基于網絡切片的海上作戰網絡資源管控框架研究

秦晉平 劉 鵬 陳 樹

（1.北部戰區海軍 青島 266071）（2.中國艦船研究院 北京 100101）

1 引言

在現代信息化海戰中，遠洋護航、海上編隊作戰等海上作戰作戰任務日益復雜，而不同的作戰任務對通信鏈路的需求是不同的，有的甚至是相沖突的。使用同一種通信鏈路同時為不同的作戰提供服務會使網絡系統架構非常冗雜，資源利用效率低下。

使用基于切片網絡技術進行網絡資源的集中虛擬化規劃管理已經成為網絡規劃管理的研究重點［1］，而網絡切片主要由SDN（Software Defined Net?work）和 NFV（Network Function Virtualization）技術實現［2～3］。

在此背景下，本文將從海上作戰任務QoS（Quality of Service）需求保證、網絡資源的動態分配、網絡切片的應用特點和網絡資源管控架構、系統流程等角度進行全面分析與探討，研究保證各類應用QoS的前提下提升網絡應用效率的技術。

2 海上作戰網絡資源管控技術

2.1 QoS需求保證

隨著海上作戰信息設備數量的增加與功能的豐富，網絡流量規模及類型不斷增加，滿足各類作戰應用QoS需求同時實現通信鏈路高效性已逐漸成為海上通信網絡控制的一個課題。現有通信鏈路架構將控制與數據轉發緊耦合，無法從整體的角度對網絡資源進行管控，另外鏈路終端設備與通信協議綁定，缺乏靈活性，新的轉發規則等解決方案無法部署，因此不能同時符合上述兩種要求。而SDN網絡架構將數據與轉發分離，使得網絡管理者能夠獲得全局態勢，其可編程的網絡接口也使得新的協議可修改，是網絡資源控制研究的一個新平臺［4～5］。但現有的基于集中控制思想的網絡控制方案大多針對民用方面，且面向QoS或是資源利用有效性等單方面，本文在針對海上作戰現有通信鏈路資源管控研究工作中存在的問題，引入網絡切片概念，基于網絡切片的管控機制開展研究。

2.2 網絡資源動態分配

海上作戰應用對鏈路帶寬的需求隨著作戰任務的不斷增加，相對于用戶的需求，通信鏈路資源始終處于相對稀缺的狀態，通過增加網絡基礎設施的方法建設周期長，不靈活，且無法適應不確定峰值流量的沖擊，通過簡化通信協議的方法則限制了戰術信息的傳輸，二者都無法從根本上解決鏈路需求的問題，因此，通過動態分配網絡資源的方法來提高現有網絡的資源利用率。

多路徑傳輸技術同時使用多條路徑進行數據傳輸，保證較好的傳輸性能和更高的網絡資源利用率。但是現有的網絡鏈路設備靈活性差，現有的CRA［6］、ECMP［7］等多晶傳輸方法的維護成本較高。SDN技術被提出后，負載均衡等方面的研究不斷出現，如Agarwal S［8］使用集中控制器保證全局的資源有效性、Koerner M等［9］提出虛擬化網絡來保障每個服務、Google通過一套流量工程方法極大提升網絡資源利用率。但是上述幾種方法沒有考慮到應用的具體需求，可擴展性不強。

3 切片網絡技術

通過虛擬化將一個物理網絡分成多個虛擬的邏輯網絡，每一個虛擬網絡對應不同的應用場景，這就叫網絡切片技術［10］。網絡切片是一組網絡功能（Network Function）及其資源、配置的集合，從而形成一個功能完整的邏輯網絡，每一個邏輯網絡都能以特定的網絡特性來滿足對應業務的需求，通過網絡功能和協議定制，網絡切片為不同業務場景提供所匹配的網絡功能。根據不同的應用場景和業務需求，每個虛擬邏輯網絡切片可以相應地進行網絡資源的配置與管理，這是網絡的實例化過程［11～12］。網絡切片通過資源與物理位置松耦合，支持資源的動態調整，在保證網絡資源有效性的前提下增強了網絡整體的可靠性。

NGMN標準規定的網絡切片架構如圖1所示，分為業務實例層、網絡切片實例層和資源層。其中業務實例層通過一個網絡切片實現最終服務；網絡切片實例層包括虛擬化后一組特定的網絡邏輯功能，向業務實例層提供所需要的網絡服務；資源層包括計算、存儲、傳輸等物理資源及虛擬化后的網絡底層邏輯資源。

圖1 網絡切片邏輯架構［13］

4 基于網絡切片的海上通信鏈路資源管控模型

基于網絡切片的海上通信鏈路資源管控模型基本結構如圖2所示，業務層主要擬定下發業務、控制層負責作出動態控制決策、承載層主要負責數據轉發、底層交互接口則主要負責通過OpenFlow協議承載向上傳遞態勢信息，向下發布決策結果流表信息。控制層是控制模型的最主要部分，主要包含網絡態勢生成組件、切片劃分組件、流量動態調整組件和決策下發組件，承載層中的網絡設備則主要具備報文轉發和網絡流量感知等功能。

圖2 基于切片劃分的網絡資源控制模型

1）網絡態勢生成組件

網絡態勢生成組件是整個決策層的基礎部分，通過收集網絡信息支撐決策。網絡態勢生成組件通過底層交互接口從承載層設備獲得網絡全局信息，包括拓撲結構以及物理節點負載等，是后續切片劃分和實時動態流量調整的依據。其中，網絡拓撲信息獲取的底層網絡設備的節點分布信息，包含了各個設備節點間的連接關系；網絡流量信息獲取的則是流量大致分布情況以及流量類型分析結果，其中，流量大致分布情況是從歷史流量數據中提取出的，通過動態分析流量信息可以得到其類型；負載信息由底層轉發設備實時上報，是動態流量調整的主要依據。網絡態勢生成組件作為決策層的數據支撐，在整個網絡資源控制模型中具有重要的作用。

2）切片劃分組件

切片劃分組件需要根據不同的作戰應用對QoS需求的差異性，對整個網絡進行切片分割，滿足各種作戰應用的虛擬網絡。按照不同的需求，切片分割可以分為QoS切片分割和BE切片分割兩種類型。這兩種分割方式都是以網絡態勢作為依據，QoS切片分割是以QoS保障為優化目標進行資源預留，實現切片的構造，同時為了支持后續的流量動態調整，在分割的過程中需盡量考慮節點之間的多路徑通道；BE切片分割是以網絡資源有效性為優化目標，同樣也需要尋找物理節點間的多路徑通道。切片劃分結束后，資源預留結果將通過決策下發組件生成配置信息發送到底層網絡設備上。

3）流量動態調整組件

決策層流量動態調整組件需要完成網絡流量的實時調整。流量調整組件根據切片劃分組件得到的資源預留結果，結合網絡態勢生成組件提供的實時的節點負載和全網流量信息，以網絡負載均衡和網絡資源有效性為目標進行流量調整。在構造好的多路徑切片內選擇流量通路。流量動態調整結果將轉變為流表項，經由決策下發組件通過底層交互接口部署到物理設備上。

4）決策下發組件

決策下發組件承擔將物理設備配置信息和流量調整生成的流表項信息部署到物理設備上的任務。其中流表項信息是根據流量動態調整組件產生的流量調整結果產生，此處通過流進行調度。因此對于靜態分配的切片劃分結果生成的設備配置信息，以及對于流量調整結果生成的流表信息，都將通過決策下發組件部署到物理設備上。

5）承載層

承載層的主要功能是根據接收到的流表對流量進行轉發，底層設備需要支持OpenFlow協議的交換設備。這些交換設備能夠對所有經過的網絡流量信息進行采集，實現流量感知，能夠依據決策層的決策下發組件下發的配置信息完成相應的配置，實現依據決策下發組件下發的流表項信息進行策略的靈活修改。

5 資源控制流程

針對上述各個框架包含的具體功能，提出的基于切片劃分的資源管控的控制流程，如圖3所示。

圖3 控制流程示意圖

控制流程包括前期靜態預先規劃階段和網絡運行過程中的動態實時調整階段。

在預先規劃階段中，根據鏈路歷史流量以及集中控制下通過底層網絡設備反饋得到的綜合網絡態勢信息，進行切片劃分，完成路徑規劃，再將預先規劃的節點預留結果轉換為網絡設備配置信息，下發到網絡設備。預先規劃階段生成的網絡切片示意圖如圖4所示，將同一個網絡同時劃分為多個不同的隔離的虛擬邏輯網絡，每個邏輯網絡被認為是一個網絡切片。其中QoS切片包含節點之間的傳輸通道和節點上需要預留的資源量，BE切片上值包含節點間傳輸通路。

圖4 網絡切片示意圖

控制流程包含的第二個階段是實時決策階段，當網絡開始運行后，底層轉發設備以預先規劃的轉發策略為基礎，結合當前的流量信息和負載情況，綜合分析后重新構建每個流在切片內部或是切片之間的傳輸通路，并轉化為流表信息部署在底層轉發設備上，實現流量的動態調度。通過流量的累積，切片劃分也將逐漸完善，實現控制反饋的結果。

6 結語

本文針對海上作戰網絡資源動態管理需求，提出了一種基于網絡切片的網絡資源規劃方法。考慮海上作戰任務應用情況，在滿足應用的QoS需求的基礎下著眼于提升網絡資源的利用率，進行控制框架和應用流程的設計，為海上作戰網絡資源的動態管控提供一種新思路。隨著網絡資源的增加、作戰任務的復雜化，具備精細控制、高網絡利用率的海上作戰網絡資源控制將成為海上任務遂行的重要基礎。

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