基于SDN的衛星網絡及南向接口協議擴展

馮淼淼，徐展琦，汪春霆，張亞生，肖永偉

( 1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071;2.通信網信息傳輸與分發重點實驗室，河北 石家莊 050081 )

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基于SDN的衛星網絡及南向接口協議擴展

馮淼淼1，徐展琦1，汪春霆2，張亞生2，肖永偉2

( 1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071;2.通信網信息傳輸與分發重點實驗室，河北 石家莊 050081 )

針對衛星通信系統配置更新不靈活、管理復雜等問題，將軟件定義網絡框架引入衛星網絡。簡要介紹基于SDN的星地混合網絡架構，分析SDN架構中的南向接口協議在衛星網絡中的適用性。針對衛星交換節點特性與功能，擴展和增強南向接口OpenFlow協議的功能，以利用多流表架構實現衛星節點多粒度交換，增加對微波端口特性的支持，通過控制器實時獲取衛星性能參數，達到對衛星網絡節點的靈活配置。

軟件定義網絡；衛星網絡；OpenFlow協議擴展；多流表

0 引言

衛星網絡以其獨有的特性在通信廣播、軍事偵察、氣象預報、導航定位等領域得到大量應用，更在5G網絡的發展中扮演重要角色[1]。然而，衛星網絡面臨的星地之間距離過大、全局網絡狀態更新過慢、路由算法不穩定等問題，使其無法適應快速變化的網絡狀態，提供細粒度的網絡服務。

軟件定義網絡 (Software Defined Network,SDN)[2]作為一種控制轉發分離的新型網絡架構，憑借其靈活性、開放性及可編程性贏得廣泛關注。很多研究將SDN架構引入衛星網絡，解決衛星網絡配置更新不靈活、管理偏復雜等問題。軟件定義衛星 (Software Defined Satellite,SDS)[3]通過對衛星有效載荷的定義實現軟件定義功能，執行不同的業務，滿足用戶多種需求，靈活可控。軟件定義衛星網絡 (SDS Networks,SDSN)[4]架構通過位于地面站的控制器集中管理全局化網絡視圖，更加靈活地配置衛星交換體制、鏈路通信協議，部署更細粒度的管理策略，提供更好的通用性。OpenSAN[5]架構將GEO組作為控制層，解決控制平面與轉發平面資源消耗過大的問題。另外，部分研究者將SDN與網絡功能虛擬化 (Network Function Virtualization,NFV)[6]結合用于星地網絡。文獻[7-8]將SDN/NFV技術應用于地面與衛星網絡的融合，使其覆蓋范圍更廣、資源利用更優化，且具有更好的網絡彈性及部署通信服務的靈活性。然而，上述研究卻未考慮OpenFlow在衛星網絡中的適用性。OpenFlow協議是針對地面以太網提出的，有線網絡的信道傳輸特性較好，需收集的信息少；而衛星網絡支持節點多粒度交換，并采用激光微波混合的無線傳輸方式，需要獲取更加復雜的特性。

本文基于SDN構建星地混合網絡架構，實現對衛星性能參數的實時監測，掌握變化頻繁的衛星網絡狀態，提供更加細粒度的管理服務。OpenFlow協議作為標準的南向接口協議，在地面網絡的研究中已取得重大進展[9]，而在衛星通信網絡中的應用有待深入研究。本文重點研究OpenFlow協議對于衛星網絡的適用性及其功能擴展，旨在使SDN與衛星網絡更好地融合，構建一個靈活、可控的衛星網絡。

1 基于SDN的星地混合網絡

1.1 網絡架構

圖1給出基于SDN的星地混合網絡架構，它由數據平面、控制平面和管理平面組成。按照SDN架構自底向上，通信衛星GEO作為數據平面中的轉發設備，根據控制器上傳的流表規則負責轉發；位于地面站的SDN控制器擁有對衛星網絡的全局視圖，實時監測衛星狀態，動態合理地調配衛星資源；地面子網中的網絡控制中心通過軟件編程經控制器實現對衛星的靈活配置，滿足用戶多種需求。

圖1 基于SDN的星地混合網絡架構

1.2 接口協議適用性

SDN北向接口是用戶業務以及各種網絡業務開發者有效控制和利用網絡的門戶，開發者以軟件編程的形式調用各種網絡資源，全局掌控和調度網絡資源，實現軟件可編程控制的網絡[10]。目前，表征狀態傳輸 (REpresentational State Transfer,REST)[11]是應用最廣泛的北向接口。本文所提架構中，控制器與網絡控制中心均位于地面網絡中。因此，已有的北向接口應用于衛星網絡無需改進。

OpenFlow協議作為公認的南向接口協議標準，負責控制平面與數據平面之間的信息交互。控制器通過OpenFlow協議向底層轉發設備下發相應的流表，轉發設備只需按照流表定義的規則實現匹配轉發即可[12]。不同于地面OpenFlow交換機，衛星網絡中GEO通信衛星作為轉發設備，由位于地面站的控制器上載流表信息，衛星根據其流表進行轉發。因此，現有的OpenFlow協議并不適用于衛星網絡中。為了使OpenFlow支持衛星網絡特性，包括衛星節點多粒度交換和激光微波混合特性等，需要對OpenFlow v1.5[13]做出一定的功能擴展。

2 衛星多粒度交換擴展

星地混合網絡的衛星節點是整個網絡的核心，一般是具有星上交換能力的GEO衛星，不僅要支持傳統的IP交換、ATM交換、電路交換，而且還要支持光纖交換和光波長交換[14]，而OpenFlow協議僅能對以太網中的IP分組進行處理，并不支持多粒度交換。故而本文將OpenFlow協議標準中的多流表匹配框架應用到多粒度交換的擴展中，使其適用于衛星網絡。

2.1 多流表匹配框架

如圖2所示，本文采用多級流表處理架構完成衛星多粒度交換擴展，各級流表完成不同粒度交換。多流表對流表進行特征提取，將匹配過程分解成多個步驟，形成流水線的處理形式，以減少流表尺寸和降低總流表數，提升流表處理效率[15]。流表ID從0開始依次遞增，隨著流水線繼續進行，交換粒度越來越小。

圖2 衛星多粒度交換流表匹配架構

當數據包到達入端口，則進入Table 0進行匹配，若匹配到相應表項，則根據該流表項指定的動作進行下一步處理，跳轉至下一級流表繼續匹配或直接退出，結束流水線；反之，若未匹配，則將數據包打包成PacketIn消息發往控制器，等待控制器下發策略，做進一步的處理。

圖3給出多流表匹配框架中Payload Gran域的格式，它指示當前載荷之上是否存在更小的交換粒度，若存在，則跳轉進入相應流表，繼續流水線處理；否則，停止流水線，直接轉發輸出。

圖3 Payload Gran域的具體結構

Hierarchy：表示當前位于何種交換級別。

000：表示當前處于端口交換級別；

001：表示當前處于波帶交換級別；

010：表示當前處于波長交換級別；

011：表示當前處于SDH交換級別；

010：表示當前處于ATM交換級別；

其余的IP、ATM、SDH、WL、WB均為標志位，指示當前交換粒度之上，是否存在相應的交換粒度。

2.2 匹配域擴展

上述多流表匹配框架中，各級流表的匹配字段并未包含在OpenFlow v1.5協議中。因此基于Openflow v1.5原有的44個匹配域，增加以下擴展域。

enum oxm_ofb_match_fields {

……

OPFXMT_OFB_PAYLOAD_GRAN =45，/* The smaller switching granularity on current switching. */

OFPXMT_OFB_ATM_VPI =46，/* ATM VPI. */

OFPXMT_OFB_ATM_VCI =47，/* ATM VCI. */

OFPXMT_OFB_IN_TDM_SLOT =48，/* SDH switching input TDM slot. */

OFPXMT_OFB_IN_OPT_WB =49，/* Optical waveband switching,input waveband id. */

OFPXMT_OFB_IN_OPT_WL =50，/* Optical wavelength switching,input wavelength id. */

} ;

3 微波端口與饋電鏈路的特性擴展

3.1 微波端口特性擴展

星地混合衛星網絡中，衛星與地面站及衛星之間激光鏈路與微波鏈路共存。微波鏈路建設成本低，傳輸可靠性高，應用廣泛；而激光鏈路可用帶寬大，不受頻率分配限制，且保密性好，彌補了微波鏈路數據中繼能力相對不足的問題。OpenFlow v1.4已增加對光端口特性的支持，所以本文通過增加新的端口特性來支持微波傳輸，包括支持配置及監測微波的頻率及功率等。擴展主要包括微波端口修改特性、統計特性和描述特性3部分。

OpenFlow協議為上述3個特性提供擴展域，分別為ofp_port_mod_prop_experimenter、ofp_port_stats_prop_experimenter、ofp_port_desc_prop_experimenter。下面以微波端口修改特性為例具體說明其定義。

/*Port mod property types.*/

Enum opf_port_mod_prop_type {

OFPPMPT_ETHERNET =0 /* Ethernet property. */

OFPPMPT_OPTICAL =1 /* Optical property. */

OFPPMPT_EXPERIMENTER =0xFFFF /* Microwave property. */

} ;

Struct ofp_port_mod_prop_experimenter {

uint16_t type; /* OFPPMT_EXPERIMENTER. */

uint16_t length; /* Length in bytes of this property. */

uint32_t experimenter; /* Experimenter ID which takes the same form as in

struct ofp_experimenter_header. */

uint32_t exp_type; /* Experimenter defined. */

uint32_t freq_band; /* Which wave band has been used,L,S,C,X,Ku,K,or Ka. */

uint32_t freq; /* The “center” frequency. */

uint32_t freq_offset; /* signed frequency offset. */

uint32_t grid_span; /* The size of the grid for this port. */

uint32_t tx_power; /* tx power setting. */

} ;

OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_port_mod_prop_experimenter)==32) ;

3.2 衛星饋電鏈路特性擴展

相較于有線網絡，衛星網絡具有更加復雜的特性，需要獲取更多的網絡性能參數。控制器端通過OpenFlow可獲得的信息僅是交換機的基本配置信息和流表相關的統計信息，并不能監控衛星的實時運行狀態。通過新增消息類型實現Experimenter Multipart消息的擴展，使控制器端可實時收集衛星的狀態信息，動態合理地調度衛星資源。

struct ofp_experimenter_multipart_request {

uint32_t experimenter;

unit32_t exp_type;

} ;

struct ofp_experimenter_multipart_ reply {

uint32_t experimenter;

uint32_t exp_type;

uint32_t bandwidth; /* 傳輸總帶寬*/

uint32_t bandwidth_used; /* 已占用帶寬*/

uint32_t EIRP; /* 全向輻射功率，單位為dBW */

uint32_t Nf; /* 噪聲系數，單位為dB，典型值為7 dB*/

uint32_t Te; /* 等效噪聲溫度，單位為K，典型噪聲溫度為1 000 K */

uint32_t C_N; /* 載噪比 */

uint32_t Ws; /* 飽和通量密度，單位為dBW/m2*/

} ;

3.3 錯誤及告警消息擴展

靈活的衛星網絡配置不僅體現在可通過控制器監測衛星網絡狀態，還包括衛星將異步狀態及錯誤信息及時上報給控制器，利用OpenFlow協議擴展域experimenter給出擴展的錯誤消息定義及相關的錯誤代碼如下。交換機能夠向控制器上報衛星表面溫度過高、當前傳輸誤碼率過高及負載過大等問題。控制器主動發送詢問消息結合衛星自主上傳異步狀態及錯誤信息，便于更好地掌握衛星網絡狀態，優化衛星網絡配置。

struct ofp_error_experimenter_msg {

struct ofp_header header;

uint16_t type; /* OFPET_EXPERIMENTER*/

uint16_t exp_code; /* Experimenter defined*/

uint32_t experimenter; /* Experimenter ID*/

uint8_t data[0]; /* Variable-length data. Interpreted based on the type and

experimenter. No padding*/

} ;

OFP_ASSERT(sizeof(struct ofp_error_experimenter_msg)==16) ;

enum ofp_experimenter_code {

OFPEC_HIGH_TEM =1，/* 衛星表面溫度過高 */

OFPEC_HIGH_SER =2，/* 傳輸錯誤率太高 */

OFPEC_HEAVY_LOAD =3，/* 負載過大 */

} ;

4 結束語

本文將SDN架構與衛星網絡相結合，提出基于SDN的星地混合網絡架構。通過地面的控制器和網絡控制中心，實現對衛星的實時控制，并根據衛星網絡當前狀態及時調整路由策略，部署更加細粒度的服務，提升衛星網絡整體性能。另外，本文重點討論OpenFlow協議在衛星通信網絡中的適用性，并基于衛星節點的多粒度交換體制和激光微波混合互聯等特性，進行協議擴展，使OpenFlow協議更具通用性。

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SDN-based Satellite Networks and Southbound Interface Protocol Extension

FENG Miao-miao1,XU Zhan-qi1,WANG Chun-ting2,ZHANG Ya-sheng2,XIAO Yong-wei2

(1. State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an Shaanxi 710071,China;2.State Key Lab of Information Transmission and Distribution in Communication Networks,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

In view of inflexible configuration update and complex management of satellite communication system,the software defined network (SDN) framework is introduced into satellite networks. This paper briefly introduces the terrestrial satellite hybrid network architecture based on SDN,and analyzes the applicability of southbound interface protocol in SDN architecture to satellite networks. Based on characteristics and functions of satellite switching nodes,the function of southbound interface OpenFlow protocol is extended and enhanced to realize satellite nodes multi-granularity switching by taking advantage of multi-table architecture. Additionally,the support for microwave port characteristics is added,which enables the real-time acquisition of satellite performance parameters through a controller and achieves flexible configuration of satellite network nodes.

software defined networks (SDN); satellite networks; OpenFlow protocol extension; multi-flow table

2017-05-10

國家自然科學基金項目(61572391)

馮淼淼(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向：衛星網絡和軟件定義網絡。徐展琦(1962—)，男，博士，教授，主要研究方向：光網絡、寬帶衛星、SDN/NFV。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.05

馮淼淼,徐展琦,汪春霆,等.基于SDN的衛星網絡及南向接口協議擴展[J].無線電通信技術,2017,43(5): 19-23.

[FENG Miaomiao,XU Zhanqi,WANG Chunting,et al. SDN-based Satellite Networks and Southbound Interface Protocol Extension [J].Radio Communications Technology,2017,43(5):19-23.]

TN 927

A

1003-3114(2017)05-19-5