面向天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星鏈路仿真研究

劉淵，張浩，葉海洋，李劍鋒，王曉鋒，張桂珠

（1. 江南大學(xué)數(shù)字媒體學(xué)院，江蘇 無錫 214122；

2. 江蘇省媒體設(shè)計(jì)與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

1 引言

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)可以分為天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)，包含衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、地面站節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星鏈路等多類型元素，具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝袚Q快、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、時(shí)空跨度大、業(yè)務(wù)種類多等特點(diǎn)。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)需要建立大規(guī)模、真實(shí)的、可控的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，支撐安全保障技術(shù)[1]的研究以及新的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與技術(shù)研究。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)包含控制平面與數(shù)據(jù)平面，控制平面管理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和衛(wèi)星鏈路，數(shù)據(jù)平面完成仿真場(chǎng)景的映射[2]。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)需要滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)量、拓?fù)渥兓?、軌道高度的仿真要求，衛(wèi)星鏈路包含星間鏈路和星地鏈路，星間鏈路又分為同軌和異軌星間鏈路。同軌衛(wèi)星之間的鏈路持續(xù)通信時(shí)間、鏈路距離基本不隨時(shí)間變化，異軌衛(wèi)星之間的鏈路建立相對(duì)復(fù)雜，鏈路空間幾何參數(shù)與性能參數(shù)呈周期性變化，星間鏈路主要受自由空間傳播損耗的影響。星地鏈路除了會(huì)受自由空間傳播損耗的影響外，還會(huì)受大氣吸收損耗、雨衰的影響。

目前，衛(wèi)星鏈路仿真的相關(guān)研究主要集中在基于理論建模的數(shù)字仿真、基于離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)模擬、基于鏈路特性的參數(shù)仿真與新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3,4]融合等方面。文獻(xiàn)[5,6]研究了衛(wèi)星鏈路計(jì)算數(shù)學(xué)模型，分析了星間鏈路空間幾何特性、星地鏈路時(shí)延與誤碼率的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為衛(wèi)星鏈路仿真提供了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7]基于 NS3模擬衛(wèi)星鏈路，基于TCP通信協(xié)議測(cè)試了不同鏈路特性下衛(wèi)星鏈路吞吐量的變化。文獻(xiàn)[8]提出了動(dòng)態(tài)衛(wèi)星鏈路數(shù)據(jù)交互的聯(lián)合仿真方法，通過逼真的星地信道衰落情況來確定滿足鏈路約束條件的衛(wèi)星天線增益等關(guān)鍵參數(shù)。文獻(xiàn)[9]提出了基于共享緩沖區(qū)的超高速鏈路仿真方法TLEM，由多個(gè)獨(dú)立線程實(shí)現(xiàn)的管道體結(jié)構(gòu)，線程間通過有限的交互實(shí)現(xiàn)高性能轉(zhuǎn)發(fā)，但其存在內(nèi)存復(fù)制開銷的瓶頸，并且僅能適用于支持netmap的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]提出了基于 dummynet的數(shù)據(jù)鏈路層仿真方法，通過攔截指定鏈上的數(shù)據(jù)幀實(shí)現(xiàn)，在 PlanetLab實(shí)物測(cè)試床中驗(yàn)證了其仿真性能。文獻(xiàn)[11]提出了基于IP級(jí)KauNet仿真器的衛(wèi)星鏈路仿真方法，結(jié)合 LMS衛(wèi)星信道模型，給出傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星鏈路時(shí)延與丟失分組的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[12]提出了大規(guī)模時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，基于netem實(shí)現(xiàn)單層低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星鏈路仿真，對(duì)星地鏈路的帶寬、時(shí)延等進(jìn)行仿真分析。大多數(shù)衛(wèi)星鏈路仿真方法基于單一的衛(wèi)星工具包[13]（STK,satellite tool kit）和模擬器（NS2、NS3、OPNET 等），無法運(yùn)行真實(shí)的業(yè)務(wù)流量，難以支撐安全仿真驗(yàn)證。實(shí)物測(cè)試床（PlanetLab、OneLab等）通過真實(shí)的軟硬件環(huán)境來保障實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)性，但其存在投入成本高、靈活性差的問題。鏈路仿真器（TLEM、dummynet、KauNet等）能夠?yàn)樾l(wèi)星鏈路仿真提供支撐，但其自身都存在一定的局限性。少部分衛(wèi)星鏈路仿真方法可承載真實(shí)的業(yè)務(wù)流量，融合了新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但缺乏考慮衛(wèi)星鏈路的逼真性和周期性。

本文提出了一種云計(jì)算環(huán)境中衛(wèi)星鏈路仿真方法，基于虛擬化技術(shù)仿真不同軌道高度的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN,software defined network）技術(shù)仿真可重構(gòu)的衛(wèi)星鏈路，基于 STK模擬真實(shí)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，對(duì)衛(wèi)星鏈路進(jìn)行建模與計(jì)算，獲取鏈路持續(xù)通信時(shí)間、距離、誤碼率等數(shù)據(jù)。根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，可自動(dòng)化部署衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌蓜?dòng)態(tài)配置差異化的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星鏈路，為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中各類技術(shù)的驗(yàn)證與評(píng)估提供一套原型系統(tǒng)。

2 衛(wèi)星鏈路性能參數(shù)分析

采用連通圖 G=(V,E,D)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建模，其中，V= {vi|i∈ (1,2,…,n )}表示衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面站節(jié)點(diǎn)集合， E={eij|i,j ∈ (1,2,…,n )}表示衛(wèi)星鏈路集合， D={dij|i,j ∈ (1,2,…,n )}表示衛(wèi)星鏈路的長(zhǎng)度。

衛(wèi)星鏈路的間歇性是指鏈路通斷隨著時(shí)間周期性地動(dòng)態(tài)切換。在衛(wèi)星接收機(jī)的功率滿足可以正常接收發(fā)射信號(hào)的條件下，當(dāng)衛(wèi)星鏈路被其他天體在物理位置上阻隔時(shí)，鏈路會(huì)無法通信，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到某一個(gè)無天體阻隔的位置時(shí)，鏈路又可以繼續(xù)通信。因此，造成了衛(wèi)星鏈路的間歇性。

衛(wèi)星鏈路的物理可見性取決于衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間的相對(duì)位置，如圖1所示。

當(dāng)2顆衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到衛(wèi)星 vi與衛(wèi)星 vj的位置時(shí)，空間位置關(guān)系上滿足[14]Hij≥ Re，Hij為地球球心O到星間鏈路 eij的距離， Re為地球半徑，衛(wèi)星之間物理可見，星間鏈路可以通信。當(dāng)2顆衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到衛(wèi)星 vi與衛(wèi)星 vk的位置時(shí)，其空間位置關(guān)系滿足

2.1 鏈路間歇性

當(dāng)衛(wèi)星vm運(yùn)動(dòng)到vm′位置時(shí)，星地鏈路em′n與地面站vn所在位置相切，星地鏈路長(zhǎng)度達(dá)到最大值，星地鏈路可以通信的約束條件為

圖1 衛(wèi)星鏈路可通約束條件

2.2 鏈路時(shí)延

衛(wèi)星鏈路時(shí)延與鏈路長(zhǎng)度D有關(guān)，時(shí)延仿真的前提條件是鏈路必須可通，即物理可見，時(shí)延的計(jì)算式為

其中，f(t)為時(shí)變函數(shù)，T為鏈路長(zhǎng)度變化周期，鏈路時(shí)延td在周期T內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，c為電磁波在自由空間的傳播速度。

2.3 鏈路誤碼率

衛(wèi)星鏈路誤碼率與信號(hào)的調(diào)制方式有關(guān)，誤碼率仿真也必須滿足鏈路可通，在二進(jìn)制相移鍵控（BPSK,binary phase shift keying）調(diào)制方式下，誤碼率的計(jì)算式為

其中，erfc(?)為互補(bǔ)誤差函數(shù)，為每比特信號(hào)能量Eb與噪聲的功率譜密度N0之比，其與信道的載噪比密切相關(guān)，計(jì)算式為

其中，Rb為比特率，Bn為噪聲帶寬，載噪比可由式(6)進(jìn)行推算。

其中，Pt為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率；Gt為發(fā)射機(jī)天線增益；Gr為接收機(jī)天線增益；k為波爾茲曼常量；Ts為接收機(jī)系統(tǒng)噪聲溫度；Lf為自由空間傳輸損耗；La為其他損耗，包含大氣吸收損耗、雨衰等；EIRP為有效全向輻射功率。根據(jù)這些參數(shù)值，可以推算出衛(wèi)星鏈路的誤碼率。

3 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)采用融合仿真的思想，由 STK負(fù)責(zé)仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)平面，由OpenStack云計(jì)算環(huán)境負(fù)責(zé)仿真平臺(tái)的控制平面，如圖2所示，包含了一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)、一個(gè)STK節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)的資源調(diào)度，包含計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源以及自動(dòng)化部署衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，STK節(jié)點(diǎn)提供豐富的可視化界面，負(fù)責(zé)構(gòu)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)星座結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星軌道、地面站、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等，并對(duì)鏈路持續(xù)通信時(shí)間、鏈路距離、鏈路誤碼率等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)承載多粒度衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、構(gòu)建衛(wèi)星鏈路、加載衛(wèi)星鏈路性能參數(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)并動(dòng)態(tài)切換衛(wèi)星鏈路的間歇性、時(shí)延、誤碼率。

3.1 星座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在STK節(jié)點(diǎn)中采用Walker星座構(gòu)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，軌道平面的升交點(diǎn)沿赤道等間距排列，每個(gè)軌道的衛(wèi)星等間距分布，可以使覆蓋面積達(dá)到最優(yōu)，縮短重訪時(shí)間。假設(shè)有P個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星個(gè)數(shù)為N，衛(wèi)星總數(shù)為T=P×N，軌道平面的角距為360°/P，衛(wèi)星的角距為360°/N，相鄰軌道平面衛(wèi)星間的相位因子為F=1,2,…,P-1，相位角為360°F/T。通常可以用δ:T/P/F來描述一個(gè)Walker星座，δ為軌道平面傾角。

3.2 衛(wèi)星與地面站節(jié)點(diǎn)仿真

低軌（LEO,low earth orbit）衛(wèi)星的軌道高度一般在500～2 000 km，單顆LEO衛(wèi)星的覆蓋范圍很小，可持續(xù)通信時(shí)間也很短，覆蓋全球通常需要數(shù)十顆，因此，采用基于輕量級(jí)虛擬化的 Docker容器來仿真 LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，其直接運(yùn)行在宿主機(jī)的操作系統(tǒng)之上，占用物理資源少，啟動(dòng)速度快，可以滿足數(shù)量較多的 LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)需求。地面站用于向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，并接收其他地面站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號(hào)，考慮到其數(shù)量需求也很多，同樣采用Docker容器來仿真地面站節(jié)點(diǎn)。中軌（MEO,medium earth orbit）衛(wèi)星的軌道高度一般在10 000～20 000 km，覆蓋全球通常需要幾顆至十幾顆；地球同步軌道（GSO,geosynchronous orbit）衛(wèi)星的軌道高度為 35 786 km，包含地球靜止軌道（GEO,geostationary orbit）衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道（IGSO,inclined geosynchronous orbit）衛(wèi)星，3顆即可覆蓋全球。在選擇GSO或MEO衛(wèi)星作為骨干節(jié)點(diǎn)時(shí)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化相對(duì)較慢、數(shù)量較少，因此，采用基于全虛擬化的KVM虛擬機(jī)來仿真GSO和MEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，全虛擬化提供了較好的隔離性和安全性。一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)（Dell R730）可以仿真的LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量在45個(gè)左右，可以仿真的GSO或MEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量在6個(gè)左右。

OpenStack云計(jì)算環(huán)境中基于qrouter實(shí)現(xiàn)3層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，其只支持靜態(tài)路由，并且需要跨宿主機(jī)通信。為提高衛(wèi)星鏈路的吞吐量，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)基于路由軟件 quagga實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，默認(rèn)的路由協(xié)議為OSPF，可通過配置接口切換RIP或BGP協(xié)議。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)過程中對(duì)所接入的虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探測(cè)，完成路由協(xié)議的配置和對(duì)整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由學(xué)習(xí)，無需手動(dòng)配置，有利于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖俨渴稹?/p>

圖2 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)

3.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景自動(dòng)化部署

根據(jù) STK節(jié)點(diǎn)所構(gòu)建的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，基于XML形式化描述衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，形成指定格式的配置文件，如圖3所示，標(biāo)簽元素從左至右處于不同的層次結(jié)構(gòu)，第一層根標(biāo)簽為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，第二層并列的子?biāo)簽包含衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、星歷時(shí)間、衛(wèi)星鏈路，地面站節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)信息基本類似，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中的3層子標(biāo)簽包含衛(wèi)星名稱、軌道高度、路由協(xié)議、網(wǎng)卡集合，衛(wèi)星鏈路中的3層子標(biāo)簽包含鏈路類型、源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、間歇性、帶寬、時(shí)延、分組丟失率，在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中自動(dòng)化部署衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖3 基于XML的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋?/p>

在控制節(jié)點(diǎn)中，需先通過身份認(rèn)證服務(wù)keystone識(shí)別用戶有無權(quán)限部署衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，再根據(jù)衛(wèi)星軌道高度從鏡像服務(wù)glance中獲取衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)鏡像。然后，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù) neutron給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)分配端口、地址等信息。最后，計(jì)算服務(wù) nova會(huì)根據(jù)每一臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的CPU、內(nèi)存、磁盤容量等信息完成衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的資源調(diào)度與分配，對(duì)于需要使用GPU資源的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，通過設(shè)備透?jìng)鳎≒CI passthrough）進(jìn)行分配。

在計(jì)算節(jié)點(diǎn)中，通過衛(wèi)星鏈路仿真模塊，可以配置衛(wèi)星鏈路的固定帶寬，加載衛(wèi)星鏈路性能參數(shù)，包含鏈路的間歇性、時(shí)延、誤碼率，實(shí)時(shí)檢測(cè)并動(dòng)態(tài)切換衛(wèi)星鏈路狀態(tài)。

4 衛(wèi)星鏈路仿真實(shí)現(xiàn)

基于 OpenvSwitch(簡(jiǎn)稱 OVS)軟件交換機(jī)構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，OVS交換機(jī)分為普通二層交換機(jī)和OpenFlow交換機(jī)，如圖4所示，天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)連接至二層交換機(jī)，跨節(jié)點(diǎn)的通信由二層交換機(jī)連接至OpenFlow交換機(jī)，地面互聯(lián)網(wǎng)連接至底層物理交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)橋LinuxBridge，OVS可基于通用路由封裝（GRE,generic routing encapsulation）實(shí)現(xiàn)overlay覆蓋網(wǎng)絡(luò)，并且支持vlan和OpenFlow協(xié)議，可有效支撐衛(wèi)星鏈路的靈活構(gòu)建與重構(gòu)。

數(shù)據(jù)分組從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)出后，先經(jīng)過一個(gè)普通的二層交換機(jī)，如果數(shù)據(jù)分組的目的地址為該二層交換機(jī)上的某一個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，則直接轉(zhuǎn)發(fā)給該衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。如果該二層交換機(jī)上未能尋找到數(shù)據(jù)分組的目的地址，則轉(zhuǎn)發(fā)給OpenFlow交換機(jī)，其根據(jù)流表規(guī)則來匹配數(shù)據(jù)分組執(zhí)行相關(guān)操作，將數(shù)據(jù)分組的vlan標(biāo)簽去除后，進(jìn)行隧道封裝，數(shù)據(jù)分組獲得一個(gè)唯一的隧道號(hào)，經(jīng)過底層物理鏈路，到達(dá)遠(yuǎn)端的OpenFlow交換機(jī)再進(jìn)行拆分，打上vlan標(biāo)簽后，轉(zhuǎn)發(fā)給二層交換機(jī)，最終傳輸?shù)叫l(wèi)星節(jié)點(diǎn)。對(duì)于流表的生成、下發(fā)和維護(hù)交由 SDN控制器處理，在OpenStack中， neutron充當(dāng)默認(rèn)的控制器角色。

4.1 衛(wèi)星鏈路間歇性仿真

針對(duì)衛(wèi)星鏈路的間歇性仿真，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)并動(dòng)態(tài)切換衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)到 OVS的鏈路狀態(tài)，鏈路狀態(tài)包含正常通信狀態(tài)、硬中斷狀態(tài)、軟中斷狀態(tài)，初始鏈路狀態(tài)由STK節(jié)點(diǎn)中的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景所決定，后續(xù)鏈路狀態(tài)由鏈路標(biāo)識(shí)符所決定。衛(wèi)星鏈路間歇性仿真包含鏈路計(jì)算模塊、鏈路檢測(cè)模塊、鏈路切換模塊，如圖5所示。

圖4 基于SDN的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)

圖5 衛(wèi)星鏈路間歇性仿真

鏈路計(jì)算模塊主要由仿真平臺(tái)中的 STK節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，根據(jù)2.1節(jié)中衛(wèi)星鏈路可以通信的約束條件，計(jì)算衛(wèi)星鏈路通信的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，仿真平臺(tái)中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算出衛(wèi)星鏈路的持續(xù)通信時(shí)間，并存放到相應(yīng)的日志文件中。

鏈路檢測(cè)模塊主要基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP,network time protocol）將控制節(jié)點(diǎn)作為統(tǒng)一的時(shí)間軸，檢測(cè)當(dāng)前仿真時(shí)間是否在星歷時(shí)間范圍內(nèi)，如果超出星歷時(shí)間范圍，則會(huì)自動(dòng)結(jié)束鏈路間歇性仿真，如果在星歷時(shí)間內(nèi)，則繼續(xù)根據(jù)該時(shí)間是否在鏈路計(jì)算模塊的時(shí)間范圍內(nèi)來設(shè)置鏈路標(biāo)識(shí)符。鏈路標(biāo)識(shí)符一方面可以表明當(dāng)前鏈路狀態(tài)，另一方面可以避免對(duì)鏈路的頻繁操作，減少系統(tǒng)的性能開銷。

鏈路切換模塊主要完成鏈路正常通信狀態(tài)到中斷狀態(tài)間的相互切換操作，需要與虛擬機(jī)監(jiān)視器VMM建立連接，獲取衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)卡對(duì)信息，虛擬網(wǎng)卡對(duì)是指衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)卡連接至 OVS的tap設(shè)備，包含了地址信息、vlan標(biāo)簽、內(nèi)部端口in_port等信息。鏈路從正常通信狀態(tài)切換到硬中斷狀態(tài)時(shí)，通過del-port接口斷開衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)到OVS的鏈路，對(duì)應(yīng)的vlan標(biāo)簽、流表規(guī)則等會(huì)被級(jí)聯(lián)刪除，鏈路將無法傳輸任何數(shù)據(jù)分組，當(dāng)鏈路從硬中斷狀態(tài)切換回正常通信狀態(tài)時(shí)，除了需要通過add-port接口重新建立鏈路，還需要通過 add-flow接口建立匹配ARP和IP分組的流表規(guī)則，主要包含規(guī)則1～規(guī)則4，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)分組中地址信息與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)地址的一致性。鏈路從正常通信狀態(tài)切換到軟中斷狀態(tài)時(shí)，通過add-flow接口建立丟棄鏈路中指定數(shù)據(jù)分組的流表規(guī)則5，圖5中衛(wèi)星sat1和sat2間建立軟中斷時(shí)，該條鏈路無法傳輸衛(wèi)星 sat1到sat2的數(shù)據(jù)分組，但仍然可以傳輸衛(wèi)星sat1到sat3的數(shù)據(jù)分組，當(dāng)鏈路從軟中斷狀態(tài)切換回正常通信狀態(tài)時(shí)，通過del-flows接口刪除與源、目的地址相對(duì)應(yīng)的報(bào)文丟棄流表規(guī)則。

規(guī)則1 table=0,priority=10,dl_type=0x0806,in_port=IN_PORT,actions=resubmit(,24)

規(guī)則2 table=0,priority=9,in_port=IN_PORT,actions=resubmit(,25)

規(guī)則3 table=24,priority=2,dl_type=0x0806,in_port=IN_PORT,arp_spa=IP_ADDR,actions=resubmit(,25)

規(guī)則4 table=25,priority=2,in_port=IN_PORT,dl_src=SRC_MAC,actions=normal

規(guī)則5 table=0,priority=8,dl_src=SRC_MAC,dl_dst=DST_MAC,actions=drop

上述規(guī)則中table表示流表編號(hào)，priority表示優(yōu)先級(jí)，dl_type表示協(xié)議類型，arp_spa表示源IP地址，dl_src表示源 MAC地址，dl_dst表示目的MAC地址，actions表示具體的動(dòng)作，resubmit為跳轉(zhuǎn)動(dòng)作，normal為正常轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作，drop為丟棄動(dòng)作。

4.2 衛(wèi)星鏈路時(shí)延仿真

針對(duì)衛(wèi)星鏈路的時(shí)延仿真，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)并匹配衛(wèi)星鏈路的距離，計(jì)算出當(dāng)前鏈路時(shí)延后，動(dòng)態(tài)切換鏈路時(shí)延，其仿真流程如圖6所示。

圖6 衛(wèi)星鏈路時(shí)延仿真流程

鏈路計(jì)算由 STK節(jié)點(diǎn)根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的空間幾何位置關(guān)系，計(jì)算出衛(wèi)星鏈路的距離，距離長(zhǎng)度具有周期性。當(dāng)前鏈路可通是衛(wèi)星鏈路時(shí)延仿真的必要條件，與4.1節(jié)中的鏈路檢測(cè)模塊一致。

當(dāng)前鏈路長(zhǎng)度 Dcur由仿真時(shí)間 Temu與鏈路距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間Tn所決定，根據(jù)兩者的差值Δt進(jìn)行匹配，匹配規(guī)則為

檢測(cè)鏈路是否設(shè)置時(shí)延主要是為了在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)卡上建立隊(duì)列，緩存數(shù)據(jù)分組，通過輪詢的方式發(fā)送數(shù)據(jù)分組，假設(shè)數(shù)據(jù)分組入隊(duì)的時(shí)刻為 Tarrive，則實(shí)際數(shù)據(jù)分組的發(fā)送時(shí)刻為

其中， tphy為底層物理鏈路的時(shí)延，該時(shí)延由衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)跨計(jì)算節(jié)點(diǎn)通信所引入，可通過數(shù)據(jù)分組攔截與重構(gòu)計(jì)算所得， tdeviation為鏈路時(shí)延切換所造成的誤差。如果當(dāng)前衛(wèi)星鏈路已經(jīng)設(shè)置過時(shí)延，則直接切換時(shí)延 td即可，無需再次建立隊(duì)列。

4.3 衛(wèi)星鏈路誤碼率仿真

針對(duì)衛(wèi)星鏈路的誤碼率仿真，其仿真流程與時(shí)延仿真相似，鏈路計(jì)算根據(jù)2.3節(jié)中影響誤碼率的相關(guān)參數(shù)，可將鏈路誤碼率控制在指定的閾值范圍內(nèi)，獲取衛(wèi)星鏈路誤碼率參數(shù)，根據(jù)誤碼率與分組丟失率的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算出衛(wèi)星鏈路的分組丟失率為

其中，L為數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度，BER為鏈路誤碼率。在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)卡上建立隊(duì)列，數(shù)據(jù)分組入隊(duì)后，通過隨機(jī)損壞一定數(shù)量的數(shù)據(jù)分組來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星鏈路的誤碼率仿真，如果當(dāng)前鏈路已經(jīng)設(shè)置時(shí)延或分組丟失率，則不需要再次建立隊(duì)列，假設(shè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組總數(shù)為 Ntotal，損壞的分組數(shù)為則該條鏈路的分組丟失率為

其中， Pphy為底層物理鏈路的分組丟失率，通過數(shù)據(jù)分組計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)感知物理鏈路的丟失分組，對(duì)誤碼率仿真進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)物理鏈路的分組丟失率檢測(cè)主要包含數(shù)據(jù)分組構(gòu)造、數(shù)據(jù)分組收發(fā)、數(shù)據(jù)分組解析。數(shù)據(jù)分組構(gòu)造按照IP分組格式進(jìn)行構(gòu)造，使用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸，涉及UDP分組頭的構(gòu)造、IP分組頭的構(gòu)造、數(shù)據(jù)部分的構(gòu)造，UDP分組頭需要指明計(jì)算節(jié)點(diǎn)在物理鏈路上通信的源、目的端口，IP分組頭需要指明物理鏈路所連接的源、目的IP地址、生存時(shí)間、傳輸協(xié)議類型，計(jì)算出數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)部分添加標(biāo)識(shí)字段表明當(dāng)前是構(gòu)造的第幾個(gè)數(shù)據(jù)分組。數(shù)據(jù)分組發(fā)送通過 OpenFlow交換機(jī)連接的物理網(wǎng)卡進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)分組接收根據(jù)過濾規(guī)則在接收端的物理網(wǎng)卡上進(jìn)行嗅探，過濾規(guī)則為UDP協(xié)議和源IP地址。數(shù)據(jù)分組解析按照IP分組格式對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行解析，獲取數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)部分字段，通過記錄前一個(gè)和當(dāng)前數(shù)據(jù)分組的標(biāo)識(shí)字段，統(tǒng)計(jì)出物理鏈路丟失分組的數(shù)量，根據(jù)數(shù)據(jù)分組構(gòu)造的總數(shù)，計(jì)算出物理鏈路的分組丟失率。

4.4 衛(wèi)星鏈路帶寬仿真

衛(wèi)星鏈路的帶寬仿真與間歇性、時(shí)延、分組丟失率仿真有所不同，其不具備周期性，通常是一個(gè)固定的數(shù)值，也就不需要?jiǎng)討B(tài)切換，但是需要能夠支持差異化的配置，滿足天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中骨干網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)、終端用戶的帶寬需求。

基于OVS的QoS機(jī)制實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星鏈路的帶寬仿真，屏蔽不同軌道高度下衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性，提供管制 Policing和整形 Shaping這 2種限速策略，Policing控制虛擬網(wǎng)卡的最大數(shù)據(jù)分組接收速率和突發(fā)流量大小，Shaping采用隊(duì)列緩存和調(diào)度數(shù)據(jù)分組，2種策略相比，前者的實(shí)現(xiàn)方式更為簡(jiǎn)單，后者的精確性更高。從衛(wèi)星鏈路帶寬仿真的逼真度考慮，主要采用Shaping策略，其實(shí)現(xiàn)方式如圖7所示，首先，在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)卡對(duì)tap設(shè)備上建立網(wǎng)卡根隊(duì)列；然后，在根隊(duì)列上建立根分類，并設(shè)置衛(wèi)星鏈路的最大帶寬 Bmax；隨后，在根分類上劃分出多個(gè)子分類，設(shè)置子分類上衛(wèi)星鏈路的帶寬 Bi，其需要滿足式(11)的約束條件；最后，為每個(gè)子分類上的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)添加流表規(guī)則，指明衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的地址、端口，執(zhí)行“enqueue:port:i”排隊(duì)動(dòng)作，port為tap設(shè)備在OVS上的內(nèi)部端口號(hào)，i為子分類號(hào)。

圖7 基于Shaping策略的衛(wèi)星鏈路帶寬仿真實(shí)現(xiàn)

5 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的 STK節(jié)點(diǎn)中構(gòu)建如圖8所示的GSO+LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，包含5顆GEO衛(wèi)星（GEO11-GEO15），一個(gè)軌道平面，3顆IGSO衛(wèi)星（IGSO11-IGSO13），3個(gè)軌道平面，48顆LEO衛(wèi)星（LEO11-LEO16、LEO21-LEO26、LEO31-LEO36、LEO41-LEO46、LEO51-LEO56、LEO61-LEO66、LEO71-LEO76、LEO81-LEO86）組成的全球星，8個(gè)軌道平面，軌道參數(shù)如表1所示，一個(gè)位于中國(guó)北京的地面站，經(jīng)度為116.228°，緯度為40.117 2°，高度為38 m，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的參數(shù)如表2和表3所示，星歷時(shí)間為7 Mar 2018 00:00:00.000到8 Mar 2018 00:00:00.000，步長(zhǎng)為60 s。

圖8 GSO+LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

表1 衛(wèi)星軌道參數(shù)

表2 發(fā)射機(jī)參數(shù)

表3 接收機(jī)參數(shù)

在仿真平臺(tái)中，控制節(jié)點(diǎn)加載圖8中的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，自動(dòng)化部署虛擬衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?jì)算節(jié)點(diǎn)加載鏈路持續(xù)通信時(shí)間、鏈路距離、鏈路誤碼率數(shù)據(jù)，開啟衛(wèi)星鏈路仿真模塊。

5.1 間歇性測(cè)試

以衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)GEO15與LEO71的星間鏈路、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)LEO71與地面站節(jié)點(diǎn)BJStation的星地鏈路為例，測(cè)試鏈路連通，并記錄鏈路持續(xù)通信時(shí)間，其與STK計(jì)算值對(duì)比，如圖9所示。

從圖9可以看出，星間鏈路間歇性仿真的最大誤差為2.251 s，星地鏈路間歇性仿真的最大誤差為1.932 s，星間鏈路的誤差略高于星地鏈路，都小于文獻(xiàn)[14]中間歇性仿真的最大誤差。該誤差主要來源在切換鏈路狀態(tài)時(shí)存在著一定的時(shí)間損耗，基本可以滿足衛(wèi)星鏈路間歇性仿真的需求。

5.2 時(shí)延測(cè)試

以衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)GEO15與地面站節(jié)點(diǎn)BJStation第一次建立通信為例，測(cè)試鏈路時(shí)延，星間鏈路、星地鏈路時(shí)延變化如圖10所示。

從圖 10可以看出，衛(wèi)星鏈路時(shí)延仿真的最大誤差為0.44 ms，整體誤差在0.4 ms周圍波動(dòng)，小于文獻(xiàn)[15]中衛(wèi)星鏈路時(shí)延仿真誤差。該誤差主要來源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延和衛(wèi)星鏈路的固定時(shí)延損耗。默認(rèn)的時(shí)延仿真步長(zhǎng)為60 s，鏈路實(shí)際時(shí)延呈階梯形動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)仿真步長(zhǎng)為30 s時(shí)，匹配的鏈路長(zhǎng)度更加精確，能夠有效提高衛(wèi)星鏈路仿真的逼真度。仿真步長(zhǎng)越小，時(shí)延變化曲線越平滑，適用于多粒度衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。

圖9 衛(wèi)星鏈路持續(xù)通信時(shí)間

5.3 分組丟失率測(cè)試

以衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)GEO15與地面站節(jié)點(diǎn)BJStation第一次建立通信為例，使用 Iperf網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具測(cè)試衛(wèi)星鏈路分組丟失率，其發(fā)送數(shù)據(jù)分組的速度為2 Mbit/s，數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度為100 B，總共發(fā)送的分組數(shù)量為 150 000，星間鏈路、星地鏈路分組丟失數(shù)量變化如圖11所示。

從圖11可以看出，平均分組丟失數(shù)量誤差約為10個(gè)，利用統(tǒng)計(jì)的方式來定義分組丟失這一隨機(jī)的過程具有較好的準(zhǔn)確性，優(yōu)于文獻(xiàn)[10]中基于dummynet的靜態(tài)分組丟失率仿真，衛(wèi)星鏈路實(shí)際分組丟失數(shù)量呈階梯形動(dòng)態(tài)變化，受鏈路信噪比變化的影響，當(dāng)仿真步長(zhǎng)越小時(shí)，實(shí)際分組丟失數(shù)量越接近理論曲線，匹配的鏈路誤碼率越精確，逼真度就越高。

圖10 衛(wèi)星鏈路時(shí)延變化

圖11 衛(wèi)星鏈路分組丟失數(shù)量變化

5.4 帶寬測(cè)試

將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)GEO15到LEO71、LEO43的下行星間鏈路最大帶寬設(shè)置為50 Mbit/s，分配給LEO71、LEO43的鏈路帶寬為20 Mbit/s、30 Mbit/s。地面站節(jié)點(diǎn)BJStation到LEO71、LEO43的上行星地鏈路最大帶寬設(shè)置為10 Mbit/s，分配給LEO71、LEO43的鏈路帶寬為1 Mbit/s、9 Mbit/s，使用Netperf網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具并發(fā)測(cè)試衛(wèi)星鏈路帶寬，星間鏈路、星地鏈路帶寬測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 衛(wèi)星鏈路帶寬測(cè)試結(jié)果

從圖 12可以看出，星間鏈路 GEO15-LEO71與GEO15-LEO43的帶寬比值近似于2:3，星地鏈路BJStation-LEO71與BJStation-LEO43的帶寬比值近似于 1:9，符合預(yù)期的鏈路帶寬分配，星間鏈路平均帶寬總和為50.25 Mbit/s，星地鏈路平均帶寬總和為 9.91 Mbit/s，總體誤差小于文獻(xiàn)[15]中衛(wèi)星鏈路帶寬仿真誤差。

6 結(jié)束語

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是未來的發(fā)展趨勢(shì)，其各種技術(shù)方案必須經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證與評(píng)估。本文提出了一種云計(jì)算環(huán)境中衛(wèi)星鏈路仿真方法，對(duì)衛(wèi)星鏈路的性能參數(shù)進(jìn)行了分析，給出了詳細(xì)的計(jì)算模型與方法，融合OpenStack和STK構(gòu)建天

地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，基于SDN技術(shù)仿真衛(wèi)星鏈路，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的自動(dòng)化部署，不同軌道高度的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)具備動(dòng)態(tài)路由學(xué)習(xí)能力，衛(wèi)星鏈路性能參數(shù)可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法能夠準(zhǔn)確地對(duì)衛(wèi)星鏈路性能參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真粒度可按需求靈活選擇，不僅有效解決了衛(wèi)星鏈路仿真的逼真性和周期性問題，并且還能支撐實(shí)際應(yīng)用部署。

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