使用SDN网络范式构建ATNAS带来的优势

为了满足持续增长且不断变化的航空战术通信需求，ATN长期以来遵循着烟囱式的研究发展思路，通过不断改进升级网络设备中的各种软硬件以及集成各种新的软硬件（如通信协议的改进、传输接口的增加等）来保证网络性能的持续提升。但这种打补丁的方式效率很低，不仅使ATN的网络服务能力总是滞后于航空战术通信需求的发展，也使网络变得愈加臃肿。在航空集群作战应用背景下，参考SDN范式构建ATNAS，将为实现ATNAS应具备的基本能力提供根本上的技术支撑。

1）航空集群作战应用背景下现有ATN存在的技术瓶颈

现有ATN控制平面与数据平面在物理位置上是紧密耦合的，网络控制策略由集成于各网络设备的控制平面在预先静态配置、分布式协商或独立局部网络状态感知的基础上生成，这样的耦合在网络运行状态和环境相对稳定、用户对网络服务的需求相对单一和固定的情况下，能够令网络拥有较为优异的性能。而对于航空集群作战应用，网络运行状态和环境是动态变化的，如当不同作战区域面临不同强度的电子干扰时，会造成网络传输链路可靠性的大幅波动；集群执行的作战任务对网络服务的需求也是动态和多样的，控制平面与数据平面在物理位置上紧密耦合的部署方式在这样一种背景下会带来许多新的问题。例如，在集群执行任务过程中，当由于战术意图、战场环境等产生变化需要对部分网络设备的参数、运行机制进行适应性改变时，仅能对这些网络设备逐一进行配置，而这在任务执行过程中是难以实现的（需要进行复杂的协商和操作，无法满足任务的时效性需求），限制了网络与任务的快速、灵活耦合。另外，当新的网络技术需要部署时，也需要对每一个平台的网络设备进行调整和升级，开销大、周期长，难以快速形成战斗力。

集成于现有ATN各网络设备的分布式网络控制协议在考虑网络控制开销等因素的情况下，使任意网络设备对网络状态的感知能力必然受限，各网络设备分布式生成的网络控制策略往往是局部最优的，难以使网络性能达到最佳，甚至会从整体上降低网络性能。为了避免分布式生成的网络控制策略对网络整体性能的不利影响，不同网络设备间又需要进行多次协商，但这样的协商过程不仅会增加网络控制开销，而且也无法保证协商过程的快速收敛。同时，这些分布式的网络控制协议使网络配置过程与任务规划过程难以进行有效的协调和关联，需要各网络设备依据任务规划信息进行更为复杂和细粒度的协商，进一步增加了网络控制开销和收敛时间，不利于实现网络与任务的灵活耦合。

针对现有ATN异构网络技术间的互操作问题，IP化、统一网络技术标准、增加额外的转换系统等均是当前采用和讨论较多的方式。但IP化的方式仅统一了数据的路由过程，从消息格式上保证了数据的透明转发能力，却难以兼顾复杂的信道环境以及网络链路层、物理层多样化的控制协议和传输技术；在复杂多变的战场环境背景下，开发能够满足所有作战应用需求的网络技术也并不现实；利用额外的信息处理与传输系统对异构网络技术生成的信息进行统一处理与中继转发，虽然能够从原理上解决ATN异构网络技术的互操作问题，但这种方式却增加了额外的系统开销，并且需要固定网关节点进行波形转换，在协调多类型异构网络技术间的互操作上灵活性存在不足，因此不能从根本上解决问题。

2）SDN为ATNAS带来的优势(www.xing528.com)

SDN对于数据平面与控制平面进行了较为彻底的（支持数据与控制平面独立运行于不同的物理设备上）分离，使各网络设备不再依靠集成复杂控制协议对数据流进行处理，各网络设备成为简单的网络策略执行单元，依靠逻辑集中的控制器下发的网络控制策略对数据流进行处理，简化了网络策略的执行过程，让网络的配置与管理变得灵活简单。当需要对部分网络设备的运行机制进行适应性调整时，无须逐一对相关网络设备进行配置，用户通过逻辑集中的控制器即可统一完成配置操作，极大简化了网络配置操作流程，能够充分提升网络管控的灵活性；当需要部署新的网络技术时，也可通过逻辑集中的控制器实现新网络技术的统一快速部署，能够有效减少开销、缩减部署周期。

控制器是SDN的核心组成部分，SDN利用逻辑集中的控制器对网络进行统一配置，协调各网络设备功能，服务于应用需求。控制器对底层网络基础设备及其互联关系进行抽象，收集网络状态信息，分发网络配置指令，并为网络应用开发者提供统一灵活的编程接口。控制器承担了对网络状态的感知任务，相较于分布式的网络状态感知方式，SDN主要依靠控制器对网络状态信息进行收集并基于控制器进行网络的统一配置，能够有效减少网络控制开销。控制器通过对网络状态的全局感知，能够形成细粒度的全局网络视图，使用户能够实现对网络性能的全局优化，避免了各网络设备为实现用户所需网络服务而进行的复杂协商过程，在计算能力允许的情况下，网络性能能够快速收敛到满足用户需求的程度。同时，控制器能够灵活地部署于航空集群的任务发布端如预警机、指通机等大型指控平台之上，有利于任务规划系统与控制器之间的快速信息交互和彼此间统一协调的策略计算，从而很好地支持网络配置过程与任务规划过程的快速、灵活耦合。

从用户角度来看，SDN对网络的数据平面进行了抽象化处理，较好地屏蔽了网络底层物理实现细节，为用户提供了开放统一的可编程接口，使网络灵活可编程。通过SDN提供的可编程接口，进一步结合软件定义无线电（software defined radio，SDR）、可编程MAC引擎等技术，使用户能够对各网络设备所采用的网络技术进行灵活的配置和操作，依据当前作战任务或战场环境的变化，在合理选择、配置不同网络技术的基础上，促进ATNAS异构网络技术间的互操作，发挥不同网络技术在不同应用场景下的技术优势。例如，在SDN范式下，用户可为当前在战场前沿执行侦察任务的无人机平台配置定向通信技术，使其侦察信息在回传到后方平台的过程中具有较低的被截获和被干扰概率，同时令后方接收平台在利用定向通信技术接收到侦察信息后，再采用全向通信技术将侦察信息分发到其他平台，实现侦察信息的高效共享。

为进一步说明SDN范式在解决现有ATN异构网络技术互操作问题上的优势，利用EXata网络仿真软件进行初步的仿真验证实验。基于统计优先级的多址接入（statistic priority-based multiple access，SPMA）和TDMA是在现有ATN中应用较为广泛的2种多址接入方式，SPMA能够实现极低的端到端时延，但在网络负载较重的情况下，数据分组的碰撞会造成网络吞吐量的下降；TDMA能够实现数据分组的可靠传输，但由于存在固定的发送等待时间，造成信息交互的实时性不强。因此，令控制器节点收集不同作战区域的网络负载情况（综合考虑各节点产生的流量大小及其与2跳范围内其他节点的干扰情况），控制器为处于负载较重区域内的节点固定分配时隙，令其采用TDMA进行信息交互；同时，令处于负载较轻区域的节点采用SPMA（配置了ACK重传机制）进行信息交互。这种模式使同时穿越负载较轻区域和负载较重区域的数据流，在实现较高网络吞吐量的情况下，也极大提升了实时性，充分发挥了TDMA和SPMA各自的技术优势，实验结果如图6.4所示。

图6.4　基于SDN的SPMA／TDMA混合传输仿真结果