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软件定义天地一体化信息网络体系架构研究

软件定义天地一体化信息网络体系架构研究
牛长喜 李春林 谢小赋 王宏 王邦礼 中国电子科技集团公司第三十研究所,成都,610054 摘要:天地一体化信息网络要求具备灵活、快速组网与安全可控等突出特征,如何设计具有这 些特征的天地一体化信息网络是当前的研究热点。本文提出运用软件定义网络(SDN)技术解决上 述问题,分析了 SDN 在天地一体化信息网络的应用优势,提出基于 OpenFlow 的软件定义天地一体 化信息网络体系架构。基于此体系架构,提出一种典型应用场景:天地一体化侦察情报系统,提出 软件定义天地一体化信息网络能够满足“大数据”应用对于网络服务提出的更高要求。 关键词:天地一体化信息网络 软件定义网络 大数据 网络服务
1
引言 天地一体化信息网络[1]由多种卫星星座、飞行器及地面设施互联而成,实现侦察监视、导弹预
警、导航定位、通信指挥、空间防御与对抗等功能的一体化,具有自主的信息获取、存储、处理及 分发能力,将空中、地面资源紧密集成并协同运作,实现信息的多元立体共享,从而提高信息系统 的整体运行效能。 世界主要航天大国均已开展了天地一体化信息网络的体系架构和相关技术的研究,并取得了一 定的研究成果,推动了天地一体化信息网络各个领域研究工作的不断进步。目前,美国、欧洲等发 达国家已经完成了概念研究,并进行了系统仿真、地面试验及飞行搭载试验,提出了一系列的标准 或建议书。 近年来,我国地面网络设施建设取得的成绩有目共睹,这为天地一体化信息网络地面段建设提 供了基础。但是,我国在天空段的网络建设严重滞后。随着我国航天技术的发展,加之我国载人航 天、空间站、深空探测等空间活动日益频繁,各种航天器种类和数量也在迅速增加,卫星与地面、 卫星与卫星之间的通信组网要求越来越迫切。目前我国在轨运行卫星大都只提供通信信道,星上不 具有信息交换功能,信息只能通过地面接收站处理后再重新上星才能实现星间、星际之间的信息交 换。这些都严重制约着天地一体化信息网络对灵活、快速组网要求的实现。 近年来,通过相关领域科研组织和科技工作者的不懈努力,在空间组网技术领域取得了较大的 发展, 提出了星上 ATM、 IP 交换, 星间激光通信等一系列技术和星上以太网、 星上互联网等新概念, 对推动星间、星际通信组网奠定了一定的技术基础,也为卫星空间组网提出了一些新的思路。但这 些关键技术的突破,在很大程度上只解决了卫星空间组网通信问题,其组网的灵活性和快速性,以 及其安全可控性都还亟待提升。 目前,逐渐兴起的软件定义网络(Software-Defined Networking 简称 SDN)[2]成为了网络技术 全球研究热点。SDN 是业界广泛认可的一种新型网络架构,具有比传统网络更易集中管控、灵活组 网、安全可控等技术特点,已经在数据中心网络、企业网、广域网和移动网络中得到了广泛应用, 在减轻网络管理的复杂度,提高组网灵活性,提升网络集中管控力度和安全可控等方面发挥了重要 作用。本文将 SDN 技术在天地一体化信息网络中加以应用,提出软件定义天地一体化信息网络体系

架构,试图以此技术途径解决天地一体化信息网络面临的一些问题。 另外,基于所提的软件定义天地一体化信息网络体系架构,本文进一步提出一种天地一体化信 息网络的典型应用场景:天地一体化侦察情报系统。针对天地一体化侦察情报系统中侦察情报数据 所呈现出的“大数据”特征,重点分析了“大数据”应用对网络服务提出的要求,并且提出软件定 义天地一体化信息网络能够满足“大数据”应用对于网络服务提出的更高要求。 2 软件定义天地一体化信息网络体系架构 本节将 SDN 技术在天地一体化信息网络中加以应用, 提出软件定义天地一体化信息网络体系架 构。首先对 SDN 技术进行简介,然后分析 SDN 在天地一体化信息网络中的应用优势,最后提出软 件定义天地一体化信息网络体系架构。 2.1 SDN 技术简介 SDN 技术是处于高速发展中的网络技术。其核心理念是使网络充分开放,使得网络能够像软件 一样灵活。 传统网络由复杂的交换机、路由器以及其它设备组成,网络控制平面与数据平面紧密耦合,在 同一设备中集中实现,网络控制平面分布在所有的网络设备中,这些网络设备使用封闭、专有的内 部接口,运行大量的分布式协议。在这种封闭网络环境中,网络创新十分缓慢和困难,使得网络不 灵活,难以根据应用对网络的不同需求对网络做出快速的、动态的、定制化的、优化的改变。 SDN 技术就是针对传统网络封闭的缺点提出的一种创新技术。图 1 描述了 SDN 体系架构的逻 辑视图。
图1
SDN 体系架构

SDN 的基本组成要素包括: z SDN 控制器,如图 1 中所示的控制层。它将传统网络中分布在全网设备中实现的网络控制 平面集中起来实现,使得网络设备不再实现控制平面的功能,网络设备只实现数据平面的 功能。它是 SDN 架构的核心,是基于软件的控制器,负责维护全局网络视图,向上层应用 提供用于实现网络服务的可编程接口(通常称为“北向接口” ) 。SDN 控制器根据上层应用 的需求,在全局网络视图上计算出具体的网络配置指令,下发给网络设备执行,从而满足 上层应用对网络的需求。 z 控制应用程序,如图 1 中所示的应用层。控制应用程序利用 SDN 控制器提供的应用编程接 口, 在 SDN 控制器提供的全局网络视图上, 灵活地实现多种网络控制应用, 如路由、 多播、 安全、接入控制、带宽管理、流量工程、服务质量等。 z 网络设备,如图 1 中所示的基础设施层。SDN 中的网络设备具有与 SDN 控制器的接口, 通常称为 “南向接口” 。 SDN 控制器通过利用网络设备提供的网络信息构建全局网络视图, 并且通过“南向接口”直接控制网络设备。网络设备仅仅在 SDN 控制器的直接控制下完成 数据转发操作。 由此可知 SDN 的基本特征: z z 控制平面与数据平面分离。网络数据平面由受控转发的网络设备组成,转发方式以及业务 逻辑均由运行在独立于网络设备的 SDN 控制器上的控制应用所控制。 控制平面与数据平面之间的开放接口。SDN 为控制平面提供开放的网络操作接口,也称为 可编程接口。通过开放接口,控制应用只需要关注自身逻辑,而不需要关注底层更多的实 现细节。 z 逻辑上的集中控制。逻辑上集中的控制平面可以控制多个数据平面设备,可以控制整个物 理网络,因而可以获得全局的网络状态视图,并可以根据该全局网络状态视图实现对网络 的优化控制。 网络控制平面与网络数据平面之间的接口是 SDN 体系架构中的关键组成要素。OpenFlow
[2]

为 SDN 架构中控制平面与数据平面之间接口定义的第一个实例, 其在提出的初期就受到业界的广泛 关注。当前,业界普遍选择 OpenFlow 作为 SDN 中控制平面与数据平面之间的接口,并围绕其建立 了一系列的控制器、控制应用以及网络设备等。 OpenFlow 的成功与其简单高效的特点密不可分。 OpenFlow 架构十分简洁, 如图 2 所示, OpenFlow 交换机由内部转发流表以及用来与外部控制器进行通信的安全通道组成。为了使远端的控制应用能 够对数据平面的网络设备进行编程,OpenFlow 协议指定了一系列基本操作。通过 OpenFlow,SDN 控制应用可以直接访问并操控数据平面中的网络设备, OpenFlow 交换机则使用流表流水线来进行数 据包匹配与数据包转发。

图2
OpenFlow 架构
如图 3 所示, OpenFlow 交换机中的每个流表中含有多条流表项, 每条流表项由匹配域、 优先级、 统计域以及一系列的转发指令组成。控制器可以利用 OpenFlow 协议对这些流表项进行添加、删除 或者修改操作,当数据包匹配到某个流表项时,该表项对应的指令集合将被触发。OpenFlow 支持最 基本的动作,包括转发、丢弃、群组操作、入队以及加/去标签等。
图3
OpenFlow 流表示例

OpenFlow 通过对网络中“流”的控制来达到对网络进行灵活控制的目的。OpenFlow 中对“流” 的定义十分灵活,这也就使得能够对网络进行更灵活的控制。例如,在需要进行细粒度控制的网络 场景中,可以逐流建立流表项并通过逐流的精确匹配实现对网络的精确控制;在流量较大的网络环 境中, 可以使用通配流表来对汇聚流进行转发, 降低流表项数目对转发节点内存空间的冲击。 另外, 控制平面建立流表项的方式也十分灵活。控制平面既可以被动地建立流表项,由新流来触发流表项 的建立,也可以主动地建立流表,提前对转发设备的转发行为进行配置,从而提高转发效率。 OpenFlow 细粒度的, 基于流的转发能力, 使得网络控制变得十分灵活, 使其能够实时地对网络应用、 用户、会话的需求做出不同的响应。 2.2 SDN 在天地一体化信息网络中的应用优势 SDN 技术应用于天地一体化信息网络设计与建设中,能够带来如下优势: z 设备简单。SDN 中的网络设备仅仅实现网络数据平面功能,复杂的网络控制平面功能交由 SDN 控制器实现,网络设备变得简单,易于实现与维护。网络设备简单化在天地一体化信 息网络中尤为重要,能够带来易于上星、便于维护、成本降低等优势。 z 设备互通。SDN 中的网络设备只要具备与 SDN 控制器的标准接口,如 OpenFlow 接口,就 可以在 SDN 控制器的统一控制下组网。在天地一体化信息网络中,多种类型的网络设备能 够方便互通,共同组网,网络规模可动态扩展。 z z 集中管控。SDN 中的网络控制平面功能由 SDN 控制器实现,在逻辑的集中点上对全网进 行集中管控。在天地一体化信息网络中,能够带来对网络统一管理、统一控制等优势。 安全增强。SDN 中的 SDN 控制器维护全网视图,能够基于全网视图进行网络安全技术的 布置,带来增强的、全局的网络安全能力。在天地一体化信息网络中,基于 SDN 控制器提 供的能力与接口,能够便于开发适配天地一体化通信特性的安全增强能力。 z 灵活控制。SDN 中对网络的控制通过对网络中“流”的控制进行。通过对网络中“流”的 灵活定义,可以实现多种粒度上的网络控制能力。在天地一体化信息网络中,通过灵活定 义适配天地一体化通信特性的“流” ,为天地一体化信息网络带来灵活控制的优势。 z 快速响应。基于 SDN 控制器提供的能力与接口,针对不同任务对天地一体化信息网络的动 态需求,如多样的动态路由需求,自动地对天地一体化信息网络进行快速配置,达到快速 响应的目的。在天地一体化信息网络中,根据动态快速组网需求,基于 SDN 提供的能力, 能够带来快速组网的优势。 2.3 软件定义天地一体化信息网络体系架构 软件定义天地一体化信息网络架构在上述 SDN 基本体系架构定义的框架基础之上进行定义, 除 提供标准化的 OpenFlow 协议外,还特别地针对卫星通信的高时延、低带宽等通信特点,设计专门 的远程通信协议(Remote IPC) 。通过应用独立自主技术改进 SSL 协议,以驱动 OpenFlow 协议的正 常工作,提供独立自主的安全加固的控制协议。 该体系架构主要以 OpenFlow 协议标准为核心, 对部署了 OpenFlow 协议标准接口代理的卫星组 成的卫星网络以及支持 OpenFlow 协议标准的地面网络进行统一地集中控制,并为上层应用提供灵 活的开发接口,使得上层应用可以对天地一体化信息网络中的星上路由交换、星地路由交换、星间

流量分配、网络安全接入等操作进行多粒度的控制。除此之外,利用软件定义天地一体化信息网络 提供的可编程能力,还可在快速适应卫星网络需求变化方面发挥重要作用,一旦卫星通信或组网需 求发生变化,借助 SDN 网络的可编程能力,在地面控制器上通过软件自动向卫星发送指令,调整卫 星通信模式,即可自动、动态地适应新的通信需求。 图 4 所示的软件定义天地一体化信息网络体系架构中,控制器是整个一体化网络的关键所在, 由它负责维护整个天地一体化信息网络的视图,包括卫星网络与地面网络的拓扑数据、流量数据等 信息,借助于运行在控制器上的控制应用程序,可以直接通过控制器从星地链路向卫星网络发送指 令,实现卫星网络的快速组网,并能够安全地控制对网络的访问行为。同时,利用控制器提供的应 用编程接口,网络人员能够灵活地编写多种天地一体化信息网络控制应用,如路由、多播、安全、 接入控制、带宽管理、流量工程、服务质量等。基于这类控制应用提供的服务,为基于天地一体化 信息网络的大数据应用、管理监控及其它应用提供高质量服务保障。
图4 a) b) c) d)
软件定义天地一体化信息网络体系架构
软件定义天地一体化信息网络工作原理如下: 卫星网络(通过地面接收站) 、地面网络向 SDN 控制器系统上报网络拓扑数据、流量数据; SDN 控制器系统形成软件定义天地一体化信息网络的全网视图; 大数据应用、管理监控等应用向 SDN 控制器系统上报对于网络服务的需求,如 QoS 需求、 通信加密需求、多路径路由需求等; SDN 控制器系统根据应用对网络服务的需求,在其所维护的全网视图上计算出能够满足应用 需求的网络配置指令;

e) f) g)
SDN 控制器系统将计算得到的网络配置指令,以 OpenFlow 协议标准规定内容,通过其与地 面接收站、地面网络之间的连接发送至网络设备; 网络设备接收到 SDN 控制器下发的网络配置指令后,配置本设备的流表; 全网设备根据所配置的流表进行数据转发工作。 软件定义天地一体化信息网络能够提供增强的网络安全能力。比如,在有些网络链路上部署
有通信加密设备,而有些链路并没有部署。那么,一些安全性要求高的应用,可以将其对网络进 行通信加密的需求通知给控制器,这样控制器可以选择部署有通信加密设备的链路承载其数据。 这样,既保障了应用数据的安全,又使得网络成本维持在较低的水平。 基于 SDN 技术的软件定义天地一体化信息网络的优势十分明显。 z z 设备简单。软件定义天地一体化信息网络设备都是简单的数据转发设备,支持 OpenFlow 协议标准即可。避免了昂贵、复杂的网络设备带来的网络复杂性。 设备互通。软件定义天地一体化信息网络由各种各样的网络设备组成,并且有持续不断的 新网络设备加入,由于它们都支持 OpenFlow 协议标准,它们之间能够方便地通过 SDN 控 制器系统进行配置完成互连互通。 z z z z 集中管控。软件定义天地一体化信息网络中的 SDN 控制器系统维护全网视图,能够基于全 网状态进行集中管理和控制。 安全增强。软件定义天地一体化信息网络中的 SDN 控制器系统能够灵活地选择路由,保障 应用数据按需接受安全增强设备的处理。 灵活控制。软件定义天地一体化信息网络中的 SDN 控制器能够在全网视图的基础上,按照 应用对于网络服务的不同需求,计算出不同的网络配置指令,达到灵活控制的目的。 快速响应。当网络拓扑、应用需求等变化时,软件定义天地一体化信息网络中的 SDN 控制 器能够迅速感知到,并自适应地计算出变化后的网络配置指令,达到对变化的快速响应。 3 天地一体化侦察情报系统 本节提出天地一体化信息网络的一种典型应用场景:天地一体化侦察情报系统。基于天地一体 化信息网络提供的广域覆盖能力,将各类侦察情报数据安全、高效地传输至数据分析系统,利用分 析系统强大的计算能力,从侦察情报数据中挖掘出重要信息,为指挥人员提供辅助决策。 3.1 天地一体化侦察情报系统与“大数据” 在当代侦察情报领域,以数据为中心的时代已经到来。首先,随着信息技术革命的持续推进, 新型信息技术对情报侦察处理模式带来了根本的变革。 高速计算机、 基于新物理原理的跟踪传感器、 人工智能等大量最新信息技术成果广泛应用于情报侦察中,推进了电磁波侦测、声学侦测、力学侦 测等新型侦察手段的不断出现。其次,卫星等多种侦察平台综合的应用,使得情报侦察范围日趋扩 大,几乎涵盖了整个战场要素;最后, 网络业务形式日益丰富, 情报数据不限于以文本的形式出现, 图像、视频、机器数据等不同形式的异构情报数据逐渐成为了主流。基于天地一体化信息网络构建 的天地一体化侦察情报系统,能够使得原来孤立的情报数据形成具有复杂因果关系的数据网络。因 此,天地一体化侦察情报系统侦察情报数据逐渐呈现出规模庞大、类型众多、关联复杂的“大数据” 特征。

“大数据”是继“云计算”之后,在信息科技领域出现的一个研究焦点[1]。该概念的提出源于信息处 理领域的高度数字化和网络化,使得地球上的数据量急剧增加。据国际数据公司(IDC)研究报告 称,2011 年全球被创建和被复制的数据总量为 1.8ZB,并预测到 2020 年,全球将拥有 35ZB 的数据 量。2008 年 9 月, 《自然》杂志刊登的《Big Data:Science in the Petabyte Era》 ,提出了“大数据”的 概念,从此大数据的概念被广泛应用和传播。2012 年是大数据引起人们空前关注的一年,被称为大 ,将大数据 数据元年[4]。首先是 2012 年 3 月美国奥巴马政府宣布启动的“大数据研究和发展计划” 作为“未来的新石油”,指出对数据的占有和控制将成为国家间和企业间新的争夺焦点。该计划是继 1993 年美国宣布“信息高速公路”计划后的又一次重大科技发展部署。紧接着,世界各国以及各大 商业公司也对大数据给予了极大的关注,IBM、Oracle、微软、谷歌、亚马逊、Facebook 等跨国巨 头成为了发展大数据处理技术的主要推动者。此外,中国的计算机学会、电子学会等学术机构以及 淘宝等各企业也给予了积极响应[5]。在这种意义上,世界已经进入到以数据为中心的时代——“大数 据”时代[6]。 3.2 天地一体化侦察情报系统架构 由于天地一体化侦察情报系统侦察情报数据呈现“大数据”特征,只有借助以“云计算”提供 的强大计算能力为基础的“大数据”处理系统对侦察情报数据进行分析,才能够应付。 “大数据”应用对网络服务提出了更高的要求。基于软件定义天地一体化信息网络架构提供的 能力与展现的优势,能够满足保障海量数据的可靠传输,保障关键数据被灵活路由至高安全节点, 保障避免应用系统突发引用情报数据引起的网络拥塞等问题。 天地一体化侦察情报系统主要包括三大部分:侦察情报数据获取系统、软件定义天地一体化信 息网络、大数据处理系统。天地一体化侦察情报系统架构如图 5 所示。
图5
天地一体化侦察情报系统架构

由于天地一体化信息网络覆盖面广泛,各类情报数据需要源源不断地从各个地域传输至大数据 处理系统,软件定义天地一体化信息网络能够根据网络运行状态,基于全网信息,将侦察情报数据 获取系统得到的情报数据灵活地传输至大数据处理系统。由于全网信息可见,软件定义天地一体化 信息网络能够避免网络拥塞节点与链路,将关键的情报数据灵活路由,保障情报数据传输的服务质 量。另外,情报数据是战略资源,对安全性要求极高,软件定义一体化信息网络能够选择网络中的 高安全节点与高安全链路传输情报数据。 4 结论 SDN 以其网络简单、灵活和安全可控制等技术特点,赢得了学术界、工业界以及标准化组织认 可,已在多种网络中得到了广泛应用。本文简要介绍了 SDN 体系架构并对其技术优势进行分析和提 炼,在此基础上提出了一种软件定义天地一体化信息网络体系架构,探索性将 SDN 技术运用在天地 一体化信息网络中,为其快速组网提供一种解决方案。 基于此体系架构,提出基于天地一体化信息网络的侦察情报系统,重点分析了侦察情报数据呈 现出的规模庞大、类型众多、关联复杂的“大数据”特征。提出软件定义天地一体化信息网络能够 满足“大数据”应用对于网络服务提出的更高要求。
参考文献 [1] 沈荣骏.我国天地一体化航天互连网构想[J].中国工程科学,2006,8(10):19-305. [2] Nick McKeown, Tom Anderson, Scott Shenker, etc. OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks [J]. Computer Communications Review, 2008, 38(2): 69-74. [3] 李国杰.大数据研究的科学价值[J].中国计算机协会通讯,2012,8(9) :8-15. [4] 于艳华,宋美娜.大数据[J].中兴通讯技术,2013,19(1) :57-60. [5] 阳振坤,张清,王勇,等.大数据的魔力[J].中国计算机学会通讯,2012,8(6) :17-21. [6] 于薇.“大数据”背景下的信息处理技术分析与研究[J].数字图书馆论坛,2012, (11) :7-12.