Spatial Information Network虚拟化技术如何提高空间信息网络资源管理效率？

Posted 2021-05-02 天地一体化信息网络

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        （航天工程大学复杂电子系统仿真实验室）

来源：《基于虚拟化的空间信息网络资源管理机

           制研究》论文

随着我国空间信息技术的不断发展，“天地一体化信息网络”建设上升为国家战略之际，空间信息网络已成为新的研究热点。针对当前空间系统相互独立，资源使用效率较低的现状，将虚拟化技术应用到空间信息网络中。首先对空间信息网络节点资源进行了分类和虚拟化，然后搭建了空间信息网络虚拟资源管理器，设计了空间信息网络虚拟资源查找与调度流程，最后，建立了基于资源虚拟化的空间信息网络架构，提高了管理效率，为空间信息网络的建设提供了结构与管理方面的支撑。

空间信息网络是以各类空间平台（如同步卫星或中轨卫星、平层气球和有人或无人驾驶飞机等）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。由于其具有独特的空间位置优势，与地面网络相比，空间信息网络在对地观测、应急通信、航空运输、航天测控和国家战略利益扩展等方面都具有不可替代的作用，已逐渐成为国家战略利益的高边疆。

当前，空间信息网络的建设仍然表现出各自为阵、重复建设的“烟囱式”发展局面，针对航天测控、对地遥感、通信业务等领域的不同应用，采用相互隔离且独立的体系结构来满足不同任务的需求，各个系统针对特定任务设计，在完成任务后会出现较多空闲状态，无法对空间资源进行整体配置。

在传统互联网中，随着网络规模的不断扩大以及新兴网络通信技术和互联网业务的发展，传统互联网的复杂度以指数的形式剧增，利用虚拟化技术在公共的底层网络基础设施上同时承载多个独立运行虚拟网络，通过高效的资源管理有选择和有重点地优化资源在各虚拟网络间的配置与调度，能够提高当前互联网资源利用率和业务服务质量，并能够降低网络运营和维护成本，已成为近年来国内外学者在未来网络领域的主要研究热点之一。

虚拟化是指资源的逻辑表示，它不受物理限制的约束。网络虚拟化技术是指将网络的硬件和软件资源整合，向用户提供虚拟的网络连接，其可以将多个本地网络组合成一个逻辑网络，或者将一个本地网络分割成多个逻辑网络，从而提高空间网络的利用率。资源虚拟化为物理资源提供一个抽象的逻辑视图，用户和网络资源管理模块可以通过这个视图提供的统一接口来访问、管理被整合的物理资源。

基于虚拟化技术所具有的优势，国内外已有学者和科研机构提出建立基于软件定义网络（Software Defined Networking, SDN）的空间信息网络，尚处于起步阶段，主要集中于体系结构和路由算法的分析，虚拟化技术作为实现软件定义网络的重要手段，当前研究缺乏对空间信息网络资源虚拟化及虚拟资源管理机制的具体分析。

本论文将虚拟化技术应用到空间信息网络中，把空间信息网络资源都聚集在虚拟的资源池中，对虚拟资源管理机制进行研究，实现空间信息网络资源的统一规划和管理，能够大幅度提高空间信息网络资源的整体优化配置和管理效率，尽可能为更多的业务提供更高质量的服务，达到复杂多任务与多维资源高效协同的目标。

一 、空间信息网络资源分类

资源虚拟化是将空间信息网络资源都聚集在虚拟的资源池中，因此，需要首先分析可用的空间信息网络资源，对其进行合理的分类，并对其特点进行研究。根据空间信息网络的定义，结合我国空间技术的发展现状和未来规划，当前，我国可用的空间资源如图1所示，主要包括：空间层的高轨、中轨、低轨卫星，气球、飞艇等平流层飞行器，地面层的信关站等地面网络。

图1 空间信息资源示意图

根据空间信息网络中网络实体的物理功用，可以将资源分为两大部分，即节点资源和链路资源。

节点资源可以划分为以下七大类别：a.传感器资源；b.天线资源；c.频率资源；d.计算资源；e.能量资源；f.存储资源；h.其他资源。

链路资源可以划分为以下五大类别：a.跨层间星间链路资源；b.同层间星间链路资源；c.星地链路资源；d.地面链路资源；e.其他链路资源。本文主要基于节点资源的虚拟化进行研究。

在空间信息网络中，各种节点资源呈现出以下特点：

（1）离散分布性：从逻辑上来看，各种空间资源离散分布在高轨、中轨、地轨卫星等各个部分，且不同节点之间还需要进行互联互通，覆盖区域十分广泛，数量众多。

（2）异构性：不同的空间资源，其所描述的内容不尽相同，甚至对于同一资源，其管理体制、通信协议等也可能不尽相同。对于相同的空间资源，不同需求者所关注的内容也不尽相同。

（3）动态性：其动态性又可以细化为时间域的时变特征和空间域的空变特征。时变特征表示资源节点当前消耗状态，如负荷情况、内存使用率等属性，随着时间、计划和占用等因素的变化而时刻变化。空变特征是指随着时间的推移，各种节点资源时刻发生位置变化的现象。

（4）资源受限，协同能力弱：由于星上载荷受限等原因，造成系统内存小、CPU处理能力低、所带电源有限等，使得空间信息网络中空间部分相比于地面节点有着很大的局限性，而且一旦上天，由于在轨硬件升级的难度大，难以对节点资源进行升级和更换。此外，星间链路比较脆弱，使得节点间协同工作较为困难。

二 、空间信息网络资源虚拟化

为了能够给空间资源的浏览、查找、选择、组合提供依据，空间信息资源虚拟化至少应该满足以下要求：

（1）统一方式描述资源的本质信息：针对空间信息网络中不同类别的资源，能够采用语法和语义层面一致的形式化方法描述资源的信息，包括功能、属性、使用策略、任务级别等信息。

（2）可扩展性：因为空间资源具有高度动态性，并且对资源的建模也是逐步实现的，因此虚拟化资源要具备可随时、简单、快速扩展的性质。

（3）人机可读性：虚拟资源必须能够被机器可读，从而实现空间资源的自动化操作。

（4）可区分性：虚拟资源要具备个体可区分性，以利于进行虚拟资源的智能搜索和匹配。

（5）为资源使用提供足够信息：虚拟化资源的建立，要为资源的浏览、查找、组合提供足够的信息。

对于任意时刻的一个空间信息网络节点，能够采用一个多元数组表示该节点的空间网络资源。在此，将一个空间信息网络虚拟资源VR（Virtual Resource）定义为五元数组：

VR={ID（R），PR（R），LR（R），Rule（R），Domian（R）}  （1）

其中，ID（R）是空间信息网络资源在全局的唯一标识，PR（R）是空间信息网络资源的物理资源集合，LR（R）是空间信息网络的逻辑资源集合，Rule（R）是空间信息网络资源使用策略或限制的集合，Domian（R）是空间信息网络地理位置域或逻辑控制域的属性信息。

通过对空间信息网络资源的虚拟化，可以整合相同或类似的物理资源，得到对应的抽象资源集合，以提高空间信息网络资源的利用效率。

三、虚拟资源管理机制 

（一） 虚拟资源管理器

要实现对空间信息网络虚拟资源的管理和调度，先要对资源进行管理，建立相应的虚拟资源管理库，本文建立的空间信息网络虚拟资源管理器如图2所示：

图2  虚拟资源管理器

空间信息网络虚拟资源管理器是一个三层逻辑架构图：虚拟资源层，虚拟资源池层，虚拟资源管理层。

（1）虚拟资源层是对底层的传感器、天线等物理资源进行封装，得到虚拟资源。由于空间信息网络具有高度的动态性，其资源状态随着空间任务的进行不断发生变化，因此，通过顶层模型及模型解析引擎对虚拟资源的状态进行感知、查询和更新，能够进行实时的查询和监控。

（2）虚拟资源池层包括形成的抽象模型、组合模型、协商模型等，形成知识库，并负责虚拟资源的映射，即将虚节点逻辑地部署在位置和资源都满足要求的实际网络的相应物理节点上。

（3）虚拟资源管理层是整个虚拟资源管理器的核心部分，是为虚拟资源的使用者提供相应的功能，完成虚拟资源的注册与发布、部署与绑定、调度与监控等一系列功能。此外，虚拟资源管理层还要具备安全管理功能，能够对虚拟网进行故障诊断和在线实时优化。

（二） 虚拟资源查找与调度流程

在建立虚拟资源管理器后，对传感器、天线等物理资源进行了虚拟化，将物理资源抽象为虚拟资源，得到虚拟资源池，设置了虚拟资源管理方式，就可以对空间信息网络虚拟资源的发布及查找与调度流程进行研究，本文设计的流程如图3所示：

图3  虚拟资源查找与调度流程

• 步骤1：首先建立资源模型，利用资源注册与发布功能将资源模型提交到虚拟资源管理中。

• 步骤2：利用模型解析引擎将资源模型进行解析，此处可采用OWL-S解析引擎，解析后进入到虚拟资源模型库中。

• 步骤3：为了保证虚拟资源的准确检索，还可以在虚拟资源目录中进一步增添相应的虚拟资源ID、名称、属性等，至此，通过前三个步骤就形成了虚拟资源模型库和目录，完成了空间信息网络虚拟资源的发布流程和相应的审核过程。

• 步骤4：虚拟资源使用者按照系统所要求的格式提供所需资源的属性、功能、使用策略等信息，将资源需求信息提交到虚拟资源管理器中。

• 步骤5-7：接收到虚拟资源需求后，虚拟资源管理器会调用智能查找与匹配功能查找资源，通过基于模型的相似性将虚拟资源目录中的信息与需求进行匹配，包括物理属性、逻辑策略、地理位置等，相应的匹配算法有模糊函数匹配算法、层次分析匹配算法、结构树匹配算法等，经过功能性比较后，能够得到一个满足使用者所需功能性需求的虚拟资源列表，再进一步进行非功能性需求匹配，将虚拟资源中的QoS和SLA等性能进行比较，得到满足功能的虚拟资源列表给使用者。

• 步骤8-9：通过智能查找与匹配后，得到的虚拟资源列表可能不止一个，此时就需要进行人工选择，确定所需要的虚拟资源后，就将虚拟资源库中的相应资源绑定信息，将任务绑定到具体的物理资源上。

• 步骤10：在完成资源绑定后，将信息传递给显示的物理资源，交给天线、传感器等现实资源来完成任务。

• 步骤11：现实资源在接收到任务后，就可以按照不同的任务级别去完成任务。在完成过程中，受到相应的资源监控，在实际资源使用过程中或过程后，其相应的信息可能会发生变化，将变化后的信息重新建模，更新虚拟资源模型库和虚拟资源目录。

基于以上对虚拟资源查找与调度流程的设计，也印证了本文所建立的虚拟资源管理器，能够满足空间信息网络资源虚拟化的要求。

（三 ）空间信息网络架构

通过对基于虚拟化的空间信息网络管理机制的研究，最终建立的基于资源虚拟化的空间信息网络架构如图4所示：

图4  基于资源虚拟化的空间信息网络架构

由同步、中、低轨道卫星、平流层飞行器、地面站提供传感器、天线等各种节点资源，在对节点资源完成虚拟化后，利用本文设计的空间信息网络虚拟资源管理器，按照本文设计的虚拟资源查找与调度流程，在面对通信、导航、遥感等一系列任务时，构建不同的虚拟网络，更加高效快捷地完成不同的任务。

基于资源虚拟化的空间信息网络结构使得原本属于不同层面、不同制式、不同能力的节点和链路互联互通，统一融合到同一个网络体系中去，实现了资源的灵活共享，提高了空间信息资源的使用效率。

四 、 结语

为了提高空间信息网络整体的优化配置和管理效率，本文将虚拟化技术引入到空间信息网络中，对空间信息网络资源的分类及虚拟化进行了研究，建立了空间信息网络虚拟资源管理器，设计了空间信息网络虚拟资源查找与调度流程，对空间信息网络的架构建设具有一定的参考意义。在实际的空间信息网络中，虚拟资源之间存在着一定的组合关系，对组合后的虚拟资源进行管理与调度，以及进一步提高虚拟资源的查找与匹配效率，将是下一步要研究的内容。

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