孟祥利,吳玲達(dá),于少波,張喜濤

(航天工程大學(xué) 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室，北京 101416)

0 引 言

空間信息網(wǎng)絡(luò)是以各類空間平臺(如同步衛(wèi)星或中軌衛(wèi)星、平層氣球和有人或無人駕駛飛機(jī)等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。由于其具有獨特的空間位置優(yōu)勢，與地面網(wǎng)絡(luò)相比，空間信息網(wǎng)絡(luò)在對地觀測、應(yīng)急通信、航空運輸、航天測控和國家戰(zhàn)略利益擴(kuò)展等方面都具有不可替代的作用，已逐漸成為國家戰(zhàn)略利益的高邊疆[2]。

當(dāng)前，空間信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)仍然表現(xiàn)出各自為陣、重復(fù)建設(shè)的“煙囪式”發(fā)展局面，針對航天測控、對地遙感、通信業(yè)務(wù)等領(lǐng)域的不同應(yīng)用，采用相互隔離且獨立的體系結(jié)構(gòu)來滿足不同任務(wù)的需求，各個系統(tǒng)針對特定任務(wù)設(shè)計，在完成任務(wù)后會出現(xiàn)較多空閑狀態(tài)，無法對空間資源進(jìn)行整體配置[3]。

在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及新興網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜度以指數(shù)的形式劇增，利用虛擬化技術(shù)在公共的底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上同時承載多個獨立運行虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過高效的資源管理有選擇和有重點地優(yōu)化資源在各虛擬網(wǎng)絡(luò)間的配置與調(diào)度，能夠提高當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)資源利用率和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，并能夠降低網(wǎng)絡(luò)運營和維護(hù)成本，已成為近年來國內(nèi)外學(xué)者在未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的主要研究熱點之一。虛擬化是指資源的邏輯表示，它不受物理限制的約束。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)是指將網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件資源整合，向用戶提供虛擬的網(wǎng)絡(luò)連接，其可以將多個本地網(wǎng)絡(luò)組合成一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，或者將一個本地網(wǎng)絡(luò)分割成多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而提高空間網(wǎng)絡(luò)的利用率。資源虛擬化為物理資源提供一個抽象的邏輯視圖，用戶和網(wǎng)絡(luò)資源管理模塊可以通過這個視圖提供的統(tǒng)一接口來訪問、管理被整合的物理資源[4]。

基于虛擬化技術(shù)所具有的優(yōu)勢，國內(nèi)外已有學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)提出建立基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking, SDN)的空間信息網(wǎng)絡(luò)，尚處于起步階段，主要集中于體系結(jié)構(gòu)和路由算法的分析，文獻(xiàn)[5]提出了一種OpenSAN模型，是一種典型的基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[6]、[7]研究了一種基于SDN/NFV的天地一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[8]、[9]對基于SDN的空間信息網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行了分析。虛擬化技術(shù)作為實現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)的重要手段，當(dāng)前研究缺乏對空間信息網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化及虛擬資源管理機(jī)制的具體分析。

本論文將虛擬化技術(shù)應(yīng)用到空間信息網(wǎng)絡(luò)中，把空間信息網(wǎng)絡(luò)資源都聚集在虛擬的資源池中，對虛擬資源管理機(jī)制進(jìn)行研究，實現(xiàn)空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一規(guī)劃和管理，能夠大幅度提高空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的整體優(yōu)化配置和管理效率，盡可能為更多的業(yè)務(wù)提供更高質(zhì)量的服務(wù)，達(dá)到復(fù)雜多任務(wù)與多維資源高效協(xié)同的目標(biāo)。

1 空間信息網(wǎng)絡(luò)資源分類

資源虛擬化是將空間信息網(wǎng)絡(luò)資源都聚集在虛擬的資源池中，因此，需要首先分析可用的空間信息網(wǎng)絡(luò)資源，對其進(jìn)行合理的分類，并對其特點進(jìn)行研究。根據(jù)空間信息網(wǎng)絡(luò)的定義，結(jié)合我國空間技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來規(guī)劃，當(dāng)前，我國可用的空間資源如圖1所示，主要包括：空間層的高軌、中軌、低軌衛(wèi)星，氣球、飛艇等平流層飛行器，地面層的信關(guān)站等地面網(wǎng)絡(luò)[10]。

圖1 空間信息資源示意圖

根據(jù)空間信息網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)實體的物理功用，可以將資源分為兩大部分，即節(jié)點資源和鏈路資源。節(jié)點資源可以劃分為以下七大類別：a.傳感器資源；b.天線資源；c.頻率資源；d.計算資源；e.能量資源；f.存儲資源；h.其他資源。

鏈路資源可以劃分為以下五大類別：a.跨層間星間鏈路資源；b.同層間星間鏈路資源；c.星地鏈路資源；d.地面鏈路資源；e.其他鏈路資源。本文主要基于節(jié)點資源的虛擬化進(jìn)行研究[11]。

在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，各種節(jié)點資源呈現(xiàn)出以下特點：

(1)離散分布性：從邏輯上來看，各種空間資源離散分布在高軌、中軌、地軌衛(wèi)星等各個部分，且不同節(jié)點之間還需要進(jìn)行互聯(lián)互通，覆蓋區(qū)域十分廣泛，數(shù)量眾多。

(2)異構(gòu)性：不同的空間資源，其所描述的內(nèi)容不盡相同，甚至對于同一資源，其管理體制、通信協(xié)議等也可能不盡相同。對于相同的空間資源，不同需求者所關(guān)注的內(nèi)容也不盡相同。

(3)動態(tài)性：其動態(tài)性又可以細(xì)化為時間域的時變特征和空間域的空變特征。時變特征表示資源節(jié)點當(dāng)前消耗狀態(tài)，如負(fù)荷情況、內(nèi)存使用率等屬性，隨著時間、計劃和占用等因素的變化而時刻變化?？兆兲卣魇侵鸽S著時間的推移，各種節(jié)點資源時刻發(fā)生位置變化的現(xiàn)象。

(4)資源受限，協(xié)同能力弱：由于星上載荷受限等原因，造成系統(tǒng)內(nèi)存小、CPU處理能力低、所帶電源有限等，使得空間信息網(wǎng)絡(luò)中空間部分相比于地面節(jié)點有著很大的局限性，而且一旦上天，由于在軌硬件升級的難度大，難以對節(jié)點資源進(jìn)行升級和更換。此外，星間鏈路比較脆弱，使得節(jié)點間協(xié)同工作較為困難。

2 空間信息網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化

為了能夠給空間資源的瀏覽、查找、選擇、組合提供依據(jù)，空間信息資源虛擬化至少應(yīng)該滿足以下要求：

(1)統(tǒng)一方式描述資源的本質(zhì)信息：針對空間信息網(wǎng)絡(luò)中不同類別的資源，能夠采用語法和語義層面一致的形式化方法描述資源的信息，包括功能、屬性、使用策略、任務(wù)級別等信息。

(2)可擴(kuò)展性：因為空間資源具有高度動態(tài)性，并且對資源的建模也是逐步實現(xiàn)的，因此虛擬化資源要具備可隨時、簡單、快速擴(kuò)展的性質(zhì)。

(3)人機(jī)可讀性：虛擬資源必須能夠被機(jī)器可讀，從而實現(xiàn)空間資源的自動化操作。

(4)可區(qū)分性：虛擬資源要具備個體可區(qū)分性，以利于進(jìn)行虛擬資源的智能搜索和匹配。

(5)為資源使用提供足夠信息：虛擬化資源的建立，要為資源的瀏覽、查找、組合提供足夠的信息。

對于任意時刻的一個空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，能夠采用一個多元數(shù)組表示該節(jié)點的空間網(wǎng)絡(luò)資源。在此，將一個空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源VR(Virtual Resource)定義為五元數(shù)組：

VR={ID(R)，PR(R)，LR(R)，Rule(R)，Domian(R)}

(1)

其中，ID(R)是空間信息網(wǎng)絡(luò)資源在全局的唯一標(biāo)識，PR(R)是空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的物理資源集合，LR(R)是空間信息網(wǎng)絡(luò)的邏輯資源集合，Rule(R)是空間信息網(wǎng)絡(luò)資源使用策略或限制的集合，Domian(R)是空間信息網(wǎng)絡(luò)地理位置域或邏輯控制域的屬性信息[12]。

通過對空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化，可以整合相同或類似的物理資源，得到對應(yīng)的抽象資源集合，以提高空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。

3 虛擬資源管理機(jī)制

3.1 虛擬資源管理器

要實現(xiàn)對空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源的管理和調(diào)度，先要對資源進(jìn)行管理，建立相應(yīng)的虛擬資源管理庫，本文建立的空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源管理器如圖2所示：

圖2 虛擬資源管理器

空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源管理器是一個三層邏輯架構(gòu)圖：虛擬資源層，虛擬資源池層，虛擬資源管理層。

(1)虛擬資源層是對底層的傳感器、天線等物理資源進(jìn)行封裝，得到虛擬資源。由于空間信息網(wǎng)絡(luò)具有高度的動態(tài)性，其資源狀態(tài)隨著空間任務(wù)的進(jìn)行不斷發(fā)生變化，因此，通過頂層模型及模型解析引擎對虛擬資源的狀態(tài)進(jìn)行感知、查詢和更新，能夠進(jìn)行實時的查詢和監(jiān)控。

(2)虛擬資源池層包括形成的抽象模型、組合模型、協(xié)商模型等，形成知識庫，并負(fù)責(zé)虛擬資源的映射，即將虛節(jié)點邏輯地部署在位置和資源都滿足要求的實際網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)物理節(jié)點上。

(3)虛擬資源管理層是整個虛擬資源管理器的核心部分，是為虛擬資源的使用者提供相應(yīng)的功能，完成虛擬資源的注冊與發(fā)布、部署與綁定、調(diào)度與監(jiān)控等一系列功能。此外，虛擬資源管理層還要具備安全管理功能，能夠?qū)μ摂M網(wǎng)進(jìn)行故障診斷和在線實時優(yōu)化[13]。

3.2 虛擬資源查找與調(diào)度流程

在建立虛擬資源管理器后，對傳感器、天線等物理資源進(jìn)行了虛擬化，將物理資源抽象為虛擬資源，得到虛擬資源池，設(shè)置了虛擬資源管理方式，就可以對空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源的發(fā)布及查找與調(diào)度流程進(jìn)行研究，本文設(shè)計的流程如圖3所示：

圖3 虛擬資源查找與調(diào)度流程

步驟1：首先建立資源模型，利用資源注冊與發(fā)布功能將資源模型提交到虛擬資源管理中。

步驟2：利用模型解析引擎將資源模型進(jìn)行解析，此處可采用OWL-S解析引擎，解析后進(jìn)入到虛擬資源模型庫中。

步驟3：為了保證虛擬資源的準(zhǔn)確檢索，還可以在虛擬資源目錄中進(jìn)一步增添相應(yīng)的虛擬資源ID、名稱、屬性等，至此，通過前三個步驟就形成了虛擬資源模型庫和目錄，完成了空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源的發(fā)布流程和相應(yīng)的審核過程。

步驟4：虛擬資源使用者按照系統(tǒng)所要求的格式提供所需資源的屬性、功能、使用策略等信息，將資源需求信息提交到虛擬資源管理器中。

步驟5-7：接收到虛擬資源需求后，虛擬資源管理器會調(diào)用智能查找與匹配功能查找資源，通過基于模型的相似性將虛擬資源目錄中的信息與需求進(jìn)行匹配，包括物理屬性、邏輯策略、地理位置等，相應(yīng)的匹配算法有模糊函數(shù)匹配算法、層次分析匹配算法、結(jié)構(gòu)樹匹配算法等，經(jīng)過功能性比較后，能夠得到一個滿足使用者所需功能性需求的虛擬資源列表，再進(jìn)一步進(jìn)行非功能性需求匹配，將虛擬資源中的QoS[14]和SLA[15]等性能進(jìn)行比較，得到滿足功能的虛擬資源列表給使用者。

步驟8-9：通過智能查找與匹配后，得到的虛擬資源列表可能不止一個，此時就需要進(jìn)行人工選擇，確定所需要的虛擬資源后，就將虛擬資源庫中的相應(yīng)資源綁定信息，將任務(wù)綁定到具體的物理資源上。

步驟10：在完成資源綁定后，將信息傳遞給顯示的物理資源，交給天線、傳感器等現(xiàn)實資源來完成任務(wù)。

步驟11：現(xiàn)實資源在接收到任務(wù)后，就可以按照不同的任務(wù)級別去完成任務(wù)。在完成過程中，受到相應(yīng)的資源監(jiān)控，在實際資源使用過程中或過程后，其相應(yīng)的信息可能會發(fā)生變化，將變化后的信息重新建模，更新虛擬資源模型庫和虛擬資源目錄。

基于以上對虛擬資源查找與調(diào)度流程的設(shè)計，也印證了本文所建立的虛擬資源管理器，能夠滿足空間信息網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化的要求。

3.3 空間信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過對基于虛擬化的空間信息網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制的研究，最終建立的基于資源虛擬化的空間信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示：

圖4 基于資源虛擬化的空間信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由同步、中、低軌道衛(wèi)星、平流層飛行器、地面站提供傳感器、天線等各種節(jié)點資源，在對節(jié)點資源完成虛擬化后，利用本文設(shè)計的空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源管理器，按照本文設(shè)計的虛擬資源查找與調(diào)度流程，在面對通信、導(dǎo)航、遙感等一系列任務(wù)時，構(gòu)建不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)，更加高效快捷地完成不同的任務(wù)。

基于資源虛擬化的空間信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得原本屬于不同層面、不同制式、不同能力的節(jié)點和鏈路互聯(lián)互通，統(tǒng)一融合到同一個網(wǎng)絡(luò)體系中去，實現(xiàn)了資源的靈活共享，提高了空間信息資源的使用效率。

4 結(jié) 語

為了提高空間信息網(wǎng)絡(luò)整體的優(yōu)化配置和管理效率，本文將虛擬化技術(shù)引入到空間信息網(wǎng)絡(luò)中，對空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的分類及虛擬化進(jìn)行了研究，建立了空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源管理器，設(shè)計了空間信息網(wǎng)絡(luò)虛擬資源查找與調(diào)度流程，對空間信息網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)建設(shè)具有一定的參考意義。在實際的空間信息網(wǎng)絡(luò)中，虛擬資源之間存在著一定的組合關(guān)系，對組合后的虛擬資源進(jìn)行管理與調(diào)度，以及進(jìn)一步提高虛擬資源的查找與匹配效率，將是下一步要研究的內(nèi)容。