基于SDN/NFV的海軍虛擬軍事信息網絡構建方法*

鄭　亮　嚴　彬

(1.武漢船舶通信研究所　武漢　430205)(2.中國地質大學　武漢　430070)

ZHENG Liang1　YAN Bin2

(1.Wuhan Marine Communications Reasearch Institute, Wuhan　430205) (2.China University of Geosciences, Wuhan　430070)

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基于SDN/NFV的海軍虛擬軍事信息網絡構建方法*

鄭亮1嚴彬2

(1.武漢船舶通信研究所武漢430205)(2.中國地質大學武漢430070)

論文闡述了基于SDN/NFV的海軍虛擬軍事信息網絡構建方法，給出了海軍軍事信息網絡的現狀和需求，介紹了海軍虛擬軍事信息網絡的功能分層和組網體制，提出了海軍虛擬軍事信息網絡的實現方案，推動了基礎網絡設施和上層戰術應用的解耦，實現海軍網絡資源虛擬化和抽象化，將基礎網絡設施轉變為網絡服務，為海軍信息云網絡的構建奠定了基礎。

網絡虛擬化; SDN; NFV; OpenFlow; 信息網絡

ZHENG Liang1YAN Bin2

(1.Wuhan Marine Communications Reasearch Institute, Wuhan430205) (2.China University of Geosciences, Wuhan430070)

Class NumberTP939

1　引言

軍事信息網絡系統的設計理念源自于20世紀90年代興起的新軍事變革和實現信息化作戰途徑的研究過程，其目標是尋求新的網絡架構和技術體制構建一種綜合化信息網絡系統支撐實現信息化作戰。進入21世紀，美軍正在GIG框架內著力推進軍事信息網絡系統的建設工作。2012 年，美軍提出了聯合信息環境( Joint Information Environment，JIE) 建設計劃[1]，目標是建設一體化、安全、高效的虛擬軍事信息網絡，提供快速交付和使用集成的云計算服務[2]。當前海軍作戰主要依托靜態規劃的通信網絡，網絡構建和調整時間長，難以滿足瞬息萬變的戰場環境要求，需要將軍事通信技術和商用SDN/NFV技術進行結合，構建海軍虛擬軍事信息網絡。

2　SDN/NFV技術

網絡虛擬化是指通過抽象、分配、隔離機制在一個公共物理網絡上支持多個虛擬網絡，各虛擬網絡可以使用自己的協議體系結構，并且不會互相影響[3]。傳統的網絡虛擬化技術以VXLAN、NVGRE、STT等技術為代表[4]。國外主要發達國家也先后開展了針對網絡虛擬化技術的PlanetLab、GENI、CABO、VINI、4WARD、Trilogy、UCLP、NouVeau、AKARI等大型研究項目[5]。而SDN/NFV技術的發展，代表著網絡虛擬化已逐漸走向成熟。

2012年4月，ONF(開放網絡基金會)發布白皮書，將SDN定義為：“SDN是一種新興的、控制與轉發分離并直接可編程的網絡架構，其核心是將傳統網絡設備緊耦合的網絡架構解耦成應用、控制、轉發三層分離的架構，并通過標準化實現網絡的集中管控和網絡應用的可編程”[6]。

2012年10月，美國AT&T、德國電信、英國電信、中國移動等13個主流運營商牽頭，聯合52家網絡運營商、設備供應商，在歐洲電信標準協會(ETSI)發起成立了NFV標準工作組(NFV ISG)，來推動其網絡功能虛擬化(NFV)產業化發展。NFV以“功能軟件化”、“業務統一編排”和“硬件云資源池”為主要特征，構建商用電信系統的云化網絡體系[7]。目前阿爾卡特朗訊、愛立信、華為、諾基亞、Intel、HP、Juniper、Cisco等多個廠家已完成了vIMS、vEPC、vCPE、vCDN等系統的測試和驗證[8]。全球多個領先的運營商都計劃在2015年下半年開始NFV的試商用[9]。

目前電信網絡和軍事信息網絡均采取垂直式的應用部署方式，網絡功能與業務能力耦合度高，網絡設備以分布式控制為主，種類眾多，缺乏統一的全局網絡視圖。隨著網絡“云化”的推進，電信網絡和軍事信息網絡向“開放化”發展的趨勢日益明顯，電信網絡和軍事信息網絡的架構將進一步“扁平”。網絡云化提供了基礎設施和上層應用的解耦，底層網絡資源通過虛擬化可以被多種應用共享。網絡虛擬化技術可以靈活的調配網絡資源，根據應用的負載要求，網絡功能自動化部署，實時遷移，自動縮容和擴容[10]。

3　功能分層

海軍虛擬軍事信息網絡分為通信資源層、虛擬化層、虛擬網控制層、虛擬網服務層、虛擬網管理層、虛擬網安全層。系統層次如圖1所示。

1) 通信資源層

通信資源層為海軍虛擬軍事信息網絡提供信息傳輸物理通道，主要由無線通信網絡和岸基有線通信網絡組成。

2) 虛擬化層

虛擬化層通過虛擬化技術，進行底層網絡資源的封裝，屏蔽底層通信網絡設備的差異，實現底層物理網絡對上層戰術應用的透明化，主要由虛擬網絡轉發設備組成。虛擬網絡轉發設備完成虛擬網絡與物理網絡之間的接口信令和業務數據的轉換和適配，具備流表接收、策略執行、數據匹配、信息轉發等功能。

圖1　海軍虛擬軍事信息網絡系統層次示意圖

3) 虛擬網控制層

網絡控制層為海軍虛擬軍事信息網絡提供網絡接入和控制能力，主要由虛擬網絡控制器組成。虛擬網絡控制器從全局上監測虛擬網絡的資源容量、網絡需求、網絡配置、連接方式等信息，并以集中化方式對全網進行動態控制。

4) 虛擬網服務層

虛擬網服務層為各類用戶提供統一的虛擬網絡應用服務環境，主要由虛擬網絡服務系統組成。虛擬網絡服務系統面向虛擬網絡服務用戶，提供虛擬網絡業務能力的統一封裝和業務生成環境，為新業務構建和多種業務的靈活組合提供支撐。

5) 虛擬網管理層

虛擬網管理層是保障虛擬網絡穩定、可靠和高效運行的物質基礎，是監視虛擬網絡運行、處置虛擬網絡事件、評估虛擬網絡性能、調度虛擬網絡資源的服務平臺，主要由虛擬網絡管理系統組成。

6) 虛擬網安全層

虛擬網安全層是虛擬網絡安全可控運行的重要保障，為虛擬網絡和用戶提供安全認證、邊界防護、應急響應、信息加密和安全管理功能，主要由虛擬網絡安全防護系統組成。

4　組網體制

海軍虛擬軍事信息網絡將商用電信技術與海軍戰術應用相結合，以 SDN和NFV技術為基礎，實現海軍信息網絡中的關鍵資源集虛擬化，將功能、網絡及基礎設施轉變為云服務。各類海軍軍事應用采用通用的網絡能力開放接口，以標準方式控制網絡基礎設施。新型軍事應用進行部署時，可以直接疊加在已有網絡上，無需根據戰術應用連接要求，配套更改已有網絡結構，加快了新型軍事應用的部署速度。同時海軍虛擬軍事信息網絡通過虛擬網絡技術，可根據戰場環境的變化快速調整網絡拓撲，提升通信網絡敏捷部署、彈性管理的能力。

海軍虛擬軍事信息網絡按照分級分區域方式,建設多個網絡控制中心。網絡控制中心根據戰術應用的業務連接和服務質量要求，為這些戰術應用建立單獨的虛擬網絡運行在物理網絡上。海軍虛擬軍事信息網絡中，虛擬網絡與底層物理網絡的網絡映射關系分為一對多映射、多對一映射、多對多映射。其中一對多映射時，一個底層物理網絡可以同時支持多個虛擬網絡，多個戰術應用對應的虛擬網絡功能實體可同時運行在同一個底層物理網絡上，共享物理網絡帶寬資源，彼此隔離，互不干擾。多對一映射時，多個底層物理網絡協同作為一個邏輯虛擬網絡功能實體，該邏輯虛擬網絡的拓撲結構由多個物理網絡的部分節點和所需帶寬相互聯接構成，多個物理網絡聯合承載邏輯虛擬網絡的業務流量。該邏輯虛擬網絡具有標準的戰術應用網絡能力服務接口，向戰術應用屏蔽虛擬網絡內部的實現細節，為戰術應用提供統一的業務服務。多對多映射時，每個底層物理網絡支持多個戰術應用虛擬網絡功能實體，同時多個底層物理網絡也可聚合構建同一個戰術應用虛擬網絡。網絡控制中心通過為虛擬網絡分配適當的物理網絡資源，可以保證相應的戰術應用不受其它戰術應用的影響，從而能夠保證這些戰術應用端到端的服務質量。海軍虛擬軍事信息網絡的組網體制如圖2所示。

圖2　海軍虛擬軍事信息網絡的組網體制示意圖

圖3　海軍虛擬軍事信息網絡的實現機制示意圖

5　實現機制

海軍虛擬軍事信息網絡采用在光纜、長波、短波、超短波、衛星等有無線網絡上疊加虛擬網絡方式實現，其中虛擬網絡控制器采用OF-Config (OpenFlow 配置協議)實現網絡設備的管理和配置，通過OpenFlow協議下發虛擬網絡對應的流表項，控制虛擬網絡轉發設備，按照約定的服務質量要求和路由拓撲要求，調整有無線網絡的數據轉發動作。虛擬網絡轉發設備根據流表數據項，轉換為有無線物理網絡特定控制接口協議參數，在虛擬網絡控制器的控制下，完成跨越多個有無線物理網絡的數據轉發動作，在光纜、長波、短波、超短波、衛星等物理網絡上疊加新的網絡結構，構建虛擬網絡。海軍虛擬軍事信息網絡的實現機制如圖3所示。

海軍虛擬軍事信息網絡將虛擬網數據幀封裝在網絡分組中，在現有網絡之上可以創建大量虛擬域，并且它們彼此之間以及與底層有無線物理網絡之間完全隔離，提供了與底層網絡和位置無關的網絡抽象能力。海軍虛擬軍事信息網絡在虛擬網絡邊緣處部署虛擬網絡轉發設備，源平臺虛擬網絡轉發設備將虛擬網絡標識號分配給本次業務對應的虛擬網絡，在數據傳輸路徑上依次把指定的虛擬網絡標識號字段映射為相應有無線物理網絡中虛擬網絡對應的數據隊列，實現不同用戶數據流量的隔離。海軍虛擬軍事信息網絡的數據幀格式如圖4所示。

光纜/短波/超短波/長波/衛星MAC地址目標平臺虛擬網絡轉發設備IP地址UDP端口號虛擬網絡標識號虛擬網絡IP地址虛擬網絡MAC地址業務數據負荷CRC

圖4海軍虛擬軍事信息網絡的數據幀格式示意圖

6　結語

海軍虛擬軍事信息網絡通過采用SDN/NFV等網絡虛擬化技術,支持戰術應用與底層物理網絡解耦合,可根據戰術任務需求構建用戶之間虛擬網絡,使得戰術應用虛擬網絡脫離底層物理網絡的束縛,推動了軍事指揮技術與通信網絡技術的獨立發展,實現網絡資源的動態分配與調度，支持海軍信息網絡資源的虛擬化和抽象化，構建海軍信息云網絡。海軍信息化建設需要以商用網絡虛擬化技術為基礎，結合海軍作戰使命任務和軍事通信需求，進一步開展海軍虛擬軍事信息網絡的系統體系架構和實現方法研究，推動海軍信息網絡向云網絡的轉變，使海軍通信保障能力得到跨越式發展。

[1] 李成.聯合信息環境JIE及其安全研究[J].通信技術，2015(1):46-50.

[2] 戴劍偉.美軍信息體體系研究[J].指揮控制與仿真，2014(12):1-9.

[3] 朱偉.網絡虛擬化探討[J].電信網技術，2010(9):19-23.

[4] 張屆新.面向vDC的overlay網絡關鍵技術研究[J].電信科學,2014(5):138-144.

[5] 游軍玲.未來互聯網試驗床關鍵技術研究及進展[J].計算機應用，2014(6):1-8.

[6] 張順淼.軟件定義網絡研究綜述[J].計算機應用研究，2013(8):2246-2251.

[7] 孫金霞.關于NFV與SDN的基本概念及應用思考[J].電信工程技術與標準化，2014(8):1-5.

[8] 史凡.SDN_NFV技術對電信網絡架構的價值和引入要點分析[J].電信網技術，2015(4):1-4.

[9] 王大鵬.加速發展中的核心網NFV[J].郵電設計技術，2015(2):17-23.

[10] 張志強.SDN和NFV對網絡變革發展影響綜述[J].現代電信科學，2015(1):1-12.

Struction Means in the Navy Virtual Information Network Based on SDN/NFV Technology*

The struction means in the navy virtual information network based on SDN/NFV is described in this paper. The demand of the navy information network is put forward. The function level and networking framework is introduced.The realization scheme of the network is proposed.The scheme will promote independence of the base network facility and upper militery application.It can realize the virtualization and abstraction of the network resource.It can transform the base network facility to network service and establish the technical base for the struction of navy information cloud network.

network virtualization, SDN, NFV, OpenFlow, information network

2016年2月12日,

2016年3月25日

鄭亮，男，高級工程師，研究方向：海軍通信系統。嚴彬，女，講師，研究方向：無線通信。

TP939

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.030