SDN 架构在舰艇通信中的应用研究∗

阳 凯 林海涛 张 爽

（1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）（2. 31664部队 白银 730600）

1 引言

随着我国海军舰艇信息化水平的不断提高，一体化作战模式由传统的“以平台为中心”逐步向“以网络为中心”转变［1］。长期以来，海军各类通信系统的建设都是由业务需求来牵引的，通信系统种类多，技术体制标准复杂，组织运用和运维管理难度较大，难以满足一体化作战的需求，各通信子系统之间形成了一种垂直封闭的烟囱式结构的系统［2］，需要打破异构网络软硬件资源、服务之间互连互通互操作的壁垒，实现资源的共享［3］。

为达到一体化作战的要求，我国舰艇电子信息系统一直在努力向“一体化结构”演变［4］，在系统构成层面，各种传统的独立电子系统正在向一体化集成发展；在组织使用层面，舰艇电子信息系统控制管理向实现资源统一调度方式转变。总得来说，信息战条件下舰艇通信网络技术的需求［5］有:

1）网络管理综合化、信息传输一体化。

2）多通信手段、多业务流灵活统一调配。

3）共享资源池，极大提高底层资源利用率。

4）开放式结构，能够很好地兼容异构网络设备。

目前，业界提出了一些新架构或新技术来解决舰艇综合通信一体化集成的问题，但是都各自存在短板。张皓岚等［6］提出利用电力载波通信技术将舰船电力线网络复用为通信网络，减少了铺设通信网络的成本，但无法实现通信资源的共享。周大凯［3］提出一种基于栅格的舰船通信网络资源共享方法，解决了网络资源异构、业务系统互通和资源共享问题。白立云等［7］将DTN（Delay/Disruption Tolerant Network，容延迟/容中断网络）应用到舰艇编队通信中，解决了异构网络的互联和互操作的问题，但是这些方法在集中控制上都无法实现信息资源的统一调配和管理。其他一些舰艇通信网络拓扑优化方法往往无法适应业务需求进行灵活配置，只优化了部分通信功能。

胡 建 平［8］和 陈 晨 等［9］结 合SDN（Software Defined Network，软件定义网络）架构，针对天地联网中空间与地面网络节点的信息高效互通、交换及应用需求，构建了天基以及地面系统“资源池”，有效解决由于物理界限造成的信息阻隔，提高了天基信息资源利用率、信息按需定制及高效共享能力。同样，面对舰船综合通信应用的灵活性、多样性需求，SDN架构也是一种有效的解决方案。

2 SDN功能架构

SDN 通过将网络设备控制面与数据面分离开来，分成集中控制平面和数据转发平面［10］，并引入统一的数据交换标准及编程接口，可在异构网络情况下对全网设备进行统一管理。SDN 网络节点由集中的控制器管理，无须依赖底层网络设备，屏蔽了来自底层网络设备的差异，很好地实现了异构网络的融合和业务流的QoS（Quality of Service，服务质量）保障。控制器具备掌握网络全局拓扑的功能，实时掌握各节点CPU、端口、缓存状态，根据端口带宽、转发时延、丢包率等计算数据流转发最佳路由，决定数据的转发策略和路由算法。通过OpenFlow 协议，控制器实施流表的生成、维护和下发，交换机按照流表执行转发，实现了网络流量的灵活控制，从而为各通信手段之间交叉互联和通信资源共享提供了良好的平台。通过SDN架构，用户可以自定义任何想实现的网络拓扑路由和传输规则策略，如图1 为ONF（Open Networking Foundation，开放式网络基金会）定义的SDN基本架构。

图1 ONF定义的SDN基本架构

3 SDN架构在舰艇通信中的应用探析

SDN架构为信息的传输提供了共享信息平台，可融合异构网络对全网设备进行统一管理，可全局分配和优化网络资源，从而达到灵活高效的网络配置和管理，各种语音、数据、视频等业务信号可同时在其中进行传输与交换，使舰艇具有灵活的数据、语音、视频传输能力。如图2，数据平面由Openflow交换机组网互连组成，其底层可以以现有的光纤通信网络为基础进行承载，交换机与控制器之间通过SSL（Secure Sockets Layer，安全套接层）互连，传递网络实时拓扑、流表等信息，而常用的通信业务网络都可以加载在Openflow交换机上，共享数据平面网络资源。作战指挥系统等顶层应用加载在控制平面控制器上，结合控制器的全局资源控制能力，实施灵活快速的一体化指挥。

为满足灵活的策略业务需求，SDN提供了策略管理机制来实现网络管理和资源智能调度。以轻重缓急不同可以制定不同优先级的策略，根据策略标准不同可以制定针对网元和流量的网络控制策略，从实现通信业务目标的角度制定特定业务策略。通过将这些策略纳入编排器和策略库，可以方便快捷地实现策略的实施和切换，达到不同业务QoS 的目的。作战运维人员可以结合舰艇作战需求，定制适应于不同战备等级、不同战略战术、不同协同方式的通信资源控制策略，大大提高通信系统的作战保障效能。基于策略选择和组合的管理方式，能更好的应对战场变化需求，符合应用实际。

图2 基于SDN的舰艇通信网络组织

SDN架构具备弹性分配、灵活编排和具备管理L2 到L7 能力的动态网络业务链（Service Function Chain，SFC）功能。SDN 通过收集全网拓扑信息和节点资源使用状态形成集中的资源池，SFC 由控制器集中管理集中或者分布式的各类网元，控制转发行为和进行流量调度，提供统一的业务链控制策略和资源视图。此外，SFC 提供了一个专门的算法接口模块可以让用户添加自定义算法，如图3 所示，作战运维人员可根据使用需求制定特定的算法进行应用。

图3 SFC项目路径选择算法架构

总结对比SDN 功能特点和目前舰艇通信系统应用需求和已有解决方法，若将SDN架构应用在舰艇通信中，将能够:

1）节省舰艇底层通信资源。目前舰船中新增通信设备，往往需要占用新的光纤或电缆资源，在资源不足时甚至要重新铺设，而通信线缆的铺设费时费力且成本较高［6］。而SDN 具备良好的可扩展性，一次建成后，新增通信系统可直接加载到数据平面，无须重新铺设线缆。

2）实现资源共享和业务流的统一调配和综合管理。SDN 采用分布式布局［8］，可实现舰艇异构网络融合和底层通信资源共享，极大地提高资源利用率。通过控制器的全局视图和集中控制功能，实时掌握全局拓扑及资源信息，实现全网内信息资源的统一调配。结合网络多个参数建立和优化路由拓扑模型，轻易的解决舰船通信网络的复杂性问题［11］，实现网络的综合管理。通过SFC 功能，可根据作战需求自定义全网或局部路由策略和路径选择算法，及时应对战场变化。通过流表的设置修改，灵活的配置业务流。

3）具备更强的抗毁性和生存能力。结合SDN的多策略路由和冗余算法，能够大大提高各通信子系统的生存能力，及时通过第二策略和路由进行业务恢复。

4）增强一体化作战指挥能力。通过舰艇间的SDN 无线互连，形成舰艇编队互连的SDN，通过设置不同舰艇OpenFlow 控制器权限级别，灵活的变更或共享指挥权和指挥平台，便于指挥员针对当前舰艇编队合同作战样式，综合分析作战区域中的各水面舰艇平台、舰载机平台等各个通信节点的实际通信需求及特点，实现对舰艇编队多层次通信网络拓扑结构的优化，增强信息传输的实时性和可靠性［12］，如图4。在全局掌控通信网络的基础上，结合应用层作战指挥系统，实现灵活的一体化协同作战指挥，提高作战决策和指挥效率。

图4 舰艇编队SDN架构下的互联

正是由于SDN技术框架的开放性和灵活性，赋予了SDN在舰艇通信中广阔的应用前景，从不同作战需求角度还可以对SDN 架构的应用作更多的挖掘和探索。

4 结语

SDN架构是为解决现有网络兼容性差、可扩展性差、配置不灵活等不足而发明的，应用到舰艇通信系统中，能够很好地整合底层通信资源形成共享的数据平面，通过统一的控制平面达到通信系统的综合化和一体化，便于舰艇内部和舰艇编队之间的作战指挥，提升舰艇综合作战能力。相比于已有的方案，SDN架构在兼容性、灵活性、综合化等方面的功能更加完备，特别是其开放式的设计，使得各层的应用改造具有很大空间，是一种极佳的舰艇通信一体化解决方案。但是，现有SDN技术仍在持续研究之中，已有的产品仍不够成熟，未来应用到舰艇通信系统之中还需要长时间的探索。本文探析了SDN在舰艇通信中的应用架构，梳理了SDN功能在解决舰艇综合通信问题上的作用效果，可为舰艇通信一体化综合化的发展建设提供参考思路。