王麗沖，姚秀娟，閆毅

（1.中國科學院國家空間科學中心北京100190；2.中國科學院大學北京100190）

一種基于OpenFlow的軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案

王麗沖1，2，姚秀娟1，閆毅1

（1.中國科學院國家空間科學中心北京100190；2.中國科學院大學北京100190）

傳統(tǒng)的DSS（Distributed Satellite System，分布式衛(wèi)星系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)一般將控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能集中設(shè)計在同一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計復雜，網(wǎng)絡(luò)可重用性差，成本較高。本文基于提高DSS網(wǎng)絡(luò)的可重用性、高效性和靈活性的目的，采用了將DSS網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能分離的方法，通過將DSS、天基移動通信網(wǎng)絡(luò)和基于OpenFlow的SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)結(jié)合起來，提出了一種基于OpenFlow的SDSN（Software Defined Satellite Network，軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）架構(gòu)設(shè)計方案。通過使用GEO天基系統(tǒng)作為DSS的控制層面，從而和數(shù)據(jù)層面分離，提高了DSS網(wǎng)絡(luò)的可重用性、高效性以及靈活性。

DSS；OpenFlow；SDN；天基；SDSN

近些年來，分布式衛(wèi)星系統(tǒng)（Distributed Satellite Network，DSS）得到了快速發(fā)展，傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包括DSS的全部以及很大一部分控制功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能一般均設(shè)計在相同的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。這類系統(tǒng)雖然設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)，但是同時也存在很多的缺點，例如網(wǎng)絡(luò)可重用性差；網(wǎng)絡(luò)功能修改困難，成本較高等。隨著星上處理技術(shù)以及星間鏈路技術(shù)的快速發(fā)展［1］，可以利用新技術(shù)重新設(shè)計DSS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而增強DSS網(wǎng)絡(luò)的可重用性，同時降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備的復雜度和提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的效率、靈活性。

在地面互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中也同樣存在上述問題，SDN即是為了滿足這種設(shè)計需求而提出的在地面互聯(lián)網(wǎng)中將控制功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能分離開的一種技術(shù)。而OpenFlow在SDN中是學術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界公認的控制層面和數(shù)據(jù)層面的接口協(xié)議，它的特點是將控制功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中分離出來，可在不影響網(wǎng)絡(luò)正常流量的情況下，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中部署新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

文中通過分析DSS在設(shè)計應用中的實際問題，結(jié)合基于OpenFlow的SDN技術(shù)靈活、高效的特點，同時參照天基移動通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)功能架構(gòu)，設(shè)計了一種基于OpenFlow的SDSN架構(gòu)設(shè)計思路，從而將DSS網(wǎng)絡(luò)中的控制層面和數(shù)據(jù)層面分離，提高網(wǎng)絡(luò)的可重用性、運行效率和降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復雜度。

1　分布式衛(wèi)星系統(tǒng)

隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，由多顆物理上各自獨立、功能不同的微小衛(wèi)星形成一個“衛(wèi)星編隊”或“虛擬衛(wèi)星”，相互協(xié)同工作完成任務，成為一種潛力巨大的空間系統(tǒng)部署方式，稱為分布式衛(wèi)星系統(tǒng)［2］（Distributed Satellite System，DSS）。這些相互協(xié)作的多顆小衛(wèi)星，分布在相同或者不同空間軌道上，通過星間鏈路構(gòu)成智能體系的通信網(wǎng)絡(luò)，既有自主協(xié)作模式的控制層面，也有對智能化的信息進行獲取、處理以及轉(zhuǎn)發(fā)等功能的數(shù)據(jù)層面，用以完成民用方向的資源探測、導航定位以及軍用方向的偵察、預警、空間防御與對抗等綜合性任務，近些年來已經(jīng)成為各國航空航天界的研究熱點和追求目標［3］。

然而在DSS網(wǎng)絡(luò)中控制功能一般全部或者很大一部分是和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理功能在同一衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)操作設(shè)備中的，設(shè)備復雜度高，網(wǎng)絡(luò)管理較困難；DSS網(wǎng)絡(luò)的任務固定，當任務改變時無法重復使用，從而可重用性差；同時DSS網(wǎng)絡(luò)采用技術(shù)固定，如果要修改一些采用的技術(shù)，則可能需要置換一些設(shè)備，成本較高等。為了解決DSS中的這些問題，需要在DSS中引入相關(guān)的技術(shù)，而SDN技術(shù)正是這樣的一項技術(shù)。

2SDN技術(shù)

SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)分離了網(wǎng)絡(luò)的控制層面和數(shù)據(jù)層面，主要應用于研發(fā)計算機網(wǎng)絡(luò)的新應用和未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)解決方案的探索中。SDN技術(shù)采用數(shù)據(jù)控制分離、軟件可編程的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，將控制功能從傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中遷移到可控的計算設(shè)備中，使得底層的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施能夠被上層的網(wǎng)絡(luò)服務和應用程序所抽象，最終通過開放可編程的軟件模式來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動化控制功能。

圖1描述了SDN架構(gòu)的邏輯視圖［5］，主要分為基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應用層，3個層次之間分別通過南向接口和北向接口進行通信。基礎(chǔ)設(shè)施層主要是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備SDN交換機構(gòu)成，負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理工作；控制層是SDN架構(gòu)的核心層，負責收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，計算路由等，并通過南向接口（控制和基礎(chǔ)設(shè)施層面接口）獲取底層基礎(chǔ)設(shè)施信息，同時為上面的應用層提供可擴展的北向接口（控制和應用層面接口）；而應用層中運行著多種不同類型的應用，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)不同的應用需求，調(diào)用控制層的北向接口，實現(xiàn)不同功能的應用程序。3個層次之間的接口中，北向接口目前尚無統(tǒng)一標準，而南向接口的接口協(xié)議OpenFlow目前得到了業(yè)界廣泛認可和支持［6］。通過這種軟件模式，網(wǎng)絡(luò)管理者可以通過動態(tài)的SDN應用程序通過編程等來配置、管理和優(yōu)化底層的網(wǎng)絡(luò)資源，從而實現(xiàn)“軟件定義”的靈活、可控的網(wǎng)絡(luò)。

圖1SDN架構(gòu)

3　基于OpenFlow的SDN技術(shù)

3.1OpenFlow協(xié)議

OpenFlow協(xié)議是一個開放式協(xié)議標準，最早用于為校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)計創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。雖然SDN的概念是在OpenFlow為網(wǎng)絡(luò)帶來可編程性的背景下提出來的，但是在之后的發(fā)展中，SDN逐漸被業(yè)界定義為一種網(wǎng)絡(luò)形式，而OpenFlow協(xié)議變成實現(xiàn)SDN功能的第一個也是其中一種的接口協(xié)議。OpenFlow協(xié)議主要是指在網(wǎng)絡(luò)中的控制層面和數(shù)據(jù)層面的接口協(xié)議，該協(xié)議定義了兩者之間交互所用信息類型、格式的標準以及接口等一系列的運行規(guī)則，規(guī)定由控制器下發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則給交換設(shè)備，使得控制器與交換設(shè)備可獨立發(fā)展。在圖1中即指控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層之間的南向接口協(xié)議。

除了OpenFlow協(xié)議，還有其他相關(guān)組織研究的SDN協(xié)議?；ヂ?lián)網(wǎng)工作任務組IETF以軟件驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)為出發(fā)點來研究SDN，并提出了IETF標準的SDN架構(gòu)；國際電聯(lián)ITU-T也在2012年提出了SDN架構(gòu)文件Y.FNsdn；歐洲電信標準化協(xié)會ETSI于2013年提出了ETSI標準的SDN架構(gòu)等［4］。但之后提出的這些標準在功能及普適性方面都不如OpenFlow［5］，因此，目前基于OpenFlow的SDN技術(shù)在產(chǎn)業(yè)界以及學術(shù)界均得到了廣泛的應用。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，Goggle利用基于OpenFlow的SDN技術(shù)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，改造后，鏈路利用率達到了95%以上，收益大有提高［5］；騰訊、百度等互聯(lián)網(wǎng)公司也提出了將SDN技術(shù)應用到其基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的重新部署方面。

3.2基于OpenFlow的SDN技術(shù)

基于OpenFlow的SDN技術(shù)即是用OpenFlow協(xié)議標準實現(xiàn)圖1所示的SDN架構(gòu)，而實現(xiàn)這樣的接口功能還是要靠具體的基于OpenFlow的SDN關(guān)鍵組件，即分布于基礎(chǔ)設(shè)施層的OpenFlow交換機和分布于控制層的控制器。

一般網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的交換機直接負責基礎(chǔ)設(shè)施層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能以及路由計算等控制功能。而當前的OpenFlow標準將原來完全由交換機控制的報文等轉(zhuǎn)發(fā)過程轉(zhuǎn)化為由分布在基礎(chǔ)設(shè)施層的OpenFlow交換機和分布在控制層的控制器共同完成，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制等操作的分離。

OpenFlow協(xié)議的整體架構(gòu)如圖2所示，由OpenFlow交換機和遠端的控制器組成［6］。OpenFlow協(xié)議一部分運行在控制器上，另一部分運行在交換機上。流表相當于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的交換機和路由器的路由表，負責數(shù)據(jù)包的高速查詢和轉(zhuǎn)發(fā)；控制器通過事先規(guī)定好的接口操作來控制OpenFlow交換機中的流表，從而達到控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的目的；組表是OpenFlow為數(shù)據(jù)包指定的在多個流表中執(zhí)行相同操作集的高效方法；交換機和控制器之間的管理和控制信息通過OpenFlow通道進行傳輸，控制器通過該通道按照OpenFlow協(xié)議規(guī)定的格式控制和管理OpenFlow交換機，同時控制器接收來自交換機的事件并向交換機發(fā)送數(shù)據(jù)包。

圖2　OpenFlow協(xié)議的整體架構(gòu)［7］

4　天基移動通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

天基網(wǎng)絡(luò)即以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中繼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)中繼來完成用戶終端之間的通信。天基移動通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)在功能上包括管理層面、控制層面和數(shù)據(jù)層面［8］。其中管理層面可為移動衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供無線資源管理、用戶管理以及故障管理等功能，以保證衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用，并保證網(wǎng)絡(luò)在正常、故障等各種狀況下有效的運行?？刂茖用嬗删W(wǎng)絡(luò)中各種信令協(xié)議構(gòu)成，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供接入控制、路由控制以及傳輸控制等功能，以保證網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務信息有效的傳輸。數(shù)據(jù)層面主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)業(yè)務數(shù)據(jù)的處理，包括幀處理、包處理以及數(shù)據(jù)交換等功能［9］，其主要功能架構(gòu)圖如3所示。由分析可知，此網(wǎng)絡(luò)中的管理層、控制層和數(shù)據(jù)層可分別對應于圖1中SDN網(wǎng)絡(luò)中的應用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層。

圖3　天基移動通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)功能架構(gòu)

5　基于OpenFlow的SDSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計方案

針對前面提到的DSS的不可忽略的缺點，文中將基于OpenFlow的SDN技術(shù)應用到DSS網(wǎng)絡(luò)中，并參照天基移動通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的功能架構(gòu)，提出了一種基于OpenFlow的SDSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。

5.1基于OpenFlow的SDSN架構(gòu)整體設(shè)計方案

基于以上分析，文中提出了一種基于OpenFlow的SDSN架構(gòu)設(shè)計方案，方案如圖4所示。在圖4中，為了將DSS中的控制層面和數(shù)據(jù)層面分開，同時結(jié)合圖3中天基移動通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)，本文將分布式衛(wèi)星系統(tǒng)放在天基通信網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，利用同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（GEO）作為分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的控制層面，來對數(shù)據(jù)層面的每一個DSS的路由算法、接入方式等進行控制，從而可以保證數(shù)據(jù)層面內(nèi)的每一個DSS內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的靈活和高效性。

圖4　基于OpenFlow的SDSN架構(gòu)設(shè)計方案

圖4中的每一個層次的功能介紹如下：

1）最左側(cè)的為SDSN的應用層面，對應于圖3天基移動通信網(wǎng)絡(luò)中的管理層面，同時對應于圖1中的SDN架構(gòu)應用層；一般應用層面的控制中心分布在地面上或者某一個固定空間站中，可以在其中的應用層控制中心通過編程等方式對SDSN中相關(guān)軟件進行定義，然后通過北向接口將定義的新軟件信息在控制層面進行更新。

2）控制層面對應于圖3中的控制層面以及圖1中的控制層面；本文中設(shè)計的SDSN架構(gòu)方案中，控制層面主要有GEO衛(wèi)星組成，可能少于或多于3顆，也有可能包含地面站。在南向接口通過適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的OpenFlow協(xié)議來控制數(shù)據(jù)層中各子系統(tǒng)中的接入方式以及路由信息等。之所以選擇GEO衛(wèi)星作為控制層面，是因為：

①GEO衛(wèi)星相對地面接收站靜止，因此星地數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定，可以使得應用層和控制層之間的北向接口較容易實現(xiàn)；

②GEO衛(wèi)星覆蓋率高，一顆衛(wèi)星可以覆蓋地球的40%區(qū)域，3顆GEO衛(wèi)星即可以實現(xiàn)對全球除南北極之外的任何區(qū)域的覆蓋，因此對數(shù)據(jù)層面的DSS系統(tǒng)可以長時間地覆蓋；

③根據(jù)可靠性和復雜度的不同，GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有3種不同的拓撲結(jié)構(gòu)，可以應用于不同要求的DSS網(wǎng)絡(luò)中，如圖5所示。a）中表示控制層面的GEO控制器通過一個主GEO衛(wèi)星和應用層面的控制中心實現(xiàn)通信，這樣的拓撲結(jié)構(gòu)既包括星地鏈路又包括星間鏈路，適用于數(shù)據(jù)層面內(nèi)DSS網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的情況；b）中表示GEO拓撲結(jié)構(gòu)選擇以一個地面站為中心來連接控制層面的GEO衛(wèi)星和應用層面的控制中心，這樣可以減輕主GEO衛(wèi)星的負擔；c）中表示GEO拓撲結(jié)構(gòu)通過分布式的地面站來連接控制層面的GEO衛(wèi)星和應用層面的控制中心，這樣增強了GEO拓撲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是需要相關(guān)協(xié)議來保持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一致性。

圖5　控制層面的GEO拓撲結(jié)構(gòu)

3）最后，圖4中的數(shù)據(jù)層面對應于圖3中的數(shù)據(jù)層面以及圖1中的基礎(chǔ)設(shè)施層面；其中的數(shù)據(jù)層面由一個或者多個不同分布形式的DSS組成，一般分布在LEO或者MEO，以LEO居多。各個DSS根據(jù)控制層面的控制信息將相應的數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)發(fā)處理，并和相應的地面接收站進行數(shù)據(jù)交互。

圖4中展現(xiàn)的這一設(shè)計方案，體現(xiàn)出了基于OpenFlow的SDSN中的“軟件定義”網(wǎng)絡(luò)的概念，但是要注意本文提出的SDSN架構(gòu)中實現(xiàn)了數(shù)據(jù)層面和控制層面的分離，而天基移動系統(tǒng)中只是在功能概念上將數(shù)據(jù)層面和控制層面分離開，在實際操作中并未分離［10-12］。

5.2基于OpenFlow的SDSN架構(gòu)體系實現(xiàn)過程

圖6描述了基于OpenFlow的SDSN設(shè)計方案的實現(xiàn)模型，通過該實現(xiàn)模型可以描述基于OpenFlow的SDSN架構(gòu)體系實現(xiàn)過程，尤其是“軟件定義”的實現(xiàn)過程［13-15］。

如果涉及到實際應用，比如對于某一星型DSS網(wǎng)絡(luò)，一共有n顆小衛(wèi)星，如果使用OSPF路由協(xié)議，根據(jù)Dijkstra算法，所有的鏈路狀態(tài)廣播給系統(tǒng)中每一顆小衛(wèi)星，每一顆小衛(wèi)星需要計算路徑信息，則需要發(fā)送O（n2）個數(shù)據(jù)包。如果使用SDSN網(wǎng)絡(luò)方案后，控制層面的GEO網(wǎng)絡(luò)通過收集數(shù)據(jù)層面的鏈路狀態(tài)信息等，根據(jù)抽象模型的描述生成要發(fā)送給應用層面的狀態(tài)信息，然后應用層面的控制中心根據(jù)控制層面上傳的狀態(tài)信息進行路由算法的分析計算，然后將更新的路由信息向下傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層面并廣播給每顆小衛(wèi)星，這樣發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)降為了O（n）級別，降低了路由算法的復雜度。從而可以看出本文設(shè)計的基于OpenFlow的SDSN方案可以提高DSS的效率并且可以更靈活地對DSS網(wǎng)絡(luò)進行重構(gòu)、重置等控制。

圖6　基于OpenFlow的SDSN體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模型

6　結(jié)論

文中提出的基于OpenFlow的SDSN架構(gòu)，借鑒基于OpenFlow的SDN技術(shù)以及天基移動通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)功能架構(gòu)，將DSS網(wǎng)絡(luò)中的控制層面和數(shù)據(jù)層面分離，降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復雜度；利用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)抽象的模型進行分析，說明了該架構(gòu)的“軟件定義”的特點。該SDSN架構(gòu)可以使DSS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟硬件分離，增強DSS的可重用性，實現(xiàn)對DSS的高效管理，提高DSS的效率和靈活性，有利于今后基于OpenFlow的SDN技術(shù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的進一步應用。

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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稿件編號：201603008

中科院科技創(chuàng)新基金（CXJJ-14-S126）

王麗沖（1990—），女，河北邯鄲人，碩士。研究方向：衛(wèi)星組網(wǎng)建模與仿真。