合使用構成了控制層面的控管信息。

控制層面可以包含多個地面站控制器，位于不同的地理位置以擴大控制層面對空間衛星節點的覆蓋范圍，每個控制器通過南向接口對所負責的數據層面的網絡設備運行狀況和鏈路狀態進行監控和統計，在收集到數據層面報告的網絡狀態信息后，各個控制器之間通過東西向接口進行網絡狀態信息的通信，形成網絡的全局視圖。控制層面基于收集到的網絡狀態信息，利用衛星軌道運動的規律性和可預測性并結合應用層面下發的需求，制定適用于全網的時隙表和路由表，并與本地舊的時隙表、路由表進行比較，選擇發生改變的表項下發到數據層面的網絡設備中，同時，對數據層的網絡運行狀況進行監控。控制層面生成時隙表和路由表之后，將其按照OpenFlow協議流表的格式進行轉換，將衛星號和建鏈時間、數據轉發時間等信息填寫在流表項的匹配字段，建鏈規劃和路由策略則包含在操作集中，使控管信息以OpenFlow流表的形式下發到數據層面的衛星網絡節點中。由于衛星網絡節點不涉及控制功能而只專注于數據轉發，具有較好的兼容性，控制層面可以使用各種時隙編排算法和路由算法生成時隙表和路由表，靈活應對各種突發情況。

數據層面的網絡設備包含若干個流表，映射著控制層面下發的時隙表和路由表。衛星網絡節點接收到數據包后，首先在本地流表中查詢與之匹配的流表項，若匹配成功，則按照流表項中時隙表和路由表規定的時間與目標衛星節點建鏈并將數據包轉發到目標衛星節點，或執行流表項中相應的操作集；否則，衛星節點將丟棄該數據包，或者將該數據包的信息上報控制層面，由控制層面制定處理策略。

3 控管流程模擬

3.1 控管流程模擬

本文在VS2010的平臺下，以上行注入作為應用層面的導航應用需求，對所設計的基于SDN的TDMA體制星間網絡架構的主要管理流程進行了仿真。選取構型碼為24/3/1，軌道傾角為55°，軌道高度為27 000千米的Walker星座作為試驗導航星座。控制層面采用文獻[11]所提出的時隙編排算法對導航星座時隙表進行編排，其主要思想是對衛星間的鏈路進行分類，按照境內星鏈路、境外星鏈路、非時變鏈路、時變鏈路的順序將星間鏈路排進時隙表，充分利用衛星導航星座拓撲變化的規律，降低衛星間建鏈等待時延的同時兼顧導航衛星的測量需求。路由表則選取基于最小跳數的Dijkstra算法生成，降低數據包在衛星間的中轉次數。同時，控制層面控制器節點要求數據層面的衛星節點收到控制指令后立即更新本地流表并發送反饋信息，對底層網絡節點的建鏈狀況和數據轉發進行實時監視。在控管信息分發時，根據地面站控制器數量不同采取了兩種策略，策略一僅選擇北京站扮演控制層面唯一的控制器；策略二則將三亞站和哈爾濱站加入到控制層面中，3個地面站可以進行網絡狀態信息的交互通信，保證全局視圖。在不考慮鏈路傳輸速率的情況下，控制層面控制器按照既定的時隙編排算法和路由算法生成控管信息分發到整個數據層面，并如期收集到底層衛星節點的反饋信息所需要的時間如圖3和圖4所示，圖3是對策略一模擬的結果，圖4對應策略二的模擬。

圖3 策略一模擬結果

圖4 策略二模擬結果

3.2 模擬結果分析

從模擬的結果來看，策略一和策略二中控制層面的地面站控制節點均能在一定的時間內將控管策略分發到整個數據層面并收到反饋，表明了本文設計的基于SDN的TDMA體制星間網絡架構具有一定的可行性。同時，由圖3和圖4的比對可見策略二模擬的結果在時間上整體優于策略一，且最長反饋時間下降較為明顯。這是因為空間中的衛星一直在繞地球做高速運動，在某時刻并不是所有的衛星都對某個地面站可見，所以地面站需要等待衛星節點可見才能對其下發流表。等待衛星的時間與系統啟動時衛星所處的位置以及衛星的運行軌道有關，對于一開始就可見的衛星，其上注反饋時間接近于0。第二種策略增加了地面站數量、擴大了對衛星的覆蓋范圍所以縮短了地面站分發流表等待的時間，提高了整網控管信息分發的效率。

策略一和策略二模擬的均是系統剛剛啟動時控制層面控制器分發控管信息的情況，控管信息只能由控制器直接上注到衛星網絡設備；在后續過程中，衛星網絡設備在本地存儲有包含時隙表和路由表等控管信息的流表，具備一定空間范圍的覆蓋能力，控管信息可以通過星間鏈路進行轉發，反饋時間將將不會超過一個時隙表的時長，文獻[11]所提出的時隙編排算法中，時隙表時長為72秒。

4 結束語

本文在當前TDMA體制導航衛星網絡中引入SDN技術，按照控制和數據相分離的思想，設計了基于SDN的TDMA體制衛星網絡架構，并對該網絡架構的控管流程進行了模擬，仿真模擬的結果表明，該星間網絡架構具有一定的可行性，同時，增加控制層面控制節點(衛星地面站)的數量擴大其地理覆蓋范圍可以提高該網絡架構控管信息分發的效率。

[1]李 婷，胡建平，徐會忠.天基信息網絡的軟件定義網絡應用探析[J]．電訊技術，2016，56(3) : 259-266．

[2]楊 霞，李建成．Walker星座星間鏈路分析[J]．大地測量與地球動力學，2012，32(2):113-147.

[3]趙 爽．2012年美國GPS系統發展綜述[J].衛星應用，2013(2):18-20．

[4]羅大成，劉 巖，劉延飛，等.星間鏈路技術的研究現狀與發展趨勢[J].電訊技術，2014，54(7):1016-1024．

[5]Ollie L, LarryB, Art G, et al. GPSⅢ system operations concepts[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2005, 20, (1):10-18.

[6]王麗沖，姚秀娟，閆 毅.一種基于OpenFlow的軟件定義衛星網絡架構設計方案[J].電子設計工程，2016，17(6):85-89．

[7]左青云，陳 鳴，趙廣松，等.基于 OpenFlow 的 SDN 技術研究[J].軟件學報2013，24(5):1078-1097.

[8]Quintas D, Friderikos V. All optimal solutions in STDMA scheduling[A]. 20thEuropean Signal Processing Conference[C]. Bucharest, 2012: 834-838

[9]王春鋒.軟件定義可重構衛星網絡系統研究[J]．中國電子科學研究院學報，2015，5 ( 10) : 454 -459．

[10]吳光耀，陳建云，郭熙業，等.基于TDMA的星間鏈路時隙分配設計與仿真評估[J].計算機測量與控制，2014，22(12).

[11]石磊玉，周 益，王東會，等.一種適用于衛星導航系統星間鏈路的可搶占時隙TDMA體制[J].武漢大學學報，2012，37(6).

[12]張景斌，劉 炯，申普兵.一種基于等長時隙劃分雙層衛星網絡路由算法[J].中國空間科學技術，2015，3(6).

[13]石磊玉.衛星導航系統星間組網關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2013.

[14]劉功亮，李 暉.衛星通信網絡技術[M].北京：人民郵電出版社，2015，3.

[15]葉 玥.軟件定義衛星網絡的資源分配機制設計與實現[D].北京：北京交通大學，2014，6.

[16]楊詩琦.軟件定義衛星網絡架構設計研究[D].成都：電子科技大學，2016，5.

[17]徐鵬杰，陳建云，唐銀銀，等.衛星導航系統低通信時延星間鏈路時隙規劃仿真分析[A].第七屆中國衛星導航學術年會論文集[C].長沙：中國衛星導航系統管理辦公室學術交流中心，2016.

[18]盧 勇，趙有健，孫富春，等.衛星網絡路由技術[J].軟件學報，2014，25(5):1085-1100.

[19]周云暉，孫春富.一種基于時隙劃分的三層衛星網絡QoS路由協議[J].計算機學報，2006，29(10):1813-1822.

DesignofTDMAInter-satelliteNetworkArchitectureBasedonSDN

Fang Hao, Sun Jianwei, Tian Lu

(North China Institute of Computing Technology,Beijing 100083, China)

Navigation Inter-satellite networks based on TDMA(time division multiple access) have extensive service range, they can both achieve navigation distance measurement and provide high transmission speeds. However, there are contradictions of complex tasks in satellites and satellites have low processing capacity in Inter-satellite networks based on TDMA. The theme of SDN(software defined network) is separate network layer and data layer of network systems. This paper designed an architecture of Inter-satellite network based on TDMA based on SDN by introducing the technologies of SDN to Inter-satellite network. By separating control function from satellites,this architecture makes satellites concentrate on transmitting data to each other.Satellite ground stations(maybe high orbit satellites in future) which are the SDN controller will make control instructions and distribute them to satellites.This architecture can simplify the burden of satellites and make control instructures efficiently by using the technologies of ground network. Meanwhile, this paper made a simulation of main controlling processes of the architecture, and the result of simulation showed that this architecture had certain feasibility.

software defined network; TDMA(time division multiple access); Inter-satellite network

2017-03-30；

2017-04-25。

房 皓(1992-)，男，河北霸州人，在讀碩士研究生，主要從事星間鏈路方向的研究。

孫劍偉(1974-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士，碩士生導師，研究員級高級工程師，主要從事衛星應用方向的研究。

1671-4598(2017)10-0209-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.053

TP393

A