2.2 通信控制器设计-铁水运输动态监测系统无线通讯网设计

王依凯

摘 要： 基于负载通告的SDN均衡控制器在进行网络通信控制时容易出现控制器负载过高问题，导致网络通信传输效率低、稳定性差。设计与实现新的网络通信均衡控制器，其包括应用层、控制层和基础设施层。控制器功能模块中的动态更新与均衡模块采集流组及接口流量，依据流组信息完成信道分配均衡策略；预处理模块调整信息传输的顺序，均衡分流模块对路由器进行处理，对网络通信中分流实施均衡管理。利用PID算法对控制器软件进行设计，通过交换机选择程序解决控制器负载过高的问题。实验结果证明，所设计控制器下的网络通信具有传输效率高、稳定性强的优势。

关键词： 网络通信； 均衡控制器； 信道分配； 均衡策略； 均衡分流； PID算法； 负载

中图分类号： TN715?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0072?04

Abstract： The problem of overloading of the controller is prone to occur when the SDN equalization controller based on load notification is used for network communication control， resulting in low transmission efficiency and poor stability of network communication. Therefore， a novel network communication equilibrium controller is designed and implemented， which is composed of the application layer， control layer， and infrastructure layer. The dynamic update and balance module in the functional modules of the controller collects flow groups and interface traffic， and accomplishes the channel allocation balance strategy according to the flow group information. The preprocessing module is used to adjust the sequence of information transmission. The balanced shunting module processes the router and implements balanced management of shunts in network communications. The PID algorithm is used to design the software of the controller. The switcher selection program is used to resolve the problem of overloading of the controller. The experimental results show that the network communication controlled by the designed controller has the advantages of high transmission efficiency and strong stability.

Keywords： network communication； equilibrium controller； channel allocation； balance strategy； balanced shunting； PID algorithm； load

由于网络通信系统中存在大量协议的运行及海量信息的传递[1]，所以网络通信的均衡控制对于提高网络运行质量十分重要[2]。传统基于负载通告的SDN均衡控制器，在进行网络通信控制过程中，利用负载通告的能力使控制器尽快完成均衡决策，但其容易出现控制器负载过高的问题，导致网络通信传输效率低，稳定性差[3]。因此，本文设计并实现新的网络通信均衡控制器，在有效地进行网络通信信道分配均衡化的同时，提高网络通信传输效率，降低传输误差。

1 网络通信中的均衡控制器設计与实现

1.1 控制器整体架构设计

按照分层式构架将本文设计的网络通信中的均衡控制器分为三部分，分别是：应用层、控制层和基础设施层，其总体架构如图1所示。控制器通过北向接口和南向接口分别实现控制层与应用层之间的互通以及控制层与基础设施层之间的扩散活动。

应用层包含OpenStack信道资源调度平台。该平台利用控制层内的北向接口支配基础设施层内的交换机，完成全部网络通信中信道资源均衡分配的整体支配[4]。

控制层包含网络通信控制器的关键模块（控制器）。控制器利用南向接口控制交换机的数据流表生成、资源分配方案规划以及信息存储等过程，利用北向接口将信道资源均衡分配给应用层信道资源调度平台中的使用者，对网络通信中的信道资源进行均衡化分配。

基础设施层包含均衡控制器交换机，以控制器反映的流表标准为基础，实施信道资源组合和匹配[5]，控制资源的扩散活动。

1.2 控制器功能模块设计

1.2.1 设计预处理模块

由于網络通信用户可能出现较多特殊问题，使得网络通信信道均衡质量大大降低。因此，有必要对信道分配实施预处理，在预处理过程中调整信息传输的顺序，对有效信息要优先传输，无效信息延后输出或给予删除，然后再实施信道均衡分配[6]。

1.2.2 设计均衡分流模块

1） 对路由器中的初始参数实施设置，用户对路由器接口地址以及掩码等参数进行分析，通过动态Hash算法均衡分流方案对路由器流量进行调控。

2） 用户基于开启路由器的设置文档，对不同路由器间的关联规范实施设置，采用动态Hash算法对路由器流量实施均衡化处理。

3） 均衡分流模块基于用户设置时间周期，对网络通信中的路由器状态和数据信息进行采集。

4） 均衡分流模块采用动态Hash算法，对获取的路由器接口流量信息实施计算以及管理，确保流量满足不同网络通信用户的应用规范[7]。

1.3 控制器运行逻辑设计

本文以OpenFlow协议为基础设计的网络通信中的均衡控制器的运行逻辑如图2所示。

1.4 控制器软件设计

1.4.1 采用PID算法实现软件设计

利用A/D转化器内的PID算法进行本文均衡控制器整体的软件设计，需先设置以下参数：

PID控制算法通过转化器内NFC芯片获取控制器中OpenStack信道资源调度平台的数据信息，将获取的数据信息在转化器内MCGS组态环境下进行处理和变换。OpenStack信道资源调度平台执行由转化器内OTP芯片发出的同时连接128个控制点的命令，实现对网络通信中均衡控制器的控制[8]，最终实现总体网络通信中均衡控制器软件设计。

1.4.2 交换机选择程序的设计

依照信息到达率的高低对控制器控制的交换机进行排序[9]，则有：

式中：[Thrtar]，[Ltar]，[Lmig]分别表示控制器的门限值、控制器的负载值以及迁移给控制器的负载。通过式（3）实现迁移的负载低于控制器负载门限同负载差值的[1α]，解决控制器负载过高的问题。

2 实验分析

实验选择本文设计的网络通信中的均衡控制器、基于可靠性评估均衡控制器、基于轮转法均衡控制器进行一系列性能相关的试验分析。实验为验证本文控制器下网络通信的性能优势，对3个控制器下的某物流公司网络信道吞吐量进行对比，对比结果如图3所示。

分析图3可得，3个控制器下实验物流网络通信信道吞吐量都随着平均信噪比的增加而提升。平均信噪比较高时，本文控制器下的物流网络信道吞吐量大幅高于其他两个控制器，说明本文控制器可实现网络通信的有效控制，提高网络通信性能。实验为验证本文控制器下网络通信的信道平均公平性优势，获取3个控制器下实验物流网络通信的信道平均公平指数，并进行对比，如图4所示。

分析图4能够得到：在平均信噪比为0 dB时，本文控制器下物流网络的平均公平指数较基于轮转法控制器下物流网络高出约0.06；在平均信噪比为30 dB时，本文控制器下物流网络的平均公平指数较基于可靠性评估控制器下物流网络高出约0.14，说明本文控制器下物流网络的信道公平性高于其他物流网络。

实验为验证本文控制器下实验物流网络通信的稳定性，对3个控制器下物流网络的信道平均中断概率进行比较，图5为比较结果。

由图5能够得到，在信道的平均信噪比小于15 dB的条件下，本文控制器下物流网络通信的信道平均中断概率与其他两个控制器下物流网络通信差距较小；在信道平均信噪比大于15 dB的条件下，3个控制器下网络通信的中断概率均随着信道平均信噪比的提升而增长，但本文控制器下网络通信的信道平均中断概率增长曲线较平缓，并明显低于另外两个控制器下的网络通信，说明本文控制器下的网络通信具有较好的稳定性。实验为验证本文控制器下的网络通信的时延性，采用3个控制器下的实验物流网络通信分别进行100次试验，记录不同控制器下物流网络通信的传输时延并进行比较。

表1为不同控制器下物流网络通信的传输时延对比结果。对其进行分析能够得到，本文控制器下物流网络通信的传输时延波动幅度较小，并且远远低于其他两个控制器下的物流网络通信，说明本文控制器下的物流网络通信的传输时延较低。

采用3个控制器下的物流网络通信进行误差试验，结果如表2所示。

分析表2可得，与其他两个控制器下的物流网络通信过程相比较，本文控制器下的物流网络通信的平均误差较小，证明本文控制器下的物流网络通信准确性较高，可以实现网络通信中信道均衡的准确分配。

3 结 论

本文设计并实现了新的网络通信中的均衡化控制器，解决了以往使用基于负载通告的SDN均衡控制器进行网络通信控制时，存在效率低、稳定性差的缺点。本文控制器能确保网络通信的正常工作，同时提高了网络通信中信道资源分配的均衡化，对于提高网络通信系统的性能具有积极作用，可广泛应用在通信、医疗、航空等诸多领域。

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