基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及南向接口協(xié)議擴展

馮淼淼，徐展琦，汪春霆，張亞生，肖永偉

( 1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710071;2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)重點實驗室，河北 石家莊 050081 )

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基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及南向接口協(xié)議擴展

馮淼淼1，徐展琦1，汪春霆2，張亞生2，肖永偉2

( 1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710071;2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)重點實驗室，河北 石家莊 050081 )

針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)配置更新不靈活、管理復(fù)雜等問題，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)框架引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。簡要介紹基于SDN的星地混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析SDN架構(gòu)中的南向接口協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的適用性。針對衛(wèi)星交換節(jié)點特性與功能，擴展和增強南向接口OpenFlow協(xié)議的功能，以利用多流表架構(gòu)實現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點多粒度交換，增加對微波端口特性的支持，通過控制器實時獲取衛(wèi)星性能參數(shù)，達到對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的靈活配置。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；OpenFlow協(xié)議擴展；多流表

0 引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以其獨有的特性在通信廣播、軍事偵察、氣象預(yù)報、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，更在5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中扮演重要角色[1]。然而，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)面臨的星地之間距離過大、全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新過慢、路由算法不穩(wěn)定等問題，使其無法適應(yīng)快速變化的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，提供細粒度的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò) (Software Defined Network,SDN)[2]作為一種控制轉(zhuǎn)發(fā)分離的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，憑借其靈活性、開放性及可編程性贏得廣泛關(guān)注。很多研究將SDN架構(gòu)引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)配置更新不靈活、管理偏復(fù)雜等問題。軟件定義衛(wèi)星 (Software Defined Satellite,SDS)[3]通過對衛(wèi)星有效載荷的定義實現(xiàn)軟件定義功能，執(zhí)行不同的業(yè)務(wù)，滿足用戶多種需求，靈活可控。軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) (SDS Networks,SDSN)[4]架構(gòu)通過位于地面站的控制器集中管理全局化網(wǎng)絡(luò)視圖，更加靈活地配置衛(wèi)星交換體制、鏈路通信協(xié)議，部署更細粒度的管理策略，提供更好的通用性。OpenSAN[5]架構(gòu)將GEO組作為控制層，解決控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面資源消耗過大的問題。另外，部分研究者將SDN與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (Network Function Virtualization,NFV)[6]結(jié)合用于星地網(wǎng)絡(luò)。文獻[7-8]將SDN/NFV技術(shù)應(yīng)用于地面與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合，使其覆蓋范圍更廣、資源利用更優(yōu)化，且具有更好的網(wǎng)絡(luò)彈性及部署通信服務(wù)的靈活性。然而，上述研究卻未考慮OpenFlow在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的適用性。OpenFlow協(xié)議是針對地面以太網(wǎng)提出的，有線網(wǎng)絡(luò)的信道傳輸特性較好，需收集的信息少；而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持節(jié)點多粒度交換，并采用激光微波混合的無線傳輸方式，需要獲取更加復(fù)雜的特性。

本文基于SDN構(gòu)建星地混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)對衛(wèi)星性能參數(shù)的實時監(jiān)測，掌握變化頻繁的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，提供更加細粒度的管理服務(wù)。OpenFlow協(xié)議作為標準的南向接口協(xié)議，在地面網(wǎng)絡(luò)的研究中已取得重大進展[9]，而在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用有待深入研究。本文重點研究OpenFlow協(xié)議對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的適用性及其功能擴展，旨在使SDN與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更好地融合，構(gòu)建一個靈活、可控的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

1 基于SDN的星地混合網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1給出基于SDN的星地混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它由數(shù)據(jù)平面、控制平面和管理平面組成。按照SDN架構(gòu)自底向上，通信衛(wèi)星GEO作為數(shù)據(jù)平面中的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，根據(jù)控制器上傳的流表規(guī)則負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)；位于地面站的SDN控制器擁有對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的全局視圖，實時監(jiān)測衛(wèi)星狀態(tài)，動態(tài)合理地調(diào)配衛(wèi)星資源；地面子網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)控制中心通過軟件編程經(jīng)控制器實現(xiàn)對衛(wèi)星的靈活配置，滿足用戶多種需求。

圖1 基于SDN的星地混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 接口協(xié)議適用性

SDN北向接口是用戶業(yè)務(wù)以及各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開發(fā)者有效控制和利用網(wǎng)絡(luò)的門戶，開發(fā)者以軟件編程的形式調(diào)用各種網(wǎng)絡(luò)資源，全局掌控和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)軟件可編程控制的網(wǎng)絡(luò)[10]。目前，表征狀態(tài)傳輸 (REpresentational State Transfer,REST)[11]是應(yīng)用最廣泛的北向接口。本文所提架構(gòu)中，控制器與網(wǎng)絡(luò)控制中心均位于地面網(wǎng)絡(luò)中。因此，已有的北向接口應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無需改進。

OpenFlow協(xié)議作為公認的南向接口協(xié)議標準，負責(zé)控制平面與數(shù)據(jù)平面之間的信息交互?？刂破魍ㄟ^OpenFlow協(xié)議向底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備下發(fā)相應(yīng)的流表，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備只需按照流表定義的規(guī)則實現(xiàn)匹配轉(zhuǎn)發(fā)即可[12]。不同于地面OpenFlow交換機，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中GEO通信衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，由位于地面站的控制器上載流表信息，衛(wèi)星根據(jù)其流表進行轉(zhuǎn)發(fā)。因此，現(xiàn)有的OpenFlow協(xié)議并不適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。為了使OpenFlow支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特性，包括衛(wèi)星節(jié)點多粒度交換和激光微波混合特性等，需要對OpenFlow v1.5[13]做出一定的功能擴展。

2 衛(wèi)星多粒度交換擴展

星地混合網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，一般是具有星上交換能力的GEO衛(wèi)星，不僅要支持傳統(tǒng)的IP交換、ATM交換、電路交換，而且還要支持光纖交換和光波長交換[14]，而OpenFlow協(xié)議僅能對以太網(wǎng)中的IP分組進行處理，并不支持多粒度交換。故而本文將OpenFlow協(xié)議標準中的多流表匹配框架應(yīng)用到多粒度交換的擴展中，使其適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

2.1 多流表匹配框架

如圖2所示，本文采用多級流表處理架構(gòu)完成衛(wèi)星多粒度交換擴展，各級流表完成不同粒度交換。多流表對流表進行特征提取，將匹配過程分解成多個步驟，形成流水線的處理形式，以減少流表尺寸和降低總流表數(shù)，提升流表處理效率[15]。流表ID從0開始依次遞增，隨著流水線繼續(xù)進行，交換粒度越來越小。

圖2 衛(wèi)星多粒度交換流表匹配架構(gòu)

當數(shù)據(jù)包到達入端口，則進入Table 0進行匹配，若匹配到相應(yīng)表項，則根據(jù)該流表項指定的動作進行下一步處理，跳轉(zhuǎn)至下一級流表繼續(xù)匹配或直接退出，結(jié)束流水線；反之，若未匹配，則將數(shù)據(jù)包打包成PacketIn消息發(fā)往控制器，等待控制器下發(fā)策略，做進一步的處理。

圖3給出多流表匹配框架中Payload Gran域的格式，它指示當前載荷之上是否存在更小的交換粒度，若存在，則跳轉(zhuǎn)進入相應(yīng)流表，繼續(xù)流水線處理；否則，停止流水線，直接轉(zhuǎn)發(fā)輸出。

圖3 Payload Gran域的具體結(jié)構(gòu)

Hierarchy：表示當前位于何種交換級別。

000：表示當前處于端口交換級別；

001：表示當前處于波帶交換級別；

010：表示當前處于波長交換級別；

011：表示當前處于SDH交換級別；

010：表示當前處于ATM交換級別；

其余的IP、ATM、SDH、WL、WB均為標志位，指示當前交換粒度之上，是否存在相應(yīng)的交換粒度。

2.2 匹配域擴展

上述多流表匹配框架中，各級流表的匹配字段并未包含在OpenFlow v1.5協(xié)議中。因此基于Openflow v1.5原有的44個匹配域，增加以下擴展域。

enum oxm_ofb_match_fields {

……

OPFXMT_OFB_PAYLOAD_GRAN =45，/* The smaller switching granularity on current switching. */

OFPXMT_OFB_ATM_VPI =46，/* ATM VPI. */

OFPXMT_OFB_ATM_VCI =47，/* ATM VCI. */

OFPXMT_OFB_IN_TDM_SLOT =48，/* SDH switching input TDM slot. */

OFPXMT_OFB_IN_OPT_WB =49，/* Optical waveband switching,input waveband id. */

OFPXMT_OFB_IN_OPT_WL =50，/* Optical wavelength switching,input wavelength id. */

} ;

3 微波端口與饋電鏈路的特性擴展

3.1 微波端口特性擴展

星地混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星與地面站及衛(wèi)星之間激光鏈路與微波鏈路共存。微波鏈路建設(shè)成本低，傳輸可靠性高，應(yīng)用廣泛；而激光鏈路可用帶寬大，不受頻率分配限制，且保密性好，彌補了微波鏈路數(shù)據(jù)中繼能力相對不足的問題。OpenFlow v1.4已增加對光端口特性的支持，所以本文通過增加新的端口特性來支持微波傳輸，包括支持配置及監(jiān)測微波的頻率及功率等。擴展主要包括微波端口修改特性、統(tǒng)計特性和描述特性3部分。

OpenFlow協(xié)議為上述3個特性提供擴展域，分別為ofp_port_mod_prop_experimenter、ofp_port_stats_prop_experimenter、ofp_port_desc_prop_experimenter。下面以微波端口修改特性為例具體說明其定義。

/*Port mod property types.*/

Enum opf_port_mod_prop_type {

OFPPMPT_ETHERNET =0 /* Ethernet property. */

OFPPMPT_OPTICAL =1 /* Optical property. */

OFPPMPT_EXPERIMENTER =0xFFFF /* Microwave property. */

} ;

Struct ofp_port_mod_prop_experimenter {

uint16_t type; /* OFPPMT_EXPERIMENTER. */

uint16_t length; /* Length in bytes of this property. */

uint32_t experimenter; /* Experimenter ID which takes the same form as in

struct ofp_experimenter_header. */

uint32_t exp_type; /* Experimenter defined. */

uint32_t freq_band; /* Which wave band has been used,L,S,C,X,Ku,K,or Ka. */

uint32_t freq; /* The “center” frequency. */

uint32_t freq_offset; /* signed frequency offset. */

uint32_t grid_span; /* The size of the grid for this port. */

uint32_t tx_power; /* tx power setting. */

} ;

OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_port_mod_prop_experimenter)==32) ;

3.2 衛(wèi)星饋電鏈路特性擴展

相較于有線網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有更加復(fù)雜的特性，需要獲取更多的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)?？刂破鞫送ㄟ^OpenFlow可獲得的信息僅是交換機的基本配置信息和流表相關(guān)的統(tǒng)計信息，并不能監(jiān)控衛(wèi)星的實時運行狀態(tài)。通過新增消息類型實現(xiàn)Experimenter Multipart消息的擴展，使控制器端可實時收集衛(wèi)星的狀態(tài)信息，動態(tài)合理地調(diào)度衛(wèi)星資源。

struct ofp_experimenter_multipart_request {

uint32_t experimenter;

unit32_t exp_type;

} ;

struct ofp_experimenter_multipart_ reply {

uint32_t experimenter;

uint32_t exp_type;

uint32_t bandwidth; /* 傳輸總帶寬*/

uint32_t bandwidth_used; /* 已占用帶寬*/

uint32_t EIRP; /* 全向輻射功率，單位為dBW */

uint32_t Nf; /* 噪聲系數(shù)，單位為dB，典型值為7 dB*/

uint32_t Te; /* 等效噪聲溫度，單位為K，典型噪聲溫度為1 000 K */

uint32_t C_N; /* 載噪比 */

uint32_t Ws; /* 飽和通量密度，單位為dBW/m2*/

} ;

3.3 錯誤及告警消息擴展

靈活的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)配置不僅體現(xiàn)在可通過控制器監(jiān)測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，還包括衛(wèi)星將異步狀態(tài)及錯誤信息及時上報給控制器，利用OpenFlow協(xié)議擴展域experimenter給出擴展的錯誤消息定義及相關(guān)的錯誤代碼如下。交換機能夠向控制器上報衛(wèi)星表面溫度過高、當前傳輸誤碼率過高及負載過大等問題?？刂破髦鲃影l(fā)送詢問消息結(jié)合衛(wèi)星自主上傳異步狀態(tài)及錯誤信息，便于更好地掌握衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，優(yōu)化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)配置。

struct ofp_error_experimenter_msg {

struct ofp_header header;

uint16_t type; /* OFPET_EXPERIMENTER*/

uint16_t exp_code; /* Experimenter defined*/

uint32_t experimenter; /* Experimenter ID*/

uint8_t data[0]; /* Variable-length data. Interpreted based on the type and

experimenter. No padding*/

} ;

OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_error_experimenter_msg)==16) ;

enum ofp_experimenter_code {

OFPEC_HIGH_TEM =1，/* 衛(wèi)星表面溫度過高 */

OFPEC_HIGH_SER =2，/* 傳輸錯誤率太高 */

OFPEC_HEAVY_LOAD =3，/* 負載過大 */

} ;

4 結(jié)束語

本文將SDN架構(gòu)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出基于SDN的星地混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過地面的控制器和網(wǎng)絡(luò)控制中心，實現(xiàn)對衛(wèi)星的實時控制，并根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)當前狀態(tài)及時調(diào)整路由策略，部署更加細粒度的服務(wù)，提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)整體性能。另外，本文重點討論OpenFlow協(xié)議在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的適用性，并基于衛(wèi)星節(jié)點的多粒度交換體制和激光微波混合互聯(lián)等特性，進行協(xié)議擴展，使OpenFlow協(xié)議更具通用性。

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SDN-based Satellite Networks and Southbound Interface Protocol Extension

FENG Miao-miao1,XU Zhan-qi1,WANG Chun-ting2,ZHANG Ya-sheng2,XIAO Yong-wei2

(1. State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an Shaanxi 710071,China;2.State Key Lab of Information Transmission and Distribution in Communication Networks,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

In view of inflexible configuration update and complex management of satellite communication system,the software defined network (SDN) framework is introduced into satellite networks. This paper briefly introduces the terrestrial satellite hybrid network architecture based on SDN,and analyzes the applicability of southbound interface protocol in SDN architecture to satellite networks. Based on characteristics and functions of satellite switching nodes,the function of southbound interface OpenFlow protocol is extended and enhanced to realize satellite nodes multi-granularity switching by taking advantage of multi-table architecture. Additionally,the support for microwave port characteristics is added,which enables the real-time acquisition of satellite performance parameters through a controller and achieves flexible configuration of satellite network nodes.

software defined networks (SDN); satellite networks; OpenFlow protocol extension; multi-flow table

2017-05-10

國家自然科學(xué)基金項目(61572391)

馮淼淼(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)。徐展琦(1962—)，男，博士，教授，主要研究方向：光網(wǎng)絡(luò)、寬帶衛(wèi)星、SDN/NFV。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.05

馮淼淼,徐展琦,汪春霆,等.基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及南向接口協(xié)議擴展[J].無線電通信技術(shù),2017,43(5): 19-23.

[FENG Miaomiao,XU Zhanqi,WANG Chunting,et al. SDN-based Satellite Networks and Southbound Interface Protocol Extension [J].Radio Communications Technology,2017,43(5):19-23.]

TN 927

A

1003-3114(2017)05-19-5