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卫星网络是促进国民经济发展和保障国家安全的重要基础设施,其概念一经提出就受到了世界各国的重点关注。经过多年的发展,卫星网络取得了一系列技术突破,但仍面临着网络升级与融合的困难,而软件定义网络（SDN）技术正是解决这些困难的一种有效途径。基于SDN的卫星网络统称为软件定义卫星网络。软件定义卫星网络能够实现控制平面与数据平面的解耦合,使得控制平面具备了逻辑上集中控制和开放可编程的能力,有利于卫星网络进行有效彻底的创新以及与异构网络的融合。本文针对软件定义卫星网络总体架构设计、控制平面资源优化、数据平面资源优化等关键领域进行了深入研究,主要成果如下:1、针对软件定义卫星网络的总体架构,完成了系统架构设计,提出了适用于新型卫星网络的网络拓扑性能评价模型。总体架构设计包括系统架构设计和网络拓扑设计两部分。完成了系统架构中层次结构、调用关系和运行模式的规划,提出了适用于新型卫星网络的网络拓扑性能评价模型。新型卫星网络,即引入了SDN的大型低轨宽带卫星网络。针对新型卫星网络特征建立了星座覆盖、星间链路、星间碰撞、SDN控制器、网络传输以及部署成本的评价模型,根据评价模型进行网络拓扑设计,得到网络拓扑设计的满意解。仿真结果表明设计结果具有更好的网络性能和更低的部署成本。2、针对软件定义卫星网络的控制平面资源优化问题,提出了一系列优化设计方法,可解决不同规模卫星网络的SDN控制器部署问题。（1）提出了基于虚拟拓扑的SDN控制器部署优化设计方法,适用于小型卫星网络。卫星星座的运行具有周期性和可预测性,由此可将其运行过程划分为多个时间段,每个时间段内的卫星星座拓扑可视为固定不变,这些固定不变的拓扑又称为虚拟拓扑。基于虚拟拓扑建立SDN控制器部署代价模型,并提出有效可行的优化方法。由于小型卫星网络划分虚拟拓扑过程的计算开销小,划分的虚拟拓扑数量少,所以求解SDN控制器部署代价模型的计算开销也较小。仿真结果表明基于虚拟拓扑的SDN控制器部署优化设计方法不仅能够提升小型卫星网络的网络性能,还减少了SDN控制器数量,从而降低了部署成本。（2）提出了基于虚拟节点的SDN控制器部署优化设计方法,适用于大型卫星网络。将地球按照经纬度划分为不同的固定逻辑区域,每个固定的逻辑区域内所有卫星可组成一个具有固定位置、固定内部时延和固定外部时延的虚拟节点,从而屏蔽卫星网络的拓扑时变性。SDN控制器随着时间的变化会归属于不同的虚拟节点,本文基于SDN控制器的不同位置组合建立部署代价模型,并提出有效可行的优化方法。由于大型卫星网络节点数多,利用多颗卫星组成虚拟节点可有效减少网络节点数量,从而有效降低求解SDN控制器部署代价模型的计算开销。仿真结果表明基于虚拟节点的SDN控制器部署优化设计方法不仅能够提升大型卫星网络的网络性能,还减少了SDN控制器数量,从而降低了部署成本。此外,该方法还有效提升了求解效率。（3）提出了SDN控制器阶段部署优化设计方法,可进一步提升大型卫星网络的SDN控制器部署效果。大型卫星网络的建设往往分多个阶段进行,本文以不同网络建设阶段的SDN控制器部署代价为基础建立模型,并提出有效可行的优化方法。仿真结果表明SDN控制器阶段部署优化设计方法在成本可控范围内实现了大型卫星网络在不同阶段间网络性能的稳定过渡。3、针对软件定义卫星网络的数据平面资源优化问题,提出了一套优化设计方法,可实现对数据平面网络资源的有效利用。（1）提出了网络资源联合分配优化设计方法,可提高全局网络资源的利用效率。定义了带宽、流表、计算、能量等传统和新型网络资源,建立了网络资源联合分配模型,基于Dijkstra算法以及拉格朗日松弛求解法设计了网络资源联合分配优化算法。该算法首先利用Dijkstra算法对网络资源进行初步分配,然后利用拉格朗日松弛求解法对出现冲突的网络资源进行再次分配,可在多项式时间内得到有效解。仿真结果证明了网络资源联合分配优化设计方法的有效性。（2）提出了网络缓存调度优化设计方法,可实现网络缓存内容的合理选择,提高网络缓存资源的利用效率。网络缓存是指通过在网络中增加缓存节点,从而有效减少重复数据传输的一种方案。以网络缓存内容的合理选择为任务背景,建立了网络缓存调度模型,提出了基于拉格朗日松弛求解的固定-分支定界优化算法。该算法首先利用固定策略减少决策变量,然后利用分支定界策略从剩下的决策变量中寻找最优解。仿真结果证明了网络缓存调度优化设计方法能取得较好的求解效率和求解效果。总之,本文对软件定义卫星网络关键技术进行了深入研究,完成了系统架构设计,提出了适用于新型卫星网络的拓扑性能评价模型,提出了适用于不同规模卫星网络的SDN控制器部署优化设计方法,提出了可提升全局网络资源利用效率的网络资源联合分配优化设计方法,提出了可提升网络缓存资源利用效率的网络缓存调度优化设计方法。论文不仅解决了软件定义卫星网络总体架构设计难题,还针对控制平面和数据平面在实际应用中需要迫切解决的问题展开了研究,较好地兼顾了研究广度和研究深度,对推动软件定义卫星网络技术的发展有较大意义。