鄭　亮　嚴(yán)　彬

(1.武漢船舶通信研究所　武漢　430205)(2.中國地質(zhì)大學(xué)　武漢　430070)

ZHENG Liang1　YAN Bin2

(1.Wuhan Marine Communications Reasearch Institute, Wuhan　430205) (2.China University of Geosciences, Wuhan　430070)

?

基于SDN/NFV的海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法*

鄭亮1嚴(yán)彬2

(1.武漢船舶通信研究所武漢430205)(2.中國地質(zhì)大學(xué)武漢430070)

論文闡述了基于SDN/NFV的海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，給出了海軍軍事信息網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和需求，介紹了海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的功能分層和組網(wǎng)體制，提出了海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案，推動了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和上層戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的解耦，實(shí)現(xiàn)海軍網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和抽象化，將基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為海軍信息云網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化; SDN; NFV; OpenFlow; 信息網(wǎng)絡(luò)

ZHENG Liang1YAN Bin2

(1.Wuhan Marine Communications Reasearch Institute, Wuhan430205) (2.China University of Geosciences, Wuhan430070)

Class NumberTP939

1　引言

軍事信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念源自于20世紀(jì)90年代興起的新軍事變革和實(shí)現(xiàn)信息化作戰(zhàn)途徑的研究過程，其目標(biāo)是尋求新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)體制構(gòu)建一種綜合化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支撐實(shí)現(xiàn)信息化作戰(zhàn)。進(jìn)入21世紀(jì)，美軍正在GIG框架內(nèi)著力推進(jìn)軍事信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)工作。2012 年，美軍提出了聯(lián)合信息環(huán)境( Joint Information Environment，JIE) 建設(shè)計(jì)劃[1]，目標(biāo)是建設(shè)一體化、安全、高效的虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)，提供快速交付和使用集成的云計(jì)算服務(wù)[2]。當(dāng)前海軍作戰(zhàn)主要依托靜態(tài)規(guī)劃的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和調(diào)整時間長，難以滿足瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境要求，需要將軍事通信技術(shù)和商用SDN/NFV技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)。

2　SDN/NFV技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是指通過抽象、分配、隔離機(jī)制在一個公共物理網(wǎng)絡(luò)上支持多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，各虛擬網(wǎng)絡(luò)可以使用自己的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，并且不會互相影響[3]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)以VXLAN、NVGRE、STT等技術(shù)為代表[4]。國外主要發(fā)達(dá)國家也先后開展了針對網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的PlanetLab、GENI、CABO、VINI、4WARD、Trilogy、UCLP、NouVeau、AKARI等大型研究項(xiàng)目[5]。而SDN/NFV技術(shù)的發(fā)展，代表著網(wǎng)絡(luò)虛擬化已逐漸走向成熟。

2012年4月，ONF(開放網(wǎng)絡(luò)基金會)發(fā)布白皮書，將SDN定義為：“SDN是一種新興的、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離并直接可編程的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其核心是將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解耦成應(yīng)用、控制、轉(zhuǎn)發(fā)三層分離的架構(gòu)，并通過標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中管控和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可編程”[6]。

2012年10月，美國AT&T、德國電信、英國電信、中國移動等13個主流運(yùn)營商牽頭，聯(lián)合52家網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、設(shè)備供應(yīng)商，在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)發(fā)起成立了NFV標(biāo)準(zhǔn)工作組(NFV ISG)，來推動其網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。NFV以“功能軟件化”、“業(yè)務(wù)統(tǒng)一編排”和“硬件云資源池”為主要特征，構(gòu)建商用電信系統(tǒng)的云化網(wǎng)絡(luò)體系[7]。目前阿爾卡特朗訊、愛立信、華為、諾基亞、Intel、HP、Juniper、Cisco等多個廠家已完成了vIMS、vEPC、vCPE、vCDN等系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證[8]。全球多個領(lǐng)先的運(yùn)營商都計(jì)劃在2015年下半年開始NFV的試商用[9]。

目前電信網(wǎng)絡(luò)和軍事信息網(wǎng)絡(luò)均采取垂直式的應(yīng)用部署方式，網(wǎng)絡(luò)功能與業(yè)務(wù)能力耦合度高，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以分布式控制為主，種類眾多，缺乏統(tǒng)一的全局網(wǎng)絡(luò)視圖。隨著網(wǎng)絡(luò)“云化”的推進(jìn)，電信網(wǎng)絡(luò)和軍事信息網(wǎng)絡(luò)向“開放化”發(fā)展的趨勢日益明顯，電信網(wǎng)絡(luò)和軍事信息網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)將進(jìn)一步“扁平”。網(wǎng)絡(luò)云化提供了基礎(chǔ)設(shè)施和上層應(yīng)用的解耦，底層網(wǎng)絡(luò)資源通過虛擬化可以被多種應(yīng)用共享。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)可以靈活的調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)應(yīng)用的負(fù)載要求，網(wǎng)絡(luò)功能自動化部署，實(shí)時遷移，自動縮容和擴(kuò)容[10]。

3　功能分層

海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)分為通信資源層、虛擬化層、虛擬網(wǎng)控制層、虛擬網(wǎng)服務(wù)層、虛擬網(wǎng)管理層、虛擬網(wǎng)安全層。系統(tǒng)層次如圖1所示。

1) 通信資源層

通信資源層為海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)提供信息傳輸物理通道，主要由無線通信網(wǎng)絡(luò)和岸基有線通信網(wǎng)絡(luò)組成。

2) 虛擬化層

虛擬化層通過虛擬化技術(shù)，進(jìn)行底層網(wǎng)絡(luò)資源的封裝，屏蔽底層通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異，實(shí)現(xiàn)底層物理網(wǎng)絡(luò)對上層戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的透明化，主要由虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成。虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備完成虛擬網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)之間的接口信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和適配，具備流表接收、策略執(zhí)行、數(shù)據(jù)匹配、信息轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

圖1　海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層次示意圖

3) 虛擬網(wǎng)控制層

網(wǎng)絡(luò)控制層為海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)接入和控制能力，主要由虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器組成。虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器從全局上監(jiān)測虛擬網(wǎng)絡(luò)的資源容量、網(wǎng)絡(luò)需求、網(wǎng)絡(luò)配置、連接方式等信息，并以集中化方式對全網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)控制。

4) 虛擬網(wǎng)服務(wù)層

虛擬網(wǎng)服務(wù)層為各類用戶提供統(tǒng)一的虛擬網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)環(huán)境，主要由虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)組成。虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)面向虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)用戶，提供虛擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力的統(tǒng)一封裝和業(yè)務(wù)生成環(huán)境，為新業(yè)務(wù)構(gòu)建和多種業(yè)務(wù)的靈活組合提供支撐。

5) 虛擬網(wǎng)管理層

虛擬網(wǎng)管理層是保障虛擬網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、可靠和高效運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，是監(jiān)視虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、處置虛擬網(wǎng)絡(luò)事件、評估虛擬網(wǎng)絡(luò)性能、調(diào)度虛擬網(wǎng)絡(luò)資源的服務(wù)平臺，主要由虛擬網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成。

6) 虛擬網(wǎng)安全層

虛擬網(wǎng)安全層是虛擬網(wǎng)絡(luò)安全可控運(yùn)行的重要保障，為虛擬網(wǎng)絡(luò)和用戶提供安全認(rèn)證、邊界防護(hù)、應(yīng)急響應(yīng)、信息加密和安全管理功能，主要由虛擬網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)組成。

4　組網(wǎng)體制

海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)將商用電信技術(shù)與海軍戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，以 SDN和NFV技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)海軍信息網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵資源集虛擬化，將功能、網(wǎng)絡(luò)及基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)樵品?wù)。各類海軍軍事應(yīng)用采用通用的網(wǎng)絡(luò)能力開放接口，以標(biāo)準(zhǔn)方式控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。新型軍事應(yīng)用進(jìn)行部署時，可以直接疊加在已有網(wǎng)絡(luò)上，無需根據(jù)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用連接要求，配套更改已有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加快了新型軍事應(yīng)用的部署速度。同時海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)通過虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境的變化快速調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌嵘ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)敏捷部署、彈性管理的能力。

海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)按照分級分區(qū)域方式,建設(shè)多個網(wǎng)絡(luò)控制中心。網(wǎng)絡(luò)控制中心根據(jù)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)連接和服務(wù)質(zhì)量要求，為這些戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用建立單獨(dú)的虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在物理網(wǎng)絡(luò)上。海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)中，虛擬網(wǎng)絡(luò)與底層物理網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)映射關(guān)系分為一對多映射、多對一映射、多對多映射。其中一對多映射時，一個底層物理網(wǎng)絡(luò)可以同時支持多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，多個戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用對應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體可同時運(yùn)行在同一個底層物理網(wǎng)絡(luò)上，共享物理網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，彼此隔離，互不干擾。多對一映射時，多個底層物理網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作為一個邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體，該邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由多個物理網(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點(diǎn)和所需帶寬相互聯(lián)接構(gòu)成，多個物理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合承載邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量。該邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò)具有標(biāo)準(zhǔn)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)能力服務(wù)接口，向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用屏蔽虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，為戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)服務(wù)。多對多映射時，每個底層物理網(wǎng)絡(luò)支持多個戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體，同時多個底層物理網(wǎng)絡(luò)也可聚合構(gòu)建同一個戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用虛擬網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)控制中心通過為虛擬網(wǎng)絡(luò)分配適當(dāng)?shù)奈锢砭W(wǎng)絡(luò)資源，可以保證相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用不受其它戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的影響，從而能夠保證這些戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用端到端的服務(wù)質(zhì)量。海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)體制如圖2所示。

圖2　海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)體制示意圖

圖3　海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制示意圖

5　實(shí)現(xiàn)機(jī)制

海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)采用在光纜、長波、短波、超短波、衛(wèi)星等有無線網(wǎng)絡(luò)上疊加虛擬網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)，其中虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器采用OF-Config (OpenFlow 配置協(xié)議)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和配置，通過OpenFlow協(xié)議下發(fā)虛擬網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的流表項(xiàng)，控制虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，按照約定的服務(wù)質(zhì)量要求和路由拓?fù)湟?，調(diào)整有無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動作。虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備根據(jù)流表數(shù)據(jù)項(xiàng)，轉(zhuǎn)換為有無線物理網(wǎng)絡(luò)特定控制接口協(xié)議參數(shù)，在虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器的控制下，完成跨越多個有無線物理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)動作，在光纜、長波、短波、超短波、衛(wèi)星等物理網(wǎng)絡(luò)上疊加新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)。海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖3所示。

海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)將虛擬網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝在網(wǎng)絡(luò)分組中，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)之上可以創(chuàng)建大量虛擬域，并且它們彼此之間以及與底層有無線物理網(wǎng)絡(luò)之間完全隔離，提供了與底層網(wǎng)絡(luò)和位置無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)抽象能力。海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)在虛擬網(wǎng)絡(luò)邊緣處部署虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，源平臺虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備將虛擬網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識號分配給本次業(yè)務(wù)對應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)傳輸路徑上依次把指定的虛擬網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識號字段映射為相應(yīng)有無線物理網(wǎng)絡(luò)中虛擬網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的數(shù)據(jù)隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)不同用戶數(shù)據(jù)流量的隔離。海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

光纜/短波/超短波/長波/衛(wèi)星MAC地址目標(biāo)平臺虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備IP地址UDP端口號虛擬網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識號虛擬網(wǎng)絡(luò)IP地址虛擬網(wǎng)絡(luò)MAC地址業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)負(fù)荷CRC

圖4海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀格式示意圖

6　結(jié)語

海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)通過采用SDN/NFV等網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù),支持戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用與底層物理網(wǎng)絡(luò)解耦合,可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需求構(gòu)建用戶之間虛擬網(wǎng)絡(luò),使得戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用虛擬網(wǎng)絡(luò)脫離底層物理網(wǎng)絡(luò)的束縛,推動了軍事指揮技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的獨(dú)立發(fā)展,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)分配與調(diào)度，支持海軍信息網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化和抽象化，構(gòu)建海軍信息云網(wǎng)絡(luò)。海軍信息化建設(shè)需要以商用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合海軍作戰(zhàn)使命任務(wù)和軍事通信需求，進(jìn)一步開展海軍虛擬軍事信息網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)體系架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法研究，推動海軍信息網(wǎng)絡(luò)向云網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變，使海軍通信保障能力得到跨越式發(fā)展。

[1] 李成.聯(lián)合信息環(huán)境JIE及其安全研究[J].通信技術(shù)，2015(1):46-50.

[2] 戴劍偉.美軍信息體體系研究[J].指揮控制與仿真，2014(12):1-9.

[3] 朱偉.網(wǎng)絡(luò)虛擬化探討[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2010(9):19-23.

[4] 張屆新.面向vDC的overlay網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電信科學(xué),2014(5):138-144.

[5] 游軍玲.未來互聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)床關(guān)鍵技術(shù)研究及進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014(6):1-8.

[6] 張順淼.軟件定義網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013(8):2246-2251.

[7] 孫金霞.關(guān)于NFV與SDN的基本概念及應(yīng)用思考[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2014(8):1-5.

[8] 史凡.SDN_NFV技術(shù)對電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的價值和引入要點(diǎn)分析[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2015(4):1-4.

[9] 王大鵬.加速發(fā)展中的核心網(wǎng)NFV[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2015(2):17-23.

[10] 張志強(qiáng).SDN和NFV對網(wǎng)絡(luò)變革發(fā)展影響綜述[J].現(xiàn)代電信科學(xué)，2015(1):1-12.

Struction Means in the Navy Virtual Information Network Based on SDN/NFV Technology*

The struction means in the navy virtual information network based on SDN/NFV is described in this paper. The demand of the navy information network is put forward. The function level and networking framework is introduced.The realization scheme of the network is proposed.The scheme will promote independence of the base network facility and upper militery application.It can realize the virtualization and abstraction of the network resource.It can transform the base network facility to network service and establish the technical base for the struction of navy information cloud network.

network virtualization, SDN, NFV, OpenFlow, information network

2016年2月12日,

2016年3月25日

鄭亮，男，高級工程師，研究方向：海軍通信系統(tǒng)。嚴(yán)彬，女，講師，研究方向：無線通信。

TP939

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.030