基于信息戰(zhàn)的軟件定義天地一體化網(wǎng)絡(luò)與關(guān)鍵技術(shù)*

梁 俊，丁 然，肖 楠，劉玉磊，張振浩

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077）

0 引言

信息戰(zhàn)是指以信息設(shè)備和信息技術(shù)為武器，以覆蓋全球的信息網(wǎng)絡(luò)為主戰(zhàn)場的戰(zhàn)爭［1］。從全球信息柵格（GIG）到聯(lián)合信息環(huán)境（JIE），全球范圍內(nèi)以美軍為主的信息化作戰(zhàn)能力飛速發(fā)展，現(xiàn)代信息戰(zhàn)逐漸向陸?？仗煲惑w化聯(lián)合作戰(zhàn)發(fā)展，越來越依靠天地一體化網(wǎng)絡(luò)這一重大信息基礎(chǔ)設(shè)施。在此背景下，天地一體化網(wǎng)絡(luò)的進一步創(chuàng)新發(fā)展成為提高未來信息化一體作戰(zhàn)能力的有效途徑［2-3］。美國空軍航天司令部（AFSPC）于2013年8月發(fā)布的《彈性和分散空間體系》白皮書指出提升空間系統(tǒng)彈性的重要性，這也啟示了天地一體化網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展應(yīng)突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與功能捆綁的瓶頸，構(gòu)建高效互聯(lián)、開放靈活、易于重構(gòu)、管理統(tǒng)一的彈性天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)［4］。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）是近年來逐漸興起并高速發(fā)展的一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制，其基本思想是將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離［5］，本文借鑒其思想提出基于信息戰(zhàn)的軟件定義天地一體化網(wǎng)絡(luò)的新型架構(gòu)。文獻(xiàn)［6］中提出SDN控制的空天地一體化架構(gòu)設(shè)想，但該文重點針對空基網(wǎng)絡(luò)無人機編隊架構(gòu)描述，忽視了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層面的有關(guān)內(nèi)容；而文獻(xiàn)［7］雖是關(guān)于軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，但僅是針對分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)進行的架構(gòu)設(shè)計。借鑒文獻(xiàn)［8-9］，本文提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是全局性的，重點是通過分層在現(xiàn)有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)SDN控制器功能，實現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)全方面的深度融合，能更好適應(yīng)戰(zhàn)場變化，滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭中對信息的高效傳輸要求。面對未來戰(zhàn)爭任務(wù)需求的多樣性，基于軟件定義的彈性可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展將成為必然趨勢［10］。

1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)是由衛(wèi)星等航天器、空中平臺以及相應(yīng)的地面設(shè)施通過星地、星間鏈路構(gòu)成的融合一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目標(biāo)是將天、空、地、海等多維度的信息進行有效的獲取、傳輸和管理，能為全球任何時間、任何地點的戰(zhàn)場提供實時、高效、可靠的通信支持［11］。對于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的研究始于21世紀(jì)初，近年來歐美等發(fā)達(dá)國家相繼提出各種空間信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想并進行了實踐，我國正處于起步階段［12］。表1總結(jié)了具有代表性的天地一體化網(wǎng)絡(luò)項目，它們極大推動了空間信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為軍事應(yīng)用提供了有力支撐。

然而，當(dāng)前天地一體化網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸受到不同功能與物理設(shè)備的限制，空間鏈路與設(shè)備負(fù)荷不斷增加，信息傳輸速率不夠高。美國SCaN計劃于2013年進行了無線電技術(shù)試驗，驗證了在軌航天器上的功能可加載重構(gòu)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可通過資源重構(gòu)和軟件定義實現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)換，與此對應(yīng)的SDN技術(shù)為天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展打開了一個新方向。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與控制邏輯的緊密結(jié)合嚴(yán)重阻礙新技術(shù)在控制層面的部署，使其在靈活性、擴展性、高效性、應(yīng)用創(chuàng)新性等各方面存在嚴(yán)重的不足。由此國內(nèi)外專家開始通過軟件定義思想重新設(shè)計互聯(lián)網(wǎng)解決其根本問題。圖1簡要梳理了SDN 的發(fā)展歷程［13］。

表1 主要天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)項目

圖1 SDN發(fā)展簡要時間歷程表

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的核心理念是將控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，通過其可編程性將底層基礎(chǔ)設(shè)施和資源進行虛擬化表達(dá)，從而精簡物理設(shè)備、提高傳輸效率，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)按需分配［14］。圖2描述的是ONF（Open Networking Foundation，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)基金會）提出的 SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［15］。

圖2 SDN典型架構(gòu)

該架構(gòu)包括3個層次、3種接口：1）基礎(chǔ)設(shè)施層，負(fù)責(zé)狀態(tài)搜集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理；2）控制層，負(fù)責(zé)拓?fù)涔芾?、流表下發(fā)、計算路由等，實現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)的控制與運行；3）應(yīng)用層，根據(jù)不同的應(yīng)用需求實現(xiàn)不同的應(yīng)用程序；4）北向接口，供上層業(yè)務(wù)按需進行網(wǎng)絡(luò)配置和調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源；5）南向接口，相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)和控制指令都經(jīng)此接口傳達(dá)；6）東西向接口，多個控制器之間通過此接口進行聯(lián)系和擴展。ONF定義的OpenFlow已成為當(dāng)前SDN領(lǐng)域最重要的南向接口標(biāo)準(zhǔn)。SDN各接口的開放，使網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施朝著更具靈活性和高效性的方向發(fā)展。

3 基于信息戰(zhàn)的軟件定義天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分析

天地一體化網(wǎng)絡(luò)是一個規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間信息網(wǎng)［16-17］，其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點如下：

網(wǎng)絡(luò)特征：由多軌道構(gòu)成，節(jié)點種類繁多，相對速度變化快，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉討B(tài)變化；各類系統(tǒng)長期發(fā)展中通信機制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性高，互聯(lián)互通困難。

鏈路特征：大時空尺度非對稱網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點距離遠(yuǎn)，易受外界干擾，高動態(tài)變化下鏈路傳輸時延大、中斷概率高、質(zhì)量差，鏈路切換不可預(yù)知。

需求特征：網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需不斷擴展新業(yè)務(wù)同時解決星上處理能力受限問題，數(shù)據(jù)傳輸能力、快速組網(wǎng)重構(gòu)能力以及服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障能力需不斷提高。

針對天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點，若將SDN技術(shù)引入天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，可在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下對全網(wǎng)資源統(tǒng)一管理，逐漸統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)、降低互聯(lián)互通難度，提高網(wǎng)絡(luò)彈性組網(wǎng)能力，實現(xiàn)全網(wǎng)資源的優(yōu)化配置與高效利用。

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具體設(shè)計

對天地一體化網(wǎng)絡(luò)來說，每一層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)群都能實現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且高軌道的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋低軌道的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，利于實現(xiàn)信息戰(zhàn)中網(wǎng)絡(luò)的管理控制和靈活組網(wǎng)。本文結(jié)合信息化作戰(zhàn)需求，借鑒SDN應(yīng)用形態(tài)與天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分層特點，提出一種軟件定義天地一體化網(wǎng)絡(luò)新型架構(gòu)，在現(xiàn)有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上添加SDN控制器的邏輯功能單元，通過軟件定義實現(xiàn)控制功能，一方面可以提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的抗毀性與重構(gòu)能力，另一方面可以建立高速的星地鏈路，從而支持戰(zhàn)時各種情報與態(tài)勢信息的傳輸。對應(yīng)于圖2 SDN架構(gòu)中的3個層次，基于信息戰(zhàn)的軟件定義天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，具體分析如下：

圖3 基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

1）應(yīng)用層：分布于地面或固定的空間站中，根據(jù)實際戰(zhàn)場需求和作戰(zhàn)任務(wù)變化可在其應(yīng)用層的控制中心對網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)軟件信息進行定義，然后通過北向接口將定義的新應(yīng)用信息在控制層進行更新。

2）控制層：設(shè)置于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、空基網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)等各層網(wǎng)絡(luò)中，其中，由于3顆GEO（Geostationary Earth Orbit，靜止地球軌道）衛(wèi)星即可實現(xiàn)全球覆蓋，故在GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層設(shè)置3顆加裝SDN控制器邏輯單元交換機的衛(wèi)星，負(fù)責(zé)MEO（Medium Earth Orbit，中地球軌道）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層的控制；MEO衛(wèi)星運行速度較快，LEO（Low Earth Orbit，近地軌道）衛(wèi)星運行速度最快，其間通信鏈路切換頻繁，需綜合實際戰(zhàn)時需求在MEO和LEO上設(shè)置合適數(shù)量的加裝SDN控制器的衛(wèi)星，MEO負(fù)責(zé)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層的覆蓋，LEO層負(fù)責(zé)空基和地面網(wǎng)絡(luò)層的覆蓋；在空基網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)實際需求使無人機編隊、飛艇等搭載微型SDN控制器，戰(zhàn)時需根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)在無人機編隊中選舉主控制器（領(lǐng)航機）；地基與?；W(wǎng)絡(luò)上主要以SDN基站設(shè)備為主，并設(shè)置SDN地面統(tǒng)一控制中心，它掌握全局信息，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一體化管控。

每層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部構(gòu)建控制器集群，集群內(nèi)控制器通過東西向接口通信，控制器上運行各種管理配置應(yīng)用程序，通過南向接口OpenFlow協(xié)議控制不同的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，實現(xiàn)集群內(nèi)信息共享；層與層集群間任意SDN控制器通過東西向接口通信，實現(xiàn)戰(zhàn)時實時信息的傳輸，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和抗毀性。

3）基礎(chǔ)設(shè)施層：各衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層、空基網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)中的SDN交換機共同組成了基礎(chǔ)設(shè)施層，分布的基礎(chǔ)設(shè)施層根據(jù)控制層的控制信息將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)發(fā)處理，可與對應(yīng)的地面基站進行數(shù)據(jù)交互。

本文網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所劃分的3個層面并不是在空間上將各層功能割裂開，而是在功能概念上區(qū)分的。SDN在龐雜的天地一體化體系中的實現(xiàn)，還需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各環(huán)節(jié)的先進技術(shù)支持并逐步展開探析和論證，整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的完善與應(yīng)用將是一個不斷進步、不斷成熟的過程。

3.3 主要優(yōu)勢

在未來信息戰(zhàn)中，本文提出的軟件定義天地一體化網(wǎng)絡(luò)對比于當(dāng)前天地一體化網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢明顯，總結(jié)為以下4個方面：

1）易于應(yīng)對作戰(zhàn)任務(wù)變化。

SDN交換機成為與協(xié)議無關(guān)的設(shè)備，SDN控制器可根據(jù)不同任務(wù)需求向相關(guān)設(shè)備發(fā)送配置與重構(gòu)命令，使得網(wǎng)絡(luò)能夠高效應(yīng)對戰(zhàn)時任務(wù)變化。

2）易于建立戰(zhàn)時標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)管控平面，降低組網(wǎng)難度。

引入SDN后，原來衛(wèi)星網(wǎng)管中心的部分功能由SDN控制器實現(xiàn)，能在全網(wǎng)范圍對路由和帶寬等資源集中管控和優(yōu)化，同時，標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無論具體物理實現(xiàn)是否一致都可實現(xiàn)互聯(lián)互通，顯著降低了戰(zhàn)時通信網(wǎng)的組網(wǎng)難度。

3）增強戰(zhàn)時網(wǎng)絡(luò)安全能力。

SDN控制器可基于全網(wǎng)視圖進行網(wǎng)絡(luò)安全配置，增強全局網(wǎng)絡(luò)的安全能力，易于開發(fā)滿足天地一體化網(wǎng)絡(luò)安全需求的安全增強機制。

4）最大限度簡化交換機設(shè)計，便于維護。

SDN交換機僅需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面功能，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能將實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，大大減小了交換機維護難度，同時易于上星，這都為未來信息化作戰(zhàn)降低成本。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 星載SDN控制器系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的星載SDN控制器需結(jié)合天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行改進設(shè)計。主要技術(shù)方向有：1）控制器配置與組網(wǎng)策略：天基網(wǎng)絡(luò)的高動態(tài)要求控制器能實時監(jiān)測所有節(jié)點變化，需綜合衛(wèi)星類型、需求等各方面規(guī)劃控制器位置與數(shù)量配置的最優(yōu)策略從而組成通信效率盡可能高的網(wǎng)絡(luò)集群，這對于提高系統(tǒng)性能至關(guān)重要。2）控制器可擴展性與可靠性：天地一體化網(wǎng)絡(luò)中SDN控制粒度的細(xì)化與多類應(yīng)用在控制器中的融合使SDN控制流表十分巨大、難以處理，而作為控制核心的控制器的可靠性將決定整個網(wǎng)絡(luò)是否可用。3）主控制器的選舉：主控制器負(fù)責(zé)獲取其他控制器節(jié)點信息創(chuàng)建全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌^而分發(fā)信息實現(xiàn)集群內(nèi)資源共享，在每層控制器集群中選出最佳主控制器十分重要。

4.2 星載SDN交換機系統(tǒng)設(shè)計

鑒于天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的高動態(tài)變化，需優(yōu)化星載SDN交換機以提高性能。1）流表技術(shù)優(yōu)化：基于天基網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)與SDN交換機可編程控制能力，研究流表快速匹配動態(tài)調(diào)整策略與自適應(yīng)多級流表優(yōu)化方案。2）最短路徑優(yōu)化：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，網(wǎng)絡(luò)生成的最短路徑會隨著鏈路的切換實時改變，需研究針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境改進的最短路徑算法。3）支持多協(xié)議的交換機設(shè)計：當(dāng)前許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議星上節(jié)點無法交換，將SDN部署在實際的天地一體化網(wǎng)絡(luò)中時，需要研究支持多協(xié)議的SDN交換機，同時實現(xiàn)協(xié)議間可互相封裝。

4.3 空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與SDN管理技術(shù)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、拓?fù)涓邉討B(tài)變化，傳輸時延、誤碼率的動態(tài)變化范圍都比較大，這對協(xié)議的傳輸性能提出了很高的要求，為實現(xiàn)各系統(tǒng)間高效可靠地互聯(lián)互通，統(tǒng)一、兼容、高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系必不可少。基于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，需研究基于 CCSDS 的 IP/DTN（Delay-Tolerant Network）協(xié)議體系，以及關(guān)于SDN的網(wǎng)絡(luò)管理等相關(guān)技術(shù)。

4.4 高動態(tài)平臺與衛(wèi)星高效多址接入技術(shù)

高動態(tài)平臺處于地面站覆蓋范圍內(nèi)時會通過空地鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，高動態(tài)平臺移動范圍超出地面站有效覆蓋距離時則通過接入衛(wèi)星實現(xiàn)信息的超視距傳輸?，F(xiàn)有多址接入?yún)f(xié)議及其改進大都是針對單一網(wǎng)絡(luò)特點和特定優(yōu)化目標(biāo)進行的，未考慮高動態(tài)平臺在衛(wèi)星與地面異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)切換時的信道接入效率下降的問題，需要結(jié)合天地一體化網(wǎng)絡(luò)中空天鏈路與空地鏈路特點的差異性，研究支持QoS的高動態(tài)平臺與衛(wèi)星按需接入技術(shù)。

4.5 路由與資源調(diào)度策略

天地一體化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉討B(tài)變化，合適的路由協(xié)議對于信息高效傳輸至關(guān)重要，路由計算時需綜合考慮衛(wèi)星應(yīng)用資源和網(wǎng)絡(luò)資源的使用情況，基于負(fù)載均衡研究全局資源的優(yōu)化處理與調(diào)度策略，可結(jié)合衛(wèi)星高速運動的實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對反應(yīng)式的AODV（Adhoc On-Demand Distance Vector Algorithm）路由協(xié)議進一步研究，實現(xiàn)業(yè)務(wù)在整個空間網(wǎng)絡(luò)中的均衡分配以及數(shù)據(jù)流的最佳路由選擇。

5 結(jié)論

天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)是國家競爭實力的重要組成部分，是現(xiàn)代信息戰(zhàn)中十分關(guān)鍵的信息基礎(chǔ)設(shè)施。本文將近年應(yīng)用于地面網(wǎng)絡(luò)的SDN技術(shù)引入當(dāng)前的天地一體化網(wǎng)絡(luò)，提出一種面向信息戰(zhàn)的軟件定義天地一體化網(wǎng)絡(luò)，分析其優(yōu)勢并簡要介紹其關(guān)鍵技術(shù)。該彈性網(wǎng)絡(luò)能更好地實現(xiàn)現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場上戰(zhàn)時信息的按需分配與高效傳輸，為解決傳統(tǒng)天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)組網(wǎng)、高動態(tài)拓?fù)渥兓?、多協(xié)議融合等問題提出了新思路，為未來應(yīng)用于信息化戰(zhàn)場上的天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供了重要參考方向。