融合SDN 和TSN 的艦船一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

栗聯(lián)盟 吳向軍 張經(jīng)緯

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

隨著海軍信息化時(shí)代的來(lái)臨，戰(zhàn)斗力評(píng)估模式也發(fā)生變化，在具有高性能的艦載武器的同時(shí)，如何合理的調(diào)度和利用這些武器裝備，提高艦船的作戰(zhàn)能力是各國(guó)海軍非常重視的地方［1］。艦船上的裝備系統(tǒng)復(fù)雜多樣，每種系統(tǒng)的物理布局、布線(xiàn)相互獨(dú)立，可能會(huì)造成前期部署的工作量增大；各個(gè)系統(tǒng)間運(yùn)行的協(xié)議技術(shù)可能不同，對(duì)運(yùn)維人員技術(shù)要求高多［2］。如何實(shí)現(xiàn)將艦船中各個(gè)系統(tǒng)集成到一起，進(jìn)行統(tǒng)一的資源調(diào)度、信息交互、指令響應(yīng)，以滿(mǎn)足全艦各業(yè)務(wù)的傳輸需求，并實(shí)現(xiàn)資信息充分共享、物理布局合理、管理維護(hù)簡(jiǎn)單、應(yīng)用服務(wù)便捷是艦船一體化網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)［3］。

SDN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控分離，具有良好的擴(kuò)展性，能夠很好地適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和實(shí)時(shí)可靠的網(wǎng)絡(luò)需求［4］。以SDN 網(wǎng)絡(luò)為核心的艦船一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以滿(mǎn)足未來(lái)艦船上對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的要求［5］。

2 艦船一體化網(wǎng)絡(luò)

艦船網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)主要有艦船作戰(zhàn)網(wǎng)、艦船通信網(wǎng)以及艦船平臺(tái)網(wǎng)等［6］。由于艦船網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)子網(wǎng)之間的功能目的通常不同，所以它們之間往往存在著很大的差異，因而這些不同子網(wǎng)之間的通信調(diào)度及資源高效利用需要通過(guò)艦船網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)完成［7］。

艦船網(wǎng)絡(luò)一體化包括五個(gè)方面即：設(shè)施一體化、技術(shù)體制一體化、管控一體化、業(yè)務(wù)一體化和服務(wù)一體化。五個(gè)一體化包含了在設(shè)備部署、管理控制、日常運(yùn)維、資源調(diào)度、業(yè)務(wù)服務(wù)等幾個(gè)方面的優(yōu)化，旨在統(tǒng)籌部署軟硬件設(shè)施、降低日常運(yùn)維難度、提升資源調(diào)度能力和提高服務(wù)質(zhì)量。

如圖1 所示，艦船一體化網(wǎng)絡(luò)由四個(gè)層次組成分別是硬件接入層、數(shù)據(jù)傳輸層、管理控制層和用戶(hù)應(yīng)用層。

1）硬件接入層包括各種信息終端設(shè)備，如PC機(jī)、電話(huà)、定位、火炮、各種傳感設(shè)備和一些現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備。這些設(shè)備充當(dāng)系統(tǒng)中的信息采集和交互終端，業(yè)務(wù)要求不同，所以采用的信息傳輸方式也有所不同。

2）數(shù)據(jù)傳輸層有很多信息傳輸方式，對(duì)時(shí)間精度要求較高的通過(guò)TSN網(wǎng)絡(luò)傳輸、設(shè)備部署困難傳輸信息量較小的可以用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行傳輸、需要快速啟動(dòng)部署的子系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

3）管理控制層管理各個(gè)子網(wǎng)的運(yùn)行，主要功能有流量監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)管理、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和時(shí)鐘控制等，采用SDN的方法將各個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理起來(lái)。

4）用戶(hù)應(yīng)用層主要是艦船網(wǎng)絡(luò)上的一些應(yīng)用程序，例如綜合態(tài)勢(shì)顯示、設(shè)備管理、天氣信息和基礎(chǔ)辦公等功能。

本架構(gòu)中SDN控制器為架構(gòu)的核心，管控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)，具有全局視圖，對(duì)全局的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理，網(wǎng)絡(luò)的操作和運(yùn)維也將更加方便。未來(lái)艦船一體化網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于業(yè)務(wù)的可靠性具有很高的要求，TSN 網(wǎng)絡(luò)是實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕夹g(shù)，本文將也著重介紹SDN技術(shù)管控TSN網(wǎng)絡(luò)的方式。

3 SDN和TSN網(wǎng)絡(luò)介紹

3.1 SDN技術(shù)介紹

SDN是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)，最大的特點(diǎn)就是將數(shù)據(jù)平面和控制平面解耦合，控制平面能夠集中化地控制數(shù)據(jù)平面的設(shè)備，數(shù)據(jù)平面設(shè)備對(duì)于控制平面來(lái)說(shuō)處于完全透明的狀態(tài)，有效地解決了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性差，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不靈活等問(wèn)題，可以更好地滿(mǎn)足未來(lái)業(yè)務(wù)的發(fā)展需要，能夠有效地降低網(wǎng)絡(luò)的控制管理難度［8～9］。

3.2 TSN網(wǎng)絡(luò)介紹

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來(lái)，傳統(tǒng)工業(yè)逐漸得到轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)很難滿(mǎn)足工業(yè)4.0 的要求，工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)到了確定性通信時(shí)代。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是確定性以太網(wǎng)的代表技術(shù)。目前TSN技術(shù)已在很多領(lǐng)域應(yīng)用［10～11］。

在TSN 網(wǎng)絡(luò)管理方面，TSN 工作組制定了IEEE802.1Qcc協(xié)議，該協(xié)議給出了三種TSN管控模型，三種模型分別適用于不同的場(chǎng)景。而實(shí)現(xiàn)IEEE802.1Qcc 的前提：1）鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Link Layer Discovery Protocol，LLDP）；2）基于YANG模型（Yet Another Next Generation）的遠(yuǎn)程配置功能；3）TSN流量調(diào)度［12］。

SDN 通過(guò)解耦合的方式將數(shù)據(jù)平面和控制平面分離開(kāi)來(lái)，可以更好地管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，也因其特有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得SDN網(wǎng)絡(luò)和TSN網(wǎng)絡(luò)的完全集中式模型能夠更好地進(jìn)行融合，達(dá)到對(duì)TS 流的調(diào)度，使得TSN網(wǎng)絡(luò)更具有擴(kuò)展性［13］。

3.3 SDN&TSN控制器相關(guān)研究

SDN 控制器如何實(shí)現(xiàn)控制TSN 網(wǎng)絡(luò)國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者進(jìn)行研究分析。文獻(xiàn)［8］通過(guò)SDN控制器指定主時(shí)鐘來(lái)化解主時(shí)鐘選舉及原主時(shí)鐘失效后新主時(shí)鐘的產(chǎn)生等一系列問(wèn)題，用NEON 技術(shù)，配置生成了IEEE802.1Qcc 模型、SDN 中的控制器和北向接口，在獲取時(shí)鐘信息后進(jìn)行相應(yīng)配置，最終驗(yàn)證了主時(shí)鐘配置的成功性［14］。文獻(xiàn)［9］認(rèn)為在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)于數(shù)據(jù)的速率、延遲、抖動(dòng)和可靠性等方面都有著不同的需求。利用軟件控制流預(yù)留（SDFR）的方法，在Openflow 協(xié)議上通過(guò)SDN 控制器實(shí)現(xiàn)了IEEE802.1Qcc里的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的靈活調(diào)度［15］。文獻(xiàn)［10］中提出了將TSN、SDN 和OPC UA 結(jié)合起來(lái)，用SDN控制器來(lái)管理TSN 的業(yè)務(wù)流，OPC UA 作為工控程序之間和工控程序與網(wǎng)絡(luò)控制平面之間的交互，該架構(gòu)仍不完善，需要進(jìn)一步研究［16］。

4 SDN管控TSN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

4.1 LLDP實(shí)現(xiàn)

鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Link Layer Discovery Protocol，LLDP）是實(shí)現(xiàn)TSN 管控的基礎(chǔ)，SDN 也需要通過(guò)LLDP 協(xié)議來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，從而?shí)現(xiàn)路由信息的下發(fā)。SDN 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)LLDP 的思路是如圖2 所示。

圖2 SDN LLDP實(shí)現(xiàn)方法

1）SDN控制器構(gòu)造PacketOut消息向S1的三個(gè)端口分別發(fā)送LLDP數(shù)據(jù)包，其中將Chassis ID TLV和Port ID TLV分別置為S1的dpid和端口號(hào)；

2）控制器向交換機(jī)S1 中下發(fā)流表，流表規(guī)則為：將從Controller 端口收到的LLDP 數(shù)據(jù)包從他的對(duì)應(yīng)端口發(fā)送出去；

3）控制器向交換機(jī)S2 中下發(fā)流表，流表規(guī)則為：將從非Controller 接收到LLDP 數(shù)據(jù)包發(fā)送給控制器；

4）控制器通過(guò)解析LLDP 數(shù)據(jù)包，得到鏈路的源交換機(jī)和源接口，通過(guò)收到的PacketIn 消息知道目的交換機(jī)和目的接口。

圖3 是在SDN 仿真平臺(tái)Mininet 中實(shí)現(xiàn)LLDP的效果圖，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為搭載了Mininet 仿真平臺(tái)和Ryu控制器的Ubuntu64位虛擬機(jī)，下面幾個(gè)實(shí)驗(yàn)也是在同樣的環(huán)境中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)矩陣方式給出，為四個(gè)交換機(jī)組成的簡(jiǎn)單串行結(jié)構(gòu)。

圖3 LLDP實(shí)現(xiàn)結(jié)果

4.2 鏈路延遲實(shí)現(xiàn)

鏈路延遲的獲取能夠幫助控制器了解鏈路的擁塞情況，為時(shí)間敏感流的傳輸進(jìn)行保障。實(shí)現(xiàn)鏈路延遲測(cè)量的方法是通過(guò)ECHO 報(bào)文。下圖流程是控制器發(fā)送ECHO 報(bào)文給交換機(jī)，ECHO 報(bào)文經(jīng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)后回到控制器?？刂破髟诎l(fā)送ECHO報(bào)文時(shí)記錄發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳，在報(bào)文返回到控制器時(shí)獲得返回的時(shí)間戳，即可獲取到控制器到交換機(jī)的時(shí)延。其流程如圖4所示。

圖4 鏈路延遲計(jì)算原理

圖5 是路徑延遲的測(cè)量結(jié)果，前四個(gè)是交換機(jī)到控制器的延遲，后四個(gè)是交換機(jī)間的延遲。

圖5 鏈路延遲的結(jié)果

4.3 時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)

對(duì)于實(shí)時(shí)通信而言，時(shí)間同步在TSN網(wǎng)絡(luò)中起到了非常重要的作用，端到端的傳輸延遲具有難以商定的時(shí)間界限，因此網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都需要共同的時(shí)間參考。時(shí)鐘同步也可以利用echo 報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算出單邊的鏈路延遲后，以SDN控制器下發(fā)自身的時(shí)鐘作為參考，交換機(jī)的時(shí)鐘是控制器時(shí)鐘與鏈路延遲之和。在交換機(jī)進(jìn)行時(shí)間同步后，通過(guò)echo報(bào)文將自身時(shí)鐘信息返回給控制器，控制器判斷精度是否達(dá)到要求、是否需要再次進(jìn)行時(shí)鐘同步。

如圖6 是時(shí)鐘同步的效果圖，可以看到所有時(shí)鐘都同步到了1625310748.8460317這個(gè)時(shí)間戳，精確度達(dá)到納秒級(jí)，可以滿(mǎn)足部分可靠性傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖6 時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)效果

4.4 負(fù)載均衡

進(jìn)行測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7 所示，有兩個(gè)主機(jī)，主機(jī)間有四條線(xiàn)路，實(shí)驗(yàn)中h1 發(fā)包到h2，控制器會(huì)循環(huán)調(diào)用四條鏈路進(jìn)行傳輸。

圖7 負(fù)載均衡實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

圖8 負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)結(jié)果圖

圖8 是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，h1 對(duì)h2 發(fā)包，經(jīng)wireshark 軟件抓包后的結(jié)果如圖所示，數(shù)據(jù)包并不只走某一條鏈路，而是四條鏈路循環(huán)調(diào)用，以達(dá)到負(fù)載均衡的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種艦船一體化網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，該架構(gòu)以SDN 控制器為核心，通過(guò)管控TSN 網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)局域網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)和功能，能夠適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。本文主要介紹了SDN控制器如何管控TSN網(wǎng)絡(luò)，并初步實(shí)現(xiàn)了一些功能，如LLDP、鏈路延遲測(cè)量、時(shí)鐘同步和負(fù)載均衡等功能，后續(xù)將在SDN仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)其他TSN功能。