软件定义网络与网络功能虚拟化在卫星网络中的应用

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引言

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。近年来，随着科学技术的发展，新的技术推动了卫星通信向拥有更高性能方向发展，如具有多波束和频率复用能力的高通量卫星（HTS）和低成本微卫星在低轨星座中的使用，以及更多灵活有效载荷组件的应用等；另一方面卫星网络体系结构（卫星网络中的卫星主站、卫星终端和组网设备）也正受益于软件定义网络（SDN）以及网络功能虚拟化（NFV）等新兴技术的使用，这些技术有效解决了传统卫星网络系统配置更新不灵活、管理复杂等问题。

SDN和NFV是近年来为应对异构多域网络和多租户多应用服务而提出的两种新技术，可在异构环境下对全网设备进行全局优化的统一管理和动态配置，以实现灵活高效的资源分配和协同。将软件定义网络和网络功能虚拟化结合用于卫星网络将极大提升网络的管理能力、协同水平和服务质量。

本文将从SDN与NFV概念入手，分析两种技术的特点，介绍典型的卫星网体系架构，最后讨论SDN与NFV技术在卫星体系架构中的几个应用场景。

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软件定义网络与网络功能虚拟化概述

软件定义网络即SDN，是一种数据转发与控制分离、软件可编程的新型网络体系结构。SDN采用集中式控制面和分布式转发面的方式，控制面利用开发的控制转发通信接口对转发面上的网络设备进行集中控制，同时提供灵活的可编程能力。

SDN管理的对象主要针对IP网络设备，如路由器、以太网交换机等，而不是主机设备，软件定义即表明可以通过软件对网络的资源、拓扑、策略、路由等内容进行动态定义。SDN主要具有控制与转发分离、控制集中、可编程等特点。

网络功能虚拟化（NFV）由运营商联盟提出，核心思想是采用IT虚拟化技术，将传统的电信设备软件与硬件解耦，硬件可基于通用的计算、存储、网络设备实现电信网络功能，以达到降低成本、提升管理和维护效率、增强系统灵活性的目的。

SDN和NFV都采用了控制与承载分离的思想，并都试图通过软件定义的形式实现基本控制功能。不同的是，SDN的落脚点在于IP网络策略及路由转发的软件集中控制上，而NFV的核心在于传统电信网络的网元功能实现的变革上。

将SDN的核心技术应用于卫星网络，将卫星的数据面和控制面分离，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。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异，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。同时基于NFV提供的虚拟化功能，能提高虚拟网络运营商的控制能力，更有效地为用户提供所需的内容、应用和计算服务，从而打造一个高性能、低延迟的服务环境，加速网络中各项内容、应用的下载和执行，提高用户请求响应速度，优化网络服务和用户体验。

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典型卫星网络架构

在此给出了典型的宽带卫星网络（BSN）体系结构，该网络能提供多波束覆盖，具有前向和返回链路。宽带卫星网的地面段包括多个主站，它们通过具有多个接入点（PoP）或网关的专业骨干网互连，如图1所示。

图1卫星网络体系结构

通常，一个主站（hub）支持在一个或多个波束上完成双向业务，其中包括前向链路传输单元（FL-TU）和通过网关（GW）与地面网络相连的反向链路接收单元（RL-RU）、网络控制中心（NCC）和网络管理中心（NMC）。FL-TU完成基带相关功能。网关通常为具有强大功能和协议的全IP路由器。NCC提供控制功能，通常完成卫星终端（ST）接入控制、前向和返回链路上的资源控制/分配。NMC完成所有管理功能，如网络单元（卫星终端、主站）的配置以及故障、性能和安全性管理。性能增强代理（PEP）也位于主站中，用于改进卫星链路上的TCP性能。

除了基本卫星网络体系结构外，成功向终端用户提供卫星通信服务还涉及一名或多名业务参与者网络上的中间设备有哪两项功能，每名参与者都会起到一种或多种作用，主要分为以下几类：

根据卫星网络的体系结构以及运营商的作用，结合SDN与NFV的原理与技术特点，将SDN和NFV引入卫星网络体系结构中，运营商能实现更高灵活性，提高终端用户服务的性能和QoS，扩展卫星通信的应用范围，并实现与地面网络的无缝集成。

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SDN与NFV在卫星网络中的应用场景

以下介绍了将SDN与NFV用于卫星网络中的主要场景，包括具有多样化站点的卫星网络内部的站点切换、改进虚拟网络运营商服务以及卫星与地面网络集成三个方面。

4.1简化具有多样化站点的卫星网络内部的站点切换

卫星通信中会使用Ka或Q/V等高频段，将应用自适应编码和调制（ACM）机制应对气象因素如降雨等引起的信号降级问题。如果衰减非常严重，使用ACM引起的吞吐量降低以及网络拥塞则不能满足某些流（如VoIP以及视频会议）的QoS要求。此时可使用站点多样化方法即一个卫星终端连接多个主站的方法来解决此问题。

站点多样化有两种部署方式：N+P和N+0。N+P方法中使用P个冗余站点替代失效站点，会带来用户完全的站点切换；N+0方法使用频率复用为卫星终端服务,这些终端具有来自不同主站的载波。这两种部署情况都会为网络服务性能带来一定挑战。事实上，主站的改变（N+P方法）或载波的修改（N+0方法）都应通知卫星终端并进行实施，同时地面网络的路由表也应更新，且由于涉及大量卫星终端并且需要考虑网络配置、变化后信道的质量等指标，切换决策问题也很复杂。

而在此站点多样化情景中使用SDN原理将有助于提出一种有效的切换算法，通过实施以下改进措施，使切换变得更简单：

图2 站点多样化场景下的SDN网络结构

切换管理应用将基于业务流约束条件（QoS需求、特殊用户服务等级（SLA））、业务流监测情况（确定运行的服务以及接收到的服务性能与资源）、卫星网络以及地面骨干网性能以及卫星网络运营商/卫星虚拟网络运营商策略等条件决定何时需要进行切换。当确定进行切换后，切换管理应用将自动按需通知相连的卫星终端和FL/RL-TU改变其频率，并升级网关和骨干网中的发送规则。并且，还可考虑使用两个选项：

这些都通过在数据包处理通道添加SDN相关的可编程功能来实现。

4.2改进虚拟网络运营商服务

目前，卫星通信网络对虚拟网络运营商（VNO）的需求越来越多。虚拟网络运营商服务允许卫星网络运营商根据需提供的卫星能力QoS级别在多个卫星虚拟网络运营商间有效分配卫星资源。然后，卫星虚拟网络运营商将这些服务重新打包，为用户提供端到端增值服务。这种业务模式在卫星市场领域中已存在一段时间了，然而，由于卫星设备的封闭性以及卫星网络运营商和卫星虚拟网络运营商间的管理接口问题，卫星虚拟网络运营商对其所购买服务的控制程度有限。此外，一些控制能力需要来自卫星网络运营商的人为干预。

而卫星虚拟网络运营商正要求取得更多的资源控制权，降低或不需要卫星网络运营商的干预，而通过可编程接口实现卫星设备开放化并结合NFV技术是实现上述目标的方法之一。可在卫星网络运营商卫星主站实现设备虚拟化，为卫星虚拟网络运营商分配一个虚拟主站，由于其具备NFV特性，可将数据、控制和管理面分离，因此虚拟网络运营商能将对虚拟主站的全部控制和管理委托给其用户卫星虚拟网络运营商。卫星虚拟网络运营商能独立改进其自己对虚拟网络的策略。由于卫星虚拟网络运营商在NMC拥有对NMS管理接口的控制权，因而可实现向用户提供服务过程的完全自动化。

可编程能力在控制面将允许卫星虚拟网络运营商设计自己的定制化业务控制机制；在数据面，允许卫星虚拟网络运营商设计定制化数据包处理算法。这样使卫星虚拟网络运营商提供的服务更加丰富和多样化。

目前，可编程虚拟卫星网络的发展正处于开始阶段。网络设备虚拟化能实现卫星运营商所需的数据和控制分离级别，以便扩展卫星虚拟网络运营商到卫星网络运营商管理接口的范围。已有一些企业提供了某些形式的主站虚拟化，主要关注于网关和具有专用接口的管理中心（NMC）。但具有全面卫星虚拟网络运营商和卫星网络运营商间管理接口的主站虚拟化技术的设计仍需进一步研究。

4.3促进卫星与地面网络的集成

目前，在某些部署环境如“灰色区域”（具有有限Internet连接能力，即小于512kb/s）中，无论是为了提供数据回传（移动、军事等）能力还是沿地面接入网有效交付通信服务，不同接入网络与卫星的混合都将有助于更高效地提供服务，具体优势包括：

为了实现混合方案，系统体系结构应提供对数据流的精确控制，因而需要具备在最佳链路上无缝分发数据流的能力。而目前，此类控制只能结合使用多种复杂技术（如基于策略的路由（PBR）、多链路协议（MLPP、SCTP等）以及流量识别机制）实现。然而，这些技术都不能提供在不同链路上分发数据流所需的控制度，并且，由于前向转发规则是静态的且未考虑所涉及的链路条件和应用流，因而缺乏动态性。

基于此，引入SDN概念将有利于解决这些问题。事实上，基于SDN实现的混合体系结构可实现目前协议和机制达不到的控制能力。下图给出了使用ADSL接入网和双向卫星网络的网络体系结构。在此体系结构中，全球网络提供商（NP）运行着这两个接入网。

图3 利用SDN实现的卫星/ADSL混合网络

在此场景中，网络运营商在网络中部署了利用SDN的设备。实际上，家用网关已逐渐开始利用SDN实现，并在网络运营商主管的SDN控制器的监管下运行。由于网络应用运行于SDN控制器之上，因此在前向和反向链路中都能实现数据流的分发。

在卫星/ADSL混合体系结构中，SDN能实现数据包自由转发，能实现不同的应用场景。例如，当开始电话呼叫时网络上的中间设备有哪两项功能，为了满足QoS需求，低时延链路可暂时并动态保存语音数据包，同时这条链路上传输的所有其他数据包转移到卫星链路。

然而，基于SDN的解决方案也有以下要求：

由此可见，SDN能使混合体系结构更加有效和便于部署。此外，它还能实现新型服务和应用。目前市场上已有SDN交换机（如OpenFlow兼容交换机）出现，已将此应用变为现实。然而，混合应用将不断发展，因此利用SDN实现的综合工具也应随之提出并继续发展。

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结语

综上所述，随着技术的发展，SDN以及网络功能虚拟化技术将越来越多地在卫星网络的多种应用场景中使用，可大大简化多样化站点卫星网络中的内部切换，改进虚拟网络运营商的服务，实现与地面网络的无缝集成，有效解决传统卫星网络系统配置更新不灵活、管理复杂等问题，提高终端用户服务的性能和QoS。毫无疑问，未来SDN和NFV将在卫星通信系统中起到重要作用。

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