SDN 架構(gòu)在艦艇通信中的應(yīng)用研究?

陽 凱 林海濤 張 爽

（1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）（2. 31664部隊(duì) 白銀 730600）

1 引言

隨著我國海軍艦艇信息化水平的不斷提高，一體化作戰(zhàn)模式由傳統(tǒng)的“以平臺(tái)為中心”逐步向“以網(wǎng)絡(luò)為中心”轉(zhuǎn)變［1］。長期以來，海軍各類通信系統(tǒng)的建設(shè)都是由業(yè)務(wù)需求來牽引的，通信系統(tǒng)種類多，技術(shù)體制標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，組織運(yùn)用和運(yùn)維管理難度較大，難以滿足一體化作戰(zhàn)的需求，各通信子系統(tǒng)之間形成了一種垂直封閉的煙囪式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)［2］，需要打破異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)軟硬件資源、服務(wù)之間互連互通互操作的壁壘，實(shí)現(xiàn)資源的共享［3］。

為達(dá)到一體化作戰(zhàn)的要求，我國艦艇電子信息系統(tǒng)一直在努力向“一體化結(jié)構(gòu)”演變［4］，在系統(tǒng)構(gòu)成層面，各種傳統(tǒng)的獨(dú)立電子系統(tǒng)正在向一體化集成發(fā)展；在組織使用層面，艦艇電子信息系統(tǒng)控制管理向?qū)崿F(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度方式轉(zhuǎn)變?？偟脕碚f，信息戰(zhàn)條件下艦艇通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求［5］有:

1）網(wǎng)絡(luò)管理綜合化、信息傳輸一體化。

2）多通信手段、多業(yè)務(wù)流靈活統(tǒng)一調(diào)配。

3）共享資源池，極大提高底層資源利用率。

4）開放式結(jié)構(gòu)，能夠很好地兼容異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

目前，業(yè)界提出了一些新架構(gòu)或新技術(shù)來解決艦艇綜合通信一體化集成的問題，但是都各自存在短板。張皓嵐等［6］提出利用電力載波通信技術(shù)將艦船電力線網(wǎng)絡(luò)復(fù)用為通信網(wǎng)絡(luò)，減少了鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)的成本，但無法實(shí)現(xiàn)通信資源的共享。周大凱［3］提出一種基于柵格的艦船通信網(wǎng)絡(luò)資源共享方法，解決了網(wǎng)絡(luò)資源異構(gòu)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)互通和資源共享問題。白立云等［7］將DTN（Delay/Disruption Tolerant Network，容延遲/容中斷網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)用到艦艇編隊(duì)通信中，解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和互操作的問題，但是這些方法在集中控制上都無法實(shí)現(xiàn)信息資源的統(tǒng)一調(diào)配和管理。其他一些艦艇通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方法往往無法適應(yīng)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行靈活配置，只優(yōu)化了部分通信功能。

胡 建 平［8］和 陳 晨 等［9］結(jié) 合SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）架構(gòu)，針對(duì)天地聯(lián)網(wǎng)中空間與地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息高效互通、交換及應(yīng)用需求，構(gòu)建了天基以及地面系統(tǒng)“資源池”，有效解決由于物理界限造成的信息阻隔，提高了天基信息資源利用率、信息按需定制及高效共享能力。同樣，面對(duì)艦船綜合通信應(yīng)用的靈活性、多樣性需求，SDN架構(gòu)也是一種有效的解決方案。

2 SDN功能架構(gòu)

SDN 通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，分成集中控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面［10］，并引入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)及編程接口，可在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)情況下對(duì)全網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。SDN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由集中的控制器管理，無須依賴底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，屏蔽了來自底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異，很好地實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合和業(yè)務(wù)流的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）保障?？刂破骶邆湔莆站W(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)涞墓δ?，?shí)時(shí)掌握各節(jié)點(diǎn)CPU、端口、緩存狀態(tài)，根據(jù)端口帶寬、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、丟包率等計(jì)算數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)最佳路由，決定數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)策略和路由算法。通過OpenFlow 協(xié)議，控制器實(shí)施流表的生成、維護(hù)和下發(fā)，交換機(jī)按照流表執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，從而為各通信手段之間交叉互聯(lián)和通信資源共享提供了良好的平臺(tái)。通過SDN架構(gòu)，用戶可以自定義任何想實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚珊蛡鬏斠?guī)則策略，如圖1 為ONF（Open Networking Foundation，開放式網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)）定義的SDN基本架構(gòu)。

圖1 ONF定義的SDN基本架構(gòu)

3 SDN架構(gòu)在艦艇通信中的應(yīng)用探析

SDN架構(gòu)為信息的傳輸提供了共享信息平臺(tái)，可融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)全網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，可全局分配和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，從而達(dá)到靈活高效的網(wǎng)絡(luò)配置和管理，各種語音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)信號(hào)可同時(shí)在其中進(jìn)行傳輸與交換，使艦艇具有靈活的數(shù)據(jù)、語音、視頻傳輸能力。如圖2，數(shù)據(jù)平面由Openflow交換機(jī)組網(wǎng)互連組成，其底層可以以現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行承載，交換機(jī)與控制器之間通過SSL（Secure Sockets Layer，安全套接層）互連，傳遞網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)拓?fù)?、流表等信息，而常用的通信業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)都可以加載在Openflow交換機(jī)上，共享數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡(luò)資源。作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)等頂層應(yīng)用加載在控制平面控制器上，結(jié)合控制器的全局資源控制能力，實(shí)施靈活快速的一體化指揮。

為滿足靈活的策略業(yè)務(wù)需求，SDN提供了策略管理機(jī)制來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和資源智能調(diào)度。以輕重緩急不同可以制定不同優(yōu)先級(jí)的策略，根據(jù)策略標(biāo)準(zhǔn)不同可以制定針對(duì)網(wǎng)元和流量的網(wǎng)絡(luò)控制策略，從實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)目標(biāo)的角度制定特定業(yè)務(wù)策略。通過將這些策略納入編排器和策略庫，可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)策略的實(shí)施和切換，達(dá)到不同業(yè)務(wù)QoS 的目的。作戰(zhàn)運(yùn)維人員可以結(jié)合艦艇作戰(zhàn)需求，定制適應(yīng)于不同戰(zhàn)備等級(jí)、不同戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)、不同協(xié)同方式的通信資源控制策略，大大提高通信系統(tǒng)的作戰(zhàn)保障效能?；诓呗赃x擇和組合的管理方式，能更好的應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場變化需求，符合應(yīng)用實(shí)際。

圖2 基于SDN的艦艇通信網(wǎng)絡(luò)組織

SDN架構(gòu)具備彈性分配、靈活編排和具備管理L2 到L7 能力的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)鏈（Service Function Chain，SFC）功能。SDN 通過收集全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒑凸?jié)點(diǎn)資源使用狀態(tài)形成集中的資源池，SFC 由控制器集中管理集中或者分布式的各類網(wǎng)元，控制轉(zhuǎn)發(fā)行為和進(jìn)行流量調(diào)度，提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)鏈控制策略和資源視圖。此外，SFC 提供了一個(gè)專門的算法接口模塊可以讓用戶添加自定義算法，如圖3 所示，作戰(zhàn)運(yùn)維人員可根據(jù)使用需求制定特定的算法進(jìn)行應(yīng)用。

圖3 SFC項(xiàng)目路徑選擇算法架構(gòu)

總結(jié)對(duì)比SDN 功能特點(diǎn)和目前艦艇通信系統(tǒng)應(yīng)用需求和已有解決方法，若將SDN架構(gòu)應(yīng)用在艦艇通信中，將能夠:

1）節(jié)省艦艇底層通信資源。目前艦船中新增通信設(shè)備，往往需要占用新的光纖或電纜資源，在資源不足時(shí)甚至要重新鋪設(shè)，而通信線纜的鋪設(shè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本較高［6］。而SDN 具備良好的可擴(kuò)展性，一次建成后，新增通信系統(tǒng)可直接加載到數(shù)據(jù)平面，無須重新鋪設(shè)線纜。

2）實(shí)現(xiàn)資源共享和業(yè)務(wù)流的統(tǒng)一調(diào)配和綜合管理。SDN 采用分布式布局［8］，可實(shí)現(xiàn)艦艇異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和底層通信資源共享，極大地提高資源利用率。通過控制器的全局視圖和集中控制功能，實(shí)時(shí)掌握全局拓?fù)浼百Y源信息，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)信息資源的統(tǒng)一調(diào)配。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)多個(gè)參數(shù)建立和優(yōu)化路由拓?fù)淠Ｐ?，輕易的解決艦船通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性問題［11］，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的綜合管理。通過SFC 功能，可根據(jù)作戰(zhàn)需求自定義全網(wǎng)或局部路由策略和路徑選擇算法，及時(shí)應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場變化。通過流表的設(shè)置修改，靈活的配置業(yè)務(wù)流。

3）具備更強(qiáng)的抗毀性和生存能力。結(jié)合SDN的多策略路由和冗余算法，能夠大大提高各通信子系統(tǒng)的生存能力，及時(shí)通過第二策略和路由進(jìn)行業(yè)務(wù)恢復(fù)。

4）增強(qiáng)一體化作戰(zhàn)指揮能力。通過艦艇間的SDN 無線互連，形成艦艇編隊(duì)互連的SDN，通過設(shè)置不同艦艇OpenFlow 控制器權(quán)限級(jí)別，靈活的變更或共享指揮權(quán)和指揮平臺(tái)，便于指揮員針對(duì)當(dāng)前艦艇編隊(duì)合同作戰(zhàn)樣式，綜合分析作戰(zhàn)區(qū)域中的各水面艦艇平臺(tái)、艦載機(jī)平臺(tái)等各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的實(shí)際通信需求及特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇編隊(duì)多層次通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，增強(qiáng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性［12］，如圖4。在全局掌控通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用層作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靈活的一體化協(xié)同作戰(zhàn)指揮，提高作戰(zhàn)決策和指揮效率。

圖4 艦艇編隊(duì)SDN架構(gòu)下的互聯(lián)

正是由于SDN技術(shù)框架的開放性和靈活性，賦予了SDN在艦艇通信中廣闊的應(yīng)用前景，從不同作戰(zhàn)需求角度還可以對(duì)SDN 架構(gòu)的應(yīng)用作更多的挖掘和探索。

4 結(jié)語

SDN架構(gòu)是為解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容性差、可擴(kuò)展性差、配置不靈活等不足而發(fā)明的，應(yīng)用到艦艇通信系統(tǒng)中，能夠很好地整合底層通信資源形成共享的數(shù)據(jù)平面，通過統(tǒng)一的控制平面達(dá)到通信系統(tǒng)的綜合化和一體化，便于艦艇內(nèi)部和艦艇編隊(duì)之間的作戰(zhàn)指揮，提升艦艇綜合作戰(zhàn)能力。相比于已有的方案，SDN架構(gòu)在兼容性、靈活性、綜合化等方面的功能更加完備，特別是其開放式的設(shè)計(jì)，使得各層的應(yīng)用改造具有很大空間，是一種極佳的艦艇通信一體化解決方案。但是，現(xiàn)有SDN技術(shù)仍在持續(xù)研究之中，已有的產(chǎn)品仍不夠成熟，未來應(yīng)用到艦艇通信系統(tǒng)之中還需要長時(shí)間的探索。本文探析了SDN在艦艇通信中的應(yīng)用架構(gòu)，梳理了SDN功能在解決艦艇綜合通信問題上的作用效果，可為艦艇通信一體化綜合化的發(fā)展建設(shè)提供參考思路。