軟件定義網(wǎng)絡(luò)在民航通信網(wǎng)中的應(yīng)用前景分析

周烈瑜

摘 ? 要：軟件定義網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念，越來越受到運(yùn)營商和服務(wù)商的青睞。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，民航系統(tǒng)的快速發(fā)展離不開通信網(wǎng)絡(luò)的高效支持。文章簡(jiǎn)單介紹了軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)有民航通信網(wǎng)絡(luò)，并嘗試探討民航通信網(wǎng)引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò);民航通信網(wǎng);段路由;網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著近幾年信息技術(shù)的飛速發(fā)展，5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算等技術(shù)的成熟，服務(wù)模式和商業(yè)模式的升級(jí)，為企業(yè)和用戶創(chuàng)造更大價(jià)值的同時(shí)，也給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來新的挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)化運(yùn)維、挖掘潛能、快速靈活是新一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）應(yīng)運(yùn)而生。自2006年斯坦福大學(xué)CLean State課題研究組提出以來，SDN不僅在Facebook，Google，Microsoft、華為等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)中先行，而且在傳統(tǒng)的金融、廣電、基建等行業(yè)開始逐步投入使用。民航系統(tǒng)現(xiàn)有光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）的固有缺陷無法適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，而愈發(fā)成熟的SDN網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)下熱點(diǎn)，也為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向未來網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)提供了發(fā)展思路。

1 ? ?SDN的概念分析

SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念，其控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層完全分離，軟硬件相互分離，控制層轉(zhuǎn)移到其他設(shè)備而不位于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，提供統(tǒng)一管理和開放接口。放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（Open Networking Foundation，ONF）定義的SDN結(jié)構(gòu)包括3個(gè)層面，即轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層和業(yè)務(wù)層[1]。

控制層基于軟件實(shí)現(xiàn)，集中網(wǎng)絡(luò)智能邏輯，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部交換路徑和邊界業(yè)務(wù)路由的生成，并負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化事件;轉(zhuǎn)發(fā)層由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，過程中所需表項(xiàng)是由控制層生成的，不具備自主性;業(yè)務(wù)層則由網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)組成，開發(fā)應(yīng)用，并根據(jù)需求修改網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)行為。層間連接通過開放接口實(shí)現(xiàn)資源分配和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能。

2 ? ?SDN的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面是分布在各個(gè)設(shè)備上的，為了有效管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備，提高運(yùn)維效率，通常需要部署網(wǎng)管系統(tǒng)作為管理平面。此外，流量控制、路徑規(guī)劃、策略調(diào)整都需要通過網(wǎng)元配置實(shí)現(xiàn)。在大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，這些配置維護(hù)措施既繁瑣又容易出錯(cuò)，對(duì)于維護(hù)人員的技能要求較高，如果各節(jié)點(diǎn)、各層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠家規(guī)范不同、操作界面差異較大、設(shè)備操作指令繁瑣，運(yùn)維要求將進(jìn)一步提升[2]。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備控制平面是封閉式的，不同廠家的實(shí)現(xiàn)機(jī)制不同，造成新功能的部署周期長，且固件更新、軟件升級(jí)需要逐臺(tái)操作，工作效率較低。一旦需求變動(dòng)，路由器、交換機(jī)、防火墻和接入設(shè)備都需要修改。隨著硬件技術(shù)愈發(fā)成熟，在瞬息萬變的新時(shí)代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，靈活性、擴(kuò)展性、可維護(hù)性和高穩(wěn)定、高性能一樣重要。

SDN通過將控制、轉(zhuǎn)發(fā)分離，集中控制器管理，擺脫底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的依賴，屏蔽底層設(shè)備差異。這種控制權(quán)是開放的，策略和規(guī)則是自定義的，更加靈活和智能。在SDN環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備是自動(dòng)化連通的，無需反復(fù)進(jìn)行配置，只需定義簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則即可，亦或是通過編譯方式進(jìn)行修改，以獲得更優(yōu)的數(shù)據(jù)交換能力。一旦用戶需求改變或者設(shè)備升級(jí)，只需要遵循協(xié)議，在控制平面進(jìn)行簡(jiǎn)單修改即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換連通，無需逐臺(tái)修改設(shè)備配置參數(shù)。

在流量控制方面，SDN更是具有明顯優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)中有多種類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而總帶寬一定，當(dāng)某一特定節(jié)點(diǎn)或時(shí)刻需要更多流量和帶寬，連傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中往往不好處理。在SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，SDN允許規(guī)整流量，臨時(shí)放寬某些業(yè)務(wù)的帶寬，待需求減少時(shí)再恢復(fù)[3]。

3 ? ?民航通信網(wǎng)

3.1 ?民航通信網(wǎng)簡(jiǎn)介

民航行業(yè)目前正處于高速發(fā)展時(shí)期，2018年全國235個(gè)機(jī)場(chǎng)全年旅客吞吐量為12.64億人次，較2017年增長10.2%?！笆濉逼陂g機(jī)場(chǎng)旅客吞吐量年均增長13.6%，貨郵吞吐量年均增長10.7%。為適應(yīng)民航行業(yè)的發(fā)展速度，民航系統(tǒng)內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，包括安全保障、運(yùn)行生產(chǎn)、航班信息、旅客服務(wù)、辦公自動(dòng)化（Office Automation，OA）、電子政務(wù)、監(jiān)督管理等，覆蓋全民航企事業(yè)單位和管理機(jī)構(gòu)。這對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延、高冗余及擴(kuò)展性提出了新的需求。

2018年起，全國新一代民航通信網(wǎng)正式開始建設(shè)，這新一代的全國系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由傳輸網(wǎng)、IP承載網(wǎng)和時(shí)分復(fù)用（Time-Division Multiplexing，TDM）承載網(wǎng)3部分組成，覆蓋全國49個(gè)管理局，212個(gè)地方機(jī)場(chǎng)，31個(gè)航空公司，67個(gè)空管分局站和403個(gè)空管臺(tái)站。其中，傳輸網(wǎng)是民底層物理傳輸網(wǎng)，租用運(yùn)營商裸光纖和多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）專線構(gòu)建密集型光波復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）和MSTP傳輸網(wǎng)中，提供傳輸通道，實(shí)現(xiàn)中繼資源的調(diào)度及業(yè)務(wù)的綜合傳送;業(yè)務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建在傳輸網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)接入業(yè)務(wù)的有效承載。IP承載網(wǎng)承載航空安全保障之外的其他類民航通信業(yè)務(wù)，TDM承載網(wǎng)承載航空安全保障業(yè)務(wù)。

3.2 ?民航通信網(wǎng)特征

民航通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不能落后于民航行業(yè)的發(fā)展，必須與時(shí)俱進(jìn)，包括以下幾個(gè)特征：（1）強(qiáng)安全性，安全是民航行業(yè)的底線，任何人和事物不能越過這條底線，網(wǎng)絡(luò)亦是如此，只有安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、安全的業(yè)務(wù)隔離、安全的設(shè)備支持才能保障飛行的安全。（2）高可靠性，穩(wěn)定可靠不僅是運(yùn)維人員的追求，也是行業(yè)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。（3）高冗余度，任何網(wǎng)絡(luò)都不能保障自身擁有100%的正常率，而網(wǎng)絡(luò)自愈能力和設(shè)備冗余能力則可以將風(fēng)險(xiǎn)降低。（4）經(jīng)濟(jì)高效，民航通信網(wǎng)絡(luò)需要通過信息化實(shí)現(xiàn)高效管理，提高設(shè)備利用率，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。（5）兼容接入，隨著技術(shù)發(fā)展，接入設(shè)備將會(huì)越來越多，類型和需求也會(huì)更加復(fù)雜，需要有較好的擴(kuò)展性，確保新設(shè)備可靠接入，經(jīng)濟(jì)便捷。

4 ? ?民航通信網(wǎng)SDN應(yīng)用

引入先進(jìn)技術(shù)，提升現(xiàn)有民航通信網(wǎng)性能，是必然趨勢(shì)。SDN作為新興技術(shù)，具有一定的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)有民航通信網(wǎng)結(jié)合，可以提高網(wǎng)絡(luò)性能，更好滿足各類需求，SDN的引入具有如下優(yōu)勢(shì)。

4.1 ?可靠的保障

由于采用了統(tǒng)一的控制平面管理網(wǎng)絡(luò)資源，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者鏈路故障時(shí)，SDN能夠快速修復(fù)，并重新分配資源，具有自愈能力。

4.2 ?靈活的使用

SDN提供開放接口，允許動(dòng)態(tài)編程。工程師可以根據(jù)需要在底層物理網(wǎng)絡(luò)上編程，分別為每個(gè)子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，并靈活地提供上層服務(wù)。

4.3 ?虛擬網(wǎng)絡(luò)資源

建立網(wǎng)絡(luò)資源（帶寬、存儲(chǔ)、處理）池，物理拓?fù)涑橄蠡?，并形成抽象的邏輯網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需求建立動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)絡(luò)，滿足各類應(yīng)用的需求。動(dòng)態(tài)規(guī)劃資源，根據(jù)需求調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，提高資源利用率，使其高效運(yùn)行。

4.4 ?兼容及擴(kuò)展能力

SDN屏蔽底層設(shè)備差異，軟件化的業(yè)務(wù)定制利于新業(yè)務(wù)的快速部署和調(diào)試;控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，利于硬件標(biāo)準(zhǔn)化，使得不同硬件支持相同軟件，新接設(shè)備更便捷，擴(kuò)展性也更好。

4.5 ?關(guān)鍵技術(shù)SR的引入

段路由（Segment Routing，SR）是基于源路由理念而設(shè)計(jì)的在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的一種方法。SR將網(wǎng)絡(luò)路徑分成一個(gè)個(gè)段，并且為這些段和網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)分配段標(biāo)識(shí)ID。通過對(duì)段和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有序排列，就可以得到一條轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

傳統(tǒng)的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)依賴于能以最短路徑到達(dá)目的地的IP地址。為了滿足業(yè)務(wù)的低時(shí)延要求，出現(xiàn)快速重路由（Fast Reroute，F(xiàn)RR）技術(shù)，為了滿足專線業(yè)務(wù)的大帶寬需求，出現(xiàn)TE技術(shù)，這些都是網(wǎng)絡(luò)適配業(yè)務(wù)發(fā)展的表現(xiàn)。但是業(yè)務(wù)種類越來越多，不同類型業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求不盡相同。如果仍舊按照網(wǎng)絡(luò)適配業(yè)務(wù)的思路，不僅無法滿足業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，而且會(huì)使網(wǎng)絡(luò)部署越來越復(fù)雜，難以維護(hù)，解決思路就是SDN。SR正是在此背景下產(chǎn)生的，通過SR可以簡(jiǎn)易定義一條顯式路徑，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只需要維護(hù)SR信息，即可應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)、快速發(fā)展要求。SR通過對(duì)現(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，能使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更好地平滑演進(jìn);提供集中控制和分布式之間的平衡;采用源路由技術(shù)，提供網(wǎng)絡(luò)和上層應(yīng)用快速交互的能力;簡(jiǎn)化多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）控制協(xié)議，提供高保護(hù)率的FRR保護(hù)能力，具有容量擴(kuò)展能力以及更好地實(shí)現(xiàn)SDN。

5 ? ?SDN應(yīng)用前景

SDN具有的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)能夠提升現(xiàn)有民航通信網(wǎng)的性能，為其提供有效的支撐，使得民航通信網(wǎng)絡(luò)更好地促進(jìn)民航系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

SDN通過控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離的機(jī)制，統(tǒng)一管理協(xié)議和邏輯，對(duì)網(wǎng)絡(luò)底層設(shè)備差異性進(jìn)行屏蔽，使民航通信網(wǎng)更加簡(jiǎn)單、高效，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效管理。一旦發(fā)生故障，便能快速、精準(zhǔn)定位，并從邏輯層面對(duì)故障節(jié)點(diǎn)、鏈路、設(shè)備進(jìn)行隔離，保障全網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、不受影響。

SDN使民航通信網(wǎng)能夠支持控制中心按需分配資源、動(dòng)態(tài)規(guī)劃流量，提高設(shè)備利用率、延長設(shè)備使用年限、提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。由于底層設(shè)備差異化屏蔽，當(dāng)新設(shè)備接入時(shí)，能夠直接將其加入當(dāng)前的統(tǒng)一管理中，使新設(shè)備快速融入并發(fā)揮性能。

從民航通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程來看，民航通信以安全為第一目標(biāo)，并不會(huì)直接使用較新的技術(shù)，然而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新?lián)Q代勢(shì)在必行，將SDN引入到目前的網(wǎng)絡(luò)框架，應(yīng)該是一個(gè)逐步改進(jìn)的過程，而不是快速革新和顛覆。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張宇，胡紫，盧利鋒，等.SDN技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].智能電網(wǎng)，2016（12）：1229-1235.

[2]董艷.淺談我國民航通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展[J].通信設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2017（9）：81.

[3]王茜，趙慧玲，解云鵬，等.SDN在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用方案探討[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2013（3）：23-28.