[发明专利]一种SDN架构下的空间信息网络路由策略的设计方法

摘要

本发明公开了一种SDN架构下的空间信息网络路由策略的设计方法，包括以下步骤：建立基于软件定义网络SDN的空间信息网络架构；建立基于SDN空间信息网络路由模型；建立改进的遗传算法求解路由模型。本发明利用SDN数控分离的思想，在控制平面高度集中逻辑，可以实时获取全局的网络状态，计算路由策略，LEO和MEO不需要自身计算路由，减轻了卫星自身负载，降低了功耗。本发明针对空间信息网络具有通信环境复杂、节点动态性强、星上处理能力有限和业务种类繁多等特点，在SDN架构下制定最优的空间信息网络路由方案，降低空间信息网络中各业务类数据转发的传输时延和减少丢包率。

主权项

1.一种SDN架构下的空间信息网络路由策略的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：/nA、建立基于软件定义网络SDN的空间信息网络架构/n基于SDN的空间信息网络架构包括控制平面和转发平面；/n所述的控制平面包含地面站和GEO，地面站为一级控制器，包含信息存储模块和路由计算模块；GEO为二级控制器，包含节点探索模块和基础转发模块；/n所述的转发平面包括MEO和LEO，接收控制平面下发的规则对数据包进行快速转发；/n所述的GEO为高轨卫星，MEO为中轨卫星，LEO为低轨卫星；/n所述的信息存储模块用于存储转发平面链路状态信息；/n所述的路由计算模块根据信息存储模块的链路信息计算，得出最优路由；/n所述的基础转发模块用于传递一级控制器与转发平面的信息交互；/n所述的节点探索模块用于探索转发平面卫星节点间链路状态信息；/nB、建立基于SDN空间信息网络路由模型/nB1、定义路由模型参数/n采用G(V,E)表示基于SDN空间信息网络拓扑模型，V表示空间信息网络中所有卫星节点的集合，E＝{e＝(i,j)|i,j∈V}，表示相邻两个卫星之间的链路集合，相邻卫星之间有且只有一条链路，“源-宿”两端节点卫星之间的路由集合为p，定义如下路由模型参数：/n /n /npb_k＝min(pb_k(m)),pb_k(m)≥0 (3)/n式中pd_k(m)、pb_k(m)和pl_k(m)分别代表路由集合p中第k条路由中的第m段路径的时延、带宽和丢包率，pd_k、pb_k和pl_k分别代表第k条路由的时延、带宽和丢包率，N表示路由集合中路由数目；/n不同性质的参数直接加和不能反映出不同因素的综合效果，所以将获得的链路时延参数和带宽参数归一化处理，将原始数据线性化映射到[0,1]的范围，实现对原始数据的等比例缩放，归一化函数为：/n /n其中x_k的值为链路中“源-宿”两端的节点中第k条路径p_k的时延参数或带宽参数，根据公式(4)进行归一化处理，得到的y₁,y₂,...,y_n∈[0,1]，且无量级；归一化处理后计算p_k的代价c_k：/nc_k＝w₁·pdy_k+w₂·pl_k+w₃·pby_k (5)/n其中pdy_k和pby_k分别代表第k条链路归一化处理的时延参数和带宽参数，pl_k代表丢包率参数；w₁、w₂和w₃分别代表每个参数所占的权重；权重选取策略采用判断矩阵法，将所有指标列出来，组成一个M×M的方阵，然后对各指标两两比较并打分，最后对各指标的得分求和，并作规范化处理；构造判断矩阵为：/n /n其中：a_ij为评价元素i对评价元素j相对重要尺度，满足a_ija_ji＝1，m表示重要性尺度个数；/n采用特征根法计算时延、带宽和丢包率的权重过程如下：/nB11、将A中的每一列向量归一化；归一化公式为：/n /nB12、对按照每行求和得：/n /nB13、将根据以下公式归一化：/n /n特征向量记为w＝(w₁,w₂,...,w_n)^T；/nB2、建立路由模型/n根据步骤A建立的基于SDN的空间信息网络架构和步骤B1定义的路由模型参数，设定代价函数如下：/n /n在源节点到目的节点的路径中，C为链路代价，pdy_k和pby_k分别代表链路归一化处理后的时延参数和带宽参数，pl_k代表链路的丢包率；w₁、w₂和w₃分别为每个参数所占的权重，b、d和l分别为数据流转发的带宽、时延和丢包率参数的约束标准，根据业务类别计算该业务的权重，代入代价方程，规定路由包含的子链路带宽大于数据流转发所需带宽、时延和丢包率小于规定值，求解代价函数最小值C；/nC、建立改进的遗传算法求解路由模型/n在求解基于SDN的空间信息网络路由模型中，“源-宿”节点之间的路由集合p作为遗传算法的种群，求解路由模型就是遗传算法的求解过程；/nC1、编制染色体编码/n染色体编码是将实际问题映射到遗传算法中，在空间信息网络中，源节点用S表示，代表染色体第一个位置，目的节点用D表示，代表染色体最后一个位置；实际卫星路由经过的节点表示为N₁,N₂...N_n，整条路由表示为S,N₁...N_n,D，染色体编码将实际的路由转变为染色体基因序列；染色体基因序列顺序与路由经过的卫星节点顺序相同，由于路由包含卫星节点个数不同，所以基因序列长度不一致；/nC2、设计适度函数/n适度函数为c_k＝w₁·pdy_k+w₂·pl_k+w₃·pby_k，对于编码的染色体，根据业务类别利用判断矩阵法计算w₁、w₂和w₃的权重值，结合路由的时延、丢包率和带宽的约束条件得出适度函数值，选取最优解minC；/nC3、选择种群/n采用顺序选择法，根据适度函数计算当前n个染色体并按适度值并从小到大排序，然后选择前n/2个染色体，剩余n/2个染色体再随机选择一半，共选取3n/4个染色体，既保证优质个体不会丢失，也保证种群多样性；/nC4、设计遗传算子/n交叉概率和变异概率是影响种群寻优的关键，重新定义一种调节种群概率的自适应交叉、变异算子，种群的适应度平均值表示为E(C)，分散程度表示为F，具体公式如下：/n /n /n自适应交叉、变异概率分别表示为P_c和P_m，计算公式如下：/n /n式中：k₁和k₂为(0,1)之间的自适应概率参数，F作为判断种群适应度集中或分散的依据，范围在[0,π/2]之间；当C_min/C_avg增大时，F增大，此时种群适度值集中，很难产生优质解，容易陷入局部极值，自适应减小P_c值和增加P_m值，增大种群变异概率，能够很好的摆脱局部极值；反之，当C_min/C_avg减小时，F减小，说明种群适应度值比较分散，自适应增加P_c的值能快速产生种群的优质解，同时自适应降低P_m值，减少对优质解的破坏；/n计算得到自适应交叉、变异概率后，对种群进行交叉和变异操作，采用的交叉算子方法为循环共点交叉法，首先在选取的染色体中选择两个有共同基因片段的染色体，相同的基因片段代表同一个节点，相互交换共同节点处之后的染色体片段，组成新的染色体；由于“源-宿”节点之间路由过多，可能交叉之后的路径集中已存在，此时过滤掉重复的路径，寻找下一个具有相同共同点的路径，继续交叉，直到达到要求；/n变异算子采用单点变异法，在路由中随机选取一点作为变异点，变异点相邻节点随机选择一个相邻节点，该节点不能是源节点到变异点路径中的节点，在邻节点后重复操作直到生成源节点到目的节点的路径；/nC5、设定条件/n遗传算法求解代价路由时，当种群迭代到一定次数时，选择的最优路由和种群适度值没有明显变化，种群变化趋势趋于平稳，停止种群进化，选取最优解。/n