軟件定義天地一體化網(wǎng)絡(luò)：架構(gòu)、技術(shù)及挑戰(zhàn)

許方敏 仝宗健 趙成林 秦智超

摘要：提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離。該架構(gòu)下，地面信息港和地球靜止軌道衛(wèi)星組成了多控制器結(jié)構(gòu)的控制平面，將中軌、近地軌道衛(wèi)星作為簡單的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，提供了更靈活的路由策略，更方便的網(wǎng)絡(luò)配置以及更好的兼容性。同時(shí)，考慮到目前在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)上部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的難度，提出了初期在地面部署控制器，之后逐步向靜止軌道衛(wèi)星擴(kuò)展控制平面的演進(jìn)思路。此外，還分析了這種架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞： 天地一體化網(wǎng)絡(luò)；SDN；多控制器；演進(jìn)式

Abstract： A space-terrestrial integrated network architecture based on software defined network（SDN） is proposed in this paper. In this architecture， （1） control plane and data plane are separated； （2） the terrestrial information station and geostationary orbit（GEO） satellites are combined as the control plane； and （3） medium earth orbit（MEO） & low earth orbit（LEO） satellites are regarded as simple forwarding devices. This architecture could provide more flexible routing strategies， more convenient network configuration and better compatibility. Meanwhile， considering the difficulty of deploying network devices on satellites， an evolutionary strategy is proposed， in which controllers are deployed in terrestrial stations at the present stage and extended to GEO satellites gradually. Moreover， the challenge of this space-terrestrial integrated network architecture is analyzed.

Key words： integrated space and terrestrial network； SDN； multiple controllers； evolutionary

基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的寬帶空間網(wǎng)絡(luò)已成為研究的主要趨勢[1]，思科公司在CLEO[2]和IRIS[3]項(xiàng)目中分別將地面網(wǎng)絡(luò)路由器部署到了近地軌道（LEO）衛(wèi)星和地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星上，但基于IP的地面網(wǎng)絡(luò)本身存在的問題，以及空間網(wǎng)絡(luò)本身的特殊性，天地一體化網(wǎng)絡(luò)還面臨著一些挑戰(zhàn)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性；空間網(wǎng)絡(luò)資源限制；天地一體化網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中控制平面和數(shù)據(jù)平面緊密耦合的設(shè)計(jì)，SDN架構(gòu)將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，控制平面可以通過南向接口對(duì)數(shù)據(jù)平面中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中式控制[4]，并提供靈活的可編程能力。在空間網(wǎng)絡(luò)的情景中，SDN的結(jié)構(gòu)意味著衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可以僅完成簡單的轉(zhuǎn)發(fā)和硬件配置功能，將路由策略和具體路由的計(jì)算交給控制器節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)靈活的路由策略、方便的網(wǎng)絡(luò)配置、更好的兼容性，以及更低的部署、升級(jí)成本。

1 基于SDN的天地雙骨干 空間信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 邏輯架構(gòu)

在對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)SDN架構(gòu)及空間信息網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上，圖1所示為基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)，分為應(yīng)用層、控制平面和數(shù)據(jù)平面3層?？臻g的深空探測、對(duì)地觀測、航天測控和導(dǎo)航定位等空間任務(wù)構(gòu)成了邏輯架構(gòu)的應(yīng)用層。控制平面為整個(gè)架構(gòu)的核心，由天基和地基控制器節(jié)點(diǎn)組成，并且利用空間網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)進(jìn)行抽象描述。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的主要功能包括虛網(wǎng)管理、資源調(diào)度、路由計(jì)算、資源配置等，形成整體的網(wǎng)絡(luò)全局視圖，同時(shí)多個(gè)控制器之間還會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的同步。數(shù)據(jù)平面由眾多的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)組成，主要負(fù)責(zé)根據(jù)控制平面下發(fā)的流表進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 演進(jìn)式的物理架構(gòu)

設(shè)想基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)由天基骨干網(wǎng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層和地面信息港3層組成。圖2b）所示的天地雙骨干的物理分層架構(gòu)由兩層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建而成。根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的天然分層特性，將空間信息網(wǎng)絡(luò)的天基網(wǎng)絡(luò)分為兩層架構(gòu)，分別為高軌道衛(wèi)星和中低軌道衛(wèi)星。GEO層的衛(wèi)星也擔(dān)任控制器的職能，采用扁平式的多控制器控制方式進(jìn)行控制器部署，GEO控制器組成了空間信息港。在扁平式的多控制器部署方案中，各個(gè)控制器的功能地位相同，并在邏輯上實(shí)現(xiàn)集中控制，每個(gè)控制器負(fù)責(zé)各自的控制區(qū)域，在獲取本區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息后，控制器之間通過東西向接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的通信和交互并形成網(wǎng)絡(luò)全局視圖。中地球軌道（MEO）/LEO層的衛(wèi)星相對(duì)于GEO層來說，地面可視時(shí)間較短，波束之間的切換較頻繁，因此不適合部署控制器，但是MEO/LEO層衛(wèi)星與地面距離較近且數(shù)量較多，可以承擔(dān)SDN網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)的職責(zé)，負(fù)責(zé)空間信息網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。地面信息港的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與天基骨干網(wǎng)中的GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)共同扮演控制器的角色，構(gòu)成控制平面；而GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和中低軌道的MEO、LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)組成數(shù)據(jù)平面。

由于目前在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)上部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較為困難，而地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及設(shè)備已比較成熟，因此提出了一種演進(jìn)式的方案，即在天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期，在地面部署控制器，由地面控制器實(shí)現(xiàn)邏輯架構(gòu)中的控制平面功能。隨著空間信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)的成熟，逐步在GEO衛(wèi)星上部署控制器，實(shí)現(xiàn)天地雙骨干多控制器的控制思路。圖2a）所示為地面單骨干的物理架構(gòu)，圖2b）所示為天地雙骨干的物理架構(gòu)。通過這種演進(jìn)方案，兼顧空間網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展的趨勢。

1.3 典型的工作流程

由地面信息港和天基骨干網(wǎng)組成的控制平面負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)路由決策和整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)的管理與控制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層則根據(jù)控制平面下發(fā)的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)?？刂破矫姘ǘ鄠€(gè)控制器節(jié)點(diǎn)，采用優(yōu)化的接入控制機(jī)制、資源動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制及網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，完成任務(wù)到資源的映射?？刂破矫嫦蛏蠟檠芯咳藛T開發(fā)各種應(yīng)用層服務(wù)提供統(tǒng)一的北向接口，向下通過南向接口向數(shù)據(jù)平面下發(fā)各種指令，并利用南向接口的上行通道對(duì)底層交換節(jié)點(diǎn)上報(bào)的信息進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測控制和統(tǒng)計(jì)，獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，例如：各個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬使用情況、鏈路狀態(tài)、吞吐量、載荷情況等，然后通過東西向接口進(jìn)行各個(gè)控制器間的信息同步，獲取網(wǎng)絡(luò)的全局視圖。

數(shù)據(jù)平面的空間交換機(jī)節(jié)點(diǎn)包含許多不同的流表，每個(gè)流表包含很多流表項(xiàng)。當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入空間交換機(jī)之后，它將在流表中查找與之相匹配的流表項(xiàng)，若匹配成功，則根據(jù)找到的流表項(xiàng)中的指令前往另一個(gè)流表，或執(zhí)行指令集；否則，空間交換機(jī)節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求負(fù)責(zé)管控自己的控制器節(jié)點(diǎn)，為該數(shù)據(jù)包產(chǎn)生并下發(fā)相應(yīng)的流表項(xiàng)。數(shù)據(jù)包將通過執(zhí)行相應(yīng)指令集而被發(fā)送到下一跳節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星。

由于MEO、LEO衛(wèi)星均運(yùn)行在不同高度、不同位置的軌道上，空間網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不斷變化的，這也導(dǎo)致空間交換機(jī)中的一些流表項(xiàng)隨之發(fā)生變化。如果空間控制器在拓?fù)浒l(fā)生變化之后才根據(jù)空間交換機(jī)的請(qǐng)求對(duì)相應(yīng)的流表項(xiàng)進(jìn)行更新和下發(fā)，一方面會(huì)造成短時(shí)間內(nèi)的控制信息量急劇增加，另一方面也會(huì)嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和流暢度。然而由于衛(wèi)星軌道位置和運(yùn)行速度是既定的，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓臼强深A(yù)知的，所以空間控制器可以預(yù)先計(jì)算出變化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)的新流表項(xiàng)[5]，在與舊的流表項(xiàng)進(jìn)行比較之后，選擇發(fā)生了改變的流表項(xiàng)下發(fā)給空間交換機(jī)。新的流表項(xiàng)仍然可能與舊的流表項(xiàng)具有一些相同的匹配字段，流表中的優(yōu)先級(jí)和超時(shí)字段將幫助交換選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓昂蟮钠ヅ淞鞅眄?xiàng)。

相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中基于相鄰信息的分布式路由協(xié)議，利用全局視圖提供的信息和多目標(biāo)優(yōu)化算法，控制平面對(duì)數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集中式管理可以得到更合理的路由。此外，基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中集中式的資源分配和調(diào)度將支持差異化服務(wù)機(jī)制，根據(jù)流的類型對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分類和管理，從而更加有利于保證服務(wù)傳輸質(zhì)量。

2 SDN架構(gòu)帶來的優(yōu)勢

2.1 靈活的路由策略

傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中一般使用靜態(tài)的快照路由方法，以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可控性，但衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)性導(dǎo)致負(fù)載均衡等需求得不到滿足。一些基于分布式鏈路信息收集的動(dòng)態(tài)路由方法[8]雖然可以實(shí)現(xiàn)上述需求中的一部分，但卻使得衛(wèi)星無法便捷地得到網(wǎng)絡(luò)全局視圖，只能達(dá)到局部最優(yōu)的路由。

在基于SDN的架構(gòu)中，控制平面通過數(shù)據(jù)平面上傳的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和控制器之間的通信，獲取實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)全局視圖，并以此對(duì)數(shù)據(jù)平面的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中式的管理，這使得面對(duì)高動(dòng)態(tài)性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠軌蛱峁└屿`活的全局路由計(jì)算和路由策略，如負(fù)載均衡、多播路徑修正和節(jié)點(diǎn)失效管理等。此外，當(dāng)空間信息網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行擴(kuò)充或更新時(shí)，擁有網(wǎng)絡(luò)全局視圖的控制平面能夠有效地更新網(wǎng)絡(luò)全局配置，讓新發(fā)射的衛(wèi)星無縫接入現(xiàn)有的空間信息網(wǎng)絡(luò)。另一方面，有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)失效或發(fā)生故障時(shí)，控制平面能夠及時(shí)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置做出調(diào)整，分配相鄰節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)失效節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，以及對(duì)失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行替換。

2.2 方便的網(wǎng)絡(luò)配置

由于空間信息網(wǎng)絡(luò)資源受限，內(nèi)存較小，中央處理器（CPU）處理能力較低。與此同時(shí)，空間網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用卻在不斷增加，星上載荷需要處理的任務(wù)量和復(fù)雜度也大大增加。這使得與地面網(wǎng)絡(luò)相比，空間信息網(wǎng)絡(luò)的配置十分困難。SDN架構(gòu)的核心思想——控制轉(zhuǎn)發(fā)分離簡化了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的處理功能，在很大程度上緩解了這一問題。數(shù)據(jù)平面的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)需要做的只是接收和執(zhí)行控制平面下發(fā)的各種配置信息，以及向控制平面反饋?zhàn)陨淼木W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)配置和控制功能，以及收集數(shù)據(jù)平面發(fā)來的信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)全局視圖等功能都交給天地雙骨干的控制平面，由其中的控制器完成。

2.3 更好的兼容性

SDN架構(gòu)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和編程接口，可在網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)性的情況下對(duì)全網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。SDN架構(gòu)中的流表對(duì)二層轉(zhuǎn)發(fā)表、三層路由表進(jìn)行了抽象處理，整合了各個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)配置信息，能夠同時(shí)處理在空間信息網(wǎng)絡(luò)中并存的各種協(xié)議，如延遲容忍網(wǎng)（DTN）等，從而很好地解決空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議異構(gòu)性的問題。

2.4 更低的硬件成本

傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)要完成繁復(fù)的處理任務(wù)，因此往往是最復(fù)雜、最昂貴的部分。而采用了基于SDN的架構(gòu)后，數(shù)據(jù)平面衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)只是簡單的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，這樣簡化了衛(wèi)星功能的架構(gòu)，能有效地減少衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，也能夠簡化衛(wèi)星管理的復(fù)雜度，讓空間信息網(wǎng)絡(luò)變得更加靈活和可控。另外，天地雙骨干的控制平面結(jié)構(gòu)和星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)方式也使所需的地面站數(shù)量減少，降低了基礎(chǔ)設(shè)施方面的投資。

3 存在的問題和挑戰(zhàn)

3.1 控制平面接口設(shè)計(jì)

對(duì)基于SDN的空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來說，控制平面的南北向接口設(shè)計(jì)是一個(gè)比較顯著的問題。北向接口的設(shè)計(jì)需要滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的要求，目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界仍在討論。而南向接口雖然已經(jīng)有比較成熟的OpenFlow協(xié)議[9]，但并不能完全提供全局的軟硬件控制和策略決定功能。

3.2 安全問題

基于SDN的天地雙骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一種開放的分布式無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，開放性作為SDN邏輯架構(gòu)的一個(gè)重要特征，是SDN實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、配置異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、提供可編程特性的基礎(chǔ)。但引入SDN架構(gòu)帶來的開放性，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)更加容易受到安全威脅，如網(wǎng)絡(luò)入侵、網(wǎng)絡(luò)攻擊和拒絕服務(wù)等。這是由于SDN的開放性使得控制平面的安全漏洞和策略等暴露在攻擊者面前，給了攻擊者足夠的信息制定攻擊策略。與此同時(shí)，SDN架構(gòu)中控制平面提供給應(yīng)用層的北向可編程接口也可能導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的濫用和攻擊變得更加頻繁。

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)過程中，需要先將控制平面部署在地面信息港，然后逐步將控制器部署在GEO衛(wèi)星上，完成從地面單骨干到天地雙骨干的演進(jìn)。由于存在上述的許多安全隱患，在部署控制器前需要建立一套隔離防護(hù)機(jī)制，包括控制器自身的安全防護(hù)以及控制平面南、北向接口的安全防護(hù)，以確保引入SDN架構(gòu)的天地一體化網(wǎng)絡(luò)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

3.3 多控制器協(xié)作方案

在基于SDN的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，多控制器結(jié)構(gòu)的部署和協(xié)作是非常重要的環(huán)節(jié)?？臻g網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋面廣的特點(diǎn)，若采用單控制器結(jié)構(gòu)，控制器的管控范圍過大，跨區(qū)域下發(fā)流表和通信時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的時(shí)延[11]。此外，控制平面負(fù)責(zé)把握網(wǎng)絡(luò)的全局視圖和對(duì)網(wǎng)絡(luò)的集中控制，采用單控制器不能有效地保障服務(wù)質(zhì)量和安全性。故采取了扁平分布式多控制器架構(gòu)，控制器部署在互不相交的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，地位相同，邏輯上集中控制，所有控制器掌握相同的全局視圖。

首先，對(duì)于扁平式多控制器架構(gòu)，每個(gè)控制器管轄著自己負(fù)責(zé)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，這些地位相同的控制器組成控制平面。當(dāng)涉及跨區(qū)域業(yè)務(wù)時(shí)，業(yè)務(wù)的建立與拆除均需要多控制器的協(xié)作，這使得控制器的協(xié)作方式極大程度上影響著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力和服務(wù)性能。其次，由于控制器儲(chǔ)存著所管轄范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的所有信息，一旦控制器失效，需要其他控制器以適當(dāng)?shù)膮f(xié)作方式將失去控制的部分網(wǎng)絡(luò)重新控制起來，繼續(xù)完成控制平面的功能。

4 結(jié)束語

基于SDN思想的演進(jìn)式天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將中低軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)簡化為簡單的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，全部的控制功能由部署在地面信息港和GEO層的多控制器組成的控制平面實(shí)現(xiàn)，控制平面掌握實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)全局視圖，對(duì)數(shù)據(jù)平面的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中式的管理，實(shí)現(xiàn)了更靈活的路由策略、更方便的網(wǎng)絡(luò)配置、更好的兼容性。同時(shí)，文章提出了演進(jìn)式架構(gòu)，該架構(gòu)能兼顧空間網(wǎng)絡(luò)亟待發(fā)展的需求和高軌衛(wèi)星部署網(wǎng)絡(luò)設(shè)備困難的現(xiàn)狀。隨著對(duì)多控制器協(xié)作方式、控制平面接口設(shè)計(jì)等問題的進(jìn)一步研究，基于SDN思想的演進(jìn)式天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有望不斷地完善。

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