中国空间科学技术
J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３㊀８９Ｇ９６
C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y
I S S N １０００Ｇ７５８X ㊀C N １１Ｇ１８５９/V h t t p :ʊz g k j
c a s t c n D O I :１０ １６７０８/j
c n k i １０００Ｇ７５８X ２０２１ ００４２基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用 侯筠仪１，赵黎晔２,∗
，申景诗１，冯飞２，王韶波２
１ 山东航天电子技术研究所，烟台２６４６７０２ 航天东方红卫星有限公司，北京１０００９４
摘㊀要：针对当前卫星网络通信业务需求复杂㊁星上设备对多业务兼容性差的问题，提出了一种面向低轨卫星网络的软件定义网络(S D N )架构.该架构设计了以星间链路为基础的虚拟化数据平面和多控制器的分布式控制平面，具有高度灵活和可编程的特性.通过网络功能虚拟化(N F V )技术实现了数据平面虚 拟化和集化控制器的功能分割，给出了架构实现的关键技术方案，使其能够实现数据传递的高效动态分配.最后仿真验证了在快速路由重构方面，该S D N 卫星网络架构相较于传统卫星网络，在反向缝场景下全网平均网络查询时延更为稳定，且平均时延缩短了８２ ４％，进一步验证了其控制器数量选择的科学性，体现了该S D N 卫星网络架构的先进性.关键词：低轨卫星网络；卫星通信；软件定义网络；网络功能虚拟化；控制器集
中图分类号:V １９㊀㊀㊀㊀文献标识码:A
收稿日期:２０２０Ｇ０９Ｇ０５；修回日期:２０２０Ｇ１１Ｇ２７；录用日期:２０２０Ｇ１２Ｇ１４；网络出版时间:２０２０Ｇ１２Ｇ２１㊀１０:３９基金项目：高分辨率对地观测系统重大项目基金(G F Z X ０４０６１２０２０３
)∗通信作者．E Ｇm a i l :m i e t y地面网
＠s o h u ．c o m 引用格式：侯筠仪，赵黎晔，申景诗，等．基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用[J ]．中国空间科学技术,２０２１,４１(３)
:８９Ｇ９６．HO UJY ,Z H A OLY ,S H E NJS ,e ta l ．T h ea p p
l i c a t i o no fN F V b a s e do nS D Na r c h i t e c t u r e i nL E Os a t e l l i t en e t w o r k [J ]．C h i
n e s eS p a c eS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y
,２０２１,４１(３):８９Ｇ９６(i nC h i n e s e )．T h e a p p
l i c a t i o no fN F Vb a s e d o nS D Na r c h i t e c t u r e i nL E O s a t e l l i t e n e t w o r k
H O UJ u n y i １,Z H A OL i y e ２,
∗,S H E NJ i n g
s h i １,F E N GF e i ２,W A N GS h a o b o ２
１ S h a n d o n g I n s t i t u t e o f S p a c eE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y ,Y a n t a i ２６４６７０,C h i n a ２ D F H S a t e l l i t eC o ．,L t d ．,B e i j i n g １
０００９４,C h i n a A b s t r a c t :I nt h ec o n t e x to fs a t e l l i t en e t w o r kc o mm u n i c a t i o ns e r v i c e s w i t hc o m p l e xr e q u i r e m e n t sa n d p o o rs e r v i c e c o m p a t i b i l i t y o fo n Ｇb o a r de q u i p m e n t ,as o f t w a r e Ｇd e f i n e dn e t w o r k (S D N )a r c h i t e c t u r e f o r l o w Ｇo r b i t s a t e l l i t en e t w o r k w a s p r o p o s e d ．A v i r t u a l i z e dd a t a p l a n eb a s e do ni n t e r Ｇs a t e l l i t el i n k sa n dad i s t r i b u t e dc o n t r o l p l a n e w i t h m u l t i p
l e c o n t r o l l e r sw e r ed e s i g n e di nt h i sa r c h i t e c t u r e ,w h i c h w a sh i g h l y f l e x i b l ea n d p r o g r a mm a b l e ．T h r o u g
ht h en e t w o r k f u n c t i o nv i r t u a l i z a t i o n (N F V )t e c h n o l o g y ,t h ed a t a p l a n ev i r t u a l i z a t i o na n dt h ef u n c t i o n a ld i v i s i o no ft h ec l u s t e r e d c o n t r o l l e rw e r e r e a l i z e d ,a n d t h ek e y t e c h n i c a l s o l u t i o n s f o r t h e r e a l i z a t i o no f t h e a r c h i t e c t u r ew e r e g i v e n t oe n a b l e t h e e f f i c i e n ta n d d y
n a m i c a l l o c a t i o n o f d a t a t r a n s m i s s i o n ．T h e s i m u l a t i o n v e r i f i e s t h a tt h e S D N s a t e l l i t e n e t w o r k a r c h i t e c t u r e i sm o r es t a b l et h a nt h et r a d i t i o n a l s a t e l l i t en e t w o r ki nt h er e v e r s es e a m s c e n a r i oi nt e r m so f f a s tr o u t e
r e c o n f i g u r a t i o n ．I n t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s ,t h ea v e r a g e r e c o n s t r u c t i o nd e l a y i ss h o r t e n e db y ８２．４％,a n dt h es c i e n t i f i c c h o i c eo f t h en u m b e r o f c o n t r o l l e r s i sv e r i f i e d ．T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s r e f l e c t t h e a d v a n c e dn a t u r eo f t h eS D Ns a t e l l i t e n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ．
K e y
w o r d s :L E O ;s a t e l l i t e c o mm u n i c a t i o n ;S D N ;N F V ;c o n t r o l l e r i n t e g r a t i o n
９０
㊀中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３
在５G生态系统的大背景下，地面用户数量和服务类型呈现爆发增长的趋势，星地网络的集成一体化被视为增强网络功能㊁完善网络部署的一种解决方案.目前，全球已有超过２０个卫星通信系统在轨运行，以新一代的O n e w e b系统㊁S p a c e X系统等为代表的巨型星座网络[１]作为通信网络广域建设的一种补充，有效克服了地面网络的布设限制，旨在缓解全球剩余２/３人口的宽带上网问题.
在卫星网络领域，传统卫星通常将控制和数据转发功能集中于同一网络设备，卫星节点在进行数据传递前需先完成链路维持㊁状态监控㊁路由计算等多种网络控制功能，占用了大量星上载荷资源.面对未来网络不断增长的用户需求和异构化的应用程序，学术界提出了引入 软件定义网络 的概念进行卫星网络应用方案的研究.软件定义网络(s o f t w a r e d e f i n e d n e t w o r k, S D N)是网络虚拟化的一种实现方式，其核心是分离网络设备的数据平面与控制平面以实现网络流量的灵活控制.F e r rús等[２]在５G背景下在卫星地面段中引入S D N/N F V技术，实现星地间网络资源管理能力和业务敏捷性的提升. T a n g等[３]将路由计算和网络配置任务放在地面站，设计了一种基于O p e n F l o w的软件定义卫星网络架构.X u等[４]设计了S o f t S p a c e架构并讨论了S D N的故障发现机制和移动性管理能力. K a k等[５]研究了低小卫星在S D N网络体系下配置不同载波频率和轨道参数对时延和吞吐量的影响.X u等[６]
设计了一种３层分层控制器架构，并进一步提出了一种从控制器选择策略以促进成本降低和稳定性增强.传统S D N方案的共同点是利用全局统一的S D N控制平面实现路由计算，控制策略需要在全网进行刷新.然而卫星自身拓扑动态异构的特征会导致控制器的计算及同步负担很大.可见，低轨卫星空间段的软件定义网络架构设计依然有较大的研究潜力和应用价值.
针对上述问题，本文主要关注将S D N设计思想在卫星网络架构中进行扩展，简化卫星节点的工作负担㊁实现大量流量的高效传输，并融合网络功能虚拟化(N F V)技术以使该架构能够面对未来空间信息网络发展中可能遇到的挑战性
问题.本文首先从低轨星座设计入手，从物理层面进行优化，使其通信水平的性价比最大化.基于该低轨卫星星座，进一步提出了软件定义卫星网络架构设计方案，设计了以星间链路为基础的虚拟化数据平面和多控制器的分布式控制平面，并给出了架构实现的关键技术方案，使其能够实现数据传递的高效动态分配.
１㊀低轨卫星星座设计
低轨星座设计是构建卫星通信系统的基础，星座构型的合理优化有助于低轨星座功能的最大化实现.卫星星座设计优化过程首先应根据目标场景选取基础星座构型.本文的设计背景为设计一种有效补充地面网络局限性㊁实现广域补充覆盖且能够搭建S D N架构的卫星星座.极轨道星座属于对称星座，轨道面
分布均匀，每个
轨道面上卫星数目相同，轨道面经过两极且与赤道面垂直，能够实现对全球的覆盖.极轨道星座中的卫星在运动过程中保持相对静止，可以通过固定的星间链路实现卫星间的切换与通信，且星间链路建设简单，易于维护，能够为S D N架构提供合理的物理基础.因而，本文采用极轨道作为星座基础构型.
铱星系统是一种典型的极轨道通信卫星星座.但考虑未来通信系统所面临的高速率传输下，文献[７]基于轨道高度与边缘通信仰角的约束关系指出，低通信仰角的铱星系统无法满足宽带L E O星座卫星通信系统要求，需要通过提高轨道高度来解决这一问题.然而，在地面用户边缘通信相同的情况下，卫星的轨道高度越高则会导致单星所需要的点波束数量越多.考虑到软件定义卫星星座未来发展定位于卫星通信㊁导航㊁遥感等多方面星上功能的实现，本文参考由法国国家空间研究院和美国宇航局合作的第一个全球定位和数据采集系统A r g o s系统的星座设计理念，将星座轨道高度提升至８５０k m，以贴合多功能的星上实现需求.卫星通信仰角的设计需保证星座实现对全球的覆盖，但单颗卫星不应覆盖面积过大而造成功率指标的浪费，故本星座单颗卫星的边缘通信仰角设计为３０ʎ.根据全球覆盖星座原理[８]，在已知轨道高度和边远通
侯筠仪，等：基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用９１
㊀信仰角的前提下能够计算出最优的卫星总数㊁轨道面数及每个轨道上的卫星数量，最终构建卫星星
座.
该星座共有９个轨道平面，每个轨道面上分
布１１颗低轨卫星，轨道高度８５０k m ，轨道倾角为８６ ４ʎ.通过S T K 软件对星座的对地覆盖性能进行仿真，结果证明该星座对地覆盖率在全时段达到１００％,
满足任务所需的通信要求.极轨道卫星星座网络的联通依赖于星间链路的构建.参考铱星星间链路的设计模式，该星座中的每一颗卫星都与其同一轨道的相邻卫星建立２条星间链路，并与相邻轨道上实时临近的卫星建立２条星间链路.第１轨道和第９轨道之间的反向旋转关系是一种例外情况，这两条轨道间的卫星不存在相邻轨道的星间链路.拓扑结构如图１所示
.
图１㊀数据平面拓扑结构示意
F i g １㊀S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f d a t a p l a n e t o p o l o g y
卫星通信网络地面段网络拓扑采用 多点落
地 的设计思想.仅依靠单一地面站接收全网卫星的下传数据这一模式在面对海量数据时易发生网络拥塞，而将多地面站引入卫星网络的路由规划能够充分利用地面网路资源.地面设备具有可维护㊁鲁棒性高的特点，通过光纤传输数据更为高效，分担了卫星网络的传输压力，体现了卫星网络与地面网络的互补性，实现了星地传输负载均衡.
如图２所示，本文选取三亚㊁佳木斯㊁喀什３
处地面站为示例，图中标注了３处地面站的地理位置及当前时刻向对应地面站下传数据的卫星
(圆标注).图２给出了一条路由示例：当前时刻喀什地面站上空西侧的卫星(三角标注)作为源点进行数据传输，数据流在喀什地面站上空完成数据下传，经地面光纤网络传递至目的地三亚地面站.这样的传输路径有效减少了数据流在星间的
传递跳数，降低了传输延迟与传输损耗.此外,
多点落地 结构能够有效解决极轨道星座反向缝两侧卫星无法建立星间链路导致路径规划复杂的问题.图２中佳木斯地面站上空，存在两个间隔反向缝的数据下传卫星(矩形标注).虽然两颗卫星间无法完成东西向数据传输，但是能够通过将数据下传至佳木斯地面站，最终借由地面网络完成服务，避免了星上传输路径过长的问题
.
图２㊀ 多点落地 结构示例
F i g ２㊀ M u l t i p o i n t l a n d i n g s t r u c t u r e e x a m p
l e ２㊀基于低轨星座的软件定义网络
架构设计与实现
S D N 的核心在于控制平面和数据平面的分离，其基本架构如图３所示
.
图３㊀S D N 基本架构
F i g
３㊀S D Na r c h i t e c t u r e
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２ １㊀数据平面
在低轨卫星网络中，卫星作为S D N交换机的载体可被视为数据平面的节点.低轨星座中所有卫星以节点形式构成完整的数据平面，依靠星间链路实现数据流的交换传输.数据平面的主要功能是通过一系列的链路操作对到来的数据分组进行处理，这些操作通常包括数据分组的收集和完整性检查.卫星网络这一场景的特点是底层物理资源有限，发射入轨后很难对交换机进行硬件设备的二次更新或功能变更维护，因而缺乏应对多种服务需求的灵活性.本文提出引入N F V技术，在数据平面上搭建虚拟的 环境抽象层 ，用以解决数据平面的灵活性问题，并进一步阐明虚拟化转发功能的实现方式.
环境抽象层将设备的物理功能分割为更轻量级的网络虚拟功能，通过映射机制将用户需求的虚拟资源与物理资源相对应，能够有效地节省底层的物理资源，实现卫星平台的长期可用性.如图４所示,I n t e l公司开发的一种数据平面开发套件(d a t a p l a n ed e v e l o p m e n tk i t,D P D K)能够很好地实现网络功能的虚拟化.该套件提供了数据平面库和轮询模式的L i n u x用户空间网卡驱动，通过间接的A P I提供队列管理㊁缓存管理和流量分组功能，使得上层应用和控制平面可以直接调用这些环境抽象层的功能来完成相关计算和转发.通过虚拟化交换机(即环境抽象层)，端口在传递流表时不再需要硬件设计提前预留专用的缓存队列存储空间，其缓存空间由C P U管理的内存动态化临时分配.在数据转发
图４㊀数据平面I/O结构
F i g ４㊀D a t a p l a n e I/Oa r c h i t e c t u r e 过程中，仅通过表头的地址匹配字段送入C P U 进行地址匹配，待完成匹配后才会在需要转发时将完整数据包输出网络端口.
卫星网络数据平面的虚拟化计算类功能的实现方式与普通星载计算机运行应用程序的方式完全相同，而虚拟化的转发类功能则有比较大的变化.在S D N网络设备中，网络层功能虚拟化的本质是通过流表抽象数据平面，通过流表可以精确地匹配和识别业务类型，完成对流的操作.数据转发形成的流表由多个基础流表构成，基础流表包含了地址匹配字段㊁计数字段㊁操作字段３项功能，如图５所示.考虑到卫星网络是一种无线网络，其转发和资源分配均基于终端，传统的S D N可能造成１个卫星终端的不同流会使用相同的信道和窗口.本方案在传统S D N协议基础上扩展性地引入I E E E８０２ １１e协议，该协议通过对流量的窗口和帧间间隔区别对待，能够赋予流不同的优先级
.
图５㊀S D N流表项
F i g ５㊀S D Nf l o wt a b l e
随着星载载荷处理能力的提高，在支持基础数据包的转发之外，数据平面还需支持流量优先级的分类功能，以便针对不同类型数据实现S L A(服务级别协议).通过采用D P I(深度包检测)[９]，应用能够确定转发决策的优先级，进而满足Q o S(服务质量)要求.数据平面的虚拟化处理缓解了C P U的压力，使得这些服务有了实现的可能.
２ ２㊀控制平面
卫星网络的控制功能由S D N控制器实现,
侯筠仪，等：基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用９３
㊀其任务是更新数据平面设备(即星上S D N 交换机)的转发规则.目前，大量的研究成果集中于将控制器放置于地面站或静止轨道卫星上，且数量较少.然而，随着网络流量需求的提升和数据平面的扩大，控制器数量不足将难以满足星地无线网络高动态㊁大跨度的路径配置计算需求，进而使得配置转发规则所需的流建立时间增长，用于改善网络延迟的相关规则下发失效，因而需要
增加控制器布设数量来减少流建立时间[
１０
].此外，控制器放置于地面站或静止轨道卫星上意味着控制平面与数据平面之前存在巨大的数据传输损耗，并需要建立更为庞大的拓扑分析库来处理网络拓扑的动态化问题
[１１
].基于上述背景问
题，本文提出将多控制器直接部署于低轨卫星上构成分布式控制平面.这样的控制器部署方式，一方面保证了控制器数量能够满足功能实现的需求，另一方面控制平面与数据平面的拓扑一致化减少了控制平面的数据处理压力.根据改进的N S G A ＧⅡ的多控制器初始化部
署算法
[１２]
可知，控制器与卫星节点数量比例为
０ ３~０ ４时,
网络端到端时延将至最低.因此本文的控制器静态放置方案将控制器数量选取为３６，每条轨道可有４个控制器，分别位于该轨道的１号㊁４号㊁７号㊁１０号卫星.如图６所示,
被放置S D N 控制器的卫星同时具备数据交换和网络控制的功能，控制器与控制器之间由东西向接口相互连通，形成一个物理上分散㊁逻辑上集中的控制平面.每个控制域内约有２~３颗卫星.这样的部署方式不仅减少了星地间的数据传输损耗，还降低了控制器与交换机之间的数据传播时延.此外，集式控制器通过虚拟化设计能进一步实现多功能平台的分割,
提升卫星平台图６㊀控制平面组网示例
F i g ６㊀C o n t r o l p l a n en e t w o r k i n g
对载荷的支撑能力，更好地把握全网资源视图，改善通信资源的交付质量.
多控制器的部署意味着同时还需解决控制
器动态放置问题[
１３]
.控制器动态放置问题即控制域界定问题，该问题可被公式化为I L P 算法，其优化目标是使得配置转发规则所需的平均流建立时间最小化，并通过G u r o b i 优化器进行求解.与控制器放置问题相关的约束表述如下.约束１：用于确保要放置在网络中的控制器
总数为K .
ðc ɪC
y
c
＝K
(１
)式中:C 为控制器集合(该集合中元素c 为控制器集合中各控制器的编号);K 为控制器放置数量;y c 为一个二进制变量，指示是否将控制器放置在c ɪC 上,y
c 为１表示控制器在控制器集合C 中,y
c 为０表示控制器不在控制器集合C 中.
约束２：用于确保只有c 号控制器处于活动状态时,s 号卫星才会被c 号控制器控制.x s ,c ɤy c ,∀s ɪS ,∀c ɪC (２)式中:S 为卫星集合(
该集合中元素s 为卫星集合中各卫星的编号);x s ,c 为一个二进制变量，指示是否将卫星节点s 分配给c ɪC 上,x s ,c 为１
表示将卫星节点s 分配给c ɪC ,x s ,c 为０表示不将节点s 分配给c ɪC .
约束３：用于确保每个卫星s 被有且只有一个控制器c 控制.
ðc ɪC
x
s ,c
＝１,∀s ɪS (３
)约束４：如果两个卫星属于不同的控制器集
，则需要给他们分配给不同的控制器.约束４
给出一种辅助的二进制变量z c ,s ,k 用于量化这种
情况，将卫星划分为不同的控制域.
z c ,s ,k ＝x s ,c x k ,c ,
∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC (４)约束５：为使该约束能被线性优化器运算解
决，由约束５的３个公式进行替代.
z c ,s ,k ɤx s ,c ,
∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC z c ,s ,k ɤx k ,c ,
∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC z c ,s ,k ＝x s ,c ＋x k ,c －
１,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC üþýï
ïï
ï(５
)本文所设计的由多控制器共同构成的控制
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