趙 晶,柳 罡,雷 璟,嚴(yán)曉云

(1.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院,河北 三河 065201;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司電子科學(xué)研究院,北京 100041)

0 引 言

蓬勃發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及日益增長(zhǎng)的空間數(shù)據(jù)傳輸、航空/海事通信、遠(yuǎn)程移動(dòng)通信需求,加速推動(dòng)著地面網(wǎng)絡(luò)向空間拓展,一批代表性的網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)想和建設(shè)項(xiàng)目紛紛被提出并實(shí)施,如美國(guó)全球信息柵格(Global Information Grid,GIG)、轉(zhuǎn)型通信體系(Transformation Communications Architecture,TCA)、面向全球通信的一體化空間基礎(chǔ)設(shè)施(Integrated Space Infrastructure for Global Communication,ISICOM)構(gòu)想、O3b、OneWeb、STEAM、Project Loon、Iridium Next等項(xiàng)目,陸、海、空、天多層次融合組網(wǎng)態(tài)勢(shì)日趨明顯,天地網(wǎng)絡(luò)發(fā)展進(jìn)入全新階段。

天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是以空間平臺(tái)(如衛(wèi)星、平流層氣球、飛機(jī)等)為載體,整合地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,實(shí)時(shí)獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施,天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)遠(yuǎn)洋航行、應(yīng)急救援、導(dǎo)航定位、航空運(yùn)輸、航天測(cè)控等行業(yè)發(fā)揮作用的同時(shí),向下可支持對(duì)地觀測(cè)的高動(dòng)態(tài)、寬帶實(shí)時(shí)傳輸,向上可支持深空探測(cè)的超遠(yuǎn)程、大時(shí)延可靠傳輸,從而將人類科學(xué)、文化、生產(chǎn)活動(dòng)拓展至空間、遠(yuǎn)洋乃至深空,是全球范圍的研究熱點(diǎn)。

天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)立體多層、異質(zhì)異構(gòu)、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)、業(yè)務(wù)多樣以及資源分布不均勻的網(wǎng)絡(luò),相比其他信息系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)中包含衛(wèi)星、升空平臺(tái)、傳感器、地面路由傳輸設(shè)備等各類節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)被賦予不同的功能和屬性,處于不同的高度,工作在不同的環(huán)境中,具有不同的傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)能力以及復(fù)雜的時(shí)空行為。天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)承載任務(wù)屬性多樣、資源需求差異性大、業(yè)務(wù)種類多。相比地面網(wǎng)絡(luò)而言,天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)除了具備設(shè)備互通、協(xié)同組網(wǎng)、異構(gòu)融合、動(dòng)態(tài)重構(gòu)、資源共享、可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展等功能外,還具有資源受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)。

針對(duì)天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),國(guó)外關(guān)于天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的研究也在持續(xù)開展。美國(guó)為支持全球戰(zhàn)略和聯(lián)合作戰(zhàn),提出了以天、地骨干網(wǎng)絡(luò)為核心的“三層多域”的全球信息柵格網(wǎng)絡(luò)體系和以天基網(wǎng)絡(luò)為重點(diǎn)的轉(zhuǎn)型通信體系,設(shè)計(jì)并構(gòu)建了面向陸、海、空、天網(wǎng)絡(luò)[1]的一體化管理體系,突出基于策略、規(guī)則的聯(lián)合智能化管理理念。美國(guó)科學(xué)基金委員會(huì)已實(shí)施“先進(jìn)無(wú)線通信研究計(jì)劃”,開展5G通信系統(tǒng)中高頻數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)研究[2],促進(jìn)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的無(wú)縫融合,在最優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源配置、異構(gòu)環(huán)境下具備服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保障、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)同感知等方面展開研究。歐洲“地平線2020”規(guī)劃了“面向未來(lái)彈性網(wǎng)絡(luò)的虛擬化混合衛(wèi)星/地面系統(tǒng)”項(xiàng)目,將軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)[3-4]、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization,NFV)等新技術(shù)引入天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),研究天地網(wǎng)絡(luò)融合管理模式和體系架構(gòu)建立聯(lián)合的網(wǎng)絡(luò)資源管理框架與機(jī)制,涉及衛(wèi)星資源虛擬化與共享、4G/5G衛(wèi)星傳輸服務(wù)、天地混合接入服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)。

與此同時(shí),國(guó)內(nèi)積極開展互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、空間信息網(wǎng)等領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新研究,為開展天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)研究奠定了一定基礎(chǔ)。一方面,國(guó)內(nèi)科研院所重點(diǎn)針對(duì)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源管理技術(shù)開展了大量研究,涉及移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)等不同體制,涵蓋接入控制[5]、移動(dòng)切換[6]、負(fù)載均衡、資源分配[7]、擁塞控制等范疇,提出了多種集中式、分布式、分級(jí)式聯(lián)合無(wú)線資源管理機(jī)制和算法,通過(guò)對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的細(xì)粒度、多維度分析,提出了動(dòng)態(tài)天基資源虛擬化[8]、調(diào)度與協(xié)同管理機(jī)制[9],以及資源的自適應(yīng)和動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制[10-11]。另一方面,針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)固網(wǎng)系融合應(yīng)用需求,提出了基于軟件定義的一體化網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)框架[12-13],開展了有線無(wú)線一體化控制、多路徑并發(fā)傳輸控制[14]等技術(shù)研究,開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)控制器等原型設(shè)備軟件,構(gòu)建了有線無(wú)線融合管理的概念系統(tǒng)。

隨著網(wǎng)絡(luò)空間的不斷拓展,人工智能等新技術(shù)廣泛應(yīng)用,加速推動(dòng)天地融合網(wǎng)絡(luò)管理朝融合化、智能化方向發(fā)展[15]。面向應(yīng)用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合管理能力保障網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行、互補(bǔ)增強(qiáng),利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源為陸、海、空、天各類用戶提供普適泛在的高質(zhì)量服務(wù)[16]是網(wǎng)絡(luò)管理的發(fā)展趨勢(shì),傳統(tǒng)基于網(wǎng)元的管理模式已經(jīng)不能滿足新時(shí)期管理需求。本文開展了天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源融合管理和智能調(diào)度研究,基于資源虛擬化及動(dòng)態(tài)分配調(diào)整,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的協(xié)同運(yùn)用和自主調(diào)優(yōu),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)度和智能分配。

1 天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理

天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源管理面向天基信息網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等天地各類網(wǎng)絡(luò),在管理對(duì)象上不僅包括節(jié)點(diǎn)、鏈路等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以及終端資源,還包括波束、頻率、功率、帶寬以及地址、標(biāo)識(shí)、計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)等資源。網(wǎng)絡(luò)資源融合管理與調(diào)度實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的精細(xì)化管理和天地資源的統(tǒng)籌調(diào)度,保障網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行和資源優(yōu)化利用。

針對(duì)天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在多種異質(zhì)資源并且相互分離的特點(diǎn),本文研究天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源融合管理架構(gòu),從天地異構(gòu)資源分類與虛擬化、天地異構(gòu)資源多維描述與子網(wǎng)構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)虛擬化資源智能分配與調(diào)整3個(gè)方面闡述面向天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多維資源調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)?；趯?duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)資源的感知,結(jié)合用戶需求,為上層用戶提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)受理用戶業(yè)務(wù)請(qǐng)求,制定任務(wù)保障方案,實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)開通、承諾服務(wù)質(zhì)量保障,支持上層應(yīng)用,以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源利用率和提升網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

1.1 天地異構(gòu)資源分類與虛擬化

天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示,是一個(gè)立體多層的全球網(wǎng)絡(luò),時(shí)空差異大;節(jié)點(diǎn)類型多,鏈路差異性大,網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)異構(gòu)性強(qiáng);節(jié)點(diǎn)、鏈路隨時(shí)空變化,拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性強(qiáng);業(yè)務(wù)種類多、分布范圍廣,需求差異性大;信息獲取、存儲(chǔ)處理、傳輸分發(fā)等網(wǎng)絡(luò)資源受限。同時(shí),天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)還需要考慮信息傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)(用戶接入、空間傳輸、地面?zhèn)鬏?以及網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議的適配和轉(zhuǎn)換。

圖1 天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成Fig.1 Composition of space-ground integrated networks

天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源主要包括6類：信息處理資源,對(duì)信息進(jìn)行判別、篩選、分類、排序、分析、計(jì)算等加工處理,如各類空間平臺(tái)攜帶的在軌信息處理設(shè)備;信息傳輸資源,能夠?qū)⑿畔囊欢藗鬏斨亮硪欢?如微波天線、激光終端、地面光纜、地面電纜等;信息交換資源,使其在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息交換的資源,如各類空間平臺(tái)攜帶的微波開關(guān)矩陣、路由器、交換機(jī)等;計(jì)算資源,根據(jù)需求完成指定計(jì)算任務(wù)的資源,如計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、信息處理機(jī)等;信息存儲(chǔ)資源,根據(jù)要求靈活存儲(chǔ)各類信息的資源,如各類電、磁或光存儲(chǔ)設(shè)備;數(shù)據(jù)資源,包括圖像、電磁信號(hào)等遙感類信息,對(duì)衛(wèi)星、浮空平臺(tái)、飛機(jī)指揮控制的遙測(cè)遙控類數(shù)據(jù),語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等通信類數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活管理和智能調(diào)度,采用準(zhǔn)確的資源描述和建模也非常重要。資源的特征信息不僅包含通信帶寬、存儲(chǔ)容量、傳輸速率等靜態(tài)信息,還包含波束指向、鏈路時(shí)延、可用帶寬、可用存儲(chǔ)等動(dòng)態(tài)信息,如圖2所示。通過(guò)對(duì)資源建模,物理資源到虛擬資源的映射,并實(shí)時(shí)獲取物理資源的使用情況,動(dòng)態(tài)維護(hù)全局資源池。全局資源池對(duì)物理資源進(jìn)行輕量級(jí)管理,通過(guò)分割、復(fù)用、調(diào)度等方法將物理資源虛擬呈現(xiàn)為通用的、可調(diào)度的虛擬資源,向上層屏蔽物理資源具體細(xì)節(jié)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)資源建模Fig.2 Network resource modeling

天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源融合管理架構(gòu)包括物理資源管理、虛擬資源管理、虛擬網(wǎng)元管理三層功能。

物理資源管理通對(duì)物理資源的多維抽象和管理形成的全局資源池即為虛擬資源層,其動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地維護(hù)虛擬資源和物理資源的映射,提供虛擬資源的分配、回收、調(diào)度、休眠、激活、遷移等管理功能。根據(jù)上層的資源需求,將可用的虛擬資源、資源能夠提供的服務(wù)質(zhì)量以及資源可用的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行資源的匹配和調(diào)度,實(shí)現(xiàn)虛擬資源到物理資源的映射。

虛擬資源管理實(shí)時(shí)監(jiān)視獲取資源狀態(tài),將空閑的網(wǎng)絡(luò)資源、已分配未使用的網(wǎng)絡(luò)資源視作可用資源,更新全局資源池狀態(tài)進(jìn)行重配置。同時(shí)監(jiān)視重點(diǎn)用戶的資源使用情況,如果資源使用率超過(guò)閾值以致影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,則為用戶調(diào)配更多的網(wǎng)絡(luò)資源保證服務(wù)質(zhì)量。

虛擬網(wǎng)元管理組合虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建可編程可配置的虛擬網(wǎng)元。系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求將虛擬資源動(dòng)態(tài)組合和綁定,如接入的頻率帶寬資源、協(xié)議處理資源、管理控制資源等,組成具有完整網(wǎng)元邏輯和物理功能的虛擬網(wǎng)元實(shí)體。虛擬網(wǎng)元實(shí)體組成通信過(guò)程中涉及的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,包括接入節(jié)點(diǎn)、傳輸節(jié)點(diǎn)、管控節(jié)點(diǎn),完成數(shù)據(jù)處理傳輸功能,基于業(yè)務(wù)需求生成網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù),并將配置參數(shù)下發(fā)至虛擬網(wǎng)元,不僅包括虛擬網(wǎng)元的連接關(guān)系、網(wǎng)元地址、通信頻率、鏈路帶寬等,還包括網(wǎng)元協(xié)同機(jī)制和算法,如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、接入控制、資源分配算法等。天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源融合管理架構(gòu)如圖3所示。

圖3 天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源融合管理架構(gòu)Fig.3 Resource management architecture of space-ground integrated networks

1.2 天地異構(gòu)資源多維描述與子網(wǎng)構(gòu)建

M(Gv)：Gv->Gs

該過(guò)程可以進(jìn)一步分解為節(jié)點(diǎn)映射和鏈路映射：

MN(Nv)：Nv->Ns

ML(Lv)：Lv->Ls

MN和ML過(guò)程中滿足

映射過(guò)程中,將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)所需的網(wǎng)元匹配相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及覆蓋,具體算法如下：

1 無(wú)向圖Gs,定義為Gs(Ns,Ls),構(gòu)建虛擬子網(wǎng)Gv(Nv,Lv)

2 初始化Nv←?,Lv←?

7 end if

8 end for

10 符合鏈路服務(wù)指標(biāo)的鏈路集合為コ,コ←?

11 for allLijdo

13Lij∈コ

14 end if

15 end for

16 for allLij∈コ do

18Lij?コ

19 end if

20 end for

21 for allLij∈コ do

23Lij?コ

24 end if

25 end for

26Lv←コ

27 for allLij∈Lvdo

29 end for

31 return SUCCESS;

35 else

36 網(wǎng)絡(luò)不是全聯(lián)通的

37 return FAIL

虛擬子網(wǎng)的構(gòu)建過(guò)程是將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈路服務(wù)能力與業(yè)務(wù)需求的適配優(yōu)化問(wèn)題。首先,對(duì)滿足業(yè)務(wù)需求的相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定形成物理網(wǎng)絡(luò),用戶接入方面主要考慮衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的覆蓋性,網(wǎng)絡(luò)傳輸方面主要考慮通信雙方位置。然后,分析節(jié)點(diǎn)特性和鏈路特性對(duì)傳輸可靠性、傳輸效率和服務(wù)質(zhì)量的影響,以組網(wǎng)業(yè)務(wù)滿意度為導(dǎo)向,對(duì)差異化服務(wù)能力的節(jié)點(diǎn)鏈路進(jìn)行協(xié)同構(gòu)建,促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、節(jié)點(diǎn)負(fù)載以及資源適配的迭代優(yōu)化。最后,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和節(jié)點(diǎn)鏈路資源適配的歷史統(tǒng)計(jì)信息,通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建服務(wù)質(zhì)量適配經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)虛擬子網(wǎng)構(gòu)建自學(xué)習(xí)的過(guò)程,提升優(yōu)化匹配算法。

1.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化資源的智能分配與動(dòng)態(tài)調(diào)整

虛擬子網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求是動(dòng)態(tài)變化的,若按照傳統(tǒng)基于網(wǎng)元峰值負(fù)載的方式進(jìn)行網(wǎng)元虛擬化會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi),因此,本文將整個(gè)天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的大粒度時(shí)間段劃分為多個(gè)細(xì)粒度時(shí)間段。網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度可以分解為在時(shí)段T內(nèi)將K個(gè)虛擬網(wǎng)元到N個(gè)物理設(shè)備的多維映射問(wèn)題,映射過(guò)程旨在優(yōu)化每個(gè)時(shí)間段資源的利用率。利用率太高說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生擁塞降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,利用率太低說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)資源空閑會(huì)造成浪費(fèi)。

在虛擬子網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中,當(dāng)其承載的業(yè)務(wù)負(fù)載發(fā)生明顯變化時(shí),會(huì)造成該虛擬子網(wǎng)所映射到的物理節(jié)點(diǎn)、鏈路難以支撐其負(fù)載的情況,此時(shí)需要對(duì)該虛擬子網(wǎng)的資源進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,尋找優(yōu)化的調(diào)整時(shí)機(jī)和調(diào)整目標(biāo)將虛擬網(wǎng)元遷移到其他物理設(shè)備上,或者通過(guò)增加新的物理設(shè)備承載增多的業(yè)務(wù)。同樣,當(dāng)虛擬子網(wǎng)的資源空閑較多時(shí),管控系統(tǒng)也可以釋放一部分物理資源避免浪費(fèi)。在虛擬資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中,第一個(gè)原則是盡量少地影響當(dāng)前的虛擬子網(wǎng)配置,這樣可以不中斷網(wǎng)絡(luò)中正在運(yùn)行的業(yè)務(wù);第二個(gè)原則是選擇剩余資源較多的物理設(shè)備,這樣可以更好地適應(yīng)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

在虛擬資源的遷移過(guò)程中,物理承載節(jié)點(diǎn)的變化會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)的中斷,而對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),用戶的服務(wù)質(zhì)量要求高,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)效性可靠性要求也高,尤其是在重要的通信過(guò)程中(如應(yīng)急通信)網(wǎng)絡(luò)的中斷會(huì)造成重大的損失。在天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)資源的遷移應(yīng)當(dāng)無(wú)縫、透明、快速,避免造成業(yè)務(wù)的中斷。因此,資源的無(wú)縫遷移是資源虛擬化的核心技術(shù)之一,使得整個(gè)天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)負(fù)載過(guò)低時(shí)進(jìn)行多個(gè)虛擬子網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)鏈路資源的調(diào)整,提高物理資源的利用率,節(jié)約節(jié)點(diǎn)鏈路資源;在業(yè)務(wù)負(fù)載過(guò)高或設(shè)備故障、替換、升級(jí)時(shí)進(jìn)行無(wú)縫切換,提高系統(tǒng)的可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)虛擬資源的無(wú)縫遷移,本文將網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備上的物理資源抽象為“虛擬資源”?！疤摂M資源”上運(yùn)行的任務(wù)通過(guò)“任務(wù)功能”和“任務(wù)上下文”來(lái)描述,其中,“任務(wù)功能”是根據(jù)輸入輸出實(shí)現(xiàn)某種功能的任務(wù)實(shí)體,即物理設(shè)備上運(yùn)行的處理軟件,包括計(jì)算任務(wù)、存儲(chǔ)任務(wù)、路由任務(wù)、交換任務(wù)、傳輸任務(wù)等;而“任務(wù)上下文”則是為了實(shí)現(xiàn)某一個(gè)“任務(wù)功能”所需的相關(guān)數(shù)據(jù),包括任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、上下文參數(shù)、狀態(tài)機(jī)信息、定時(shí)器信息等。通過(guò)“任務(wù)上下文”可以完整地描述一個(gè)“任務(wù)功能”,在不同時(shí)間、不同物理設(shè)備上重建。“任務(wù)功能”和“任務(wù)上下文”的協(xié)同可以解耦正在運(yùn)行的任務(wù)和物理設(shè)備之間的綁定。當(dāng)虛擬資源遷移時(shí),首先存儲(chǔ)“任務(wù)功能”狀態(tài)和“任務(wù)上下文”并遷移至新的物理設(shè)備。新的物理設(shè)備上調(diào)度所需資源通過(guò)“任務(wù)功能”和“任務(wù)上下文”重建處理任務(wù),并根據(jù)“任務(wù)上下文”更新以保證整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)完整不丟失,具體過(guò)程如圖4所示。

圖4 虛擬資源無(wú)縫遷移過(guò)程Fig.4 Seamless migration of virtual resources

如圖4(a)所示,當(dāng)物理設(shè)備收到虛擬資源層資源遷移指令時(shí),位于物理設(shè)備上的任務(wù)管理模塊將“任務(wù)功能”狀態(tài)和“任務(wù)上下文”數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,“任務(wù)功能”繼續(xù)運(yùn)行處理后續(xù)數(shù)據(jù),保障業(yè)務(wù)連續(xù)且記錄“任務(wù)上下文”數(shù)據(jù)的更新信息。

如圖4(b)所示,物理設(shè)備根據(jù)虛擬資源遷移指令,將“任務(wù)功能”狀態(tài)和“任務(wù)上下文”數(shù)據(jù)遷移到更新的物理設(shè)備上,時(shí)刻為t1。

如圖4(c)所示,更新的物理設(shè)備收到“任務(wù)功能”狀態(tài)和“任務(wù)上下文”數(shù)據(jù)后重建處理任務(wù),重建的處理任務(wù)被暫時(shí)掛起,數(shù)據(jù)被緩存。

如圖4(d)所示,虛擬資源層將更新后的物理資源(處理任務(wù))和虛擬資源進(jìn)行綁定,同時(shí)更新物理設(shè)備之間的接口關(guān)系,將其他任務(wù)與任務(wù)a的邏輯接口更新為與重構(gòu)任務(wù)a+的邏輯接口,時(shí)刻為t2。任務(wù)a+將接收的數(shù)據(jù)放入緩存,暫緩數(shù)據(jù)處理。

如圖4(e)所示,虛擬資源層將原物理設(shè)備上任務(wù)a在t1-t2之間的“任務(wù)上下文”數(shù)據(jù)更新部分發(fā)送至更新后物理設(shè)備的任務(wù)a+上。

如圖4(f)所示,更新的物理設(shè)備收到“任務(wù)上下文”數(shù)據(jù)更新部分,重建任務(wù),“任務(wù)功能”繼續(xù)運(yùn)行處理數(shù)據(jù)(緩存中根據(jù)數(shù)據(jù)的時(shí)序完成數(shù)據(jù)拼接),虛擬資源層回收任務(wù)a占用的資源,無(wú)縫切換完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文依托相關(guān)項(xiàng)目構(gòu)建的3 000顆衛(wèi)星組成的天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和資源調(diào)度,管控系統(tǒng)根據(jù)用戶的位置、通信類型、服務(wù)質(zhì)量來(lái)計(jì)算為該用戶服務(wù)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)。管控系統(tǒng)周期性進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃,以10 min為規(guī)劃周期,規(guī)劃上一個(gè)周期內(nèi)收到的通信服務(wù)請(qǐng)求。仿真中以8個(gè)請(qǐng)求為仿真輸入,重復(fù)規(guī)劃過(guò)程20次,平均規(guī)劃時(shí)長(zhǎng)約為50 s,滿足一般衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分鐘級(jí)的規(guī)劃時(shí)效性需求,如圖5所示。由于仿真采用3 000顆衛(wèi)星的大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),需求的滿足度為100%。

圖5 網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃算法結(jié)果Fig.5 The result of network resource scheduling algorithms

3 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)泛在、融合、高效的網(wǎng)絡(luò),正如ITU-T Y.3001所描繪的那樣,具有業(yè)務(wù)意識(shí)、數(shù)據(jù)意識(shí)、環(huán)境意識(shí)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意識(shí)能力。然而,如此復(fù)雜異構(gòu)的網(wǎng)系要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、改善網(wǎng)絡(luò)管理必然是一種重要途徑,特別是將智能賦予網(wǎng)絡(luò)。本文提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的智能管理旨在實(shí)現(xiàn)更加靈活的資源調(diào)度,提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率,改善網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源消耗;自主地感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶需求,自主地為應(yīng)用調(diào)度、分配網(wǎng)絡(luò)資源,智能地為用戶提供便捷、友好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

本文提出天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的融合管理與智能調(diào)度架構(gòu)及相關(guān)技術(shù),針對(duì)不同資源的特點(diǎn)及應(yīng)用需求,后續(xù)將進(jìn)行深入研究。