一种分布式网络控制器动态优化方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其是一种分布式网络控制器动态优化方法。

背景技术

软件定义网络(Software-defined Networking：SDN)技术是将路由器和交换机等有线网络设备中的控制平面分离出数据平面，网络设备采用通用的硬件平台，只负责单纯的数据转发；原来负责网络逻辑控制的功能被迁徙、提炼成一个独立的、相对集中的控制器，即软件定义控制器上，具有整个网络的全局视野。通用的数据转发设备与控制器通过标准的接口进行数据流表的交互，通过控制器制定的流表进行匹配和转发数据。上层的网络服务与应用通过控制器提供的标准接口对底层的网络基础设施进行调用，从而把整个网络视为一个逻辑的或虚拟的网络实体，通过可编程方式对这个“实体”进行高效灵活的管控。

相对有线网络，无线网络由于用户终端或网络节点的移动性、通信环境的动态性与复杂性，以及设备的多样性和运维不便，高效的管控日益重要，无线SDN技术的应用日益广泛，包括水下无线通信系统，卫星通信系统等。

随着新的功能和服务的出现，未来无线网络分布智能和异构协同的特性更为明显。6G考虑在传统用户面和控制面基础上，引入数据面、计算面和安全面等功能，其中，控制面是关键，控制面功能部署及优化性能决定了其他面的效果。相对于基础设施的6G网络等，非基础设施的移动自组织网络由于其分布性，其控制面功能优化需更为频繁，开销更为巨大。

因此，软件定义控制器在分布式移动网络的高效优化是一个亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种高效、动态自适应的分布式网络控制器动态优化方法。

本发明的实施例提供了一种分布式网络控制器动态优化方法，包括：根据网络节点的通信能力信息确定邻居节点列表；根据所述邻居节点列表以及链路能力确定控制面拓扑；根据控制器时延确定控制器维护成本；根据控制器时延要求、所述控制器维护成本和所述控制面拓扑的变化程度确定优化策略。

可选地，所述根据网络节点的通信能力信息确定邻居节点列表，包括：获取邻居节点所广播的通信能力信息；其中，所述通信能力信息包括通信制式和所述通信制式对应的功率参数；根据所述通信能力信息构建邻居节点列表；其中，邻居节点列表包括以下至少之一：邻居节点ID、本节点与所述邻居节点之间的链路能力、所述邻居节点的位置、所述邻居节点的通信制式。

可选地，所述根据网络节点的通信能力信息确定邻居节点列表，包括：获取邻居节点所广播的位置信息和通信能力信息；其中，所述通信能力信息包括通信制式和所述通信制式对应的功率参数；根据所述邻居节点的位置信息和所述通信能力信息构建邻居节点列表；其中，邻居节点列表包括以下至少之一：邻居节点ID、本节点与所述邻居节点之间的链路能力、所述邻居节点的位置、所述邻居节点的通信制式。

可选地，所述根据所述邻居节点列表以及链路能力确定控制面拓扑，包括：获取网络节点上报的邻居节点列表，在所述邻居节点列表中获取邻居节点的有效链路；其中，所述有效链路是通信制式有效工作的链路；确定所述有效链路中链路能力最好的链路；将所述邻居节点和所述链路能力最好的链路构成的拓扑确定为控制面拓扑。

可选地，所述根据所述邻居节点列表以及链路能力确定控制面拓扑，还包括：控制器定期收集归属网络节点的状态信息；所述状态信息包括所述归属网络节点的链路变化、链路能力变化和业务分布变化信息；根据所述状态信息确定本地控制面拓扑，并在控制器之间交互本地控制面拓扑；根据所述本地控制面拓扑确定网络控制面拓扑。

可选地，所述根据控制器时延确定控制器维护成本，包括：获取网络节点到控制器的收集状态数据时延；获取所述网络节点到控制器的交换状态数据时延；根据所述收集状态数据时延和所述交换状态时延确定控制器维护成本。

可选地，所述根据所述收集状态数据时延和所述交换状态时延确定控制器维护成本，包括：控制器维护成本的计算公式为：

其中，c代表控制器；v代表网络节点；C代表控制器集合；V代表网络节点集合；c′代表其他控制器；D

可选地，所述根据控制器时延要求、所述控制器维护成本和所述控制面拓扑的变化程度确定优化策略，包括：当控制器之间的时延不满足最大时延要求，则进行控制器和网络节点迁移；当控制器之间的时延满足最大时延要求并且网络节点到控制器的时延不满足最大时延要求，则进行网络节点迁移；当控制器之间的时延和网络节点之间的时延均满足最大时延要求并且维护成本大于预设门限，则重新部署控制器。

可选地，所述根据所述控制器维护成本的变化情况以及所述控制面拓扑的变化程度确定优化策略，控制面拓扑变化的计算公式为：

其中，|E

可选地，所述进行控制器和网络节点迁移，包括：根据当前控制面拓扑确定邻接矩阵和路径矩阵；根据所述邻接矩阵和所述路径矩阵确定网络节点的便利系数以及活跃系数；根据链路能力、所述便利系数和所述活跃程度确定潜在的控制器迁移位置和所述网络节点的归属控制器；根据所述控制器迁移的位置和所述网络节点的归属控制器迁移所述控制器和所述网络节点。

本发明的实施例具有如下有益效果：根据网络节点的通信能力信息确定邻居节点列表；根据邻居节点列表以及链路能力确定控制面拓扑，根据控制器时延确定控制器维护成本，根据控制器维护成本的变化情况以及控制面拓扑的变化程度确定优化策略，能够充分利用网络节点的通信能力，动态自适应优化控制器，减少控制面的开销，保证网络分布式移动网络控制面的高效运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的方法步骤流程图；

图2是本发明实施例提供的控制器优化信令流程示意图；

图3是本发明实施例提供的控制面拓扑示意图；

图4是本发明实施例提供的确定控制器优化策略的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术中存在的软件定义控制器在分布式移动网络中亟需高效优化的问题，本发明实施例提供了一种分布式网络控制器动态优化方法，参照图1和图2，图1是本发明实施例提供的方法步骤流程图，图2是本发明实施例提供的控制器优化信令流程示意图，包括以下步骤S100～S400：

S100、根据网络节点的通信能力信息确定邻居节点列表。

具体地，各个网络节点确定其自身的邻居列表，参照表1，表1是本发明实施例提供的邻居节点表：

表1

该邻居列表包括邻居节点ID、本节点与邻居节点之间的链路能力，可选地，还可以包括邻居节点的位置信息；通信制式包括蜂窝移动通信制式、短距离通信制式和水下无线通信制式，其中，移动通信制式可以例如4G、5G等；短距离通信制式可以例如WiFi等；水下无线通信制式可以例如水下电磁波通信、水下光通信、水下声通信、水下磁场通信、水下电场通信等。步骤S100包括以下步骤S110～S120：

S110、获取邻居节点所广播的通信能力信息；其中，通信能力信息包括通信制式和通信制式对应的功率参数。

具体地，网络节点可以广播其通信能力信息并获取邻居节点所广播的通信能力信息，通信能力信息包括通信制式和该通信制式对应的功率参数。

S120、根据通信能力信息构建邻居节点列表；其中，邻居节点列表包括以下至少之一：邻居节点ID、本节点与邻居节点之间的链路能力、邻居节点的位置、邻居节点的通信制式。

具体地，所构建的邻居节点列表可以参照表1，在根据S110～S120步骤构建的邻居列表中不含邻居节点的位置信息。

在其他实施例中，还可以通过步骤S130～S140构建邻居节点列表：

S130、获取邻居节点所广播的位置信息和通信能力信息；其中，通信能力信息包括通信制式和通信制式对应的功率参数。

S140、根据邻居节点的位置信息和通信能力信息构建邻居节点列表；其中，邻居节点列表包括以下至少之一：邻居节点ID、本节点与邻居节点之间的链路能力、邻居节点的位置、邻居节点的通信制式。

具体地，所构建的邻居节点列表可以参照表1，在根据S130～S140步骤构建的邻居列表中包含邻居节点的位置信息。

S200、根据邻居节点列表以及链路能力确定控制面拓扑。

具体地，控制面拓扑侧重于控制信息的传输，为了避免由于网络节点移动导致的控制面拓扑变化巨大，当网络节点之间的链路失效时，可以采用其他通信制式。步骤S200包括以下步骤S210～S260：

S210、获取网络节点上报的邻居节点列表，在邻居节点列表中获取邻居节点的有效链路；其中，有效链路是通信制式有效工作的链路。

具体地，采用不同通信制式的节点之间的链路具有不同的链路能力，该链路能力可以是时延，也可以是时延和可靠性的组合等。在邻居节点列表中获取邻居节点的有效链路；其中，有效链路是通信制式有效工作的链路。

S220、确定有效链路中链路能力最好的链路。

S230、将邻居节点和链路能力最好的链路构成的拓扑确定为控制面拓扑。

具体地，将确定的有效链路中能力最好的有效工作的链路作为网络的控制面拓扑的边，该链路所连接的节点为控制面拓扑的点，从而构造出控制面拓扑。作为示例性说明，参照图3，图3是本发明实施例的控制面拓扑示意图，在图3中，网络节点1和网络节点2之间有3条有效链路，分别为有效链路a、有效链路b、有效链路c，分别对应不同的通信制式，其中，若有效链路c的链路能力最好，则将有效链路c确定为网络控制面拓扑中网络节点1和网络节点2的边，将网络节点1、网络节点2和链路c构成拓扑确定为该网络的控制面拓扑。需要说明的是，基于图3的说明仅仅是为了便于理解的示例性说明，并不能理解为对本发明网络拓扑规模的限制。

在本发明实施例中，确定控制面拓扑还可以用于控制面拓扑维护，具体包括以下步骤S240～S260：

S240、控制器定期收集归属网络节点的状态信息；该状态信息包括归属网络节点的链路变化、链路能力变化和业务分布变化信息。

具体地，参照图2，控制器可以定期向归属该控制器的网络节点发送控制器维护请求，网络节点根据归属控制器的维护请求，通过控制器维护响应消息向归属控制器发送网络节点的状态信息，该状态信息包括网络节点的邻居列表变化部分，控制器收集归属网络节点的状态信息。可选地，在控制器维护响应消息中可以携带网络节点的位置信息。

S250、根据状态信息确定本地控制面拓扑，并在控制器之间交互本地控制面拓扑。

具体地，每个控制器根据其所管理的网络节点上报的状态新消息，形成本地控制面拓扑，控制器之间相互发送本地控制面拓扑以获得整个网络的网络节点的状态信息。

S260、根据本地控制面拓扑确定网络控制面拓扑。

具体地，在本发明实施例中，本地控制面拓扑是一个控制器所管理的网络节点之间的拓扑，在网络中可能有多个控制器，对应有多个本地控制面拓扑。基于这些本地控制面拓扑可以形成所有网络节点之间的拓扑，即网络控制面拓扑。

S300、根据控制器时延确定控制器维护成本。

具体地，在新的控制器优化周期，根据控制器时延确定控制器维护成本，其中，控制器维护成本的计算公式为：

其中，T

S400、根据控制器时延要求、控制器维护成本和控制面拓扑的变化程度确定优化策略。

具体地，参照图4，图4是本发明实施例提供的确定控制器优化策略流程图，当控制器时延要求、控制器维护成本和控制器拓扑的变化程度不同，则需要采取不同的控制器优化策略，其中，控制面拓扑变化的计算公式为：

其中，|E

步骤S400包括以下步骤S410～S440：

S410、当控制器之间的时延不满足最大时延要求，则进行控制器和网络节点迁移。

具体地，随着网络控制器节点的移动，控制面拓扑也将发生变化，当控制器之间的链路能力变差，控制器之间的时延不满足最大时延要求时，则进行控制器和网络节点迁移，网络节点重新选择归属控制器。

S420、当控制器之间的时延满足最大时延要求并且网络节点到控制器的时延不满足最大时延要求，则进行网络节点迁移。

具体地，网络节点由于工作任务需要移动，则可能离开当前归属控制器，或者当前工作环境发生变化，例如有阻挡物(如树木、汽车、楼宇等)阻挡时，无线信号大大衰减，控制器之间的链路能力变差，甚至可能无法工作，则导致网络节点需要重新选择归属控制器。最优的控制器选择策略为最短路径时延，最短路径时延的归属控制器表达式为：

其中，

S430、当控制器之间的时延和网络节点之间的时延均满足最大时延要求并且维护成本大于预设门限，则重新部署控制器。

具体地，基于链路能力确定控制面拓扑能够极大程度地减少控制面拓扑的变化。在大多数情况下，控制器之间的时延和网络节点之间的时延都可能满足最大时延要求，但随着时间的积累，网络维护成本越来越大，当网络维护成本超过预设门限时，则重新部署控制器，其中，控制器维护成本由步骤S300可得。

可选地，在其他实施例中，为了进一步避免控制器部署过于频繁，控制器开销过大时，可以在控制器维护成本超过预设门限并且控制器拓扑变化大于预设的控制器拓扑变化门限时进行控制器重新部署。

S440、当控制器之间的时延和网络节点之间的时延均满足最大时延要求并且维护成本不大于预设门限或者控制面拓扑变化不大于预设门限，则无需优化。

在步骤S410～S440中，进行控制器和网络节点迁移包括：

(1)根据当前控制面拓扑确定邻接矩阵和路径矩阵。

具体地，根据当前控制面拓扑G(V，E)，确定邻接矩阵A，其表达式为：

其中，α

根据当前控制面拓扑G(V，E)，确定路径矩阵D，其表达式为：

D＝[D

其中，V表示控制面拓扑的网络节点集合；D

需要说明的是，在本发明实施例中，路径可能包括多个链路，则上述跳数定义为网络节点路径所经过的节点数，示例性地说明可以例如：网络节点路径i到节点j具有两条路径，第一条路径为i→k→m→j，则该路径的跳数为2；第二条路径为i→k→j，则该路径的跳数为1；跳数最少的路径为第二条路径。

(2)根据邻接矩阵和路径矩阵确定网络节点的便利系数以及活跃系数。

具体地，对邻接矩阵A的每一行元素求和并归一化，得到该网络节点v

其中，e

根据路径矩阵D，可获得每个节点的便利系数，其表达式为：

其中，τ

(3)根据链路能力、便利系数和活跃程度确定潜在的控制器迁移位置和网络节点的归属控制器。

具体地，根据链路能力、网络节点的活跃系数与网络节点的便利系数可以获得控制器优化集合，表达式为：

C

其中，C

活跃系数能够表征网络节点的活跃程度，便利系数能够表征网络节点的便利程度，基于链路能力和节点的活跃程度与便利程度确定潜在的控制器迁移位置，能够取得优化稳定性和性能的折中效果。

基于控制器优化集合确定控制器迁移位置和网络节点归属控制器，可以用表达式表示为：

subject to

其中，C

(4)根据控制器迁移的位置和网络节点的归属控制器迁移控制器和网络节点。

本发明的实施例具有如下有益效果：

1、能够充分利用网络节点的通信能力，动态自适应优化控制器，减少控制面的开销，保证网络分布式移动网络控制面的高效运行；

2、基于链路能力和节点的活跃程度与便利程度确定潜在的控制器迁移位置，能够取得优化稳定性和性能的折中效果。

以下是本发明实施例提供的一个应用场景：

在分布式网络的场景下，根据网络节点的通信能力信息确定邻居节点列表，根据所述邻居节点列表以及链路能力确定控制面拓扑，根据控制器时延确定控制器维护成本，根据控制器时延要求、所述控制器维护成本和所述控制面拓扑的变化程度确定优化策略。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。