基于SDN的海战场通信网络组织规划技术研究

陈树刘鹏韦广立

（中国舰船研究院北京100101）

基于SDN的海战场通信网络组织规划技术研究

陈树刘鹏韦广立

（中国舰船研究院北京100101）

海战场通信系统是多类异构网络和技术体制通过综合组织运用，与作战任务紧密相关的分布式系统。通过对海战场通信资源的监视管控、组织规划等进行研究，提出了一种基于SDN（Software Defined Network）的通信网络组织规划技术，实现对通信资源的全局规划、灵活组织。论文首先分析了海战场通信资源特点和SDN技术控制与转发分离的思想及应用情况，提出了基于SDN技术的海战场通信网络的组织规划框架设计。然后，从组织规划、态势生成和业务控制三方面提出了组织规划系统的业务流程。

网络组织规划；软件定义网络；海战场通信网络

Class NumberTP319

1 引言

对数据链网络而言，网络规划的作用是根据作战需求设计出“最合适”的数据链网络，保证各个参战平台在作战中的互连互通［1］。海战场通信网络组织规划与作战任务紧密相关，其规划过程的效率及结果的可行性直接影响到海战场有限资源对各类作战活动的保障能力。随着作战任务、通信手段和通信态势等要素的复杂化，人工会商形式的组织规划已经远不能满足实际作战需求。为解决此问题，网络组织规划系统应运而生，它是一种基于网络态势，依靠计算辅助决策、历史数据发掘、线性规划等技术，实现人机协同或机器自动完成通信系统整体网络设计的系统。

海战场通信网络组织规划系统面向远洋护航、航母编队作战等海战场作战任务，通过结合当前网络拓扑、设备状态、频谱状态等通信资源状态，设定转发规则等设备参数，实现对通信资源的整体调度和管控。由于资源的复杂性，在当前的研究和运用中海战场通信网络组织规划仍然存在众多难点，本文从资源特点分析入手，研究实现网络组织规划的方法。

2 海战场通信资源特点

海战场通信资源具有种类多、资源分布广、应用情况复杂等特点，区别于现有商用有线网、无线网之上的IP/TCP或IP/UDP协议为主的特点，为实现通信效率、抗毁、冗余、安全等方面特性，海战场通信系统呈现多样化、轻量化、定制化的特点。

1）多样化方面，手段包含有线网、短波、超短波、卫星、甚低频、微波等，网络协议除IP/UDP外，各类私有协议成为“主流”，应用用户包括岸、海、空、潜各类指挥系统、保障系统、管理系统等。如图1所示。

2）轻量化方面，海战场通信系统面对的是复杂的战场电磁环境、网络环境，各类通信手段尤其是无线通信手段对外提供的带宽有限，通信质量难以保证，必须进行通信协议、数据格式的裁剪、设计。

3）定制化方面，通信系统直接保障的是具体的作战任务，运维管理、通信规划等过程中必须针对具体作战任务提出通信要求。

从海战场通信系统全局来看，一方面，为实现各类复杂环境下的作战应用需求，要不断建设各类网络，并进行技术、标准、协议格式的创新研究和改进；另一方面，各类网络的“个性化”对网络的管理和使用带来了更大的困难，在网络组织规划、组网应用等过程中的问题不断凸显。

为满足海战场复杂通信网络环境下，对网络资源进行更好管控和使用的要求，尤其是联合作战、体系对抗、资源全局管控等现代战争要求的，SDN技术及其思想被引入进来。

3 SDN技术

3.1 技术原理

软件定义网络起源于二十世纪八十年代提出的4D架构网络［2］，2006年，受GENI资助的斯坦福大学Clean Slate高校研究项目提出软件定义网络的理念，成为SDN的正式起源［3］。2008年，Nick Mckeown等提出OpenFlow概念［4］，2009年，Nick Mckeown和ScottShenker两位教授正式提出软件定义网络的概念［5］。SDN没有官方定义，通常定义是实现使网络运营商以编程方式使用网络的功能，从而进行自动化的网络管理，配置跨多个网络的应用策略，对这些操作的软件程序和交换设备的操作系统进行解耦［6］。SDN采用将交换设备的控制功能集中化，实现与数据转发平面额分离，降低了交换设备对硬件厂商的依赖，使部署网络新型协议与业务变得快捷，降低了网络的运营成本［7］。

针对不同应用需求，许多组织根据SDN技术提出了相应的网络架构。包括主流的由开放网络基金会（Open Networking Foundation，ONF）组织定义的基于OpenFlow的SDN架构，以及由欧洲电信标准化组织（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）定义的NFV网络架构［8］等。ONF提出的SDN架构更适合受限制情况下的网络环境，如企业网、军用网等，本文参考这种架构进行研究。如图2所示。该架构从下向上共分成三层：数据转发层、控制层及应用层［9］。其中，数据转发层面由支持OpenFlow协议的网络设备组成，负责基于流表业务的数据转发处理，通过调用南向接口（也叫SDN控制数据平面接口）与控制层实现通信。控制平面是SDN架构的核心，负责执行相应业务的逻辑控制，通过南向接口感知并综合全网通信态势，控制流表下发与数据包转发。另一方面通过北向接口为应用层提供服务。应用层包括各种基于SDN的网络应用，不关心数据平面设备，通过调用北向实现差异化的网络。

SDN架构有以下几个特征：

1）控制与转发分离：交换设备组成数据转发平面，其本身不具备网络控制能力，而是通过上层应用下发控制策略给控制器，控制器控制数据包的转发行为［10］。

2）集中化的网络控制：逻辑集中的控制控制平面获得全局态势信息，根据应用层需求进行通信资源的调度与管控。同时，控制器向网络设备下发配置，减少网络设备上的复杂操作。

3）支持开放的可编程应用接口：应用层业务提出需求，通过开放的南向接口和北向接口，数据转发层的物理设备就能够接收到相应的转发策略，实现针对应用的个性化网络配置。

3.2 SDN技术的应用考虑

SDN技术在海战场通信系统中的应用主要考虑一下三个方面问题：

1）复杂性

手段多且各种手段采用的技术体制、编码规范差异很大；环境复杂，海战场作战环境下，复杂的敌我电磁态势，瞬息万变的网络态势，复杂的应用要求等。利用SDN技术实现网络控制层与业务层分离，通过集中的网络控制，对应用提供统一的业务服务。

2）紧密贴近应用

海战场通信系统紧密贴近实际作战应用，作为海战场作战资源的基础设施之一，通信系统的保障能力直接影响到作战范围、打击精度、协同程度等多个方面，另外作战应用中的兵力机动、电磁干扰、无线静默等又直接约束了通信系统的使用。另外，不同业务对于通信的要求不同，例如对于作战命令等应用数据，其时敏性、可靠性要求高。利用SDN技术，基于各类通信资源上报的实时状态信息，通过控制层实现对业务数据的控制。

3）兼容性

不影响现有应用，改造或者新建的系统部影响现有系统的使用。由于SDN技术具有可编程的特点，可对现有协议进行编程，实现技术体制多样化，在引入新的业务控制同时兼容老系统。

基于以上问题，结合SDN技术原理和应用，进行基于SDN的海战场通信网络系统框架设计。

4 系统框架设计

海战场通信网络组织规划体系参考SDN功能框架进行功能分层，主要包含承载层、控制层、业务层三个部分，如图3所示。

1）业务层

业务层通过用户界面、应用接口、服务等形式统一对外提供网络组织规划、通信态势监视等应用接入功能。网络组织规划主要负责接收指挥人员制定的通信保障需求，并根据作战任务进行通信网络的组织规划，形成对通信网络开通、使用、调整的应用计划；通信态势监视主要实现对全局资源状态的监视、预警、综合分析等实现对通信网络的日常状态监视、任务保障情况监视等。

2）控制层

控制层是架构的核心，包含通信态势生成、业务传输集中控制、通信保障方案生成以及子网等功能模块，主要功能是根据通信保障需求，辅助指挥人员制定网络控制规划方案、接收子网态势形成综合态势、监控通信保障任务执行情况等。通信态势生成模块，综合子网态势感知模块提交的子网态势信息，生成全局通信态势，上报业务层上显并为业务传输集中控制的业务控制提供实时参考；通信保障方案生成模块按照业务层网络规划给出的通信保障需求，综合当前态势信息，辅助通信指挥人员进行通信保障方案制定，并将各通信保障方案分发给子网网管；业务传输集中控制模块实现SDN集中控制器的功能，通过下发业务控制信息，实现子网转发业务信息的实时控制与调整；业务传输控制实现对业务传输集中控制模块下发的业务控制信息的执行，依此业务控制规则对不同类型的业务信息、用户数据进行转发。

子网包括子网态势感知、子网网管以及子网业务传输控制等，负责子网态势的收集、子网控制规划生成、设备参数分解下发等。业务传输控制模块通过接收业务传输集中控制模块下发的业务控制信息，在网络开通运行的过程中调整业务信息转发方式，实现业务信息转发的临机调整。

3）承载层

承载层是架构的基础，包括通信子网设备等。每个子网设备包括设备状态采集功能模块、参数注入模块等。设备状态采集模块将本设备的运行状态周期性得上报子网网管，支撑通信态势生成和业务传输集中控制，实现对网络规划的动态调整。参数注入模块负责接收子网网管细化的通信保障方案，并正确注入设备，开通网络。

5 系统流程

针对海战场通信网络组织规划系统的功能架构，通信网络组织规划的全过程重点涉及到通信态势生成、组织规划下发和业务控制等三个方面，其业务流程如图4所示。

1）通信态势生成流程

（1）子网设备将业务情况、设备情况等相关状态信息上报子网网管设备。

（2）子网网管设备的子网态势感知软件接收各子网设备上报的参数状态信息，结合当前网络控制规划，形成子网态势，上报给通信态势生成系统。

（3）通信态势生成系统接收各子网上报的子网态势信息，综合各子网的态势信息、历史态势信息、任务信息、频谱态势信息、安全态势信息等形成通信态势，上报通信态势监视系统，为作战用户提供当前通信态势综合情况，为网络组织规划人员根据作战任务细化需求提供依据。

2）组织规划下发流程

（1）作战指挥系统向通信组织规划系统下发作战方案，同时通信态势监视系统向通信组织规划系统下发全局通信态势。

（2）通信网络规划组织系统根据作战方案和全局通信态势，生成通信保障需求并下发给通信保障方案生成系统。

（3）通信保障方案生成系统根据通信保障需求，确定需要开设网络类型、站点和成员等，形成通信保障方案并下发给通信子网；

（4）通信子网通接收网络参数，由子网网管向子网设备注入参数，开通网络。

3）业务控制流程

（1）业务传输集中控制系统获得通信保障方案、通信综合态势，生成全局业务控制信息表，并下发到通信子网。

（2）通信子网接收全局业务控制信息，根据当前的并由业务传输控制模块按照表的控制规则进行业务信息转发。

（3）当通信态势发生变化，业务传输集中控制系统根据变化情况，生成新的业务控制信息表，并下发到通信子网。通信子网更新路由规则，进行业务信息的转发，实现临机调整。

如岸基指挥所向舰船进行作战指挥等工作时，其业务控制信息如表1所示，其中报文类业务选用卫星链路，视频业务选用了数据链，语音业务选用微波通信链路，自定义信息选用短波通信链路。并且随着当前链路业务状态变化，业务传输集中控制系统能够及时调整优先级以及下一跳IP，改变业务流向，实现负载均衡、重点保障等。

表1 业务控制信息表

6结语

本文针对海战场通信网络组织要素和需求，提出了一种基于SDN的网络组织规划方法。结合海战场通信系统建设现状和应用情况，着眼于提高海战场通信网络资源的全局管控和协同配合能力，进行系统框架和基本流程的设计，为海战场通信资源的组织规划提供了一种新的解决思路。伴随通信网络种类、数量的丰富和任务过程控制的精细化要求，具备大规模管理能力和灵活适应能力的海战场通信网络资源组织规划将成为海战场遂行多样化作战任务的重要保障。

［1］骆光明，杨斌，秋致和，等.数据链——信息系统连接武器系统的捷径［M］.北京：国防工业出版社，2010：250.

［2］Yan H，Maltz DA，Ng TSE，et al.Tesseract：A 4D network control plane［C］//Proc.of the USENIX NSDI. 2007：369-382.

［3］Stanford University.Clean slate program［OL］.http：// cleanslate.stanford.edu/.

［4］McKeown N，Anderson T，Balakrishnan H，et al.Open-Flow：Enabling innovation in campus networks［J］.ACM SIGCOMM CCR，2008，38（2）：69-74.

［5］McKeown N.Software-defined networking［J］.INFOCOM keynote talk，2009，17（2）：30-32.

［6］Thomas N D，Gray K.SDN：Software Defined Networks［M］.北京：人民邮电出版社，2014：131.

［7］范伟.软件定义网络及其应用［J］.通信技术，2013，46（3）：67-70.

［8］ETSI.Network functions virtualisation.NFV White Paper［OL］.http：//www.etsi.org/technologies-clusters/technologies/689-network-functions-virtualisation.

［9］李纪舟，何恩.软件定义网络技术及发展趋势综述［J］.通信技术，2014，2（47）：123-127.

［10］雷葆华，王峰，王茜，等.SDN核心技术剖析和实战指南［M］.北京：电子工业出版社，2013：5-100.

Research on SDN-Based Network Planning in Sea-Battle Field

CHEN ShuLIU PengWEI Guangli
（China Ship Research and Development Academy，Beijing100101）

The Sea-Battle field communication system is a distributed system combined by the coordination of multi-class heterogeneous networks and technologies.Considering the monitoring and the planning of the Sea-Battle field communication resources，a kind of planning technology of network based on SDN is presented to realize the global planning and flexible organizing of the networks.The paper analyzes the features of the communication networks in Sea-Battle field，and the appliance of SDN in the view of the core thinking separating the controlling and the forwarding and proposes a communication system framework in Sea-Battle field to implement organizing and planning.Then，the business process of the organizing and planning system is put forward from the aspects of issuing plan，generating communication situation and business controlling.

network planning，SDN，communication network system in sea-battle field

TP319

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.005

2017年1月18日，

2017年2月23日

陈树，男，硕士研究生，研究方向：舰船电子工程技术。刘鹏，男，硕士生导师，研究方向：系统顶层设计。韦广立，男，硕士研究生，研究方向：海战场通信系统。