一种基于OpenFlow的软件定义卫星网络架构设计方案

王丽冲，姚秀娟，闫毅

（1.中国科学院国家空间科学中心北京100190；2.中国科学院大学北京100190）

一种基于OpenFlow的软件定义卫星网络架构设计方案

王丽冲1，2，姚秀娟1，闫毅1

（1.中国科学院国家空间科学中心北京100190；2.中国科学院大学北京100190）

传统的DSS（Distributed Satellite System，分布式卫星系统）网络一般将控制和数据转发功能集中设计在同一网络设备中，使得网络设备设计复杂，网络可重用性差，成本较高。本文基于提高DSS网络的可重用性、高效性和灵活性的目的，采用了将DSS网络控制和数据转发功能分离的方法，通过将DSS、天基移动通信网络和基于OpenFlow的SDN（Software Defined Network，软件定义网络）技术结合起来，提出了一种基于OpenFlow的SDSN（Software Defined Satellite Network，软件定义卫星网络）架构设计方案。通过使用GEO天基系统作为DSS的控制层面，从而和数据层面分离，提高了DSS网络的可重用性、高效性以及灵活性。

DSS；OpenFlow；SDN；天基；SDSN

近些年来，分布式卫星系统（Distributed Satellite Network，DSS）得到了快速发展，传统的卫星网络包括DSS的全部以及很大一部分控制功能和数据转发功能一般均设计在相同的卫星网络设备中。这类系统虽然设计简单，容易实现，但是同时也存在很多的缺点，例如网络可重用性差；网络功能修改困难，成本较高等。随着星上处理技术以及星间链路技术的快速发展［1］，可以利用新技术重新设计DSS的网络架构，从而增强DSS网络的可重用性，同时降低卫星网络相关设备的复杂度和提高卫星网络的效率、灵活性。

在地面互联网系统中也同样存在上述问题，SDN即是为了满足这种设计需求而提出的在地面互联网中将控制功能和数据转发功能分离开的一种技术。而OpenFlow在SDN中是学术界及产业界公认的控制层面和数据层面的接口协议，它的特点是将控制功能从网络设备中分离出来，可在不影响网络正常流量的情况下，在现有网络中部署新型网络架构。

文中通过分析DSS在设计应用中的实际问题，结合基于OpenFlow的SDN技术灵活、高效的特点，同时参照天基移动通信网络组网技术功能架构，设计了一种基于OpenFlow的SDSN架构设计思路，从而将DSS网络中的控制层面和数据层面分离，提高网络的可重用性、运行效率和降低网络设备的复杂度。

1　分布式卫星系统

随着微小卫星技术的迅速发展，由多颗物理上各自独立、功能不同的微小卫星形成一个“卫星编队”或“虚拟卫星”，相互协同工作完成任务，成为一种潜力巨大的空间系统部署方式，称为分布式卫星系统［2］（Distributed Satellite System，DSS）。这些相互协作的多颗小卫星，分布在相同或者不同空间轨道上，通过星间链路构成智能体系的通信网络，既有自主协作模式的控制层面，也有对智能化的信息进行获取、处理以及转发等功能的数据层面，用以完成民用方向的资源探测、导航定位以及军用方向的侦察、预警、空间防御与对抗等综合性任务，近些年来已经成为各国航空航天界的研究热点和追求目标［3］。

然而在DSS网络中控制功能一般全部或者很大一部分是和数据转发处理功能在同一卫星网络操作设备中的，设备复杂度高，网络管理较困难；DSS网络的任务固定，当任务改变时无法重复使用，从而可重用性差；同时DSS网络采用技术固定，如果要修改一些采用的技术，则可能需要置换一些设备，成本较高等。为了解决DSS中的这些问题，需要在DSS中引入相关的技术，而SDN技术正是这样的一项技术。

2SDN技术

SDN（Software Defined Network，软件定义网络）技术分离了网络的控制层面和数据层面，主要应用于研发计算机网络的新应用和未来互联网技术的相关解决方案的探索中。SDN技术采用数据控制分离、软件可编程的网络体系架构，将控制功能从传统的分布式网络设备中迁移到可控的计算设备中，使得底层的网络基础设施能够被上层的网络服务和应用程序所抽象，最终通过开放可编程的软件模式来实现网络的自动化控制功能。

图1描述了SDN架构的逻辑视图［5］，主要分为基础设施层、控制层和应用层，3个层次之间分别通过南向接口和北向接口进行通信。基础设施层主要是由网络设备SDN交换机构成，负责数据转发和处理工作；控制层是SDN架构的核心层，负责收集网络状态，计算路由等，并通过南向接口（控制和基础设施层面接口）获取底层基础设施信息，同时为上面的应用层提供可扩展的北向接口（控制和应用层面接口）；而应用层中运行着多种不同类型的应用，根据网络不同的应用需求，调用控制层的北向接口，实现不同功能的应用程序。3个层次之间的接口中，北向接口目前尚无统一标准，而南向接口的接口协议OpenFlow目前得到了业界广泛认可和支持［6］。通过这种软件模式，网络管理者可以通过动态的SDN应用程序通过编程等来配置、管理和优化底层的网络资源，从而实现“软件定义”的灵活、可控的网络。

图1SDN架构

3　基于OpenFlow的SDN技术

3.1OpenFlow协议

OpenFlow协议是一个开放式协议标准，最早用于为校园网络设计创新的网络架构。虽然SDN的概念是在OpenFlow为网络带来可编程性的背景下提出来的，但是在之后的发展中，SDN逐渐被业界定义为一种网络形式，而OpenFlow协议变成实现SDN功能的第一个也是其中一种的接口协议。OpenFlow协议主要是指在网络中的控制层面和数据层面的接口协议，该协议定义了两者之间交互所用信息类型、格式的标准以及接口等一系列的运行规则，规定由控制器下发统一的数据转发规则给交换设备，使得控制器与交换设备可独立发展。在图1中即指控制层和基础设施层之间的南向接口协议。

除了OpenFlow协议，还有其他相关组织研究的SDN协议。互联网工作任务组IETF以软件驱动网络为出发点来研究SDN，并提出了IETF标准的SDN架构；国际电联ITU-T也在2012年提出了SDN架构文件Y.FNsdn；欧洲电信标准化协会ETSI于2013年提出了ETSI标准的SDN架构等［4］。但之后提出的这些标准在功能及普适性方面都不如OpenFlow［5］，因此，目前基于OpenFlow的SDN技术在产业界以及学术界均得到了广泛的应用。在互联网领域，Goggle利用基于OpenFlow的SDN技术调整网络架构，改造后，链路利用率达到了95%以上，收益大有提高［5］；腾讯、百度等互联网公司也提出了将SDN技术应用到其基础网络的重新部署方面。

3.2基于OpenFlow的SDN技术

基于OpenFlow的SDN技术即是用OpenFlow协议标准实现图1所示的SDN架构，而实现这样的接口功能还是要靠具体的基于OpenFlow的SDN关键组件，即分布于基础设施层的OpenFlow交换机和分布于控制层的控制器。

一般网络设备中的交换机直接负责基础设施层的数据转发功能以及路由计算等控制功能。而当前的OpenFlow标准将原来完全由交换机控制的报文等转发过程转化为由分布在基础设施层的OpenFlow交换机和分布在控制层的控制器共同完成，从而实现数据转发和路由控制等操作的分离。

OpenFlow协议的整体架构如图2所示，由OpenFlow交换机和远端的控制器组成［6］。OpenFlow协议一部分运行在控制器上，另一部分运行在交换机上。流表相当于传统网络中的交换机和路由器的路由表，负责数据包的高速查询和转发；控制器通过事先规定好的接口操作来控制OpenFlow交换机中的流表，从而达到控制数据转发的目的；组表是OpenFlow为数据包指定的在多个流表中执行相同操作集的高效方法；交换机和控制器之间的管理和控制信息通过OpenFlow通道进行传输，控制器通过该通道按照OpenFlow协议规定的格式控制和管理OpenFlow交换机，同时控制器接收来自交换机的事件并向交换机发送数据包。

图2　OpenFlow协议的整体架构［7］

4　天基移动通信网络组网技术

天基网络即以卫星网络中继代替传统的地面网络中继来完成用户终端之间的通信。天基移动通信网络组网技术在功能上包括管理层面、控制层面和数据层面［8］。其中管理层面可为移动卫星网络提供无线资源管理、用户管理以及故障管理等功能，以保证卫星网络资源的高效利用，并保证网络在正常、故障等各种状况下有效的运行。控制层面由网络中各种信令协议构成，为卫星网络提供接入控制、路由控制以及传输控制等功能，以保证网络中各种业务信息有效的传输。数据层面主要实现网络内业务数据的处理，包括帧处理、包处理以及数据交换等功能［9］，其主要功能架构图如3所示。由分析可知，此网络中的管理层、控制层和数据层可分别对应于图1中SDN网络中的应用层、控制层和基础设施层。

图3　天基移动通信网络组网技术功能架构

5　基于OpenFlow的SDSN的网络架构设计方案

针对前面提到的DSS的不可忽略的缺点，文中将基于OpenFlow的SDN技术应用到DSS网络中，并参照天基移动通信网络组网技术的功能架构，提出了一种基于OpenFlow的SDSN的网络架构方案。

5.1基于OpenFlow的SDSN架构整体设计方案

基于以上分析，文中提出了一种基于OpenFlow的SDSN架构设计方案，方案如图4所示。在图4中，为了将DSS中的控制层面和数据层面分开，同时结合图3中天基移动通信网络的组网架构，本文将分布式卫星系统放在天基通信网络的环境下，利用同步轨道卫星系统（GEO）作为分布式卫星系统的控制层面，来对数据层面的每一个DSS的路由算法、接入方式等进行控制，从而可以保证数据层面内的每一个DSS内数据转发的灵活和高效性。

图4　基于OpenFlow的SDSN架构设计方案

图4中的每一个层次的功能介绍如下：

1）最左侧的为SDSN的应用层面，对应于图3天基移动通信网络中的管理层面，同时对应于图1中的SDN架构应用层；一般应用层面的控制中心分布在地面上或者某一个固定空间站中，可以在其中的应用层控制中心通过编程等方式对SDSN中相关软件进行定义，然后通过北向接口将定义的新软件信息在控制层面进行更新。

2）控制层面对应于图3中的控制层面以及图1中的控制层面；本文中设计的SDSN架构方案中，控制层面主要有GEO卫星组成，可能少于或多于3颗，也有可能包含地面站。在南向接口通过适用于卫星网络的OpenFlow协议来控制数据层中各子系统中的接入方式以及路由信息等。之所以选择GEO卫星作为控制层面，是因为：

①GEO卫星相对地面接收站静止，因此星地数据链路稳定，可以使得应用层和控制层之间的北向接口较容易实现；

②GEO卫星覆盖率高，一颗卫星可以覆盖地球的40%区域，3颗GEO卫星即可以实现对全球除南北极之外的任何区域的覆盖，因此对数据层面的DSS系统可以长时间地覆盖；

③根据可靠性和复杂度的不同，GEO卫星网络有3种不同的拓扑结构，可以应用于不同要求的DSS网络中，如图5所示。a）中表示控制层面的GEO控制器通过一个主GEO卫星和应用层面的控制中心实现通信，这样的拓扑结构既包括星地链路又包括星间链路，适用于数据层面内DSS网络规模较小的情况；b）中表示GEO拓扑结构选择以一个地面站为中心来连接控制层面的GEO卫星和应用层面的控制中心，这样可以减轻主GEO卫星的负担；c）中表示GEO拓扑结构通过分布式的地面站来连接控制层面的GEO卫星和应用层面的控制中心，这样增强了GEO拓扑结构的稳定性，但是需要相关协议来保持卫星网络的一致性。

图5　控制层面的GEO拓扑结构

3）最后，图4中的数据层面对应于图3中的数据层面以及图1中的基础设施层面；其中的数据层面由一个或者多个不同分布形式的DSS组成，一般分布在LEO或者MEO，以LEO居多。各个DSS根据控制层面的控制信息将相应的数据信息进行转发处理，并和相应的地面接收站进行数据交互。

图4中展现的这一设计方案，体现出了基于OpenFlow的SDSN中的“软件定义”网络的概念，但是要注意本文提出的SDSN架构中实现了数据层面和控制层面的分离，而天基移动系统中只是在功能概念上将数据层面和控制层面分离开，在实际操作中并未分离［10-12］。

5.2基于OpenFlow的SDSN架构体系实现过程

图6描述了基于OpenFlow的SDSN设计方案的实现模型，通过该实现模型可以描述基于OpenFlow的SDSN架构体系实现过程，尤其是“软件定义”的实现过程［13-15］。

如果涉及到实际应用，比如对于某一星型DSS网络，一共有n颗小卫星，如果使用OSPF路由协议，根据Dijkstra算法，所有的链路状态广播给系统中每一颗小卫星，每一颗小卫星需要计算路径信息，则需要发送O（n2）个数据包。如果使用SDSN网络方案后，控制层面的GEO网络通过收集数据层面的链路状态信息等，根据抽象模型的描述生成要发送给应用层面的状态信息，然后应用层面的控制中心根据控制层面上传的状态信息进行路由算法的分析计算，然后将更新的路由信息向下传输到数据层面并广播给每颗小卫星，这样发送的数据包个数降为了O（n）级别，降低了路由算法的复杂度。从而可以看出本文设计的基于OpenFlow的SDSN方案可以提高DSS的效率并且可以更灵活地对DSS网络进行重构、重置等控制。

图6　基于OpenFlow的SDSN体系结构实现模型

6　结论

文中提出的基于OpenFlow的SDSN架构，借鉴基于OpenFlow的SDN技术以及天基移动通信网络组网技术功能架构，将DSS网络中的控制层面和数据层面分离，降低了网络设备的复杂度；利用网络状态抽象的模型进行分析，说明了该架构的“软件定义”的特点。该SDSN架构可以使DSS网络实现软硬件分离，增强DSS的可重用性，实现对DSS的高效管理，提高DSS的效率和灵活性，有利于今后基于OpenFlow的SDN技术在卫星网络中的进一步应用。

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A SDSN architecture design based on OpenFlow

WANG Li-chong1，2，YAO Xiu-juan1，YAN Yi1
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China）

The traditional network design of DSS network usually centered control and data forwarding functions together in the same network equipment，which makes the design of DSS network equipment complex，the reusability of network poor and the management cost higher.In order to improve the reusability，efficiency and flexibility of DSS network，the method of separating the control function from the data forwarding function was used in this paper.By combining DSS，space-based mobile communication network，and the SDN technology based on OpenFlow together，SDSN（Software Defined Satellite Network）architecture based on OpenFlow is put forward.By using GEO space-based system as the control plane of DSS，the control plane can separate from the data plane，which improves the reusability，efficiency and flexibility of DSS.

DSS；OpenFlow；SDN；space-based；SDSN

TN927

A

1674－6236（2016）17-0085-05

2016-03-01稿件编号：201603008

中科院科技创新基金（CXJJ-14-S126）

王丽冲（1990—），女，河北邯郸人，硕士。研究方向：卫星组网建模与仿真。