意图驱动天地一体化网络可靠通信研究

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天地一体化网络(Space-Terrestrial Integrated Networks,STIN)是未来军民用通信网络的重要发展方向,统一的管理控制和规划是STIN的建设目标,这要求STIN具备灵活可重构的架构和极高的可靠性。由于STIN的自身特性,STIN中的可靠通信面临特殊的挑战。一方面,STIN规模庞大、结构复杂,且网络拓扑由于卫星运动而时刻发生变化,但传统网络管理运维方式静态且固化,效率较低,难以满足STIN可重构的需求;另一方面,STIN空间尺度大,以无线通信为主,通信链路暴露,易受自然干扰和恶意人为干扰,但现有关于抗干扰等可靠通信的研究和应用集中于链路级或设备级,仅从点到点的可靠通信角度进行设计,难以满足STIN端到端通信的高可靠的需求。因此,本文引入新型网络架构意图驱动网络(Intent-Driven Network,IDN),解决上述挑战。(1)首先,针对STIN难以管理问题,基于IDN技术,本文提出了一种意图驱动天地一体化网络(Intent-Driven Space-Terrestrial Integrated Networks,ID-STIN)架构,一方面明确了实际的网络结构,另一方面对网络管理架构即逻辑功能结构进行了设计。借助IDN集中控制、灵活重构和高级抽象的优势,对网络进行灵活统一的规划管理。其中,控制平面由高轨道卫星组成,地面网络对其进行管理和备份,中轨道卫星和低轨道卫星则构成数据平面。受限于卫星节点的载荷能力问题,采用层次型架构进行控制平面的设计,将控制器分为主控制器和分布在多域的局部控制器,降低控制器间的交互负载。地面网络控制层作为主控制器的备份,避免主控制器失效或链路故障造成的通信不可靠。该架构使得STIN管理控制更加灵活、更加可靠。(2)其次,针对STIN易受干扰问题,基于所提出的ID-STIN架构,本文研究一种基于意图的可靠路由算法(Intent-Based Reliable Routing,IBRR)。首先,分析了软件定义网络(Software-Defined Network,SDN)中的路由算法并总结其在链路权重计算上的不足;基于此,提出一种新的网络链路权重计算模型,模型中同时考虑了链路剩余带宽和带宽利用率,并考虑到了链路对业务的接纳程度随负载的变化,以及用户业务对链路偏好程度随链路剩余带宽的变化,实现了以网络为中心和以用户为中心的权衡;最后,借助Qo S路由和效用函数思想,提出了一种兼顾负载均衡和用户业务需求即业务意图的路径选择方法,为用户提供可靠路由保障。(3)最后,本文利用ONOS和Mininet搭建ID-STIN仿真平台,利用Mininet模拟天地一体化网络场景,在ONOS中实现所提出的算法并自定义一种可靠通信意图,并对所提出的方案进行功能测试和性能测试。首先,仿真验证干扰情况下所提方案是否能完成负载均衡的路由选择和端到端的可靠通信;其次,仿真对比基于意图的路由策略和其他路径选择策略的服务性能。仿真结果表明:第一,本文提出的IBRR可以规避干扰链路,实现负载均衡的路由决策,并在网络面临链路故障的情况下重建路径,维持网络端到端的可靠通信;第二,当网络面临干扰时,基于意图的路由策略在吞吐量方面具有更好的性能,并通过降低丢包率提高了通信可靠性。
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