本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)仿真，具體而言涉及一種用于空間網(wǎng)絡(luò)仿真的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，大規(guī)模衛(wèi)星星座部署計(jì)劃時(shí)有提出，如oneweb星座、starlink星座等；結(jié)合地基節(jié)點(diǎn)，整個(gè)場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)可達(dá)上千，甚至過(guò)萬(wàn)。對(duì)大規(guī)模場(chǎng)景的仿真是空間網(wǎng)絡(luò)仿真中繞不開(kāi)的問(wèn)題。然而目前比較常用的基于虛擬化技術(shù)的單機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真方法，受計(jì)算機(jī)資源限制，在面對(duì)眾多節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)場(chǎng)景時(shí)，可能會(huì)遇到硬件資源不足的問(wèn)題，無(wú)法完成仿真。因此，在空間網(wǎng)絡(luò)仿真中一般通過(guò)使用多臺(tái)服務(wù)器或集群來(lái)擴(kuò)展硬件資源，且一般通過(guò)容器編排系統(tǒng)對(duì)硬件資源進(jìn)行管理分配。

2、傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法一般僅考慮了仿真節(jié)點(diǎn)需要的硬件資源以及部署仿真節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器所剩余的硬件資源間的關(guān)系進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的放置。廣為使用的容器編排系統(tǒng)kubernetes（k8s）在節(jié)點(diǎn)放置階段所采用的最大請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)（mostrequestpriority）、均衡分配（balancedresouceallocation）等負(fù)載均衡放置策略，重點(diǎn)考慮的因素就是待放置的仿真節(jié)點(diǎn)容器所需要的cpu、內(nèi)存、磁盤(pán)等資源與服務(wù)器剩余可提供的cpu、內(nèi)存、磁盤(pán)資源的關(guān)系，這適用于目標(biāo)是對(duì)集群外的請(qǐng)求提供服務(wù)的云節(jié)點(diǎn)放置場(chǎng)景。然而，對(duì)于空間網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景，其主要業(yè)務(wù)是仿真空間網(wǎng)絡(luò)功能。除了每個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)都需要cpu、內(nèi)存、磁盤(pán)等硬件資源以滿足其內(nèi)部進(jìn)程、業(yè)務(wù)正常運(yùn)行之外，仿真空間網(wǎng)絡(luò)功能中還包括另一個(gè)十分重要的方面，即對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)鏈路的仿真。空間網(wǎng)絡(luò)中，由于衛(wèi)星不斷移動(dòng)，使得衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系、鏈路特性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞榷际请S時(shí)間改變的；但是各衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)均按預(yù)定軌道周期性運(yùn)行，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的可見(jiàn)性關(guān)系也隨時(shí)間確定，因此根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)相互的連接關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诟鱾€(gè)時(shí)隙內(nèi)也是確定的。為了仿真隨時(shí)間變化的空間網(wǎng)絡(luò)鏈路，需要建立起來(lái)各個(gè)時(shí)隙內(nèi)的仿真節(jié)點(diǎn)之間的鏈路連接。

3、在空間網(wǎng)絡(luò)仿真中通常使用多層虛擬交換機(jī)（ovs）進(jìn)行仿真節(jié)點(diǎn)間的鏈路建立與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而ovs需依靠cpu處理數(shù)據(jù)包的交換轉(zhuǎn)發(fā)，因此ovs占用的資源最終表現(xiàn)為對(duì)服務(wù)器cpu資源的額外占用。因此在空間網(wǎng)絡(luò)仿真中，除了仿真節(jié)點(diǎn)所需要的滿足其內(nèi)部進(jìn)程、業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的cpu、內(nèi)存、磁盤(pán)等資源外，還由于仿真節(jié)點(diǎn)之間靈活建立的空間網(wǎng)絡(luò)鏈路上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，額外占用大量cpu資源。此外，由于空間網(wǎng)絡(luò)仿真中會(huì)存在著大量仿真節(jié)點(diǎn)之間的仿真鏈路，而這些仿真節(jié)點(diǎn)很有可能被部署到不同的承載服務(wù)器當(dāng)中，此時(shí)會(huì)帶來(lái)不同服務(wù)器之間的大量數(shù)據(jù)交互，占用服務(wù)器的帶寬資源。因此按照原來(lái)的云節(jié)點(diǎn)放置負(fù)載均衡方法來(lái)放置空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)，僅考慮仿真節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器的需求與剩余資源的關(guān)系，而忽略對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)仿真鏈路的考慮，勢(shì)必會(huì)造成一系列的部署不合理問(wèn)題，甚至可能由于節(jié)點(diǎn)放置不當(dāng)，影響仿真鏈路的預(yù)設(shè)帶寬，造成服務(wù)器剩余資源不足以支撐仿真業(yè)務(wù)繼續(xù)進(jìn)行，從而影響空間網(wǎng)絡(luò)仿真效果。

4、因此為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)時(shí)隙內(nèi)準(zhǔn)確的空間網(wǎng)絡(luò)仿真，在節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法中，僅僅考慮仿真節(jié)點(diǎn)所需的硬件資源以及服務(wù)器可提供的硬件資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)加入對(duì)由空間網(wǎng)絡(luò)仿真中仿真鏈路的建立而帶來(lái)的額外占用的cpu資源以及服務(wù)器之間通信帶寬的考慮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)目前節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法應(yīng)用在空間網(wǎng)絡(luò)仿真中缺乏考慮空間網(wǎng)絡(luò)仿真鏈路上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互造成的額外占用的大量資源的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于空間網(wǎng)絡(luò)仿真的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法，旨在加入對(duì)由空間網(wǎng)絡(luò)仿真鏈路造成的額外資源需求的考量，均衡空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)的放置，在保證仿真業(yè)務(wù)進(jìn)行的情況下，盡可能減小所有服務(wù)器的額外開(kāi)銷(xiāo)。

2、上述的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供一種用于空間網(wǎng)絡(luò)仿真的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法，包括以下步驟：

4、s1.?建立空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署模型：分析空間網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景的特殊性，構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署模型的基本框架，明確節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法的輸入、輸出內(nèi)容，明確硬件資源約束模型。

5、s2.?依照步驟s1中建立的空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署模型，構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法的目標(biāo)函數(shù)，引入資源匹配度概念均衡仿真節(jié)點(diǎn)負(fù)載，利用信息素機(jī)制、概率調(diào)度的思想生成空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署方法的解空間。

6、s3.?針對(duì)步驟s2中生成的解空間中的解，驗(yàn)證其對(duì)硬件資源約束模型的滿足情況，并依此結(jié)果將步驟s2解空間中的解與記錄的最優(yōu)解、最優(yōu)方案進(jìn)行比較、更新。

7、s4.?利用步驟s3更新的解策略刷新空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署模型的信息素，繼續(xù)迭代生成解空間直至達(dá)到終止條件，輸出最終的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，以及最優(yōu)部署方案。

8、進(jìn)一步地，所述步驟s1中具體包括如下子步驟：

9、s1.1?根據(jù)空間網(wǎng)絡(luò)仿真的特點(diǎn)，分析空間網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景的特殊性?？臻g網(wǎng)絡(luò)仿真過(guò)程中，仿真節(jié)點(diǎn)除了必要的維持其內(nèi)部業(yè)務(wù)正常進(jìn)行的硬件資源需求外，還需要仿真空間網(wǎng)絡(luò)鏈路。

10、s1.2?構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署模型的基本框架，給出節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法的輸入、輸出內(nèi)容。

11、空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署模型包含有個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真節(jié)點(diǎn)的集合以及包含有臺(tái)服務(wù)器的服務(wù)器集合。

12、；

13、；

14、其中，分別代表仿真節(jié)點(diǎn)，分別代表服務(wù)器。

15、對(duì)于空間網(wǎng)絡(luò)仿真中仿真節(jié)點(diǎn)之間的基于ovs建立的仿真鏈路情況，采用一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系矩陣表示，其含義是表達(dá)仿真節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系：

16、；

17、矩陣中表示為仿真節(jié)點(diǎn)與仿真節(jié)點(diǎn)之間的鏈路連接關(guān)系。如果仿真節(jié)點(diǎn)與仿真節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有鏈路連接，則為0，仿真節(jié)點(diǎn)與仿真節(jié)點(diǎn)之間有鏈路連接，則為1。

18、定義變量表示仿真節(jié)點(diǎn)是否部署在服務(wù)器上，若仿真節(jié)點(diǎn)部署在服務(wù)器，則；反之為0，由于一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)只能部署在一臺(tái)服務(wù)器上，因此，。

19、部署模型的輸入為仿真節(jié)點(diǎn)的集合、服務(wù)器集合以及仿真節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系矩陣。部署模型的輸出為部署方案的目標(biāo)函數(shù)值的最小值，記為最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，以及目標(biāo)函數(shù)值取最小值時(shí)的仿真節(jié)點(diǎn)部署方案，記為最優(yōu)部署方案。

20、s1.3?明確資源約束模型。規(guī)定每臺(tái)服務(wù)器能夠提供的硬件資源，分別表示為一個(gè)三維向量：

21、；

22、其中，、和分別是服務(wù)器能夠?yàn)榉抡婀?jié)點(diǎn)提供的cpu、內(nèi)存、磁盤(pán)資源。

23、由于服務(wù)器在部署節(jié)點(diǎn)前還運(yùn)行著一些進(jìn)程，耗費(fèi)了部分資源，需要將服務(wù)器已經(jīng)使用的資源進(jìn)行量化。服務(wù)器的資源已負(fù)載情況定義為一個(gè)三維向量：

24、；

25、其中，、和?是服務(wù)器已使用的cpu、內(nèi)存、磁盤(pán)資源。

26、而對(duì)于每個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)，其為了維持其內(nèi)部業(yè)務(wù)正常進(jìn)行，對(duì)服務(wù)器資源的需求定義為下面的一個(gè)三維向量：

27、；

28、其中，、和分別代表仿真節(jié)點(diǎn)對(duì)cpu、內(nèi)存、磁盤(pán)資源。

29、為了達(dá)到負(fù)載均衡的目的，每臺(tái)服務(wù)器所負(fù)載的仿真節(jié)點(diǎn)的所有硬件需求之和應(yīng)當(dāng)不超過(guò)服務(wù)器的可用硬件資源，因此最終的資源約束模型表述為服務(wù)器已使用資源以及為仿真節(jié)點(diǎn)使用的資源之和不能超過(guò)其可提供的資源。資源約束模型如下所示：

30、；

31、其中表示仿真鏈路的預(yù)設(shè)帶寬；為滿足仿真鏈路的預(yù)設(shè)帶寬對(duì)服務(wù)器的額外的cpu資源需求；表示服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)接口的可用帶寬。

32、步驟s2中具體包括如下子步驟：

33、s2.1?依照步驟s1中的空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署模型，構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)仿真的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法的目標(biāo)函數(shù)。為了在空間網(wǎng)絡(luò)仿真中盡可能地利用更少的硬件資源來(lái)完成仿真節(jié)點(diǎn)的放置以及仿真場(chǎng)景的搭建，可以得到最終的目標(biāo)函數(shù)為在不超過(guò)每臺(tái)服務(wù)器可用cpu、內(nèi)存、磁盤(pán)和服務(wù)器間網(wǎng)口通信帶寬的前提下，盡可能減少由于仿真節(jié)點(diǎn)之間依靠ovs實(shí)現(xiàn)的仿真鏈路所帶來(lái)的額外的cpu資源占用，表示為：

34、。

35、s2.2?引入資源匹配度概念均衡仿真節(jié)點(diǎn)負(fù)載。

36、資源匹配度概念分為三個(gè)部分，分別為cpu資源匹配度、內(nèi)存資源匹配度、以及磁盤(pán)資源匹配度。

37、cpu資源匹配度表示為該服務(wù)器可提供的cpu資源與仿真節(jié)點(diǎn)的cpu資源需求的比值。

38、；

39、其中，是服務(wù)器已使用的cpu資源；是服務(wù)器可以提供的cpu資源；代表仿真節(jié)點(diǎn)對(duì)cpu資源的需求。

40、內(nèi)存資源匹配度表示為該服務(wù)器可提供的內(nèi)存資源與仿真節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存資源需求的比值。

41、；

42、其中，是服務(wù)器已使用的內(nèi)存資源；是服務(wù)器可以提供的內(nèi)存資源；代表仿真節(jié)點(diǎn)對(duì)內(nèi)存資源的需求。

43、磁盤(pán)資源匹配度表示為該服務(wù)器可提供的磁盤(pán)資源與仿真節(jié)點(diǎn)的磁盤(pán)資源需求的比值。

44、；

45、其中，是服務(wù)器已使用的磁盤(pán)資源；是服務(wù)器可以提供的磁盤(pán)資源；代表仿真節(jié)點(diǎn)對(duì)磁盤(pán)資源的需求。

46、將cpu資源匹配度、內(nèi)存資源匹配度、以及磁盤(pán)資源匹配度三者按重要程度加權(quán)，如果最終的資源匹配度越大，則證明該仿真節(jié)點(diǎn)部署到該服務(wù)器能得到的潛在益處越大，也就越有可能被部署到該服務(wù)器上，因此最終的資源匹配度表示為這三者的加權(quán)平均。

47、s2.3?利用信息素機(jī)制、概率調(diào)度的思想生成部署方法的解空間。信息素的添加是根據(jù)當(dāng)前搜索個(gè)體找到的解，按解的優(yōu)劣程度更新相關(guān)路徑上的信息素濃度。更優(yōu)解路徑上的信息素濃度增加更快，從而在下次迭代中引導(dǎo)更多的個(gè)體選擇這些路徑。解的構(gòu)建過(guò)程是一個(gè)概率過(guò)程，搜索種群中的每個(gè)個(gè)體根據(jù)路徑上的信息素濃度和啟發(fā)因子的綜合影響來(lái)選擇下一步的路徑。在解構(gòu)建的過(guò)程中，仿真節(jié)點(diǎn)根據(jù)概率被調(diào)度到服務(wù)器：

48、；

49、其中和分別表示在迭代次數(shù)??時(shí)，搜索個(gè)體部署仿真節(jié)點(diǎn)到服務(wù)器時(shí)的信息素和資源匹配度；和分別為信息素和資源匹配度的權(quán)重參數(shù)。信息素越高，部署仿真節(jié)點(diǎn)到服務(wù)器的傾向性越強(qiáng)。資源匹配度越高，將仿真節(jié)點(diǎn)分配給服務(wù)器的潛在益處越高，傾向性也就越強(qiáng)。

50、對(duì)于搜索種群中的每一個(gè)個(gè)體，都會(huì)根據(jù)信息素機(jī)制、概率調(diào)度生成一個(gè)解策略，解策略包括目標(biāo)函數(shù)值以及對(duì)應(yīng)的仿真節(jié)點(diǎn)部署方案。所有的解策略的集合構(gòu)成了本次搜索的解空間。

51、步驟s3中具體包括如下子步驟：

52、s3.1?約束條件驗(yàn)證。對(duì)于s2得出的解空間，需要驗(yàn)證其中每個(gè)解策略是否滿足步驟s1中資源約束模型的限制。

53、如果解策略的仿真節(jié)點(diǎn)部署方案不滿足步驟s1中資源約束模型的限制，則將該解策略的目標(biāo)函數(shù)值修改為一個(gè)懲罰值，將此解策略的仿真節(jié)點(diǎn)部署方案棄用。避免最終的最優(yōu)部署方案不滿足約束條件。

54、s3.2?最優(yōu)解、最優(yōu)方案進(jìn)行比較、更新。如果驗(yàn)證構(gòu)建出的解策略滿足約束條件，則將這個(gè)解策略得到的目標(biāo)函數(shù)值與此時(shí)的最優(yōu)解進(jìn)行對(duì)比，如果其值小于最優(yōu)解，替換這個(gè)解策略得到的目標(biāo)函數(shù)值為最優(yōu)解，并記錄此時(shí)的仿真節(jié)點(diǎn)部署方案為最優(yōu)方案：

55、；

56、其中表示為仿真節(jié)點(diǎn)部署在服務(wù)器上，依次類(lèi)推。即為該解策略下仿真節(jié)點(diǎn)部署方案。

57、步驟s4為如下步驟：

58、s4.1?利用更新的解策略刷新部署模型的信息素。信息素更新過(guò)程分為兩個(gè)步驟：信息素?fù)]發(fā)與信息素添加。信息素?fù)]發(fā)的數(shù)學(xué)表達(dá)如下所示：

59、；

60、其中，表示迭代次時(shí)仿真節(jié)點(diǎn)部署到服務(wù)器上的信息素濃度。是信息素?fù)]發(fā)因子，通常取值在0到1之間。通過(guò)此操作，每次迭代后信息素濃度都會(huì)乘以一個(gè)小于1的因子，因此會(huì)逐漸減少。

61、而信息素的添加是根據(jù)當(dāng)前搜索個(gè)體找到的解，按解的優(yōu)劣程度更新相關(guān)路徑上的信息素濃度。更優(yōu)解路徑上的信息素濃度增加更快，從而引導(dǎo)更多搜索個(gè)體選擇這些路徑。每個(gè)搜索個(gè)體都在其經(jīng)過(guò)的路徑上增加信息素，數(shù)學(xué)表示如下：

62、；

63、其中：是信息素更新常數(shù)，通常記為1，表示搜索個(gè)體找到的解的成本， numind表示搜索種群中搜索個(gè)體的總數(shù)，對(duì)于越優(yōu)的解，成本越低對(duì)于信息素的增量就越大，因此使用該搜索個(gè)體構(gòu)建的解策略的目標(biāo)函數(shù)值作為比較恰當(dāng)，更低的目標(biāo)函數(shù)值意味著該解策略約優(yōu)。

64、綜合信息素?fù)]發(fā)與信息素添加，完整的信息素更新表示為：

65、。

66、s4.2?繼續(xù)迭代生成解空間直至達(dá)到終止條件，輸出最終的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，以及最優(yōu)部署方案。在步驟s4.1結(jié)束后，依照刷新過(guò)的部署方法的信息素，重復(fù)步驟s2，s3以及s4.1，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)置的迭代上限終止。達(dá)到后，輸出最終的最優(yōu)解為最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，以及對(duì)應(yīng)的最優(yōu)方案為最優(yōu)部署方案：

67、；

68、其中表示最優(yōu)部署方案中仿真節(jié)點(diǎn)部署在服務(wù)器上，依次類(lèi)推。

69、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

70、本發(fā)明提供一種用于空間網(wǎng)絡(luò)仿真的節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡部署方法。本方法能夠更為合理地將空間網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)部署到合適的服務(wù)器當(dāng)中，解決空間網(wǎng)絡(luò)仿真中可能出現(xiàn)的服務(wù)器剩余資源不足以支撐仿真業(yè)務(wù)進(jìn)行，影響空間網(wǎng)絡(luò)仿真效果等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了在一定的服務(wù)器資源下，部署一定量的仿真節(jié)點(diǎn)時(shí)，在保證仿真業(yè)務(wù)進(jìn)行的情況下，盡可能減小所有服務(wù)器的額外開(kāi)銷(xiāo)，提升仿真業(yè)務(wù)的效率與可靠性，具有一定的推廣意義。