1、第 卷 第期空军工程大学学报 年月 收稿日期：基金项目：陕西省自然科学基金（）作者简介：付皓通（），男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士生，研究方向为航空信息网络、网络资源虚拟化。：引用格式：付皓通，王翔，赵尚弘，等基于网络分域的航空信息网络控制器部署方法空军工程大学学报，（）：，（）：基于网络分域的航空信息网络控制器部署方法付皓通，王翔，赵尚弘，宋鑫康，薛凤凤（空军工程大学信息与导航学院，西安，）摘要利用 的技术优势，可建立航空信息网络平台集中管控与资源统一调度的能力，显著提升网络管理能力与任务服务水平。为构建 范式的航空信息网络，首先需要解决控制节点的部署问题。结合航空场景特点，提出一种网络划分与区
2、域部署的控制器部署方法，首先依据网络关键性能指标实现网络的快速划分，接下来基于可靠性最大化在网络中部署控制器。仿真结果表明：所提算法具有较低的计算复杂度，并对平均请求时延、负载均衡指数、网络部署成本及可靠性等指标具有较好的优化性能，适用于解决航空场景下的控制器部署问题。关键词软件定义网络；航空信息网络；网络资源管控；控制器部署；网络分域 中图分类号 ；文献标志码文章编号 （），（，）（），（），；现阶段以“平台为中心”设计思路构建的航空信息网络存在功能与设备耦合，平台间信息传输共享不畅，网络集中管控能力不足等问题，面对日益复杂的业务需求及不断增长的业务流量，越来越难以满足用户的服务需求。软件定
3、义网络（，）技术的出现为航空信息网络的发展带来了全新的思路，使网络管理与数据传输相分离，建立逻辑集中的控制平面实现全网设备的统一管理，控制平面不参与具体的流量传输，专注于控制策略的制定和下发；设备平台简化为传输单元，负责接收控制平面下发的指令并执行流量传输等操作。具有的开放性、灵活性及可编程性等特点，为提升航空信息网络资源管控能力带来了巨大优势，可显著提升网络任务服务效能。应用 技术构建航空信息网络，首先需要在网络中的关键节点部署控制器，建立逻辑集中的控制架构，为网络资源集中高效管控，灵活动态调度提供体系架构保障。目前 控制器部署问题逐渐成为研究热点，研究表明控制器的数量和部署位置会显著影响网
4、络性能，前者影响着控制平面的稳定性及可扩展性，而后者关系到网络的管理和配置效率。目前相关研究以地面网络应用为背景，文献 对时延优化问题进行研究，提出基于聚类的网络划分算法来减少传播时延；文献 针对可靠性部署问题分别采用贪婪算法和模拟退火算法进行求解，得到了可靠性优化的部署方案；文献 综合网络时延和负载均衡度，采用改进多目标遗传算法进行求解，加快算法收敛性的同时提高了解的多样性；文献 对网络弹性和容错性部署问题进行研究，应用 优化理论实现了二者的权衡；文献 对负载均衡问题进行研究，采用博弈论方法重新分配交换机来实现控制器的负载均衡；文献 提出了一种基于网络划分的部署算法，降低算法复杂度的同时可实
5、现请求时延及网络可靠性的优化。然而文中仅考虑了区域内的流量传输，未考虑跨区域流量传输场景，且网络模型有待进一步完善，算法复杂度仍需进一步降低。与地面应用场景不同，航空信息网络具有网络规模大、战场环境对抗性高、电磁环境干扰强等特点，控制节点容易出现故障损毁问题，因此采用多全局控制器的混合式结构 来提升网络的鲁棒性性及可扩展性。此外，面对瞬息万变的战场态势，信息传输时延、网络负载均衡度、网络可靠性及部署成本等因素均对网络性能有较大影响，决定着航空信息网络在体系对抗中是否能取得优势地位，因此在控制器部署问题中需要对上述指标进行充分考虑。为推进 与航空信息网络的结合进程，有效提升航空信息网络的综合性能
6、，本文结合航空信息网络场景特点，针对网络中的关键性能指标，设计了一种基于 的航空信息网络混合式控制架构，来实现对全网平台的集中管控；综合考虑区域内流量传输及跨区域流量传输两种重要传输场景，建立请求时延函数，并对网络模型及约束条件进行完善细化；借鉴网络分域能够有效降低算法寻优复杂度的思想，在控制架构建立过程中，首先依据平台间的时延性能将网络划分为不同区域，确保区域内部平台之间的信息能够快速传输；其次，为避免单一性能指标存在的局限，依据请求时延、负载均衡指数及控制器数量等指标对网络平台进行域间调度，从而提升网络的综合性能；在此基础上，以网络可靠性最大化为优化目标部署控制器，建立集中控制体系，实现对
7、网络的集中管控。为验证本文所提算法的有效性，在仿真实验部分对算法性能进行验证分析。系统模型 场景描述航空信息网络混合式控制架构如图所示，网络中存在多种类型的有人无人机平台，依据航空任务动态组织。为实现网络的集中高效管控，同时提升控制平面的可扩展性，将网络控制平面划分为区域控制器平面和全局控制器平面。区域控制器平面由区域控制器（，）组成，每个区域控制器能够管理一定范围和规模的网络，负责域内平台管理及流量转发，收集底层网络状态信息并向上提供给全局控制器；全局控制器平面由多个空间分布的全局控制器（，）组成，全局控制器之间通过分布式通信协议共享各自掌握的网络状态信息，从而形成统一的网络视图信息，并负责
8、跨区域流量的处理和转发。（）航空集群作战场景（）混合式控制架构图航空信息网络混合式架构示意图控制器根据网络规模、空间分布、网络流量等情况按需部署在网络中，以实现网络的高效管控。假设网络中所有节点都可以部署成为控制节点，控制器功能与平台应用程序共享设备底层物理资源，空军工程大学学报 年可以根据部署指令动态开启或关闭控制器功能，实现控制器的弹性部署。网络中动态变化的控制器形成控制器资源池，部署成为区域控制器平面和全局控制器平面，共同形成逻辑集中的网络控制架构。网络模型航空信息网络用无向图（，）表示，其中，表示航空平台集合，表示平台间的链路集合，网络可划分为多个区域，每个区域都包含一定数量的网络节点
9、与相关链路，对每个区域部署一个控制器来实现对该区域节点的管控。网络划分约束可表示为：（，）（，）（，）（，）（），（）航空信息网络中相关变量及定义归纳如表。表航空信息网络相关变量及定义变量定义，全局控制器集合，区域控制器集合，网络节点的分域结构，表示区域中的节点集合，分别为节点到节点的最短路径上的节点集合和链路集合，分域指示变量，若平台划分到区域时，否则为，数据传输变量，若数据流，流经链路，时，否则为控制器所能管控的最大交换节点数量，链路（，）的最大带宽容量，节点对节点的流量传输速率节点向区域控制器的发出的流量请求速率 控制器最大资源利用率，节点故障概率和链路中断概率，权重因子，且 性能指标
10、平均请求时延与单控制器架构和扁平式控制架构不同，在混合式控制架构中，网络节点的流量请求有种类型：节点到区域控制器的流量请求；节点到全局控制器的流量请求。对于域内通信而言，节点产生的流量请求到达区域控制器，由区域控制器处理并转发到域内节点，实现域内流量传输。区域中节点的域内流量请求时延可表示为：（）（，）（）对于域间通信而言，节点产生的流量请求经区域控制器后到达全局控制器，由全局控制器处理后转发到其他区域控制器，进而转发至目的节点，实现跨域流量传输。区域中节点的跨域流量请求时延可表示为：（）（，）（，）（）式中：（，）为 算法计算得到的最短路径。设每个节点的跨域通信概率为，域内通信概率为，域的平
11、均请求时延可表示为：（）（）（）（）（）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（）式中：，。负载均衡指数在混合式架构中，网络被划分为不同的区域，区域控制器管理并维护着域内网络功能的正常运行。网络的负载均衡性是控制器部署时需要考虑的重要因素。文中综合考虑节点流量请求速率与节点数量的影响，区域的负载均衡指数可表示为：（）（，）（）（，）（）（）式中：，表示节点向区域控制器发出的流量请求速率大小；表示所有节点向区域控制器发出的流量请求速率之和；和分别表示两种影响因素的权重，。当时，仅依据流量请求速率对网络进行均衡；当时，仅依据节点数量对网络进行均衡。网络可靠性在航空信息网络中，控制平面的可靠性是
12、网络性能的重要指标，可靠性越高，控制平面能够正常运行的时间就越长。可靠性通常包括节点可靠性和链路可靠性，设节点故障的概率为，链路中断的概率为，则节点和之间的链路可靠性可表示为：（，），（），（）（）式中：，和，分别表示和之间最短路径所包含的节点集合与链路集合。第期付皓通，等：基于网络分域的航空信息网络控制器部署方法 控制器数量航空信息网络的部署成本主要取决于部署的控制器数量，因此，在满足网络管理需求的条件下，最小化控制器的部署数量，能有效降低网络部署成本并提升资源利用率。设每个控制器的容量为，不引起控制器过载的最大资源利用率为 ，网络中所需的最少控制器数量为：（）（）设网络中实际部署的控制器数
13、量为，则实际部署数量与最少数量的偏差可表示为：（）（）式中：值越小，表示实际部署的控制器数量越少，网络部署成本越低。优化目标及约束条件通过定义网络请求时延、负载均衡度、网络可靠性及控制器数量等指标，能够对航空信息网络性能进行比较全面的衡量。在控制器部署的过程中，需要同时考虑对上述性能指标进行优化，以增强网络的综合性能，提升快速响应能力、负载均衡性及网络可靠性，并降低部署成本。网络的优化目标可以表示为：，（），（），（），（）式中：，且，。区域数量为优化变量，不小于最小分域数量，且不超过节点总数。设 网 络 中 节 点 之 间 的 流 量 传 输 矩 阵 为，表示节点到节点的流量传输速率，。定义
14、数据传输变量，用来表示数据流，是否流经链路，若，流经，则，否则为。网络中相关的约束条件表示如下：，：，：，：，：，：，：，（）式中：表示每个节点在同一时刻只能划分到一个区域；表示域内节点的流量请求速率之和不超过控制器承载限度。表示节从点到节点的数据流至少需要经过一条链路；、表示为避免数据流出现环路并且保证数据流流向，每个数据流最多只能从一个节点流出或从一个节点流入；表示流经一个节点的数据流需满足连续性约束；表示流经链路，的所有数据流之和不超过链路的带宽，。控制器部署算法设计航空信息网络的网络规模庞大，直接部署控制器面临寻优范围广、计算复杂度大、运算时间长、难以及时部署等问题。为解决上述问题，本
15、节结合航空场景特点，提出一种航空信息网络控制器部署算法（，）。网络划分为实现网络的快速划分，本节基于节点距离构造模块度函数进行网络分域，得到相似度高、节点间时延小的划分方案，保证算法能够快速收敛。基于距离的模块度函数构造如下：，（）（）（），（，）（）式中：，表示节点和之间边的权重，其与节点之间的距离成反比，同时为避免，值过小以系数调节；表示域内所有节点之间的边权重之和；表示与域内节点相连的所有边的权重之和。网络模块度值等于所有子域模块度值之和。节点从原域中取出，加入到目的域时，会产生模块度增益：，（）（）（）（，）（）式中：，表示节点与目的域相连的所有边的权重之和；表示与节点相连的所有边的权
16、重之和。在分域过程中，将每个节点依次取出，遍历相邻的域并计算，若存在，则选择模块度增益最大的域放入该节点，否则不发生移动。重复上述过程，直到网络的模块度值不再发生变化；接下来将各域内点合并为一个超节点，继续对超节点执行分空军工程大学学报 年域操作，直至达到收敛条件。域间调度在本节中，综合考虑请求时延、负载均衡及控制器数量的影响对网络节点进行调度，进一步优化网络的分域结构。将各域中节点组成节点联盟，依据请求时延、负载均衡及控制器数量建立分域优化函数，通过比较分域优化函数的变化来判断域间节点是否进行调度。构造分域优化函数如下：（）（）（）（）式中：（）表示分域结构为时的优化函数值；、分别表示平均请求时延、负载均衡度指数的最大值。此时优化目标可转化为寻找分域优化函数的最大值，即 （）。节点从域调度到域的条件可表示为：（，）（，）（）（）（）式中：当前网络分域结构和相邻结构分别表示为和，分域数量为网络中非空子域的数量，节点调度算法流程如表。表域间调度算法流程算法：航空信息网络节点调度算法输入：算法得到的分域结构输出：域间调度后的分域结构）网络参数初始化）将作为当前网络分域结构）域间节点比较与交
