基于SDN的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

劉臺，朱超，程意，王一鳴

研究與開發(fā)

基于SDN的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

劉臺，朱超，程意，王一鳴

（武漢中原電子集團有限公司，湖北 武漢 430205）

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)具有高動態(tài)、弱連接、低帶寬和多鏈路備份等特性，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software?defined?network，SDN）技術(shù)通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備軟硬件解耦，將核心控制功能軟件化，通過集中控制策略獲取全局視圖，從而實現(xiàn)資源的靈活調(diào)度與信道資源的高效利用，推動戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)朝著更加智能化的彈性適變網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。首先介紹了SDN的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢，分析了傳統(tǒng)架構(gòu)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的若干問題，并對SDN技術(shù)在外軍戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域的應(yīng)用情況進行了分析，提出了SDN在軍事通信領(lǐng)域應(yīng)用的可行性思路，對應(yīng)用場景進行了構(gòu)想，最后對SDN在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用可行性進行了總結(jié)。

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；集中控制；彈性網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)化

0 引言

未來網(wǎng)絡(luò)將朝著功能化、服務(wù)化的方向快速演進，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（softwaredefinednetwork，SDN）技術(shù)具有轉(zhuǎn)控分離的特點[1]，通過將核心控制功能遷移到通用服務(wù)器端，簡化了設(shè)備的功能，使設(shè)備專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[2]，朝著更加小型化、低功耗、國產(chǎn)化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備主要基于目的IP地址進行匹配轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則單一，基于SDN的交換機采用基于流表的靈活匹配轉(zhuǎn)發(fā)策略，匹配策略多樣化，從而使數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)效率更高，轉(zhuǎn)發(fā)更加靈活[3]?？刂破鞫擞捎趨R總了網(wǎng)絡(luò)信息資源，可以實現(xiàn)更加靈活的資源按需調(diào)度功能，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r，可以通過全局視圖實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速重組。由于網(wǎng)絡(luò)通過集中控制實現(xiàn)組網(wǎng)，單個節(jié)點不用單獨配置參數(shù)，可通過集中控制實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的快速分發(fā)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速開通。通過資源的靈活調(diào)度，可以將網(wǎng)絡(luò)進行切片，整個網(wǎng)絡(luò)在SDN的集中控制架構(gòu)下更具彈性，適變于各類業(yè)務(wù)。

雖然從網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展趨勢來看，基于SDN技術(shù)的集中控制架構(gòu)擁有較多的好處，但戰(zhàn)術(shù)通信場景下存在帶寬資源低、機動性強、戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變以及抗毀性要求高等特點，如何解決戰(zhàn)術(shù)通信場景下存在的諸多問題，充分利用SDN技術(shù)的優(yōu)勢，從而促進戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)的發(fā)展是本文首先需要考慮的問題。

1 傳統(tǒng)架構(gòu)戰(zhàn)術(shù)通信若干問題

由于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的高動態(tài)、低帶寬和弱連接等特性，其一直采用傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)，隨著用戶對業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)質(zhì)量保證和網(wǎng)絡(luò)快速開通的需求不斷提升，傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)已顯露諸多弊端。

（1）封閉的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)封閉式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是封閉的，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。一是設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)在設(shè)計和建設(shè)時已經(jīng)緊緊捆綁在一起，缺乏靈活的應(yīng)變和調(diào)整能力。這為后續(xù)的功能調(diào)整和開發(fā)帶來巨大的工作量，導(dǎo)致軟件升級困難和迭代周期長。二是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信道控制協(xié)議、業(yè)務(wù)傳輸控制等通常由少數(shù)廠商制定，缺乏模塊化和開放性設(shè)計，用戶無法根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求快速升級和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)升級與應(yīng)用創(chuàng)新帶來極大阻力。

圖1 傳統(tǒng)封閉式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備

現(xiàn)役戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)中，為滿足不同方面的應(yīng)用需求，研究人員設(shè)計了數(shù)量眾多的協(xié)議，一般每種協(xié)議只能解決特定類型的網(wǎng)絡(luò)問題，加之接口種類繁多，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)體制多樣，業(yè)務(wù)無法統(tǒng)一承載[4]。更進一步，為了滿足某種網(wǎng)絡(luò)需求，往往需要數(shù)個協(xié)議協(xié)同工作，這種特性使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須能理解和處理大量的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，或增加協(xié)議轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致軍用戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備異常復(fù)雜，需要大量的售后、技術(shù)支持或系統(tǒng)設(shè)計人員長期保障與維護，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)維護成本。

（3）網(wǎng)絡(luò)部署困難

現(xiàn)役戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)依賴多級網(wǎng)關(guān)、分層劃分的體制進行運行和維護，業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)以屬地化管理為主，戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)等骨干網(wǎng)由上級部隊運營，軍兵種子網(wǎng)由本級部隊運營。這種分割設(shè)計造成了網(wǎng)絡(luò)分段管理，業(yè)務(wù)開通和響應(yīng)周期長。比如實施規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時，既要接收上級網(wǎng)管參數(shù)，又要兼顧本級和友鄰網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這種分級的參數(shù)規(guī)劃很難保證參數(shù)一致性。此外，開通某項業(yè)務(wù)時往往需要配置大量分散在各個駐地的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這項工作通常由技術(shù)人員手動配置，形成一個靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。而當(dāng)業(yè)務(wù)或指揮關(guān)系發(fā)生變化時，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)無法自動變更以適應(yīng)變更后的業(yè)務(wù)需求，需要技術(shù)人員再次變更配置，修改這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置會消耗大量的時間，而且很難保證配置的正確性。

（4）服務(wù)化能力缺乏

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是典型的“網(wǎng)絡(luò)有什么你用什么”，由于信息服務(wù)模式的改變，凸顯了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力的服務(wù)化程度不夠，例如多種對時延、丟包等傳輸服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求不同的業(yè)務(wù)并發(fā)時，要求高的業(yè)務(wù)不能得到優(yōu)先服務(wù)保障，在本來帶寬不充裕的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)場景下，這類問題尤為突出，用戶很難隨時根據(jù)實際需求使用網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)整體上沒有充分利用現(xiàn)有帶寬資源，缺乏資源按需分配的能力。

針對上述問題，國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)提出“資源—服務(wù)—應(yīng)用”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)思想、針對現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)進行改造，通過研究統(tǒng)一形式的戰(zhàn)術(shù)IP交換設(shè)備實現(xiàn)對原有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的統(tǒng)型，通過開放式的南向控制接口設(shè)計，實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)邏輯功能的解耦，利用集中控制帶來的全局視圖優(yōu)勢，一方面可以提升網(wǎng)絡(luò)管控能力，簡化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、開通與升級步驟，另一方面可以提升業(yè)務(wù)的傳輸服務(wù)質(zhì)量，滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下多業(yè)務(wù)并發(fā)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2 外軍在SDN方面的研究進展

國外針對SDN在軍事通信網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用進行了討論與研究。某陸軍研究實驗室人員Mishra等[5]研究利用SDN提高聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的感知能力和網(wǎng)絡(luò)安全。Nobre等[6]針對異構(gòu)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)特點提出了軟件定義野戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，比較了集中式、分層式、分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)、缺點，給出了兩個典型的基于軟件定義野戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的用例，指出兼容傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將是新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的挑戰(zhàn)。英國研究人員Spencer等[7]分析了SDN在面對戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)不斷變化的業(yè)務(wù)優(yōu)先級時，按照所需的服務(wù)質(zhì)量來交付重要信息的能力，并給出了SDN在戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用需要解決的控制平面在有限帶寬的無線信道上的帶內(nèi)傳輸問題、單點故障問題以及無線信道上傳輸控制平面數(shù)據(jù)的安全問題。英國與加拿大國防研究人員Spencer等[8]總結(jié)了SDN技術(shù)在聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的優(yōu)點與挑戰(zhàn)，提出了一個基于SDN的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，指出了控制平面數(shù)據(jù)在無線信道上傳輸?shù)陌踩珕栴}。

法國研究人員Phemius等[9]針對新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對網(wǎng)絡(luò)日益增長的帶寬、差異化服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)的靈活性需求，提出了一種針對戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的流量管理架構(gòu)。該架構(gòu)基于SDN技術(shù)以及邊緣云架構(gòu)，兩種戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的實驗結(jié)果表明該架構(gòu)能夠保證服務(wù)質(zhì)量的同時高效利用無線資源。為了增強戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的端到端時延性能，Chekired等[10]針對C4ISR（command，control，communication，computer，intelligence，surveillance，reconnaissance）通信系統(tǒng)提出了一種基于分布式的SDN架構(gòu)。3種戰(zhàn)術(shù)情形的實驗結(jié)果表明在正確的架構(gòu)層次采取最優(yōu)決策和合適的反應(yīng)能夠保證戰(zhàn)術(shù)行動的服務(wù)質(zhì)量，與此同時能夠有效地利用無線網(wǎng)絡(luò)資源。

在戰(zhàn)術(shù)末端的自組織網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用方面，針對SDN在移動戰(zhàn)術(shù)邊緣網(wǎng)絡(luò)的可用性問題，Li等[11]提出了一種層次化自組織的SDN架構(gòu)。該架構(gòu)中，研究人員通過設(shè)計新的自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使得網(wǎng)絡(luò)可以自主動態(tài)分成多個臨時網(wǎng)絡(luò)域，每個網(wǎng)絡(luò)域中通過一個指定節(jié)點作為本地控制器來管理該網(wǎng)絡(luò)域中的所有其他節(jié)點。Poularakis等[12]針對控制器在自組網(wǎng)中的放置問題，以及聯(lián)合作戰(zhàn)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略進行了分析與討論。為了解決因自組網(wǎng)的不可靠性與動態(tài)性導(dǎo)致的控制平面的安全性問題，Poularakis等[13]通過設(shè)計一種靈活的協(xié)議，將控制器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點分離，從而使得當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點連不上控制器時依然能夠根據(jù)分布式路由進行通信。實驗結(jié)果表明該協(xié)議能夠使得轉(zhuǎn)發(fā)成功率提升50%。

針對目前缺少SDN的技術(shù)驗證平臺的情況，美國陸軍研究實驗室人員Marcus等[14]開發(fā)了一個模擬戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的SDN實驗與分析平臺，如圖2所示。該研究實驗室人員基于模擬戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的SDN實驗與分析平臺，解決了戰(zhàn)術(shù)邊緣部署的手動配置需求復(fù)雜和協(xié)議開銷大的問題。

3 基于SDN的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建可行性分析與實現(xiàn)思路

隨著軍事信息化進程的加快，戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)對于網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣度、網(wǎng)絡(luò)通信容量、業(yè)務(wù)承載質(zhì)量、傳輸?shù)膶崟r性等方面提出更高的要求。未來聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)將面向信息化、智能化與服務(wù)化主導(dǎo)，以網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化為輔助實現(xiàn)手段，解決現(xiàn)役戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)面臨的網(wǎng)絡(luò)開通慢、資源管控難、服務(wù)質(zhì)量差以及適變能力弱等突出問題。

圖2 模擬戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的SDN實驗與分析平臺

3.1 SDN在戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中的問題

基于集中控制與可編程分布式轉(zhuǎn)發(fā)功能的SDN架構(gòu)可以提升網(wǎng)絡(luò)的資源管控能力，強化網(wǎng)絡(luò)的自動化與智能化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速開通與彈性適變[15-16]。結(jié)合面向服務(wù)的應(yīng)用模式，為用戶需求對接提供快速感知與響應(yīng)通道，達到提升業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)質(zhì)量的目的。但是，戰(zhàn)場環(huán)境末端網(wǎng)絡(luò)通信手段受限、高對抗戰(zhàn)場環(huán)境下無線通信弱連接以及高機動作戰(zhàn)場景下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉討B(tài)是戰(zhàn)場環(huán)境下SDN架構(gòu)得以落地所面臨的重要挑戰(zhàn)[17]。

3.1.1 戰(zhàn)術(shù)末端網(wǎng)絡(luò)窄帶環(huán)境下的問題

（1）南向接口協(xié)議開銷大的問題

經(jīng)典基于集中控制的SDN框架下，南向接口協(xié)議覆蓋包括資源描述上報、鄰居發(fā)現(xiàn)、組網(wǎng)控制、路由協(xié)議交互等多方面功能，其高昂的協(xié)議開銷需要占用大量的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。軟件定義戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中末端節(jié)點采用帶寬受限的無線信道實現(xiàn)業(yè)務(wù)互通，通常情況下業(yè)務(wù)傳輸帶寬只有幾十kbit/s，無法承載經(jīng)典的OpenFlow協(xié)議。為此，本文從3個方面減少南向接口協(xié)議開銷。

1）協(xié)議交互的輕量化設(shè)計

●UDP承載

標(biāo)準(zhǔn)的南向接口協(xié)議要求控制器和交換機之間的主通道必須通過TCP承載，而由于TCP的擁塞處理機制并未針對高丟包、高時延和低帶寬的無線通信環(huán)境進行有效優(yōu)化。因此，無線網(wǎng)絡(luò)上承載的TCP非常容易受其擁塞處理機制影響，從而對控制通道的吞吐量帶來不必要的影響，造成控制通道的傳輸性能下降，影響控制器對全網(wǎng)的控制。要使南向接口協(xié)議能夠在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下高效使用，需要將其承載協(xié)議調(diào)整為UDP。

●消息聚合

對于時間敏感不強的短消息報文，為保證在窄帶條件下的信息傳輸效率，可以在發(fā)送端采用消息聚合的方式實現(xiàn)協(xié)議報文的高效傳輸。消息聚合程度結(jié)合無線信道時隙寬度制定，可以最大程度地提高信息傳輸效率。

●協(xié)議報文壓縮

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)就是用于減少存儲和傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)按照壓縮前后信息量劃分為無損數(shù)據(jù)壓縮和有損數(shù)據(jù)壓縮。無損壓縮沒有信息丟失，可根據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)完全的恢復(fù)原來數(shù)據(jù)，它是一個可逆過程；有損數(shù)據(jù)壓縮是在保真情形下移除數(shù)據(jù)的壓縮編碼技術(shù)，壓縮后的數(shù)據(jù)不能完全地恢復(fù)為原來數(shù)據(jù)，它是一個不可逆過程。網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膮f(xié)議報文經(jīng)過壓縮和解壓縮之后必須完全重現(xiàn)，需要采用無損壓縮技術(shù)。常用的無損壓縮方法有：時間編碼（如游程編碼）、哈夫曼編碼、算術(shù)編碼、基于字典編碼（以 LZ 碼為代表）以及Rice 算法等。

本文選取基于字典編碼的LZW（Lempel- Ziv-Welch）壓縮算法和LZJH（Lempel.Ziv.Heath）壓縮算法進行數(shù)據(jù)壓縮處理。

協(xié)議控制報文數(shù)據(jù)壓縮效果統(tǒng)計見表1，可見對于長度較短的報文，壓縮效果并不明顯；報文長度越長壓縮效果越好，LZJH算法的壓縮效果普遍優(yōu)于LZW算法。

表1 協(xié)議控制報文數(shù)據(jù)壓縮效果統(tǒng)計

2）局部組網(wǎng)功能本地化

商用SDN中，為增強數(shù)據(jù)平面設(shè)備的開放性與可編程、可定義能力，采用軟件定義與硬件資源解耦的全開放式功能架構(gòu)，常用的白盒交換機僅實現(xiàn)基于通用硬件平臺支撐的可編程交換與適配通信功能，其通信傳輸資源、交換資源的管理與全局分配均交由上層通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件完成，這種完全依賴網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件實現(xiàn)組網(wǎng)的架構(gòu)會在南向控制接口通道中產(chǎn)生大量控制與維護開銷。

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)受傳輸信道帶寬以及穩(wěn)定性的限制，無法支撐廣義概念中全開放的SDN架構(gòu)，應(yīng)該根據(jù)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)實際的基礎(chǔ)設(shè)施條件與應(yīng)用需求構(gòu)建半開放式的SDN架構(gòu)。具體地，通過讓數(shù)據(jù)平面的交換設(shè)備實現(xiàn)基礎(chǔ)自主路由通信（包括設(shè)備接入、傳輸組網(wǎng)控制、路由協(xié)議處理以及語音網(wǎng)關(guān)服務(wù)等功能），一方面可以大大節(jié)省集中控制下南向接口協(xié)議的開銷，另一方面也能夠在組網(wǎng)控制服務(wù)連接質(zhì)量無法達到要求的情況下保證戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)通信能力。

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中半開放式的SDN架構(gòu)基于戰(zhàn)術(shù)可編程交換機的自主組網(wǎng)能力，實現(xiàn)功能模塊的控制與協(xié)調(diào)，而不具體參與功能內(nèi)部的實現(xiàn)，從而增強交換設(shè)備的自主通信能力，減少南向接口協(xié)議開銷，將控制器中不依賴集中控制優(yōu)勢的功能模塊解耦到數(shù)據(jù)平面。

（2）帶寬資源緊缺下的資源調(diào)度手段問題

由于業(yè)務(wù)傳輸資源總量限制，戰(zhàn)術(shù)末端網(wǎng)絡(luò)需要從時間、空間上提供更加精細(xì)的資源調(diào)度手段，以滿足不同種類業(yè)務(wù)差異化的傳輸服務(wù)需求。

1）基于時間片的轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中的指揮命令、協(xié)同作戰(zhàn)數(shù)據(jù)往往是具有較高實時性要求的短報文，在戰(zhàn)術(shù)末端網(wǎng)絡(luò)中通信帶寬受限的情況下，擬采用基于時間片的時隙分配與轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度相結(jié)合的方案。

首先，基于以太網(wǎng)同步授時方法，可以使全網(wǎng)交換機達到μs級別的高精度的時間同步；面向特定時間敏感端報文的實時性保證調(diào)度策略是將無線通道的時隙分配與節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的時間片進行時間排列，以保證報文轉(zhuǎn)發(fā)與傳輸過程中一路綠燈，盡可能少地參與緩存與排隊，從而實現(xiàn)帶寬受限條件下的網(wǎng)絡(luò)資源精細(xì)調(diào)度，提高業(yè)務(wù)的實時性保證能力。

2）基于分布式存儲的信息分享策略

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中存在戰(zhàn)場態(tài)勢、地圖GIS（geographic information system）數(shù)據(jù)等共享資源信息，此類信息往往伴隨較大的數(shù)據(jù)流量，戰(zhàn)術(shù)末端窄帶網(wǎng)絡(luò)承載該類信息時會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源緊張，甚至影響網(wǎng)絡(luò)的維護與運行。采用分布式存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式，將共享資源逐跳存儲轉(zhuǎn)發(fā)可以大大降低業(yè)務(wù)傳輸流量，配合網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控狀態(tài)信息實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)閑時轉(zhuǎn)發(fā)，可以保證網(wǎng)絡(luò)的正常維護與其他重要業(yè)務(wù)的傳輸服務(wù)質(zhì)量。

3.1.2 高對抗戰(zhàn)場弱連接環(huán)境下的問題分析

SDN采用集中控制的方式能夠最大限度地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源匯聚，基于全局視圖進行綜合決策的優(yōu)勢。相應(yīng)地，也同樣將面臨集中控制帶來的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性與抗毀能力不足的問題，此問題在戰(zhàn)場高對抗環(huán)境下尤為突出。具體表現(xiàn)為，戰(zhàn)場高對抗條件下通信連接的穩(wěn)定性下降，軟件定義戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)在弱連接通信條件下，主要面臨以下幾個問題。

（1）弱連接服務(wù)場景的判定

戰(zhàn)場高對抗條件下，通信鏈路的弱連接特效主要由帶寬占用率、時延抖動以及丟包率等參數(shù)決定。由于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的丟包與時延抖動有可能因帶寬占用率過高引起，因此，對于弱連接通道的判定標(biāo)準(zhǔn)是針對帶寬占用率不高的通信鏈路，若時延抖動及丟包率達到相對較高水平，則判定為弱連接通道。具體地，應(yīng)根據(jù)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)弱連接的實際應(yīng)用場景設(shè)定相應(yīng)的帶寬利用率門限、時延抖動門限以及丟包率門限。

（2）弱連接場景下的資源重構(gòu)

軟件定義戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中通信鏈路分為業(yè)務(wù)通道及服務(wù)連接通道，本文也據(jù)此對弱連接場景進行分類定義與分類應(yīng)對。

對于控制域內(nèi)少數(shù)服務(wù)連接通道出現(xiàn)的弱連接現(xiàn)象，可以采用服務(wù)連接備份路徑、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)控制服務(wù)節(jié)點遷移等方式重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源，形成組網(wǎng)控制服務(wù)對全網(wǎng)大多數(shù)節(jié)點的穩(wěn)定有效的服務(wù)連接。

對于控制域內(nèi)多數(shù)業(yè)務(wù)通道均出現(xiàn)弱連接的現(xiàn)象時，根據(jù)各節(jié)點服務(wù)連接門限的判定情況，將部分服務(wù)連接質(zhì)量差的節(jié)點退化為分布式自主路由組網(wǎng)模式，通過自主路由轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)業(yè)務(wù)基本通信。

3.1.3 高機動作戰(zhàn)場景下的問題分析

未來作戰(zhàn)場景將由部分節(jié)點機動作戰(zhàn)向著全域機動作戰(zhàn)發(fā)展，節(jié)點高機動場景下網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能、穩(wěn)健性與適變能力是考查網(wǎng)絡(luò)“質(zhì)量”的關(guān)鍵因素。未來戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)在面向帶寬與業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量提升的同時，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與彈性也將是重要的建設(shè)目標(biāo)之一。高機動作戰(zhàn)場景下，軟件定義戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)主要面臨以下兩個問題。

（1）網(wǎng)絡(luò)控制域動態(tài)管理的問題

高機動、強對抗作戰(zhàn)場景下，常常面臨組網(wǎng)控制服務(wù)節(jié)點戰(zhàn)毀、節(jié)點跨域移動等網(wǎng)絡(luò)分域重組的情況。此應(yīng)用場景下，為了實現(xiàn)快速分域重組，重點應(yīng)考慮組網(wǎng)控制服務(wù)的合理空間部署與分域備份策略。

合理空間部署是通過初始狀態(tài)的組網(wǎng)控制服務(wù)選舉，實現(xiàn)組網(wǎng)控制服務(wù)部署效率最大化。分域備份策略是組網(wǎng)控制服務(wù)在進行初始分域的過程中，首先完成與可達交換機之間的連接交互，將所有可達節(jié)點作為分域備份節(jié)點。隨后，根據(jù)鄰居組網(wǎng)控制服務(wù)之間的服務(wù)連接參數(shù)對比協(xié)商，確定域間公共節(jié)點的分域歸屬問題。

在組網(wǎng)控制服務(wù)戰(zhàn)毀、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭×易兓那闆r下，也可能出現(xiàn)部分節(jié)點無法與鄰近組網(wǎng)控制服務(wù)建立連接，這些節(jié)點應(yīng)保持通過分布式自主路由接入戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的能力，保證數(shù)據(jù)、語音等基本業(yè)務(wù)的通信能力。

（2）節(jié)點移動性管理問題

前面提到的域間移動性管理只是移動性管理的一個方面，移動網(wǎng)絡(luò)管理單元還需要結(jié)合用戶位置管理、身份地址管理、網(wǎng)絡(luò)切換管理以及業(yè)務(wù)連續(xù)性保證策略等多個方面的技術(shù)協(xié)同工作，實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境下移動節(jié)點用戶對于網(wǎng)絡(luò)變化的弱感知。

具體地，戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的節(jié)點移動性管理方案利用交換機實現(xiàn)移動節(jié)點的接入控制，并利用交換機實現(xiàn)對移動節(jié)點的位置、用戶身份的實時感知與監(jiān)控。控制器端的接入控制服務(wù)根據(jù)上報信息完成對節(jié)點移動趨勢的預(yù)測，為接入端接入新節(jié)點做信道參數(shù)規(guī)劃方面的預(yù)處理，降低節(jié)點接入時延。

圖3 節(jié)點移動性管理方案示意圖

節(jié)點移動性管理方案示意圖如圖3所示，移動接入端由A點往B點移動的過程中，接入節(jié)點由交換機1切換成交換機2，為保證移動性接入與跨節(jié)點切換過程中移動性管理策略的一致性，本文在原接入節(jié)點（交換機1）與新接入節(jié)點（交換機2）之間建立管理隧道，實現(xiàn)接入端用戶移動切換控制與協(xié)商。

另一方面，當(dāng)接入端移動節(jié)點正在與網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點進行業(yè)務(wù)通信時，戰(zhàn)術(shù)傳輸服務(wù)將根據(jù)移動性預(yù)測結(jié)果為新接入節(jié)點預(yù)先生成新的業(yè)務(wù)傳輸規(guī)劃路徑，在完成節(jié)點移動切換之后，新的業(yè)務(wù)傳輸路徑流表生效需要一定的時間，在此期間，管理隧道可以實現(xiàn)接入端業(yè)務(wù)的由新接入節(jié)點到原接入節(jié)點的重定向，保證業(yè)務(wù)沿著原有規(guī)劃路徑轉(zhuǎn)發(fā)，待新路徑流表完全生效之后，可實現(xiàn)業(yè)務(wù)新老路徑的無縫切換，以保證移動節(jié)點業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

3.2 基于SDN的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

新一代軟件定義戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)基于資源化、虛擬化、軟件化和服務(wù)化的思想，構(gòu)建“礎(chǔ)通信資源—通信網(wǎng)絡(luò)控制—上層應(yīng)用”開放式層次架構(gòu)。通過對基礎(chǔ)通信資源的量化、描述與封裝實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離以及軟件定義功能與異構(gòu)硬件資源的解耦；以面向服務(wù)的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能的服務(wù)化封裝，以網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生的功能向上層應(yīng)用提供服務(wù)質(zhì)量保證。軟件定義戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示，軟件定義戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)可分為基礎(chǔ)資源層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層與應(yīng)用層。

圖4中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過資源接入進入可編程轉(zhuǎn)發(fā)，通過字段匹配進行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；路由協(xié)議數(shù)據(jù)或其他交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過雙控制平面的分布式交互轉(zhuǎn)發(fā)；東西向協(xié)議數(shù)據(jù)通過集中式轉(zhuǎn)發(fā)，應(yīng)用層與服務(wù)層數(shù)據(jù)通過北向接口進行應(yīng)用通信。接入控制服務(wù)通過收集資源接入設(shè)備的帶寬、當(dāng)前通信狀態(tài)、鏈路時延等信息，統(tǒng)一資源管控模塊根據(jù)收到的各信道設(shè)備的信息進行統(tǒng)一計算，當(dāng)判斷當(dāng)前鏈路處于高動態(tài)、低帶寬、弱連接狀態(tài)時及時通告組網(wǎng)控制服務(wù)和業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)，將當(dāng)前拓?fù)湫畔⑦M行備份，在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達時按照備份的原拓?fù)湫畔⑦M行流表轉(zhuǎn)發(fā)，并且業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)在鏈路狀態(tài)不好的情況下執(zhí)行數(shù)據(jù)重傳，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的不間斷傳輸，除非鏈路中斷超過一定時間后才中斷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，即統(tǒng)一資源管控模塊將對信道設(shè)備的資源狀態(tài)進行動態(tài)調(diào)整，以供組網(wǎng)控制服務(wù)和業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)進行針對性的處理。

圖4 軟件定義戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.3 應(yīng)用設(shè)想

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)涵蓋了天、空、海、陸等多個應(yīng)用場景，天基通信網(wǎng)包括帶寬較為充裕且拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定的天基骨干網(wǎng)和帶寬較低的天基接入網(wǎng)，空基通信網(wǎng)絡(luò)涵蓋了包括空中作戰(zhàn)通信網(wǎng)和無人中繼通信網(wǎng)等，陸、海因地理位置復(fù)雜多變，分為骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)。不論是戰(zhàn)術(shù)通信骨干網(wǎng)還是接入網(wǎng)，與民用固定式高帶寬網(wǎng)絡(luò)不同，采用SDN集中受控組網(wǎng)的架構(gòu)構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)具有先天性的帶寬劣勢，但考慮SDN架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有資源調(diào)度靈活高效、業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)質(zhì)量可保障、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)彈性適變等優(yōu)勢，可以解決傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的諸多問題[15,18]，結(jié)合第3節(jié)中對基于SDN的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建可行性的分析與研究結(jié)果，表明通過邏輯集中式與物理分布式相結(jié)合的方式將SDN的思想應(yīng)用到軍事通信領(lǐng)域是可行的?；赟DN的軍事應(yīng)用場景設(shè)想如圖5所示，可以在帶寬和鏈路資源充足的條件下采用受控組網(wǎng)的方式，通過集中資源調(diào)度實現(xiàn)資源的靈活分配和高效轉(zhuǎn)發(fā)；在上層業(yè)務(wù)對資源需求不太大的場景下采用分布式架構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活組網(wǎng)。

圖4中SDN架構(gòu)提出的雙控制平面思想即滿足傳統(tǒng)分布式架構(gòu)下的業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)，同時也滿足在資源余量較多的情況下集中式控制傳輸，提高資源傳輸效率。在圖5中，面向天、空、海、陸的軍事應(yīng)用場景中，有帶寬較高的海陸骨干網(wǎng)、空骨干網(wǎng)、天骨干網(wǎng)，可以采用集中控制實現(xiàn)資源的高效調(diào)度，在帶寬較低的接入網(wǎng)中，如果帶寬資源低到無法滿足集中受控條件下協(xié)議的完整性交互，則采用傳統(tǒng)分布式控制進行業(yè)務(wù)傳輸。

3.4 測試平臺構(gòu)建

為驗證基于SDN技術(shù)構(gòu)建的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)效能，可通過模擬實際戰(zhàn)場通信環(huán)境，利用實體設(shè)備與OPNET仿真平臺構(gòu)建半實物仿真網(wǎng)絡(luò)，其中交換機設(shè)備為資源層標(biāo)準(zhǔn)交換機設(shè)備，對外統(tǒng)一采用以太網(wǎng)接口實現(xiàn)本地終端與信道傳輸設(shè)備接入，各節(jié)點之間采用甚高頻（very high frequency，VHF）、特高頻（ultra high frequency，UHF）等窄帶無線手段組網(wǎng)，仿真網(wǎng)絡(luò)可通過信道仿真模塊模擬戰(zhàn)場高動態(tài)、低帶寬和弱連接環(huán)境，各類型網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用服務(wù)采用軟件模塊化、分布式的方式部署在各節(jié)點服務(wù)器中，可隨時加載啟用或掛起。軟件定義戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)半實物仿真拓?fù)錁?gòu)建如圖6所示。

圖5 基于SDN的軍事應(yīng)用場景設(shè)想

圖6的拓?fù)渲?，交換機設(shè)備自主可實現(xiàn)分布式路由組網(wǎng)，待控制器中組網(wǎng)控制服務(wù)開啟之后，將與各節(jié)點建立服務(wù)連接并獲取全局資源視圖，完成網(wǎng)絡(luò)分域?；诩锌刂撇呗韵碌哪M戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運維管理、業(yè)務(wù)區(qū)分傳輸、語音端到端通信、節(jié)點名址映射等應(yīng)用，并由各服務(wù)軟件模塊保證服務(wù)質(zhì)量。部分網(wǎng)絡(luò)通信手段產(chǎn)生的情況下，基于集中控制策略下模擬戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)分域調(diào)整，模擬測試高動態(tài)、低帶寬以及弱連接環(huán)境下的集中式與分布式混合組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能。

圖6 軟件定義戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)半實物仿真拓?fù)錁?gòu)建

4 結(jié)束語

SDN因其具有開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特性，可以為用戶提供全局視圖，網(wǎng)絡(luò)的彈性適變能力和資源管控能力更強，使其在多個民用領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用[19-20]。戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)因具其有高動態(tài)、低帶寬、弱連接等諸多先天性劣勢，SDN在戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域的研究相比民用較少，外軍將SDN技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)中進行了相關(guān)應(yīng)用，使用SDN受控轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)同控制、基于全局的高效資源利用、網(wǎng)絡(luò)靈活性等諸多優(yōu)勢構(gòu)建了其戰(zhàn)術(shù)SDN通信網(wǎng)絡(luò)。本文基于現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)特點及問題分析對SDN技術(shù)應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域的可行性進行了分析，并提出了可行性方案及應(yīng)用方向，成果可為基于戰(zhàn)術(shù)通信SDN架構(gòu)的應(yīng)用提供參考，針對本文提出的架構(gòu)進行大規(guī)模仿真驗證并應(yīng)用到實際戰(zhàn)術(shù)場景下是后續(xù)需要研究的方向。

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Research on SDN based tactical communication network architecture

LIU Tai, ZHU Chao, CHENG Yi, WANG Yiming

Wuhan Zhongyuan Electronics Group Co., Ltd., Wuhan 430205, China

Tactical communication networks has high dynamic, weak connection, low bandwidth, multi-link backup, SDN (software defined network) technology decouples from hardware and software through traditional network control devices, software the core control functions, get a global view through centralized control policies, so as to realize the flexible scheduling of resources and the efficient utilization of channel resources, promote the development of tactical communication networks more intelligent and flexible adaptive. The development status and advantages of software defined network were firstly introduced, the problems of traditional architecture of tactical communication networks were analyzed, including the application of SDN in the field of foreign military tactical communication. Then, the feasible idea of the application of SDN in the field of military communication was put forward, as well as the application scenarios were conceived. Finally, the feasibility of the application of SDN in military communication was summarized.

tactical communication network, SDN, centralized control, elastic network, service-oriented network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022236

2022–04–14；

2022–08–10

國防科技創(chuàng)新特區(qū)163計劃項目（No.1916317ZD00701901）

The National Defense Science and Technology Innovation Special Economic Zone 163 Plan (No.1916317ZD 00701901)

劉臺（1989– ），男，武漢中原電子集團有限公司高級工程師，主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

朱超（1988– ），男，武漢中原電子集團有限公司高級工程師，主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)通信語音視頻傳輸。

程意（1992– ），男，武漢中原電子集團有限公司工程師，主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)通信組網(wǎng)控制服務(wù)。

王一鳴（1989– ），男，武漢中原電子集團有限公司工程師，主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及算法。