基于地面分布式數(shù)據(jù)中心的天地一體化網(wǎng)絡(luò)

郭嘉寧李長(zhǎng)德石云吳斌

(1天津大學(xué)軟件學(xué)院,天津300072) (2航天恒星科技有限公司,北京100086) (3天津大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,天津300072)

基于地面分布式數(shù)據(jù)中心的天地一體化網(wǎng)絡(luò)

郭嘉寧1李長(zhǎng)德2石云2吳斌3

(1天津大學(xué)軟件學(xué)院,天津300072) (2航天恒星科技有限公司,北京100086) (3天津大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,天津300072)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)通常具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸量大等特點(diǎn)。現(xiàn)有的一體化網(wǎng)絡(luò)研究側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)間傳輸協(xié)議,以及如何有效管理網(wǎng)絡(luò)資源等。但考慮到當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力相對(duì)較差,而地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已非常成熟,因此將一體化網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)融合,把數(shù)據(jù)中心網(wǎng)分布式地接入骨干光網(wǎng)絡(luò)中,衛(wèi)星作為網(wǎng)絡(luò)的傳輸節(jié)點(diǎn)與地面分布式數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成統(tǒng)一整體;以中國(guó)電信骨干網(wǎng)為基礎(chǔ),針對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部傳輸代價(jià)和外部請(qǐng)求代價(jià)等多種因素,進(jìn)行折中,使用整數(shù)線性規(guī)劃得到網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化部署。所提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能很好地滿足一體化網(wǎng)絡(luò)的要求,提供了一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的信息平臺(tái)設(shè)計(jì)架構(gòu)。

天地一體化網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化;光交換;數(shù)據(jù)中心;分布式;組件部署;航天工程

1 引言

自20世紀(jì)80年代互聯(lián)網(wǎng)興起以來,信息技術(shù)的應(yīng)用正逐步深入地對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的方向產(chǎn)生影響,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)正在從固定走向移動(dòng),從地面和空間的相互分割走向天地一體化。天地一體化網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)大容量、多層次的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[1],可以承載多元信息;空基中航天器的覆蓋范圍極其廣泛,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也非常龐大;各種資源形成統(tǒng)一整體,信息共享率高。一系列特點(diǎn)使得天地一體化網(wǎng)絡(luò)無論在經(jīng)濟(jì)、安全方面還是科學(xué)研究領(lǐng)域,都有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)階段天基與空基系統(tǒng)尚處于探索時(shí)期[2],天基與空基網(wǎng)絡(luò)受到生存環(huán)境、建設(shè)成本等因素制約,網(wǎng)絡(luò)處理能力有限,且信道狀態(tài)復(fù)雜、可擴(kuò)展性較差,但網(wǎng)絡(luò)中待處理的數(shù)據(jù)量卻急劇增長(zhǎng);地基系統(tǒng)發(fā)展十分迅速,大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)規(guī)模與處理速度都達(dá)到了較高水準(zhǔn),尤其將數(shù)據(jù)中心融入主干光網(wǎng)絡(luò)后,利用光纖具有高帶寬、高傳輸速率的特點(diǎn),作為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的底層支撐,大大提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算處理能力[3]。結(jié)合這些特點(diǎn),將天基網(wǎng)絡(luò)與地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)融合,進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。既天基系統(tǒng)利用地面數(shù)據(jù)中心的超強(qiáng)處理能力,將空中數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)中心處理,地面網(wǎng)絡(luò)利用天基系統(tǒng)具有廣闊覆蓋范圍的特點(diǎn),為特殊環(huán)境,如沙漠、深海、叢林等普通網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的區(qū)域,提供服務(wù)。

本文在天地一體化網(wǎng)絡(luò)的背景下,構(gòu)建出一體化網(wǎng)絡(luò)模型:地基系統(tǒng)運(yùn)用基于光傳輸和光交換的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),處理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的海量數(shù)據(jù),天基與空基系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),以網(wǎng)絡(luò)開銷為主要衡量指標(biāo)?？紤]整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延、鏈路損耗等多重影響因素,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開銷的最優(yōu)化設(shè)計(jì),最終通過整數(shù)線性規(guī)劃(ILP)求解出網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化模型。

2 一體化網(wǎng)絡(luò)模型

天地一體化網(wǎng)絡(luò)分為空基、天基和地基三個(gè)子系統(tǒng),地基子系統(tǒng)主要包括各種用途的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network,VPN)、覆蓋全球的Internet網(wǎng)絡(luò)、大型存儲(chǔ)設(shè)備、各式收發(fā)雷達(dá)天線以及眾多用戶等;天基與空基系統(tǒng)主要由空間站、衛(wèi)星(包括氣象衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星和探測(cè)衛(wèi)星)等各種移動(dòng)通信設(shè)備構(gòu)成[4-5]。

圖1 光交換數(shù)據(jù)中心內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure in optical switching data center

2.1 地基子系統(tǒng)

由于衛(wèi)星的處理能力受限,故一體化網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理主要是由地網(wǎng)完成。基于光交換的分布式數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[6],進(jìn)一步加強(qiáng)了地面網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理能力,圖1為光交換分布式數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。橢圓虛線內(nèi)的組件均可被放置在單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)上,通過合理的拆分交換器與機(jī)架,數(shù)據(jù)中心可滿足不同種類的需求。矩形虛線框內(nèi)表示數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的邏輯功能,內(nèi)容交換器主要用于向外部請(qǐng)求提供服務(wù)接口,核心交換器用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一定量的服務(wù)需求,內(nèi)容交換器按照就近原則,向距其最近的節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。

分布式數(shù)據(jù)中心通過內(nèi)容交換器的分散放置向地面用戶提供了廣泛的接入端口,減小了外部業(yè)務(wù)的傳輸代價(jià),很好地提升了數(shù)據(jù)中心的可擴(kuò)展性,同時(shí)適應(yīng)航天器星覆蓋范圍的區(qū)域性特性,為地面數(shù)據(jù)中心提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?減少了天基、空基系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量,但是隨之帶來的傳輸開銷的增長(zhǎng)是不可避免的。要使兩者達(dá)到平衡,需要找到適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),將數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的傳輸開銷與時(shí)延降至最低。另外,由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束,找到合適的節(jié)點(diǎn)部署機(jī)群與其他網(wǎng)絡(luò)組件也十分重要。結(jié)合已知的限定條件,數(shù)據(jù)中心的部署約束以及系統(tǒng)開銷最小化問題可以歸結(jié)為:①確定內(nèi)容交換器和光核心交換器的數(shù)量;②交換器與機(jī)架應(yīng)該怎樣組合;③網(wǎng)絡(luò)組件應(yīng)當(dāng)如何部署才可令網(wǎng)絡(luò)的開銷最低;④網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)請(qǐng)求開銷。

地基系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的開銷主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)交換處理、時(shí)延和服務(wù)請(qǐng)求上(由于硬件資源的開銷為一個(gè)固定常量,故暫時(shí)不計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)的開銷內(nèi))。假設(shè)數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展代價(jià)如圖2所示,該擴(kuò)展代價(jià)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用(如電力系統(tǒng)、土地租金等)[7]。它是一個(gè)階梯函數(shù),每當(dāng)組件的數(shù)目超出分界點(diǎn),針對(duì)該組件的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用就會(huì)上升。簡(jiǎn)單起見,將頂層交換器、光匯聚交換器和光纖的代價(jià)包含在基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用中,它們均隨著機(jī)架數(shù)目的擴(kuò)大而上升。

將此問題轉(zhuǎn)移數(shù)學(xué)公式構(gòu)建模型,可得地面數(shù)據(jù)中心的總開銷。

圖2 擴(kuò)展代價(jià)函數(shù)Fig.2 Extended cost function

式中 V為一體化網(wǎng)絡(luò)中的所有地面節(jié)點(diǎn);Ps為一對(duì)核心交換器和內(nèi)容交換器的開銷;P0為當(dāng)一對(duì)核心交換器和內(nèi)容交換器與服務(wù)器機(jī)架部署在同一節(jié)點(diǎn)時(shí),網(wǎng)絡(luò)建設(shè)節(jié)省的開銷;Puv為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)u到節(jié)點(diǎn)v的傳輸開銷;Δk為圖2縱軸所標(biāo)識(shí)的步進(jìn)量;θ為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸時(shí)延的開銷影響因子,θ＞1,θPuv表示節(jié)點(diǎn)u和v之間傳輸?shù)臅r(shí)延代價(jià)與傳輸代價(jià)之和;Su為二進(jìn)制變量,如果為1表示有一對(duì)核心交換器和內(nèi)容交換器位于節(jié)點(diǎn)u∈V,反之則為0;Yu為二進(jìn)制變量,如果為1則表示節(jié)點(diǎn)u∈V既有一對(duì)核心交換器和內(nèi)容交換器,又包含機(jī)架,反之則為0;為二進(jìn)制變量,如果為1則表示在節(jié)點(diǎn)m∈V的機(jī)架數(shù)量超過了Nk(k≤K),反之則為0;為非整數(shù)變量,表示節(jié)點(diǎn)v請(qǐng)求的從節(jié)點(diǎn)u的核心交換器和內(nèi)容交換獲取的服務(wù)量;為非負(fù)整數(shù)變量,表示節(jié)點(diǎn)m和節(jié)點(diǎn)n通過節(jié)點(diǎn)u的核心交換器交換的總信息量。

式(1)等號(hào)右邊第一部分表示所有內(nèi)容交換器與核心交換器產(chǎn)生的開銷;第二部分表示部署在節(jié)點(diǎn)m的所有機(jī)架的基礎(chǔ)開銷總和,如果沒有機(jī)架布置在m節(jié)點(diǎn),則=0;第三部分代表所有外部服務(wù)請(qǐng)求接入的總開銷;第四部分表示數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)內(nèi)部傳輸?shù)目傞_銷;第五部分表示扣除核心交換器與機(jī)架部署在同一節(jié)點(diǎn)時(shí)所節(jié)省的建設(shè)費(fèi)用。

地基子系統(tǒng)的時(shí)延主要包含數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和處理時(shí)延[8]。處理時(shí)延主要是在數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間,數(shù)據(jù)中心強(qiáng)大的計(jì)算能力使得處理時(shí)延相對(duì)較小;基于光傳輸?shù)臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)傳遞速率可達(dá)上百千米每毫秒,故節(jié)點(diǎn)間的距離對(duì)傳輸時(shí)延影響權(quán)重不大。因此,地面數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與天基、空基子系統(tǒng)相比不是主要影響因素,時(shí)延因子θ取值較小。

2.2 空基與天基子系統(tǒng)

對(duì)于由衛(wèi)星等移動(dòng)設(shè)備構(gòu)成的天基與空基網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)移動(dòng)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化及衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)能量資源受限等特點(diǎn)決定了在天基網(wǎng)絡(luò)中資源十分緊張,若將數(shù)據(jù)中心部署在衛(wèi)星上,代價(jià)十分高昂[9]。因此在一體化網(wǎng)絡(luò)中,天基與空基網(wǎng)絡(luò)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,其建設(shè)開銷體現(xiàn)在帶寬開銷、時(shí)延開銷和傳輸開銷上。

天基和空基網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化,使得在不同時(shí)間可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬與服務(wù)質(zhì)量也在不斷變化,不同節(jié)點(diǎn)對(duì)帶寬的需求也不盡相同。隨著網(wǎng)絡(luò)接入用戶數(shù)量的不斷增多以及用戶種類的不斷豐富,帶寬的開銷在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中所占的比重越來越大。又因?yàn)樾l(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行無線通信,空間中無線環(huán)境復(fù)雜,存在眾多干擾信號(hào),衛(wèi)星之間傳輸距離遠(yuǎn),這些不利因素導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)延開銷十分敏感。但帶寬與時(shí)延的開銷均可以疊加在數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷上,故設(shè)定傳輸因子μ(μ＞θ),統(tǒng)一表示帶寬、時(shí)延與傳輸?shù)挠绊憽?/p>

數(shù)據(jù)傳輸是天基與空基網(wǎng)絡(luò)的主要工作,衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)傳輸開銷與服務(wù)請(qǐng)求開銷可近似認(rèn)為與地面開銷構(gòu)成相同,可簡(jiǎn)化為

式中 S為所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)集合;Zef為衛(wèi)星e向衛(wèi)星f的傳輸開銷;μ為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸影響因子, μ＞1;Nef為非負(fù)整型變量,表示衛(wèi)星e向衛(wèi)星f的傳輸信息量,e,f∈S。

至此,一體化網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建完畢?？梢钥吹?兩個(gè)公式將地基、天基和空基系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)代價(jià)數(shù)值化,式(1)與式(2)的總和就是一體化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)開銷。

3 一體化網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與ILP設(shè)計(jì)

建設(shè)實(shí)際可用的一體化網(wǎng)絡(luò),需要將網(wǎng)絡(luò)建設(shè)開銷最小化,即求解目標(biāo)函數(shù)的最小值:

為到得式(3)的最小值,可以通過構(gòu)建ILP方程對(duì)各個(gè)變量加以約束條件,利用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行求解。本文構(gòu)建的ILP約束條件有:

每個(gè)機(jī)架都可以放置在單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)上,如果機(jī)架i部署在節(jié)點(diǎn)m,同時(shí)機(jī)架j部署在節(jié)點(diǎn)n,根據(jù)約束(5)應(yīng)取值為1;約束(6)、約束(7)和約束(8)定義節(jié)點(diǎn)u是否部署了一對(duì)內(nèi)容交換器和核心交換器,如果在節(jié)點(diǎn)u上有任意內(nèi)部數(shù)據(jù)交換或者有外部的需求響應(yīng),則內(nèi)容交換器與核心交換器應(yīng)該部署在這一節(jié)點(diǎn)上;約束(9)表示衛(wèi)星s無法從覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)獲取服務(wù);約束(10)可以識(shí)別在節(jié)點(diǎn)m上的機(jī)架數(shù)量;約束(11)說明所有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的通信總量等于所有核心交換器交換的信息量;約束(12)限制核心交換器內(nèi)部和外部的負(fù)載總量;約束(13)計(jì)算外部需求總和;約束(14)與約束(15)進(jìn)行聯(lián)合判斷,以檢測(cè)是否在節(jié)點(diǎn)u上同時(shí)部署了核心交換器、內(nèi)容交換器與機(jī)架,同時(shí)用于計(jì)算公式(1);約束(16)表示衛(wèi)星s獲取的服務(wù)量應(yīng)該與其提供的服務(wù)量相等。

4 網(wǎng)絡(luò)仿真

本文的地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以中國(guó)電信骨干網(wǎng)為基礎(chǔ)[10],進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)展。在原有的8個(gè)節(jié)點(diǎn)上再增加兩個(gè)節(jié)點(diǎn)用以向中國(guó)西部地區(qū)提供服務(wù),包含12條傳輸鏈路、9個(gè)機(jī)架;空基采用3顆同步衛(wèi)星覆蓋中國(guó)地區(qū)所有10個(gè)節(jié)點(diǎn),每顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域在圖中用虛線圓圈表示,相互之間有重疊區(qū)域。仿真中的一些參數(shù)(定義見前文,均無量綱),如擴(kuò)展代價(jià)函數(shù)、核心交換器容量和交換器交換單價(jià)等,通過表1給出。一體化網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求量在表2中給出,這些請(qǐng)求量都是以波長(zhǎng)為基本單位。

表1 仿真參數(shù)配置Tab.1 Configuration of simulation parameters

表2 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求量Tab.2 Requesting quantity of each network node

數(shù)據(jù)中心任意兩個(gè)機(jī)架之間的交換量通過表3反映。根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量的監(jiān)測(cè)分析[11],發(fā)現(xiàn)流量的典型特征是內(nèi)部流量的高度發(fā)散和迅速變化,并且這些變化是不可預(yù)測(cè)的,但是有一個(gè)特征——數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換量與出入數(shù)據(jù)中心的總流量的比值約4∶1。為滿足這種流量特性,這里使機(jī)架之間的交換量總和(196)約等于外部業(yè)務(wù)請(qǐng)求總量(48)的4倍。表4給出了節(jié)點(diǎn)間傳輸代價(jià),該代價(jià)與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離成正比例關(guān)系。

表3 機(jī)架間傳輸量Tab.3 Transmission quantity between frames

表4 各鏈路傳輸代價(jià)Tab.4 Transmission cost of each link

使用Cplex數(shù)學(xué)工具進(jìn)行仿真試驗(yàn),最終設(shè)計(jì)出基于地面分布式數(shù)據(jù)中心的天地一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖3所示,其中箭頭指向表示衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接入位置。可以看出,網(wǎng)絡(luò)中的9個(gè)機(jī)架最終被劃分成了3組,分別放置在地基系統(tǒng)的3、5、6等3個(gè)節(jié)點(diǎn)上;網(wǎng)絡(luò)核心交換器被分配在節(jié)點(diǎn)1、3、5、6處;最終計(jì)算得到的網(wǎng)絡(luò)最小開銷為498 169。衛(wèi)星0通過節(jié)點(diǎn)5接入地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),衛(wèi)星1和衛(wèi)星2均通過節(jié)點(diǎn)1接入。

圖3 ILP求出的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Network architecture in ILP solution

表5給出了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的接入路由,箭頭左端的數(shù)字表示服務(wù)請(qǐng)求發(fā)出的節(jié)點(diǎn),箭頭右端的數(shù)字表示為其提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn),箭頭上方的數(shù)字表示業(yè)務(wù)的接入量?？梢钥闯?大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都是向其距離最近的核心交換器發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求,但是也有例外發(fā)生。例如節(jié)點(diǎn)4(表5中橢圓虛線框部分),該請(qǐng)求被分為了5+1,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)1的交換容量已經(jīng)飽和,因此節(jié)點(diǎn)4只能從較遠(yuǎn)處的交換器請(qǐng)求服務(wù)。這也體現(xiàn)出通過ILP求解出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一定程度的負(fù)載均衡。表6表示放置在不同節(jié)點(diǎn)的組件之間的交換路由方案。可以看出組件之間的交換,一般都是由雙方的核心交換器共同承擔(dān)。

表5 ILP求出的外部請(qǐng)求接入路由表Tab.5 Service route of external demand in ILP solution

表6 路由交換策略Tab.6 Strategy of routing switch

5 結(jié)束語(yǔ)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)是人類空間活動(dòng)的信息基礎(chǔ)設(shè)施,然而隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展,天地一體化網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和處理的能力將日益不足。為了提高網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量,改善其可擴(kuò)展性能,本文提出在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中引入分布式數(shù)據(jù)中心,并借助地面光纖骨干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),本文構(gòu)建了相應(yīng)的ILP模型,在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)總建造代價(jià)最小的同時(shí),保證全網(wǎng)的服務(wù)需求。最后,通過數(shù)值仿真對(duì)所提出網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和ILP模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。構(gòu)建的一體化網(wǎng)絡(luò)模型可以利用地面數(shù)據(jù)中心的超大處理能力,有效地處理一體化網(wǎng)絡(luò)中的海量信息,通過收發(fā)雷達(dá)與衛(wèi)星等其他無線網(wǎng)絡(luò)形成統(tǒng)一的整體,具備高擴(kuò)展性。

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作者簡(jiǎn)介

郭嘉寧 1990年生,2013年畢業(yè)于南開大學(xué)濱海學(xué)院通信工程專業(yè),現(xiàn)為天津大學(xué)軟件工程專業(yè)碩士研究生。研究方向?yàn)閷拵o線通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心及資源虛擬化。

Satellite-ground Integrated Communication Network Based on Distributed Data Center

GUO Jianing1LI Changde2SHI Yun2WU Bin3
(1 School of Computer Software,Tianjin University,Tianjin 300072)
(2 Space Star Technology Co.,Ltd.,Beijing 100086)
(3 School of Computer Science and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072)

The satellite-ground integrated communication network usually has the characteristics of wide coverage and large amount of data transmission.Current studies concentrate on transmission protocols and resource management.Due to the weak computing power of the satellite network,an integrated satellite-ground communication network with a distributed data center merged with the backbone optical network was proposed which can realize logic link and optical transmission for different component sets in the data center.The satellites were taken as special nodes in the integrated network.And multiple factors were taken into account,such as the cost of internal transfer and external request,to optimize the network architecture by using the integer linear programming(ILP)based on Chinese telecom network.Simulation results show that the proposed network architecture and the optimization technique can solve network design and resource optimization problems well in the integrated network.It also provides a competitive platform for large-scale data transmission and processing.

Satellite-ground network;Network optimization;Optical switching;Data center; Distributed;Component placement;Space engineering

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.05.011

(編輯:高珍)

2015-02-25。收修改稿日期:2015-03-27