SDN与卫星通信

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SDN在卫星网络中的应用调研

随着全球卫星通信的迅速发展与人们对宽带业务需求的日益增长，卫星宽带通信系统作为宽带业务需求与现代卫星通信技术相结合的产物，不仅成为人们实现军事、商用以及民用通信的基础平台，也逐渐成为人们日常生活中不可缺少的一部分。人们希望能够通过便捷的方式，将互联网扩展到地球上的每一个角落，特别是那些地面网路无法有效覆盖的地区。

低轨卫星宽带通信网络(如图1所示)相对于静止道而言具有传输时延小、覆盖范围广和发射功率低等优点，受到国内外广泛重视，例如Leosat、Startlink 等。低轨卫星网络由于其诸多优点，已成为现代通信网络的重要组成部分。但传统卫星网络对卫星的星上处理和交换技术要求较高，导致卫星网络造价高、消耗大。同时卫星网络拓扑结构频繁变化，路由算法稳定性差等不足之处，给传统信息传输理论和技术带了非常大的挑战。而SDN网络是一个动态，可控，经济，适应性强的系统。它适用于具有高带宽和高动态特性的通信网络。因此，将SDN核心技术思想与新一代LEO卫星网络相结合，可以实现更灵活的网络监控和管理，使网络扩展更加便捷。

图1.传统低轨卫星通信系统架构

将卫星的数据平面和控制平面分离，使卫星只需要实施简单的转发和硬件配置功能，由此解决卫星节点设计复杂、造价高的弊端。全网的路由计算、配置生成以及资源管理等事项均交由控制器统一处理，不仅能够减轻卫星节点的负担，同时有利于全局的统一管理。通过集中化的管理，SDSN架构能够实时的优化路由表、部署细粒度的管理策略，达到更灵活的通信和协议配置。另外，将传统卫星网络软件定义化后，卫星节点将与其他普通交换节点无差，由不同网络所带来的异同能够通过模块化统一实现，这使得多种网络的融合变得更加容易。

1. 基于SDN的低轨卫星网络基本架构

目前，卫星的网络的架构趋于扁平化，将其与软件定义网络（SDN）的思想相结合，已经成为卫星通信网络的发展趋势，如图2所示，为基于SDN思想的卫星网络架构示意图。其中的资源层由天基接入网和地基节点网组成，包括LEO卫星、地面网关、星间链路、地面网络等通信设施，用户通过资源层接入到天地一体化网络之中。

图2.基于SDN的卫星网络架构示意图

SDN  controller位于架构中的控制层和虚拟网络管理器进行配合，完成拓扑管理、数据库管理、网络节点信息收集等功能。从而，构建一个统一控制中心，对多层卫星网络进行智能管控。

协作层连接控制层和应用层，为 SDN 应用和商业应用提供基础支持功能，协作控制层提供天地一体化网络天基骨干网的网络配置、信息同步、灾难备份、抗毁性能等功能。

在该网络模型中，SDN controller承担卫星网络中多域控制器的作用，连接多个异构网络，将资源层的设施合理有序的划分成由单域控制器管理的控制域，使网络组网方式更加灵活有效。多域控制器直连各个单域控制器，在每个时间切片内，单域控制器上报路由流表给多域控制器，由多域控制器完成整理、统计、策略选择、下发流表等功能。

2. SDN在低轨卫星网络应用及优点

一、灵活、可控的动态路由算法：目前大多数卫星系统采用静态路由方法，以保证卫星网络的可靠性和可控性，例如铱系统，而传统的控制结构是不灵活的。近几年，动态路由算法、分布式链路状态收集和路由计算方法被大量使用。虽然它们能适应网络流量变化的特点，但是分布式算法降低了卫星网络的可控性。每颗卫星都很难得到全球网络视野，导致在很多情况下不能够产生最优化的路由和配置策略。利用SDN技术控制与转发相分离的特点，将SDN技术引入控制结构，就可以解决效率问题。软件定义网络技术分离数据平面和控制平面，并采用集中控制结构与全球网络，利用SDN网络资源集中管理和可虚拟化的特点，透视全局网络状态，以计算全局路由路径和配置策略,缓解业务QoS保障和负载均衡的问题。同时，利用SDN软件可编程的特点，根据交通状况和客户的要求通过软件方式部署调整路由算法、策略、模型等调整这些策略，改进传统的灵活性卫星网络的静态路由算法，缓解星载交换系统结构封闭、调整困难等问题。

二、迅速部署和更新卫星网络配置：随着空间应用的增加，卫星的数量和载荷的复杂性都在增加，相比地面网络，改变整个卫星网络的配置是非常困难的。在地面控制中心站（network  control center，NCC）加装SDN控制器构建控制层，在卫星节点加载OpenFlow协议构建数据转发层。利用SDN的中央控制特性简化和标准化了卫星节点的处理功能，并且将所有复杂的网络控制和计算功能都设置在地面站和NOCC，缓解了卫星节点星上载荷受限问题。所有接受新的配置信息的卫星都可以自动更新无需额外的人工干预。此外，在星间链路或GEO卫星广播单层间转发新的路由表和配置策略还可以加快全球配置的更新过程。

三、提供灵活的，细致的，可扩展的网络控制：SDN在卫星组网架构中，路由计算和全球网络视图可以更灵活地适应时变网络状态，例如业务量分布平衡，多播路径修改和节点故障管理等。在传统的卫星网络，低效的控制结构和相对固定的路由策略，无法支持更细致的管理和不断变化的客户要求。而在SDN架构中，我们可以为特定客户设计网络管理策略NOCC，不仅关注路由管理同时也对客户访问、通信计费和客户漫游进行控制。一旦网络需要扩展，SDN可以在一瞬间有效地的修改和更新全局网络配置。

四、优化卫星协同覆盖和干扰规避：相较于客户的控制策略，卫星之间的合作和资源共享更加值得关注，传统的分布式协作覆盖算法将导致过量的卫星间图，降低了资源利用效率。而在SDN架构中，卫星只需要互动NOCC即可在规定的时间内完成全球覆盖调整和干扰回避。

五、提高卫星系统相容性：目前，软件定义的无线电（SDR）技术已经发展成为卫星的有效负载。其硬件可编程为多模式操作，无需改变硬件本身，即可完成无线电重配置、远程升级以及容纳新的应用和服务等功能。SDR技术主要提供了可编程物理层，与软件定义的网络相结合技术，整个卫星网络系统可以提供可编程性和灵活性，从物理层到互联层。这将使未来卫星网络系统可以互连更多的异构航天系统和终端，具备了更好的向后兼容性。

六、降低卫星系统成本：新的架构降低了系统的成本，新卫星的所有控制逻辑将由地面实现，这使得卫星设计更加简单，配置和更新组建更加容易。使用地面成熟的SDN技术，卫星的设计和实现成本可以在很大程度上降低。同时，新的控制结构的ISL转发和GEO广播可以减少地面站，有效降低了总系统的投资。

七、提高卫星网络的安全性：结合SDN思想，卫星网络中卫星节点处于网络数据层，其只负责数据转发工作，在SDN控制其中部署相应的安全策略，使其能对重要的网络信息进行实时地加密及保护工作，能有效地防止机密信息被窃取或者被攻击导致信息失效，提高了整个网络通信的安全性以及可靠性。

八、提高网络带宽利用率：SDN网络架构是一个集中式的网络，SDN控制器对整个网络进行统一地监控及管理，因此结合SDN思想后，地面SDN控制器拥有整个网络中所有卫星节点的信息及实时数据流量情况，这样SDN控制器能根据全网的数据流分布情况，找到符合通信要求的最优化的传输路径，有利于节约卫星通信的带宽资源，以避免造成资源浪费。

九、便于算法的验证：在传统的分布式网络中，对新的网络协议进行部署或者对新的算法进行验证时，需要对每一个服务器进行更新，这样耗费的工作周期以及人力物力非常巨大，但是结合SDN思想，只需在网络中控制层进行协议部署或者算法移植，然后由控制器统一计算，网络中节点只需执行控制器的指令，来验证算法或协议的性能。这就使得对通信网络技术的研究及验证变得更加方便快捷。

3. SDN 架构问题和挑战

3.1 控制平面接口设计

对基于SDN 的卫星网络架构来说，控制平面的南北向接口设计是一个比较显著的问题。北向接口的设计需要满足卫星网络应用业务的要求，目前学术界和工业界仍在讨论。而南向接口虽然已经有比较成熟的OpenFlow 协议，但并不能完全提供全局的软硬件控制和策略决定功能，这对卫星网络数据平面的设计也造成了一定的限制，有必要修改和完善OpenFlow协议，使其在卫星网络架构中发挥理想的作用。

3.2 安全问题

基于SDN 的网络架构是一种开放的分布式无线网络结构，开放性作为SDN逻辑架构的一个重要特征，是SDN 实现统一管理，配置异构网络，提供可编程特性的基础。但引入SDN 架构带来的开放性，使整个网络更加容易受到网络入侵、网络攻击和拒绝服务等安全威胁。同时，SDN 架构中控制平面提供给应用层的北向可编程接口也可能导致对网络资源的滥用和攻击变得更加频繁。由于存在上述的安全隐患，在部署控制器前需要建立一套隔离防护机制，包括控制器自身的安全防护以及控制平面南、北向接口的安全防护，以确保引入SDN 架构的卫星网络能够安全稳定地运行。

文献[9]在下一代5G网络的背景下，将软件定义网络技术作为改进卫星和地面段的中心技术。在卫星网络地面段引SDN技术，SDN控制器作为虚拟化中间件，提供适当的北向接口给各类卫星网络管理软件调用

文献[10]研究在卫星网络中引入SDN所带来的的网络可编程性和虚拟化的优点。该文献的研究案例中SDN控制器根据卫星网络以及地面骨干网的状态以及网络负载等性能指标负责用户的切换管理，其利用SDN的可编程功能，很方便地实现网关和骨干网中的转发规则的更新。该文献的研究表明，SDN不仅可以简化路由节点，实现对用户切换的管理，并且SDN的扩展能力有利于当前和未来卫星网络的发展。

文献[11]将依据SDN 数据面与控制面分离思想应用到卫星网络中，提出软件定义卫星网络(SDSN)，使卫星网络能够实现最优资源分配，完成分组报文的处理与传输，该文献利用SDSN思路扩展了SPACEWAY卫星系统。上述文献，都说明了SDSN的可行性，并提出实际应用场景验证了SDSN相对传统卫星网络性能的提升。