一种基于SDN空天地控制器部署架构及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SDN空天地控制器部署架构及控制方法，控制器架构包含空基网、天基网和地基网三个网段，所述天基网在无人机上实现控制器动态部署；在每个网段控制器的顶部引入上层SDN控制器；所述上层SDN控制器的SDN网络架构由下至上包括基础设施层、网络控制层和应用层；所述网络控制层，用于负责全局拓扑结构，链路状态和流量状态信息的搜集和维护，控制消息的下发，引入SDN架构，解耦数据平面和控制平面，提供统一的编程接口，对网络中的节点统一的配置和管理。本发明专利技术实现最小化交换机和控制器之间的传播时延和提高控制器的负载均衡度的多优化目标。

A deployment architecture and control method of air space controller based on SDN

【技术实现步骤摘要】
一种基于SDN空天地控制器部署架构及控制方法
本专利技术涉及空天地一体化网络和控制器部署策略，特别涉及一种基于SDN空天地控制器部署架构及控制方法。
技术介绍
1、空天地一体化网络随着科学技术与时代的发展，人们对于通信的需求越来越高，实现大规模全球通信以成为人们的研究目标。传统的地面无线通信在用户数量和要支持的服务方面正面临着爆炸式增长，预期未来网络将提供比当前网络更多的资源，以应对各种服务不断增加的流量需求。空天地一体化网络(Space-Air-GroundIntegratedNetwork，SAGIN)通过对天基网，空基网和地基网的融合，形成了一个大规模异构网络，实现对网络资源和信息的汇集与处理。SAGIN存在网络覆盖范围广，多种协议并存，节点高动态变化，拓扑异变，高吞吐量等特点，面向全球提供无缝无线接入服务。2、SDN网络架构软件定义网络(SoftwareDefinedNetworking，SDN)是一种新型的网络架构由于其简化网络结构，增加网络操作的灵活性，受到了学术界的广泛关注。其特征包括高度解耦的控制平面和转发平面，并且通过搭建在集中控制器之上的软件操作平台来实现可视化和可编程化，实现集中控制功能。3、K-means算法k-means算法的工作过程说明如下：首先从n个数据对象任意选择k个对象作为初始聚类中心；而对于所剩下其它对象，则根据它们与这些聚类中心的相似度(距离)，分别将它们分配给与其最相似的(聚类中心所代表的)聚类；然后再计算每个所获新聚类的聚类中心(该聚类中所有对象的均值)；不断重复这一过程直到标准测度函数开始收敛为止。一般都采用均方差作为标准测度函数。k个聚类具有以下特点：各聚类本身尽可能的紧凑，而各聚类之间尽可能的分开。基本步骤：(1)从n个数据对象任意选择k个对象作为初始聚类中心；(2)根据每个聚类对象的均值(中心对象)，计算每个对象与这些中心对象的距离；并根据最小距离重新对相应对象进行划分；(3)重新计算每个(有变化)聚类的均值(中心对象)；(4)计算标准测度函数，当满足一定条件，如函数收敛时，则算法终止；如果条件不满足则回到步骤(2)。现有的控制器部署问题的解决一般都只集中在卫星网络，空中网络，和地面网络的单个网段，很少考虑到几个网段的集成。随着科学技术与时代的发展，人们对于通信的需求越来越高，传统的地面无线通信在用户数量和要支持的服务方面正面临着爆炸式增长。然而现有技术中地面网络所具有的基站部署不易，部署环境恶劣，网络容量小等弊端，不能适应不断发展的通信需求和服务质量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决空天地一体化网络下的控制器动态部署问题，提出一种基于空天地一体化网络下的控制器部署架构和方法，该架构引入空天地一体化网络和SDN技术，解耦数据和控制平面，采用一种改进的k-means方法，确定控制器的个数和位置，实现最小化交换机和控制器之间的传播时延和提高控制器的负载均衡度的多优化目标。为了达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于SDN空天地控制器部署架构，包含空基网、天基网和地基网三个网段，所述天基网在无人机上实现控制器动态部署；在每个网段控制器的顶部引入上层SDN控制器；所述上层SDN控制器的SDN网络架构由下至上包括基础设施层、网络控制层和应用层；所述网络控制层，用于负责全局拓扑结构，链路状态和流量状态信息的搜集和维护，控制消息的下发，引入SDN架构，解耦数据平面和控制平面，提供统一的编程接口，对网络中的节点统一的配置和管理。所述网络控制层中设置一本地控制器协调管理各层的上层控制器。所述空基网的卫星上设置一个统一的控制器，用于数据备份。基于SDN空天地控制器部署架构的控制方法，包括以下步骤：1)建立基于SDN的空天地一体化架构，该架构包含空基、天基、地基三个网段，在该三个网段分别确定控制器的位置和个数，在每个网段的控制器的顶部引入上层次SDN控制器，同时在本地设置一个总控制器协调所有的工作，其数据在卫星上备份；2)针对天基层，在无人机上实现控制器动态部署。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：SDN网络架构的建立包括以下步骤：1)将交换机划分为不同的域，为每一个域分配一个控制器，一台交换机在任何时候都只能由一个控制器控制，不同域中交换机的数量不同，如果该控制器出现故障，该域中的交换机将被重新分配给其他控制器；2)形成全局视图：在每个域中，交换机以固定时间间隔或链路状态改变时，向其控制器发送问候信息；控制器用收到的问候消息建立本地网络视图；每个控制器根据特定策略与其他控制器交换其本地网络视图，每个控制器建立全局网络视图；3)数据转发：每当流到达交换机时，交换机将检查其流表；如果存在其匹配的流表，流中的数据包会相应的被转发；如果不存在匹配的流表，交换机向其控制器发送流设置请求；控制器使用全局网络视图计算转发路径，并在其域内的交换机中安装流表。作为本专利技术的进一步改进，无人机上控制器的动态部署是指：将无人机的运行周期分为几个部分，并把它表示为T＝{t1，t2，…，tn}，假设在每个时间间隔内，传播时延、数据流和域成员保持不变，在设定的时间间隔内调用控制器重新部署算法，以确定控制器的个数与位置。作为本专利技术的进一步改进，控制器部署方法是指：采用改进的k-means算法和带内模式进行相应的分析，控制器和交换机部署在同一节点上，以此认为同一节点的控制器和交换机之间的时延为0；采用扁平式的部署方案来部署SDN控制器，即所有的控制器之间是对等的，控制器之间需要进行通信来获取全网的网络信息；使用最短路径计算交换机与控制器之间的链路距离，达到最小化交换机与控制器传播时延的目标。作为本专利技术的进一步改进，改进k-means算法中包括以下步骤：1.1)确定K值；1.2)利用Dijskra算法得到的交换机之间的最短距离；1.3)输入K值，最短距离矩阵，链路集合；1.4)初始化中心；1.5)分配节点到离该节点最近的簇中，若该簇中的节点数大于Φ负载均衡阈值，则分配该节点到第二近的簇中，利用更新中心节点，使得从簇中所有点到新质心的最短路径距离之和最小化；1.6)重复1.5)直到簇中心不再发生变化；1.7)找到离中心节点距离最远的节点作为新的中心节点，执行1.5)，1.6)；1.8)重复1.7)，直到有K个簇为止；1.9)在这K个中心处的交换机上部署控制器。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提出一种基于SDN空天地控制器部署架构，通过引入空天地一体化网络和SDN技术，在天基层，确定在无人机上的控制器的个数和位置，可以最小化交换机到控制器的传播时延，并且根据Φ负载均衡阈值，动态的调整每个控制器控制的交换机数目，实现控制器的负载均衡。引入空天地一体化网络，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SDN空天地控制器部署架构，其特征在于：包含空基网、天基网和地基网三个网段，所述天基网在无人机上实现控制器动态部署；/n在每个网段控制器的顶部引入上层SDN控制器；所述上层SDN控制器的SDN网络架构由下至上包括基础设施层、网络控制层和应用层；/n所述网络控制层，用于负责全局拓扑结构，链路状态和流量状态信息的搜集和维护，控制消息的下发，引入SDN架构，解耦数据平面和控制平面，提供统一的编程接口，对网络中的节点统一的配置和管理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于SDN空天地控制器部署架构，其特征在于：包含空基网、天基网和地基网三个网段，所述天基网在无人机上实现控制器动态部署；
在每个网段控制器的顶部引入上层SDN控制器；所述上层SDN控制器的SDN网络架构由下至上包括基础设施层、网络控制层和应用层；
所述网络控制层，用于负责全局拓扑结构，链路状态和流量状态信息的搜集和维护，控制消息的下发，引入SDN架构，解耦数据平面和控制平面，提供统一的编程接口，对网络中的节点统一的配置和管理。


2.根据权利要求1所述的一种基于SDN空天地控制器部署架构，其特征在于：所述网络控制层中设置一本地控制器协调管理各层的上层控制器。


3.根据权利要求1所述的一种基于SDN空天地控制器部署架构，其特征在于：所述空基网的卫星上设置一个统一的控制器，用于数据备份。


4.权利要求1所述的基于SDN空天地控制器部署架构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立基于SDN的空天地一体化架构，该架构包含空基、天基、地基三个网段，在该三个网段分别确定控制器的位置和个数，在每个网段的控制器的顶部引入上层次SDN控制器，同时在本地设置一个总控制器协调所有的工作，其数据在卫星上备份；
2)针对天基层，在无人机上实现控制器动态部署。


5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：
SDN网络架构的建立包括以下步骤：
1)将交换机划分为不同的域，为每一个域分配一个控制器，一台交换机在任何时候都只能由一个控制器控制，不同域中交换机的数量不同，如果该控制器出现故障，该域中的交换机将被重新分配给其他控制器；
2)形成全局视图：
在每个域中，交换机以固定时间间隔或链路状态改变时，向其控制器发送问候信息；
控制器用收到的问候消息建立本地网络视图；
每个控制器根据特定策略与其他控制器交换其本地网络视图，每个控制器建立全局网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲桦，赵季红，徐晓芸，岳鹏程，罗媛媛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61