如何优化航空信息网络部署问题的可靠性感知建模

软件定义航空信息网络利用SDN逻辑集中控制的网络管控策略，能够实时掌握航空信息网络全局视图，实现对航空信息网络中业务流量的优化调度，满足网络中多用户需求，改善整体性能。控制器部署作为构建控制平面的前提，对提升网络性能具有重要意义。而控制平面中单控制器通常存在单点失效、处理能力受限等问题，因此采用多控制器部署架构已经成为目前有效的解决方案，多控制器部署架构包括平面式架构、垂直式架构和混合式架构。由于高空节点的移动性和链路的不可靠性易造成网络通信中断，在瞬息万变的战场中控制器节点也存在一定的故障风险，因而地面网络中的平面式多控制器架构将不再适用。考虑到上述因素，航空信息网络应采用混合式的控制器架构对网络进行集中管控，本章借鉴文献［15］所提出的混合式控制器架构模型，结合具体的应用场景构建出一种航空信息网络下的混合式多控制器架构，如图8.1所示。

图8.1　混合式多控制器架构

混合式多控制器架构中的控制平面由全局控制器（global controller，GC）和本地控制器（local controller，LC）组成。其中GC可从全域战场视角对航空信息网络实施集中管控，因此GC应当部署在信息综合处理能力和生存能力较强的飞机节点上，如指通机、预警机等，其控制优先级最高；LC则负责管控其自身控制区域内的网络节点，考虑到航空信息网络的实际需求及特点，可在每个航空平台上布置LC，实际中网络根据自身状态及GC的部署策略开启或关闭相应的LC，实现对其动态部署。对于软件定义航空信息网络中多控制器部署问题作如下描述：

（1）G（V，E，Vc，Ec）表示航空信息网络拓扑，其中V代表网络中飞机节点集合，E代表飞机节点间的通信链路集合，Vc代表网络中部署的控制节点集合，Ec代表控制路径集合，且Vc⊆V，Ec⊆E。

（2）本节假定已知混合式多控制器架构下GC的部署个数和位置，仅对控制平面中的LC进行部署，下面所提的控制节点与LC节点均为同一概念。

（3）考虑到实际情况，网络中所有飞机节点均应布置控制器，控制器按照具体部署策略相应打开或关闭。当飞机节点i上的控制器打开时，节点i为控制节点，当控制器关闭时，节点i为交换节点，也称作普通传输节点，网络中任意节点均有机会成为控制节点或交换节点。

（4）控制路径包括LC与GC节点之间的路径以及交换节点与LC节点间相连的路径。由于GC的优先级最高，故GC之间单独配置控制路径，实现对网络视图信息的共享。其余控制路径为带内方式，不单独配置控制路径，即控制信息和数据信息走相同的路径进行传输。(www.xing528.com)

（5）假定网络中节点和链路发生故障的概率均是独立的，pe和pν分别表示链路中断概率和节点失效概率，有0≤pe＜1，0≤pν＜1。

（6）网络中每个LC在同一时间内只能由唯一的GC控制，每个交换节点也只能由唯一的LC控制。

为方便描述多控制器部署问题，现对具体数学模型中的符号作一说明，如表8.1所示。

表8.1　符号说明

根据上述分析，可将软件定义航空信息网络中的多控制器部署问题建立如下目标函数：

式（8.1）表示最小化控制路径故障率；式（8.2）为LC节点和交换节点间的控制路径故障率；式（8.3）为LC节点与GC节点间的控制路径故障率；式（8.4）表示节点、链路失效概率取值范围；式（8.5）表示节点t受控制节点l所管控；式（8.6）表示网络中部署的控制器个数；式（8.7）表示一个交换节点只能由一个LC节点管控；式（8.8）表示各式中变量的取值范围。