面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统设计

秦 鹏，陆 洲，石 磊，张 平，秦智超，柳 罡，胡金晖

（中国电子科学研究院，北京 100041）

专 题

面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统设计

秦 鹏，陆 洲，石 磊，张 平，秦智超，柳 罡，胡金晖

（中国电子科学研究院，北京 100041）

随着我国地面互联网用户超过6亿，移动通信网络规模全球最大，卫星在轨数量逐年增多，构建天地一体化信息网络正在成为未来发展趋势。然而，面对“海洋安全、太空安全、网络安全”等国家战略的新要求，天基信息网络还存在以下现实问题：1）网络建设专网专用；2）现有网络存在信息孤岛；3）网络重复建设问题严重；4）迭代演进存在困难。上述问题不仅导致天基网络“一类任务一张网”，甚至“一个任务一张网”的现象普遍存在，而且串行任务调度机制难以实现资源效用最大化；此外，分布式网络架构还存在较大安全隐患。因此，利用软件定义网络和网络功能虚拟化技术，设计面向多任务并发驱动的服务定制网络成为解决以上问题的有效途径。借鉴“航天发展，地面先行”的建设思路，本文重点研究网络化地面系统设计。

服务定制网络；网络化地面系统；多任务并发；OpenFlow；NFV

0 引 言

近年来，我国互联网发展取得长足进步，网络建设辐射全国，用户数量已达6.49亿［1］，应用水平位居世界先列；移动通信网络规模全球最大，在自主创新方面迈出了重要步伐；卫星在轨数量逐年增多，截止2014年底已达120余颗。因此，构建天地一体化信息网络正在成为未来网络的发展趋势［2-4］。然而，面对“海洋安全、太空安全、网络安全”等国家战略的新要求，我国的信息网络，特别是天基信息网络还存在以下现实问题：1）网络建设专网专用，不同网络之间未能有效融合互通；2）现有网络存在信息孤岛，难以满足信息快速流动、充分共享的需求；3）普遍存在网络重复建设问题，人、财、物资源浪费；4）网络体系设计不够合理，迭代演进存在困难。上述问题不仅导致天基网络“一类任务一张网”，甚至“一个任务一张网”的现象普遍存在，而且串行任务调度机制难以实现资源效用最大化；此外，分布式网络架构还存在较大安全隐患。因此，利用软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）技术，建设集中管控的、面向多任务并发驱动的服务定制网络成为解决上述问题的有效途径。借鉴“航天发展，地面先行”的建设思路，本文重点研究网络化地面系统设计。

1 相关技术介绍

1.1 软件定义网络

软件定义网络的前身是斯坦福大学所提出的旨在研究企业集中安全控制的Ethane项目［5］。该项目的核心理念为斯坦福CleanState研究团队所采纳并予以扩展，同时应用在了大型网络-全球网络创新环境（GENI）项目中，进而逐步扩展形成了SDN［6］与Open-Flow［7］的核心理念。其理念的基本思路在于通过规范化网络转发层与控制层边界，实现网络层功能的开放化与可编程化，进而令网络应用具备软件一般的高效、可扩展能力，并以此促进网络技术与业务应用的创新。

图1给出了SDN网络架构示意图。其网元与基本架构要素包括逻辑集中的SDN控制器、网络转发设备，以及上层网络应用。SDN架构所具有的基本特征主要包括如下三方面：

图1 SDN网络分层架构逻辑示意图

（1）控制与转发分离。转发层由功能相对单一的网络转发设备组成，其转发逻辑由控制层集中控制，从而保障了全网转发逻辑的一致性。

（2）控制层与转发层之间的标准接口开放。SDN控制层与转发层之间的操作接口是标准且开放的，效屏蔽了转发层设备差异，同时为控制层逻辑提供了良好的可扩展性。通过这种方式，控制层仅需关注自身逻辑，无需关注底层细节。

（3）逻辑集中控制。逻辑集中的控制层既可部署在同一控制器设备上，也可采取物理分布部署的方式；控制层以集中方式控制多个底层转发设备，并将其抽象为逻辑统一的全局网络视图，以便为自身控制与上层网络应用提供面向全局的优化控制。

1.2 网络功能虚拟化

网络功能虚拟化（NFV）［8，9］是由欧洲电信标准组织（ETSI）从网络运营商的角度出发提出的一种软件和硬件分离的架构，主要希望通过标准化的IT虚拟化技术，采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能，实现软件的灵活加载，从而可以在数据中心、网络节点和用户端等不同位置灵活的部署配置。NFV的主要工作目标是实现移动和固定网络各个网元在开放IT平台上的虚拟化，从而以更低成本、更灵活运营应对移动互联网时代难以预测的动态业务需求，并摆脱对厂家专用硬件系统、封闭软件平台的依赖。

网络功能虚拟化与软件定义网络高度互补且并不完全相互依赖。NFV可以无需SDN独立实施，其带来的优势如下：

（1）通过整合设备和利用IT行业的规模经济效应降低成本。

（2）基于软件的开发部署模式缩短运营商的创新周期。

（3）容许不同的服务和客户共享运营商网络资源。

（4）提供基于位置和客户群的定制化服务。

（5）形成广泛、多样、开放的产业链等。

1.3 服务定制网络

针对当前网络不安全、不可控、难扩展的三大问题，服务定制网络（Service Customized Network，SCN）的概念被提出。SCN指出，电信网应该向“交通体系”学习，普通公路、高速公路、火车、高铁、水运、航空代表着不同的服务质量，用户可以自由选择服务质量，支付不同的费用；但今天的电信网络能够提供的只是普通公路的服务质量。SCN不仅能够适应不断涌现的各类新业务需求，有效保证服务质量，而且可以满足未来海量信息传输的需求。SCN相当于SDN与智能信息中心网络的组合，通过SDN实现网络资源的加速、合理利用，通过智能信息中心网络，实现网络资源的灵活调度、合理配置，提供基于多任务并发驱动的定制化服务。

2 面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统总体设想

面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统以天地一体化信息网络建设为牵引，以栅格化地面设施为基础，利用SDN和NFV技术，面向多任务并发驱动的应用场景，按需统筹任务规划，实现基于统一云架构的资源智能调度与适配，提供用户定制化的网络服务，为天地一体化信息网络安全、高效运营提供示范。作为天基信息网络的地面段部分，地面系统包含两大主体功能：一是弥补与支撑天基网络的体系能力；二是与民用航天信息系统及军用信息系统融合，增强体系作战能力。

2.1 体系架构设计

面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统按照“基础设施共用，功能单元通用，定制服务专用”的设计原则，总体架构上分为“基础层、适配层、功能层、服务层”。其中，基础层是网络化地面系统的核心基础设施，为实现通用功能和定制化服务提供支撑与保障；适配层为实现多任务驱动的服务定制完成底层资源适配；功能层介于适配层和服务层之间，向上可感知服务信息，是满足分类分级服务需求的功能单元；服务层通过调用功能层提供的通用功能单元，组合实现满足多任务并发驱动的定制化服务。基于OpenFlow的SDN控制器贯穿适配层和功能层，OpenFlow控制器利用其网络全局视角和集中管控能力，通过虚拟化与安全隔离机制，提供多任务并发驱动的服务定制能力。面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统分层架构如图2所示。

图2 面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统分层架构

基础层，统筹利用天基设施、其它地面系统栅格化设施，建设航天网络化地面系统的共用基础设施，例如综合站点、数据中心、处理中心、服务中心、管理中心等；其上，是包含军用地面信息网络和民用地面信息网络的网络设施；在此之上，抽象出计算、存储、链路、总线等虚拟资源，为地面系统的数据处理、通信传输提供数据接收、处理、分发等基础能力。

适配层，基于通用功能单元实现的功能，利用服务组件为面向多任务驱动的定制服务完成底层资源适配。

功能层，将地面系统具备的各项功能进行抽象与分类，向上感知服务需求，为军民各类任务提供支撑。包括运控、测控、信息通信、信息处理、定位导航、统一时频、频谱监测等。

服务层，利用OpenFlow向上提供的集中管控、软件定义、资源调度、安全隔离等机制，基于统一的网络资源，面向军、民、商、大众等各类用户，提供军事综合信息服务、民商综合信息服务、军民融合多样化信息服务，以及公共信息服务等各类多任务并发驱动的定制化服务。

2.2 功能要素组成

面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统采用“云+端”的栅格化网络架构，组成示意如图3所示。云是具备弹性、分散特性的统一云架构，通过设施网络化，资源虚拟化，功能软件化和服务定制化为各类用户提供多任务并发驱动的定制化服务；端是军、民、商、大众用户，每个应用端背后都有强大的云支撑，其本身又是云的触角延伸，反馈需求，随需而变，功能在云上，服务在云端。

图3 面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统组成

其中，测控平台由分布在全球的测控站点，通过地面栅格网一体化互联成为测控站网。作为航天测控服务的地面基础设施，测控平台主要完成测控数据的发送与接收。

通信传输平台由分布在国土境内的电信港组成，是天地一体化信息网络的地基骨干节点，除具备数据接收与转发功能外，还支持通信传输和一定程度的数据处理功能。

空间交互平台支持各类数据业务、综合业务等的空间交互和传输，由大型关口站组成，对接天基信息系统的高轨骨干节点，支持多样性、多频段、多路由的冗余性和鲁棒性，通过有线／无线链路与分布式存储、处理网络和应用系统实现无缝的互联和交换。

处理中心作为一体化数据处理平台，负责包括遥感、通信等各类空间数据资源的管理、质量评价、作业执行、高速缓存、数据处理和数据产品生产等。

分布式存储中心基于大规模、分布式存储体系架构，构建开放的海量数据存储支撑环境。

运控站作为一体化管控平台，负责对天地网络资源从全局视角进行指挥调度、计划制定、载荷控制、状态监视和星地资源管理。

多任务并发驱动服务定制平台是共用、分布式部署的通用平台，利用SDN的集中管控、软件定义、资源调度、安全隔离等机制和全局视角，实现天基资源的有序共享和并发服务按需定制。地面系统通过上述“云+端”的体系架构，利用多任务并发驱动服务定制平台，具备向军、民、商、大众提供定制化服务能力。此外，多任务并发驱动服务定制平台还可为其它系统的运营提供分类分级支撑服务。

2.3 关键技术分析

面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统涉及到的关键技术包括：顶层设计技术、体系架构技术、信息处理技术、应用服务技术、运行管控技术、网络安全技术等，其技术体系如图4所示。

图4 技术体系

（1）顶层设计技术

服务定制网络地面系统体系结构建模技术、业务应用与运行建模技术、系统效能评估技术。

（2）体系架构技术

异构网络融合技术、动态可重构网络体系架构技术、天地一体的协议体系技术、分层演变的网络拓扑优化技术、弹性体系扩展技术。

（3）信息处理技术

服务定制网络地面系统信息处理技术、面向任务的信息协同处理技术、多源信息处理与智能融合技术。

（4）应用服务技术

分布式服务资源虚拟整合技术、服务资源综合优化技术、多源情报关联与信息挖掘技术、面向用户的智能服务技术。

（5）运行管控技术

分布式智能管理技术、可重构动态协同技术、资源自主协同管理与优化调度技术、多任务并行管控技术、管控信息融合技术。

（6）网络安全技术

网络安全与防护技术、密钥管理技术、安全路由技术、跨域安全切换技术。

2.4 发展路线建议

航天网络化地面系统发展路线图如图5所示。

阶段1：2016至2020年，技术突破。以天基信息系统为抓手，完成标准和体系架构顶层设计，突破天地一体的网络协议架构、软件定义的天地资源协同管理、面向多任务并发驱动的资源调度、智能终端与定制化应用服务等关键技术，形成系列化国际／国内标准规范，指导地面站网和基础设施建设。

阶段2：2021至2025年，试验示范。建设规模适度的试验试用系统，开展军事综合信息服务、民商综合信息服务、军民融合多样化信息服务，以及公共信息服务等各类多任务并发驱动的定制化服务示范。

阶段3：2026至2030年，全面服务。扩充优化地面基础设施部署，优化提升网络性能，全面拓展服务能力。以应用推广带动网络化地面设施的利用，提高各类业务在空间、时间维度上的服务保障能力。

图5 航天网络化地面系统发展路线图

3 结 语

针对我国天基信息网络存在的专网专用、重复建设、信息孤岛、演进困难等诸多问题，借鉴“航天发展，地面先行”的建设思路，本文利用SDN和NFV技术，设计了面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统架构，同时给出了地面系统的功能要素组成、关键技术分析和发展路线建议，这为我国的天地一体化信息网络建设指明了一条面向任务的服务定制发展之路。

［1］ 第35次中国互联网络发展发展状况统计报告，2015年2月发布改为［EB／OL］［2015-02-20］http：／／www. cnnic.net.cn.

［2］ 沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想［J］.中国工程科学，2006，8（10）：19-30.

［3］ 张乃通等.对建设我国“天地一体化信息网络”的思考［J］.中国电子科学研究院学报，2015，10（3）：223-230.

［4］ 张军.面向未来的天地一体化网络技术［J］.中国航天报，2009，3.

［5］ Casado M.Architectural Support for Security Management in Enterprise Networks［R］.Doctoral Dissertation，Stanford University，2007.

［6］ ONF.Software-Defined Networking：the New Norm for Networks［R］.ONFWhite Paper，2012.

［7］ ONF.OpenFlow Switch Specification Version 1.3.1，2012.

［8］ 陈世兴.虚拟化该成为网络面向应用的第一步［EB／O］［2014-02-03］.http：／／network.51cto.com／art／201304／387608.html.

［9］ Network Functions Virtualisation ［R］. Introductory White Paper.SDN and OpenFlow World Congress.October 22-24，2012.

秦 鹏（1987—），男，河南商丘人，博士，主要研究方向为天地一体化信息网络，SDN网络，大数据。

E-mail：qinpeng.hust@gmail.com

陆 洲（1970—），男，河北石家庄人，研究员，主要研究方向为宽带卫星通信、天基网络；

石 磊（1982—）男，河南汤阴人，博士，主要研究方向为卫星网络、空间信息应用；

张 平（1981—）男，浙江临海人，博士，主要研究方向为空间信息网络、天地一体化信息网络；

秦智超（1981—），男，河北沧州人，博士，主要研究方向为无线传感器网络，天地一体化信息网络；

柳 罡（1986—），男，山东人，博士，主要研究方向为卫星通信、天基网络。

胡金晖（1988—），男，山东邹城人，博士，主要研究方向为空间信息处理和应用。

Design of Ground System for SCN Driven by Concurrent M ultitasking

QIN Peng，LU Zhou，SHILei，ZHANG Ping，QIN Zhi-chao，LIU Gang，HU Jin-hui
（China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China）

As the number of Internet users in China ismore than 600 million，the size ofmobile communications network becomes the world's largest one and the number of satellites in orbit is increasing every year，construction of space-ground integrated information network is becoming a new trend.However，facing with new requirements of national strategies such as the“Ocean security，Space security，Network security”，Spatial information network still has the following issues：1）Network is built for dedicated users；2）Information islet exists；3）Problem of redundant network construction is serious；4）Iterative evolution of network is difficult.These problems lead to that phenomenon of“one network for only one type of task”or even phenomenon of“one network for only one task”iswidespread.Moreover，it is difficult for the serial task scheduling mechanism to maximize the effectiveness of resources.In addition，there are security risks for the distributed network architecture.Therefore，designing Service Customized Networking（SCN）driven by concurrentmultitasking using technologies of SDN and NFV becomes an effective way to solve the above issues.Referring to the building idea of“Technology on the ground always develops earlier than that of the space”，this paper focuses on designing networked ground system.

service customized networking；networked ground system；concurrentmultitasking；Open-Flow；NFV

TP393

A

1673-5692（2015）05-492-06

10.3969／j.issn.1673-5692.2015.05.008

2015-07-30

2015-09-28