学术：软件定义可重构卫星网络系统研究

Original 2016-10-10 ☞ 信息与电子前沿

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今日荐文的作者为钱学森空间技术实验室专家王春锋。本篇连载自论文《软件定义可重构卫星网络系统研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第5期。下面和小编一起开始学习吧~

空间信息网络

空间信息网络在未来信息化战争中具有不可替代的重要作用，空间信息网络正在成为全球范围的研究热点。空间信息网络是以卫星平台为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。我国目前地面站相对较少，空间卫星的数据不能及时有效的传输到地面，只有通过空间卫星组网，发挥空地一体化的系统整体优势，才可从根本上解决卫星组网在空间探测、对地观测、空间信息对抗的全域灵活覆盖能力。

空间无线传感网

空间无线传感网是一种特殊的空间信息网络系统，空间无线传感网是分布式部署的、由卫星携带的大量传感器节点组成，节点间可以通过星间链路相互通信、用于环境监测和探测。在空间无线传感网中，每当一个卫星与地面进行连通时，其它的卫星可以通过空间信息网络把实时数据传输到与地面连通的卫星，由它发送到地面，比等待自己直接与地面站进行连通时再进行数据传输要更快。通过空间无线传感网，分布在多个卫星上的传感器之间就可以通信，使各个卫星上采集的传感器可以共享，通过卫星上各传感器之间的知识共享，提高数据采集之间的协调和效率。

本文探讨了软件定义空间可重构卫星网络体系架构和设计方法，对软件定义空间网络交换机，空间网络控制器，路由方法，资源调度，可重构实现原理等进行了描述。

1. 软件定义卫星网络体系架构设计

软件定义卫星网络体系架构采用分层OpenFlow架构体系协议，其基本思想是把传统网络的控制平面和数据平面进行分离式设计，将卫星网络进行分层，各层进行集中化控制，实现分布和集中控制的综合网络系统。在集中式控制模型中，为每层空间网络配置一个集中式控制器（Centralized Controller, CC），并分别与各自层的每个卫星建立一条OpenFlow安全通道（Secure Channel），管理控制该层所有的卫星。这样的架构设计将所有的Controller连接到统一控制中心上，通过实现多层空间卫星网络的一体化互联与智能管控。由于每个CC跟本层的节点卫星节点进行互联，各层的网络可根据需求灵活设置，避免了各层所有节点跟一个集中式控制器连接带来的组网问题，同时保持各个层面的相对独立性和强异构性。各层的CC掌握本层网络的拓扑和链路信息，统一控制中心掌握多层网络全局信息，在此基础上可以构建卫星间组网负载分担的转发策略和路由算法，实现业务在整个空间网络中的均衡分配以及数据流的最佳路由选路。软件定义卫星网络体系架构如图1所示。

图1 软件定义空间网络体系架构

软件定义空间网络核心设计包括两个方面，即软件定义空间网络的交换系统设计与控制器系统设计。下面分别阐述两个部分的设计原理。

1.1 软件定义空间网络交换系统设计

软件定义空间网络交换系统设计基于OpenFlow交换机原理，OpenFlow交换系统实现数据层和控制层的分离，其中基于OpenFlow的交换机进行数据层的转发，而OpenFlow控制器实现网络控制功能。OpenFlow控制器通过OpenFlow协议这个标准接口对OpenFlow交换机中的流表进行控制，从而实现对整个网络进行集中控制。

OpenFlow交换机主要由三部分组成：流表（Flow table）、安全信道（Secure channel）和OpenFlow协议（OpenFlow protocol）。每个OpenFlow交换机的处理单元由流表构成，而每个流表由许多流表项组成，流表项则代表转发规则。进入交换机的数据包通过查询流表来取得对应的操作。流表查询通过多级流表和流水线模式来获得对应操作。

如图2所示，流表项主要由匹配字段（Match field）、计数器（Counter）和操作（Instruction）三部分组成。匹配字段的结构包含若干匹配项，涵盖了链路层、网络层和传输层大部分标识。计数器用来对数据流的基本数据进行统计，操作则表明了与该流表项匹配的数据包应该执行的下一步操作。安全通道是连接OpenFlow交换机和控制器的接口，控制器通过这个接口，按照OpenFlow协议规定的格式来配置和管理OpenFlow交换机。

图2 OpenFlow流表示图

1.2 软件定义空间网络控制器系统设计

软件定义空间网络控制器基于NOX架构进行控制器设计，在OpenFlow网络中，NOX架构控制器是OpenFlow网络中可编程控制的中央执行单元，是软件定义网络中的控制软件，实现不同的逻辑管控功能。在OpenFlow网络中，NOX是控制中心，OpenFlow交换机是操作实体，NOX通过维护网络视图（Network view）来维护整个网络的基本信息，如网络拓扑、网络单元和提供的服务，运行在NOX之上的应用程序通过调用网络视图中的全局数据，进而操作OpenFlow交换机来对整个网络进行管理和控制。

通过设计FlowVisor方法实现对多控制器对不同OpenFlow交换机的控制共享问题，同时满足网络虚拟化的可重构功能，FlowVisor方法在控制器和OpenFlow交换机之间实现基于OpenFlow的网络虚拟层，它把硬件转发平面被多个逻辑网络切片（slice）共享，每个网络切片拥有不同的转发逻辑策略。在这种切片模式下，多个控制器能够同时管理一台交换机，多个虚拟的业务网络同时运行在同一个真实网络中，网络管理者能够并行地控制网络，而网络正常流量可以运行在独立的切片模式下，从而保证正常流量不受干扰。

图3基于FlowVisor的OpenFlow虚拟化示意图

FlowVisor方法将物理网络分成多个逻辑网络切片，提供了广泛定义规则来管理网络，而不是通过直接管理和调整路由器和交换机，具有为OpenFlow交换机和控制器之间提供透明代理功能。

FlowVisor方法通过抽象层来分割物理网络，FlowVisor方法使用标准OpenFlow指令集来管理OpenFlow交换机，进行带宽、CPU利用率和流量表管理，这些指令包括基于数据包表头中的特征转发数据包等转发规则。所有这些规则都是通过流量表定义的，几乎没有增加开销，设置和修改流量表规则通过单独的带外物理控制器切片进行。FlowVisor方法的网络切片是由一组文本配置文件来定义的。文本配置文件包含控制各种网络服务的规则，包括允许、只读和拒绝，其范围包括流量的来源IP地址、端口号或者数据包表头信息。网络管理员可以动态地重新分配和管理这些切片。切片隔离是FlowVisor方法的关键，通过过OpenFlow协议对交换机CPU进行管理，以达到实现网络虚拟化和可重构搭建。FlowVisor方法定义了下面五种要素：带宽、拓扑结构、流量、设备CPU、转发表，通过这五种要素的定义达到切片隔离，实现可重构功能。

2.网络可重构实现

在OpenFlow交换机和控制器的软件定义空间网络系统架构上，通过网络切片的定义从而可以容易实现空间网络可重构。可重构的网络模型可以描述为三层结构如图4所示，分别是能力层，服务层，业务层。

（1）能力层：包括由各种网络切片组成提供的基本网络数据包传输和转发功能。

（2）服务层：实现各种流量规则设置，资源优化调度，路由等服务；

（3）业务层：由用户定义的各种网络应用业务。

图4 可重构网络模型三层结构

3.路由与资源调度策略设计

软件定义可重构空间网络系统架构为卫星网络传输优化提供了可能，本节提出卫星动态全局负载均衡路由方法（Dynamic Global Payload Balance Routing，DGPBR），其核心在进行路由计算时综合考虑了卫星应用资源与网络资源的使用情况，在网络应用的访问量不断增加的情况下，负载均衡算法对卫星应用和网络的资源进行优化处理。

4. 网络时延与吞吐率性能分析仿真

网络时延由四个部分组成，即拓扑形成时延t_topo、策略计算时延t_stra、资源预留时延t_rsvp、建路时延t_set以及传输时延t_tran。

t_Total=t_topo+t_stra+t_rsvp+t_set+t_tran

以6个节点的天空地一体化网络为例进行仿真，其中5个为卫星节点，一个为地面通信节点，其中节点1，节点2，节点3为高轨地球同步卫星，可以覆盖地球，节点4和节点5为低轨卫星，节点6为地面通信节点，这些节点组成是一个无线Ad hoc拓扑网络。

仿真平台配备8核2.4GHz Intel E5620和12G RAM的仿真服务器，安装了CentOS v6.4 64位系统与VMware ESXi 5.1虚拟机，具体的仿真结果如图6和图7所示。

图5 六点mesh拓扑图

图6 网络时延性能仿真图

图7 网络吞吐量性能仿真图

如图6所示，与传统策略相对较，DGPBR策略明显的大幅度降低网络时延，特别是当网络负载较大的时候。图7则表示出传统策略与DGPBR策略在吞吐量方面的性能对比,可以明显看出的现象是，与传统策略相比，DGPBR策略显著提高了网络中的吞吐量。

5.结语

本文探讨了软件定义空间网络系统架构，阐述了空间OpenFlow交换机和控制器的设计原理，说明了空间网络可重构实现方法，提出了针对卫星网络的动态全局负载均衡的路由选择和资源调度策略，并进行网络时延与吞吐率等性能分析。仿真结果表明，所提出的动态全局负载均衡路由策略能够大幅度降低网络时延，同时提升网络整体吞吐量性能。