基于拓扑预测与LLDP控制的天基网络路由方法

刘爱兵 吴静 吴兆阳 江昊

摘 要： 随着SDN的兴起，许多基于SDN的天基网络架构被提出，但这些架构没有考虑突发情况对网络拓扑的影响以及LLDP的合理使用。针对以上不足，提出基于拓扑预测与LLDP控制的天基网络路由方法。该方法采用基于SDN的网络架构，在正常情况下关闭LLDP协议，根据预测拓扑直接计算路径下发流表;在突发情况下开启LLDP，获取实时拓扑然后计算路径下发流表。为了验证TP?LC，搭建基于SDN交换机的仿真平台，能够同时模拟天基网络特性与SDN架构特性。仿真结果表明，TP?LC与OpenSAN相比，降低了信令开销，减少了数据丢失。

关键词： SDN; 天基网络; 突发情况; 拓扑预测; LLDP控制; SDN交换机; 仿真平台

中图分类号： TN927?34 文献标识码： A 文章编号： 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世纪90年代以来，国内外针对天基网络的路由问题进行了大量的研究，例如LAOR[1]，MLSR[2]，SGRP[3]。这些研究能在一定程度上解决天基网络的路由问题，但也有各自的局限。LAOR采用带内控制，收敛时间较长，MLSR与SGRP需要频繁地更新路由表，信令开销较大。

2012 年开放网络基金会组织提出了SDN（Software Definition Network）架构[4]，它与传统路由最大的区别在于将网络设备的控制平面与数据平面分开。文献[5]从整体上分析了SDN在天基网络中运用的优势：在灵活性与控制性间进行权衡;快速部署及更新网络配置;提供灵活、细粒度的网络控制; 协作覆盖及避免冲突;提供更好的兼容性;减少系统开销。

文献[6]提出一种基于SDN的卫星网络架构OpenSAN（Open Satellite Network），该架构包含三部分：数据平面（卫星基础设施，终端路由器）、控制平面（GEO卫星组）、管理平面（网络操作控制中心）。数据平面的设备通过流表转发数据，控制平面的作用主要在于：将管理平面的规则进行翻译并下发到数据平面;监测网络状态并将这些信息发送至管理平面。管理平面设备位于地面，运行各种应用模块，包括路由计算、虚拟化、安全、资源分配以及移动管理等。文献[7]提出TS?SDN架构，TS?SDN根据拓扑链接和路径的可预测性进行拓扑管理，选择更有效的链接，关闭多余链接，同时对链接的可接入性进行控制，从而避免频谱干扰。文献[8]对比了OLSR与TS?SDN，表明TS?SDN更适合LEO卫星网络。

OpenSAN与TS?SDN都能为天基网络提供路由服务，但存在以下问题：

1） 考虑到正常情况下拓扑的可预测性——周期性变化的网络拓扑可以划分为若干拓扑“快照”[9]，但没有考虑突发状况对拓扑的影响，实际上电离层活动[10]、卫星设备故障[11]等因素都可能导致链路中断，使得拓扑预测失效;

2） 没有考虑到LLDP（Link Layer Discovery Protocol）的合理使用问题，LLDP的作用是为了发现拓扑[12]，但由1）可知，正常情况下LLDP的作用冗余。

针对以上不足，本文提出一种基于拓扑预测与LLDP控制的天基网络路由方法。该方法在正常情况下关闭LLDP，根据预测拓扑直接计算路径下发流表，在突发情况下开启LLDP，获取实时拓扑后计算路径下发流表。

1 TP?LC路由方法

对于基于SDN的网络架构而言，首先需要运行LLDP发现拓扑，然后才能进行路由计算，计算路径下发流表。但是天基网络的拓扑是可预测的，因此可以根据预测拓扑计算路径更新流表，此时可关闭LLDP。正常情况下，天基网络的拓扑都是可预测的，但是可能由于电离层活动、卫星设备故障等突发情况导致某些链路中断，使得拓扑预测失效。因此突发状况下，需要启动LLDP获取实时拓扑，以便计算路径更新流表。

为了充分利用天基网络的拓扑可预测性以及LLDP的特性，本文提出一种基于拓扑预测与LLDP控制的天基网络路由方法。

1.1 基于SDN的天基网络架构

如图1所示，控制器部署在三颗GEO卫星上，构成控制平面;同时每颗GEO卫星部署管理模块，构成管理平面;多颗LEO卫星构成数据平面。这样的网络架构有以下几点好处：

1） 将控制与转发分离，减少LEO卫星设备的复杂度;

2） LEO卫星轨道低，作为数据平面层可减小传输时延;

3） 控制器部署在GEO卫星，相比OpenSAN等架构可以减少信令的延时与地面站的部署。

1.2 TP?LC路由方法设计

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

上传拓扑数据，是指将LEO卫星拓扑数据上传至所有管理模块中，以便每颗GEO卫星进行拓扑预测。

用户入网登记，是指当用户接入LEO卫星时，将此信息发送至所有管理模块，以便管理模块根据用户接入的位置计算路径。

初始流表下发，是指当用户间准备进行通信时，所有管理模块根据预测拓扑计算路径并调用控制器下发流表，建立通信链接。

流表更新，是指当用户通信时，通信路径可能发生变化，此时需要更新流表。

1.2.1 上传拓扑数据

地面站将LEO卫星拓扑快照序列[G]上传至其中一颗GEO卫星的管理模块中，然后该卫星将数据[G]同步到其余GEO卫星的管理模块。[G]表示为：

1.2.2 用户入网登记

一般而言，用户能够接收到多个LEO卫星的信号，根据距离优先原则[13]选择LEO卫星接入。当用户接入LEO卫星后，该卫星将用户的接入信令發送至GEO卫星的管理模块，然后GEO卫星将该信令发送到其余GEO卫星的管理模块。

1.2.3 初始流表下发

当用户间需要进行通信时，用户向接入的LEO卫星发送链接建立信令。类似接入信令的处理，链接建立信令会发送到所有GEO的管理模块中。

各管理模块收到链接建立信令后，根据式（2）和式（3）计算用户通信的路径[Pt。]式（2）采用dijkstra算法计算最短路径，其中，[LEOuser1，LEOuser2]表示用户所接入的LEO卫星。[Pt]中的LEO卫星节点分散接入在不同的GEO卫星下，因此，GEO卫星中的控制器向对应的LEO卫星节点下发流表（流表的idle_time默认设置为5 s，如果流表空闲超过5 s则被清除）。

当用户所接入的LEO卫星收到流表后，LEO卫星向用户发送流表下发完成信令，用户收到该信令后发送一个探测信令到对端用户，如果能够收到对端用户的回复信令，则确认链接建立成功，此时可开始通信。

1.2.4 流表更新

在用户通信的过程中，链接中断时需要更新流表，这出自于两方面原因：一是由于LEO卫星正常运行导致拓扑变化;二是由于突发情况导致拓扑变化。

LEO卫星正常运行导致的“拓扑变化”涵盖两种情况：

1） LEO卫星之间的通断关系发生变化：根据拓扑的预测性，各管理模块根据式（2）与式（3）计算下一时间段的最短路径[Pt+1，]如果[Pt+1=Pt，]说明虽然拓扑发生变化，但是最短路径保持不变，不用进行链接切换;如果[Pt+1！=Pt，]说明链接需要发生切换，各管理模块根据[Pt+1]下发新流表，实现切换。

2） 用户与LEO卫星之间的通断关系发生变化：用户会根据距离优先原则接入LEO卫星，当用户接入新的LEO卫星时，更新入网登记，然后管理模块根据式（2）与式（3）计算路径下发新流表，实现切换。

针对原因二，首先要考虑如何判定突发情况。突发情况包括电离层活动、卫星设备故障等情况，这些意外事件发生时难以即刻被检测出来，但是它们会造成用户无法接收到数据，因此当用户中断数据接收超过一定时间[T，]则视为发生了突发情况。[T]的确定是一个复杂问题，[T]过大会导致业务数据丢失增大，[T]过小会导致经常发生误判，从而导致不必要的LLDP开销。[T]的确定不仅需要考虑持续通信情况下的数据接收间隔，也要考虑到链接切换时所增加的中断时间，因此[T]的计算公式为：