随着Internet、移动通信和卫星通信技术的高速发展,涌现出了大量不同类型的通信网络,其中典型的网络有互联网、地面无线通信网络以及各种专用网络.其中互联网和地面无线通信网络以IP(Internet Protocol)技术为基础逐步走向融合.而非IP技术的专用网络,如战术数据链网络、基于国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的空间通信网络和航空电信网(ATN)等,采用不同于IP的通信体制与协议体系,为用户提供各种不同的业务支持和应用服务.尤其是在专业应用领域方面,针对各种特殊应用场景、不同目标用户、技术特点和特殊通信传输等需求和应用问题,专用网络发挥了不可替代的巨大作用.这样形成了当前IP网络与非IP网络(如战术数据链、空间通信网络、航空电信网等)共存的异构网络环境.

当前,IP网络与非IP网络长期共存发展.由于IP网络较大的时延和对用户服务质量支持有限等问题,在未来很长的一段时期内,部分专用网络和协议,如空间测控通信的CCSDS网络协议、实时可靠通信的数据链和空管领域的航空电信网络等,因为应用的特殊性和不同技术需求难以IP化.

因此,一体化网络技术的研究,尤其是以IP技术为主的网络(IP网络)和以非IP技术为主的网络(非IP网络)的一体化和融合技术的研究,迫切需要借鉴吸收现有的网络架构理论与技术,设计一个具有良好兼容性与可扩展性的未来网络体系架构^[1].

世界上许多国家都十分重视未来互联网体系结构和创新环境的研究与建设^[2].美国在2005年先后提出了著名的GENI(Global Environment for Network Imovations)^[3]和FIND(Future Internet Design)^[4]计划,主要研究目标是设计新的网络体系和服务,使得网络服务更加普适化;日本在2006年启动了新一代网络架构AKARI^[5]项目;欧盟在2008年开启了FIRE(Future Internet Research and Experimentation)^[6]计划,研究未来互联网.

同时,专业应用机构和组织也在研究专用网络与IP网络的互联互通与信息共享^[7].国际民航组织(ICAO)提出建立一个全球化无缝隙的互联网络——航空电信网,制定出将IP网作为ATN子网的隧道方案,即ATN over IP方案.国际空间数据系统咨询委员会^[8]在2010年4月发布了CCSDS 702.1-R-4及相关文本,建立起CCSDS空间链路上传递IP_PDUs的实践规范.美军在2001年提出了基于IP的嵌入到联合战术无线电系统(JTRS)的战术目标瞄准网络技术(TTNT)^[9].但是,以上计划和方案都是针对于单一应用网络展开研究,其可扩展性和灵活性需要进一步深入研究.

本文在多年现代空管信息网络和空天地网络融合技术研究的基础上,结合互联网的最新发展技术和应用现状,提出一种基于可编程控制智能网关的一体化网络体系结构,分析了其中的关键技术,基于民用航空给出了一个异构网络的一体化互联示例.

针对未来互联网、无线移动网络(航空电信网)、空间网络(国际空间数据系统CCSDS)等一体化组网和综合应用实际需求^{[10, 11]},设计一种能够兼容已有的IP、CCSDS、ATN和数据链等典型协议的一体化网络体系结构,而且能够向前灵活演进和发展,满足不同网络用户在一体化网络中的个性化需求和专业应用.

对于异构网络的互联互通问题,传统的解决方案之一是采用网关进行处理.但是传统网关主要面向具体应用,以协议转换和数据转发为主要功能,采用静态的、固定的转换方式,缺乏灵活性和可扩展性^{[12, 13]}.而且由于异构网络之间的通信方式、传输体制、协议体系等子网特征和能力的不一致,带来了异构子网间的速率(带宽)不匹配和服务质量差别(误码率、时延)等传输问题,从而影响网络的实际效用,同时导致网络传输效率下降,这也成为一体化网络发展的瓶颈和难点.

本文的主要思路是将异构网络之间网关底层的数据转发与控制功能分离,形成一个可编程控制的智能网关单元;并且在上层将网关的管理控制功能提取出来,形成一个可以全局规划与协同优化的一体化网络管控单元.

网关是异构子网互联互通的中间节点,是异构网络之间连接的桥梁,是一体化网络的关键节点,也是一体化网络的管理服务和优化控制的关键执行环节.同时由于异构网络间的网关节点数不多,方便一体化网络的集中管理和控制.

通过把网络的控制功能从网络的转发功能中解耦出来,可以将异构网络之间协议和数据结构等转换的复杂逻辑简化剥离,从网关连接点等设备中抽离出来,从而实现通过编辑软件程序对硬件进行数据监控和管理.

针对一体化网络的架构方案,以网关节点为主要研究对象.将异构子网间的传输问题抽象、映射为网关间的传输问题.即异构网络通过可编程网关控制节点实现互联互通和相互融合,实现一体化.

通过赋予网关节点可编程性^[14],即子网间可编程控制网关节点负责将数据转发和控制功能分离,将网关的管理决策功能转移到由网关节点所形成的网络系统的管控单元,将网络的控制功能从设备内部迁移到设备外部.针对异构子网和专用通信协议复杂多样的问题,可编程控制网关通过将网关的控制功能与转发功能分离,来实现多种网络的智能适配,其适配算法既可以事先设定,也可以实时动态调整和远程控制,成为一个可编程控制的智能网关.这样就可以避免传统网关提前定制,缺乏动态灵活性的问题.可以针对子网网络状态的实时变化,动态设置和调整网关参数,进行子网间的动态适配,提高网络的运行效率.

一体化网络的体系结构主要分为3层,自上向下分别是协同管控单元、可编程控制网关和异构子网,各层之间由通用接口API连接,如图 1所示.

图 1 一体化网络的3层架构 Fig. 1 Framework of unified network with three layers

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可编程控制网关节点:可编程控制网关内部分为与底层设备之间的底层硬件接口模块、数据协议解析与分类模块、异构子网协议转换与地址映射模块、子网间适配模块以及与管控单元的网关接口与操作规范模块.可编程控制网关提供了多种数据转换、协议转换技术以及本地视图的API接口,从而能够以多种能力支持新体系和新协议.在可编程控制网关节点之上,将数据的转发控制功能分离,同时为协同管控单元提供了全局网络视图和统一的控制接口.

协同管控单元:协同管控单元分为拓扑控制模块、路径计算模块和安全控制模块等.根据可编程控制网关节点提供的全局抽象拓扑视图及子网性能,通过子网需求分析与资源分配算法,进行全局路径规划与流量优化.基于拓扑感知,实施预测和更新网络拓扑视图.根据子网用户的动态资源请求,通过指令数据库实现自动化调度.

由网关节点所形成的协同管控单元负责对整个异构网络的全局路由计算、流量规划、资源分配、拓扑控制与网络管理.通过将网络的控制功能从传统的网关节点中转发功能中解耦出来,使得网络的控制功能位置发生变化,从网络设备内迁移到网络设备外.那么网络管理者能够在一体化网络架构的基础上,实现多种数据格式的统一控制和网络资源的统一管理.

通用接口:可编程网关与异构子网间的接口屏蔽了异构子网之间通信方式和协议体系之间的差异,克服了传统网关提前定制而引起的通用性差和兼容性差等问题.协同管控单元与可编程网关之间的接口,为协同管控单元提供了全局网络视图,可以实现异构网络的资源共享和资源整合.同时,为可编程控制网关提供了编程接口,通过支持在线网络的动态配置和编程,任何网关节点可以根据用户子网的类型和实时状态来进行任务状态的改变和适配^[15].

本文提出的一体化网络体系架构可以实现异构网络有效的互联互通与信息共享,能够从面向应用的角度满足用户和业务需求的多样性,实现多功能、多体制以及多服务的融合.

一体化网络实现方案的总体思路为:在异构子网内部进行子网自治,避免改变现有的网络结构,将异构子网之间传输问题映射为网关间的传输问题.其实现方案如图 2所示.图中：AS(Autonomors System)为自治系统：TCP(Transmission Control Protocol)为传输控制协议；AFDX(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)为新一代航空总线协议.

图 2 一体化网络的实现方案 Fig. 2 Implementation scheme of unified network

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将一体化组网和综合应用变为网关节点之间的联通和协同组网应用,即通过网关协议转化、地址映射和智能适配实现异构网络的互联互通,通过网关节点的接入与优化控制实现异构网络的随遇接入,通过网关协同调度与优化控制实现异构网络的资源共享与资源整合.

异构网络之间使用的不同协议体系和通信体制以及能力差异构成了网络互联互通的障碍并且增大了管理控制的难度,其中网络协议与子网地址的多样性增加了协议转换、地址映射和智能适配的难度,而且子网的移动性更是增加了统一编址和协同优化的难度.针对这些问题,将异构网络抽象化并统一描述,来消除网间协议差异影响,提高信息共享效能.

网络资源的统一描述,即将所有的网络资源都分配抽象的标识,使其拥有全局范围内的唯一的子网标识号(ID)和全局唯一标识号(GUID).GUID由子网类型ID+IP地址构成.这样就保证了该资源在一体化网络架构下能够被使用和访问.同时还需要对资源的功能进行形式化的统一描述,获得资源的可用性情况.一般来说,对于一体化网络中的节点资源和链路资源,可以通过资源发现机制进行定量描述.

协议与数据的统一描述,即可编程控制网关将流入其中的所有数据视为统一的流,忽略一体化网路中多种协议与数据结构共存的复杂情况.可编程控制网关能够解析数据源的子网类型、协议类型和数据结构.通过数据包头分析,与通配域进行匹配,最后执行相应的操作规则,包括直接转发、协议转换、链路建立和链路释放等.通过网关控制层和数据层分离,网络资源的管理转移到控制层进行统一调度,可编程控制网关节点不再关注路由决策和接入控制等,只负责数据的转发.

图 3是一个以局域网-异构网络-互联网为示例的异构网络互联协议栈.图中:FTP(File Transportation Protocol)为文件传输协议；HTTP(Hyper Text Transportation)为超文本传输协议.由该协议栈可以看出,异构互联的关键在于网络适配层的协议转换和地址映射,该地址即为每个对象全局范围内的GUID.异构子网在内部使用独立的链路层协议,在外部互联互通时,则通过子网间可编程控制网关的子网智能适配模块完成地址映射与协议转换.该协议栈可以有效整合当前典型的CCSDS、ATN异构子网和IP网络协议,实现这些异构子网的互联互通和信息共享.该协议栈采用模块化的设计思想,具有一定的典型性和普适性.

图 3 一体化网络的协议栈示例 Fig. 3 Examples of protocol stack for unified network

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为了实现一体化网络资源的统一管理调度,子网间可编程控制网关必须消除因为异构子网间性能差异而造成的影响,实现网间速率与资源的匹配.针对上述问题,有效解决途径是赋予网关节点可编程性,通过支持在线网络动态配置和编程,任何网关节点可以根据用户子网的类型和实时状态来进行任务状态的改变和适配.异构子网的适配技术包括异构子网网关传输的速率匹配与控制、时隙和带宽资源的匹配.异构子网的适配技术是用户业务跨网传输性能的匹配和保障,保证了网关管理资源的有效性.

当异构子网进行通信时,网关节点利用子网的性能信息,通过队列调度算法,动态安排数据在网关内的进出,实现速率适配.将流入网关接口的分组,送入不同的转发接口,等待发送.IP网络和非IP网络间通信时,还要考虑带宽与时隙的对应关系.可编程控制网关通过带宽资源等效原则策略,决定了带宽与时隙之间的映射,实现带宽与时隙之间的转换,包括带宽/时隙的可用性、带宽分配和时隙分配.

协同管控单元包括流量规划模块、路由计算模块、拓扑控制模块和协同优化模块等.网络管理者可以通过协同管控单元为子网提供区分性服务,并能够统一调度底层资源,动态调整资源的分配方案.一体化网络的资源管理与协同优化负责为实现全局统一规划,避免局部优化,提高全网资源的整合效能.

协同管控单元通过可编程控制网关的抽象接口对多元抽象数据操作和异构子网开放网络设备进行管理.同时能够为新体系和新协议的随时加入提供统一的控制平面接口,降低一体化网络互联互通的复杂性.

根据网络资源的GUID,接入可编程控制网关的子网资源被统一分配抽象标识,可以保证资源在一体化框架下能够被使用和访问.网络资源包括链路资源和节点资源.根据资源探测机制,获得底层资源的本地视图.经过资源描述与资源发现机制,可以获得全局的资源视图,再利用协同管控单元的资源分配模块,实现路径规划与全局优化.

在一体化环境下,底层资源的位置、服务提供能力、负载和网络连通性实时发生变化.因此对于子网的加入和退出,需要实时预测和更新网络拓扑视图,并利用接入控制机制,提高网络的鲁棒性.协同管控单元同时能够根据子网用户的动态资源请求,实现资源的重定向.

为了屏蔽异构网络协议数据、通信体制以及底层网络资源之间的差异,需要为异构子网与可编程控制网关之间的通用接口API制定标准的接口规范,满足支持Ethernet、AFDX、ECL和LVDS等多种通用接口,接口可以支持从Kbps到Gbps级的转发速率.

基于提出的一体化网络体系构架,这里针对民用航空通信应用给出了如图 4所示的异构网络一体化互联应用示例.即航空用户通过机载可编程控制网关,使用CCSDS或者空地数据链,再经过地面可编程控制网关与地面互联网通信.

图 4 异构网络的一体化互联应用示例 Fig. 4 Application case of unified interconnection network for heterogeneous networks

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图 4描述的是一个以太网(Ethernet)和一个广域网(Internet)通过卫星链路或者空地通信链路进行互联互通的网络系统.图 4所示的系统主要包括机载网络、空间链路/子网和地面子网3部分.机载以太网和地面Internet支持语音、视频和数据等多种业务.其中卫星链路采用CCSDS的AOS(Advanced Orbiting Systems)协议,空地通信采用L-DACS(L-band Digital Aeronautical Communications System)数据链协议,AOS和L-DACS数据链都是典型的非IP网络协议.该系统可以模拟适用于标准以太网通过数据链、CCSDS卫星链路或者其他传输网络与Internet互联互通的通用网络体系架构和可编程控制网关功能,也就是IP网络和非IP网络的互联.

图 5给出了基于可编程网关的网络互联系统.其中网关的主要功能模块有数据转发模块、协议转换模块、编址和地址映射模块、速率匹配模块、资源调度与可编程管控模块.网关的协议转换模块主要包括IP over AOS和IP over L-DACS,网关的控制管理功能可以通过编程实现.

图 5 基于可编程网关的网络互联系统 Fig. 5 Interconnection networks based on programmable gateway

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可编程控制网关可以在基于Linux的软件系统上进行软件实现,或者在嵌入式平台PowerPC和FPGA的硬件板卡上进行硬件实现.

在基于Linux的软件网关系统中,TCP数据包的传输效率可以达到80%以上(84.7Mbps/百兆网卡),而无网关的直接传输效率大约为95%(96Mbps/百兆网卡),表明TCP over CCSDS的软件实现效率大约为88%,即性能损失在12%左右.而UDP(User Datagram Protocol)的传输性能大约为20%(20Mbps/百兆网卡),无网关测试速率为32%(32Mbps/百兆网卡),说明UDP over CCSDS的效率大约为62%,即性能损失在38%左右.千兆网卡的软件实现结果类似.这些数据表明了该体系架构的可行性和可编程控制网关的可用性.在基于嵌入式平台PowerPC和FPGA的硬件板卡上,其系统性能得到进一步的提升,接近硬件系统的数据转发速率.当传输速率达到数Gbps时,可以进一步通过提高硬件芯片能力来提高异构网络传输的性能.

1) 针对IP网络和非IP网络长期共存发展、互联互通与信息共享困难的现状,提出一种针对典型网络的基于可编程控制网关的一体化网络的架构方法与总体框架.通过将网关的数据转发和控制功能分离,从而在网络上层具有更大的灵活性和集中管控能力,使得该体系结构相较于现有的网络体系结构更具有灵活性和可扩展性.

2) 分析并提出了实现一体化网络的关键技术.通过数据、协议和资源等的抽象与统一描述解决异构网络多种协议数据共存和地址多样的问题;通过智能适配技术解决网间性能差异、资源与速率不匹配的问题;通过一体化网络的资源管理和协同优化解决局部优化和资源利用率不足的问题.

3) 给出了异构网络一体化互联示例.通过基于可编程网关的网关互联系统的仿真实验测试了UDP和TCP的端口速率,验证了体系架构可行性和可编程控制网关的可用性及有效性.

4) 提出的一体化网络架构具有良好的管控能力、可扩展性和融合性,其思想方法可以广泛应用于陆地、空中、太空和海洋等各类异构网络用户的信息共享、资源整合及互联互通,为中国未来一体化网络的建设和发展提供了重要的理论技术基础和工程指导.