兼顧控制流量的軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由策略

費(fèi)長(zhǎng)江， 趙寶康， 虞萬(wàn)榮， 吳純青

(國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410073)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、不受地面條件約束和抗毀性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，受到世界各國(guó)的廣泛重視。然而，現(xiàn)有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)一般定制專(zhuān)用、各成體系，呈現(xiàn)出“煙囪林立”的特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一融合、資源動(dòng)態(tài)管理和功能靈活配置。

軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Satellite Networks，SDSN)采用一種創(chuàng)新的方式來(lái)構(gòu)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-4]。其中，谷歌[5]、休斯[6]等國(guó)際巨頭對(duì)SDSN開(kāi)展了研究，歐洲進(jìn)行了相關(guān)的VITAL研究項(xiàng)目[7-9]。SDSN采用了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networks,SDN)[10]的主要思想，包括控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，網(wǎng)絡(luò)視圖和控制功能的邏輯集中以及網(wǎng)絡(luò)可編程控制等。因此，SDSN能夠通過(guò)統(tǒng)一的控制平面實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間以及與地面網(wǎng)絡(luò)的融合；根據(jù)用戶(hù)和業(yè)務(wù)的需求以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)靈活動(dòng)態(tài)地分配資源；通過(guò)在應(yīng)用層進(jìn)行應(yīng)用程序更新或添加，簡(jiǎn)單、快速地更新或擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能。

與對(duì)地靜止軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比，低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)和中地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于能為多媒體業(yè)務(wù)提供較低的時(shí)延和較高的帶寬，已經(jīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，本文關(guān)注基于LEO/MEO的SDSN。

在SDSN中，控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，相互干擾，共同搶占星間鏈路資源。SDSN中的控制報(bào)文主要將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)從衛(wèi)星傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)操作控制中心(Network Operation and Control Center，NOCC)，將控制規(guī)則從NOCC傳輸?shù)叫l(wèi)星，對(duì)應(yīng)的控制流量具有以下顯著的特點(diǎn)：

1) 高優(yōu)先級(jí)。控制報(bào)文實(shí)時(shí)可靠傳輸是保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，控制報(bào)文通常具有較高優(yōu)先級(jí)，甚至最高優(yōu)先級(jí)。

2) 海量。當(dāng)前，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)日益與互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)等地面網(wǎng)絡(luò)融合，形成天地一體化的網(wǎng)絡(luò)。例如，在與IoT融合方面，預(yù)計(jì)到2025年，僅衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接的M2M/IoT網(wǎng)絡(luò)數(shù)量就將達(dá)到596萬(wàn)個(gè)[11]。SDSN為了采集這些網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)并進(jìn)行控制，將產(chǎn)生海量的控制報(bào)文。

3) 動(dòng)態(tài)。一方面，為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地控制，SDSN需要頻繁地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集和控制規(guī)則上注；另一方面，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，控制報(bào)文的路由需要進(jìn)行頻繁地更新，尤其是當(dāng)NOCC連接的過(guò)頂衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱(chēng)NOCC過(guò)頂衛(wèi)星)切換時(shí)，控制報(bào)文的路由將進(jìn)行大范圍地更新。這兩方面原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)中控制流量的分布呈現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)性。

高優(yōu)先級(jí)、海量、動(dòng)態(tài)的控制流量將大量搶占星間鏈路資源，造成鏈路擁塞，對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸產(chǎn)生極大的干擾。

為了減少控制流量對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)母蓴_，在保證控制報(bào)文實(shí)時(shí)可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)上，優(yōu)化數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸，本文提出了一種數(shù)據(jù)流退讓路由(Data Flow Retreat Routing，DFRR)策略。DFRR路由策略的主要思路如下：第一，在為數(shù)據(jù)報(bào)文計(jì)算路由時(shí)，應(yīng)減少選擇控制流量較大的鏈路。為此，DFRR將鏈路上控制流量大小作為影響鏈路代價(jià)的一個(gè)因素，使得控制流量越大，鏈路代價(jià)也越大。第二，由于NOCC過(guò)頂衛(wèi)星附近會(huì)匯聚大量的控制流量，當(dāng)過(guò)頂衛(wèi)星切換時(shí)，新過(guò)頂衛(wèi)星附近將新增大量的控制流量，很可能造成鏈路擁塞。對(duì)此，DFRR在NOCC過(guò)頂衛(wèi)星切換之前，預(yù)測(cè)可能發(fā)生擁塞的鏈路，并選出這些鏈路上部分?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行重路由，從而避免擁塞。

為了評(píng)估DFRR路由策略的性能，本文基于筆者團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的SDSN研究平臺(tái)OpenSatNet[12]，在銥星系統(tǒng)中對(duì)DFRR進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DFRR能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)中的鏈路擁塞，以及控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文的分組丟失。

本文首先介紹了SDSN及其路由，其次提出了數(shù)據(jù)流退讓路由策略DFRR，包括兼顧控制流量的鏈路代價(jià)設(shè)計(jì)，以及在NOCC過(guò)頂衛(wèi)星切換時(shí)的鏈路擁塞避免算法，最后對(duì)DFRR進(jìn)行了性能評(píng)估。

1 軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及其路由

1.1 軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

SDSN是指基于軟件定義思想構(gòu)造衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)平面接口支撐數(shù)據(jù)與控制平面解耦，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)與控制的邏輯集中，進(jìn)而支持網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)定制與應(yīng)用創(chuàng)新。與SDN架構(gòu)[13]類(lèi)似，SDSN的架構(gòu)如圖1所示，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層?；A(chǔ)設(shè)施層主要由衛(wèi)星構(gòu)成，除了進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)外，還需要負(fù)責(zé)用戶(hù)接入、波束調(diào)整以及軟件定義無(wú)線(xiàn)電(Software Defined Radio，SDR)相關(guān)的配置；控制層位于NOCC，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)收集，同時(shí)結(jié)合衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)計(jì)算等形成全局網(wǎng)絡(luò)視圖，完成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置等各項(xiàng)控制任務(wù)；應(yīng)用層是位于控制層之上的一個(gè)抽象層次，通過(guò)在應(yīng)用層開(kāi)發(fā)不同功能的應(yīng)用程序，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、服務(wù)質(zhì)量等不同的控制功能。

SDSN基本的控制過(guò)程為：控制層采集基礎(chǔ)設(shè)施層的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，形成全局網(wǎng)絡(luò)視圖；根據(jù)應(yīng)用層中應(yīng)用程序確定的控制功能進(jìn)行控制決策；控制決策以控制規(guī)則的形式發(fā)送給基礎(chǔ)設(shè)施層，基礎(chǔ)設(shè)施層對(duì)相關(guān)配置進(jìn)行更新?？刂茍?bào)文主要在基礎(chǔ)設(shè)施層和控制層，即衛(wèi)星和NOCC之間傳遞網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和控制規(guī)則，如圖2所示。

圖1 SDSN架構(gòu)Fig.1 SDSN architecture

1.2 軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由

目前，SDSN的研究興起不久，在路由方面開(kāi)展了少量初步的研究。傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由算法主要分為靜態(tài)路由算法[14-16]和動(dòng)態(tài)路由算法兩類(lèi)[17-20]。靜態(tài)路由算法利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇深A(yù)測(cè)性和周期性的特點(diǎn)靜態(tài)計(jì)算路由，但不能應(yīng)對(duì)不可預(yù)測(cè)拓?fù)渥兓?如衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)或星間鏈路失效等)；動(dòng)態(tài)路由算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)態(tài)、分布式地計(jì)算路由，但由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)大尺度和拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，存在收斂時(shí)間長(zhǎng)和信令開(kāi)銷(xiāo)大的問(wèn)題。

圖2 SDSN控制報(bào)文傳輸Fig.2 Control message transmission in SDSN

學(xué)者們從服務(wù)質(zhì)量[21-22]、流量工程[23]、多路徑路由[24-25]和動(dòng)態(tài)響應(yīng)路由[25-26]等方面對(duì)SDSN的路由進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法相比，SDSN在路由方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由[8]。SDSN采用動(dòng)態(tài)、集中式路由的方式，路由在NOCC集中計(jì)算，然后通過(guò)相應(yīng)的控制規(guī)則上注到衛(wèi)星。由于NOCC擁有實(shí)時(shí)的全局網(wǎng)絡(luò)視圖，路由計(jì)算能夠綜合各種因素進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度路由，在保證業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

2 數(shù)據(jù)流退讓路由策略

2.1 兼顧控制流量的鏈路代價(jià)

為了保證控制報(bào)文實(shí)時(shí)可靠地傳輸，本文設(shè)置控制報(bào)文的優(yōu)先級(jí)高于數(shù)據(jù)報(bào)文?？刂茍?bào)文優(yōu)先級(jí)較高，會(huì)優(yōu)先搶占星間鏈路資源。當(dāng)一條鏈路上控制流量較大時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸會(huì)受到一定程度的影響，尤其是鏈路負(fù)載較大時(shí)。而反過(guò)來(lái)，雖然設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)能在很大程度上保證控制報(bào)文的傳輸，但對(duì)于控制流量較大的鏈路，如果鏈路負(fù)載較大，控制報(bào)文的傳輸仍然會(huì)受到一定的影響。因此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)兼顧控制流量的鏈路代價(jià)，在計(jì)算數(shù)據(jù)報(bào)文路由時(shí)，減少選擇控制流量較大的鏈路。

SDSN空間段t時(shí)刻的拓?fù)淇梢员硎緸闊o(wú)向圖G(t)=(V,E(t))，其中V={v1,v2,…,vN}為節(jié)點(diǎn)集合，即所有的衛(wèi)星，下標(biāo)N為網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星的數(shù)目，E(t)為t時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中鏈路(vi,vj)(i,j=1,2,…,N，i≠j)的集合。鏈路是無(wú)向的，即(vi,vj)=(vj,vi)。根據(jù)一定的代價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，每條鏈路有相應(yīng)的鏈路代價(jià)ci,j(t)。

通常情況下，鏈路代價(jià)主要考慮鏈路的時(shí)延和剩余帶寬，時(shí)延越小，剩余帶寬越大，鏈路代價(jià)越小。筆者在鏈路代價(jià)計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮鏈路上控制流量的大小，構(gòu)建兼顧控制流量的鏈路代價(jià)，計(jì)算公式為

(1)

圖3 不同時(shí)刻控制流量分布示意圖Fig.3 Sketch map of control traffic distributions at different time points

2.2 鏈路擁塞避免算法

由于NOCC過(guò)頂衛(wèi)星附近的鏈路匯聚了大量的控制流量，當(dāng)過(guò)頂衛(wèi)星切換時(shí)，控制報(bào)文路由更新，新過(guò)頂衛(wèi)星附近鏈路上的控制流量會(huì)急劇增加(見(jiàn)圖3)，很可能出現(xiàn)鏈路擁塞。因此，本文在NOCC過(guò)頂衛(wèi)星切換之前，預(yù)測(cè)切換后可能發(fā)生擁塞的鏈路，對(duì)這些鏈路上的部分?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行重路由，從而避免鏈路擁塞。

2.2.1 假定條件

在描述鏈路擁塞避免算法之前，先給出算法的假定條件，它們是算法正確運(yùn)行的前提。

假定1)：控制報(bào)文路由采用靜態(tài)路由。

動(dòng)態(tài)路由算法需要?jiǎng)討B(tài)獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，通常分布式地計(jì)算路由。一方面，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)本身需要通過(guò)控制報(bào)文傳輸；另一方面，動(dòng)態(tài)路由算法收斂時(shí)間長(zhǎng)，不能保證控制報(bào)文路由及時(shí)更新。而靜態(tài)路由不需要?jiǎng)討B(tài)獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，通常采用離線(xiàn)的方式計(jì)算路由，更加適用于控制報(bào)文路由。因此，假定1)是合理的。

假定2)：控制報(bào)文路由切換的時(shí)間可以忽略不計(jì)。

由于靜態(tài)路由計(jì)算的路由通常提前存儲(chǔ)在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)或者在路由切換前提前發(fā)送給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，路由切換只需要對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則進(jìn)行更新。同時(shí)，未來(lái)星載交換機(jī)將具有強(qiáng)大的處理能力。因此，假定2)也是合理的。根據(jù)假定2)，可以認(rèn)為控制報(bào)文路由切換前后，每顆衛(wèi)星和NOCC之間的控制流量大小不變，所有數(shù)據(jù)流量大小和路由均不變，空間段網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳蛔?，各鏈路的時(shí)延不變。

2.2.2 擁塞鏈路預(yù)測(cè)

(2)

即當(dāng)鏈路上流量(包括控制流量和數(shù)據(jù)流量)需要的帶寬大于si,jBi,j時(shí)(si,j為安全系數(shù))，則認(rèn)為該鏈路將會(huì)出現(xiàn)擁塞。由于鏈路上的流量大小存在一定的波動(dòng)性，增加了安全系數(shù)0

(3)

因此，根據(jù)鏈路擁塞判定條件，如果滿(mǎn)足

(4)

即

(5)

則認(rèn)為鏈路(vi,vj)在NOCC過(guò)頂衛(wèi)星切換導(dǎo)致控制報(bào)文路由切換后會(huì)發(fā)生擁塞。

圖4 擁塞鏈路預(yù)測(cè)示例Fig.4 An example of congestion link prediction

2.2.3 重路由數(shù)據(jù)流選擇

對(duì)于可能發(fā)生擁塞的鏈路，需要提前選擇部分?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行重路由。為了合理地選擇需要重路由的數(shù)據(jù)流，首先定義數(shù)據(jù)流的速率-滿(mǎn)意度函數(shù)。

從用戶(hù)體驗(yàn)角度，對(duì)于每條數(shù)據(jù)流，都存在數(shù)據(jù)流傳輸速率到用戶(hù)體驗(yàn)的服務(wù)滿(mǎn)意度之間的映射關(guān)系。筆者將這種映射關(guān)系量化，定義為速率-滿(mǎn)意度函數(shù)。

定義1速率-滿(mǎn)意度函數(shù)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有M種業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)流l屬于其中一種業(yè)務(wù)m(m=1,2,…,M)，其傳輸速率bl與用戶(hù)體驗(yàn)的服務(wù)滿(mǎn)意度Sl之間存在某種確定的映射關(guān)系，即

Sl=fm(bl)

(6)

將這種映射關(guān)系稱(chēng)為數(shù)據(jù)流l的速率-滿(mǎn)意度函數(shù)，函數(shù)值Sl稱(chēng)為數(shù)據(jù)流l的服務(wù)滿(mǎn)意度。

同一種業(yè)務(wù)的不同數(shù)據(jù)流具有相同的速率-滿(mǎn)意度函數(shù)，而不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流具有不同的速率-滿(mǎn)意度函數(shù)。

下面證明重路由數(shù)據(jù)流選擇問(wèn)題是NP完全問(wèn)題。

定理1重路由數(shù)據(jù)流選擇問(wèn)題是NP完全問(wèn)題。

證明已知均分問(wèn)題為NP完全問(wèn)題。均分問(wèn)題可以描述為：已知A={1,2,…,L}，對(duì)?l∈A，Sl>0，求是否存在A′?A，使得

(7)

(8)

(9)

直到求得S*最小值為止。

當(dāng)限制對(duì)?l∈C

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

即

(15)

重路由數(shù)據(jù)流選擇問(wèn)題變?yōu)榫謫?wèn)題。因此重路由數(shù)據(jù)流選擇問(wèn)題是NP完全問(wèn)題。

證畢

為了求解重路由數(shù)據(jù)流選擇問(wèn)題，進(jìn)一步分析其最優(yōu)解的特性。

證明如果上述最優(yōu)子結(jié)構(gòu)特性不成立，設(shè)(z2,z3,…,zLi,j)(zl∈{0,1})是該子問(wèn)題的一個(gè)最優(yōu)解，而(y2,y3,…,yLi,j)不是該子問(wèn)題的最優(yōu)解。由此可知

(16)

(17)

因此

(18)

(19)

證畢

因此，重路由數(shù)據(jù)流選擇問(wèn)題可以采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行求解，算法的偽代碼如下：

算法1重路由數(shù)據(jù)流選擇

輸出：y1,y2,…,yLi,j。

1H0={(0,0)}

2 for eachl∈{1,2,…,Li,j-1} do

5 end for

6 (B1,Q1)= the last step point inHLi,j-1

8Q=max{Q1,Q2}

9 ifQ2>Q1then

10yLi,j=0

11 else

12yLi,j=1

13 end if

14 Backtrack to calculateyLi,j-1,yLi,j-2,…,y1

2.2.4 數(shù)據(jù)流重路由

(20)

(21)

(22)

(23)

鏈路擁塞避免算法的偽代碼如下：

算法2鏈路擁塞避免算法

輸出：F。

初始化：F=?，G=?。

1/*擁塞鏈路預(yù)測(cè)*/

6 else

8 end if

9 end for

12G=G∪(vi,vj)

13 end if

14 end for

15 /*重路由數(shù)據(jù)流選擇*/

16 whileG≠? do

17 for each data flowlon the first link (vi,vj) inGdo

18m=DetectType(l)

20 end for

23G=G{(vi,vj)}

24 UpdateG(F)

25 end while

26 returnF

函數(shù)UpdateG()更新G的具體操作是：G中的鏈路如果包含F(xiàn)中的數(shù)據(jù)流，則判斷刪除這些數(shù)據(jù)流后鏈路是否仍然擁塞。如果不擁塞，則從G中刪除該鏈路。

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與參數(shù)設(shè)置

為了分析DFRR路由策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，在筆者團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的SDSN研究平臺(tái)OpenSatNet上對(duì)DFRR進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。OpenSatNet是一個(gè)輕量級(jí)的平臺(tái)，可以在個(gè)人電腦上模擬整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)中OpenSatNet運(yùn)行在筆記本電腦(Core i7處理器，8 GB內(nèi)存)Ubuntu 14.04 LTS虛擬機(jī)中。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景由典型的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)銥星系統(tǒng)、1個(gè)地面站和1個(gè)NOCC組成。仿真界面如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。星間鏈路帶寬為1 Mbit/s，星地鏈路帶寬為10 Mbit/s。地面站和NOCC均位于北京。每顆衛(wèi)星與NOCC之間存在一條大小為20 Kbit/s的恒定速率控制流；衛(wèi)星之間隨機(jī)分布100條數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流傳輸速率隨機(jī)產(chǎn)生。數(shù)據(jù)流平均傳輸速率的不同反映了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不同。由于主要從控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文總體的傳輸性能方面進(jìn)行評(píng)估，而不是具體控制流和數(shù)據(jù)流的傳輸性能。因此，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，設(shè)置所有數(shù)據(jù)流類(lèi)型相同，具有相同的速率-滿(mǎn)意度函數(shù)。

圖5 仿真界面Fig.5 Emulation interface

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 1 Experiment parameter setting

與DFRR對(duì)比的基本路由策略在計(jì)算數(shù)據(jù)報(bào)文路由時(shí)，其鏈路代價(jià)僅考慮鏈路的剩余帶寬和時(shí)延，不考慮鏈路上控制流量的大??；在NOCC過(guò)頂衛(wèi)星切換時(shí)，不做任何操作。該基本路由策略記為NONE。NONE的鏈路代價(jià)計(jì)算公式為

鏈路代價(jià)參數(shù)對(duì)應(yīng)的剩余帶寬、時(shí)延和控制流量大小的單位分別為Kbit/s、ms和Kbit/s?？刂茍?bào)文路由采用快照路由算法[15]，快照路由算法是一種典型的靜態(tài)路由。仿真時(shí)間為一個(gè)軌道周期。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

DFRR路由策略盡量減少控制流量對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)母蓴_，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路擁塞進(jìn)行了優(yōu)化，在保證控制報(bào)文傳輸?shù)幕A(chǔ)上，優(yōu)化數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸。因此，主要從鏈路擁塞次數(shù)、丟包率和分組時(shí)延3個(gè)方面對(duì)DFRR的性能進(jìn)行評(píng)估。其中，在丟包率和分組時(shí)延方面，同時(shí)對(duì)控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行了分析。

3.2.1 鏈路擁塞次數(shù)

鏈路擁塞次數(shù)統(tǒng)計(jì)仿真過(guò)程中，擁塞鏈路出現(xiàn)的次數(shù)，如圖6所示。總體來(lái)說(shuō)，在不同的數(shù)據(jù)流平均傳輸速率即不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，DFRR顯著減少了網(wǎng)絡(luò)中的鏈路擁塞次數(shù)，平均減少了57.63%。此外，還可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，NONE和DFRR的鏈路擁塞次數(shù)均大幅增加，但DFRR減少鏈路擁塞次數(shù)的數(shù)量變化不大(有少量增加)，減少的比例逐漸下降。例如，當(dāng)數(shù)據(jù)流平均傳輸速率為50 Kbit/s時(shí)，鏈路擁塞減少111次，減少的比例為94.07%；而當(dāng)數(shù)據(jù)流平均傳輸速率為100 Kbit/s時(shí)，鏈路擁塞減少287次，減少的比例為30.34%。這是由于：一方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，鏈路擁塞主要是由控制報(bào)文路由切換引起，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，鏈路擁塞在全網(wǎng)范圍出現(xiàn)，而DFRR主要避免控制報(bào)文路由切換造成的鏈路擁塞；另一方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，DFRR可以將擁塞鏈路上部分?jǐn)?shù)據(jù)流重路由到剩余帶寬較大的鏈路，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，總體上鏈路的剩余帶寬減少，數(shù)據(jù)流重路由后仍然出現(xiàn)鏈路擁塞的概率增加。

圖6 NONE與DFRR鏈路擁塞次數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of link congestion times between NONE and DFRR

3.2.2 丟 包 率

DFRR在減少鏈路擁塞的同時(shí)直接減少了擁塞鏈路上的分組丟失。NONE和DFRR中控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文的丟包率對(duì)比如圖7所示?？刂茍?bào)文的丟包率平均減少了46.89%，數(shù)據(jù)報(bào)文的丟包率平均減少了32.08%?？刂茍?bào)文丟包率減少的比例比數(shù)據(jù)報(bào)文高，這是因?yàn)镈FRR避免的鏈路擁塞大多位于NOCC過(guò)頂衛(wèi)星附近，所有的控制報(bào)文均要通過(guò)NOCC過(guò)頂衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，而數(shù)據(jù)報(bào)文只有一部分會(huì)經(jīng)過(guò)NOCC過(guò)頂衛(wèi)星附近的擁塞鏈路。當(dāng)DFRR重路由部分?jǐn)?shù)據(jù)流減少鏈路擁塞時(shí)，幾乎所有控制流的分組丟失都會(huì)減少，而只有部分?jǐn)?shù)據(jù)流的分組丟失會(huì)減少。

圖7 NONE與DFRR丟包率對(duì)比Fig.7 Comparison of packet loss rates between NONE and DFRR

此外，在DFRR中，仍有一定比例的分組丟失，這些分組丟失主要由3方面的原因造成：①除了控制報(bào)文路由切換導(dǎo)致NOCC過(guò)頂衛(wèi)星附近出現(xiàn)鏈路擁塞外，在網(wǎng)絡(luò)其余部分也可能出現(xiàn)鏈路擁塞；②數(shù)據(jù)流重路由后仍然可能出現(xiàn)鏈路擁塞；③網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致控制流和數(shù)據(jù)流重路由，在重路由過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)分組丟失。

3.2.3 分組時(shí)延

NONE與DFRR中控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文的分組時(shí)延對(duì)比如圖8所示。DFRR對(duì)分組時(shí)延的影響主要有3個(gè)方面：①DFRR減少鏈路擁塞，從而降低了NONE中經(jīng)過(guò)擁塞鏈路分組的排隊(duì)時(shí)延；②DFRR減少分組丟失的同時(shí)，使得部分原本丟失的報(bào)文被納入分組時(shí)延統(tǒng)計(jì)中，這部分報(bào)文的分組時(shí)延一般比較大，從而可能增加平均分組時(shí)延；③當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行重路由時(shí)，為了繞開(kāi)擁塞鏈路，通常會(huì)選擇較長(zhǎng)的路徑，從而增加重路由數(shù)據(jù)流的分組時(shí)延。對(duì)于方面③，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星數(shù)量和鏈路數(shù)量增加時(shí)，同一節(jié)點(diǎn)對(duì)之間有更多代價(jià)相近的替代路徑，由此帶來(lái)的重路由數(shù)據(jù)流分組時(shí)延增加會(huì)減小?？梢?jiàn)，DFRR造成分組時(shí)延減小或增大取決于方面①和方面②、方面③作用的大小。

圖8 NONE與DFRR分組時(shí)延對(duì)比Fig.8 Comparison of packet delays between NONE and DFRR

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小(數(shù)據(jù)流平均傳輸速率小于70 Kbit/s)時(shí)，2種方法控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文的分組時(shí)延相差不大，DFRR的分組時(shí)延略大；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大(數(shù)據(jù)流平均傳輸速率大于70 Kbit/s)時(shí)，DFRR的分組時(shí)延比NONE更小，方面①起主要作用。總體來(lái)說(shuō)，DFRR中控制報(bào)文的分組時(shí)延減少了1.71%，數(shù)據(jù)報(bào)文的分組時(shí)延減少了7.50%。

4 結(jié) 論

1) 針對(duì)SDSN中海量、動(dòng)態(tài)、高優(yōu)先級(jí)的控制流量對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸產(chǎn)生極大干擾的問(wèn)題，本文提出了一種DFRR策略。DFRR在計(jì)算數(shù)據(jù)報(bào)文路由時(shí)，將鏈路上的控制流量大小作為影響鏈路代價(jià)的一個(gè)因素，減少選擇控制流量較大的鏈路；在NOCC過(guò)頂衛(wèi)星切換導(dǎo)致控制流量分布發(fā)生較大變化之前，預(yù)測(cè)可能發(fā)生擁塞的鏈路，并選出鏈路上部分?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行重路由，從而避免擁塞。

2) 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，與未優(yōu)化的基本路由策略相比，DFRR的鏈路擁塞次數(shù)平均減少了57.63%，控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文的丟包率分別平均減少了46.89%和32.08%，控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文的分組時(shí)延分別平均減少了1.71%和7.50%，從而驗(yàn)證了DFRR策略的有效性。