混合SDN/IP航空信息网络流量负载均衡优化模型

本章针对部分节点为SDN节点的混合SDN／IP航空信息网络流量工程问题进行研究，主要考虑IP网络，而不考虑具有流量工程功能的网络技术，如多协议标签交换（MPLS）等；为保持路由稳定性，假设链路权重均为1，不考虑网络中链路权重优化对流量调度性能的影响。混合SDN／IP航空信息网络中包含3类节点：①SDN控制器节点，具有逻辑集中控制功能，航空信息网络可由一个或多个控制器集中控制，计算和决策SDN网络中数据流的传输。②SDN传输节点，数据包的传输逻辑由SDN控制器决定并通过SDN传输节点上的传输流量表实现流量调度。③IP传输节点，为IP网络传统节点，基于链路权重按照传统分布式路由协议（如OSPF）对数据包进行转发。本节假设SDN控制器可通过一定方式获得网络拓扑信息，接收和传输传统IP节点的链路状态信息，实现传统IP和SDN传输节点的信息互通。数据流在网络传输过程中，SDN传输节点将链路状态信息和数据流信息发送给SDN控制器，SDN控制器收集网络信息并进行计算得到转发路由表，SDN传输节点则根据路由表中条目项来进行数据包转发。

根据卫星网络路由策略中的“网络拓扑快照”设计思想，将网络运行区间分割为许多小的时间片（snapshot，快照），每一个时间片对应网络拓扑的动态变化，在每一个时间片内认为网络拓扑不变，即利用连续的静态拓扑对航空信息网络进行模拟。在流量调度描述中，假设G（N，E）表示航空信息网络拓扑，N代表拓扑中网络节点集合，E⊆N×N为网络节点之间链路的集合，设n和m为网络节点及链路个数，有n=|N|，m=|E|；C⊆N为SDN节点集合，D=N／C为传统IP节点集合；w（e）代表链路e∈E的OSPF权重，c（e）为链路带宽，f（e）为链路e∈E上的流量，通过传统IP节点和SDN节点，控制器可获得全网所有链路e∈E上的流量传输情况；令Tsd为节点s∈N到节点d∈N的业务流量，Wud为由节点u∈C发出或经过节点u∈C到节点d∈N的业务总量，NH（u，d）为节点u∈C到节点d∈N最短路径上的u的下一跳。

定义1：给定SDN节点集合C，存在从源节点s到目的节点d的路径s=u0，u1，u2，…，uk=d。若该路径满足①对于任意的j=1，2，…，k有（uj-1，uj）∈E；②uj=NH（uj-1，d），uj-1∈D；③该路径是无环的，则该路径为可允许路径。

设Psd为节点s和d之间的可允许路径集合，根据定义1可知，对于给定目的节点，若路径是无环的，且该路径上的非SDN节点的下一跳均由最短路径算法得到，则该路径为可允许路径。

定义2：给定一个非SDN节点到目的节点间的最短路径，若该最短路径未经过SDN节点，则称该流量为不可控流；若该流量由SDN节点发起或在到达目的节点之前经过至少一个SDN节点，则称该流量为可控流。

定义3：对于SDN节点u∈C，若u在流量的OSPF路径上，且u是该流量经过的第一个SDN节点，则称该流量为SDN节点u∈C的可控流，对于目的节点d∈D，SDN节点u∈C的可控流表示为Iud。

具体参数说明如表7.1所示。

表7.1　参数定义表(www.xing528.com)

针对目的节点d∈D，设Iud为SDN节点u∈C的可控流，若已知Tsd为节点s∈V到节点d∈V的业务流量矩阵，则可以直接根据OSPF最短路径得到Iud。然而在混合SDN／IP网络中，控制器节点无法获得业务流量矩阵Tsd的值，只能得到由SDN节点u∈C发出或经过SDN节点到节点d∈E的业务总量，因此，本节中采用文献［13］中的方法来计算SDN节点可控流Iud。

为提高航空信息的网络性能，实现网络中传输时延及丢包最小化，建立流量调度模型如下：

1）优化目标

2）约束条件

其中流量调度的目标是最小化最大链路利用率，约束条件（1）为链路容量约束，保证每条链路上传输的所有可控流和不可控流的流量之和不超过该链路容量与最大链路利用率的乘积；约束条件（2）保证网络中所有可控流都被路由；约束条件（3）保证每条路径上传输的流量非负。