SDN在衛(wèi)星通信應(yīng)用

1、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）在衛(wèi)星組網(wǎng)中的發(fā)展與應(yīng)用一、摘要近年來(lái)，新技術(shù)的引入，推動(dòng)了通信領(lǐng)域的發(fā)展，許多傳統(tǒng) 通信領(lǐng)域正在引入新技術(shù)以提高服務(wù)能力，例如，把軟件定義網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)（SDN）、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)（NFV）引入 衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)融合領(lǐng)域，可有效提髙組網(wǎng)的靈活性、可擴(kuò) 展性，解決與地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫集成的問(wèn)題，并進(jìn)一步降低成本，進(jìn) 而為用戶提供更多更好的服務(wù)。本文將重點(diǎn)講述SDN技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用。二、簡(jiǎn)介近年來(lái)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在通信領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢(shì)得到更廣泛關(guān)注, 在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，天地一體化網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)提出并成為發(fā)展趨勢(shì)。然 而，下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展仍面臨許多困難，一方面，分布 式路

2、由算法收斂速度慢，網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜、模糊，缺乏靈活的路由 技術(shù)支持。另一方面，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了挑戰(zhàn), 例如，動(dòng)態(tài)拓?fù)鋵傩詫?dǎo)致路由算法不穩(wěn)定，星地間的遠(yuǎn)距離通信 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)更新更耗時(shí)。此外，衛(wèi)星系統(tǒng)使用的各種通信技術(shù)和協(xié) 議使跨系統(tǒng)互聯(lián)難上加難。SDN技術(shù)的應(yīng)用將有效解決這些問(wèn)題。三、背景SDN起源于2006年斯坦福大學(xué)的Clean Slate研究課題。2009年，Mckeown教授正式提出了 SDN概念。利用分層的思想, SDN將數(shù)據(jù)與控制相分離。在控制層，包括具有邏輯中心化和可 編程的控制器，可掌握全局網(wǎng)絡(luò)信息，方便運(yùn)營(yíng)商和科研人員管 理配置網(wǎng)絡(luò)和部署新協(xié)議等。在數(shù)據(jù)層，包括啞的（d

3、umb）交換 機(jī)（與傳統(tǒng)的二層交換機(jī)不同，專指用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備）。交 換機(jī)僅提供簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以快速處理匹配的數(shù)據(jù)包, 適應(yīng)流量日益增長(zhǎng)的需求。兩層之間采用開(kāi)放的統(tǒng)一接口（如 OpenFlow等）進(jìn)行交互?？刂破魍ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口向交換機(jī)下發(fā)統(tǒng) 一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，交換機(jī)僅需按照這些規(guī)則執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作即可。因 此，SDN技術(shù)能夠有效降低設(shè)備負(fù)載，協(xié)助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商更好地控 制基礎(chǔ)設(shè)施，降低整體運(yùn)營(yíng)成本，成為最具前途的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。 因此，SDN被MIT列為“改變世界的十大創(chuàng)新技術(shù)之一”。SDN相 關(guān)技術(shù)研究迅速開(kāi)展起來(lái)，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。2013年， SIGCOMM會(huì)議收錄了多篇相關(guān)文章，甚至將S

4、DN列為專題來(lái)研討, 帶動(dòng)了 SDN相關(guān)研究的蓬勃發(fā)展。從廣義上講，SDN指的是可利用上層開(kāi)放的應(yīng)用資源接口實(shí) 現(xiàn)，軟件編程控制的各類基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；從狹義上講SDN就是基于標(biāo) 準(zhǔn)Open Flow （轉(zhuǎn)發(fā)面開(kāi)放協(xié)議）實(shí)現(xiàn)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)。SDN的核 心思想：通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面和數(shù)據(jù)面分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流 量的靈活控制。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最大不同是，SDN中包含兩種關(guān)鍵 設(shè)備：Open-Flow交換機(jī)和控制器。其中控制器負(fù)責(zé)匯總各個(gè) OpenFlow交換機(jī)上的數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)每一條數(shù)據(jù)流。OpenFlow交換機(jī)除了向控制器提供數(shù)據(jù)以外，還根據(jù)控制器的 指令，將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口。SDN的核心理念是通

5、過(guò)將網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備的控制面和數(shù)據(jù)面分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制。SDN 將原有以硬件配置為核心的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變軟件化的網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng) 絡(luò)管理的靈活、便捷。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)以路由器、交換機(jī)等硬件設(shè)備 為主使用TCP / IP協(xié)議簇來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制和管理。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)是分布式的，每個(gè)路由器根據(jù)自己所獲取的路由信息進(jìn)行數(shù) 據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，多個(gè)路由器的故障不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大影響。這種 網(wǎng)絡(luò)模式可以最大限度地保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，但是網(wǎng)絡(luò)的利用率 較低、擴(kuò)展性較差、管理難度大。與之相反的是，SDN網(wǎng)絡(luò)致力 于建立一個(gè)集中式的網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)所有數(shù) 據(jù)流的管理，每一條數(shù)據(jù)流都有一條數(shù)據(jù)通道。因此這種結(jié)構(gòu)下

6、， 網(wǎng)絡(luò)的利用率較高，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率也較高，但是同時(shí)也導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò) 的復(fù)雜度巨大。SDN的另一個(gè)重要特點(diǎn)是可以靈活管理互聯(lián)網(wǎng)應(yīng) 用的部署，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略更易實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，不能實(shí) 現(xiàn)針對(duì)某個(gè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)控制策略，對(duì)于所有的數(shù)據(jù)流一視。而 SDN可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，為不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù) 流建立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道。四、優(yōu)點(diǎn)SDN在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)：一是靈活、可控的動(dòng)態(tài)路由算法：目前大多數(shù)衛(wèi)星系統(tǒng)采用 靜態(tài)路由方法，以保證衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可控性，例如錶系統(tǒng), 而傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)是不靈活的。近幾年，動(dòng)態(tài)路由算法、分布式 鏈路狀態(tài)收集和路由計(jì)算方法被大量使用。雖然它們能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò) 流量變化的特點(diǎn)，但

7、是分布式算法降低了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可控性。每 顆衛(wèi)星都很難得到全球網(wǎng)絡(luò)視野，導(dǎo)致在很多情況下不能夠產(chǎn)生 最優(yōu)化的路由和配置策略。將SDN技術(shù)引入控制結(jié)構(gòu)，就可以解 決效率問(wèn)題。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分離數(shù)據(jù)平面和控制平面，并釆 用集中控制結(jié)構(gòu)與全球網(wǎng)絡(luò)，以計(jì)算全局路由路徑和配置策略。 同時(shí)，可以根據(jù)交通狀況和客戶的要求調(diào)整這些策略，改進(jìn)傳統(tǒng) 的靈活性衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)路由算法。二是迅速部署和更新衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)配置：隨著空間應(yīng)用的增加, 衛(wèi)星的數(shù)量和載荷的復(fù)雜性都在增加，相比地面網(wǎng)絡(luò)，改變整個(gè) 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的配置是非常困難的。SDN的中央控制特性簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn) 化了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的處理功能，并且所有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制和計(jì)算功能 都設(shè)置

8、在地面站和NOCCo所有接受新的配置信息的衛(wèi)星都可以 自動(dòng)更新無(wú)需額外的人工干預(yù)。此外，在星間鏈路或GEO衛(wèi)星廣 播單層間轉(zhuǎn)發(fā)新的路由表和配置策略還可以加快全球配置的更 新過(guò)程。三是提供靈活的，細(xì)致的，可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)控制：SDN在衛(wèi)星 組網(wǎng)架構(gòu)中，路由計(jì)算和全球網(wǎng)絡(luò)視圖可以更靈活地適應(yīng)時(shí)變網(wǎng) 絡(luò)狀態(tài)，例如業(yè)務(wù)量分布平衡，多播路徑修改和節(jié)點(diǎn)故障管理等。 在傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，低效的控制結(jié)構(gòu)和相對(duì)固定的路由策略，無(wú) 法支持更細(xì)致的管理和不斷變化的客戶要求。而在SDN架構(gòu)中， 我們可以為特定客戶設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)管理策略NOCC,不僅關(guān)注路由管 理同時(shí)也對(duì)客戶訪問(wèn)、通信計(jì)費(fèi)和客戶漫游進(jìn)行控制。一旦網(wǎng)絡(luò) 需要擴(kuò)展,S

9、DN可以在一瞬間有效地的修改和更新全局網(wǎng)絡(luò)配置。四是衛(wèi)星協(xié)同覆蓋和干擾規(guī)避：相較于客戶的控制策略，衛(wèi) 星之間的合作和資源共享更加值得關(guān)注，傳統(tǒng)的分布式協(xié)作覆蓋 算法將導(dǎo)致過(guò)量的衛(wèi)星間圖，降低了資源利用效率。而在SDN架 構(gòu)中，衛(wèi)星只需要互動(dòng)NOCC即可在規(guī)定的時(shí)間完成全球覆蓋調(diào) 整和干擾回避。五是衛(wèi)星系統(tǒng)有更好的相容性：目前，軟件定義的無(wú)線電（SDR）技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為衛(wèi)星的有效負(fù)載。其硬件可編程為多 模式操作，無(wú)需改變硬件本身，即可完成無(wú)線電重配置、遠(yuǎn)程升 級(jí)以及容納新的應(yīng)用和服務(wù)等功能。SDR技術(shù)主要提供了可編程 物理層，與軟件定義的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合技術(shù)，整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以 提供可編程性和靈活性

10、，從物理層到互聯(lián)層。這將使未來(lái)衛(wèi)星網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)可以互連更多的異構(gòu)航天系統(tǒng)和終端，具備了更好的向后 兼容性。六是較低的衛(wèi)星系統(tǒng)成本：新的架構(gòu)降低了系統(tǒng)的成本，新 衛(wèi)星的所有控制邏輯將由地面實(shí)現(xiàn)，這使得衛(wèi)星設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單, 配置和更新組建更加容易。使用地面成熟的SDN技術(shù)，衛(wèi)星的設(shè) 計(jì)和實(shí)現(xiàn)成本可以在很大程度上降低。同時(shí)，新的控制結(jié)構(gòu)的 ISL轉(zhuǎn)發(fā)和GEO廣播可以減少地面站，有效降低了總系統(tǒng)的投資。五、引用1、Future Space-based Communications Infrastructures based on High Throughput Satellites and Softwar

11、e Defined NetworkingT Rossi, M. De Sanctis, E Cianca, C Fragale, M. Ruggieri2、Software Defined Networking andVirtualization for Broadband Satellite NetworksLionel Bertaux, Samir Medjiah, Pascal Berthou, Slim Abdellatif, Akram Hakiri, Patrick Gelard, Fabrice Planchou, and Marc Bruyere3、Software Def in ed Satellite Networks： Benefits a ndChalle nges Zhu Tang, Baokang Zhao, Wanrong Yu, Zhenqian Feng, Chunqing Wu National Unive