一種基于SDN的無人機網絡安全轉發策略?

徐邑江 劉 鵬 曲 磊

（中國艦船研究院 北京 100101）

1 引言

近年來，隨著軍事科技的迅猛發展，無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）技術由于其作戰的多樣性在軍事中得到了極大的普及。無人機所能完成的任務種類很多，如中繼通信、偵查與壓制、目標指示等。最重要的是，軍方利用其優秀的載荷能力，改善有關國家安全的敏感作戰效能。

無人機相關技術的持續發展與創新使無人機造價更低、作用更廣。由于無人機技術在軍事方面的廣泛普及，無人機通信網絡的安全性與可靠性成為了不可避免的問題。無人機在帶寬有限且存在干擾的環境下，傳輸大量的數據可能導致產生數據瓶頸，進而引發網絡故障［1］。網絡漏洞可能導致未經授權的攻擊者訪問敏感信息或關鍵任務信息，對國家安全構成威脅。美國在1997年對伊戰爭中所采用的網絡中心戰的表現，充分說明了信息優勢轉化為決策優勢的有效性。

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術可以用來規劃并緩解許多無人機網絡中的安全漏洞。SDN的特點是使得數據平面與網絡控制平面相分離，提供可編程且可視化的網絡管理和安全服務。SDN通過將網絡控制操作轉移到軟件環境，可編程的控制層取代原本相分離的網絡控制結構與通信基礎設施，使得建立和配置網絡更加輕松、管理網絡更加靈活［2］。

本文針對性地提出了一種基于SDN的無人機網絡中繼通信安全的策略，重點基于SDN架構安全特性以及其對無人機網絡的信息安全控制能力，通過改進傳統多跳中繼通信方式，提供了一種無人機中繼節點基于緩存的數據更新策略，以此提升無人機網絡傳輸效率與安全，推動海戰場信息網絡的規劃、構建和發展［3］。

2 基于SDN的無人機網絡安全架構設計

2.1 基于SDN的無人機網絡的提出

裝備有計算、通信、存儲和控制設備的無人機群形成了一個飛行自組織網絡，以便彼此之間的基礎設施進行通信［12］。SDN技術的引入，通過其實時動態流量控制、直接可編程等特性有望實現無人機與地面基站之間的無縫通信，為無人機在執行任務時作出明智的決策［13］。由于任務的實時性和自適應性，網絡中的任務時要在不同的應用場景下進行傳播。因此，需要一個持久且高效的安全網絡連接來提升戰時信息傳播的效率。

2.2 架構設計

采用SDN技術，可以通過控制器對無人機網絡進行集中式控制。由于無人機網絡拓撲的不確定性以及信號范圍的限制，以比當前節點更接近控制節點的無人機充當中繼節點進行多跳通信的方式成為首選。基于SDN的無人機網絡如圖1所示。

圖1 基于SDN的無人機網絡

在該網絡中，每個無人機節點都會定期的向控制器節點發送自己收集到的態勢信息和當前地理位置以及信號范圍。控制器通過收到的更新數據包中的用戶信息和區域大小可以快速得到實時的網絡拓撲，在得到每個無人機網絡的參數和統計信息，應用預設的算法進行計算，通過SDN可直接編程的特性對當前網絡中的通信方式進行重新規劃以達到基于當前態勢最優且最安全的傳輸方案，對最終的決策達到優化的效果。當SDN控制器檢測到無線鏈路狀態不佳時，SDN控制器會向無人機控制器發送解決策略。無人機收到指令后進行調整和相應的部署，以獲得改進后穩定的通信鏈路。

3 基于SDN的無人機網絡數據更新合并策略

3.1 中繼通信與數據更新合并策略設計

在基于SDN的無人機網絡中，通過OLSR（Op?timized Link State Routing）構建無人機網絡路由［16］，控制器從無人機收集并統計網絡信息，并向無人機發送安全性管理編排策略，控制器還需要時刻掌握最新的全網拓撲。控制器和無人機之間的連接非常重要，數據包傳輸的效率直接決定著網絡中的數據安全［17］，直接單跳通信由于網絡延遲、地理影響等多方面因素表現得并不實用，因此，要在特定的情況將網絡中的其他無人機節點充當中繼而進行多跳通信。

為保證控制器具有最新的網絡視圖以保證全局態勢的實時性［18］，每個傳感器節點都必須定期地向SDN控制器發送更新狀態數據包。然而，由于多跳通信，與控制器和無人機之間的直連通信相比，每個數據包都將被傳遞數次，并且每次傳遞都將經歷延遲，導致高昂的通信開銷，開銷增大將導致信息更替的效率降低，關鍵信息的傳輸受到影響，將影響整個無人機網絡的安全管理。

每當傳感器探測到新的態勢信息，都會存儲在當前節點上并通過固定的周期時間進行轉發至SDN控制器。在沒有采用合并策略的情況下，每個節點收到上游數據包并立刻進行轉發，會產生交叉冗余，降低總體傳輸效率；在途中有交叉的節點上將更新的數據包進行合并，可以顯著降低開銷。但如果不對每個節點的緩沖數據加以限制，可能會導致內存溢出、延遲過大等安全隱患。可以通過對數據包施加一個最大緩沖時間的閾值來實現開銷和延遲之間的折衷，對無人機網絡進行最優的安全管理。

圖2展示了每個無人機節點處理抵達數據包的流程。無人機網絡中的每個設備都會根據統一的最大緩沖時間和當前時間生成自己的更新時間，用于向控制器打包發送數據包。當前無人機收到其上有節點的數據包之后，壓入自己內部的緩存且保持等待更新狀態，直到計時器時間到達，才將本機中來自其他無人機的所有緩沖數據包進行合并，發送到下一跳控制器。

圖2 合并策略處理UAV網絡更新

3.2 分析算法設計

本節重點分析合并轉發策略的指標算法，由無人機的開銷和更新包傳遞的時延作為切入點［19］，進行建模。

總開銷算法為

式中，H表示整個無人機網絡的總開銷，k表示無人機節點，n表示無人機網絡中的無人機數量，rk表示k節點到達控制器的跳數。

總時延算法為

式中，D表示控制器收到所有無人機節點的更新包所產生的時延，表示k無人機節點處理更新數據包所產生的數據平面時延，表示k無人機節點與控制節點交互所產生的控制平面時延。

式中，Dq表示請求數據包在控制器隊列中的排隊時延，Dp表示控制器根據策略編排所耗的時延，表示控制器將處理結果轉發至無人機節點的時延。

3.3 仿真結果

本文使用Exata虛擬化網絡仿真工具實現無人機網絡數據更新合并策略的仿真，其中將最大緩沖時間的閾值作為變量進行了多次仿真，以達到整體分析的效果。實驗拓撲中共有300個無人機節點，假定每架無人機都在固定范圍內活動，節點與控制器之間的拓撲及路由已經形成且保持不變，數據間的通信采用基于跳數的最短路徑算法對數據包進行合并轉發。每個無人機保證固定的更新頻次，控制器收到更新包并進行統計。

仿真實驗結果如圖3、圖4所示，橫坐標為最大緩沖時間，縱坐標分別為時延和開銷。可見相比于不采用緩存策略的轉發模式，可以有效地減少延遲，但開銷也相對較大。隨著緩沖時間的增加，在緩存中合并更新包的概率加大，減少了傳輸的次數，開銷呈下降趨勢；由于緩存時間的影響，每個參與緩存的數據包都會產生延遲，所以總時延逐漸呈上升趨勢。

圖3 緩存時間與時延的關系

圖4 緩存時間與開銷關系

4 結語

本文針對基于SDN的無人機網絡安全進行了深入分析，通過SDN控制器對無人機網絡進行集中式控制，無人機各個節點之間采用中繼多跳通信方式，以保證數據的安全性及一致性。提出了一種基于SDN的無人機網絡數據更新策略并進行了仿真驗證，結果表明隨著最大緩沖時間的增加，系統的開銷減小，延遲增加。通過設置合理的最大緩沖時間，可以實現在開銷和延遲之間的折衷，對數據信息的傳遞進行最優化處理，保證了無人機通信的數據安全問題。但是本次實驗所沒有考慮一些實時性較強的數據包的傳輸，如戰場態勢、目標指示等實時信息，這些信息需要竭盡所能地傳送至指揮節點進行決策。因此，可以對傳輸協議進行進一步修改并對數據包進行區分，對時間效率敏感的數據包進行立即轉發或其他轉發策略。