基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)控制器部署方法綜述

萬(wàn) 穎，錢克昌，邢 鵬

(1.航天工程大學(xué) 航天信息學(xué)院，北京 101416; 2.中國(guó)人民解放軍32151部隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引言

天地一體化網(wǎng)絡(luò)是由天基網(wǎng)絡(luò)、空基網(wǎng)絡(luò)及地面網(wǎng)絡(luò)共同形成的一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[1]。在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，天基網(wǎng)絡(luò)作為地面網(wǎng)絡(luò)的延伸，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心，其承載著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的多樣性與復(fù)雜性，為其他網(wǎng)絡(luò)提供智能化的信息保障。

當(dāng)前，天地一體化網(wǎng)絡(luò)面臨著許多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。從鏈接來(lái)看，頻繁的數(shù)據(jù)傳輸需要星間鏈路的靈活切換，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟鬃?，從而難以管控全局網(wǎng)絡(luò)；從協(xié)議來(lái)看，多種多樣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系存在協(xié)同合作的問(wèn)題，且各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無(wú)法實(shí)現(xiàn)徹底更新；從資源來(lái)看，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)拘束于有限的資源，星上功能的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展存在一定難度。從使用者來(lái)看，區(qū)別于不同用戶類別和用戶需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量和資源管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN，software define network)的是一種靈活的、可編程的、集中控制的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要由控制平面、數(shù)據(jù)平面和應(yīng)用平面構(gòu)成[2]。SDN主張將控制平面和數(shù)據(jù)平面分開(kāi)，使得控制平面能夠以全局視角分配網(wǎng)絡(luò)資源，并制定有效的資源分配策略[3]。SDN的出現(xiàn)為當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展開(kāi)辟了新境界，顛覆了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集中控制。

綜合SDN的優(yōu)勢(shì)特征，考慮將SDN引入到天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究中，充分結(jié)合SDN自身優(yōu)勢(shì)無(wú)縫整合多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，有助于降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建設(shè)與維護(hù)成本，提高衛(wèi)星通信終端用戶的性能和服務(wù)質(zhì)量(Qos，quality of service)，擴(kuò)大衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)與地面網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接[4]。在天基網(wǎng)絡(luò)中，部署合理的衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)各衛(wèi)星的分工合作，明確了各衛(wèi)星的職能，節(jié)省了衛(wèi)星資源，促進(jìn)了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展。

為滿足當(dāng)前各種服務(wù)需求，提高網(wǎng)絡(luò)處理能力，需在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)分布式控制平面并部署多個(gè)SDN控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種任務(wù)的分配與決策。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)物理位置分布、邏輯控制功能集中的控制器部署方案顯得尤為重要。在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)負(fù)重要角色，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)控制平面中控制器的數(shù)量、位置以及與交換機(jī)的連接關(guān)系是設(shè)計(jì)控制器放置方案、提升天地一體化網(wǎng)絡(luò)靈活性需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題[5]。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、可靠性、負(fù)載均衡等性能指標(biāo)決定了整個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)性能的高低，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中SDN多控制器部署方法的分析與研究是有效優(yōu)化控制平面性能、提高網(wǎng)絡(luò)整體性能的關(guān)鍵。

因此，架設(shè)合適的基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合空間任務(wù)的不同特點(diǎn)，研究天地一體化網(wǎng)絡(luò)中SDN控制器的部署方法，進(jìn)一步提高天地一體化網(wǎng)絡(luò)管理的靈活性，為用戶提供高效率、高標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)。

1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以天基網(wǎng)絡(luò)為延伸，并融合多軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、空域飛行器、地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的多維度網(wǎng)絡(luò)。典型的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[6]如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，天基網(wǎng)絡(luò)主要由星座、多層軌道衛(wèi)星和配屬的地面基礎(chǔ)設(shè)施組成，按照衛(wèi)星各軌道面的高低可分為GEO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星?？栈W(wǎng)絡(luò)由各種飛行器構(gòu)成，主要擔(dān)負(fù)空間信息的收集工作，同時(shí)可處理和傳輸部分網(wǎng)絡(luò)信息，實(shí)現(xiàn)與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，飛行器涵蓋飛艇、各種類型的無(wú)人機(jī)及熱氣球等。地面網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展最早、最為成熟的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠支持用戶的各類通信服務(wù)，主要構(gòu)成要素為地面站和地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)自組網(wǎng)等地面通信系統(tǒng)，但地面網(wǎng)絡(luò)易受覆蓋范圍的限制。天地一體化網(wǎng)絡(luò)能夠充分結(jié)合各層網(wǎng)絡(luò)的特征，完美融合各層網(wǎng)絡(luò)，充分彰顯網(wǎng)絡(luò)一體化的優(yōu)勢(shì)所在。

圖1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

為爭(zhēng)奪空間網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，搶占寶貴的空間資源，世界上的航天大國(guó)都爭(zhēng)先恐后發(fā)展天地一體化網(wǎng)絡(luò)。

國(guó)外各國(guó)對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的探索較早，企圖通過(guò)空間網(wǎng)絡(luò)在軍事任務(wù)和通信導(dǎo)航等方面獲得信息優(yōu)勢(shì)，如美國(guó)的全球信息柵格系統(tǒng)(GIG)[7]和空間通信與導(dǎo)航計(jì)劃(SCaN)[8]力爭(zhēng)為美國(guó)軍事行動(dòng)和空間探測(cè)活動(dòng)獲得通信導(dǎo)航和信息支持，歐洲國(guó)家提出了全球通信一體化空間架構(gòu)(ISICOM)[9]、多國(guó)天基成像系統(tǒng)(MUSIS)為歐洲太空軍事力量提供偵察情報(bào)信息[10]。隨后，國(guó)外一些公司也開(kāi)始研發(fā)、建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如一網(wǎng)公司提出的建設(shè)一個(gè)低軌小型衛(wèi)星信息系統(tǒng)簡(jiǎn)稱OneWeb系統(tǒng)，并預(yù)計(jì)于2029年全面建成。2018年SpaceX公司啟動(dòng)的Starlink計(jì)劃，截止至2022年10月7日累計(jì)發(fā)射低軌衛(wèi)星已超3 451顆，成功為超過(guò)14萬(wàn)用戶提供高速的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入。

我國(guó)的天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)起步相對(duì)較晚，但發(fā)展勢(shì)頭較強(qiáng)。2006年，沈榮駿院士首次提出了發(fā)展一個(gè)星間、星地及地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想[11]，為中國(guó)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。緊接著，中國(guó)通信廣播衛(wèi)星公司總工程師閔士權(quán)詳細(xì)分析、介紹了天基綜合信息網(wǎng)的體系架構(gòu)，并建議中國(guó)盡快研究天基綜合信息網(wǎng)[12]?！丁笆濉眹?guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》對(duì)發(fā)展天地一體化網(wǎng)絡(luò)先后明確了建設(shè)要求和發(fā)展規(guī)劃[13]。2018年，我國(guó)建立了首個(gè)以全天候、全時(shí)段雙向通信為目標(biāo)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)計(jì)劃“鴻雁星座”[14]。同年，“虹云工程”為形成衛(wèi)星組網(wǎng)的目標(biāo)，擬建立一個(gè)低軌寬帶全球通信衛(wèi)星系統(tǒng)。2019年6月，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)衛(wèi)星“天象”成功的發(fā)射，為建設(shè)天地一體化網(wǎng)絡(luò)中低軌接入網(wǎng)提供了技術(shù)支持[15]。2022年3月，中國(guó)銀河航天公司成功批量研發(fā)并發(fā)射了“銀河航天”第二批次的6顆低軌寬帶通信衛(wèi)星和1顆遙感衛(wèi)星，標(biāo)志著我國(guó)具備了建設(shè)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模星座的衛(wèi)星低研發(fā)成本、批量生產(chǎn)和星間組網(wǎng)的實(shí)力[16]。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在的弊端日益暴露，各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流大量涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)整體性能收到前所未有的沖擊，人們不得不打破傳統(tǒng)思維，重新對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行思考，軟件定義網(wǎng)絡(luò)隨之產(chǎn)生。

2006年斯坦福大學(xué)Clean State課題組受SANE架構(gòu)啟發(fā)[17]，首次提出了集中控制的思想，為SDN的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。2009年Nick教授提出了SDN的概念[18]，標(biāo)志著SDN的誕生，Nick教授及其團(tuán)隊(duì)不僅是SDN的提出者，也是SDN發(fā)展的推動(dòng)者。SDN能夠簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、加快網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化升級(jí)，國(guó)內(nèi)外各大網(wǎng)絡(luò)公司都陸續(xù)瞄準(zhǔn)了SDN技術(shù)，研討、分析、期待SDN可以推動(dòng)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的前行并為民眾提供更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。2011年雅虎、Facebook、谷歌聯(lián)合成立了開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)(ONF)，進(jìn)一步推動(dòng)SDN的發(fā)展，2012年中國(guó)在ONF支持下舉辦了“2012中國(guó)SDN與開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)高峰會(huì)議”。2013年，網(wǎng)絡(luò)廠商巨頭Cisco、Intel、IBM等共同研發(fā)了OpenDaylight，標(biāo)志著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)廠商開(kāi)始進(jìn)軍SDN領(lǐng)域。2013年之后，SDN進(jìn)入迅猛發(fā)展階段，2015年基本到達(dá)成熟階段。2020年全球軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV, network functions virtualization)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到1840億元，預(yù)計(jì)2027年達(dá)到5325億元，2021年中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到35.5億元，2022年預(yù)計(jì)達(dá)到49.0億元[19]。SDN的提出，改變了人類固有的思維方式，改變了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時(shí)也改變了人們生活。

SDN由數(shù)據(jù)平面、控制平面、應(yīng)用平面這三層平面組成，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)[20]。典型的SDN基本架構(gòu)如圖2所示，區(qū)別于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN擁有了開(kāi)放的、可編程的接口，分離了數(shù)據(jù)平面與控制平面的功能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了控制平面的集中控制，成為用戶追求向往網(wǎng)絡(luò)編程更加自主、靈活、便利的重要因素。

圖2 SDN架構(gòu)圖

應(yīng)用平面由各種功能應(yīng)用構(gòu)成，為滿足各種用戶需求，通過(guò)北向接口與SDN控制平面建立聯(lián)系，提供常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。開(kāi)發(fā)者通過(guò)下層平面提供的全局網(wǎng)絡(luò)視圖，協(xié)助自己在應(yīng)用平面設(shè)計(jì)并部署所需的應(yīng)用程序，并依靠下層的控制平面實(shí)現(xiàn)具體功能。

控制平面是整個(gè)架構(gòu)的“主干骨”，作為決策機(jī)構(gòu)，控制平面不僅負(fù)責(zé)全網(wǎng)的業(yè)務(wù)調(diào)度，還架設(shè)起各層交互的橋梁?？刂破矫婵赏ㄟ^(guò)北向接口給上層應(yīng)用平面提供不同層次的可編程能力，還可通過(guò)南向接口實(shí)現(xiàn)對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)信息的監(jiān)察監(jiān)測(cè)。同時(shí)，控制平面還可為其他平面提供全網(wǎng)視圖。在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，可使用單一控制器構(gòu)成控制平面來(lái)管控網(wǎng)絡(luò)；在中大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此需使用多個(gè)控制器構(gòu)成控制平面以滿足網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性需求。

數(shù)據(jù)平面又稱為基礎(chǔ)設(shè)施層，由簡(jiǎn)單的交換機(jī)等硬件轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成，數(shù)據(jù)平面的設(shè)備通過(guò)南向接口接收來(lái)自上層控制平面的決策指令，并根據(jù)控制平面下發(fā)的流規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與處理。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，首先會(huì)檢查本地流表，尋找對(duì)應(yīng)的流表項(xiàng)，若流表項(xiàng)存在且匹配成功則根據(jù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，若匹配失敗，則封裝成Packet-in請(qǐng)求消息發(fā)送給控制器，隨后由控制器通過(guò)通信尋找對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)策略，并封裝成Packet-out消息返回給交換機(jī)。此外，數(shù)據(jù)平面還會(huì)將當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)信息等數(shù)據(jù)通過(guò)南向接口返回給控制平面。

建立各個(gè)平面直接通信交互的接口有北向接口和南向接口。北向接口是SDN控制平面與應(yīng)用平面之間交互的接口，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)者可以按其需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置。北向接口還為用戶和開(kāi)發(fā)者打開(kāi)了一個(gè)新的“窗口”，由于其當(dāng)前還沒(méi)有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)制約，無(wú)疑為公眾提供了更加靈活、便捷的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。南向接口是SDN重要的接口，是控制平面與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備溝通交流的唯一通道，該接口傳遞的請(qǐng)求指令決定了數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的具體操作，同時(shí)控制平面可通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信息的管理。

3 基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

當(dāng)前，隨著SDN技術(shù)在地面互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的成功應(yīng)用，并展現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)管理更加靈活、便利的優(yōu)勢(shì)特征。國(guó)內(nèi)外研究人員考慮將SDN技術(shù)應(yīng)用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，考慮在不同的空間地理位置部署控制器，來(lái)充分發(fā)揮SDN在天基、空基和地面網(wǎng)絡(luò)中的智能管理作用，進(jìn)一步推動(dòng)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。按照SDN控制器部署在高、低衛(wèi)星軌道層面或是地面等不同位置，可將SDN控制器的部署方式分為單層控制器部署和多層控制器部署?；赟DN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案如表1所示。

3.1 單層控制器部署

將SDN控制器全部部署在地面或是單個(gè)衛(wèi)星軌道層面的部署方式稱為單層控制器部署。常見(jiàn)的單層控制器部署主要是在GEO衛(wèi)星、LEO衛(wèi)星和地面放置控制器。

3.1.1 在地面部署控制器

綜合地面站數(shù)目相對(duì)固定，具有時(shí)延低、容量大、效率高及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，考慮在地面站上部署控制器，能夠順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接入管理的變化。Sheng等人[21]提出了FRBSN架構(gòu)，該架構(gòu)將控制器部署在地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)控制中心(NOCC)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)資源狀態(tài)的收集與管理，簡(jiǎn)化了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管理。但僅在地面站部署控制器節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的管控，其星地鏈路較長(zhǎng)，存在無(wú)法及時(shí)獲取衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信息的局限性。

3.1.2 在LEO衛(wèi)星部署控制器

LEO衛(wèi)星數(shù)目多、時(shí)延低、運(yùn)動(dòng)速度快、距離地面近，能夠滿足大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)的通信需求，在部分LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)部署控制器，能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)控制的靈活性，在降低網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)延的同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋。Papa等人[22]提出在LEO衛(wèi)星中動(dòng)態(tài)部署SDN控制器的設(shè)想，以降低平均流量的設(shè)置時(shí)間為目標(biāo)，通過(guò)建立整數(shù)線性規(guī)劃模型，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制器的部署位置。但LEO衛(wèi)星運(yùn)行速度快，單個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小，需同時(shí)部署多個(gè)LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行衛(wèi)星組網(wǎng)，其成本較高，工程浩大。

表1 基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案

3.1.3 在GEO衛(wèi)星部署控制器

GEO衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、數(shù)量少且相對(duì)地球表面靜止的特征。BAO等人[23]提出了OpenSAN架構(gòu)，該架構(gòu)在GEO衛(wèi)星上布設(shè)控制器，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模將GEO衛(wèi)星群分為了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，?lái)降低鏈路帶寬、提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈活性。然而，GEO衛(wèi)星難以獲取星間鏈路頻繁變動(dòng)、傳播延遲較短的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，且無(wú)法覆蓋高緯度地區(qū)。

綜合上述的單層控制器部署方案，可以發(fā)現(xiàn)單層控制器部署方案受到衛(wèi)星軌道位置的制約，存在覆蓋范圍受限、處理能力受限等問(wèn)題，難以應(yīng)對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)多層網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、規(guī)模龐大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的特性，當(dāng)前所設(shè)計(jì)的基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)中更多采用的是多層控制器部署的方式。

3.2 多層控制器部署

多層控制器部署是指在地面和多個(gè)衛(wèi)星軌道層面部署控制器的方式。多層控制器部署的方式能夠有效緩解單層控制器部署方式存在傳播時(shí)延長(zhǎng)、移動(dòng)速率高而導(dǎo)致的無(wú)法及時(shí)獲取狀態(tài)信息的現(xiàn)象。此外，多層控制器部署的方式能夠充分發(fā)揮各個(gè)軌道層面衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴(kuò)展性。

針對(duì)GEO衛(wèi)星獨(dú)具傳輸鏈路可靠、軌道高且穩(wěn)定、三顆衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的優(yōu)勢(shì)，可考慮在GEO衛(wèi)星上部署控制器節(jié)點(diǎn)，以掌握全局網(wǎng)絡(luò)視圖、提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路的穩(wěn)定性。在多層控制器部署方案中，比較常見(jiàn)的部署方式：在GEO衛(wèi)星和其他軌道層面的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)或是地面上同時(shí)部署控制器。

3.2.1 在GEO衛(wèi)星和地面部署控制器

Shi等人[24]采用跨域的思想在GEO衛(wèi)星、高空平臺(tái)和地面站部署控制器節(jié)點(diǎn)，部署在地面站的控制器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主控制器，主控制器可協(xié)調(diào)、管控多個(gè)網(wǎng)絡(luò)分域，采用該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可進(jìn)一步提高天地一體化網(wǎng)絡(luò)的配置更新和決策效率。Li等人[25]提出了基于SDN與NFV的SERvICE分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，指出在GEO衛(wèi)星、地面站部署控制器節(jié)點(diǎn)，由LEO、MEO節(jié)點(diǎn)組成數(shù)據(jù)平面收集網(wǎng)絡(luò)鏈路信息并按照指令上傳至GEO節(jié)點(diǎn)，SERvICE架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)管控，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。許方敏等人[26]綜合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，提出了先將控制器部署在地面，后期向GEO衛(wèi)星部署控制器的設(shè)想。

3.2.2 在GEO衛(wèi)星、LEO衛(wèi)星和地面部署控制器

韓珍珍等人[27]為滿足應(yīng)急任務(wù)低時(shí)延的要求，設(shè)計(jì)由GEO衛(wèi)星群作為主控制器，部分合適的LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為從控制器，并在地面部署控制器節(jié)點(diǎn)共同組成控制平面，形成軟件定義天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Wei等人[28]為便利網(wǎng)絡(luò)部署配置和應(yīng)用服務(wù)，提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下：應(yīng)用平面建立在空間站或是地面站上，并通過(guò)北向接口與控制平面更新交互，控制平面由GEO衛(wèi)星和地面部分控制設(shè)備共同組成，數(shù)據(jù)平面由LEO衛(wèi)星組成。付辰[29]在LEO部署局部控制器，在地面部署全局控制器，GEO衛(wèi)星承擔(dān)全局控制器與局部控制器中繼通信的角色，該架構(gòu)提高了控制平面的可靠性、穩(wěn)定性和處理性能。Xu等人[30]提出了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的三層分層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，綜合地面網(wǎng)絡(luò)控制中心具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，選擇將其作為超級(jí)控制器，域控制器設(shè)置在GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)上，將同一軌道上的衛(wèi)星進(jìn)行分組并選擇各組中緯度最低、通信時(shí)間窗口較長(zhǎng)的衛(wèi)星作為從控制器節(jié)點(diǎn)，該架構(gòu)能夠積極應(yīng)對(duì)GEO衛(wèi)星廣播帶來(lái)的延遲、各級(jí)軌道衛(wèi)星鏈路干擾等問(wèn)題。

通過(guò)分析上述部署方案并結(jié)合天地一體化網(wǎng)絡(luò)的特征可知，在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中采用多層控制器部署方式的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更為合適。該架構(gòu)可采用控制器部署在GEO衛(wèi)星、部分LEO衛(wèi)星、地面以共同組成控制平面，由LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面站組成數(shù)據(jù)平面，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)既能緩解衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)資源受限的壓力，也能充分聯(lián)動(dòng)全網(wǎng)信息。

4 SDN控制器性能指標(biāo)

控制平面作為SDN架構(gòu)的核心部分，通常由一個(gè)或多個(gè)控制器構(gòu)成。由于采用單個(gè)控制器的部署方式管理網(wǎng)絡(luò)易存在單點(diǎn)失效、處理能力有限等缺陷，因此對(duì)于規(guī)模相對(duì)較大的網(wǎng)絡(luò)一般通過(guò)部署多個(gè)控制器以組成網(wǎng)絡(luò)的控制平面。目前，評(píng)價(jià)控制器部署的性能指標(biāo)主要有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、可靠性、開(kāi)銷和負(fù)載等。

4.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是控制器部署策略中首要考慮的優(yōu)化目標(biāo)，該目標(biāo)會(huì)影響轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的安裝順序及控制器間的狀態(tài)同步。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延由傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、處理時(shí)延四個(gè)部分組成[31]。①傳輸時(shí)延又稱發(fā)送時(shí)延，是指發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文整個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間，即轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)直至發(fā)送完畢所需時(shí)間，其大小與數(shù)據(jù)流的長(zhǎng)度有關(guān)，數(shù)據(jù)流越長(zhǎng)則傳輸時(shí)延越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)流越短則傳輸時(shí)延越小。②傳播時(shí)延由控制器與控制器間的傳播時(shí)延和控制器與交換機(jī)的傳播時(shí)延這兩部分組成。③排隊(duì)時(shí)延，即控制器接收到交換機(jī)所發(fā)送的Packet-in消息后開(kāi)始排隊(duì)等待，直至控制器真正開(kāi)始處理該請(qǐng)求所花的時(shí)間。④處理時(shí)延，即控制器處理數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的時(shí)間，其取決于當(dāng)前控制器的負(fù)載情況、處理能力等因素。在不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)總體時(shí)延的四個(gè)時(shí)延指標(biāo)所占比重略有不同。若網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好，表明不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞情況，此時(shí)可以忽略排隊(duì)時(shí)延的影響；若網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)，則可以將節(jié)點(diǎn)間的傳播時(shí)延視為零；若網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，表明網(wǎng)絡(luò)的傳播時(shí)延所占比重較大，需著重考慮。

當(dāng)前的控制器部署方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的分析較多，劉振鵬等人[32]以交換機(jī)與控制器間的傳播時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)差和負(fù)載均衡的標(biāo)準(zhǔn)差為優(yōu)化指標(biāo)，通過(guò)改進(jìn)的粒子群算法(APSO)來(lái)提高粒子的收斂速度，并通過(guò)并行搜索最優(yōu)解優(yōu)化控制器的部署位置，使得網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)延得到了降低，但該方案忽略了其它時(shí)延的影響。王杉杉[33]從交換機(jī)到控制器的時(shí)延和控制器間的同步時(shí)延及負(fù)載均衡的角度出發(fā)，將各控制域內(nèi)交換機(jī)的個(gè)數(shù)差異定為負(fù)載均衡的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)相似度函數(shù)改進(jìn)K-medoids算法來(lái)劃分控制域，引入模擬退火算法優(yōu)化部署方案。結(jié)果表明，使用該方案網(wǎng)絡(luò)時(shí)延得到降低，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接更加穩(wěn)定。邾偉[34]以最小化控制器數(shù)量、高可靠性、較低的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、負(fù)載均衡為目標(biāo)設(shè)計(jì)控制器動(dòng)態(tài)部署方法，提出了在線動(dòng)態(tài)調(diào)整算法(ODDA)來(lái)調(diào)整控制器與交換機(jī)的關(guān)系。仿真表明，在滿足最小化控制器數(shù)量、較高的可靠性和負(fù)載均衡下，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。但該策略沒(méi)有綜合考慮網(wǎng)絡(luò)整體過(guò)載而僅考慮單一的控制器過(guò)載情況，且沒(méi)有考慮控制器間的傳播時(shí)延。趙文文等人[35]為進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、可靠性和負(fù)載均衡，建立控制器部署策略優(yōu)化模型，采用遺傳算法與模擬退火算法相結(jié)合的方法以尋求控制器部署的全局最優(yōu)解。然而，控制器部署策略在考慮時(shí)延問(wèn)題時(shí)，忽略了控制器間的傳播時(shí)延及網(wǎng)絡(luò)中的排隊(duì)時(shí)延。

4.2 控制器負(fù)載

控制器負(fù)載主要由控制器在單位時(shí)間內(nèi)處理的請(qǐng)求數(shù)量決定，也就是Packet-in消息的數(shù)量決定[36]。由于現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中流量變化多樣，對(duì)應(yīng)的不同交換機(jī)的流量請(qǐng)求也存在一定差異性，必然使得所歸屬的控制器存在負(fù)載差異，部分控制器可能出現(xiàn)超載或是欠載現(xiàn)象，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源不能得到合理的利用。

負(fù)載均衡是評(píng)價(jià)控制器間負(fù)載差異的重要指標(biāo)，控制器間負(fù)載越均衡，各個(gè)控制器處理能力越接近，相應(yīng)的處理速度越快，任務(wù)也越快處理完畢。常見(jiàn)的評(píng)價(jià)控制器負(fù)載均衡的方式有：①比值法，通過(guò)負(fù)載的最大值比最小值來(lái)衡量負(fù)載均衡的差異度，比值越接近于1，則負(fù)載差異越小，負(fù)載越均衡。②方差法，通過(guò)單個(gè)控制器的負(fù)載與網(wǎng)絡(luò)中控制器平均負(fù)載的方差來(lái)權(quán)衡負(fù)載差異，方差越小，表明各控制器間負(fù)載越均衡。史久根等人[37]提出以降低排隊(duì)時(shí)延、減少遷移成本和負(fù)載均衡為優(yōu)化指標(biāo)，建立控制器動(dòng)態(tài)放置模型，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)局部過(guò)載和整體過(guò)載情況，分別提出了網(wǎng)絡(luò)局部過(guò)載算法(PODA)和整體過(guò)載算法(FODA)，這兩種方法均能夠在均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下降低網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)時(shí)延和遷移成本。但該策略是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載異常下的被動(dòng)式調(diào)整方案，缺乏一定的主動(dòng)性。Li等人[38]提出了一種基于流量傳播延遲和控制器容量負(fù)載均衡的多控制器動(dòng)態(tài)部署方法，使用改進(jìn)的親和力傳播算法(PSOAP)和控制域調(diào)整算法(CDAA)來(lái)解決控制器動(dòng)態(tài)部署問(wèn)題。仿真表明，優(yōu)化改進(jìn)后的方法相比于遺傳算法(GA)和親和力傳播算法(AP)響應(yīng)時(shí)間均有所降低且負(fù)載均衡效果較好。Patil等人[39]以帶寬比、時(shí)延、跳數(shù)、信任度等參數(shù)為優(yōu)化指標(biāo)，實(shí)時(shí)查找網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載最小的路徑，均衡網(wǎng)絡(luò)流量到負(fù)載較差的網(wǎng)絡(luò)路徑中，提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

4.3 網(wǎng)絡(luò)可靠性

網(wǎng)絡(luò)的可靠性是SDN控制器部署考慮的一個(gè)重要因素，可靠性越高則網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的概率越大，可靠性與節(jié)點(diǎn)的可靠性、鏈路失效率和鏈路的擁塞等因素有關(guān)。胡濤等人[40]以節(jié)點(diǎn)效能和路徑質(zhì)量為可靠性決定因素，注重節(jié)點(diǎn)吸引度和負(fù)載均衡的影響，使用改進(jìn)K-center方法確定控制器與交換機(jī)的連接關(guān)系。該控制器靜態(tài)部署策略能夠優(yōu)化交換機(jī)到控制器的平均時(shí)延、提高可靠性和均衡負(fù)載，但考慮的時(shí)延因素單一。陸杰等人[41]優(yōu)化控制路徑時(shí)延和可靠性，使用改進(jìn)的RatioCut算法并引入K-medoids算法防止孤立節(jié)點(diǎn)對(duì)聚類的影響，最后加入模擬退火算法避免陷入局部最優(yōu)以優(yōu)化控制器的部署位置，該方法能夠提高控制路徑的可靠性。Mohanty等人[42]提出了以控制器設(shè)置成本、控制器與交換機(jī)連接成本及控制器發(fā)生故障時(shí)的重新鏈接成本為目標(biāo)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，來(lái)解決控制器部署的可靠性問(wèn)題。在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞M(jìn)行仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的算法可靠性較高，但該方法忽略控制器負(fù)載的影響。

4.4 網(wǎng)絡(luò)成本

除以上的性能指標(biāo)外，網(wǎng)絡(luò)成本指標(biāo)也很重要，網(wǎng)絡(luò)成本主要包括管理成本、部署成本及能源消耗[43]。網(wǎng)絡(luò)成本主要是為保證SDN網(wǎng)絡(luò)部署合理、鏈路可靠、通信順暢所消耗的實(shí)際成本。馬勤等人[44]以優(yōu)化控制域內(nèi)、域間的通信成本和負(fù)載均衡為目標(biāo)，提出一種改進(jìn)的粒子群算法來(lái)解決控制器靜態(tài)部署問(wèn)題。該方法在優(yōu)化控制器數(shù)量的同時(shí)降低了通信成本，提高了負(fù)載均衡率，但方案忽略了網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)流量的影響。Xu等人[45]將控制器部署成本和服務(wù)延遲定義為網(wǎng)絡(luò)成本，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，以降低成本為核心求得部署方案。Chai等人[46]基于SDN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)成本研究控制器部署問(wèn)題，在研究了控制器部署方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)貪心方法匹配不同類型的控制器以最小化網(wǎng)絡(luò)成本。

5 SDN多控制器部署方法

SDN多控制器部署問(wèn)題是NP難問(wèn)題，其主要內(nèi)容就是在SDN網(wǎng)絡(luò)中確定控制器的部署數(shù)量、位置以及控制器與交換機(jī)的映射關(guān)系，其計(jì)算量大、邏輯關(guān)系復(fù)雜，選擇合適的算法解決部署策略顯得格外重要。

5.1 控制器部署問(wèn)題的常見(jiàn)算法

當(dāng)前，解決控制器部署問(wèn)題的算法主要有聚類算法、啟發(fā)式算法、多目標(biāo)規(guī)劃算法和博弈算法等。

5.1.1 聚類算法

聚類是在一定標(biāo)準(zhǔn)下把一個(gè)數(shù)據(jù)集分割成不同的類或簇，簇內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)象具有相同的特征或?qū)傩?，簇間的數(shù)據(jù)對(duì)象差異性較大[47]。簡(jiǎn)而言之，聚類后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)兩種分布狀態(tài)，一種是聚集狀態(tài)，聚到一起的數(shù)據(jù)大多數(shù)是同一類別的，還有一種狀態(tài)是分散狀態(tài)，分散的數(shù)據(jù)大多數(shù)是不同類別的。聚類的過(guò)程需要兩個(gè)階段完成[48]：第一個(gè)階段，通過(guò)定義相似函數(shù)來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的相似程度；第二個(gè)階段，使用合適的聚類算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行合理劃分。

5.1.2 啟發(fā)式算法

啟發(fā)式算法是人類在解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)所采取的一種根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則求解的方法，通俗的解釋就是利用類似仿生學(xué)的原理，將自然、動(dòng)物中的一些現(xiàn)象抽象成算法并處理相應(yīng)問(wèn)題，其特點(diǎn)是在有限的搜索空間和允許的時(shí)間內(nèi)求得現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的一個(gè)可行解，但該可行解為近似最優(yōu)解，且無(wú)法得知可行解相比于最優(yōu)解的偏離程度。

5.1.3 多目標(biāo)規(guī)劃算法

多目標(biāo)規(guī)劃算法是求解由多個(gè)性能指標(biāo)構(gòu)成多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的方法，由于各個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間相互制約和影響，因此需要對(duì)多個(gè)目標(biāo)規(guī)劃求解，且僅可在一定的范圍內(nèi)求得可行解。通常情況下，多個(gè)目標(biāo)函數(shù)下的可行解不能同時(shí)使得每個(gè)目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，必須各有權(quán)重。

5.1.4 博弈算法

博弈是指在一定制約條件下，多個(gè)決策主體之間利用自身認(rèn)知能力和所獲得的信息做出相應(yīng)的決策，使得利益最大化。關(guān)于博弈論的方法有很多，常見(jiàn)的有合作博弈和非合作博弈，零和博弈和非零和博弈等。

5.2 多控制器部署策略

大量文獻(xiàn)資料研究了多控制器部署問(wèn)題，控制器的部署策略可分為控制器靜態(tài)部署策略和控制器動(dòng)態(tài)部署策略。

5.2.1 控制器靜態(tài)部署策略

控制器靜態(tài)部署主要是指不考慮網(wǎng)絡(luò)流量或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒋_定控制器的部署位置，此時(shí)交換機(jī)與控制器間的映射關(guān)系處于一個(gè)相對(duì)靜態(tài)的狀態(tài)，可通過(guò)使用不同的算法，形成不同的控制器靜態(tài)部署策略，如表2所示。

1)聚類算法。

趙季紅等人[49]提出了改進(jìn)的K-means算法優(yōu)化質(zhì)心節(jié)點(diǎn)的選擇和網(wǎng)絡(luò)分區(qū)來(lái)部署控制器，相比于傳統(tǒng)的K-means算法，該算法能夠降低網(wǎng)絡(luò)的最大時(shí)延和平均時(shí)延。陳俊彥等人[50]考慮到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延和帶寬問(wèn)題，結(jié)合鏈路成本和負(fù)載差異度，使用改進(jìn)的K-means++算法，求得控制器的最優(yōu)部署方案，使得網(wǎng)絡(luò)中流量分布相對(duì)均衡，網(wǎng)絡(luò)整體性能得到提高。齊月震[51]提出了控制器放置的密度峰聚類算法(CPDPC)，將多控制器部署問(wèn)題轉(zhuǎn)化為尋找多個(gè)聚類中心的問(wèn)題，依據(jù)控制器部署的個(gè)數(shù)，依次在聚類中心部署控制器。

當(dāng)前基于聚類算法的多控制器部署方案，大都是基于控制器靜態(tài)部署策略提出的，有關(guān)控制器與交換機(jī)歸屬關(guān)系的動(dòng)態(tài)調(diào)整研究相對(duì)較少。

2)啟發(fā)式算法。

鄒卯榮[52]針對(duì)交換機(jī)平均流安裝時(shí)延和負(fù)載均衡兩個(gè)性能指標(biāo)，使用粒子群算法結(jié)合模擬退火算法研究大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制器部署策略。樊自甫等人[53]定義正常網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的時(shí)延為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時(shí)延，考慮到網(wǎng)絡(luò)單鏈路故障會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提出了基于粒子群算法和基于貪婪算法的部署方法，仿真表明這兩種方法均能降低網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時(shí)延。Fan等人[54]在優(yōu)化時(shí)延和可靠性時(shí)，先使用Louvain算法劃分控制域，后使用粒子群算法尋找控制器最佳位置。楊耀通等人[55]使用蝙蝠算法以優(yōu)化控制器與交換機(jī)間時(shí)延、負(fù)載均衡為目標(biāo)解決控制器部署問(wèn)題。

3)多目標(biāo)規(guī)劃算法。

Jalili等人[56]使用改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法解決大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中多目標(biāo)控制器部署問(wèn)題，該方法能夠減少運(yùn)算時(shí)間，降低算法執(zhí)行內(nèi)存，且能有效處理相互沖突的多個(gè)目標(biāo)。呂興燕等人[57]為優(yōu)化傳播時(shí)延、降低控制路徑故障比例、增加交換機(jī)擁有從控制器數(shù)多個(gè)目標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型，使用NSGA-Ⅱ算法求解部署策略。

4)博弈算法。

Ksentini等人[58]利用討價(jià)還價(jià)博弈方法，綜合傳播時(shí)延、通信成本和負(fù)載均衡這一系列性能指標(biāo)，求解控制器的最佳部署位置。Killi等人[59]使用合作博弈方法和K-means相結(jié)合的方法，試圖使交換機(jī)間結(jié)成聯(lián)盟，通過(guò)交換機(jī)的相互博弈進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分區(qū)并部署控制器，實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。

5.2.2 控制器動(dòng)態(tài)部署策略

控制器動(dòng)態(tài)部署主要是應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的突變、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，?duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載異常情況，主要采用動(dòng)態(tài)遷移交換機(jī)的方式，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制器與交換機(jī)的映射關(guān)系，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)均衡負(fù)載，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性與高效性?，F(xiàn)有的不同控制器動(dòng)態(tài)部署策略如表3所示。

表2 控制器靜態(tài)部署策略對(duì)比

表3 控制器動(dòng)態(tài)部署策略對(duì)比

1)聚類算法。

郭烜成等人[60]通過(guò)改進(jìn)的譜聚類算法，首先進(jìn)行控制器節(jié)點(diǎn)部署和控制域劃分，隨后，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)情況，通過(guò)K鄰近算法選擇遷移交換機(jī)并確定遷入域，在綜合控制器容量、控制器與交換機(jī)的傳播時(shí)延、控制器安全多個(gè)維度優(yōu)化控制器的負(fù)載，但考慮時(shí)延因素時(shí)沒(méi)有考慮到實(shí)際的排隊(duì)時(shí)延、處理時(shí)延。

2)啟發(fā)式算法。

曹洪運(yùn)[61]為解決多個(gè)控制器可能同時(shí)出現(xiàn)負(fù)載不均的情況，充分結(jié)合蟻群算法收斂速度快、遺傳算法全局搜索能力強(qiáng)的特征來(lái)解決交換機(jī)遷移問(wèn)題。王立業(yè)等人[62]認(rèn)為控制器發(fā)生故障時(shí)，需遷移交換機(jī)以恢復(fù)控制器的正常通信，通過(guò)改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化遷移方式，以降低新流的響應(yīng)時(shí)間并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能。但該策略是從理論層面模擬流量的變化，與具體的實(shí)際動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在差距。周寧等人[63]根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)遺傳算法的交換機(jī)遷移機(jī)制，能夠較好地均衡SDN控制域內(nèi)、域間的負(fù)載。Li等人[64]設(shè)計(jì)了改進(jìn)的模糊多目標(biāo)粒子群算法確定遷移策略，通過(guò)動(dòng)作模塊來(lái)均衡控制器的負(fù)載，但該策略僅考慮網(wǎng)絡(luò)局部過(guò)載，不能應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體過(guò)載情況。

3)多目標(biāo)規(guī)劃算法。

劉必果等人[65]以均衡控制器負(fù)載和降低交換機(jī)遷移的通信開(kāi)銷為多目標(biāo)優(yōu)化對(duì)象，使用改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法求得最優(yōu)部署方案。該方案雖在均衡負(fù)載上具有明顯優(yōu)勢(shì)，但該方案僅考慮了網(wǎng)絡(luò)總體不過(guò)載的現(xiàn)象。

4)博弈算法。

Chen等人[66]借助零和博弈論的思想對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行彈性控制，通過(guò)選擇新的控制器以遷移過(guò)載的控制器下的交換機(jī)，來(lái)緩解控制器過(guò)載現(xiàn)象。Wu等人[67]提出的基于非合作博弈的動(dòng)態(tài)交換機(jī)遷移機(jī)制，能夠使得控制平面的資源得到充分利用。

6 基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)控制器部署策略

區(qū)別于傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，天地一體化網(wǎng)絡(luò)具有體系結(jié)構(gòu)龐大、衛(wèi)星數(shù)量多且分布廣、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活多變等特征，將SDN技術(shù)應(yīng)用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)，可以更好地滿足空間網(wǎng)絡(luò)的功能需求，控制平面可獲取天地一體化網(wǎng)絡(luò)全局視圖，靈活管控衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可分離控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能，降低星載設(shè)備的復(fù)雜性。衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變化，隨時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況。

當(dāng)前天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，控制器的部署方式為帶內(nèi)部署。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中SDN控制器的部署方式主要有帶外部署和帶內(nèi)部署這兩種部署方式，帶外部署是指在任意空間內(nèi)部署控制器，而帶內(nèi)部署是指在限制的空間區(qū)域內(nèi)部署控制器，即控制器部署于交換機(jī)節(jié)點(diǎn)上，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)兼?zhèn)淇刂破骱徒粨Q機(jī)的雙重功能，此處所產(chǎn)生的控制鏈路與數(shù)據(jù)鏈路重合。由于控制器的帶外部署會(huì)增加衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜性，影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中控制器的部署方式均為帶內(nèi)部署。

基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)的多控制器部署研究，主要從控制器靜態(tài)部署和控制器動(dòng)態(tài)部署兩個(gè)角度進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化控制器的部署位置。

6.1 控制器靜態(tài)部署

控制器靜態(tài)部署，考慮極短時(shí)間內(nèi)相對(duì)不變的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)用戶流量，控制器與交換機(jī)保持相對(duì)穩(wěn)定的連接關(guān)系，此時(shí)高速移動(dòng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可映射成靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，綜合控制器的性能指標(biāo)，選擇合適的位置部署控制器節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)前，基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)多控制靜態(tài)部署研究較多，郭子楨等人[68]從可靠性角度分析出發(fā)，研究了LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)控制器的部署問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)的人工魚群算法提升控制器部署效果，但忽略了交換機(jī)與控制器通信過(guò)程中可能存在的流量擁塞情況。

劉治國(guó)等人[69]以降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中端到端的時(shí)延和均衡控制器間的負(fù)載為優(yōu)化目標(biāo)，提出了改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法，求得LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中控制器最優(yōu)部署策略，但該方法僅考慮了網(wǎng)絡(luò)中端到端的傳播時(shí)延。此外，由于各交換機(jī)的數(shù)據(jù)流請(qǐng)求不同，將控制器下的交換機(jī)數(shù)量作為控制器負(fù)載量的判斷依據(jù)顯然不太合理。

時(shí)永鵬[70]通過(guò)使用模擬退火算法與聚類算法相結(jié)合的方法，研究了衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)與控制器的放置問(wèn)題，在地面交換機(jī)到衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的最小化傳播時(shí)延下，獲得最大的可靠性，卻忽略了其他時(shí)延因素的影響。

Qu等人[71]研究了基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對(duì)天基網(wǎng)絡(luò)使用無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞目刂破鞑贾貌呗裕瑢r(shí)間周期進(jìn)行分割，通過(guò)改進(jìn)的K-means算法求得單一時(shí)間間隔內(nèi)控制器部署方法，使得交換機(jī)到控制器的傳播時(shí)延得到降低，同時(shí)提升了空間通信的服務(wù)質(zhì)量，但該文獻(xiàn)顧及的控制器部署影響因素較少。

陳金濤等人[72]綜合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、可靠性等多個(gè)方面考慮控制器的部署問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)的粒子群算法求解，但粒子群算法全局尋優(yōu)能力較弱，求得的部署策略效果有待進(jìn)一步提升。

綜合上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，控制器靜態(tài)部署方案主要是基于時(shí)間片的思想，能夠保證在某一時(shí)間片內(nèi)、某一網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的性能達(dá)到最優(yōu)，但忽略了網(wǎng)絡(luò)流量、拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，始終認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的流量和結(jié)構(gòu)與初始時(shí)刻保持一致。控制器靜態(tài)部署的優(yōu)點(diǎn)是控制器部署過(guò)程簡(jiǎn)單，但靜態(tài)部署方式的靈活度受限，無(wú)法積極應(yīng)對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)性任務(wù)引起的流量劇增、控制器容量不足，可能發(fā)生控制器停滯甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性無(wú)形中產(chǎn)生了威脅，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能造成了影響。

6.2 控制器動(dòng)態(tài)部署

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高動(dòng)態(tài)性，導(dǎo)致天地一體化網(wǎng)絡(luò)中星間鏈路頻繁切換，作為控制器的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，其所管理的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)在應(yīng)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)用戶、服務(wù)需求時(shí)，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生激烈變化如激增或是瞬減，致使流量分布不均、衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)間負(fù)載差異性增大、控制器負(fù)載不均，既而部分衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)欠載問(wèn)題，而部分衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)過(guò)載。衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載不均衡，會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)性能降低、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增大等一系列問(wèn)題?？刂破鲃?dòng)態(tài)部署方案以解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均為目標(biāo)，主要通過(guò)交換機(jī)動(dòng)態(tài)遷移方式，均衡網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載。

Chen等人[73]對(duì)于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)載情況和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，以均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、降低控制開(kāi)銷和時(shí)延為優(yōu)化目標(biāo)，提出了自適應(yīng)控制器配置與分配方法。

楊虹[74]設(shè)計(jì)了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)中控制平面的GEO衛(wèi)星采用層次型部署方式，采用動(dòng)態(tài)遷移交換機(jī)的策略均衡GEO衛(wèi)星控制平面的全局控制器和局部控制器間的負(fù)載。

楊力等人[75]將SDN引入空間信息網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)的欠載和過(guò)載狀態(tài)，提出了基于多控制器動(dòng)態(tài)部署的雙門限交換機(jī)遷移方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和性能，但該控制器動(dòng)態(tài)部署方法沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)整體過(guò)載的情況，且方法中沒(méi)有嵌入具體的算法，當(dāng)其應(yīng)用于較大規(guī)模的空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算量。

Liao等人[76]綜合傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理效率低、功能固化等問(wèn)題，考慮將基于6G的天地一體化網(wǎng)絡(luò)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，建立并優(yōu)化以時(shí)延和控制器負(fù)載方差為目標(biāo)的損失函數(shù)，引入控制器負(fù)載方差作為衡量負(fù)載均衡的依據(jù)，采用模擬退火算法求得面向負(fù)載均衡的交換機(jī)遷移方法，但該方法可能存在遷移開(kāi)銷過(guò)大的問(wèn)題。

Guo等人[77]提出了控制器靜態(tài)部署、交換機(jī)動(dòng)態(tài)分配的研究思路以積極應(yīng)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹芷谛宰兓?。?duì)于已部署完的控制器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，使用混合整?shù)規(guī)劃模型來(lái)重新規(guī)劃控制域，形成控制器動(dòng)態(tài)部署方案。

綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，基于SDN的多控制器靜態(tài)部署策略，適用于極短時(shí)間間隔內(nèi)網(wǎng)絡(luò)流量變化極小幾乎可以忽略不計(jì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔潭ǖ膱?chǎng)景或是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)初步設(shè)計(jì)的情景，從優(yōu)化不同的性能指標(biāo)出發(fā)，選擇合適的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)部署控制器。此外，控制器靜態(tài)部署策略也是控制器動(dòng)態(tài)部署的基礎(chǔ)。對(duì)于控制器動(dòng)態(tài)部署策略來(lái)講，控制器動(dòng)態(tài)部署是考慮不斷變化的交換機(jī)請(qǐng)求對(duì)控制器的影響，甚至是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的影響，常見(jiàn)的解決方式也是通過(guò)遷移過(guò)載或是欠載控制器下的交換機(jī)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整控制器與交換機(jī)的映射關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器間的負(fù)載均衡，以達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能的目的。

7 未來(lái)展望

本文對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、控制器部署策略和基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)多控制器部署方法進(jìn)行了研究分析，但還有許多值得思考和研究的問(wèn)題，下一步可以從以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究：

1)控制器部署問(wèn)題的算法使用。由于控制器部署問(wèn)題是一個(gè)NP難問(wèn)題，基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)多控制器部署方法所涉及關(guān)系更為復(fù)雜，其控制平面涉及多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層面，因此選擇高效的控制器部署算法尤為重要。現(xiàn)有部署策略大多數(shù)采用的是啟發(fā)式算法，這是考慮到啟發(fā)式算法運(yùn)算速度快、算法流程簡(jiǎn)易，但也存在陷入局部極值的風(fēng)險(xiǎn)，新型啟發(fā)式算法、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)為控制器部署方法的研究打開(kāi)了新思路，未來(lái)可使用這些新算法解決基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)多控制器部署問(wèn)題。

2)天地一體化網(wǎng)絡(luò)中SDN控制器部署問(wèn)題的性能指標(biāo)?，F(xiàn)有的有關(guān)研究天地一體化網(wǎng)絡(luò)中SDN控制器部署方法存在性能問(wèn)題分析不深入、指標(biāo)考慮不全面等問(wèn)題。由于空間任務(wù)可分為應(yīng)急任務(wù)和常態(tài)任務(wù)，下一步可以根據(jù)空間任務(wù)的特性結(jié)合性能指標(biāo)進(jìn)行深入分析，比如應(yīng)急任務(wù)著重分析時(shí)延因素，常態(tài)任務(wù)著重考慮負(fù)載均衡、可靠性等。

3)天地一體化網(wǎng)絡(luò)中SDN控制器的聯(lián)合部署問(wèn)題。當(dāng)前天地一體化網(wǎng)絡(luò)中SDN控制器的部署策略，主要都是在所提出的基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，著重分析LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)控制平面中控制器的部署問(wèn)題，雖然LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的控制平面是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制平面的核心，但LEO衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)與GEO衛(wèi)星控制器節(jié)點(diǎn)、地面控制器節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合部署問(wèn)題依舊很重要，未來(lái)可深入研究。

4)天地一體化網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)鏈路中存有大量的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)通信的安全是實(shí)現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)安全通信的關(guān)鍵。因此，未來(lái)可以圍繞天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的安全通信展開(kāi)研究，如鏈路安全、協(xié)議安全等。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的多控制器部署方法進(jìn)行研究，分析了現(xiàn)有的基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)，闡明了控制平面由GEO衛(wèi)星、部分LEO衛(wèi)星、地面站組成，數(shù)據(jù)平面由LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面站組成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)更為顯著。通過(guò)分析SDN控制器的性能指標(biāo)、SDN多控制器部署問(wèn)題的常見(jiàn)算法和部署策略，為下一步研究基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)的控制器部署奠定良好基礎(chǔ)，最后論述了現(xiàn)有的基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)的控制器部署策略并分析了存在的問(wèn)題，對(duì)下一步的研究提出了展望。