天基信息網絡的軟件定義網絡應用探析*

李 婷,胡建平,徐會忠

(中國西南電子技術研究所，成都　610036)

天基信息網絡的軟件定義網絡應用探析*

李 婷**,胡建平,徐會忠

(中國西南電子技術研究所，成都610036)

現(xiàn)有各種空間、地面網絡節(jié)點的互連互通,在一定程度上可滿足特定應用需求,但由于各節(jié)點在空間、物理以及功能的局限,限制了天基信息高效傳輸、融合以及按需地應用。分析了天基信息網絡的發(fā)展趨勢,提出了網絡架構構想,并對主要關鍵技術的研究方向進行了梳理。在空間核心節(jié)點上采用軟件定義的多功能載荷平臺,并基于軟件定義網絡(SDN)架構和空間容中斷網絡協(xié)議構建天基信息網絡。通過資源虛擬化、處理多元化、應用無阻化的方式,保障天基信息網絡適應信息按需定制和高效共享等應用需求。

天基信息網絡;電信港;路由網關;多功能載荷平臺;中斷網絡;軟件定義網絡

引用格式:李婷，胡建平，徐會忠.天基信息網絡的軟件定義網絡應用探析[J].電訊技術，2016，56(3)：259-266.[LI Ting，HU JianPing，XU Huizhong.APP1ication discussion of software defined network in sPace-based information network[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：259-266.]

1　引 言

利用航天平臺獲取信息、處理信息、傳輸信息的天基信息系統(tǒng)可支持對空間目標的探測、測控、信息傳輸?shù)裙δ埽瑢崿F(xiàn)空間態(tài)勢的快速感知、空間資源的綜合管理與控制，是空間資源運行保障以及信息綜合應用的直接用戶或基礎設施。

若天基信息系統(tǒng)仍按功能或部門獨自發(fā)展的思路，再加上各體系之間技術規(guī)范的不統(tǒng)一，各類天基資源不能實現(xiàn)有效的信息互聯(lián)，導致數(shù)據(jù)共享和信息融合很難實現(xiàn)[1]，將會呈現(xiàn)出更加嚴重的“煙囪式”發(fā)展狀態(tài)。

天基信息系統(tǒng)的發(fā)展目標應是突破傳統(tǒng)物理載體與功能緊密捆綁的界限，構建天地一體開放可擴展、互聯(lián)互通互操作、安全魯棒、靈活重構、支持統(tǒng)一規(guī)劃與管理的綜合性天基信息網絡。面對軍、民應用需求的增長以及應用模式的多樣性和復雜化，在綜合化及網絡化技術的支撐下，基于資源重構及軟件定義的綜合化發(fā)展途徑將是構建天基信息網絡的有效解決方案。

根據(jù)軟件定義技術的研究與應用，未來天基信息網絡中的關鍵節(jié)點可采用具有網絡化、綜合化能力的硬件資源來實現(xiàn)，基于路由網關一體化、跨平臺異構網絡協(xié)議一體化、信息流程一體化、資源管控一體化的規(guī)范與接口及軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)等協(xié)議體系與運行環(huán)境，按需或場景感知地對構建網絡的節(jié)點進行資源重組及功能重構，實現(xiàn)網絡節(jié)點多種功能或多功能組合的綜合化適應能力，終極目標是使空間的每一個節(jié)點可以按需承擔用戶定制的各種空間任務。

2　天基信息網絡的發(fā)展趨勢

航天信息系統(tǒng)經歷了從單星到星座再到網絡化的發(fā)展過程，逐步向天地一體的綜合化、網絡化體系構架及應用發(fā)展，即從天星地網到天網地網、再到天地一體化信息網絡的構建與應用模式[1]。

發(fā)展初期，航天信息系統(tǒng)僅依靠單顆衛(wèi)星來獲取和傳輸信息。單顆衛(wèi)星具有小覆蓋率的軌道特性，往往影響任務的有效實現(xiàn)。為了解決這一問題，人們提出了星座模式的概念，解決了覆蓋地域的問題，并且能同時處理偵察、預警、導航等多種信息，但單一功能的星座模式仍不能完全滿足未來信息戰(zhàn)需要。天基信息網絡將多種功能的衛(wèi)星或衛(wèi)星星座實現(xiàn)互聯(lián)，具有全球全時覆蓋能力，能將海、陸、空、天資源緊密集成，提供全時和無縫接入服務，航天信息平臺或用戶通過傳輸鏈路、服務器、節(jié)點或終端的方式融入網絡。

從衛(wèi)星系統(tǒng)本身看，美軍已從早期的單星應用模式向星座應用發(fā)展，并呈現(xiàn)出網絡化發(fā)展趨勢。典型的星座系統(tǒng)如“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(G1oba1 Positioning System，GPS)和天基紅外導彈預警衛(wèi)星系統(tǒng)(SPace Based Infrared System，SBIRS)等。其中，“銥”星系統(tǒng)由部署在低軌道上的66顆衛(wèi)星組成。從商業(yè)角度看，“銥”系統(tǒng)并不成功，但“銥”系統(tǒng)在技術上是一個飛躍，解決了全球移動衛(wèi)星通信的難題。GPS由位于6個軌道平面內的24顆衛(wèi)星組成，實現(xiàn)了全球范圍連續(xù)、近實時的定位、測速與授時。SBIRS設計采用同步軌道、大橢圓軌道與低軌道相結合的復合型星座，提高對各種導彈的發(fā)現(xiàn)能力，擴展飛行中段跟蹤，實現(xiàn)對導彈的全過程跟蹤與預警。

星上處理及星間鏈路是星座應用不可或缺的組成部分。美軍轉型通信衛(wèi)星(Transformationa1 Sate1-1ite，TSAT)計劃雖然被取消了，但其星上處理及星間鏈路技術可轉移到相應的應用之中[2]。Mi1star和美國先進極高頻通信衛(wèi)星星座為了加快信息傳輸速度、提高衛(wèi)星對抗能力，增加了星間鏈路?！般灐毙窍到y(tǒng)具有復雜先進的星上處理能力，通過其具備的星間鏈路，“銥”星系統(tǒng)可以不依賴地面站獨立完成信息傳輸與交換，實現(xiàn)全球覆蓋。GPS導航衛(wèi)星系統(tǒng)從B1ock-IIR衛(wèi)星開始增加了超高頻頻段星間鏈路，通過星間鏈路，進行星間無線電偽距測量，還能更頻繁地獲取星歷表更新信息，實現(xiàn)星上實時軌道估計，維持長時間自主導航，顯著提高了定位精度和戰(zhàn)爭狀態(tài)下的系統(tǒng)可用性。

2013年1月，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)為F6(Future，F(xiàn)ast，F(xiàn)1exib1e，F(xiàn)ractionated，F(xiàn)ree-F1ying)衛(wèi)星項目的低速率空間交聯(lián)無線通信平臺。該平臺具有獨特的體系架構，并且具備第三方點對點高速率數(shù)據(jù)鏈接的能力，為星群成員之間構建數(shù)據(jù)鏈路提供了技術支撐。DARPA后來取消了F6項目，但是這項技術仍應用于其他項目，比如小衛(wèi)星的空間組網應用[3]等。

星座系統(tǒng)拓展了應用模式，提高了應用效能。但GPS和SBIRS等星座系統(tǒng)功能單一，而且當今使用的各種衛(wèi)星系統(tǒng)仍然是呈“煙囪”式的分立結構，相互之間沒有形成統(tǒng)一的直接互聯(lián)網絡，互聯(lián)互通性差，彼此的信息不能及時共享和利用，沒有充分發(fā)揮有限空間信息資源的應用效能。為了解決空間段的“煙囪”式帶來的信息互通問題，美國利用地緣優(yōu)勢，在全球8個地點建立了國防部電信港(Te1e-Port)，可實現(xiàn)各類戰(zhàn)場用戶通過衛(wèi)星直接與國防信息系統(tǒng)網鏈接，獲取或提供各類信息支持，如圖1所示。通過電信港的接入，在沒有天基統(tǒng)一網絡的條件下就實現(xiàn)了各種渠道獲取的信息能夠在適當時間、適當區(qū)域采取適當天基鏈路與地面網絡鏈接，滿足全球戰(zhàn)場及情報信息的快速接收與應用需求，但這一架構仍然處于天星地網的模式。

圖1　美國國防部電信港應用示意Fig.1 Diagram of the aPP1ication of te1ePort of United States DePartment of Defense

在天地一體化空間組網方面，美國也開展了相應的研究與規(guī)劃。

1998年，美國噴氣動力實驗室(Jet ProPu1sion Laboratory，JPL)開展了星際互聯(lián)網(InterP1anetary Internet，IPN)項目[1]。通過對地球以外利用互聯(lián)網手段達到端到端通信目的研究，形成了關于互聯(lián)網工程任務組(Internet Engineering Task Force，IETF)的協(xié)議草案。

2000年10月，JPL開啟了下一代空間互聯(lián)網(Next Generation SPace Internet，NGSI)項目研究。設立了4個小組，分別研究多協(xié)議標簽交換協(xié)議、動態(tài)利用空間鏈路、移動IP以及安全問題。國際組織空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consu1tative Committee for SPace Data Systems，CCSDS)是依據(jù)空間鏈路特性而設計的協(xié)議體系，該體系已經成功運用于多個航天任務。因此，NGSI依然選擇CCSDS作為數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議體系。在此基礎上，針對相應的空間任務，對已有的協(xié)議進行了延伸與擴充。最終，經過一系列模擬仿真，產生了一套基于CCSDS的空間互聯(lián)網協(xié)議體系。

2001年，美國哥達德航天中心進行了OMNI (OPerating Mission as Nodes on the Internet)項目。根據(jù)空間通信的特性，協(xié)議體系考慮采用地面商用IP協(xié)議。通過地面試驗和飛行搭載試驗，驗證了地面IP協(xié)議在空間使用的可行性。

NASA擬通過航天通信與導航(SPace Communications and Navigation，SCaN)計劃構建綜合網絡架構(圖2)，計劃在2018年前后將其已有的近地網(Near Earth Network，NEN)、空間網(SPace Network，SN)以及深空網(DeeP SPace Network，DSN)三網綜合成一個網系，利用天、陸、?；鶞y控導航與通信資源，對各類航天器實現(xiàn)一體化的管理、控制、策略、遙測、遙控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，這一計劃將逐步實現(xiàn)天基信息的天地聯(lián)網應用。

圖2　2018年前后NASA綜合網絡體系架構概念示意Fig.2 Diagram of concePt of NASA integrated network architecture round about 2018

由此可見，未來的衛(wèi)星系統(tǒng)將向天地一體的網絡化方向發(fā)展，不僅僅實現(xiàn)地面組網以及空間組網，還要通過跨越天、地平臺的網絡協(xié)議實現(xiàn)天地一體的資源、路由、信息的統(tǒng)籌管理和綜合應用，將天基資源獲取的信息快速傳輸?shù)降孛婵刂乒芾碇行募坝脩簦岣咛旎畔眯?，同時也能更有效地實現(xiàn)對天基資源的控制與管理。

然而，僅僅實現(xiàn)天地一體化網絡中不同節(jié)點之間的網絡化互聯(lián)，在信息應用過程中還會受到不同節(jié)點或同一節(jié)點內不同功能與物理平臺邊界的限制，即每個節(jié)點的載荷如果僅具有單一功能，不同功能之間需要進行信息交換，包括節(jié)點內部以及與其他節(jié)點之間，甚至需要更多的空間鏈路來滿足信息交互與組網需求，將增加網絡的負荷及處理資源。

針對這一問題，未來天基網絡建設中，電子信息系統(tǒng)綜合化是解決天基載荷高效利用的有效技術途徑?；谲浻布C合化技術實現(xiàn)多種功能的通用平臺，將使天基網絡實現(xiàn)質的跨越，從單純的單功能衛(wèi)星連接的網絡(即由相應空間、空地鏈路將衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面設施連接起來)，發(fā)展為由功能可重構的綜合化節(jié)點構建的彈性網絡，不再是單純的星與鏈路的構架，而是由跨平臺空間網絡架構下的節(jié)點、協(xié)議以及路由網關實現(xiàn)的網絡化互聯(lián)。

根據(jù)NASA的SCaN計劃，“通信、導航、組網可重構試驗臺”任務于2013年初在國際空間站中進行了軟件無線電技術試驗，利用軟件電臺平臺實現(xiàn)了軟件加載的在軌通信能力，驗證了其在動態(tài)空間環(huán)境中的可行性和成熟度。

由此可見，在軌航天器上實現(xiàn)功能可加載重構的技術已得到了一定程度的驗證和認可，相應技術的應用將帶來天基信息網絡架構與未來作戰(zhàn)模式的變化，實現(xiàn)體系和應用的跨越式發(fā)展。

根據(jù)國外相關資料的分析，天基信息系統(tǒng)網絡化研究與應用，目前還是基于專用的構架和協(xié)議，網絡層次結構和網絡設備還是緊耦合的關系，即使網絡節(jié)點可以通過資源重構和軟件定義實現(xiàn)功能的轉換，但一個網絡一旦構建起來，在應用過程中基本不能部署和應用新的協(xié)議。軟件定義的節(jié)點以及SDN技術的出現(xiàn)，為天基信息網絡的發(fā)展打開了一扇新技術窗口。

SDN起源于2006年斯坦福大學的C1ean S1ate研究課題。2009年，Mckeown教授正式提出了SDN概念[4]。SDN利用分層的思想，將數(shù)據(jù)與控制相分離。在控制層掌握全局網絡信息，方便運營商管理配置網絡和部署新協(xié)議；數(shù)據(jù)層僅提供簡單的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，可以快速處理匹配的數(shù)據(jù)包，適應流量日益增長的需求。兩層之間采用開放的統(tǒng)一接口進行交互。SDN技術能夠有效降低網絡設備負載，協(xié)助網絡運營商更好地控制基礎設施，降低整體運營成本，成為最具前途的網絡技術之一。但目前在具有高動態(tài)特性的天基信息網絡中還沒有SDN的應用實例。

我國的一些衛(wèi)星系統(tǒng)目前也逐漸開始采用星上處理、星間鏈路技術以及空間組網應用模式，如“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)等，但在多功能處理能力以及空間異構網互聯(lián)、天地互通方面離天基信息網絡的需求還有一定差距。近年來，國內許多單位或機構也在積極地開展天地一體化信息網絡的論證與研究，取得了一定的成果，處于總體構想與關鍵技術的梳理及初期研究階段，如國家自然科學基金委從2013年開始連續(xù)3次發(fā)布了“空間信息網絡基礎理論與關鍵技術”重大研究計劃[5]，多次組織關于空間信息網絡領域的“雙清論壇”；2013年9月工信部組織了關于“天地一體化信息網絡”高峰論壇，2015年9月又組織了第二次高峰論壇。國內的清華大學、國防科大、解放軍信息工程大學、北京航空航天大學、武漢大學、重慶大學、哈爾濱工業(yè)大學、航天科技等研究團隊都有一些研究人員參與到此領域，并有一些研究成果，但對于軟件定義節(jié)點的技術實現(xiàn)途徑以及對于空間網絡中應用SDN技術的研究也還處于起步階段。

3　天基信息網絡構架與SDN應用探討

鑒于我國的具體情況，在短期內基本不可能實現(xiàn)在全球范圍內布設類似美國電信港的天基信息接入與處理節(jié)點。在此狀態(tài)下，為了向決策者和各類用戶提供實時或接近實時的全球態(tài)勢感知與信息支持，提高指揮效能，實現(xiàn)資源的最佳利用，以及各類信息用戶的快速反應和調整能力，只有充分地發(fā)揮天基資源以及空間組網應用優(yōu)勢，形成具有信息處理與分發(fā)能力的天基載荷(突破傳統(tǒng)單功能衛(wèi)星的概念)與地面信息資源及網絡結合應用的方式，參考國內外一些空間及星際網絡技術及體系架構[1，6-9]，由天基骨干網絡、地面骨干網絡、接入網絡以及各類子網構建出天基信息網絡體系架構，如圖3示意，其中同步軌道以及其他高軌道上的多顆衛(wèi)星采用具有星上處理、星間鏈路的軟件可定義功能載荷構建天基骨干網絡，承擔網內天基接入、信息匯聚、存儲、處理、分發(fā)以及資源與網絡管理控制、安全防護等部分或全面功能。

圖3　天基信息網絡總體構架構想Fig.3 ConcePtion of overa11 architecture of sPace-based information network

為了向各類用戶提供網絡化的服務，在整個體系構架中，接入網也是其關鍵組成部分。由于面向的用戶種類繁多，需求類別各不相同，接入網的類型較多，但大致可劃分為寬帶接入與窄帶接入兩大類。接入網實現(xiàn)各類用戶與天基骨干網以及地面骨干網絡的接入，不同的接入網是實現(xiàn)天基信息到不同用戶的“最后一公里”關鍵路徑。為了實現(xiàn)靈活的接入與應用，接入網的節(jié)點也應具有多協(xié)議處理及按需配置的能力，使其具有彈性化的靈活接入方式。

天基骨干網應具有開放的接入擴展性能，未來還可利用星際骨干及接入鏈路將月球網、火星網等空間網絡接入到這一體系中。

這一架構可實現(xiàn)空間聯(lián)網、地面聯(lián)網以及天地互聯(lián)的能力，但如果在體系建設中仍然按單一功能進行網絡節(jié)點配置，每個節(jié)點需要配備多種功能的載荷才能實現(xiàn)網內的互聯(lián)，即如果作為傳感器節(jié)點，為了實現(xiàn)網絡接入，在傳感器載荷之外還需要配置相應的信息處理載荷、通信傳輸載荷、導航定位載荷等，信息交互環(huán)節(jié)多，設備形態(tài)復雜，不利于整體性能的實現(xiàn)與提升。

基于網絡化及綜合化節(jié)點技術實現(xiàn)多功能的天基載荷，使網絡中的核心節(jié)點(如天基處理資源節(jié)點)可根據(jù)應用需求進行功能及能力的變換或重構，既可作為網絡構建的基礎設施，也可作為網絡用戶，或兩者功能兼有，并以跨平臺的空間網絡協(xié)議及動態(tài)路由等空間信息服務為支撐，將有利于解決傳統(tǒng)載荷物理界限帶來的信息阻梗等問題，實現(xiàn)真正意義上的物理資源虛擬化、綜合處理多元化、數(shù)據(jù)流程簡潔化、信息應用按需定制化的天基信息網絡。網絡內的核心或關鍵節(jié)點實現(xiàn)應用功能與物理實體相剝離，提高網內資源利用率、信息按需定制能力以及共享效率，有效實現(xiàn)天基系統(tǒng)信息獲取、信息傳輸、時空基準等功能節(jié)點在空間的信息互聯(lián)。

對于天地互聯(lián)的技術關鍵解決途徑，首先可基于現(xiàn)有航天基礎設施，引入天地信息互聯(lián)的空間網絡化技術，實現(xiàn)天地信息基于CCSDS的IP/DTN (De1ay-To1erant Network)協(xié)議的天地骨干互聯(lián)互通[1]，解決各功能系統(tǒng)、各子網獨立發(fā)展的“煙囪”問題。

同時，逐步簡化或完全剝離網絡基礎設施層面的控制功能，由軟件來實現(xiàn)信息轉發(fā)決策，引入和實現(xiàn)SDN的構架及應用形態(tài)。基于SDN思想，在天基骨干網絡、接入網絡、地面骨干網絡等各類網絡(域)中引入控制網元，對各類子網(域)內的基礎設施或用戶節(jié)點的資源及信息傳輸功能進行集中配置、調度與管理，各子網的控制器(或虛擬控制器)鏈接起來形成一個天基信息網絡整體集群。根據(jù)需要定義其中的一個控制網元為主控器來實現(xiàn)管理，主控器可以設置在地面網絡中，也可在天基網絡中，控制網元按需定義以及基于多層、多域的分布式架構可提高網絡健壯性、抗毀性與故障重構能力。

SDN是一種新型的控制與轉發(fā)分離的網絡架構，典型的SDN架構分為3個平面層[10-11]，如圖4所示，最上層為應用層，包括各種不同的業(yè)務和應用，主要負責網絡功能的定制化，由不同的應用層軟件構成；中間為控制層，主要負責處理網絡資源的管理與控制，掌握整個網絡的全局視圖，是網絡的運行與處理機構；最下層是基礎設施層，負責建立數(shù)據(jù)通路，實現(xiàn)網絡內的數(shù)據(jù)轉發(fā)。

圖4　SDN架構示意Fig.4 Schematic of SDN architecture

將基礎設施的控制功能剝離后，數(shù)據(jù)流僅需按流表進行匹配與轉發(fā)，將使其性能和效率大大提升[10-11]。同時，獨立地設置控制層，可使網絡能夠通過不同層面的控制器直接進行靈活的資源控制與管理，可按需進行網絡拓撲的收集與維護、數(shù)據(jù)轉發(fā)路由的計算、流表的生成與下發(fā)、網絡的控制與管理。

SDN技術具有很多傳統(tǒng)網絡所不具備的優(yōu)勢，如全局視圖、多粒度網絡控制等，這些優(yōu)勢給網絡安全問題的改善帶來了新的機遇。

2009年，SDN被美國麻省理工學院列為了“改變世界的十大創(chuàng)新技術之一”[10]。將SDN技術應用到天基信息網絡之中，通過各層面及應用軟件的開發(fā)和加載、應用，最終可實現(xiàn)網內資源動態(tài)配置、靈活的終端接入管理、天地一體化網絡流量統(tǒng)籌控制、網絡虛擬化等創(chuàng)新的應用模式。根據(jù)文獻[12]，SDN當前主要的研究和應用方向還是在地面網絡以及基于地基的無線網絡之中。在天基信息網絡中應用SDN技術，與地面有線及無線網絡中的應用相比，還可能面臨一系列的技術需要突破，包括操作系統(tǒng)、協(xié)議、軟件、策略機制、控制器以及載荷能力等。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星載荷是將應用功能與硬件資源完全一一對應，是根據(jù)需求定制的專用硬/軟件組合體，一旦研制完成以及在軌運行時，其功能一般不能改變，也不能增加新的功能。雖然現(xiàn)在也有一些基于軟件無線電技術的軟件加載與升級技術研究，但都還是限于一定功能框架和硬件規(guī)模條件下的功能升級，沒有達到整體資源重組與功能重構的軟件定義的水平層面。

軟件定義多功能載荷平臺可采取基于綜合化的技術來實現(xiàn)，合理、高效的綜合化技術可以使空間相應節(jié)點具有空間接入與組網、路由交換與信息分發(fā)、高效計算與處理、信息云存儲、空間感知(包括網絡狀態(tài)，空間協(xié)同/非協(xié)同目標探測等感知能力)、資源管理、自主導航與時間基準、信息安全與防護等全功能或多功能組合的能力，將是構建天基信息網絡主要基礎設施之一，但這一設想還取決于綜合化的水平以及處理能力的實現(xiàn)。

軟件定義的多功能載荷平臺的技術途徑可借鑒航空平臺綜合化系統(tǒng)集成技術思路[13]，采用分層抽象、虛擬化設計方法，如圖5所示，將功能與物理平臺剝離，通過相應邏輯構件層的軟件化部署功能將系統(tǒng)所需完成的任務功能軟件模塊合理、高效地與物理平臺資源關聯(lián)起來，在硬件資源容量及能力范圍內，可實現(xiàn)多功能線程的組合應用。其中，構建開放式的物理硬件及軟件平臺是實現(xiàn)綜合化載荷平臺的基礎，在通用的硬件平臺之上，通過可視化建模技術構建出系統(tǒng)抽象資源模型，再通過藍圖部署實現(xiàn)邏輯資源到真實物理資源的映射[13]。天基多功能載荷平臺與航空平臺電子模塊綜合化技術不同之處，在于天基平臺對綜合化硬件資源的體積、重量、功耗等方面的要求更苛刻，對器件的性能以及處理技術、算法實現(xiàn)等要求更高。

功能與物理平臺剝離的軟件定義多功能載荷的引入，其軟件定義能力又為天基信息網絡實現(xiàn)SDN架構提供了技術支撐與空間基礎運行平臺。建議在網絡架構中的天基骨干節(jié)點、地面骨干節(jié)點和子網的核心節(jié)點采用基于SDN的多功能載荷平臺。

圖5　軟件定義載荷平臺分層抽象模型示意Fig.5 Schematic of the 1ayered and abstract mode1 of software defined 1oad P1atform

4　關鍵技術方向

構建基于SDN技術的天基信息網絡，有一系列的關鍵技術需要突破，主要包括以下幾個方面。

(1)基于SDN的天基信息網絡體系架構

天基信息網絡由骨干網絡、接入網絡、各種功能子網以及應用節(jié)點等組成，是一個復雜的網絡體系構架，涉及到體系架構設計、節(jié)點布設總體設計以及應用需求、信息種類、應用模式等多個方面，在復雜的體系中引入SDN架構，與網絡內各環(huán)節(jié)的技術實現(xiàn)路徑密切相關，需要以體系工程研究的方法來開展研究和論證，整個SDN架構的設計、應用與完善是一個科學的、迭代的、不斷演化進步的過程。

(2)載荷綜合化通用平臺技術

結合不同軌道、不同特征衛(wèi)星平臺總體結構，進行載荷綜合化通用平臺總體構架以及性能設計，根據(jù)不同功能及能力的載荷需求，規(guī)劃載荷綜合化通用平臺系列型譜，開展系統(tǒng)級的通用平臺性能仿真以及基于載荷綜合化硬件平臺的能力及性能試驗驗證。

(3)天基平臺多頻段多功能綜合孔徑及射頻設計技術

適應多頻段、多功能、可定義的射頻前端與孔徑的設計與衛(wèi)星等天基載體的形態(tài)密切相關，是實現(xiàn)多功能載荷關鍵。包括了基于微系統(tǒng)的多頻段綜合化天線技術、高集成度多頻段寬帶射頻前端技術、多頻段射頻芯片技術、寬頻帶射頻數(shù)字采樣技術以及大數(shù)據(jù)低時延傳輸技術等。

由于面向功能多、頻段寬、寬窄帶兼?zhèn)?、不同空域覆蓋等應用需求，天基平臺上的孔徑和射頻綜合將是一個嶄新的射頻設計領域，具有很大的難度和創(chuàng)新性，可采取分階段、分功能組合地進行技術攻關，以部分功能和分頻段綜合的設計與實現(xiàn)為切入點，在技術成熟條件下逐步地實現(xiàn)全面綜合的形態(tài)。

(4)載荷綜合處理與管控技術

[13]的模塊化綜合化系統(tǒng)集成思路，在航天器中引入基于綜合化及藍圖動態(tài)部署設計理念，研究具有高度綜合的、開放式可擴展信號與信息處理及計算資源(最小處理基本單位)，并具有動態(tài)加載能力的多線程處理與資源管控技術以及相應硬件資源配置構架，其中隱含了多種載荷功能以及應用場景適應能力的需求。

(5)空間網絡協(xié)議與SDN管理技術

天基信息網絡協(xié)議的核心問題是如何保障空間信息在長延時、高誤碼、易中斷環(huán)境下的高效、可靠傳輸以及異構網絡間互聯(lián)互通[14]，需要研究和應用空間DTN網絡技術和網關技術(協(xié)議轉換)，以及基于SDN的網絡架構與管理等相關技術。

(6)天基多目標測控與通信技術

在天地一體化的天基信息網絡中，天基平臺及其載荷實現(xiàn)的核心或關鍵節(jié)點既是天基信息網絡基礎設施，又可能是天基信息網絡服務的對象(即網絡用戶)。充分地利用天基節(jié)點的空間位置優(yōu)勢，實現(xiàn)對網絡內其他各類節(jié)點的信息接入以及其他平臺的測量與控制，結合SDN架構的各層控制功能，可大大提高天基信息網絡的運行效率以及自主維護、管理與控制能力。要實現(xiàn)這些功能，需要研究在天基節(jié)點上實現(xiàn)多目標測控與通信的可行性以及技術途徑，而這一關鍵技術又與網絡應用模式、空間處理能力、綜合化程度與方式等密切相關。

5　結束語

構建天地一體化的天基信息網絡，可有效地實現(xiàn)天地信息的互聯(lián)[1，15]，提高信息獲取以及應用的能力，但如果僅僅實現(xiàn)天地之間各節(jié)點的簡單互連，只能實現(xiàn)特定應用信息之間有限條件的交換，各類節(jié)點的無縫互聯(lián)及高效信息應用還有較大的差距。利用綜合化技術的多功能節(jié)點能力，充分地發(fā)揮空間與地面節(jié)點資源和效能，實現(xiàn)天地信息的高效傳輸、處理與靈活應用，將是未來天基信息網絡的發(fā)展方向。本文探討了基于多功能節(jié)點及SDN的體系構架建議，梳理了相應的關鍵技術方向，可為我國天基信息網絡的構建提供參考思路。

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李 婷(1986—)，女，湖南邵陽人，2013年獲博士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事飛行器測控通信系統(tǒng)總體技術研究工作；

LI Ting was born in Shaoyang，Hunan Province，in 1986.She received the Ph.D.degree in 2013.She is now an engineer.Her research concerns sPacecraft TT&C system techno1ogy.

Emai1：1iting142@126.com

胡建平(1963—)，男，四川漢源人，研究員，主要從事飛行器測控與通信系統(tǒng)總體技術研究工作；

HU JianPing was born in Hanyuan，Sichuan Province，in 1963.He is now an senior engineer of Professor.His research concerns sPacecraft TT&C system techno1ogy.

徐會忠(1966—)，男，重慶萬州人，研究員，主要從事飛行器測控與通信系統(tǒng)及網絡技術研究工作。

XU Huizhong was born in Wanzhou，Chongqing，in 1966. He is now a senior engineer of Professor.His research concerns sPacecraft TT&C system techno1ogy and network techno1ogy.

Application Discussion of Software Defined Network in Space-based Information Network

LI Ting，HU JianPing，XU Huizhong
(Southwest China Instituted of E1ectronic Techno1ogy，Chengdu 610036，China)

The interconnection of the existing sPace-ground network nodes can satisfy the sPecific need of the sPace-ground information network aPP1ication to a certain extent.However，due to the 1imitation of the sPace，Physics and function of the nodes，effective1y transmitting，combining and on-demand aPP1ying the sPace-based information is restricted.In this PaPer，the deve1oPing trend of the sPace-based network is ana1yzed.A concePtion of the network is discussed.The research trend of the key techno1ogies is com-Pi1ed.In addition，it is ProPosed that the sPace-based information network may be constructed by the 1oad P1atform of mu1tiP1e functions defined by the software on the sPace core nodes，the architecture of the software defined network(SDN)and the sPace de1ay-to1erant network(DTN)Protoco1s.And then，the resource virtua1ization，the Process diversification and the aPP1ication inte11igence of the network may be achieved.In the future，the network wi11 satisfy the aPP1ication requirement of information customization and efficient1y sharing etc.

sPace-based information network；te1ePort；routing gateway；1oad P1atform of mu1tiP1e functions；de1ay-to1erant network(DTN)；software defined network(SDN)

Project SuPPorted by the Creative Techno1ogy Fund of Southwest China Instituted of E1ectronic Techno1ogy(H15015)

TN911

A

1001-893X(2016)03-0259-08

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.005

2015-09-18;

2016-02-23 Received date:2015-09-18;Revised date:2016-02-23

中國西南電子技術研究所技術創(chuàng)新基金項目(H15015)

**通信作者:1iting142@126.com Corresponding author:1iting142@126.com