基于網(wǎng)絡(luò)切片的海上作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)資源管控框架研究

秦晉平 劉 鵬 陳 樹

（1.北部戰(zhàn)區(qū)海軍 青島 266071）（2.中國艦船研究院 北京 100101）

1 引言

在現(xiàn)代信息化海戰(zhàn)中，遠(yuǎn)洋護航、海上編隊作戰(zhàn)等海上作戰(zhàn)作戰(zhàn)任務(wù)日益復(fù)雜，而不同的作戰(zhàn)任務(wù)對通信鏈路的需求是不同的，有的甚至是相沖突的。使用同一種通信鏈路同時為不同的作戰(zhàn)提供服務(wù)會使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)非常冗雜，資源利用效率低下。

使用基于切片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)資源的集中虛擬化規(guī)劃管理已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃管理的研究重點［1］，而網(wǎng)絡(luò)切片主要由SDN（Software Defined Net?work）和 NFV（Network Function Virtualization）技術(shù)實現(xiàn)［2～3］。

在此背景下，本文將從海上作戰(zhàn)任務(wù)QoS（Quality of Service）需求保證、網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)分配、網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用特點和網(wǎng)絡(luò)資源管控架構(gòu)、系統(tǒng)流程等角度進行全面分析與探討，研究保證各類應(yīng)用QoS的前提下提升網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效率的技術(shù)。

2 海上作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)資源管控技術(shù)

2.1 QoS需求保證

隨著海上作戰(zhàn)信息設(shè)備數(shù)量的增加與功能的豐富，網(wǎng)絡(luò)流量規(guī)模及類型不斷增加，滿足各類作戰(zhàn)應(yīng)用QoS需求同時實現(xiàn)通信鏈路高效性已逐漸成為海上通信網(wǎng)絡(luò)控制的一個課題?，F(xiàn)有通信鏈路架構(gòu)將控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)緊耦合，無法從整體的角度對網(wǎng)絡(luò)資源進行管控，另外鏈路終端設(shè)備與通信協(xié)議綁定，缺乏靈活性，新的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則等解決方案無法部署，因此不能同時符合上述兩種要求。而SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)發(fā)分離，使得網(wǎng)絡(luò)管理者能夠獲得全局態(tài)勢，其可編程的網(wǎng)絡(luò)接口也使得新的協(xié)議可修改，是網(wǎng)絡(luò)資源控制研究的一個新平臺［4～5］。但現(xiàn)有的基于集中控制思想的網(wǎng)絡(luò)控制方案大多針對民用方面，且面向QoS或是資源利用有效性等單方面，本文在針對海上作戰(zhàn)現(xiàn)有通信鏈路資源管控研究工作中存在的問題，引入網(wǎng)絡(luò)切片概念，基于網(wǎng)絡(luò)切片的管控機制開展研究。

2.2 網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)分配

海上作戰(zhàn)應(yīng)用對鏈路帶寬的需求隨著作戰(zhàn)任務(wù)的不斷增加，相對于用戶的需求，通信鏈路資源始終處于相對稀缺的狀態(tài)，通過增加網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的方法建設(shè)周期長，不靈活，且無法適應(yīng)不確定峰值流量的沖擊，通過簡化通信協(xié)議的方法則限制了戰(zhàn)術(shù)信息的傳輸，二者都無法從根本上解決鏈路需求的問題，因此，通過動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源的方法來提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

多路徑傳輸技術(shù)同時使用多條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，保證較好的傳輸性能和更高的網(wǎng)絡(luò)資源利用率。但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)備靈活性差，現(xiàn)有的CRA［6］、ECMP［7］等多晶傳輸方法的維護成本較高。SDN技術(shù)被提出后，負(fù)載均衡等方面的研究不斷出現(xiàn)，如Agarwal S［8］使用集中控制器保證全局的資源有效性、Koerner M等［9］提出虛擬化網(wǎng)絡(luò)來保障每個服務(wù)、Google通過一套流量工程方法極大提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率。但是上述幾種方法沒有考慮到應(yīng)用的具體需求，可擴展性不強。

3 切片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

通過虛擬化將一個物理網(wǎng)絡(luò)分成多個虛擬的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每一個虛擬網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)不同的應(yīng)用場景，這就叫網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)［10］。網(wǎng)絡(luò)切片是一組網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function）及其資源、配置的集合，從而形成一個功能完整的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每一個邏輯網(wǎng)絡(luò)都能以特定的網(wǎng)絡(luò)特性來滿足對應(yīng)業(yè)務(wù)的需求，通過網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議定制，網(wǎng)絡(luò)切片為不同業(yè)務(wù)場景提供所匹配的網(wǎng)絡(luò)功能。根據(jù)不同的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求，每個虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)切片可以相應(yīng)地進行網(wǎng)絡(luò)資源的配置與管理，這是網(wǎng)絡(luò)的實例化過程［11～12］。網(wǎng)絡(luò)切片通過資源與物理位置松耦合，支持資源的動態(tài)調(diào)整，在保證網(wǎng)絡(luò)資源有效性的前提下增強了網(wǎng)絡(luò)整體的可靠性。

NGMN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)如圖1所示，分為業(yè)務(wù)實例層、網(wǎng)絡(luò)切片實例層和資源層。其中業(yè)務(wù)實例層通過一個網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)最終服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)切片實例層包括虛擬化后一組特定的網(wǎng)絡(luò)邏輯功能，向業(yè)務(wù)實例層提供所需要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；資源層包括計算、存儲、傳輸?shù)任锢碣Y源及虛擬化后的網(wǎng)絡(luò)底層邏輯資源。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片邏輯架構(gòu)［13］

4 基于網(wǎng)絡(luò)切片的海上通信鏈路資源管控模型

基于網(wǎng)絡(luò)切片的海上通信鏈路資源管控模型基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，業(yè)務(wù)層主要擬定下發(fā)業(yè)務(wù)、控制層負(fù)責(zé)作出動態(tài)控制決策、承載層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、底層交互接口則主要負(fù)責(zé)通過OpenFlow協(xié)議承載向上傳遞態(tài)勢信息，向下發(fā)布決策結(jié)果流表信息?？刂茖邮强刂颇Ｐ偷淖钪饕糠?，主要包含網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢生成組件、切片劃分組件、流量動態(tài)調(diào)整組件和決策下發(fā)組件，承載層中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則主要具備報文轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)流量感知等功能。

圖2 基于切片劃分的網(wǎng)絡(luò)資源控制模型

1）網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢生成組件

網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢生成組件是整個決策層的基礎(chǔ)部分，通過收集網(wǎng)絡(luò)信息支撐決策。網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢生成組件通過底層交互接口從承載層設(shè)備獲得網(wǎng)絡(luò)全局信息，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及物理節(jié)點負(fù)載等，是后續(xù)切片劃分和實時動態(tài)流量調(diào)整的依據(jù)。其中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔@取的底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的節(jié)點分布信息，包含了各個設(shè)備節(jié)點間的連接關(guān)系；網(wǎng)絡(luò)流量信息獲取的則是流量大致分布情況以及流量類型分析結(jié)果，其中，流量大致分布情況是從歷史流量數(shù)據(jù)中提取出的，通過動態(tài)分析流量信息可以得到其類型；負(fù)載信息由底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備實時上報，是動態(tài)流量調(diào)整的主要依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢生成組件作為決策層的數(shù)據(jù)支撐，在整個網(wǎng)絡(luò)資源控制模型中具有重要的作用。

2）切片劃分組件

切片劃分組件需要根據(jù)不同的作戰(zhàn)應(yīng)用對QoS需求的差異性，對整個網(wǎng)絡(luò)進行切片分割，滿足各種作戰(zhàn)應(yīng)用的虛擬網(wǎng)絡(luò)。按照不同的需求，切片分割可以分為QoS切片分割和BE切片分割兩種類型。這兩種分割方式都是以網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢作為依據(jù)，QoS切片分割是以QoS保障為優(yōu)化目標(biāo)進行資源預(yù)留，實現(xiàn)切片的構(gòu)造，同時為了支持后續(xù)的流量動態(tài)調(diào)整，在分割的過程中需盡量考慮節(jié)點之間的多路徑通道；BE切片分割是以網(wǎng)絡(luò)資源有效性為優(yōu)化目標(biāo)，同樣也需要尋找物理節(jié)點間的多路徑通道。切片劃分結(jié)束后，資源預(yù)留結(jié)果將通過決策下發(fā)組件生成配置信息發(fā)送到底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。

3）流量動態(tài)調(diào)整組件

決策層流量動態(tài)調(diào)整組件需要完成網(wǎng)絡(luò)流量的實時調(diào)整。流量調(diào)整組件根據(jù)切片劃分組件得到的資源預(yù)留結(jié)果，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢生成組件提供的實時的節(jié)點負(fù)載和全網(wǎng)流量信息，以網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)資源有效性為目標(biāo)進行流量調(diào)整。在構(gòu)造好的多路徑切片內(nèi)選擇流量通路。流量動態(tài)調(diào)整結(jié)果將轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞅眄?，?jīng)由決策下發(fā)組件通過底層交互接口部署到物理設(shè)備上。

4）決策下發(fā)組件

決策下發(fā)組件承擔(dān)將物理設(shè)備配置信息和流量調(diào)整生成的流表項信息部署到物理設(shè)備上的任務(wù)。其中流表項信息是根據(jù)流量動態(tài)調(diào)整組件產(chǎn)生的流量調(diào)整結(jié)果產(chǎn)生，此處通過流進行調(diào)度。因此對于靜態(tài)分配的切片劃分結(jié)果生成的設(shè)備配置信息，以及對于流量調(diào)整結(jié)果生成的流表信息，都將通過決策下發(fā)組件部署到物理設(shè)備上。

5）承載層

承載層的主要功能是根據(jù)接收到的流表對流量進行轉(zhuǎn)發(fā)，底層設(shè)備需要支持OpenFlow協(xié)議的交換設(shè)備。這些交換設(shè)備能夠?qū)λ薪?jīng)過的網(wǎng)絡(luò)流量信息進行采集，實現(xiàn)流量感知，能夠依據(jù)決策層的決策下發(fā)組件下發(fā)的配置信息完成相應(yīng)的配置，實現(xiàn)依據(jù)決策下發(fā)組件下發(fā)的流表項信息進行策略的靈活修改。

5 資源控制流程

針對上述各個框架包含的具體功能，提出的基于切片劃分的資源管控的控制流程，如圖3所示。

圖3 控制流程示意圖

控制流程包括前期靜態(tài)預(yù)先規(guī)劃階段和網(wǎng)絡(luò)運行過程中的動態(tài)實時調(diào)整階段。

在預(yù)先規(guī)劃階段中，根據(jù)鏈路歷史流量以及集中控制下通過底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備反饋得到的綜合網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢信息，進行切片劃分，完成路徑規(guī)劃，再將預(yù)先規(guī)劃的節(jié)點預(yù)留結(jié)果轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置信息，下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。預(yù)先規(guī)劃階段生成的網(wǎng)絡(luò)切片示意圖如圖4所示，將同一個網(wǎng)絡(luò)同時劃分為多個不同的隔離的虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個邏輯網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是一個網(wǎng)絡(luò)切片。其中QoS切片包含節(jié)點之間的傳輸通道和節(jié)點上需要預(yù)留的資源量，BE切片上值包含節(jié)點間傳輸通路。

圖4 網(wǎng)絡(luò)切片示意圖

控制流程包含的第二個階段是實時決策階段，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開始運行后，底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備以預(yù)先規(guī)劃的轉(zhuǎn)發(fā)策略為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)前的流量信息和負(fù)載情況，綜合分析后重新構(gòu)建每個流在切片內(nèi)部或是切片之間的傳輸通路，并轉(zhuǎn)化為流表信息部署在底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上，實現(xiàn)流量的動態(tài)調(diào)度。通過流量的累積，切片劃分也將逐漸完善，實現(xiàn)控制反饋的結(jié)果。

6 結(jié)語

本文針對海上作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)管理需求，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)切片的網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃方法?？紤]海上作戰(zhàn)任務(wù)應(yīng)用情況，在滿足應(yīng)用的QoS需求的基礎(chǔ)下著眼于提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，進行控制框架和應(yīng)用流程的設(shè)計，為海上作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)管控提供一種新思路。隨著網(wǎng)絡(luò)資源的增加、作戰(zhàn)任務(wù)的復(fù)雜化，具備精細(xì)控制、高網(wǎng)絡(luò)利用率的海上作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)資源控制將成為海上任務(wù)遂行的重要基礎(chǔ)。

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