0 引　言

近年来，随着通信技术的快速发展和应用需求的不断变化，通信网络的拓扑结构越来越复杂、构建方式也越来越多样化，对网络可重构性和可扩展性的要求越来越高，网络与应用之间的传输流程、传输协议也越来越复杂。软件定义网络（Software Defined Network，SDN）作为一种新型网络架构应运而生，它通过将控制和转发功能分离，并采用软件定义的方式实现了网络的灵活重构和敏捷管理，极大提升了网络的可编程定制控制、多样化网络服务能力，已成为通信网络发展的主流方向^[1]。SDN首先在运营商、电商的数据中心等民用有线网络中得到应用并取得了巨大成功，如Google公司在跨越欧美亚三大洲的12个数据中心部署了基于软件定义网络架构的B4网络，其链路利用率达到了100%^[2]。SDN的发展逐渐引起了美、英、法等主要军事强国的高度重视，各国都在积极推进SDN在军事通信领域的研究和应用，以有效提升战术网络的灵活重构效率。美国国防部在2019年发布的《国防部数字现代化战略》中将SDN列为支撑国防部数字现代化的16项关键技术之一^[3]。美国陆军研究办公室开展了“软件定义移动自组织网络（SD-MANET）”项目，提出了一种软件定义的MANET的体系结构，并对其进行了效能评估，验证了移动自组织网络建立和路由维护的提升能力。美国海军研究办公室开展了“软件定义海军战场网络通信（SD-NBN）”项目，提出了软件定义框架SDN-SAT，基于已有的卫星通信服务，通过将多个通信链路共享使用和负载均衡，克服了有限的带宽限制。美国空军开展了“软件可编程敏捷射频战术空中网络（SPARTAN）”项目，将SDN应用于空战编队机载网络，以发挥不同网络技术在不同应用场景下的技术优势^[4]。

海上通信网络主要由声、光、电等各类异构无线通信手段组成，各类通信手段由于传播方式、信道特性的不同，其在通信距离、传输能力、业务承载等方面存在差异。同时，海上通信网络需要传输重要秘密信息、综合保障等各类信息，信息承载方式为数据、话音、视频等业务，各类业务对带宽、时延、丢包率等方面的传输需求也不同^[5]。因此，实现传输网络与业务需求之间的有机适配，优化传输网络与业务应用之间的传输流程、传输协议，即综合运用各类无线通信手段，并针对不同业务需求按需调度各类无线通信资源，成为构建海上通信网络的关键和难点。为提升海上无线通信资源按需调度能力，本文将SDN应用于海上通信网络设计，提出一种基于软件定义的海上异构网络信息传输的网络结构、互连模型、路由机制、数据转发控制方法和技术架构，并对其关键技术进行研究。

1 系统设计 1.1 网络结构

针对海上通信网络的通信特点和应用需求，基于SDN思想，提出“分域分级”基于软件定义的海上通信网络的网络结构，如图1所示。

基于软件定义的网络互连功能主要由无线传输设备、综合互连设备以及SDN控制器等设备实体共同实现。无线传输设备包括卫星、微波、超短波等无线通信手段，主要为各类平台之间的联通与入网提供物理连接。综合互连设备主要实现各类异构无线通信手段的统一接入和综合互连，为上层提供统一的信息传输环境。同时，综合互连设备可接收SDN控制器下发的转发策略进行数据转发控制，SDN控制器主要获取全网拓扑和资源使用情况，并根据业务传输需求制定转发策略，以实现对网络的软件定义控制。

1) 分域结构

根据力量编成、活动区域、信息关系，并结合平台之间的位置关系、通连频次、网络配属等约束条件，将作战平台划归为多个SDN控制域，如将一个编队所属平台划归为一个SDN控制域。在每个SDN控制域内，选择某一平台部署单域SDN控制器，由单域SDN控制器负责本SDN控制域内网络资源的软件定义控制，即根据域内业务传输需求，制定业务数据转发策略（如转发路径、带宽策略、优先级策略等），并下发至相关平台的综合互连设备执行，从而实现域内端到端的数据转发控制。

2) 分级结构

对于不同的SDN控制域，如对于编队与岸基之间，或不同编队之间，在分域结构的基础上，采用分级结构，即选择某一平台部署跨域SDN控制器，实现SDN控制域间的控制。跨域SDN控制器首先从各单域SDN控制器获取各SDN控制域内网络资源情况，形成全网资源状态，并针对跨SDN控制域的业务传输需求，制定域间业务数据转发策略下发至相关的单域SDN控制器；各单域SDN控制器根据接收的域间业务数据转发策略，并结合域内资源情况进一步制定域内数据转发策略，下发至相关平台的综合互连设备执行，从而实现域间端到端的数据转发控制。

1.2 互连模型

根据上述网络结构，基于软件定义的海上通信网络采用“子网传输、网间互连、软件定义”3层互连模型，具有“物理传输多张网、统一承载一张网、业务逻辑多张网”的典型特征，互连模型如图2所示。

1) 子网传输

在卫星、微波、超短波等无线通信手段内部，根据不同通信手段在信道带宽、传输速率、传输距离、拓扑结构等方面的差异，分别采用相应的互连方式实现信息在各无线通信手段内部的传输功能，功能实体为各无线传输设备。如卫星通信网可采用TDMA、FDMA方式实现互连，超短波通信网可采用基于Ad hoc协议的自组网方式实现互连。

2) 网间互连

在各无线通信手段之间，采用基于IP的异构网络互连技术实现互连，功能实体为综合互连设备。综合互连设备采用适合于无线信道传输特性的异构网络互连路由协议进行路由交换和收敛。在此基础上，基于数据包的目的地址，并结合业务数据传输需求（如带宽、时延、丢包率等）优选无线通信手段进行业务数据转发，从而实现跨网互连功能。

3) 软件定义

对于特定的业务应用，采用软件定义的方式制定业务转发策略，以控制业务数据的按需转发，功能实体为SDN控制器（单域或跨域）。SDN控制器采集、汇总、维护全局网络资源，并针对业务传输需求，计算出满足需求的端到端传输路径，采用集中控制方式向相关的综合互连设备下发业务转发策略，综合互连设备据此构建端到端逻辑网络，实现业务数据转发控制。

1.3 路由机制

根据互连模型可知，综合互连设备采用分布式路由与集中式路由相结合的混合式路由机制。

1) 分布式路由

分布式路由主要是基于本平台各无线通信手段上报或与其他平台综合互连设备交互路由协议，通过路由收敛方式形成的路由。其中，综合互连设备通过与本平台无线通信手段交互协议，获知各无线通信手段的可达平台、链路质量、传输状态等信息，以形成单子网可达路由；综合互连设备通过与其他平台综合互连设备交互路由协议，收敛得到全网拓扑，并根据Dijkstra等最短路径算法，形成跨子网可达路由。分布式路由机制如图3所示。

图3（a）中，平台1上的卫星子网、超短波子网传输设备分别向本平台综合互连设备上报子网路由，综合互连设备据此可知经分别卫星子网内单跳，或者经超短波子网内多跳可达平台3。图3（b）中，首先，平台1～平台4上的综合互连设备分别从本平台子网传输设备获知单子网可达信息：平台1经卫星子网可达平台2、平台2经超短波子网可达平台4；然后，平台2上的综合互连设备将单子网路由信息分发至其他平台，经路由收敛，平台1得到到达平台4的跨子网路由：平台1经卫星子网、超短波子网可达平台4。

2) 集中式路由

集中式路由主要是基于软件定义方式，由SDN控制器以逻辑集中方式向相关综合互连设备下发路由策略形成的路由。集中式路由包括状态上报、策略下发2个阶段。在状态上报阶段，综合互连设备向SDN控制器上报网络拓扑、业务流量等情况，SDN控制器据此形成全局的网络视图。在策略下发阶段，SDN控制器根据业务传输需求，并结合掌握的网络视图向相关互连设备下发业务数据转发策略，进而由综合互连设备根据转发策略形成路由。集中式路由机制如图4所示。

图4（a）中，平台1～平台6属于同一SDN控制域，且SDN控制器部署于平台1。平台1～平台6上的综合互连设备向SDN控制器上报网络状态、业务流量、资源占用等情况，SDN控制器据此掌握全局网络视图，如获知平台2发送至平台6的数据经由平台5进行转发。图4（b）中，当平台5上的综合互连设备业务流量较大时，其向SDN控制器上报业务流量过大预警。SDN控制器收到预警后，进行软件定义控制：发现平台3、平台4链路空闲，于是向平台2～平台4下发数据转发策略，将平台2~平台6的数据流向由2-5-6调整为2-3-4-6，从而充分利用了平台3、平台4的转发资源，同时也降低了平台5的流量。

1.4 转发控制

综合互连设备根据分布式路由、集中式路由形成的路由信息表，以及待传输数据的业务传输需求，选择合适的无线通信子网进行数据转发，以实现无线通信手段与业务传输需求之间的有机适配。转发流程如图5所示。

1）综合互连设备从本平台上层应用接收到业务数据包后，在路由信息表中查找是否为该数据包的目的地址或业务设置了软件定义路由，即是否从SDN控制器接收过对应目的地址或业务的数据转发策略；

2）若存在软件定义路由，综合互连设备则根据集中式路由获取的路由信息进行数据转发，即直接根据SDN控制器下发的数据转发策略信息中指定的无线子网或下一跳地址进行数据转发；

3）若不存在软件定义路由，综合互连设备则根据分布式路由形成的路由信息进行数据转发，具体为：首先，根据数据包的目的地址，在路由信息表中查找到达目的地址的链路代价最优链路。然后，判断最优链路传输能力是否支持该业务传输需求，若支持，则选择最优链路进行数据转发；若不支持，则在路由信息表中查找链路代价次优的可达链路，继续判断该次优链路传输能力是否支持该业务传输需求，直至找到满足业务传输需求的链路进行数据转发，或无满足业务传输需求的可达链路（数据包转发失败）。

1.5 技术架构

与互连模型、路由机制、转发控制相对应，基于软件定义的海上通信网络采用的技术架构如图6所示。

1) 子网传输技术

子网传输技术主要实现单一无线通信手段内部的互连互通，包括物理传输波形、链路接入控制、子网组网路由、子网传输抗干扰、子网传输服务质量保障、子网传输优化等技术。各无线通信手段根据自身特点分别采用相应技术。

2) 网间互连技术

网间互连技术主要实现异构无线通信手段之间的互连互通，包括多频段通信手段统一接入、异构无线网络综合互连、业务感知、网间传输服务质量保障、网间传输决策、网间传输优化等技术。

3) 软件定义技术

软件定义技术主要实现无线环境下软件定义网络的构建，包括SDN控制器动态部署、无线SDN网络重构、无线SDN连接管理、全网资源感知、端到端路径计算、转发策略/流表管理、轻量化南向接口等技术。

2 关键技术 2.1 网间互连关键技术

1) 多频段通信手段统一接入技术

多频段通信手段统一接入技术主要是将卫星、微波、超短波等不同频段无线通信手段的网络连通、设备运行、业务流量等信息采用统一的、标准的信息流程和协议格式上报综合互连设备，以便综合互连设备及时掌握各无线通信手段的状态。同时确保综合互连设备接入手段的可扩展性。其中，网络连通状态需包含无线手段标识、可达目的平台、链路传输质量等信息；设备运行状态需包含设备开机、设备关机、设备存活等信息；业务流量状态需包含流量正常或拥塞、以及发生拥塞时的拥塞等级等信息。

2) 异构无线网络综合互连技术

异构无线网络综合互连技术主要是基于IP互连机制，采用异构网络互连路由协议实现海上卫星、微波、超短波等不同频段的异构无线通信手段的综合互连，以支持网络的此断彼通和信息的跨网传输，从而提升海上通信资源综合利用效率。针对海上复杂无线环境，综合互连技术可采用基于链路状态的路由方式，并结合各平台的任务角色、位置关系等信息，设计轻量化的路由机制和紧凑化的协议报文^[6]。此外，还需根据不同无线通信手段的传输机制、传输能力等因素，设计速率适配、地址映射等机制。

3) 网间传输服务质量保障技术

网间传输服务质量保障技术主要是采用接纳控制、队列调度、优先级排队、流分类、流量整形、拥塞控制、接口限速等多种传输控制技术，以保证业务跨网传输时的服务质量要求。此外，为保证业务数据传输的可靠性和时效性，同时也为了更好地利用多种无线通信资源，可采用异构网络多路径传输机制传输数据^[7]，即将同一业务数据包选择在多个传输能力相近的无线通信手段上并发传输，或者将同一业务的不同数据包选择在不同的无线通信手段上并发传输，并在接收端通过数据去重、拼包后得到原始数据。

2.2 软件定义关键技术

1) SDN控制器动态部署技术

SDN控制器动态部署技术主要是根据任务要求、网络规模、互通关系等因素，确定整个网络中需要部署的SDN控制器数量以及SDN控制器在网络中的位置，即整个网络划分为多少个SDN控制域，以及在哪些平台上部署单域SDN控制器或跨域SDN控制器。针对海上无线通信环境，SDN控制器动态部署时需以网络时延、控制信令可靠性、负载均衡等为参数，以网络综合性能为目标建立评价模型，采用聚类算法、启发式算法、多目标规划算法、博弈算法等求解得到SDN控制器的部署方案^[8]。

2) 无线SDN网络重构技术

无线SDN网络重构技术主要是当SDN控制器发生故障或者当网络连通关系发生变化时，能够自动感知变化并快速重新建立SDN网络。为提高海上无线环境下SDN网络的可靠性，可采用SDN控制器备份机制^[9]，包括备份控制器选举、保活、启动3个阶段。在选举阶段，根据SDN控制器故障的区域影响以及平台间传输时延为依据，选取某一平台部署备份SDN控制器；在保活阶段，SDN控制器向备份SDN控制器同步网络状态信息和发送保活信息；在启动阶段，备份SDN控制器探测SDN控制器状态，当发现SDN控制器故障时，备份SDN控制器通告全网，成为主用SDN控制器接管网络。

3) 轻量化南向接口控制技术

轻量化南向接口控制技术主要是针对海上无线通信环境，设计SDN控制器与综合互联设备之间轻量化的交互协议，以节约网络带宽资源^[10]。SDN控制器与综合互连设备之间交互的信息主要包括综合互连设备上报的网络状态信息和SDN控制器下发的数据转发策略信息，可采用紧凑型网络地址和连结型属性值的方式设计交互报文格式。同时，可通过简化SDN控制器与综合互连设备之间信息交互流程，以减少无线信道上控制信息的交互频次。

3 结　语

海上通信网络作为信息基础设施，是支撑海上各类平台互连互通和信息按需传输的基础，其能力发展直接决定信息化作战能力的发挥。本文针对海上通信手段多样、业务传输需求差异的应用需求，提出了一种基于软件定义的海上通信网络的网络结构、互连模型、路由机制、数据转发控制方法和技术架构，并对其关键技术进行了研究，为海上通信网络的发展提供一定的技术支撑。