SDN交換機及其星載交換的實現方案初探

陳 果，徐展琦，楊 帆，馮淼淼

(西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

SDN交換機及其星載交換的實現方案初探

陳 果，徐展琦，楊 帆，馮淼淼

(西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

隨著互聯網技術和應用的不斷發展，網絡中的新技術、新業務層出不窮，網絡的復雜度越來越高。傳統的衛星網絡已難以滿足高吞吐量、靈活多變的業務需求。針對傳統衛星網絡中的問題，業界提出在衛星網絡引入SDN技術，實現軟件定義衛星網絡SDSN。對現有SDN交換機的實現方式進行歸納總結，針對衛星網絡特殊環境分析衛星結點中SDN星載交換設備的系統功能，并提出一種基于OpenFlow協議的SDN星載交換機實現方案。

軟件定義網絡；OpenFlow交換機；衛星網絡；星載交換機

0 引言

隨著互聯網業務的不斷發展和網絡規模的快速擴張，數據流量指數性的爆炸增長，傳統網絡架構逐漸難以實現提供新業務、引入新技術和易于網絡管理等需求。為了顯著提高通信服務質量，基于衛星網和地面網的星地融合網絡[1-3]對衛星網提出靈活性、動態性等新要求。未來5G網絡[4]也對移動衛星網絡[5]提出高吞吐量、智能路由以及靈活的有效載荷等新要求，美軍提出的分散與彈性體系架構更是將網絡彈性、冗余性及可重構等方面作為未來網絡的新挑戰。

軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN)[6]作為一種控制與轉發分離的新型網絡架構，憑借其高度的開放性、靈活性和可編程性在業界引起了廣泛關注。為了更好地提升網絡性能，國內外研究者提出在衛星網中引入SDN技術，實現軟件定義衛星網絡(Software Defined Satellite Network,SDSN)[7-9]以改變現有僵化的衛星網絡體制，提升網絡的動態性與可重構性，實現對衛星網絡資源的靈活調度，以此適應迅速增長和動態變化的多租戶業務需求，提供更好的網絡服務質量。

1 地面網絡SDN交換機實現方法及對比

目前基于OpenFlow實現的主流可編程SDN交換機[6]可分為硬件實現和軟件實現2種：硬件方案包括傳統專用集成電路ASIC、現場可編程邏輯陣列FPGA和多核網絡處理器NPU等；軟件方案即通過計算機加軟件實現虛擬交換機。不同方案實現的SDN交換機存在交換性能差距，且在研發周期、投資成本和應用場景亦有較大的差異。本節詳細介紹地面SDN網絡中幾種主流的OpenFlow交換機實現方式，并分析不同SDN交換機在交換性能和靈活性等方面的優劣。

1.1 基于專用集成電路的實現方案

專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)是指應特定需要而設計制造的集成電路，在通信與網絡芯片中得到廣泛應用。它通過將指令或計算邏輯固化到芯片，并集成路由查詢、協議處理和數據包轉發等功能，以此提高網絡設備的數據處理速度，實現極高的轉發性能。但這種通過傳統ASIC芯片實現的交換機功能固定，缺乏靈活性、通用性和可擴展性。

可編程的ASIC技術將一些固定的或低風險的設計功能用傳統ASIC電路實現，而將高風險模塊和需要現場可升級能力的功能置于可編程的電路中實現。這種方案既能實現類似ASIC的性能和功耗，又能提供類似FPGA的靈活性和可重構性，故成為高性能SDN交換機設計的首選。

國內盛科網絡自行研發的專用OpenFlow芯片(如CTC6048芯片)和盛科V580系列SDN交換機均采用ASIC設計與實現。國外的Cisco和Juniper推出的可編程ASIC在無需重新設計芯片的情況下即可支持新的網絡協議擴展，實現真正的軟件定義網絡。

1.2 基于FPGA的實現方案

FPGA作為ASIC領域中的半定制電路，可反復編程、擦除和使用，在靈活性與重構性方面表現突出，且在片上嵌入多核處理器形成SOC，還可保證網絡數據包的轉發性能。利用FPGA芯片研發交換機可采用硬件描述語言HDL編程、嵌入處理器方式軟件編程或軟硬件結合等方式靈活實現。用戶可根據不同配置模式，采用不同編程方式，實現支持多種網絡協議功能的SDN交換機。

斯坦福大學在研究OpenFlow項目時開發的開放性NetFPGA[10]平臺，可以很好地支持模塊化設計。通過將在該平臺上開發的功能模塊進行組合，便可完成復雜的硬件設計，實現網絡功能的可重構。任何個人和科研組織都可以利用該平臺上已有的軟硬件資源，添加自己的模塊和修改現有的系統來搭建自己的SDN硬件實驗平臺，因此在科研領域得到廣泛使用。

1.3 基于多核網絡處理器NPU的實現方案

網絡處理器(Network Processing Unit,NPU)作為專門處理數據包而設計的可編程芯片，能夠直接完成網絡數據處理的一般性任務，其內部由若干個微碼處理器和若干硬件協處理器組成。NPU既保留ASIC高性能處理數據的特性，又可通過眾多并行運轉的微碼處理器進行微碼編程以實現復雜的網絡業務處理，例如，OSI模型第1～第7層的協議數據單元高速處理。因此，采用NPU芯片設計的SDN交換機在包處理能力和可編程方面均有較好的表現。

國內華為公司推出的S12700系列敏捷交換機中就采用自主研發的EPU網絡處理器來實現交換機的可編程性，國外亦有設計用于SDN交換機中的網絡處理器，如Intel公司的IXP2350接入NPU、Broadcom NPU等。

1.4 基于中央處理器CPU的實現方案

基于通用處理器實現的虛擬交換機以軟件編程的方式實現對數據包的解析、查找和匹配等操作，并通過虛擬端口來模擬數據包的轉發操作。由于此類交換機采用軟件模擬實現數據包的轉發，故具有較強的網絡可編程性，可以和KVM、Xen等多種虛擬化平臺相整合，使得同一套設備被多個虛擬機實例共享，為虛擬機提供靈活的網絡互連能力。

運行于通用X86平臺的軟件交換機可以動態靈活地分配物理主機資源以滿足網絡虛擬化和數據中心中多租戶的按需靈活組網需求，因此在數據中心和網絡虛擬化技術中被認為是最有前景的交換機解決方案之一。目前業界已有的諸如Open vSwitch、Pica8、ofsoftswitch、OpenFlow Reference等OpenFlow交換機均基于此方案實現。

1.5 白牌交換機實現方案

白牌交換機的思想是解耦合硬件平臺和軟件操作系統，讓用戶自由選擇最佳軟硬件平臺。交換機中的硬件芯片僅完成最基本的數據包轉發功能，實現網元設備的“去智能化”，而轉發策略則交給靈活、可移植的網絡操作系統(Network Operation System,NOS)完成。

這一思想可極大提高交換機的可配置性與可重構性，增強網絡部署的靈活性。用戶在一臺白牌交換機上可靈活地選擇NOS以應對變化的市場需求，從而降低投資成本。這些特性使得白牌交換機在基于OpenFlow的SDN交換機中得到廣泛關注。

1.6 SDN交換機實現方案對比

通過上述幾種主流的方案可以看出，不同方式實現的SDN交換機在性能、成本和靈活性上都各有優劣。表1給出幾種基于OpenFlow的SDN交換機實方案的優缺點對比。

表1 SDN交換機實現方案優缺點對比

轉發形式優缺點基于專用集成電路ASIC性能極高,適合商用;開發周期長,成本高,擴展性差FPGA可擴展性強,靈活度高,復用性好;成本較高,本身處理能力有限基于多核網絡處理器并行/多處理器方式,網絡處理能力強,微碼編程易于業務擴展,靈活可編程;處理性能對硬件要求高,芯片復雜度高,研制周期長軟件虛擬轉發實現簡單,功能易擴展,網絡互連能力靈活,可實現資源共享;性能一般,過度依賴于寄宿平臺的CPU運算功能白牌交換機解耦合硬件平臺和軟件操作系統,成本低,開發周期短,網絡操作系統可移植;性能一般,難以實現復雜的配置管理

2 SDN化星載交換設備實現形式初探

2.1 SDN星載交換機系統功能

SDN技術強調網絡的靈活性與可編程性，故SDN星載交換機[11]實現方案的設計應首先考慮交換模塊的可重構性，以方便對網絡資源進行靈活、動態的調度。另外，星載交換機與地面網絡結點不同，時刻面臨著復雜的空間環境以及惡劣的高能粒子干擾，故在設計時需考慮以下幾點：

① 實現交換機對外接口、交換體制的可編程性，以實現未來新型傳輸接口與交換體制的引入；

② 有容錯模塊以保障系統的可靠性；

③ 選擇合適的元器件來應對太空中的空間高能粒子輻射，以提高星載交換機的穩定性；

④ 在保證一定交換性能的前提下盡可能減少功耗。

依據以上提出的幾點設計要求，并通過比較幾種SDN交換機實現方案的優缺點，本文選取FPGA作為星載SDN交換設備實現方案。

2.2 SDN星載交換機的體系結構

SDN星載交換機的體系結構與傳統星載交換機[12]相比，基本模塊的劃分是相似的。但在基于OpenFlow協議的SDN星載交換機[13]中，作為可編程的交換模塊，其設計必須遵循OpenFlow協議，以便流表的匹配與轉發，實現網絡數據的傳輸。

圖1給出SDN星載交換機的模塊實現框圖。

圖1 SDN星載交換機結構

該平臺共分為5個模塊，模塊之間以總線或接口的形式進行交互通信，各模塊功能如下：

① 主控模塊：完成地面控制器對交換機的遠程管理和配置，也用于配置、查詢和管理系統各模塊，并提供OpenFlow協議規定的消息解析和響應等控制處理；

② 交換模塊：從輸入端口接收數據，遵循OpenFlow協議完成包解析，根據流表匹配結果執行對應動作，再從對應端口輸出；

③ 通信模塊：將衛星上行鏈路信號通過接收處理，發送到交換模塊和主控模塊；將準備發送輸出的報文轉換為特定的幀結構，發送到下行鏈路；

④ 容錯模塊：負責監視整個系統的工作狀態，對出錯的模塊進行隔離或復位，并為主控模塊提供全局狀態信息；

⑤ 電源模塊：用來提供整個系統的能量，當系統其他模塊發生功能性異常時，可以控制電源模塊對其進行重啟操作。

2.3 星載交換機元器件選擇

主控模塊：目前應用范圍較廣的處理器有ARM、X86、Power PC和MIPS，其中Power PC和ARM系列的CPU最符合低成本、低功耗的設計思想，故主控模塊的CPU可從二者中選取。

交換模塊：FPGA作為可編程器件已廣泛應用于航天通信設備中，而基于FPGA實現的SDN交換機相較于其他方案在可編程和交換性能方面都有一定的優勢，故星載交換機中交換模塊應優選FPGA芯片。

容錯模塊：容錯模塊是系統可靠性的保障中心，它自身的可靠性必須得到保證，應該采用ASIC電路或者使用一次性可編程(One-Time Programmable,OTP)芯片。

2.4 星載交換機的OpenFlow協議擴展

在SDSN[7]網絡中，作為具有星上交換能力的SDN星載交換機，不僅要支持IP交換、ATM交換、電路交換，而且還應支持光纖交換和光波長交換。但目前的OpenFlow協議僅支持以太網中的IP分組交換，并不支持其他粒度的交換，因此需要對OpenFlow協議中的多流表匹配機制進行擴展，以完成對ATM交換、電路交換、波長交換等多種粒度交換的支持。

為了使地面控制器可以從SDN星載交換結點中收集衛星運行的狀態信息[8](如剩余緩存與鏈路帶寬、功率、有效載荷狀態以及端口監測狀態等信息)，以便對衛星網絡資源實現靈活、動態的調度，需要對OpenFlow消息進行擴展，以便對衛星狀態參數進行收集。

3 結束語

為了實現衛星網絡資源的靈活、動態調度，在衛星網絡中引入SDN技術已成為當前的熱門研究課題。利用SDN集中控制的優勢可以實時地收集衛星網絡的狀態參數，動態地對衛星結點進行監測，實現對拓撲動態變化的衛星網絡的有效管控。本文總結地面網絡中幾種主流的SDN交換機實現方案，綜合考慮太空中SDN衛星結點需滿足的功能需求，對SDN星載交換設備的實現方案進行初探。經過對現有的幾種主流SDN交換方案分析可知，采用FPGA實現的SDN交換機可滿足性能需求，具有較強的可編程性，是構建靈活可重構SDN星載交換機的優選方案，并在此基礎上提出一種基于OpenFlow的SDN星載交換機實現方案。

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[5] Rossi T,Sanctis M,Cianca E,et al.Future Space-based Communications Infrastructures based on High Throughput Satellites and Software Defined Networking[C]∥2015 IEEE International Symposium on Systems Engineering (ISSE).Rome,Italy,IEEE,2015:332-337.

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ImplementationSchemeofSDNSwitchandSDN-basedOnboardSwitching

CHEN Guo,XU Zhan-qi,YANG Fan,FENG Miao-miao

(State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an ShaanXi 710071,China)

With the development of Internet technology and applications,new technologies and new services are emerging and networks are becoming ever more complex,and it has been more difficult for traditional satellite networks to meet the high throughput and flexible service requirements.To solve the problems in traditional satellite networks,the researchers from both academia and industry propose to introduce SDN technology into satellite networks to realize software defined satellite networks.The paper summarizes the implementation methods of existing SDN switches and analyzes the system function of SDN onboard switching model in satellite nodes.In addition,a scheme of SDN onboard switch based on OpenFlow protocol is proposed.

Software Defined Networks (SDN);OpenFlow switch;satellite networks,onboard switch

TN 927

A

1003-3114(2017)06-12-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.03

陳果，徐展琦，楊帆，等.SDN交換機及其星載交換的實現方案初探[J].無線電通信技術,2017,43(6):12-15.

[CHEN Guo,XU Zhanqi,YANG Fan,et al.Implementation Scheme of SDN Switch and SDN-based Onboard Switching[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):12-15.]

2017-08-15

國家自然科學基金項目(61572391)

陳 果(1994―)，男，碩士研究生，主要研究方向：衛星網絡和軟件定義網絡。徐展琦(1962―)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：光網絡、寬帶衛星、SDN/NFV。楊 帆(1973―)，男，博士，副教授，主要研究方向：光網絡與交換、數據中心。