基于SDN的天地一體化網絡控制器部署方法綜述

萬 穎，錢克昌，邢 鵬

(1.航天工程大學 航天信息學院，北京 101416; 2.中國人民解放軍32151部隊，河北 邢臺 054000)

0 引言

天地一體化網絡是由天基網絡、空基網絡及地面網絡共同形成的一個異構網絡[1]。在天地一體化網絡中，天基網絡作為地面網絡的延伸，是整個網絡架構的核心，其承載著網絡業務的多樣性與復雜性，為其他網絡提供智能化的信息保障。

當前，天地一體化網絡面臨著許多問題與挑戰。從鏈接來看，頻繁的數據傳輸需要星間鏈路的靈活切換，導致網絡拓撲易變，從而難以管控全局網絡；從協議來看，多種多樣的網絡協議體系存在協同合作的問題，且各網絡協議無法實現徹底更新；從資源來看，衛星節點的計算和存儲拘束于有限的資源，星上功能的開發和擴展存在一定難度。從使用者來看，區別于不同用戶類別和用戶需求，對網絡服務的質量和資源管理帶來了挑戰。

軟件定義網絡(SDN，software define network)的是一種靈活的、可編程的、集中控制的新型網絡架構，主要由控制平面、數據平面和應用平面構成[2]。SDN主張將控制平面和數據平面分開，使得控制平面能夠以全局視角分配網絡資源，并制定有效的資源分配策略[3]。SDN的出現為當代網絡的發展開辟了新境界，顛覆了傳統網絡架構，實現了對各類網絡設備的集中控制。

綜合SDN的優勢特征，考慮將SDN引入到天地一體化網絡架構的研究中，充分結合SDN自身優勢無縫整合多種異構網絡，有助于降低網絡設備的建設與維護成本，提高衛星通信終端用戶的性能和服務質量(Qos，quality of service)，擴大衛星通信的應用范圍，實現與地面網絡的無縫連接[4]。在天基網絡中，部署合理的衛星控制器節點，可實現各衛星的分工合作，明確了各衛星的職能，節省了衛星資源，促進了衛星網絡智能化發展。

為滿足當前各種服務需求，提高網絡處理能力，需在天地一體化網絡中設計分布式控制平面并部署多個SDN控制器，來實現各種任務的分配與決策。因此，設計一個物理位置分布、邏輯控制功能集中的控制器部署方案顯得尤為重要。在天地一體化網絡中，LEO衛星網絡是整個網絡的核心部分，在天地一體化網絡中擔負重要角色，LEO衛星網絡控制平面中控制器的數量、位置以及與交換機的連接關系是設計控制器放置方案、提升天地一體化網絡靈活性需要考慮的關鍵問題[5]。同時，網絡時延、可靠性、負載均衡等性能指標決定了整個SDN網絡性能的高低，LEO衛星網絡中SDN多控制器部署方法的分析與研究是有效優化控制平面性能、提高網絡整體性能的關鍵。

因此，架設合適的基于SDN的天地一體化網絡架構，在此基礎上結合空間任務的不同特點，研究天地一體化網絡中SDN控制器的部署方法，進一步提高天地一體化網絡管理的靈活性，為用戶提供高效率、高標準的服務。

1 天地一體化網絡

天地一體化網絡是一個以地面網絡為基礎，以天基網絡為延伸，并融合多軌道衛星節點、空域飛行器、地面互聯網、移動網絡等領域的多維度網絡。典型的天地一體化網絡架構[6]如圖1所示。該網絡架構中，天基網絡主要由星座、多層軌道衛星和配屬的地面基礎設施組成，按照衛星各軌道面的高低可分為GEO衛星、MEO衛星和LEO衛星。空基網絡由各種飛行器構成，主要擔負空間信息的收集工作，同時可處理和傳輸部分網絡信息，實現與地面網絡的互聯互通，飛行器涵蓋飛艇、各種類型的無人機及熱氣球等。地面網絡是發展最早、最為成熟的網絡系統，能夠支持用戶的各類通信服務，主要構成要素為地面站和地面互聯網、移動自組網等地面通信系統，但地面網絡易受覆蓋范圍的限制。天地一體化網絡能夠充分結合各層網絡的特征，完美融合各層網絡，充分彰顯網絡一體化的優勢所在。

圖1 天地一體化網絡架構圖

為爭奪空間網絡的戰略制高點，搶占寶貴的空間資源，世界上的航天大國都爭先恐后發展天地一體化網絡。

國外各國對天地一體化網絡的探索較早，企圖通過空間網絡在軍事任務和通信導航等方面獲得信息優勢，如美國的全球信息柵格系統(GIG)[7]和空間通信與導航計劃(SCaN)[8]力爭為美國軍事行動和空間探測活動獲得通信導航和信息支持，歐洲國家提出了全球通信一體化空間架構(ISICOM)[9]、多國天基成像系統(MUSIS)為歐洲太空軍事力量提供偵察情報信息[10]。隨后，國外一些公司也開始研發、建設衛星互聯網系統，如一網公司提出的建設一個低軌小型衛星信息系統簡稱OneWeb系統，并預計于2029年全面建成。2018年SpaceX公司啟動的Starlink計劃，截止至2022年10月7日累計發射低軌衛星已超3 451顆，成功為超過14萬用戶提供高速的衛星互聯網接入。

我國的天地一體化網絡建設起步相對較晚，但發展勢頭較強。2006年，沈榮駿院士首次提出了發展一個星間、星地及地面網絡互聯互通的網絡構想[11]，為中國天地一體化網絡的產生奠定了基礎。緊接著，中國通信廣播衛星公司總工程師閔士權詳細分析、介紹了天基綜合信息網的體系架構，并建議中國盡快研究天基綜合信息網[12]。《“十三五”國家科技創新規劃》、《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》對發展天地一體化網絡先后明確了建設要求和發展規劃[13]。2018年，我國建立了首個以全天候、全時段雙向通信為目標的低軌衛星通信系統計劃“鴻雁星座”[14]。同年，“虹云工程”為形成衛星組網的目標，擬建立一個低軌寬帶全球通信衛星系統。2019年6月，天地一體化信息網絡試驗衛星“天象”成功的發射，為建設天地一體化網絡中低軌接入網提供了技術支持[15]。2022年3月，中國銀河航天公司成功批量研發并發射了“銀河航天”第二批次的6顆低軌寬帶通信衛星和1顆遙感衛星，標志著我國具備了建設天地一體化信息網絡大規模星座的衛星低研發成本、批量生產和星間組網的實力[16]。

2 軟件定義網絡

隨著互聯網大數據時代的到來，傳統網絡存在的弊端日益暴露，各種網絡應用和網絡數據流大量涌現，網絡整體性能收到前所未有的沖擊，人們不得不打破傳統思維，重新對網絡進行思考，軟件定義網絡隨之產生。

2006年斯坦福大學Clean State課題組受SANE架構啟發[17]，首次提出了集中控制的思想，為SDN的產生奠定了基礎。2009年Nick教授提出了SDN的概念[18]，標志著SDN的誕生，Nick教授及其團隊不僅是SDN的提出者，也是SDN發展的推動者。SDN能夠簡化網絡管理、加快網絡優化升級，國內外各大網絡公司都陸續瞄準了SDN技術，研討、分析、期待SDN可以推動未來互聯網的前行并為民眾提供更優質的網絡服務。2011年雅虎、Facebook、谷歌聯合成立了開放網絡基金會(ONF)，進一步推動SDN的發展，2012年中國在ONF支持下舉辦了“2012中國SDN與開放網絡高峰會議”。2013年，網絡廠商巨頭Cisco、Intel、IBM等共同研發了OpenDaylight，標志著傳統網絡廠商開始進軍SDN領域。2013年之后，SDN進入迅猛發展階段，2015年基本到達成熟階段。2020年全球軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV, network functions virtualization)市場規模已達到1840億元，預計2027年達到5325億元，2021年中國市場規模達到35.5億元，2022年預計達到49.0億元[19]。SDN的提出，改變了人類固有的思維方式，改變了網絡架構，同時也改變了人們生活。

SDN由數據平面、控制平面、應用平面這三層平面組成，簡化了傳統網絡的邏輯結構[20]。典型的SDN基本架構如圖2所示，區別于傳統的網絡架構，SDN擁有了開放的、可編程的接口，分離了數據平面與控制平面的功能應用，實現了控制平面的集中控制，成為用戶追求向往網絡編程更加自主、靈活、便利的重要因素。

圖2 SDN架構圖

應用平面由各種功能應用構成，為滿足各種用戶需求，通過北向接口與SDN控制平面建立聯系，提供常見的網絡應用服務。開發者通過下層平面提供的全局網絡視圖，協助自己在應用平面設計并部署所需的應用程序，并依靠下層的控制平面實現具體功能。

控制平面是整個架構的“主干骨”，作為決策機構，控制平面不僅負責全網的業務調度，還架設起各層交互的橋梁。控制平面可通過北向接口給上層應用平面提供不同層次的可編程能力，還可通過南向接口實現對底層網絡信息的監察監測。同時，控制平面還可為其他平面提供全網視圖。在小規模網絡中，可使用單一控制器構成控制平面來管控網絡；在中大規模網絡中，網絡結構相對復雜，因此需使用多個控制器構成控制平面以滿足網絡的可擴展性需求。

數據平面又稱為基礎設施層，由簡單的交換機等硬件轉發設備組成，數據平面的設備通過南向接口接收來自上層控制平面的決策指令，并根據控制平面下發的流規則進行相應的數據轉發與處理。當轉發設備接收到數據包時，首先會檢查本地流表，尋找對應的流表項，若流表項存在且匹配成功則根據對應的轉發路徑進行轉發，若匹配失敗，則封裝成Packet-in請求消息發送給控制器，隨后由控制器通過通信尋找對應的轉發策略，并封裝成Packet-out消息返回給交換機。此外，數據平面還會將當前的網絡狀態、統計信息等數據通過南向接口返回給控制平面。

建立各個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控制平面與應用平面之間交互的接口，網絡開發者可以按其需求進行網絡資源的調度和網絡配置。北向接口還為用戶和開發者打開了一個新的“窗口”，由于其當前還沒有公認的標準制約，無疑為公眾提供了更加靈活、便捷的開發平臺。南向接口是SDN重要的接口，是控制平面與網絡設備溝通交流的唯一通道，該接口傳遞的請求指令決定了數據平面轉發設備的具體操作，同時控制平面可通過該接口實現全網信息的管理。

3 基于SDN的天地一體化網絡的架構

當前，隨著SDN技術在地面互聯網架構的成功應用，并展現出網絡管理更加靈活、便利的優勢特征。國內外研究人員考慮將SDN技術應用于天地一體化網絡架構中，考慮在不同的空間地理位置部署控制器，來充分發揮SDN在天基、空基和地面網絡中的智能管理作用，進一步推動天地一體化網絡的發展。按照SDN控制器部署在高、低衛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。基于SDN的天地一體化網絡架構方案如表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衛星軌道層面的部署方式稱為單層控制器部署。常見的單層控制器部署主要是在GEO衛星、LEO衛星和地面放置控制器。

3.1.1 在地面部署控制器

綜合地面站數目相對固定，具有時延低、容量大、效率高及數據存儲能力強等特點，考慮在地面站上部署控制器，能夠順應網絡接入管理的變化。Sheng等人[21]提出了FRBSN架構，該架構將控制器部署在地面網絡運營控制中心(NOCC)內，實現全網資源狀態的收集與管理，簡化了衛星網絡的管理。但僅在地面站部署控制器節點以實現對天地一體化網絡的管控，其星地鏈路較長，存在無法及時獲取衛星網絡信息的局限性。

3.1.2 在LEO衛星部署控制器

LEO衛星數目多、時延低、運動速度快、距離地面近，能夠滿足大多數網絡的通信需求，在部分LEO衛星節點部署控制器，能夠增強網絡控制的靈活性，在降低網絡響應時延的同時滿足網絡的有效覆蓋。Papa等人[22]提出在LEO衛星中動態部署SDN控制器的設想，以降低平均流量的設置時間為目標，通過建立整數線性規劃模型，動態調整控制器的部署位置。但LEO衛星運行速度快，單個衛星網絡覆蓋范圍較小，需同時部署多個LEO衛星節點來進行衛星組網，其成本較高，工程浩大。

表1 基于SDN的天地一體化網絡架構方案

3.1.3 在GEO衛星部署控制器

GEO衛星具有覆蓋范圍廣、數量少且相對地球表面靜止的特征。BAO等人[23]提出了OpenSAN架構，該架構在GEO衛星上布設控制器，根據不同的網絡規模將GEO衛星群分為了三種網絡拓撲模型，來降低鏈路帶寬、提高網絡的可靠性和靈活性。然而，GEO衛星難以獲取星間鏈路頻繁變動、傳播延遲較短的網絡狀態信息，且無法覆蓋高緯度地區。

綜合上述的單層控制器部署方案，可以發現單層控制器部署方案受到衛星軌道位置的制約，存在覆蓋范圍受限、處理能力受限等問題，難以應對天地一體化網絡多層網絡異構、規模龐大、網絡拓撲動態變化的特性，當前所設計的基于SDN的天地一體化網絡的架構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衛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延長、移動速率高而導致的無法及時獲取狀態信息的現象。此外，多層控制器部署的方式能夠充分發揮各個軌道層面衛星節點的優勢，進一步提升衛星網絡的靈活性和擴展性。

針對GEO衛星獨具傳輸鏈路可靠、軌道高且穩定、三顆衛星即可實現全球覆蓋的優勢，可考慮在GEO衛星上部署控制器節點，以掌握全局網絡視圖、提高衛星網絡鏈路的穩定性。在多層控制器部署方案中，比較常見的部署方式：在GEO衛星和其他軌道層面的衛星節點或是地面上同時部署控制器。

3.2.1 在GEO衛星和地面部署控制器

Shi等人[24]采用跨域的思想在GEO衛星、高空平臺和地面站部署控制器節點，部署在地面站的控制器節點是整個網絡中的主控制器，主控制器可協調、管控多個網絡分域，采用該網絡架構可進一步提高天地一體化網絡的配置更新和決策效率。Li等人[25]提出了基于SDN與NFV的SERvICE分布式網絡架構，指出在GEO衛星、地面站部署控制器節點，由LEO、MEO節點組成數據平面收集網絡鏈路信息并按照指令上傳至GEO節點，SERvICE架構可實現全網管控，進一步提高網絡通信質量。許方敏等人[26]綜合當前網絡設備和技術的發展來看，提出了先將控制器部署在地面，后期向GEO衛星部署控制器的設想。

3.2.2 在GEO衛星、LEO衛星和地面部署控制器

韓珍珍等人[27]為滿足應急任務低時延的要求，設計由GEO衛星群作為主控制器，部分合適的LEO衛星節點作為從控制器，并在地面部署控制器節點共同組成控制平面，形成軟件定義天地一體化信息網絡架構。Wei等人[28]為便利網絡部署配置和應用服務，提出的網絡架構如下：應用平面建立在空間站或是地面站上，并通過北向接口與控制平面更新交互，控制平面由GEO衛星和地面部分控制設備共同組成，數據平面由LEO衛星組成。付辰[29]在LEO部署局部控制器，在地面部署全局控制器，GEO衛星承擔全局控制器與局部控制器中繼通信的角色，該架構提高了控制平面的可靠性、穩定性和處理性能。Xu等人[30]提出了衛星網絡的三層分層的網絡架構，綜合地面網絡控制中心具有強大的計算能力，選擇將其作為超級控制器，域控制器設置在GEO衛星節點上，將同一軌道上的衛星進行分組并選擇各組中緯度最低、通信時間窗口較長的衛星作為從控制器節點，該架構能夠積極應對GEO衛星廣播帶來的延遲、各級軌道衛星鏈路干擾等問題。

通過分析上述部署方案并結合天地一體化網絡的特征可知，在天地一體化網絡中采用多層控制器部署方式的分布式網絡架構更為合適。該架構可采用控制器部署在GEO衛星、部分LEO衛星、地面以共同組成控制平面，由LEO衛星節點和地面站組成數據平面，這種網絡架構既能緩解衛星節點資源受限的壓力，也能充分聯動全網信息。

4 SDN控制器性能指標

控制平面作為SDN架構的核心部分，通常由一個或多個控制器構成。由于采用單個控制器的部署方式管理網絡易存在單點失效、處理能力有限等缺陷，因此對于規模相對較大的網絡一般通過部署多個控制器以組成網絡的控制平面。目前，評價控制器部署的性能指標主要有網絡時延、可靠性、開銷和負載等。

4.1 網絡時延

網絡時延是控制器部署策略中首要考慮的優化目標，該目標會影響轉發規則的安裝順序及控制器間的狀態同步。網絡時延由傳輸時延、傳播時延、排隊時延、處理時延四個部分組成[31]。①傳輸時延又稱發送時延，是指發送數據報文整個過程所需的時間，即轉發設備開始發送數據直至發送完畢所需時間，其大小與數據流的長度有關，數據流越長則傳輸時延越長，數據流越短則傳輸時延越小。②傳播時延由控制器與控制器間的傳播時延和控制器與交換機的傳播時延這兩部分組成。③排隊時延，即控制器接收到交換機所發送的Packet-in消息后開始排隊等待，直至控制器真正開始處理該請求所花的時間。④處理時延，即控制器處理數據所產生的時間，其取決于當前控制器的負載情況、處理能力等因素。在不同網絡狀態下，構成網絡總體時延的四個時延指標所占比重略有不同。若網絡狀態良好，表明不會出現數據擁塞情況，此時可以忽略排隊時延的影響；若網絡規模較小時，則可以將節點間的傳播時延視為零；若網絡規模較大時，表明網絡的傳播時延所占比重較大，需著重考慮。

當前的控制器部署方案對網絡時延的分析較多，劉振鵬等人[32]以交換機與控制器間的傳播時延標準差和負載均衡的標準差為優化指標，通過改進的粒子群算法(APSO)來提高粒子的收斂速度，并通過并行搜索最優解優化控制器的部署位置，使得網絡傳播時延得到了降低，但該方案忽略了其它時延的影響。王杉杉[33]從交換機到控制器的時延和控制器間的同步時延及負載均衡的角度出發，將各控制域內交換機的個數差異定為負載均衡的評價指標，通過相似度函數改進K-medoids算法來劃分控制域，引入模擬退火算法優化部署方案。結果表明，使用該方案網絡時延得到降低，同時網絡設備連接更加穩定。邾偉[34]以最小化控制器數量、高可靠性、較低的網絡傳輸時延、負載均衡為目標設計控制器動態部署方法，提出了在線動態調整算法(ODDA)來調整控制器與交換機的關系。仿真表明，在滿足最小化控制器數量、較高的可靠性和負載均衡下，同時降低了網絡時延。但該策略沒有綜合考慮網絡整體過載而僅考慮單一的控制器過載情況，且沒有考慮控制器間的傳播時延。趙文文等人[35]為進一步優化網絡時延、可靠性和負載均衡，建立控制器部署策略優化模型，采用遺傳算法與模擬退火算法相結合的方法以尋求控制器部署的全局最優解。然而，控制器部署策略在考慮時延問題時，忽略了控制器間的傳播時延及網絡中的排隊時延。

4.2 控制器負載

控制器負載主要由控制器在單位時間內處理的請求數量決定，也就是Packet-in消息的數量決定[36]。由于現實網絡中流量變化多樣，對應的不同交換機的流量請求也存在一定差異性，必然使得所歸屬的控制器存在負載差異，部分控制器可能出現超載或是欠載現象，導致網絡資源不能得到合理的利用。

負載均衡是評價控制器間負載差異的重要指標，控制器間負載越均衡，各個控制器處理能力越接近，相應的處理速度越快，任務也越快處理完畢。常見的評價控制器負載均衡的方式有：①比值法，通過負載的最大值比最小值來衡量負載均衡的差異度，比值越接近于1，則負載差異越小，負載越均衡。②方差法，通過單個控制器的負載與網絡中控制器平均負載的方差來權衡負載差異，方差越小，表明各控制器間負載越均衡。史久根等人[37]提出以降低排隊時延、減少遷移成本和負載均衡為優化指標，建立控制器動態放置模型，針對網絡局部過載和整體過載情況，分別提出了網絡局部過載算法(PODA)和整體過載算法(FODA)，這兩種方法均能夠在均衡網絡負載下降低網絡排隊時延和遷移成本。但該策略是在網絡負載異常下的被動式調整方案，缺乏一定的主動性。Li等人[38]提出了一種基于流量傳播延遲和控制器容量負載均衡的多控制器動態部署方法，使用改進的親和力傳播算法(PSOAP)和控制域調整算法(CDAA)來解決控制器動態部署問題。仿真表明，優化改進后的方法相比于遺傳算法(GA)和親和力傳播算法(AP)響應時間均有所降低且負載均衡效果較好。Patil等人[39]以帶寬比、時延、跳數、信任度等參數為優化指標，實時查找網絡中負載最小的路徑，均衡網絡流量到負載較差的網絡路徑中，提升了整個網絡的傳輸性能。

4.3 網絡可靠性

網絡的可靠性是SDN控制器部署考慮的一個重要因素，可靠性越高則網絡正常運行的概率越大，可靠性與節點的可靠性、鏈路失效率和鏈路的擁塞等因素有關。胡濤等人[40]以節點效能和路徑質量為可靠性決定因素，注重節點吸引度和負載均衡的影響，使用改進K-center方法確定控制器與交換機的連接關系。該控制器靜態部署策略能夠優化交換機到控制器的平均時延、提高可靠性和均衡負載，但考慮的時延因素單一。陸杰等人[41]優化控制路徑時延和可靠性，使用改進的RatioCut算法并引入K-medoids算法防止孤立節點對聚類的影響，最后加入模擬退火算法避免陷入局部最優以優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]提出了以控制器設置成本、控制器與交換機連接成本及控制器發生故障時的重新鏈接成本為目標，通過建立數學模型，來解決控制器部署的可靠性問題。在真實的網絡拓撲中進行仿真，結果表明所設計的算法可靠性較高，但該方法忽略控制器負載的影響。

4.4 網絡成本

除以上的性能指標外，網絡成本指標也很重要，網絡成本主要包括管理成本、部署成本及能源消耗[43]。網絡成本主要是為保證SDN網絡部署合理、鏈路可靠、通信順暢所消耗的實際成本。馬勤等人[44]以優化控制域內、域間的通信成本和負載均衡為目標，提出一種改進的粒子群算法來解決控制器靜態部署問題。該方法在優化控制器數量的同時降低了通信成本，提高了負載均衡率，但方案忽略了網絡中動態流量的影響。Xu等人[45]將控制器部署成本和服務延遲定義為網絡成本，從經濟角度出發，以降低成本為核心求得部署方案。Chai等人[46]基于SDN網絡的網絡成本研究控制器部署問題，在研究了控制器部署方法的基礎上，通過貪心方法匹配不同類型的控制器以最小化網絡成本。

5 SDN多控制器部署方法

SDN多控制器部署問題是NP難問題，其主要內容就是在SDN網絡中確定控制器的部署數量、位置以及控制器與交換機的映射關系，其計算量大、邏輯關系復雜，選擇合適的算法解決部署策略顯得格外重要。

5.1 控制器部署問題的常見算法

當前，解決控制器部署問題的算法主要有聚類算法、啟發式算法、多目標規劃算法和博弈算法等。

5.1.1 聚類算法

聚類是在一定標準下把一個數據集分割成不同的類或簇，簇內的數據對象具有相同的特征或屬性，簇間的數據對象差異性較大[47]。簡而言之，聚類后的數據呈現兩種分布狀態，一種是聚集狀態，聚到一起的數據大多數是同一類別的，還有一種狀態是分散狀態，分散的數據大多數是不同類別的。聚類的過程需要兩個階段完成[48]：第一個階段，通過定義相似函數來區分數據的相似程度；第二個階段，使用合適的聚類算法將數據進行合理劃分。

5.1.2 啟發式算法

啟發式算法是人類在解決現實問題時所采取的一種根據經驗規則求解的方法，通俗的解釋就是利用類似仿生學的原理，將自然、動物中的一些現象抽象成算法并處理相應問題，其特點是在有限的搜索空間和允許的時間內求得現實問題的一個可行解，但該可行解為近似最優解，且無法得知可行解相比于最優解的偏離程度。

5.1.3 多目標規劃算法

多目標規劃算法是求解由多個性能指標構成多個目標函數的方法，由于各個目標函數之間相互制約和影響，因此需要對多個目標規劃求解，且僅可在一定的范圍內求得可行解。通常情況下，多個目標函數下的可行解不能同時使得每個目標達到最優，必須各有權重。

5.1.4 博弈算法

博弈是指在一定制約條件下，多個決策主體之間利用自身認知能力和所獲得的信息做出相應的決策，使得利益最大化。關于博弈論的方法有很多，常見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

大量文獻資料研究了多控制器部署問題，控制器的部署策略可分為控制器靜態部署策略和控制器動態部署策略。

5.2.1 控制器靜態部署策略

控制器靜態部署主要是指不考慮網絡流量或網絡結構的變化，根據當前的網絡拓撲信息確定控制器的部署位置，此時交換機與控制器間的映射關系處于一個相對靜態的狀態，可通過使用不同的算法，形成不同的控制器靜態部署策略，如表2所示。

1)聚類算法。

趙季紅等人[49]提出了改進的K-means算法優化質心節點的選擇和網絡分區來部署控制器，相比于傳統的K-means算法，該算法能夠降低網絡的最大時延和平均時延。陳俊彥等人[50]考慮到實際網絡中時延和帶寬問題，結合鏈路成本和負載差異度，使用改進的K-means++算法，求得控制器的最優部署方案，使得網絡中流量分布相對均衡，網絡整體性能得到提高。齊月震[51]提出了控制器放置的密度峰聚類算法(CPDPC)，將多控制器部署問題轉化為尋找多個聚類中心的問題，依據控制器部署的個數，依次在聚類中心部署控制器。

當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部署策略提出的，有關控制器與交換機歸屬關系的動態調整研究相對較少。

2)啟發式算法。

鄒卯榮[52]針對交換機平均流安裝時延和負載均衡兩個性能指標，使用粒子群算法結合模擬退火算法研究大規模網絡控制器部署策略。樊自甫等人[53]定義正常網絡狀態下的時延為網絡狀態時延，考慮到網絡單鏈路故障會影響網絡時延，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絡狀態時延。Fan等人[54]在優化時延和可靠性時，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]使用蝙蝠算法以優化控制器與交換機間時延、負載均衡為目標解決控制器部署問題。

3)多目標規劃算法。

Jalili等人[56]使用改進的NSGA-Ⅱ算法解決大規模網絡中多目標控制器部署問題，該方法能夠減少運算時間，降低算法執行內存，且能有效處理相互沖突的多個目標。呂興燕等人[57]為優化傳播時延、降低控制路徑故障比例、增加交換機擁有從控制器數多個目標，建立數學模型，使用NSGA-Ⅱ算法求解部署策略。

4)博弈算法。

Ksentini等人[58]利用討價還價博弈方法，綜合傳播時延、通信成本和負載均衡這一系列性能指標，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相結合的方法，試圖使交換機間結成聯盟，通過交換機的相互博弈進行網絡分區并部署控制器，實現價值最大化。

5.2.2 控制器動態部署策略

控制器動態部署主要是應對網絡數據流量的突變、網絡拓撲的變化，對于網絡負載異常情況，主要采用動態遷移交換機的方式，動態調整控制器與交換機的映射關系，優化網絡均衡負載，以增強網絡的靈活性與高效性。現有的不同控制器動態部署策略如表3所示。

表2 控制器靜態部署策略對比

表3 控制器動態部署策略對比

1)聚類算法。

郭烜成等人[60]通過改進的譜聚類算法，首先進行控制器節點部署和控制域劃分，隨后，針對網絡的動態情況，通過K鄰近算法選擇遷移交換機并確定遷入域，在綜合控制器容量、控制器與交換機的傳播時延、控制器安全多個維度優化控制器的負載，但考慮時延因素時沒有考慮到實際的排隊時延、處理時延。

2)啟發式算法。

曹洪運[61]為解決多個控制器可能同時出現負載不均的情況，充分結合蟻群算法收斂速度快、遺傳算法全局搜索能力強的特征來解決交換機遷移問題。王立業等人[62]認為控制器發生故障時，需遷移交換機以恢復控制器的正常通信，通過改進的遺傳算法優化遷移方式，以降低新流的響應時間并優化網絡整體性能。但該策略是從理論層面模擬流量的變化，與具體的實際動態網絡環境存在差距。周寧等人[63]根據網絡負載情況，設計了自適應遺傳算法的交換機遷移機制，能夠較好地均衡SDN控制域內、域間的負載。Li等人[64]設計了改進的模糊多目標粒子群算法確定遷移策略，通過動作模塊來均衡控制器的負載，但該策略僅考慮網絡局部過載，不能應對網絡整體過載情況。

3)多目標規劃算法。

劉必果等人[65]以均衡控制器負載和降低交換機遷移的通信開銷為多目標優化對象，使用改進的NSGA-Ⅱ算法求得最優部署方案。該方案雖在均衡負載上具有明顯優勢，但該方案僅考慮了網絡總體不過載的現象。

4)博弈算法。

Chen等人[66]借助零和博弈論的思想對網絡進行彈性控制，通過選擇新的控制器以遷移過載的控制器下的交換機，來緩解控制器過載現象。Wu等人[67]提出的基于非合作博弈的動態交換機遷移機制，能夠使得控制平面的資源得到充分利用。

6 基于SDN的天地一體化網絡控制器部署策略

區別于傳統的衛星網絡，天地一體化網絡具有體系結構龐大、衛星數量多且分布廣、網絡拓撲靈活多變等特征，將SDN技術應用于天地一體化網絡，可以更好地滿足空間網絡的功能需求，控制平面可獲取天地一體化網絡全局視圖，靈活管控衛星網絡。衛星節點可分離控制與轉發功能，降低星載設備的復雜性。衛星控制器節點可以實時監測網絡節點變化，隨時掌握網絡負載情況。

當前天地一體化網絡中，控制器的部署方式為帶內部署。傳統網絡中SDN控制器的部署方式主要有帶外部署和帶內部署這兩種部署方式，帶外部署是指在任意空間內部署控制器，而帶內部署是指在限制的空間區域內部署控制器，即控制器部署于交換機節點上，此時該節點兼備控制器和交換機的雙重功能，此處所產生的控制鏈路與數據鏈路重合。由于控制器的帶外部署會增加衛星網絡拓撲的復雜性，影響衛星網絡的穩定性和可靠性。因此，在天地一體化網絡中控制器的部署方式均為帶內部署。

基于SDN的天地一體化網絡的多控制器部署研究，主要從控制器靜態部署和控制器動態部署兩個角度進行分析，進一步優化控制器的部署位置。

6.1 控制器靜態部署

控制器靜態部署，考慮極短時間內相對不變的衛星網絡拓撲、網絡用戶流量，控制器與交換機保持相對穩定的連接關系，此時高速移動的衛星網絡可映射成靜態網絡關系，綜合控制器的性能指標，選擇合適的位置部署控制器節點。

當前，基于SDN的衛星網絡多控制靜態部署研究較多，郭子楨等人[68]從可靠性角度分析出發，研究了LEO衛星網絡控制器的部署問題，通過改進的人工魚群算法提升控制器部署效果，但忽略了交換機與控制器通信過程中可能存在的流量擁塞情況。

劉治國等人[69]以降低衛星網絡中端到端的時延和均衡控制器間的負載為優化目標，提出了改進的NSGA-Ⅱ算法，求得LEO衛星網絡中控制器最優部署策略，但該方法僅考慮了網絡中端到端的傳播時延。此外，由于各交換機的數據流請求不同，將控制器下的交換機數量作為控制器負載量的判斷依據顯然不太合理。

時永鵬[70]通過使用模擬退火算法與聚類算法相結合的方法，研究了衛星網關與控制器的放置問題，在地面交換機到衛星節點的最小化傳播時延下，獲得最大的可靠性，卻忽略了其他時延因素的影響。

Qu等人[71]研究了基于SDN的天地一體化網絡架構，針對天基網絡使用無人機動態拓撲的控制器布置策略，將時間周期進行分割，通過改進的K-means算法求得單一時間間隔內控制器部署方法，使得交換機到控制器的傳播時延得到降低，同時提升了空間通信的服務質量，但該文獻顧及的控制器部署影響因素較少。

陳金濤等人[72]綜合衛星網絡時延、可靠性等多個方面考慮控制器的部署問題，通過改進的粒子群算法求解，但粒子群算法全局尋優能力較弱，求得的部署策略效果有待進一步提升。

綜合上述文獻可以發現，控制器靜態部署方案主要是基于時間片的思想，能夠保證在某一時間片內、某一網絡狀態下的性能達到最優，但忽略了網絡流量、拓撲的動態變化，始終認為網絡的流量和結構與初始時刻保持一致。控制器靜態部署的優點是控制器部署過程簡單，但靜態部署方式的靈活度受限，無法積極應對空間信息網絡的突發性任務引起的流量劇增、控制器容量不足，可能發生控制器停滯甚至整個網絡癱瘓的現象，對網絡的安全性與可靠性無形中產生了威脅，對整個網絡的性能造成了影響。

6.2 控制器動態部署

由于衛星網絡節點的高動態性，導致天地一體化網絡中星間鏈路頻繁切換，作為控制器的衛星節點，其所管理的交換機節點在應對不同網絡用戶、服務需求時，衛星節點的數據流量在短時間內會發生激烈變化如激增或是瞬減，致使流量分布不均、衛星控制器節點間負載差異性增大、控制器負載不均，既而部分衛星控制器節點出現欠載問題，而部分衛星控制器節點過載。衛星控制器節點間的負載不均衡，會引發網絡性能降低、網絡時延增大等一系列問題。控制器動態部署方案以解決衛星網絡負載不均為目標，主要通過交換機動態遷移方式，均衡網絡中的負載。

Chen等人[73]對于LEO衛星網絡中隨機波動的負載情況和網絡拓撲變化，以均衡網絡負載、降低控制開銷和時延為優化目標，提出了自適應控制器配置與分配方法。

楊虹[74]設計了空天地一體化網絡架構，該架構中控制平面的GEO衛星采用層次型部署方式，采用動態遷移交換機的策略均衡GEO衛星控制平面的全局控制器和局部控制器間的負載。

楊力等人[75]將SDN引入空間信息網絡中，根據衛星控制器節點的欠載和過載狀態，提出了基于多控制器動態部署的雙門限交換機遷移方法。仿真實驗表明，該方法能夠提高網絡的吞吐量和性能，但該控制器動態部署方法沒有考慮網絡整體過載的情況，且方法中沒有嵌入具體的算法，當其應用于較大規模的空間信息網絡時，必然會產生較大的計算量。

Liao等人[76]綜合傳統網絡管理效率低、功能固化等問題，考慮將基于6G的天地一體化網絡與軟件定義網絡相結合，建立并優化以時延和控制器負載方差為目標的損失函數，引入控制器負載方差作為衡量負載均衡的依據，采用模擬退火算法求得面向負載均衡的交換機遷移方法，但該方法可能存在遷移開銷過大的問題。

Guo等人[77]提出了控制器靜態部署、交換機動態分配的研究思路以積極應對衛星網絡拓撲的周期性變化。對于已部署完的控制器節點，通過預測網絡拓撲的變化，使用混合整數規劃模型來重新規劃控制域，形成控制器動態部署方案。

綜合上述研究可以發現，基于SDN的多控制器靜態部署策略，適用于極短時間間隔內網絡流量變化極小幾乎可以忽略不計、網絡拓撲固定的場景或是衛星網絡架構初步設計的情景，從優化不同的性能指標出發，選擇合適的衛星節點部署控制器。此外，控制器靜態部署策略也是控制器動態部署的基礎。對于控制器動態部署策略來講，控制器動態部署是考慮不斷變化的交換機請求對控制器的影響，甚至是整個網絡狀態的影響，常見的解決方式也是通過遷移過載或是欠載控制器下的交換機，通過動態調整控制器與交換機的映射關系來實現控制器間的負載均衡，以達到優化網絡整體性能的目的。

7 未來展望

本文對天地一體化網絡架構、控制器部署策略和基于SDN的天地一體化網絡多控制器部署方法進行了研究分析，但還有許多值得思考和研究的問題，下一步可以從以下幾個方面開展研究：

1)控制器部署問題的算法使用。由于控制器部署問題是一個NP難問題，基于SDN的天地一體化網絡多控制器部署方法所涉及關系更為復雜，其控制平面涉及多個網絡層面，因此選擇高效的控制器部署算法尤為重要。現有部署策略大多數采用的是啟發式算法，這是考慮到啟發式算法運算速度快、算法流程簡易，但也存在陷入局部極值的風險，新型啟發式算法、深度學習、機器學習的出現為控制器部署方法的研究打開了新思路，未來可使用這些新算法解決基于SDN的天地一體化網絡多控制器部署問題。

2)天地一體化網絡中SDN控制器部署問題的性能指標。現有的有關研究天地一體化網絡中SDN控制器部署方法存在性能問題分析不深入、指標考慮不全面等問題。由于空間任務可分為應急任務和常態任務，下一步可以根據空間任務的特性結合性能指標進行深入分析，比如應急任務著重分析時延因素，常態任務著重考慮負載均衡、可靠性等。

3)天地一體化網絡中SDN控制器的聯合部署問題。當前天地一體化網絡中SDN控制器的部署策略，主要都是在所提出的基于SDN的天地一體化網絡架構的基礎上，著重分析LEO衛星網絡控制平面中控制器的部署問題，雖然LEO衛星網絡的控制平面是整個網絡控制平面的核心，但LEO衛星控制器節點與GEO衛星控制器節點、地面控制器節點的聯合部署問題依舊很重要，未來可深入研究。

4)天地一體化網絡是一個多層異構網絡融合的網絡，網絡鏈路中存有大量的數據信息，數據通信的安全是實現天地一體化網絡安全通信的關鍵。因此，未來可以圍繞天地一體化網絡中的安全通信展開研究，如鏈路安全、協議安全等。

8 結束語

本文針對基于SDN的天地一體化網絡架構下的多控制器部署方法進行研究，分析了現有的基于SDN的天地一體化網絡架構及優缺點，闡明了控制平面由GEO衛星、部分LEO衛星、地面站組成，數據平面由LEO衛星節點和地面站組成的網絡架構優勢更為顯著。通過分析SDN控制器的性能指標、SDN多控制器部署問題的常見算法和部署策略，為下一步研究基于SDN的天地一體化網絡的控制器部署奠定良好基礎，最后論述了現有的基于SDN的天地一體化網絡的控制器部署策略并分析了存在的問題，對下一步的研究提出了展望。