李 婷,胡建平,徐會(huì)忠

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都　610036)

天基信息網(wǎng)絡(luò)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用探析*

李 婷**,胡建平,徐會(huì)忠

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

現(xiàn)有各種空間、地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互連互通,在一定程度上可滿足特定應(yīng)用需求,但由于各節(jié)點(diǎn)在空間、物理以及功能的局限,限制了天基信息高效傳輸、融合以及按需地應(yīng)用。分析了天基信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì),提出了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)想,并對(duì)主要關(guān)鍵技術(shù)的研究方向進(jìn)行了梳理。在空間核心節(jié)點(diǎn)上采用軟件定義的多功能載荷平臺(tái),并基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)架構(gòu)和空間容中斷網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)。通過資源虛擬化、處理多元化、應(yīng)用無阻化的方式,保障天基信息網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)信息按需定制和高效共享等應(yīng)用需求。

天基信息網(wǎng)絡(luò);電信港;路由網(wǎng)關(guān);多功能載荷平臺(tái);中斷網(wǎng)絡(luò);軟件定義網(wǎng)絡(luò)

引用格式:李婷，胡建平，徐會(huì)忠.天基信息網(wǎng)絡(luò)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用探析[J].電訊技術(shù)，2016，56(3)：259-266.[LI Ting，HU JianPing，XU Huizhong.APP1ication discussion of software defined network in sPace-based information network[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：259-266.]

1　引 言

利用航天平臺(tái)獲取信息、處理信息、傳輸信息的天基信息系統(tǒng)可支持對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)、測(cè)控、信息傳輸?shù)裙δ?，?shí)現(xiàn)空間態(tài)勢(shì)的快速感知、空間資源的綜合管理與控制，是空間資源運(yùn)行保障以及信息綜合應(yīng)用的直接用戶或基礎(chǔ)設(shè)施。

若天基信息系統(tǒng)仍按功能或部門獨(dú)自發(fā)展的思路，再加上各體系之間技術(shù)規(guī)范的不統(tǒng)一，各類天基資源不能實(shí)現(xiàn)有效的信息互聯(lián)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享和信息融合很難實(shí)現(xiàn)[1]，將會(huì)呈現(xiàn)出更加嚴(yán)重的“煙囪式”發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

天基信息系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)應(yīng)是突破傳統(tǒng)物理載體與功能緊密捆綁的界限，構(gòu)建天地一體開放可擴(kuò)展、互聯(lián)互通互操作、安全魯棒、靈活重構(gòu)、支持統(tǒng)一規(guī)劃與管理的綜合性天基信息網(wǎng)絡(luò)。面對(duì)軍、民應(yīng)用需求的增長(zhǎng)以及應(yīng)用模式的多樣性和復(fù)雜化，在綜合化及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的支撐下，基于資源重構(gòu)及軟件定義的綜合化發(fā)展途徑將是構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)的有效解決方案。

根據(jù)軟件定義技術(shù)的研究與應(yīng)用，未來天基信息網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可采用具有網(wǎng)絡(luò)化、綜合化能力的硬件資源來實(shí)現(xiàn)，基于路由網(wǎng)關(guān)一體化、跨平臺(tái)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一體化、信息流程一體化、資源管控一體化的規(guī)范與接口及軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)等協(xié)議體系與運(yùn)行環(huán)境，按需或場(chǎng)景感知地對(duì)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源重組及功能重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多種功能或多功能組合的綜合化適應(yīng)能力，終極目標(biāo)是使空間的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以按需承擔(dān)用戶定制的各種空間任務(wù)。

2　天基信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)

航天信息系統(tǒng)經(jīng)歷了從單星到星座再到網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展過程，逐步向天地一體的綜合化、網(wǎng)絡(luò)化體系構(gòu)架及應(yīng)用發(fā)展，即從天星地網(wǎng)到天網(wǎng)地網(wǎng)、再到天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與應(yīng)用模式[1]。

發(fā)展初期，航天信息系統(tǒng)僅依靠單顆衛(wèi)星來獲取和傳輸信息。單顆衛(wèi)星具有小覆蓋率的軌道特性，往往影響任務(wù)的有效實(shí)現(xiàn)。為了解決這一問題，人們提出了星座模式的概念，解決了覆蓋地域的問題，并且能同時(shí)處理偵察、預(yù)警、導(dǎo)航等多種信息，但單一功能的星座模式仍不能完全滿足未來信息戰(zhàn)需要。天基信息網(wǎng)絡(luò)將多種功能的衛(wèi)星或衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，具有全球全時(shí)覆蓋能力，能將海、陸、空、天資源緊密集成，提供全時(shí)和無縫接入服務(wù)，航天信息平臺(tái)或用戶通過傳輸鏈路、服務(wù)器、節(jié)點(diǎn)或終端的方式融入網(wǎng)絡(luò)。

從衛(wèi)星系統(tǒng)本身看，美軍已從早期的單星應(yīng)用模式向星座應(yīng)用發(fā)展，并呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)。典型的星座系統(tǒng)如“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(G1oba1 Positioning System，GPS)和天基紅外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)(SPace Based Infrared System，SBIRS)等。其中，“銥”星系統(tǒng)由部署在低軌道上的66顆衛(wèi)星組成。從商業(yè)角度看，“銥”系統(tǒng)并不成功，但“銥”系統(tǒng)在技術(shù)上是一個(gè)飛躍，解決了全球移動(dòng)衛(wèi)星通信的難題。GPS由位于6個(gè)軌道平面內(nèi)的24顆衛(wèi)星組成，實(shí)現(xiàn)了全球范圍連續(xù)、近實(shí)時(shí)的定位、測(cè)速與授時(shí)。SBIRS設(shè)計(jì)采用同步軌道、大橢圓軌道與低軌道相結(jié)合的復(fù)合型星座，提高對(duì)各種導(dǎo)彈的發(fā)現(xiàn)能力，擴(kuò)展飛行中段跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的全過程跟蹤與預(yù)警。

星上處理及星間鏈路是星座應(yīng)用不可或缺的組成部分。美軍轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星(Transformationa1 Sate1-1ite，TSAT)計(jì)劃雖然被取消了，但其星上處理及星間鏈路技術(shù)可轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的應(yīng)用之中[2]。Mi1star和美國(guó)先進(jìn)極高頻通信衛(wèi)星星座為了加快信息傳輸速度、提高衛(wèi)星對(duì)抗能力，增加了星間鏈路?！般灐毙窍到y(tǒng)具有復(fù)雜先進(jìn)的星上處理能力，通過其具備的星間鏈路，“銥”星系統(tǒng)可以不依賴地面站獨(dú)立完成信息傳輸與交換，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)從B1ock-IIR衛(wèi)星開始增加了超高頻頻段星間鏈路，通過星間鏈路，進(jìn)行星間無線電偽距測(cè)量，還能更頻繁地獲取星歷表更新信息，實(shí)現(xiàn)星上實(shí)時(shí)軌道估計(jì)，維持長(zhǎng)時(shí)間自主導(dǎo)航，顯著提高了定位精度和戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)下的系統(tǒng)可用性。

2013年1月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)為F6(Future，F(xiàn)ast，F(xiàn)1exib1e，F(xiàn)ractionated，F(xiàn)ree-F1ying)衛(wèi)星項(xiàng)目的低速率空間交聯(lián)無線通信平臺(tái)。該平臺(tái)具有獨(dú)特的體系架構(gòu)，并且具備第三方點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速率數(shù)據(jù)鏈接的能力，為星群成員之間構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈路提供了技術(shù)支撐。DARPA后來取消了F6項(xiàng)目，但是這項(xiàng)技術(shù)仍應(yīng)用于其他項(xiàng)目，比如小衛(wèi)星的空間組網(wǎng)應(yīng)用[3]等。

星座系統(tǒng)拓展了應(yīng)用模式，提高了應(yīng)用效能。但GPS和SBIRS等星座系統(tǒng)功能單一，而且當(dāng)今使用的各種衛(wèi)星系統(tǒng)仍然是呈“煙囪”式的分立結(jié)構(gòu)，相互之間沒有形成統(tǒng)一的直接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)互通性差，彼此的信息不能及時(shí)共享和利用，沒有充分發(fā)揮有限空間信息資源的應(yīng)用效能。為了解決空間段的“煙囪”式帶來的信息互通問題，美國(guó)利用地緣優(yōu)勢(shì)，在全球8個(gè)地點(diǎn)建立了國(guó)防部電信港(Te1e-Port)，可實(shí)現(xiàn)各類戰(zhàn)場(chǎng)用戶通過衛(wèi)星直接與國(guó)防信息系統(tǒng)網(wǎng)鏈接，獲取或提供各類信息支持，如圖1所示。通過電信港的接入，在沒有天基統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的條件下就實(shí)現(xiàn)了各種渠道獲取的信息能夠在適當(dāng)時(shí)間、適當(dāng)區(qū)域采取適當(dāng)天基鏈路與地面網(wǎng)絡(luò)鏈接，滿足全球戰(zhàn)場(chǎng)及情報(bào)信息的快速接收與應(yīng)用需求，但這一架構(gòu)仍然處于天星地網(wǎng)的模式。

圖1　美國(guó)國(guó)防部電信港應(yīng)用示意Fig.1 Diagram of the aPP1ication of te1ePort of United States DePartment of Defense

在天地一體化空間組網(wǎng)方面，美國(guó)也開展了相應(yīng)的研究與規(guī)劃。

1998年，美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(Jet ProPu1sion Laboratory，JPL)開展了星際互聯(lián)網(wǎng)(InterP1anetary Internet，IPN)項(xiàng)目[1]。通過對(duì)地球以外利用互聯(lián)網(wǎng)手段達(dá)到端到端通信目的研究，形成了關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force，IETF)的協(xié)議草案。

2000年10月，JPL開啟了下一代空間互聯(lián)網(wǎng)(Next Generation SPace Internet，NGSI)項(xiàng)目研究。設(shè)立了4個(gè)小組，分別研究多協(xié)議標(biāo)簽交換協(xié)議、動(dòng)態(tài)利用空間鏈路、移動(dòng)IP以及安全問題。國(guó)際組織空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consu1tative Committee for SPace Data Systems，CCSDS)是依據(jù)空間鏈路特性而設(shè)計(jì)的協(xié)議體系，該體系已經(jīng)成功運(yùn)用于多個(gè)航天任務(wù)。因此，NGSI依然選擇CCSDS作為數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議體系。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)相應(yīng)的空間任務(wù)，對(duì)已有的協(xié)議進(jìn)行了延伸與擴(kuò)充。最終，經(jīng)過一系列模擬仿真，產(chǎn)生了一套基于CCSDS的空間互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系。

2001年，美國(guó)哥達(dá)德航天中心進(jìn)行了OMNI (OPerating Mission as Nodes on the Internet)項(xiàng)目。根據(jù)空間通信的特性，協(xié)議體系考慮采用地面商用IP協(xié)議。通過地面試驗(yàn)和飛行搭載試驗(yàn)，驗(yàn)證了地面IP協(xié)議在空間使用的可行性。

NASA擬通過航天通信與導(dǎo)航(SPace Communications and Navigation，SCaN)計(jì)劃構(gòu)建綜合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(圖2)，計(jì)劃在2018年前后將其已有的近地網(wǎng)(Near Earth Network，NEN)、空間網(wǎng)(SPace Network，SN)以及深空網(wǎng)(DeeP SPace Network，DSN)三網(wǎng)綜合成一個(gè)網(wǎng)系，利用天、陸、?；鶞y(cè)控導(dǎo)航與通信資源，對(duì)各類航天器實(shí)現(xiàn)一體化的管理、控制、策略、遙測(cè)、遙控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，這一計(jì)劃將逐步實(shí)現(xiàn)天基信息的天地聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

圖2　2018年前后NASA綜合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)概念示意Fig.2 Diagram of concePt of NASA integrated network architecture round about 2018

由此可見，未來的衛(wèi)星系統(tǒng)將向天地一體的網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，不僅僅實(shí)現(xiàn)地面組網(wǎng)以及空間組網(wǎng)，還要通過跨越天、地平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)天地一體的資源、路由、信息的統(tǒng)籌管理和綜合應(yīng)用，將天基資源獲取的信息快速傳輸?shù)降孛婵刂乒芾碇行募坝脩?，提高天基信息?yīng)用效能，同時(shí)也能更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)天基資源的控制與管理。

然而，僅僅實(shí)現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)，在信息應(yīng)用過程中還會(huì)受到不同節(jié)點(diǎn)或同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)不同功能與物理平臺(tái)邊界的限制，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)的載荷如果僅具有單一功能，不同功能之間需要進(jìn)行信息交換，包括節(jié)點(diǎn)內(nèi)部以及與其他節(jié)點(diǎn)之間，甚至需要更多的空間鏈路來滿足信息交互與組網(wǎng)需求，將增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷及處理資源。

針對(duì)這一問題，未來天基網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，電子信息系統(tǒng)綜合化是解決天基載荷高效利用的有效技術(shù)途徑?；谲浻布C合化技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種功能的通用平臺(tái)，將使天基網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的跨越，從單純的單功能衛(wèi)星連接的網(wǎng)絡(luò)(即由相應(yīng)空間、空地鏈路將衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面設(shè)施連接起來)，發(fā)展為由功能可重構(gòu)的綜合化節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的彈性網(wǎng)絡(luò)，不再是單純的星與鏈路的構(gòu)架，而是由跨平臺(tái)空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的節(jié)點(diǎn)、協(xié)議以及路由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)。

根據(jù)NASA的SCaN計(jì)劃，“通信、導(dǎo)航、組網(wǎng)可重構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)”任務(wù)于2013年初在國(guó)際空間站中進(jìn)行了軟件無線電技術(shù)試驗(yàn)，利用軟件電臺(tái)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了軟件加載的在軌通信能力，驗(yàn)證了其在動(dòng)態(tài)空間環(huán)境中的可行性和成熟度。

由此可見，在軌航天器上實(shí)現(xiàn)功能可加載重構(gòu)的技術(shù)已得到了一定程度的驗(yàn)證和認(rèn)可，相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用將帶來天基信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與未來作戰(zhàn)模式的變化，實(shí)現(xiàn)體系和應(yīng)用的跨越式發(fā)展。

根據(jù)國(guó)外相關(guān)資料的分析，天基信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化研究與應(yīng)用，目前還是基于專用的構(gòu)架和協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還是緊耦合的關(guān)系，即使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過資源重構(gòu)和軟件定義實(shí)現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)換，但一個(gè)網(wǎng)絡(luò)一旦構(gòu)建起來，在應(yīng)用過程中基本不能部署和應(yīng)用新的協(xié)議。軟件定義的節(jié)點(diǎn)以及SDN技術(shù)的出現(xiàn)，為天基信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展打開了一扇新技術(shù)窗口。

SDN起源于2006年斯坦福大學(xué)的C1ean S1ate研究課題。2009年，Mckeown教授正式提出了SDN概念[4]。SDN利用分層的思想，將數(shù)據(jù)與控制相分離。在控制層掌握全局網(wǎng)絡(luò)信息，方便運(yùn)營(yíng)商管理配置網(wǎng)絡(luò)和部署新協(xié)議；數(shù)據(jù)層僅提供簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以快速處理匹配的數(shù)據(jù)包，適應(yīng)流量日益增長(zhǎng)的需求。兩層之間采用開放的統(tǒng)一接口進(jìn)行交互。SDN技術(shù)能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)載，協(xié)助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商更好地控制基礎(chǔ)設(shè)施，降低整體運(yùn)營(yíng)成本，成為最具前途的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。但目前在具有高動(dòng)態(tài)特性的天基信息網(wǎng)絡(luò)中還沒有SDN的應(yīng)用實(shí)例。

我國(guó)的一些衛(wèi)星系統(tǒng)目前也逐漸開始采用星上處理、星間鏈路技術(shù)以及空間組網(wǎng)應(yīng)用模式，如“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，但在多功能處理能力以及空間異構(gòu)網(wǎng)互聯(lián)、天地互通方面離天基信息網(wǎng)絡(luò)的需求還有一定差距。近年來，國(guó)內(nèi)許多單位或機(jī)構(gòu)也在積極地開展天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的論證與研究，取得了一定的成果，處于總體構(gòu)想與關(guān)鍵技術(shù)的梳理及初期研究階段，如國(guó)家自然科學(xué)基金委從2013年開始連續(xù)3次發(fā)布了“空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”重大研究計(jì)劃[5]，多次組織關(guān)于空間信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的“雙清論壇”；2013年9月工信部組織了關(guān)于“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”高峰論壇，2015年9月又組織了第二次高峰論壇。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、國(guó)防科大、解放軍信息工程大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、武漢大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、航天科技等研究團(tuán)隊(duì)都有一些研究人員參與到此領(lǐng)域，并有一些研究成果，但對(duì)于軟件定義節(jié)點(diǎn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑以及對(duì)于空間網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用SDN技術(shù)的研究也還處于起步階段。

3　天基信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與SDN應(yīng)用探討

鑒于我國(guó)的具體情況，在短期內(nèi)基本不可能實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)布設(shè)類似美國(guó)電信港的天基信息接入與處理節(jié)點(diǎn)。在此狀態(tài)下，為了向決策者和各類用戶提供實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)的全球態(tài)勢(shì)感知與信息支持，提高指揮效能，實(shí)現(xiàn)資源的最佳利用，以及各類信息用戶的快速反應(yīng)和調(diào)整能力，只有充分地發(fā)揮天基資源以及空間組網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，形成具有信息處理與分發(fā)能力的天基載荷(突破傳統(tǒng)單功能衛(wèi)星的概念)與地面信息資源及網(wǎng)絡(luò)結(jié)合應(yīng)用的方式，參考國(guó)內(nèi)外一些空間及星際網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及體系架構(gòu)[1，6-9]，由天基骨干網(wǎng)絡(luò)、地面骨干網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)以及各類子網(wǎng)構(gòu)建出天基信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，如圖3示意，其中同步軌道以及其他高軌道上的多顆衛(wèi)星采用具有星上處理、星間鏈路的軟件可定義功能載荷構(gòu)建天基骨干網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)網(wǎng)內(nèi)天基接入、信息匯聚、存儲(chǔ)、處理、分發(fā)以及資源與網(wǎng)絡(luò)管理控制、安全防護(hù)等部分或全面功能。

圖3　天基信息網(wǎng)絡(luò)總體構(gòu)架構(gòu)想Fig.3 ConcePtion of overa11 architecture of sPace-based information network

為了向各類用戶提供網(wǎng)絡(luò)化的服務(wù)，在整個(gè)體系構(gòu)架中，接入網(wǎng)也是其關(guān)鍵組成部分。由于面向的用戶種類繁多，需求類別各不相同，接入網(wǎng)的類型較多，但大致可劃分為寬帶接入與窄帶接入兩大類。接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各類用戶與天基骨干網(wǎng)以及地面骨干網(wǎng)絡(luò)的接入，不同的接入網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)天基信息到不同用戶的“最后一公里”關(guān)鍵路徑。為了實(shí)現(xiàn)靈活的接入與應(yīng)用，接入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)也應(yīng)具有多協(xié)議處理及按需配置的能力，使其具有彈性化的靈活接入方式。

天基骨干網(wǎng)應(yīng)具有開放的接入擴(kuò)展性能，未來還可利用星際骨干及接入鏈路將月球網(wǎng)、火星網(wǎng)等空間網(wǎng)絡(luò)接入到這一體系中。

這一架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)空間聯(lián)網(wǎng)、地面聯(lián)網(wǎng)以及天地互聯(lián)的能力，但如果在體系建設(shè)中仍然按單一功能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要配備多種功能的載荷才能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的互聯(lián)，即如果作為傳感器節(jié)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，在傳感器載荷之外還需要配置相應(yīng)的信息處理載荷、通信傳輸載荷、導(dǎo)航定位載荷等，信息交互環(huán)節(jié)多，設(shè)備形態(tài)復(fù)雜，不利于整體性能的實(shí)現(xiàn)與提升。

基于網(wǎng)絡(luò)化及綜合化節(jié)點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多功能的天基載荷，使網(wǎng)絡(luò)中的核心節(jié)點(diǎn)(如天基處理資源節(jié)點(diǎn))可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行功能及能力的變換或重構(gòu)，既可作為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)設(shè)施，也可作為網(wǎng)絡(luò)用戶，或兩者功能兼有，并以跨平臺(tái)的空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及動(dòng)態(tài)路由等空間信息服務(wù)為支撐，將有利于解決傳統(tǒng)載荷物理界限帶來的信息阻梗等問題，實(shí)現(xiàn)真正意義上的物理資源虛擬化、綜合處理多元化、數(shù)據(jù)流程簡(jiǎn)潔化、信息應(yīng)用按需定制化的天基信息網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的核心或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能與物理實(shí)體相剝離，提高網(wǎng)內(nèi)資源利用率、信息按需定制能力以及共享效率，有效實(shí)現(xiàn)天基系統(tǒng)信息獲取、信息傳輸、時(shí)空基準(zhǔn)等功能節(jié)點(diǎn)在空間的信息互聯(lián)。

對(duì)于天地互聯(lián)的技術(shù)關(guān)鍵解決途徑，首先可基于現(xiàn)有航天基礎(chǔ)設(shè)施，引入天地信息互聯(lián)的空間網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天地信息基于CCSDS的IP/DTN (De1ay-To1erant Network)協(xié)議的天地骨干互聯(lián)互通[1]，解決各功能系統(tǒng)、各子網(wǎng)獨(dú)立發(fā)展的“煙囪”問題。

同時(shí)，逐步簡(jiǎn)化或完全剝離網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層面的控制功能，由軟件來實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)決策，引入和實(shí)現(xiàn)SDN的構(gòu)架及應(yīng)用形態(tài)。基于SDN思想，在天基骨干網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)、地面骨干網(wǎng)絡(luò)等各類網(wǎng)絡(luò)(域)中引入控制網(wǎng)元，對(duì)各類子網(wǎng)(域)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施或用戶節(jié)點(diǎn)的資源及信息傳輸功能進(jìn)行集中配置、調(diào)度與管理，各子網(wǎng)的控制器(或虛擬控制器)鏈接起來形成一個(gè)天基信息網(wǎng)絡(luò)整體集群。根據(jù)需要定義其中的一個(gè)控制網(wǎng)元為主控器來實(shí)現(xiàn)管理，主控器可以設(shè)置在地面網(wǎng)絡(luò)中，也可在天基網(wǎng)絡(luò)中，控制網(wǎng)元按需定義以及基于多層、多域的分布式架構(gòu)可提高網(wǎng)絡(luò)健壯性、抗毀性與故障重構(gòu)能力。

SDN是一種新型的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，典型的SDN架構(gòu)分為3個(gè)平面層[10-11]，如圖4所示，最上層為應(yīng)用層，包括各種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)功能的定制化，由不同的應(yīng)用層軟件構(gòu)成；中間為控制層，主要負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)資源的管理與控制，掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全局視圖，是網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行與處理機(jī)構(gòu)；最下層是基礎(chǔ)設(shè)施層，負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4　SDN架構(gòu)示意Fig.4 Schematic of SDN architecture

將基礎(chǔ)設(shè)施的控制功能剝離后，數(shù)據(jù)流僅需按流表進(jìn)行匹配與轉(zhuǎn)發(fā)，將使其性能和效率大大提升[10-11]。同時(shí)，獨(dú)立地設(shè)置控制層，可使網(wǎng)絡(luò)能夠通過不同層面的控制器直接進(jìn)行靈活的資源控制與管理，可按需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖占c維護(hù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由的計(jì)算、流表的生成與下發(fā)、網(wǎng)絡(luò)的控制與管理。

SDN技術(shù)具有很多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所不具備的優(yōu)勢(shì)，如全局視圖、多粒度網(wǎng)絡(luò)控制等，這些優(yōu)勢(shì)給網(wǎng)絡(luò)安全問題的改善帶來了新的機(jī)遇。

2009年，SDN被美國(guó)麻省理工學(xué)院列為了“改變世界的十大創(chuàng)新技術(shù)之一”[10]。將SDN技術(shù)應(yīng)用到天基信息網(wǎng)絡(luò)之中，通過各層面及應(yīng)用軟件的開發(fā)和加載、應(yīng)用，最終可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)資源動(dòng)態(tài)配置、靈活的終端接入管理、天地一體化網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)籌控制、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等創(chuàng)新的應(yīng)用模式。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，SDN當(dāng)前主要的研究和應(yīng)用方向還是在地面網(wǎng)絡(luò)以及基于地基的無線網(wǎng)絡(luò)之中。在天基信息網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用SDN技術(shù)，與地面有線及無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用相比，還可能面臨一系列的技術(shù)需要突破，包括操作系統(tǒng)、協(xié)議、軟件、策略機(jī)制、控制器以及載荷能力等。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星載荷是將應(yīng)用功能與硬件資源完全一一對(duì)應(yīng)，是根據(jù)需求定制的專用硬/軟件組合體，一旦研制完成以及在軌運(yùn)行時(shí)，其功能一般不能改變，也不能增加新的功能。雖然現(xiàn)在也有一些基于軟件無線電技術(shù)的軟件加載與升級(jí)技術(shù)研究，但都還是限于一定功能框架和硬件規(guī)模條件下的功能升級(jí)，沒有達(dá)到整體資源重組與功能重構(gòu)的軟件定義的水平層面。

軟件定義多功能載荷平臺(tái)可采取基于綜合化的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，合理、高效的綜合化技術(shù)可以使空間相應(yīng)節(jié)點(diǎn)具有空間接入與組網(wǎng)、路由交換與信息分發(fā)、高效計(jì)算與處理、信息云存儲(chǔ)、空間感知(包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，空間協(xié)同/非協(xié)同目標(biāo)探測(cè)等感知能力)、資源管理、自主導(dǎo)航與時(shí)間基準(zhǔn)、信息安全與防護(hù)等全功能或多功能組合的能力，將是構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)主要基礎(chǔ)設(shè)施之一，但這一設(shè)想還取決于綜合化的水平以及處理能力的實(shí)現(xiàn)。

軟件定義的多功能載荷平臺(tái)的技術(shù)途徑可借鑒航空平臺(tái)綜合化系統(tǒng)集成技術(shù)思路[13]，采用分層抽象、虛擬化設(shè)計(jì)方法，如圖5所示，將功能與物理平臺(tái)剝離，通過相應(yīng)邏輯構(gòu)件層的軟件化部署功能將系統(tǒng)所需完成的任務(wù)功能軟件模塊合理、高效地與物理平臺(tái)資源關(guān)聯(lián)起來，在硬件資源容量及能力范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)多功能線程的組合應(yīng)用。其中，構(gòu)建開放式的物理硬件及軟件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)綜合化載荷平臺(tái)的基礎(chǔ)，在通用的硬件平臺(tái)之上，通過可視化建模技術(shù)構(gòu)建出系統(tǒng)抽象資源模型，再通過藍(lán)圖部署實(shí)現(xiàn)邏輯資源到真實(shí)物理資源的映射[13]。天基多功能載荷平臺(tái)與航空平臺(tái)電子模塊綜合化技術(shù)不同之處，在于天基平臺(tái)對(duì)綜合化硬件資源的體積、重量、功耗等方面的要求更苛刻，對(duì)器件的性能以及處理技術(shù)、算法實(shí)現(xiàn)等要求更高。

功能與物理平臺(tái)剝離的軟件定義多功能載荷的引入，其軟件定義能力又為天基信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)SDN架構(gòu)提供了技術(shù)支撐與空間基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)。建議在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的天基骨干節(jié)點(diǎn)、地面骨干節(jié)點(diǎn)和子網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)采用基于SDN的多功能載荷平臺(tái)。

圖5　軟件定義載荷平臺(tái)分層抽象模型示意Fig.5 Schematic of the 1ayered and abstract mode1 of software defined 1oad P1atform

4　關(guān)鍵技術(shù)方向

構(gòu)建基于SDN技術(shù)的天基信息網(wǎng)絡(luò)，有一系列的關(guān)鍵技術(shù)需要突破，主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)基于SDN的天基信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

天基信息網(wǎng)絡(luò)由骨干網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)、各種功能子網(wǎng)以及應(yīng)用節(jié)點(diǎn)等組成，是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架，涉及到體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)布設(shè)總體設(shè)計(jì)以及應(yīng)用需求、信息種類、應(yīng)用模式等多個(gè)方面，在復(fù)雜的體系中引入SDN架構(gòu)，與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各環(huán)節(jié)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑密切相關(guān)，需要以體系工程研究的方法來開展研究和論證，整個(gè)SDN架構(gòu)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與完善是一個(gè)科學(xué)的、迭代的、不斷演化進(jìn)步的過程。

(2)載荷綜合化通用平臺(tái)技術(shù)

結(jié)合不同軌道、不同特征衛(wèi)星平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行載荷綜合化通用平臺(tái)總體構(gòu)架以及性能設(shè)計(jì)，根據(jù)不同功能及能力的載荷需求，規(guī)劃載荷綜合化通用平臺(tái)系列型譜，開展系統(tǒng)級(jí)的通用平臺(tái)性能仿真以及基于載荷綜合化硬件平臺(tái)的能力及性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)天基平臺(tái)多頻段多功能綜合孔徑及射頻設(shè)計(jì)技術(shù)

適應(yīng)多頻段、多功能、可定義的射頻前端與孔徑的設(shè)計(jì)與衛(wèi)星等天基載體的形態(tài)密切相關(guān)，是實(shí)現(xiàn)多功能載荷關(guān)鍵。包括了基于微系統(tǒng)的多頻段綜合化天線技術(shù)、高集成度多頻段寬帶射頻前端技術(shù)、多頻段射頻芯片技術(shù)、寬頻帶射頻數(shù)字采樣技術(shù)以及大數(shù)據(jù)低時(shí)延傳輸技術(shù)等。

由于面向功能多、頻段寬、寬窄帶兼?zhèn)?、不同空域覆蓋等應(yīng)用需求，天基平臺(tái)上的孔徑和射頻綜合將是一個(gè)嶄新的射頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具有很大的難度和創(chuàng)新性，可采取分階段、分功能組合地進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以部分功能和分頻段綜合的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為切入點(diǎn)，在技術(shù)成熟條件下逐步地實(shí)現(xiàn)全面綜合的形態(tài)。

(4)載荷綜合處理與管控技術(shù)

[13]的模塊化綜合化系統(tǒng)集成思路，在航天器中引入基于綜合化及藍(lán)圖動(dòng)態(tài)部署設(shè)計(jì)理念，研究具有高度綜合的、開放式可擴(kuò)展信號(hào)與信息處理及計(jì)算資源(最小處理基本單位)，并具有動(dòng)態(tài)加載能力的多線程處理與資源管控技術(shù)以及相應(yīng)硬件資源配置構(gòu)架，其中隱含了多種載荷功能以及應(yīng)用場(chǎng)景適應(yīng)能力的需求。

(5)空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與SDN管理技術(shù)

天基信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的核心問題是如何保障空間信息在長(zhǎng)延時(shí)、高誤碼、易中斷環(huán)境下的高效、可靠傳輸以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通[14]，需要研究和應(yīng)用空間DTN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)關(guān)技術(shù)(協(xié)議轉(zhuǎn)換)，以及基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與管理等相關(guān)技術(shù)。

(6)天基多目標(biāo)測(cè)控與通信技術(shù)

在天地一體化的天基信息網(wǎng)絡(luò)中，天基平臺(tái)及其載荷實(shí)現(xiàn)的核心或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)既是天基信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，又可能是天基信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對(duì)象(即網(wǎng)絡(luò)用戶)。充分地利用天基節(jié)點(diǎn)的空間位置優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他各類節(jié)點(diǎn)的信息接入以及其他平臺(tái)的測(cè)量與控制，結(jié)合SDN架構(gòu)的各層控制功能，可大大提高天基信息網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率以及自主維護(hù)、管理與控制能力。要實(shí)現(xiàn)這些功能，需要研究在天基節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)控與通信的可行性以及技術(shù)途徑，而這一關(guān)鍵技術(shù)又與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式、空間處理能力、綜合化程度與方式等密切相關(guān)。

5　結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建天地一體化的天基信息網(wǎng)絡(luò)，可有效地實(shí)現(xiàn)天地信息的互聯(lián)[1，15]，提高信息獲取以及應(yīng)用的能力，但如果僅僅實(shí)現(xiàn)天地之間各節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單互連，只能實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用信息之間有限條件的交換，各類節(jié)點(diǎn)的無縫互聯(lián)及高效信息應(yīng)用還有較大的差距。利用綜合化技術(shù)的多功能節(jié)點(diǎn)能力，充分地發(fā)揮空間與地面節(jié)點(diǎn)資源和效能，實(shí)現(xiàn)天地信息的高效傳輸、處理與靈活應(yīng)用，將是未來天基信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。本文探討了基于多功能節(jié)點(diǎn)及SDN的體系構(gòu)架建議，梳理了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)方向，可為我國(guó)天基信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供參考思路。

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李 婷(1986—)，女，湖南邵陽(yáng)人，2013年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事飛行器測(cè)控通信系統(tǒng)總體技術(shù)研究工作；

LI Ting was born in Shaoyang，Hunan Province，in 1986.She received the Ph.D.degree in 2013.She is now an engineer.Her research concerns sPacecraft TT&C system techno1ogy.

Emai1：1iting142@126.com

胡建平(1963—)，男，四川漢源人，研究員，主要從事飛行器測(cè)控與通信系統(tǒng)總體技術(shù)研究工作；

HU JianPing was born in Hanyuan，Sichuan Province，in 1963.He is now an senior engineer of Professor.His research concerns sPacecraft TT&C system techno1ogy.

徐會(huì)忠(1966—)，男，重慶萬州人，研究員，主要從事飛行器測(cè)控與通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究工作。

XU Huizhong was born in Wanzhou，Chongqing，in 1966. He is now a senior engineer of Professor.His research concerns sPacecraft TT&C system techno1ogy and network techno1ogy.

Application Discussion of Software Defined Network in Space-based Information Network

LI Ting，HU JianPing，XU Huizhong
(Southwest China Instituted of E1ectronic Techno1ogy，Chengdu 610036，China)

The interconnection of the existing sPace-ground network nodes can satisfy the sPecific need of the sPace-ground information network aPP1ication to a certain extent.However，due to the 1imitation of the sPace，Physics and function of the nodes，effective1y transmitting，combining and on-demand aPP1ying the sPace-based information is restricted.In this PaPer，the deve1oPing trend of the sPace-based network is ana1yzed.A concePtion of the network is discussed.The research trend of the key techno1ogies is com-Pi1ed.In addition，it is ProPosed that the sPace-based information network may be constructed by the 1oad P1atform of mu1tiP1e functions defined by the software on the sPace core nodes，the architecture of the software defined network(SDN)and the sPace de1ay-to1erant network(DTN)Protoco1s.And then，the resource virtua1ization，the Process diversification and the aPP1ication inte11igence of the network may be achieved.In the future，the network wi11 satisfy the aPP1ication requirement of information customization and efficient1y sharing etc.

sPace-based information network；te1ePort；routing gateway；1oad P1atform of mu1tiP1e functions；de1ay-to1erant network(DTN)；software defined network(SDN)

Project SuPPorted by the Creative Techno1ogy Fund of Southwest China Instituted of E1ectronic Techno1ogy(H15015)

TN911

A

1001-893X(2016)03-0259-08

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.005

2015-09-18;

2016-02-23 Received date:2015-09-18;Revised date:2016-02-23

中國(guó)西南電子技術(shù)研究所技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(H15015)

**通信作者:1iting142@126.com Corresponding author:1iting142@126.com