天地异构网络资源融合管理与智能调度技术

赵 晶,柳 罡,雷 璟,严晓云

(1.华北科技学院 应急技术与管理学院,河北 三河 065201;2.中国电子科技集团有限公司电子科学研究院,北京 100041)

0 引 言

蓬勃发展的互联网、物联网应用以及日益增长的空间数据传输、航空/海事通信、远程移动通信需求,加速推动着地面网络向空间拓展,一批代表性的网络体系构想和建设项目纷纷被提出并实施,如美国全球信息栅格(Global Information Grid,GIG)、转型通信体系(Transformation Communications Architecture,TCA)、面向全球通信的一体化空间基础设施(Integrated Space Infrastructure for Global Communication,ISICOM)构想、O3b、OneWeb、STEAM、Project Loon、Iridium Next等项目,陆、海、空、天多层次融合组网态势日趋明显,天地网络发展进入全新阶段。

天地异构网络是以空间平台(如卫星、平流层气球、飞机等)为载体,整合地面网络设施,实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。作为国家基础设施,天地异构网络在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等行业发挥作用的同时,向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输,向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输,从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋乃至深空,是全球范围的研究热点。

天地异构网络是一个立体多层、异质异构、拓扑动态、业务多样以及资源分布不均匀的网络,相比其他信息系统,网络中包含卫星、升空平台、传感器、地面路由传输设备等各类节点。这些节点被赋予不同的功能和属性,处于不同的高度,工作在不同的环境中,具有不同的传输、计算、存储能力以及复杂的时空行为。天地异构网络承载任务属性多样、资源需求差异性大、业务种类多。相比地面网络而言,天地异构网络除了具备设备互通、协同组网、异构融合、动态重构、资源共享、可动态扩展等功能外,还具有资源受限、网络拓扑动态变化等特点。

针对天地异构网络的特点,国外关于天地异构网络管理技术的研究也在持续开展。美国为支持全球战略和联合作战,提出了以天、地骨干网络为核心的“三层多域”的全球信息栅格网络体系和以天基网络为重点的转型通信体系,设计并构建了面向陆、海、空、天网络[1]的一体化管理体系,突出基于策略、规则的联合智能化管理理念。美国科学基金委员会已实施“先进无线通信研究计划”,开展5G通信系统中高频数据传输相关研究[2],促进地面移动通信系统与卫星通信系统的无缝融合,在最优化异构网络资源配置、异构环境下具备服务质量(Quality of Service,QoS)保障、异构网络之间协同感知等方面展开研究。欧洲“地平线2020”规划了“面向未来弹性网络的虚拟化混合卫星/地面系统”项目,将软件定义网络(Software Defined Network,SDN)[3-4]、网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV)等新技术引入天地异构网络,研究天地网络融合管理模式和体系架构建立联合的网络资源管理框架与机制,涉及卫星资源虚拟化与共享、4G/5G卫星传输服务、天地混合接入服务等关键技术。

与此同时,国内积极开展互联网、移动通信网、空间信息网等领域技术创新研究,为开展天地异构网络管理技术研究奠定了一定基础。一方面,国内科研院所重点针对异构无线网络资源管理技术开展了大量研究,涉及移动通信网、无线局域网等不同体制,涵盖接入控制[5]、移动切换[6]、负载均衡、资源分配[7]、拥塞控制等范畴,提出了多种集中式、分布式、分级式联合无线资源管理机制和算法,通过对异构网络资源的细粒度、多维度分析,提出了动态天基资源虚拟化[8]、调度与协同管理机制[9],以及资源的自适应和动态调度机制[10-11]。另一方面,针对战场机固网系融合应用需求,提出了基于软件定义的一体化网络控制技术框架[12-13],开展了有线无线一体化控制、多路径并发传输控制[14]等技术研究,开发了网络控制器等原型设备软件,构建了有线无线融合管理的概念系统。

随着网络空间的不断拓展,人工智能等新技术广泛应用,加速推动天地融合网络管理朝融合化、智能化方向发展[15]。面向应用的异构网络融合管理能力保障网络的高效运行、互补增强,利用现有网络资源为陆、海、空、天各类用户提供普适泛在的高质量服务[16]是网络管理的发展趋势,传统基于网元的管理模式已经不能满足新时期管理需求。本文开展了天地异构网络资源融合管理和智能调度研究,基于资源虚拟化及动态分配调整,实现网络资源的协同运用和自主调优,实现网络资源的统一调度和智能分配。

1 天地异构网络资源管理

天地异构网络资源管理面向天基信息网、地面互联网、移动通信网等天地各类网络,在管理对象上不仅包括节点、链路等网络设施以及终端资源,还包括波束、频率、功率、带宽以及地址、标识、计算、存储、数据等资源。网络资源融合管理与调度实现网络资源的精细化管理和天地资源的统筹调度,保障网络的高效运行和资源优化利用。

针对天地异构网络中存在多种异质资源并且相互分离的特点,本文研究天地异构网络资源融合管理架构,从天地异构资源分类与虚拟化、天地异构资源多维描述与子网构建、网络虚拟化资源智能分配与调整3个方面阐述面向天地异构网络的多维资源调度关键技术。基于对网络状态和网络资源的感知,结合用户需求,为上层用户提供优质的网络服务。网络受理用户业务请求,制定任务保障方案,实现用户业务开通、承诺服务质量保障,支持上层应用,以提高整个网络资源利用率和提升网络通信质量。

1.1 天地异构资源分类与虚拟化

天地异构网络组成如图1所示,是一个立体多层的全球网络,时空差异大;节点类型多,链路差异性大,网络异质异构性强;节点、链路随时空变化,拓扑动态性强;业务种类多、分布范围广,需求差异性大;信息获取、存储处理、传输分发等网络资源受限。同时,天地异构网络还需要考虑信息传输的各个环节(用户接入、空间传输、地面传输)以及网络各层协议的适配和转换。

图1 天地异构网络组成Fig.1 Composition of space-ground integrated networks

天地异构网络资源主要包括6类：信息处理资源,对信息进行判别、筛选、分类、排序、分析、计算等加工处理,如各类空间平台携带的在轨信息处理设备;信息传输资源,能够将信息从一端传输至另一端,如微波天线、激光终端、地面光缆、地面电缆等;信息交换资源,使其在不同的网络节点之间进行信息交换的资源,如各类空间平台携带的微波开关矩阵、路由器、交换机等;计算资源,根据需求完成指定计算任务的资源,如计算机、服务器、信息处理机等;信息存储资源,根据要求灵活存储各类信息的资源,如各类电、磁或光存储设备;数据资源,包括图像、电磁信号等遥感类信息,对卫星、浮空平台、飞机指挥控制的遥测遥控类数据,语音、数据、图像、视频等通信类数据。

为了实现网络资源的灵活管理和智能调度,采用准确的资源描述和建模也非常重要。资源的特征信息不仅包含通信带宽、存储容量、传输速率等静态信息,还包含波束指向、链路时延、可用带宽、可用存储等动态信息,如图2所示。通过对资源建模,物理资源到虚拟资源的映射,并实时获取物理资源的使用情况,动态维护全局资源池。全局资源池对物理资源进行轻量级管理,通过分割、复用、调度等方法将物理资源虚拟呈现为通用的、可调度的虚拟资源,向上层屏蔽物理资源具体细节。

图2 网络资源建模Fig.2 Network resource modeling

天地异构网络资源融合管理架构包括物理资源管理、虚拟资源管理、虚拟网元管理三层功能。

物理资源管理通对物理资源的多维抽象和管理形成的全局资源池即为虚拟资源层,其动态实时地维护虚拟资源和物理资源的映射,提供虚拟资源的分配、回收、调度、休眠、激活、迁移等管理功能。根据上层的资源需求,将可用的虚拟资源、资源能够提供的服务质量以及资源可用的时长进行资源的匹配和调度,实现虚拟资源到物理资源的映射。

虚拟资源管理实时监视获取资源状态,将空闲的网络资源、已分配未使用的网络资源视作可用资源,更新全局资源池状态进行重配置。同时监视重点用户的资源使用情况,如果资源使用率超过阈值以致影响网络服务质量,则为用户调配更多的网络资源保证服务质量。

虚拟网元管理组合虚拟化网络资源构建可编程可配置的虚拟网元。系统根据业务需求将虚拟资源动态组合和绑定,如接入的频率带宽资源、协议处理资源、管理控制资源等,组成具有完整网元逻辑和物理功能的虚拟网元实体。虚拟网元实体组成通信过程中涉及的所有网络设备,包括接入节点、传输节点、管控节点,完成数据处理传输功能,基于业务需求生成网络配置参数,并将配置参数下发至虚拟网元,不仅包括虚拟网元的连接关系、网元地址、通信频率、链路带宽等,还包括网元协同机制和算法,如网络协议、接入控制、资源分配算法等。天地异构网络资源融合管理架构如图3所示。

图3 天地异构网络资源融合管理架构Fig.3 Resource management architecture of space-ground integrated networks

1.2 天地异构资源多维描述与子网构建

M(Gv)：Gv->Gs

该过程可以进一步分解为节点映射和链路映射：

MN(Nv)：Nv->Ns

ML(Lv)：Lv->Ls

MN和ML过程中满足

映射过程中,将网络业务所需的网元匹配相适应的网络节点及覆盖,具体算法如下：

1 无向图Gs,定义为Gs(Ns,Ls),构建虚拟子网Gv(Nv,Lv)

2 初始化Nv←∅,Lv←∅

7 end if

8 end for

10 符合链路服务指标的链路集合为コ,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 网络不是全联通的

37 return FAIL

虚拟子网的构建过程是将网络节点链路服务能力与业务需求的适配优化问题。首先,对满足业务需求的相关节点进行绑定形成物理网络,用户接入方面主要考虑卫星节点的覆盖性,网络传输方面主要考虑通信双方位置。然后,分析节点特性和链路特性对传输可靠性、传输效率和服务质量的影响,以组网业务满意度为导向,对差异化服务能力的节点链路进行协同构建,促进网络业务、节点负载以及资源适配的迭代优化。最后,通过网络业务和节点链路资源适配的历史统计信息,通过数理统计方法构建服务质量适配经验数据库,实现虚拟子网构建自学习的过程,提升优化匹配算法。

1.3 网络虚拟化资源的智能分配与动态调整

虚拟子网的业务需求是动态变化的,若按照传统基于网元峰值负载的方式进行网元虚拟化会造成网络资源的浪费,因此,本文将整个天地异构网络运行的大粒度时间段划分为多个细粒度时间段。网络资源的调度可以分解为在时段T内将K个虚拟网元到N个物理设备的多维映射问题,映射过程旨在优化每个时间段资源的利用率。利用率太高说明网络会产生拥塞降低网络服务质量,利用率太低说明网络资源空闲会造成浪费。

在虚拟子网运行过程中,当其承载的业务负载发生明显变化时,会造成该虚拟子网所映射到的物理节点、链路难以支撑其负载的情况,此时需要对该虚拟子网的资源进行相应调整,寻找优化的调整时机和调整目标将虚拟网元迁移到其他物理设备上,或者通过增加新的物理设备承载增多的业务。同样,当虚拟子网的资源空闲较多时,管控系统也可以释放一部分物理资源避免浪费。在虚拟资源的动态调整过程中,第一个原则是尽量少地影响当前的虚拟子网配置,这样可以不中断网络中正在运行的业务;第二个原则是选择剩余资源较多的物理设备,这样可以更好地适应资源的动态调整。

在虚拟资源的迁移过程中,物理承载节点的变化会导致业务的中断,而对于通信网络来说,用户的服务质量要求高,对网络的时效性可靠性要求也高,尤其是在重要的通信过程中(如应急通信)网络的中断会造成重大的损失。在天地异构网络中,网络资源的迁移应当无缝、透明、快速,避免造成业务的中断。因此,资源的无缝迁移是资源虚拟化的核心技术之一,使得整个天地异构网络在业务负载过低时进行多个虚拟子网部分节点链路资源的调整,提高物理资源的利用率,节约节点链路资源;在业务负载过高或设备故障、替换、升级时进行无缝切换,提高系统的可靠性。

为了实现虚拟资源的无缝迁移,本文将网络物理设备上的物理资源抽象为“虚拟资源”。“虚拟资源”上运行的任务通过“任务功能”和“任务上下文”来描述,其中,“任务功能”是根据输入输出实现某种功能的任务实体,即物理设备上运行的处理软件,包括计算任务、存储任务、路由任务、交换任务、传输任务等;而“任务上下文”则是为了实现某一个“任务功能”所需的相关数据,包括任务数据结构、上下文参数、状态机信息、定时器信息等。通过“任务上下文”可以完整地描述一个“任务功能”,在不同时间、不同物理设备上重建。“任务功能”和“任务上下文”的协同可以解耦正在运行的任务和物理设备之间的绑定。当虚拟资源迁移时,首先存储“任务功能”状态和“任务上下文”并迁移至新的物理设备。新的物理设备上调度所需资源通过“任务功能”和“任务上下文”重建处理任务,并根据“任务上下文”更新以保证整个过程的数据完整不丢失,具体过程如图4所示。

图4 虚拟资源无缝迁移过程Fig.4 Seamless migration of virtual resources

如图4(a)所示,当物理设备收到虚拟资源层资源迁移指令时,位于物理设备上的任务管理模块将“任务功能”状态和“任务上下文”数据进行保存,“任务功能”继续运行处理后续数据,保障业务连续且记录“任务上下文”数据的更新信息。

如图4(b)所示,物理设备根据虚拟资源迁移指令,将“任务功能”状态和“任务上下文”数据迁移到更新的物理设备上,时刻为t1。

如图4(c)所示,更新的物理设备收到“任务功能”状态和“任务上下文”数据后重建处理任务,重建的处理任务被暂时挂起,数据被缓存。

如图4(d)所示,虚拟资源层将更新后的物理资源(处理任务)和虚拟资源进行绑定,同时更新物理设备之间的接口关系,将其他任务与任务a的逻辑接口更新为与重构任务a+的逻辑接口,时刻为t2。任务a+将接收的数据放入缓存,暂缓数据处理。

如图4(e)所示,虚拟资源层将原物理设备上任务a在t1-t2之间的“任务上下文”数据更新部分发送至更新后物理设备的任务a+上。

如图4(f)所示,更新的物理设备收到“任务上下文”数据更新部分,重建任务,“任务功能”继续运行处理数据(缓存中根据数据的时序完成数据拼接),虚拟资源层回收任务a占用的资源,无缝切换完成。

2 实验结果

本文依托相关项目构建的3 000颗卫星组成的天地异构网络进行任务规划和资源调度,管控系统根据用户的位置、通信类型、服务质量来计算为该用户服务的卫星节点和地面节点。管控系统周期性进行任务规划,以10 min为规划周期,规划上一个周期内收到的通信服务请求。仿真中以8个请求为仿真输入,重复规划过程20次,平均规划时长约为50 s,满足一般卫星网络分钟级的规划时效性需求,如图5所示。由于仿真采用3 000颗卫星的大规模卫星网络,需求的满足度为100%。

图5 网络资源规划算法结果Fig.5 The result of network resource scheduling algorithms

3 结束语

未来网络是一个泛在、融合、高效的网络,正如ITU-T Y.3001所描绘的那样,具有业务意识、数据意识、环境意识、社会和经济意识能力。然而,如此复杂异构的网系要实现上述目标,优化网络架构、改善网络管理必然是一种重要途径,特别是将智能赋予网络。本文提出异构网络资源的智能管理旨在实现更加灵活的资源调度,提高网络资源利用率,改善网络节点资源消耗;自主地感知网络状态和用户需求,自主地为应用调度、分配网络资源,智能地为用户提供便捷、友好的业务体验。

本文提出天地异构网络资源的融合管理与智能调度架构及相关技术,针对不同资源的特点及应用需求,后续将进行深入研究。