基于SDN 架構的海上試驗場數據采集系統網絡設計研究

韓忠輝

（91404 部隊，河北 秦皇島 066000）

現代海軍作戰是體系對體系條件下的綜合對抗[1]，為了深入考核武器裝備戰術技術性能和作戰能力，至少需要從裝備本身、所屬系統、搭載平臺3 個層面，對其作戰中的戰技性能底數和作用發揮進行測試，獲取海量的測量數據，以便在后期對其綜合作戰能力進行評估。在以往的試驗體系中，側重于對武器裝備戰術技術指標考核，測控數據的采集聚焦與戰技指標本身相關度高的、耦合緊密的信息，大多由裝備信息輸出端口獲取，對于潛在影響因素、關聯因素或效應傳遞因素關注不高。這種測控數據采集的方法能夠滿足單裝備試驗鑒定要求，當開展系統級、平臺級或者體系級試驗時，一方面需要同時采集多個運動平臺上的不同類型的裝備，另一方面需要從被測裝備、操作人員、試驗環境、作戰方法等多個角度收集數據，為全面分析、徹底剖析試驗中出現的問題提供足夠的數據支撐[2]。可以預見，這種場景下的數據采集系統網絡，必須有開放的體系結構、強大的數據吞吐能力、普適的數據接口、靈活的接入方式。該文從海軍體系級作戰試驗需求出發，在近海海域設置海上試驗場，以海軍艦艇編隊為被試對象，采用軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術[3]，設計滿足多平臺、多系統、多裝備、多任務的測控數據采集系統網絡。

1 SDN架構

SDN由美國斯坦福大學在2006年提出，在一項名為Clean Slate的課題中，該校教授Nick McKeown的研究團隊提出了OpenFlow 的概念，并基于OpenFlow 技術實現了軟件編程定義網絡功能。由于OpenFlow 的網絡架構具有可編程性，通過開放的標準化接口對網絡控制策略進行設置和下發，從而能夠很好地適應新型大規模網絡架構。OpenFlow 作為SDN 設計思想的原型實現方式，盡管只是SDN控制平面和數據平面間眾多通信協議之一，但因其具有廣泛應用性、良好的可擴展性和靈活性，使其成為SDN 的標準通信協議，類似于傳統網絡的通信標準TCP/IP 協議[4]。

2016 年，開放式網絡基金會(Open Networking Foundation,ONF)發布了最新一版的SDN白皮書《SDN Architecture Issue 1.1》，明確SDN 作為一種網絡架構，需具備如下4個功能[5]：

1）控制與轉發分離：可以單獨配置流量轉發處理實體和網絡控制；

2）集中化控制：通過網絡資源細節抽象和集中式控制器的網絡全局視圖觀察，從而實現網絡資源的高效利用；

3）網絡服務可編程：允許用戶根據業務需要，對網絡進行邏輯配置和遷移，從而實現用戶的定制需求；

4）開放接口：通過對網絡接口的標準化管理，從而實現網絡與應用的分離，而且不影響其他功能接口的使用。

簡而言之，SDN 是一種將數據轉發與控制分離，采用軟件定義的理念，實現軟件資源可編程的新型網絡體系架構。SDN 體系架構自底向上垂直切分為3部分：數據平面、控制平面和應用平面，具體如圖1所示。數據平面由網絡底層的轉發設備（支持Open Flow協議的交換機等）組成[6]，負責數據的轉發、處理和網絡狀態收集。控制平面是SDN 體系架構的核心，SDN 控制器是其核心，通過軟件平臺對底層硬件的可編程化控制，實現對網絡資源的靈活調配和網絡的集中化控制。應用平面是SDN 體系架構的頂層，通過控制平面提供的API，對控制層提供的網絡功能進行編程，從而使用戶能夠以簡單高效的方式實現集中管控、虛擬化部署以及多路徑路由等網絡管理應用和業務。此外，開放式網絡基金會定義了北向接口和南向接口，南向接口以OpenFlow 協議作為技術規范，而北向接口由于應用平面業務應用的多樣性和復雜性，目前仍沒有統一的規范和標準[7]。

圖1 SDN體系架構

SDN 是對現行互聯網架構的全面顛覆，使網絡像軟件一樣易于修改，能夠根據用戶需求隨時增加新業務。SDN 具有可管理、高效性、經濟性且適應性強的特性，適用于對網絡資源動態調配要求高、數據轉發流量大、接入設備多樣、運維成本有限的海上試驗場。

2 測控數據采集系統網絡

2.1 網絡拓撲結構

由于海上試驗場數據采集系統網絡是試驗全場景數據采集、交換、傳遞和存儲的信息環境，采集設備需要部署在天空、岸島、艦艇甚至水下等多種平臺上，數據來源包括外部環境、運動平臺、被試設備、陪試設備、儀器儀表和其他需要采集數據的設備或儀器，采集數據類型包括視頻、圖像、音頻、數據報文、二進制文件等。因此，測控數據采集系統的本質是一個數據中心，其網絡結構異常復雜，對流量的控制要求較高，需要滿足大規模、大帶寬、易擴展、健壯穩定、安全保密等要求。另一方面，與普通的數據中心流量主要集中在服務器之間不同，采集系統網絡的流量主要在采集設備到服務器之間，且在時間（試驗時間決定）、空間（搭載平臺運動決定）和內容（采集數據的類型決定）上具有不確定性。根據應用需求，采用改進的如圖2 所示的Fat-Tree 網絡結構，具有網絡帶寬大、網絡直徑小、容錯性能好、擴展能力強和設備開銷小的特點，基于SDN 的Fat-Tree 網絡結構被普遍用于數據中心設計[8]，相關的多路徑路由、流量分配和路徑負載均衡等算法相對成熟。

圖2 Fat-Tree網絡結構

2.2 采集終端接入

測控數據采集系統網絡的設計需要考慮采集終端接入情況：1）支持SDN；2）支持TCP/IP協議（較多）；3）支持其他網絡協議（較少）；4）不支持網絡傳輸（極少）。各種接入形式如圖3所示，第一種情況可直接接入網絡，第二、三種情況在網絡設計中比較常見，一般將支持SDN 和支持其他網絡協議的兩個網絡看做不同的系統，可設計一個SDN 控制器應用，接收和處理不同系統之間的路由消息，控制器利用邊界網關協議（BOEder Gateway Protocol，BGP）獲取鄰域網絡可達信息以后，計算并下發路由信息流給OpenFlow 交換機，從而實現SDN與其他網絡的連通。對于第四種情況，可設計開發一個數據-網絡轉換器，直接實現數據接口到SDN 網絡化接口的轉換，也可以利用成熟的數據接口-TCP/IP 網絡接口轉換裝置，再利用上文的SDN 控制器應用，實現協議轉換和網絡接入[9]。

圖3 采集設備SDN網絡接入形式

3 網絡設計中的關鍵問題

3.1 網絡路由策略

海上試驗場數據采集系統網絡與商業數據中心全時工作方式不同，僅在任務實施階段會有大量的數據流在線交換。經分析，近70%的數據流大小僅在5 kB 以下，此類數據流即發即收，大部分在較短時間間隔內持續發送，傳輸實時性要求較高；約25%的數據流大小在1 MB 左右，間隔時間大于30 s，可根據實際情況即發即收；約2%的數據流在1～200 MB 甚至更大，在交換時間內持續傳輸；其他數據為文件格式，文件最大可達TB 級，對傳輸時間沒有要求。由于采用了Fat-Tree 拓撲結構，網絡可以提供大量的鏈路冗余，任意不歸屬于同一區域路由器中同一邊緣交換機的兩節點之間，存在多條等價路徑，同時，基于SDN 技術的網絡具有控制集中和全局可視的優勢，可以通過OpenFlow 對全網信息查詢，用動態調整路由的方法保持網絡暢通。基本流程：控制器通過OpenFlow 交換機上傳信息和數據，計算網絡拓撲（包括物理端口的對端端口和設備），對網絡中傳輸的數據流進行分類，根據分類采用不同的路由策略，并計算轉發路徑，以流表的方式將路由下發到OpenFlow 交換機上。其中包括與流大小無關僅考慮鏈路帶寬的流量無視算法（可設置為重點鏈路，始終保持穩定性）和針對流轉發情況和網絡狀態為基礎的動態負載均衡算法[11]。

3.2 安全防護

安全防護包括接入認證、網絡主動防御、通道加密、流量異常檢測等。接入認證包括網絡節點身份認證、實體互認證、異構網絡跨域認證、數據可信度認證等，采用橢圓加密（ECC）、橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）、散列函數、IBE（Identity Base Encryption）、組合公鑰CPK 機制等方法都能提高接入認證的安全性和有效性[12]。網絡主動防御主要圍繞SDN 控制器設計防御策略，如三階段協議緩解多控制器SDN 的DDoS 攻擊[12]、基于時戳反饋的端口跳變[13]、采用多層公平隊列方法分配控制器資源，基于流行度和超時分析的SDN 控制器保護等[14]。通道加密除采用專用加密設備外還可以對數據進行加密處理，以提高數據流的安全性。異常流量檢測采用支持向量機(SVM)、深度學習[15]、卷積神經網絡（CNN）、信息熵等方法防范網絡攻擊、網絡癱瘓、網絡用戶丟失和信息泄露等問題的發生[16]。

3.3 運動平臺傳輸穩定性

在體系級試驗時，部署采集設備的平臺大多處于相對運動中，目前無線網絡傳輸協議支持中低速運動平臺間的數據交換，但網絡覆蓋范圍、可靠性和穩定性有一定的使用限制，與環境、天氣氣侯等關聯較大，對于運動速度高于500 km/h 的飛行平臺，目前還沒有成熟的無線網絡傳輸技術支持。因此對于網絡中的運動終端，需要合理規劃數據采集傳輸方案，以實時采集、本地存儲和事后傳輸為主。

4 結束語

SDN 網絡架構的優勢，尤其是其與5G 技術的良好融合性，使其得到迅速發展。海上試驗場對基于互聯網絡的數據采集和交換有迫切的需求，SDN 能夠根據試驗需求定制特殊的網絡功能，較好地支持異構網絡路由、網絡安全與流量控制、QOS 保障等，該文采用的網絡拓撲，包含多個環路，在保證數據路由通暢的同時，一定程度上提高了數據廣播風暴的風險，需要發揮SDN 的可控和可編程特性，提高數據交換算法能力，確保網絡的通暢性、安全性和可靠性。