栗聯(lián)盟 吳向軍 張經(jīng)緯

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

隨著海軍信息化時代的來臨，戰(zhàn)斗力評估模式也發(fā)生變化，在具有高性能的艦載武器的同時，如何合理的調(diào)度和利用這些武器裝備，提高艦船的作戰(zhàn)能力是各國海軍非常重視的地方［1］。艦船上的裝備系統(tǒng)復(fù)雜多樣，每種系統(tǒng)的物理布局、布線相互獨(dú)立，可能會造成前期部署的工作量增大；各個系統(tǒng)間運(yùn)行的協(xié)議技術(shù)可能不同，對運(yùn)維人員技術(shù)要求高多［2］。如何實(shí)現(xiàn)將艦船中各個系統(tǒng)集成到一起，進(jìn)行統(tǒng)一的資源調(diào)度、信息交互、指令響應(yīng)，以滿足全艦各業(yè)務(wù)的傳輸需求，并實(shí)現(xiàn)資信息充分共享、物理布局合理、管理維護(hù)簡單、應(yīng)用服務(wù)便捷是艦船一體化網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)［3］。

SDN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控分離，具有良好的擴(kuò)展性，能夠很好地適應(yīng)未來復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和實(shí)時可靠的網(wǎng)絡(luò)需求［4］。以SDN 網(wǎng)絡(luò)為核心的艦船一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以滿足未來艦船上對于網(wǎng)絡(luò)資源的要求［5］。

2 艦船一體化網(wǎng)絡(luò)

艦船網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)主要有艦船作戰(zhàn)網(wǎng)、艦船通信網(wǎng)以及艦船平臺網(wǎng)等［6］。由于艦船網(wǎng)絡(luò)的各個子網(wǎng)之間的功能目的通常不同，所以它們之間往往存在著很大的差異，因而這些不同子網(wǎng)之間的通信調(diào)度及資源高效利用需要通過艦船網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)完成［7］。

艦船網(wǎng)絡(luò)一體化包括五個方面即：設(shè)施一體化、技術(shù)體制一體化、管控一體化、業(yè)務(wù)一體化和服務(wù)一體化。五個一體化包含了在設(shè)備部署、管理控制、日常運(yùn)維、資源調(diào)度、業(yè)務(wù)服務(wù)等幾個方面的優(yōu)化，旨在統(tǒng)籌部署軟硬件設(shè)施、降低日常運(yùn)維難度、提升資源調(diào)度能力和提高服務(wù)質(zhì)量。

如圖1 所示，艦船一體化網(wǎng)絡(luò)由四個層次組成分別是硬件接入層、數(shù)據(jù)傳輸層、管理控制層和用戶應(yīng)用層。

1）硬件接入層包括各種信息終端設(shè)備，如PC機(jī)、電話、定位、火炮、各種傳感設(shè)備和一些現(xiàn)場處理設(shè)備。這些設(shè)備充當(dāng)系統(tǒng)中的信息采集和交互終端，業(yè)務(wù)要求不同，所以采用的信息傳輸方式也有所不同。

2）數(shù)據(jù)傳輸層有很多信息傳輸方式，對時間精度要求較高的通過TSN網(wǎng)絡(luò)傳輸、設(shè)備部署困難傳輸信息量較小的可以用無線方式進(jìn)行傳輸、需要快速啟動部署的子系統(tǒng)可以通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

3）管理控制層管理各個子網(wǎng)的運(yùn)行，主要功能有流量監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)管理、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和時鐘控制等，采用SDN的方法將各個網(wǎng)絡(luò)管理起來。

4）用戶應(yīng)用層主要是艦船網(wǎng)絡(luò)上的一些應(yīng)用程序，例如綜合態(tài)勢顯示、設(shè)備管理、天氣信息和基礎(chǔ)辦公等功能。

本架構(gòu)中SDN控制器為架構(gòu)的核心，管控整個網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)，具有全局視圖，對全局的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理，網(wǎng)絡(luò)的操作和運(yùn)維也將更加方便。未來艦船一體化網(wǎng)絡(luò)中，對于業(yè)務(wù)的可靠性具有很高的要求，TSN 網(wǎng)絡(luò)是實(shí)時性網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕夹g(shù)，本文將也著重介紹SDN技術(shù)管控TSN網(wǎng)絡(luò)的方式。

3 SDN和TSN網(wǎng)絡(luò)介紹

3.1 SDN技術(shù)介紹

SDN是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)，最大的特點(diǎn)就是將數(shù)據(jù)平面和控制平面解耦合，控制平面能夠集中化地控制數(shù)據(jù)平面的設(shè)備，數(shù)據(jù)平面設(shè)備對于控制平面來說處于完全透明的狀態(tài)，有效地解決了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性差，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不靈活等問題，可以更好地滿足未來業(yè)務(wù)的發(fā)展需要，能夠有效地降低網(wǎng)絡(luò)的控制管理難度［8～9］。

3.2 TSN網(wǎng)絡(luò)介紹

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代到來，傳統(tǒng)工業(yè)逐漸得到轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)很難滿足工業(yè)4.0 的要求，工業(yè)以太網(wǎng)來到了確定性通信時代。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是確定性以太網(wǎng)的代表技術(shù)。目前TSN技術(shù)已在很多領(lǐng)域應(yīng)用［10～11］。

在TSN 網(wǎng)絡(luò)管理方面，TSN 工作組制定了IEEE802.1Qcc協(xié)議，該協(xié)議給出了三種TSN管控模型，三種模型分別適用于不同的場景。而實(shí)現(xiàn)IEEE802.1Qcc 的前提：1）鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Link Layer Discovery Protocol，LLDP）；2）基于YANG模型（Yet Another Next Generation）的遠(yuǎn)程配置功能；3）TSN流量調(diào)度［12］。

SDN 通過解耦合的方式將數(shù)據(jù)平面和控制平面分離開來，可以更好地管理整個網(wǎng)絡(luò)，也因其特有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得SDN網(wǎng)絡(luò)和TSN網(wǎng)絡(luò)的完全集中式模型能夠更好地進(jìn)行融合，達(dá)到對TS 流的調(diào)度，使得TSN網(wǎng)絡(luò)更具有擴(kuò)展性［13］。

3.3 SDN&TSN控制器相關(guān)研究

SDN 控制器如何實(shí)現(xiàn)控制TSN 網(wǎng)絡(luò)國內(nèi)外有很多學(xué)者進(jìn)行研究分析。文獻(xiàn)［8］通過SDN控制器指定主時鐘來化解主時鐘選舉及原主時鐘失效后新主時鐘的產(chǎn)生等一系列問題，用NEON 技術(shù)，配置生成了IEEE802.1Qcc 模型、SDN 中的控制器和北向接口，在獲取時鐘信息后進(jìn)行相應(yīng)配置，最終驗(yàn)證了主時鐘配置的成功性［14］。文獻(xiàn)［9］認(rèn)為在未來的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，不同的業(yè)務(wù)場景對于數(shù)據(jù)的速率、延遲、抖動和可靠性等方面都有著不同的需求。利用軟件控制流預(yù)留（SDFR）的方法，在Openflow 協(xié)議上通過SDN 控制器實(shí)現(xiàn)了IEEE802.1Qcc里的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的靈活調(diào)度［15］。文獻(xiàn)［10］中提出了將TSN、SDN 和OPC UA 結(jié)合起來，用SDN控制器來管理TSN 的業(yè)務(wù)流，OPC UA 作為工控程序之間和工控程序與網(wǎng)絡(luò)控制平面之間的交互，該架構(gòu)仍不完善，需要進(jìn)一步研究［16］。

4 SDN管控TSN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

4.1 LLDP實(shí)現(xiàn)

鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Link Layer Discovery Protocol，LLDP）是實(shí)現(xiàn)TSN 管控的基礎(chǔ)，SDN 也需要通過LLDP 協(xié)議來獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，從而?shí)現(xiàn)路由信息的下發(fā)。SDN 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)LLDP 的思路是如圖2 所示。

圖2 SDN LLDP實(shí)現(xiàn)方法

1）SDN控制器構(gòu)造PacketOut消息向S1的三個端口分別發(fā)送LLDP數(shù)據(jù)包，其中將Chassis ID TLV和Port ID TLV分別置為S1的dpid和端口號；

2）控制器向交換機(jī)S1 中下發(fā)流表，流表規(guī)則為：將從Controller 端口收到的LLDP 數(shù)據(jù)包從他的對應(yīng)端口發(fā)送出去；

3）控制器向交換機(jī)S2 中下發(fā)流表，流表規(guī)則為：將從非Controller 接收到LLDP 數(shù)據(jù)包發(fā)送給控制器；

4）控制器通過解析LLDP 數(shù)據(jù)包，得到鏈路的源交換機(jī)和源接口，通過收到的PacketIn 消息知道目的交換機(jī)和目的接口。

圖3 是在SDN 仿真平臺Mininet 中實(shí)現(xiàn)LLDP的效果圖，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為搭載了Mininet 仿真平臺和Ryu控制器的Ubuntu64位虛擬機(jī)，下面幾個實(shí)驗(yàn)也是在同樣的環(huán)境中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過矩陣方式給出，為四個交換機(jī)組成的簡單串行結(jié)構(gòu)。

圖3 LLDP實(shí)現(xiàn)結(jié)果

4.2 鏈路延遲實(shí)現(xiàn)

鏈路延遲的獲取能夠幫助控制器了解鏈路的擁塞情況，為時間敏感流的傳輸進(jìn)行保障。實(shí)現(xiàn)鏈路延遲測量的方法是通過ECHO 報文。下圖流程是控制器發(fā)送ECHO 報文給交換機(jī)，ECHO 報文經(jīng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)后回到控制器。控制器在發(fā)送ECHO報文時記錄發(fā)送時刻的時間戳，在報文返回到控制器時獲得返回的時間戳，即可獲取到控制器到交換機(jī)的時延。其流程如圖4所示。

圖4 鏈路延遲計(jì)算原理

圖5 是路徑延遲的測量結(jié)果，前四個是交換機(jī)到控制器的延遲，后四個是交換機(jī)間的延遲。

圖5 鏈路延遲的結(jié)果

4.3 時間同步實(shí)現(xiàn)

對于實(shí)時通信而言，時間同步在TSN網(wǎng)絡(luò)中起到了非常重要的作用，端到端的傳輸延遲具有難以商定的時間界限，因此網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都需要共同的時間參考。時鐘同步也可以利用echo 報文來實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算出單邊的鏈路延遲后，以SDN控制器下發(fā)自身的時鐘作為參考，交換機(jī)的時鐘是控制器時鐘與鏈路延遲之和。在交換機(jī)進(jìn)行時間同步后，通過echo報文將自身時鐘信息返回給控制器，控制器判斷精度是否達(dá)到要求、是否需要再次進(jìn)行時鐘同步。

如圖6 是時鐘同步的效果圖，可以看到所有時鐘都同步到了1625310748.8460317這個時間戳，精確度達(dá)到納秒級，可以滿足部分可靠性傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖6 時鐘同步實(shí)現(xiàn)效果

4.4 負(fù)載均衡

進(jìn)行測試的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7 所示，有兩個主機(jī)，主機(jī)間有四條線路，實(shí)驗(yàn)中h1 發(fā)包到h2，控制器會循環(huán)調(diào)用四條鏈路進(jìn)行傳輸。

圖7 負(fù)載均衡實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

圖8 負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)結(jié)果圖

圖8 是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，h1 對h2 發(fā)包，經(jīng)wireshark 軟件抓包后的結(jié)果如圖所示，數(shù)據(jù)包并不只走某一條鏈路，而是四條鏈路循環(huán)調(diào)用，以達(dá)到負(fù)載均衡的效果。

5 結(jié)語

本文提出了一種艦船一體化網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，該架構(gòu)以SDN 控制器為核心，通過管控TSN 網(wǎng)絡(luò)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、無線蜂窩網(wǎng)局域網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)和功能，能夠適應(yīng)未來戰(zhàn)爭中復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境。本文主要介紹了SDN控制器如何管控TSN網(wǎng)絡(luò)，并初步實(shí)現(xiàn)了一些功能，如LLDP、鏈路延遲測量、時鐘同步和負(fù)載均衡等功能，后續(xù)將在SDN仿真平臺上實(shí)現(xiàn)其他TSN功能。