一种卫星网络仿真平台

技术领域

本申请涉及卫星网络技术领域，尤其涉及一种卫星网络仿真平台。

背景技术

低轨卫星网络作为地面通信网络的有效补充和备份，与传统地面网络相比具有覆盖范围广、对地理地形和距离因素不敏感、抗毁性强等多种优势，可以应用于航空通信、海事通信、应急支援、军事通信等多个领域，具有重要的社会价值和军事价值。

目前主要利用仿真手段对低轨卫星网络进行研究，经过合理的抽象和简化，建立高可信度的卫星网络模型。当前卫星网络的仿真手段主要是纯软件仿真或者纯实物组网仿真。纯软件仿真通过通用仿真工具针对低轨卫星网络拓扑快速变化的固有特性，具有灵活部署、可快速拓的优势，但是纯软件仿真的所有节点均为虚拟节点，因此无法提供对真实场景的还原(譬如无法模拟对物理硬件的损耗)。而纯实物组网仿真的成本昂贵，部署复杂，无法提供大规模网络环境。

因此，目前亟需一种结合纯实物组网仿真和纯软件仿真的卫星网络仿真平台，用于进行低轨卫星网络特别是组网协议、星间路由协议的研究，以验证卫星网络的业务性能及稳定性。

发明内容

本申请提供一种结合纯实物组网仿真和纯软件仿真的卫星网络仿真平台，用于进行低轨卫星网络特别是组网协议、星间路由协议的研究，以验证卫星网络的业务性能及稳定性。

本申请提供一种卫星网络仿真平台，包括：卫星节点仿真器、地面节点仿真器、星座模拟系统、SDN控制器、链路通断系统、测试流量生成器；所述卫星节点仿真器，用于模拟卫星网络中的卫星，包括虚拟卫星仿真节点和实物卫星仿真节点；所述地面节点仿真器，用于模拟地面站；所述星座模拟系统，用于模拟所述卫星网络中卫星的空间位置，从而得到星座网络的拓扑结构；所述SDN控制器，用于根据所述星座网络的拓扑结构，更新卫星节点仿真器之间、卫星节点仿真器和地面节点仿真器之间的路由表；所述链路通断系统，用于根据所述星座网络的拓扑结构控制卫星节点仿真器之间、卫星节点仿真器和地面节点仿真器之间的链路通断；所述测试流量生成器，用于为卫星节点仿真器提供测试流量；所述卫星节点仿真器，还用于根据所述路由表在卫星节点仿真器之间，和/或卫星节点仿真器与地面节点仿真器之间进行所述测试流量的传输。

在一个或多个实施例中，所述虚拟卫星仿真节点由虚拟机中的容器实现；所述实物卫星仿真节点由全可编程交换机实现。

在一个或多个实施例中，不同虚拟机中不存在公共的虚拟卫星仿真节点，且虚拟机中的虚拟卫星仿真节点与其它虚拟机中的虚拟卫星仿真节点的连接链路总数不大于虚拟机的最大端口数。

在一个或多个实施例中，虚拟机消耗的资源与交换机消耗的资源满足仿真性能参数；虚拟机消耗的资源为CPU占用核心/线程数以及内存大小，所述交换机消耗的资源是指所述交换机的个数。

在一个或多个实施例中，所述链路通断系统包括链路通断控制器和链路通断管理设备；所述链路通断控制器，用于根据更新的星座网络的拓扑结构确定链路通断指令；所述链路通断管理设备，用于根据所述链路通断指令控制卫星节点仿真器之间、卫星节点仿真器和地面节点仿真器之间的链路通断。

在一个或多个实施例中，所述链路通断管理设备由多台交换机级联实现。

在一个或多个实施例中，所述卫星网络仿真平台还包括星座可视化设备，用于显示所述卫星网络中卫星的空间位置和所述星座网络的拓扑结构。

在一个或多个实施例中，所述测试流量生成器由可编程网络测试仪实现。

在一个或多个实施例中，在每个时间片内，所述地面节点仿真器通过所述链路通断管理设备与多个卫星节点仿真器建立连接，所述多个卫星节点仿真器对应的卫星与所述地面站的位置最佳。

在一个或多个实施例中，所述链路通断管理设备包括数据通道交换网络和控制面交换网络，所述数据通道交换网络用于与所述卫星节点仿真器和所述地面节点仿真器进行数据传输；所述控制面交换网络，用于发送控制指令至所述卫星节点仿真器和所述地面节点仿真器。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种卫星网络仿真平台的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种半实物组网的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的实施例中，多个是指两个或两个以上。“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。

当下通过纯软件的通用仿真工具和实物组网方式均能够对轨道和卫星运行、卫星天线、空间链路性能、网络流量和协议进行仿真。实物组网可以提供最佳的仿真性能，纯软件通用仿真工具针对低轨卫星网络拓扑快速变化的固有特性，具有灵活部署、可快速拓展的优势。但两种方式各存在如下缺陷：

纯实物组网仿真：(1)纯实物组网的成本昂贵，部署复杂，无法提供大规模网络环境；(2)物理设备对协议的支持有限，更新缓慢。

纯软件仿真：(1)所有节点均为虚拟仿真节点，因此无法提供对真实场景的高度还原(譬如无法模拟对物理硬件的损耗)；(2)仿真工具平台基本没有设计单独的网络控制平面，无法支持新型SDN网络；(3)仿真工具平台在交换机节点未实现可编程的能力，无法满足特殊用户的需求；(4)不支持多节点部署，性能受到主机性能影响。

基于以上背景，本申请提出一种结合存实物组网仿真和纯软件仿真的卫星网络仿真平台，用于进行低轨卫星网络特别是组网协议、星间路由协议的研究，以验证卫星网络的业务性能及稳定性。

通过本申请提供的卫星网络仿真平台，可以在规划建设阶段，对卫星网络设计方案的可行性进行评估和论证；在系统配置阶段，对多种可能的参数配置情况进行仿真比较，优化系统参数的配置；在重要的设施部署之前，对其进行仿真测试，事先发现可能存在的风险和隐患；在技术研发阶段，对新技术、新协议进行性能测试和评估。

图1为本申请实施例提供的一种卫星网络仿真平台的结构示意图，如图1所示，该卫星网络仿真平台包括卫星节点仿真器110、地面节点仿真器120、星座模拟系统130、SDN控制器140、链路通断系统150、测试流量生成器160。

其中，卫星节点仿真器110，用于模拟卫星网络中的卫星，包括虚拟卫星仿真节点111和实物卫星仿真节点112。虚拟卫星仿真节点111可以由虚拟机中的容器实现，实物卫星仿真节点112可以由全可编程交换机实现。

若想要对更大规模的卫星星座进行模拟，可以通过增加虚拟卫星仿真节点或实物卫星仿真节点的数量实现。若想要对其他构型的卫星星座进行模拟，可以通过改变卫星仿真节点之间的连接关系实现。

地面节点仿真器120，用于模拟地面站。在每个时间片内，地面站仿真器120通过链路通断管理设备152与多个卫星节点仿真器建立连接，其中，多个卫星节点仿真器对应的卫星与地面站的位置最佳。通常情况下，地面站与其位置最佳的三颗卫星建立连接。

下面举例说明卫星节点之间、地面节点与卫星节点之间的连接关系，假定卫星网络仿真平台模拟的低轨卫星网络为m×n的卫星阵列，即卫星网络存在m个轨道面，每个轨道面具有n颗卫星。地面站实时选取与地面站位置最佳的三颗卫星建立星地链接，每颗卫星由通过建立左右南北四条临星链接组成星间网络。在卫星实际运行的过程中，由于处于同轨道平面的卫星之间的顺序固定，因此对于单颗卫星来说，南北向两条临星链接的拓扑固定不变。但是随着卫星不停地运行，该颗卫星左右临轨面上卫星的位置会快速变动，进而与该颗卫星左右相邻的两个卫星会不断的变化，因此该颗卫星左右临星链接也需快速变动以达最优组网。

星座模拟系统130，用于模拟卫星网络中卫星的空间位置，从而得到星座网络的拓扑结构。

星座模拟系统130实时模拟每颗卫星在空间中的真实位置分布，并将卫星之间的位置分布发送至链路通断系统150。

SDN控制器140，用于根据星座网络的拓扑结构，更新卫星节点仿真器之间、卫星节点仿真器和地面节点仿真器之间的路由表。具体的，SDN控制器140根据星座模拟系统130模拟的每颗卫星在空间中的真实位置分布，确定星座网络的拓扑结构，并根据星座网络的拓扑结构确定卫星节点仿真器之间、卫星节点仿真器和地面节点仿真器之间的路由表，并将更新后的路由表下发至地面节点仿真器。地面节点仿真器将接收到的路由表发送至与其相连的卫星节点仿真器，卫星节点仿真器通过泛洪方式将路由表转发至整个卫星网络。

链路通断系统150，用于根据所述星座网络的拓扑结构控制卫星节点仿真器之间、卫星节点仿真器和地面节点仿真器之间的链路通断。

进一步地，链路通断系统150包括链路通断控制器151和链路通断管理设备152。链路通断控制器151，用于根据星座网络的拓扑结构确定链路通断指令，并将链路通断指令发送至链路通断管理设备152。链路通断管理设备152，用于接收链路通断控制器151发送的链路通断指令，并根据链路通断指令控制卫星节点仿真器之间、卫星节点仿真器和地面节点仿真器之间的链路通断。

链路通断管理设备152包括数据通道交换网络和控制面交换网络，其中，数据通道交换网络用于与卫星节点仿真器和所述地面节点仿真器进行数据传输，控制面交换网络用于发送控制指令至卫星节点仿真器和地面节点仿真器，以实现带外控制。后续可将控制面交换网络并入星地数据通道交换网络，以实现带内控制，更贴近实际网络的运行。链路通断管理设备可以由多台交换机级联实现。

测试流量生成器160，用于为卫星节点仿真器110提供测试流量。测试流量生成器可以由可编程网络测试仪实现。

卫星节点仿真器110，还用于根据路由表在卫星节点仿真器之间，和/或卫星节点仿真器与地面节点仿真器之间进行测试流量的传输。

在一个或多个实施例中，卫星网络仿真平台还包括星座可视化设备170，用于卫星网络中卫星的空间位置和星座网络的拓扑结构。

本申请实施例中，卫星网络仿真平台使用真实物理仿真节点与基于容器的虚拟卫星仿真节点混合组网，即部分拓扑在虚机中使用容器实现，部分拓扑使用实物实现。一方面可提供大规模的网络环境，另一方面使网络环境更贴近卫星运行的真实环境，实验结果更为真实。

基于容器的虚拟卫星仿真节点实现方式为：通过容器在宿主机上可以建立多个虚拟卫星仿真节点，虚拟卫星仿真节点通过虚拟网络接口与宿主机相连，宿主机可对虚拟卫星仿真节点进行增加、迁移等管理及配置。每个虚拟卫星仿真节点拥有独立的命名空间，即虚拟卫星仿真节点中的路由表和地面站代理均独立工作，同时映射到独立的宿主机内存空间中。宿主机可以通过对虚拟网络接口进行配置来模拟任意的星座拓扑。

示例性地，如图2所示，以6颗卫星组成的卫星网络为例，卫星A和卫星B由实物卫星仿真节点实现，卫星C、卫星D、卫星E和卫星F由虚拟卫星仿真节点实现，卫星A和卫星B的物理网络接口与容器宿主机的物理网络接口相连，通过配置容器宿主机中的虚拟交换机实现等价的全局仿真拓扑。虚拟交换机可以通过VLAN等方式将卫星A节点与卫星C节点相连，将卫星B节点与卫星D节点相连，最终的拓扑与上方的6星拓扑等价。

划分后的拓扑结构满足不同虚拟机中不存在公共的虚拟卫星仿真节点，且虚拟机中的虚拟卫星仿真节点与其它虚拟机中的虚拟卫星仿真节点的连接链路总数不大于所述虚拟机的最大端口数。虚拟机消耗的资源与交换机消耗的资源满足仿真性能参数,虚拟机消耗的资源为CPU占用核心/线程数以及内存大小，交换机消耗的资源是指交换机的个数。

具体地，网络拓扑分割方法如下：

定义卫星仿真网络拓扑为图G(V,E)，其中V是图G的节点集，E是图G的边集。映射type:V→{vsw,vhost}用来表示拓扑中的节点类型，即节点映射到物理交换机或者宿主机。拓扑分割的目的在于找到一种对图G的节点集V的一种完全不相交的分割P。

拓扑分割模型的输入为用户切片的申请拓扑G(V,E)、type:V→{vsw,vhost}以及仿真性能参数K∈(0,1]。

输出为对于图G的节点集的分割P：

其中P满足以下条件：

其中，式1定义硬件交换机hsw

式2中定义了当前的分割P是完全分割，分割间相互无交叠。即两个子拓扑之间不存在公用的节点；交换机节点不属于子拓扑的一部分；交换机与子拓扑共同组成了节点集V。

利用常数hsw

k≤hsw

q≤vm

其中，port

port

hsw

vm

即式3表示交换机节点的度小于等于交换机最大端口数；子拓扑与其他子拓扑的总边数小于等于虚拟机最大端口数。

为了在资源消耗尽可能少的条件下尽量提高拓扑分割后的整个仿真验证性能。定义cost(P)为每一种分割所消耗的资源。

cost(P)＝kcost

其中，cost

cost

式4中k为分割后拓扑中物理交换机的个数，q为分割后的拓扑中虚拟机的个数。cost

为了衡量划分后的拓扑的实验性能，定义其性能衡量指标为：

最终的目标函数为

f(P)＝min cost(P)

＝min kcost

s.t.Performance(P)≥K

式5中为仿真性能参数。Performance(p)指的是所有硬件资源的最小负载，通过目标函数分割优化可以使得硬件资源的负载尽量均衡。

通过对全局拓扑分割，可以找到最合适的实物、容器虚拟网络分割点，这样使得实物和容器虚拟网络的连接关系最简单。在无需指定实物仿真节点的情况下，可以大大减少网络管理复杂度。拓扑分割既支持按照资源状况自动执行，也可以通过用户指定关键节点的方式进行干预。最大程度的保证了仿真平台的真实性，也降低了人工分配资源的成本。

下面介绍本申请实施例提供的卫星网络仿真平台的一种具体的硬件实现。实物卫星仿真节点由全可编程交换机ONetSwitch实现，全可编程交换机ONetSwitch作为基于Xilinx的SoC芯片的全可编程开放网络创新平台，其软件和硬件均可定制编程，可以模拟实际星座，具备直接部署上星的能力。其主要架构和参数要求为：芯片包含以双核ARMCortex-A9应用处理器为核心的处理系统和基于Xilinx Kintex7系列FPGA的可编程逻辑。其中处理器系统具备8通道的DMA(其中4通道专门用于可编程逻辑)，1Gbytes的动态随机访问存储器，具有1个GE RJ45千兆网络接口；FPGA可编程逻辑具备约5.2M逻辑门，总线吞吐率100Gbps，具有4个GE RJ45千兆电口，4个10GE SFP+万兆光口。测试流量生成器由可编程网络测试仪InterONet实现,可编程网络测试仪InterONet作为支持SDN标准OpenFlow协议的全栈可编程SDN测试床系统，可实现数据平面、控制平面及网络拓扑全栈可编程。地面节点仿真器由X86服务器实现。链路通断管理设备，由5台具备管理功能的Cisco Catalyst WSC2960S-48TS-L交换机级联形成阵列，构成240端口的交换设备。星座模拟、星座可视化、通断控制器、SDN集中式控制器四个软件模块分别运行于各自主机中。

本申请提供一种卫星网络平台，相对于现有的纯软件仿真和纯实物组网仿真，该卫星网络仿真平台能够更灵活地满足低轨卫星网络快速更新拓扑，并相应地做路由变更的需求。具有如下优点：

1、本申请提供的卫星网络平台，部分卫星仿真节点使用全可编程交换机实现，部分卫星仿真节点使用基于轻量级容器实现。这种混合组网的方式既可以模拟大规模真实网络，又可以保证关键节点的性能(如稳定带宽和确定性时延)，在功能和性能上均最大程度的模拟真实场景。

2、与传统路由协议需要在各个交换机之间交换路由信息不同，拥有全局视野的SDN控制器可以直接在拓扑上进行路由决策，如最短路径等。因此可以极大程度的降低路由更新时间，保证路由稳定性。

3、使用全可编程交换机作为部分卫星仿真节点的承载体，可编程交换机的可编程性可以对复杂多变的卫星网络组网协议、应用协议栈等变化特性进行快速支持。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。