收稿日期:2011-02-14;修回日期:2011-03-22。
作者简介:林丽（1979-），女，辽宁营口人，讲师，主要研究方向：智能网络； 关德君（1980-），男（满族），辽宁辽阳人，讲师，硕士，主要研究方向：智能网络、网络信息安全。
文章编号:1001-9081（2011）08-02279-03doi:10.3724/SP.J.1087.2011.02279
（沈阳广播电视大学 继续教育学院，沈阳110003）
（sunbaby20051001@126.com）
摘 要:空间信息网是一种由陆海空天信息系统构成的智能化网络，针对空间信息网网络管理可扩展性方面的要求，提出一种管理域划分算法。建立基于动态分层结构的网络管理组织模型，使用层次分析法（AHP）选举管理分站，规划合理的管理区域；采用移动代理技术迁移管理分站的功能进行管理域维护，并提出包括管理域合并、分裂、切换的维护机制。仿真实验对管理域划分开销、划分时间和管理数据采集时间进行了分析，结果表明算法能有效执行空间信息网管理区域的划分。
关键词:空间信息网；网络管理；层次分析法；管理域划分
中图分类号: TP393.072文献标志码:A
Management domain division algorithm based on
analytic hierarchy process in space information network
LIN Li, GUANG De-jun
（Continuing Education College, Shenyang Broadcast and Television University, Shenyang Liaoning 110003, China）
Abstract: Space information network is an intelligent system constituted by information systems of land, sea, air and space. An algorithm of management domain division was proposed to meet the needs of scalability in network management for space information network. An organization model of management was designed. Analytic Hierarchy Process （AHP） was used to select sub-management station, and then appropriate management domains could be formed. In domain maintenance phase, the function of sub-management station was migrated by mobile Agents. Dynamical maintaining mechanisms like domain merger/partition, reaffiliation and adaptive adjustment of information update period were also designed. The overhead and time spent in division as well as in data collecting for management were analyzed through simulations. The experimental results show the proposed algorithm of management domain division is suitable for space information network.
Key words: space information network; network management; Analytic Hierarchy Process （AHP）; management domain division
0 引言
空间信息网是由陆海空天信息系统构成的智能化、综合性的网络，因其特殊的战略地位成为各国的研究热点［1-3］。在空间信息网的建设中，控制网络并使网络具有高效率和可靠工作的网络管理技术对于保证网络正常运行必不可少，然而，空间信息网的高度复杂性、异构性和动态特性，向有效的网络管理技术提出了挑战。
在网络管理中，明确的管理域划分有助于增强系统的可扩展性，能避免管理操作的重复性。传统地面网络的管理域划分通常采用简单的地域划分或结构划分［4-6］；卫星网络管理中，管理域的划分通常以通信链路时延为依据［7-8］。空间信息网是融合了从地面到空天通信元素的综合性网络，节点功能、性能以及链路特征差异大，需要能够自适应于应用环境特点的智能化网络管理［9］，现有管理域划分算法不能满足空间信息网的管理需要，因此本文使用具有智能决策能力的层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）［10］分配管理角色，考虑空间信息网的链路特征进行管理域的划分，采用移动代理技术动态维护管理域的稳定性以提高网络管理的效率，降低网络管理的开销。
1 空间信息网网络管理组织模型
空间信息网属于大规模网络，采用分布式的管理结构，设置多个管理分站，形成多个管理区域，将管理任务分散，各管理分站之间可以交换管理信息进行分布式的网络管理。管理组织模型如图1所示，由一个中心管理站，多个管理分站和被管节点组成，各管理角色的功能如下。
中心管理站的功能包括：
1）通过管理分站收集网络的各类管理信息；
2）向管理分站发布管理指令。
管理分站的功能包括：
1）收集所管辖的管理区域的拓扑信息；
2）设置所管辖的管理区域内被管节点的配置信息；
3）向中心管理站上报故障或告警信息；
4）根据中心管理站的指令执行相应操作；
5）与其他管理分站交换管理信息。
管理区域内部被管节点的功能包括：
1）向所属管理区域的管理分站上报故障或告警信息；
2）执行管理分站的管理指令操作。
图1 空间信息网网络管理组织模型
2 空间信息网管理域划分
2.1 管理分站选取
基于层次分析法智能决策动态选举管理分站以满足空间信息网网络管理对环境自适应的要求，卫星节点以及邻近空间和地面网中的基站节点作为管理分站候选者，选举步骤如下。
1）将选择管理分站作为目标层，影响选取的准则为决策层，最底层为确定管理分站的方案层。准则层各要素根据网络状态和通信需求动态调整，采用剩余能量、发送功率、连接度、移动速度四个因素作为管理分站选取准则，层次结构如图2。
图2 递阶层次结构
2）准则层各因素按照定性因素的量化方法确定相互间的重要程度，通过标度表达，形成比较矩阵，记为A。运用两两比较法，在同层准则间构造比较矩阵，各准则间的相对重要程度根据当前网络需求进行调整，满足自适应网络环境的需求。比较矩阵可表示为：
A
其中aij表示准则Ci相对于准则Cj的重要程度（即标度），该值根据表1给出的标度含义进行设定。
表1 判断矩阵元素值参考表
根据比较矩阵A，计算对于目标层而言准则层与之有联系的各因素重要性次序权值，称为层次单排序。层次单排序可归结为计算比较矩阵A的特征根和特征向量。
3）通过一致性指标衡量特征值偏差大小，对层次单排序一致性检验。
4）通过计算方案层各方案相对于准则层各准则的层次单排序得到层次总排序。建立4个n维比较矩阵，其中n是待选管理分站数，各比较矩阵记为Bi。分别计算出各矩阵Bi的特征向量Vi，由于Bi取值为实际测量数值，不存在人为干扰因素，因此不需要进行一致性检验。
设方案总权重矩阵为D，则：
DT×WT
v4,1v4,2…v4,nT×（1）
由此，得到待选管理分站权值的总排序Di，作为选择管理分站的重要依据。
5）根据约束条件选出空间信息网的管理分站。将约束条件设定为：一个管理分站的通信范围内不能有其他管理分站。此约束条件限定了管理分站管辖区域规模的同时也使管理分站的数目随网络规模动态变化，体现了自适应的特点。
2.2 管理区域划分
空间信息网中节点之间既有双向链路又有单向链路，因此空间信息网网络拓扑可以表示为一个有向图G（V,E,φ），它由点集V{v1,v2,…}，边集E{e1,e2,…}和一个把每一边映射到序偶（vi,vj）上的映射φ组成。关联边起点为管理分站，自身为终点的节点称为域归属求助节点，未收到任何管理分站通告消息的节点称为脱管节点。管理域划分过程如下。
1）管理域的初步形成。
管理分站广播“管理分站通告”，发起管理域的划分；网元节点结合所收到“管理分站通告”的能力值CPA决定归属的区域，定义CPAPD/DL，其中PDPr /Vs，Pr为接收“管理分站通告”功率，Vs为节点自身移动速度，PD表明节点与管理分站间链路可能断开的概率，DL为“管理分站通告”接收延时。
2）节点发起域归属求助。
通过“管理分站通告”中携带的发送功率信息，网元节点能判断出与分站间是否存在自指向的单向链路，如果确定存在单向链路，广播“域归属求助”消息，在计时器允许的时间内收到邻居的“域归属应答”，则采用与选择归属管理域相同的方式选择一个邻居，建立指向管理分站的路由，并发送“域归属请求”，进而完成在想要加入的管理域的注册，等待“管理分站确认”消息。
3）脱管节点处理。
没有收到任何“管理分站通告”的脱管节点主动广播“脱管节点通告”，与域归属求助过程相似，等待邻居节点的回复，通过发送“域归属请求”和必要时启用域归属求助过程以建立与分站间的双向路由。
3 空间信息网管理域维护
1）管理分站功能迁移与繁殖。
采用移动代理技术，通过管理分站功能代理的迁移和繁殖机制，增强空间信息网的环境自适应性。
迁移 当管理分站的综合权值下降并超过到某一门限，则将管理分站功能代理迁移到另一个有能力的担任区域管理任务的节点上；当由于节点移动造成拓扑分布上的变化，或有节点新入网时，管理分站使用移动代理将其功能智能地迁移到处于区域中心位置的节点上以维持管理区域结构的均衡，保证管理效率。
繁殖 当管理域内节点密度增大，导致性能下降时，管理分站复制自身功能到另一个有能力担任管理分站的节点上，分享管理载荷，使网络保持稳定的状态；此外，当管理分站预见到网络即将分割，也会将管理分站功能复制到被分割区域另一侧的某一节点上。
2）管理域合并与分裂。
由于网络中节点具有移动特性，管理区域也处于动态变化中，当几个管理分站成为邻居时，破坏了管理域划分算法的约束条件，就触发区域的合并。通过层次分析的方法，选出其中之一成为新的管理分站，网元节点重新选择归属的管理域，根据接收到的“管理分站通告”选择管理自己的分站，完成局部的管理区域重构。
当管理域的规模不断增长，通过域归属求助和脱管节点处理加入管理域的节点会随之增加，造成大量通信开销，增加管理域的形成时间，影响管理数据采集的实时性，从而导致管理效率下降；管理分站负担的加重还可能导致资源快速消耗，缩短管理分站连续工作时间影响网络拓扑结构和网络性能的稳定性，因此需触发管理域的分裂。通过统计“域求助归属”和“脱管节点通告”数量，超过根据管理分站能力设定的阈值Nhelp时，进入管理域的分裂过程，在管理区域范围内选取2个管理分站，重新划分管理区域。
4 性能分析
使用NS2网络模拟器，对管理区域划分算法进行仿真验证，在不同节点分布密度（单位：km-2）条件下，分别对管理划分开销、划分时间和管理域内数据采集时间三项性能指标进行分析。
仿真时，比较矩阵：
A]
划分开销用使用的控制报文数占所有报文数的比例表示，从图3中可以看出，当网络节点分布较稀疏时，适合选用少量管理分站（|CH|为管理分站数），此时被管网元较少，少量管理分站即能通过较少的控制开销完成管理区域的划分，过多的管理分站会产生大量周期广播的“管理分站通告”反而增大开销,浪费宝贵信道资源；同时，当网络节点较密集时，应适量增加管理分站数。
图3 管理区域划分开销
区域划分时间定义为算法完成全网节点覆盖的时间，即域归属求助过程完成且网络中不存在脱管节点时，说明划分已经完成。从图4中可以看到，就图中所示的节点密度情况，选用4个分站和5个分站、6个分站时的区域划分时间相差不大，但是从图3中可以看到，网络较稀疏时，选用更多管理分站，划分开销增加明显，这表明尽管选用大量管理分站能够减少管理域划分时间，但时间的减少程度存在一个下限，而管理区域划分开销却急剧增大，给网络造成负担。
图4 管理区域划分时间
以采集域内信息为例，测试了不同数量管理分站完成各节点信息采集的时间。如图5所示，管理域内数据采集时间随节点密度的变化规律和划分时间随节点密度的变化规律基本相同。同时在相同密度下，随管理分站数量的增多，数据采集时间的减小速度逐渐变缓，表明通过增加管理分站数量能够提高数据采集的实时性，但同样存在一个极限，即再增多管理分站对时效性的提高不明显，反而会增大通信开销，浪费网络资源。
图5 管理域内数据平均采集时间
因此说明管理分站数量与网络规模之间存在一定的规律关系，需综合考虑管理域划分和数据采集时效以及通信开销问题，才能确定最合理的管理分站数量。
5 结语
本文在分析空间信息网自身特性基础上密切结合其应用背景和部署环境，为其设计了以高效的网络管理为目标的组织管理模型，采用层次分析的方法实现管理分站的智能选择，设计了管理域划分算法，基于移动代理技术的区域维护策略实现拓扑变化后管理区域局部动态重构，仿真结果表明所提算法在维护管理区域稳定性的同时有效抑制了控制开销。
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