SDN 架構在艦艇通信中的應用研究?

陽 凱 林海濤 張 爽

（1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）（2. 31664部隊 白銀 730600）

1 引言

隨著我國海軍艦艇信息化水平的不斷提高，一體化作戰模式由傳統的“以平臺為中心”逐步向“以網絡為中心”轉變［1］。長期以來，海軍各類通信系統的建設都是由業務需求來牽引的，通信系統種類多，技術體制標準復雜，組織運用和運維管理難度較大，難以滿足一體化作戰的需求，各通信子系統之間形成了一種垂直封閉的煙囪式結構的系統［2］，需要打破異構網絡軟硬件資源、服務之間互連互通互操作的壁壘，實現資源的共享［3］。

為達到一體化作戰的要求，我國艦艇電子信息系統一直在努力向“一體化結構”演變［4］，在系統構成層面，各種傳統的獨立電子系統正在向一體化集成發展；在組織使用層面，艦艇電子信息系統控制管理向實現資源統一調度方式轉變?？偟脕碚f，信息戰條件下艦艇通信網絡技術的需求［5］有:

1）網絡管理綜合化、信息傳輸一體化。

2）多通信手段、多業務流靈活統一調配。

3）共享資源池，極大提高底層資源利用率。

4）開放式結構，能夠很好地兼容異構網絡設備。

目前，業界提出了一些新架構或新技術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將艦船電力線網絡復用為通信網絡，減少了鋪設通信網絡的成本，但無法實現通信資源的共享。周大凱［3］提出一種基于柵格的艦船通信網絡資源共享方法，解決了網絡資源異構、業務系統互通和資源共享問題。白立云等［7］將DTN（Delay/Disruption Tolerant Network，容延遲/容中斷網絡）應用到艦艇編隊通信中，解決了異構網絡的互聯和互操作的問題，但是這些方法在集中控制上都無法實現信息資源的統一調配和管理。其他一些艦艇通信網絡拓撲優化方法往往無法適應業務需求進行靈活配置，只優化了部分通信功能。

胡 建 平［8］和 陳 晨 等［9］結 合SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）架構，針對天地聯網中空間與地面網絡節點的信息高效互通、交換及應用需求，構建了天基以及地面系統“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，面對艦船綜合通信應用的靈活性、多樣性需求，SDN架構也是一種有效的解決方案。

2 SDN功能架構

SDN 通過將網絡設備控制面與數據面分離開來，分成集中控制平面和數據轉發平面［10］，并引入統一的數據交換標準及編程接口，可在異構網絡情況下對全網設備進行統一管理。SDN 網絡節點由集中的控制器管理，無須依賴底層網絡設備，屏蔽了來自底層網絡設備的差異，很好地實現了異構網絡的融合和業務流的QoS（Quality of Service，服務質量）保障?？刂破骶邆湔莆站W絡全局拓撲的功能，實時掌握各節點CPU、端口、緩存狀態，根據端口帶寬、轉發時延、丟包率等計算數據流轉發最佳路由，決定數據的轉發策略和路由算法。通過OpenFlow 協議，控制器實施流表的生成、維護和下發，交換機按照流表執行轉發，實現了網絡流量的靈活控制，從而為各通信手段之間交叉互聯和通信資源共享提供了良好的平臺。通過SDN架構，用戶可以自定義任何想實現的網絡拓撲路由和傳輸規則策略，如圖1 為ONF（Open Networking Foundation，開放式網絡基金會）定義的SDN基本架構。

圖1 ONF定義的SDN基本架構

3 SDN架構在艦艇通信中的應用探析

SDN架構為信息的傳輸提供了共享信息平臺，可融合異構網絡對全網設備進行統一管理，可全局分配和優化網絡資源，從而達到靈活高效的網絡配置和管理，各種語音、數據、視頻等業務信號可同時在其中進行傳輸與交換，使艦艇具有靈活的數據、語音、視頻傳輸能力。如圖2，數據平面由Openflow交換機組網互連組成，其底層可以以現有的光纖通信網絡為基礎進行承載，交換機與控制器之間通過SSL（Secure Sockets Layer，安全套接層）互連，傳遞網絡實時拓撲、流表等信息，而常用的通信業務網絡都可以加載在Openflow交換機上，共享數據平面網絡資源。作戰指揮系統等頂層應用加載在控制平面控制器上，結合控制器的全局資源控制能力，實施靈活快速的一體化指揮。

為滿足靈活的策略業務需求，SDN提供了策略管理機制來實現網絡管理和資源智能調度。以輕重緩急不同可以制定不同優先級的策略，根據策略標準不同可以制定針對網元和流量的網絡控制策略，從實現通信業務目標的角度制定特定業務策略。通過將這些策略納入編排器和策略庫，可以方便快捷地實現策略的實施和切換，達到不同業務QoS 的目的。作戰運維人員可以結合艦艇作戰需求，定制適應于不同戰備等級、不同戰略戰術、不同協同方式的通信資源控制策略，大大提高通信系統的作戰保障效能?；诓呗赃x擇和組合的管理方式，能更好的應對戰場變化需求，符合應用實際。

圖2 基于SDN的艦艇通信網絡組織

SDN架構具備彈性分配、靈活編排和具備管理L2 到L7 能力的動態網絡業務鏈（Service Function Chain，SFC）功能。SDN 通過收集全網拓撲信息和節點資源使用狀態形成集中的資源池，SFC 由控制器集中管理集中或者分布式的各類網元，控制轉發行為和進行流量調度，提供統一的業務鏈控制策略和資源視圖。此外，SFC 提供了一個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，作戰運維人員可根據使用需求制定特定的算法進行應用。

圖3 SFC項目路徑選擇算法架構

總結對比SDN 功能特點和目前艦艇通信系統應用需求和已有解決方法，若將SDN架構應用在艦艇通信中，將能夠:

1）節省艦艇底層通信資源。目前艦船中新增通信設備，往往需要占用新的光纖或電纜資源，在資源不足時甚至要重新鋪設，而通信線纜的鋪設費時費力且成本較高［6］。而SDN 具備良好的可擴展性，一次建成后，新增通信系統可直接加載到數據平面，無須重新鋪設線纜。

2）實現資源共享和業務流的統一調配和綜合管理。SDN 采用分布式布局［8］，可實現艦艇異構網絡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，實時掌握全局拓撲及資源信息，實現全網內信息資源的統一調配。結合網絡多個參數建立和優化路由拓撲模型，輕易的解決艦船通信網絡的復雜性問題［11］，實現網絡的綜合管理。通過SFC 功能，可根據作戰需求自定義全網或局部路由策略和路徑選擇算法，及時應對戰場變化。通過流表的設置修改，靈活的配置業務流。

3）具備更強的抗毀性和生存能力。結合SDN的多策略路由和冗余算法，能夠大大提高各通信子系統的生存能力，及時通過第二策略和路由進行業務恢復。

4）增強一體化作戰指揮能力。通過艦艇間的SDN 無線互連，形成艦艇編隊互連的SDN，通過設置不同艦艇OpenFlow 控制器權限級別，靈活的變更或共享指揮權和指揮平臺，便于指揮員針對當前艦艇編隊合同作戰樣式，綜合分析作戰區域中的各水面艦艇平臺、艦載機平臺等各個通信節點的實際通信需求及特點，實現對艦艇編隊多層次通信網絡拓撲結構的優化，增強信息傳輸的實時性和可靠性［12］，如圖4。在全局掌控通信網絡的基礎上，結合應用層作戰指揮系統，實現靈活的一體化協同作戰指揮，提高作戰決策和指揮效率。

圖4 艦艇編隊SDN架構下的互聯

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

4 結語

SDN架構是為解決現有網絡兼容性差、可擴展性差、配置不靈活等不足而發明的，應用到艦艇通信系統中，能夠很好地整合底層通信資源形成共享的數據平面，通過統一的控制平面達到通信系統的綜合化和一體化，便于艦艇內部和艦艇編隊之間的作戰指揮，提升艦艇綜合作戰能力。相比于已有的方案，SDN架構在兼容性、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計，使得各層的應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，現有SDN技術仍在持續研究之中，已有的產品仍不夠成熟，未來應用到艦艇通信系統之中還需要長時間的探索。本文探析了SDN在艦艇通信中的應用架構，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展建設提供參考思路。