陳立水，李 寧，劉 巖，晉東立，翟政安，朱 亮

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；3.衛(wèi)星通信中心，北京 100094)

0 引言

航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡是支撐航天測控、運控與應用等活動的重要基礎設施，承擔著航天試驗任務與應用相關的各類數(shù)據(jù)、語音、視頻及文件等業(yè)務信息的傳輸，對跟蹤測量、指揮控制、信息支援以及效果評估等任務起著重要的保障作用。目前，世界各國的航天測控、運控與應用系統(tǒng)地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡一般有多個，分屬不同部門，獨立建設、自成體系、體制不一、分散管理、難以共享。隨著航天技術的發(fā)展及廣泛應用，航天系統(tǒng)所獲取的信息數(shù)量急劇增長，分散構建的航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡已難以支撐航天業(yè)務信息的及時共享和綜合利用，嚴重制約了航天設備的應用效能以及地面資源建設效益的發(fā)揮[1]。因此，統(tǒng)籌航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡資源，優(yōu)化重組，構建覆蓋所有航天地面設施的一體化網(wǎng)絡，實現(xiàn)航天測運控與業(yè)務信息互通和資源共享，快速適應越來越頻繁的太空探索、甚至空間作戰(zhàn)等任務需要，是當前世界各航天大國迫切需要解決的共性問題。

云計算、軟件定義網(wǎng)絡[2-3]、網(wǎng)絡功能虛擬化[4]、網(wǎng)絡重構[5-6]及網(wǎng)絡虛擬化[7-8]等新技術逐漸成熟，為上述問題的解決提供了思路。本文基于開放分離思路，設計未來航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡體系架構，解決現(xiàn)有航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡存在的體系架構靈活性差、資源動態(tài)調(diào)配能力弱、安全防護能力缺乏和運行效率低等問題，實現(xiàn)航天用戶隨遇接入、任務分域管理、資源快速按需調(diào)配、網(wǎng)絡高效運行，滿足不斷增長的航天業(yè)務需求。

1 航天地面網(wǎng)絡現(xiàn)狀與發(fā)展需求分析

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界各航天大國航天測控、運控與應用的地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡多種多樣，且分屬不同部門，資源難以共享，信息難以互通。比如，美國國家航空航天局(NASA)負責民用航天計劃，目前管理著航天跟蹤與數(shù)據(jù)網(wǎng)(STDN)、深空網(wǎng)(DSN)和跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)，此外，美國空軍、海軍、陸軍都有自己的測控網(wǎng)，海軍甚至有2個測控網(wǎng)。還有很多其他的測控網(wǎng)，以支撐各種各樣的航天任務[9-10]。這些地面網(wǎng)絡一般基于傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡結構構建，網(wǎng)絡結構“僵化”，在靈活可控、資源調(diào)配、安全抗毀及統(tǒng)一運維等方面存在嚴重不足[11]。

(1)傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構靈活性差

航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡由大量單一功能且專用的設備構成，形成控制轉(zhuǎn)發(fā)一體化的封閉架構，為滿足不同業(yè)務、接入方式、服務質(zhì)量及安全等需求，引入大量的協(xié)議，導致設備日益臃腫，網(wǎng)絡架構僵化，存在網(wǎng)絡維護、擴展和調(diào)配困難等問題。

(2)網(wǎng)絡資源按需動態(tài)調(diào)配能力弱

盡管部分航天網(wǎng)絡之間可實現(xiàn)互聯(lián)互通，且具備局部資源調(diào)配能力，但缺乏全局的統(tǒng)一管理和資源動態(tài)調(diào)配機制，難以實現(xiàn)系統(tǒng)間的統(tǒng)一資源調(diào)度，導致系統(tǒng)資源使用效率不高，限制了數(shù)據(jù)和信息共享。

(3)高效統(tǒng)一的安全防護能力缺乏

在航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡體系中，現(xiàn)有的安全設備在部署位置及部署手段等方面具有很大差異，缺乏統(tǒng)一有效的管理手段，存在安全隱患。同時，各業(yè)務系統(tǒng)獨立構建安全防護體系，安全體制不同、設備型號不同，不能實現(xiàn)系統(tǒng)間的安全互聯(lián)和設備的互相備份，無法進行全網(wǎng)統(tǒng)一的安全態(tài)勢管理。

(4)面向服務的統(tǒng)一運維管理能力不強

航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡內(nèi)部現(xiàn)有各網(wǎng)絡系統(tǒng)均獨立設計、自成體系、分別建設，無法進行統(tǒng)一管理。同時，目前的網(wǎng)管大多側重于對設備和網(wǎng)絡的管理，缺乏對應用和業(yè)務的管理，尚未實現(xiàn)與應用的感知互動和面向服務的運維能力，資源按需動態(tài)調(diào)控能力低，難以實現(xiàn)資源共享與高效運維。

1.2 發(fā)展需求

為解決“煙囪式”多網(wǎng)并存的航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡存在的以上問題，需按照一體化、自動化、智能化和服務化的設計原則，進行未來航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡的總體架構設計。

① 一體化：對未來航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡進行一體化設計，綜合考慮網(wǎng)絡資源按需共享與業(yè)務信息高效互通，有效支撐各類衛(wèi)星和應用業(yè)務的高效傳輸，為其提供相應的服務質(zhì)量保障。

② 自動化：適應新形勢下一體化聯(lián)合作戰(zhàn)節(jié)奏快、機動性強的特點，網(wǎng)絡需要具備自感知、自配置、自修復及自優(yōu)化等自動化網(wǎng)絡功能，以減少網(wǎng)絡部署、配置和優(yōu)化時間，快速滿足相關任務需要。

③ 智能化：運用現(xiàn)代智能技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡自感知、自分析、自決策、自執(zhí)行的封閉環(huán)，使網(wǎng)絡具備自動感知應用和用戶需求、按需動態(tài)規(guī)劃網(wǎng)絡、主動調(diào)控網(wǎng)絡資源的能力，在遭受攻擊或被部分摧毀時，能夠快速進行重構。

④ 服務化：為滿足應用需求對接、信息按需傳輸、安全按需保障需求，航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡在體系結構設計上采用面向服務的架構，具備網(wǎng)絡服務開放能力，為各類用戶與應用提供精細化細粒度的網(wǎng)絡服務。

2 下一代網(wǎng)絡體系架構分析

針對傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡不足，通信界從用戶需求出發(fā)，綜合考慮網(wǎng)絡可擴展性、可靠性和易管理性，展開了新型網(wǎng)絡架構研究。目前，主要有“改良式”和“革命式”2種研究思路[12]?！案牧际健奔軜嬋砸訧P網(wǎng)絡架構為基礎，不改變核心體系架構，通過打補丁的方式增加新功能，并在其他層面實施，例如針對可擴展性問題提出了IPv6協(xié)議，針對性能問題提出了高效的MPLS，針對安全性問題提出了IPsec等；“革命式”架構研究者認為現(xiàn)有網(wǎng)絡體系結構已經(jīng)不能滿足各種新型業(yè)務對于網(wǎng)絡的要求，需要將網(wǎng)絡推倒重來，研究一個全新的網(wǎng)絡體系結構，從根本上解決現(xiàn)有網(wǎng)絡的種種缺陷[13]。

改良式的思路僅能夠滿足目前網(wǎng)絡的基本需求，但往往導致網(wǎng)絡節(jié)點臃腫和可擴展性差；隨著信息和網(wǎng)絡應用飛速增長，革命性體系架構的研究成為當前網(wǎng)絡界研究的重點[14]。

軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network,SDN)[15]是由美國斯坦福大學Clean Slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡創(chuàng)新架構，是一種專為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構弊端而開發(fā)的功能強大的全新網(wǎng)絡模式，主要由基礎設施層、控制層和應用層組成。SDN的核心理念之一是將控制功能從網(wǎng)絡交換設備中剝離出來，達到降低網(wǎng)絡設備復雜度，提升網(wǎng)絡管控效率的目的。工作在基礎設施層的SDN交換機只需按照轉(zhuǎn)發(fā)決策機制進行高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而具體轉(zhuǎn)發(fā)策略均由控制層通過南向接口協(xié)議下發(fā)[16-17]。

在軟件定義網(wǎng)絡應用層，網(wǎng)絡管理員可以很方便地管理各種應用功能，通過SDN應用程序來動態(tài)配置、管理和優(yōu)化底層的網(wǎng)絡資源，從而實現(xiàn)靈活、可控的網(wǎng)絡[18]?？刂茖泳S護基礎設施層的整個拓撲結構，為網(wǎng)絡流量的走向做決策，在邏輯上管理和控制整個網(wǎng)絡?；A設施層主要由交換機組成，只需專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，有效降低構建網(wǎng)絡的成本?？刂茖雍突A設施層通過支持標準協(xié)議的安全通道進行通信。因此在網(wǎng)絡管理方面具有重大優(yōu)勢。

在網(wǎng)絡資源管理方面，SDN突破了傳統(tǒng)分布式框架的約束，數(shù)據(jù)與控制分離的架構能夠使管理視圖更為集中，同時對底層網(wǎng)絡設施資源進行抽象，形成虛擬資源，為網(wǎng)絡資源細粒度管控提供支撐，基于全局網(wǎng)絡視圖，控制層可以全面協(xié)調(diào)、管理底層資源，最終提高網(wǎng)絡資源的可控性與靈活性。

3 航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡體系架構設計

借鑒軟件定義網(wǎng)絡控制與轉(zhuǎn)發(fā)相分離的思想，遵循基礎設施模塊化、物理資源虛擬化、資源調(diào)配自動化、網(wǎng)絡功能軟件化以及運維管理智能化的理念，設計面向服務的航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡體系架構如圖1所示，由資源層、服務層和應用層組成。

圖1 技術體系架構

資源層提供衛(wèi)星信道、網(wǎng)絡、計算、存儲和安全等基礎設施的物理資源和邏輯資源，為各類應用系統(tǒng)互聯(lián)互通、各類信息融合處理、資源管理與調(diào)控以及安全服務編排等功能提供基礎支撐。

服務層由網(wǎng)絡服務、安全服務和運維服務組成。網(wǎng)絡服務提供資源感知、路徑規(guī)劃及策略控制等功能，實現(xiàn)底層網(wǎng)絡資源的感知與管控；安全服務提供安全防護、安全運維、安全態(tài)勢和網(wǎng)間隔離等功能，為地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡基礎設施提供多層次的安全防護和網(wǎng)間安全互通控制；運維服務提供態(tài)勢呈現(xiàn)、感知監(jiān)視及網(wǎng)絡規(guī)劃等功能，實現(xiàn)面向應用的智能化運維，是確保地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡高效可靠運行的重要支撐。服務層基于資源控制接口細粒度控制底層物理資源和邏輯資源，并通過服務接口為應用層提供指揮控制、測控運控及信息支援等服務。

應用層主要由測控、運控、指控、導航及監(jiān)測等應用系統(tǒng)組成，通過服務層獲取網(wǎng)絡資源。

該網(wǎng)絡架構將網(wǎng)絡和資源的控制與管理功能集中，形成服務層。網(wǎng)絡服務將底層計算、存儲、網(wǎng)絡及衛(wèi)星信道資源池化，以服務的形式提供給安全服務和運維服務。安全服務提供威脅檢測(病毒查殺)、漏洞修復、軟件管控、可信白名單和安全審計等服務，基于服務訂閱/發(fā)布機制實現(xiàn)安全服務的按需推送。運維管理基于服務化接口，為應用提供可定制的服務化模板，供應用調(diào)用，獲取應用需求。根據(jù)應用需求動態(tài)配置、管理網(wǎng)絡資源和安全資源的使用，實現(xiàn)拓撲、故障、配置、性能和安全管理，為網(wǎng)絡業(yè)務規(guī)劃、開通和保障提供支撐。應用層與服務層中的網(wǎng)絡服務、運維服務與安全服務之間均通過標準的接口實現(xiàn)互操作，面向服務的架構實現(xiàn)了服務之間的松耦合，屏蔽底層設備之間的差異，提升網(wǎng)絡管控的靈活性。

4 演示驗證

4.1 演示驗證平臺構建

如圖2所示，航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡演示驗證平臺主要由軟件定義的網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡資源管控系統(tǒng)和運維管理系統(tǒng)等構建，主要用于進行網(wǎng)絡隔離和資源動態(tài)調(diào)配驗證。

航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡由網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)設備互聯(lián)構成，用于模擬航天測控運控一體化地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡基礎設施；資源管控系統(tǒng)負責實現(xiàn)策略的生成并完成策略向控制器的下發(fā)，具備面向業(yè)務與網(wǎng)絡狀態(tài)的動態(tài)規(guī)劃能力；運維管理系統(tǒng)實現(xiàn)對一體化傳輸網(wǎng)絡的統(tǒng)一管理，具備多域多維態(tài)勢融合呈現(xiàn)和基于應用的按需資源調(diào)控能力。

圖2 演示驗證平臺示意圖

4.2 功能驗證

4.2.1 域間隔離

運維管理系統(tǒng)基于可定制化的服務模板，接收用戶應用需求：航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡需同時傳送數(shù)據(jù)業(yè)務和視頻業(yè)務。運維管理系統(tǒng)結合業(yè)務類型、業(yè)務屬性等，實現(xiàn)應用需求與網(wǎng)絡能力的自動映射匹配，生成基于應用需求的按需資源管控策略。基于策略進行服務編排實現(xiàn)按需資源申請，創(chuàng)建了2個不同的虛擬網(wǎng)絡，分別承載數(shù)據(jù)業(yè)務和視頻業(yè)務，為用戶提供所需服務。創(chuàng)建結果如圖3所示，基于同一個物理網(wǎng)絡創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡1和虛擬網(wǎng)絡2，虛擬網(wǎng)絡1承載數(shù)據(jù)業(yè)務，虛擬網(wǎng)絡2承載視頻業(yè)務。

圖3 虛擬網(wǎng)絡創(chuàng)建結果

圖4(a)與圖4(b)為h_s1_1和h_s2_1屬于虛擬網(wǎng)絡1；圖4(c)與圖4(d)為h_s2_2和h_s3_1屬于虛擬網(wǎng)絡2。

圖4 虛擬網(wǎng)絡配置查詢結果

選擇虛擬網(wǎng)絡1的終端與虛擬網(wǎng)絡2的終端進行互通測試，結果如圖5所示。

圖5 虛擬網(wǎng)絡間互通結果

實驗結果表明，提出的航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡體系架構可以實現(xiàn)面向服務的運維管理，能更好地支持多樣化測控運控的應用需求。不同業(yè)務域間數(shù)據(jù)的安全隔離，滿足一網(wǎng)多域的航天業(yè)務需求。

4.2.2 資源動態(tài)調(diào)配

運維管理系統(tǒng)從用戶處接收視頻傳輸保障任務，按需生成QoS調(diào)控策略，下發(fā)至網(wǎng)絡資源管控系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 調(diào)控策略生成

首先，網(wǎng)絡資源管控系統(tǒng)接收運維管理系統(tǒng)下發(fā)的視頻傳輸調(diào)控策略，并將調(diào)控策略下發(fā)至基礎設施。

基礎設施根據(jù)流表執(zhí)行相關命令，完成視頻傳輸保障，如圖7所示。此時，地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡中用于傳輸視頻的某條鏈路斷開，視頻傳輸出現(xiàn)馬賽克，如圖8所示。

圖7 視頻傳輸正常

圖8 視頻傳輸異常

基礎設施主動上報資源管控系統(tǒng)，控制器實時感知網(wǎng)絡運行狀態(tài)，感知節(jié)點故障/鏈路故障/鏈路擁塞后，上報統(tǒng)一運維管理系統(tǒng)，統(tǒng)一運維管理系統(tǒng)拓撲視圖該鏈路顏色由深變淺，如圖9所示。

同時，資源管控系統(tǒng)生成網(wǎng)絡重構策略，控制器下發(fā)至基礎設施進行網(wǎng)絡重構，此時視頻正恢復高清傳輸。

實驗結果表明，提出的未來航天信息通信網(wǎng)絡架構，實現(xiàn)了面向服務的資源靈活調(diào)配、快速重組，滿足網(wǎng)絡資源的靈活、高效、按需、細粒度和自動化管控的需求。

圖9 運行狀態(tài)實時監(jiān)視

5 應用部署與效益分析

在實際應用中，航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡“一張網(wǎng)”基礎設施按照“一體化、自動化、智能化、服務化”的需求進行構建，由一體化的天基和地基雙平面組成。地基平面主要包括傳輸轉(zhuǎn)發(fā)設備、資源管控系統(tǒng)、運維管理系統(tǒng)與安全防護系統(tǒng)，天基平面主要包括衛(wèi)星站、衛(wèi)星鏈路和衛(wèi)星信道控制設備，如圖10所示，由2個平面上的這些設備共同實現(xiàn)航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡體系架構。

圖10 航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡應用示意

運維管理系統(tǒng)實現(xiàn)對地面系統(tǒng)一體化傳輸網(wǎng)絡的統(tǒng)一管理，具備基于大數(shù)據(jù)的智能網(wǎng)絡分析、多域多維態(tài)勢融合呈現(xiàn)和基于應用的按需資源調(diào)控能力；資源管控系統(tǒng)根據(jù)應用需求實現(xiàn)策略自動生成并完成策略向控制器和衛(wèi)星網(wǎng)管理系統(tǒng)下發(fā)，具備面向業(yè)務與網(wǎng)絡狀態(tài)的自動規(guī)劃配置能力，自動獲取網(wǎng)絡統(tǒng)一資源視圖，實現(xiàn)底層網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)設備的集中控制，從而簡化配置、優(yōu)化管理；衛(wèi)星信道管理系統(tǒng)實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡綜合管理、規(guī)劃、資源調(diào)配、評估、終端入網(wǎng)/鑒權及狀態(tài)性能監(jiān)視等功能；安全防護系統(tǒng)采用軟件定義技術，將防火墻及入侵檢測等安全防護手段進行虛擬化、資源池化，按需為網(wǎng)絡提供安全防護能力。

以網(wǎng)絡基礎設施為基礎，根據(jù)各類航天業(yè)務QoS需求構建測控專用網(wǎng)域、運控專用網(wǎng)域、航天應用網(wǎng)域及測繪氣象網(wǎng)域等虛擬專用網(wǎng)域，滿足航天測控、運控、信息保障、太空防衛(wèi)和空間態(tài)勢感知等多種航天任務的特殊QoS保障信息傳輸要求。

6 結束語

當前航天網(wǎng)絡尚未實現(xiàn)面向服務的自動化運維管理與資源調(diào)配。著眼于航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡的一體化發(fā)展，在分析了航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡現(xiàn)狀和軟件定義網(wǎng)絡體系架構的基礎上，按照面向服務的思路，深入研究未來航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡架構，分析體系架構各層的設計要點、接口關系以及應用部署等內(nèi)容。通過演示環(huán)境驗證了采用面向服務架構的航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡具備了按需調(diào)配資源的能力，為未來航天地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡的研究發(fā)展奠定基礎。下一步工作的研究方向是對安全功能服務化、安全資源動態(tài)調(diào)配以及衛(wèi)星資源動態(tài)調(diào)配能力的驗證，為滿足多樣化航天應用業(yè)務信息的高速可靠傳輸提供技術支撐。