SDATN-AS混合网络控制平台及其层次化控制模式

SDATN-AS控制平面由控制器组成，是连接底层网络设备与上层网络应用的桥梁。由于SDATN-AS对一般SDN数据平面的可编程内容进行了扩展，并且管理平面和控制平面同样存在交互（参考3.4节），因此，在设计SDATN-AS控制器时，需要对现有SDN控制器的协议适配、事件机制、数据库、功能模块等众多要素进行补充和完善，才能实现其对SDATN-AS数据平面的有效控制。

ATNAS以平台间信息交互网络为主体，平台间信息交互网络高动态的网络拓扑使控制器与控制域内各平台的稳定互联变得十分困难；高对抗战场环境下控制器存在较高的失效风险；无线传输信道有限的信道资源以及控制器有限的计算、存储资源限制了控制器所支持的网络控制内容及粒度。基于以上考虑，SDATN-AS采用混合网络控制架构。

在描述SDATN-AS混合网络控制架构之前，首先介绍SDATN-AS控制架构的重要设计基础——航空集群作战云架构。

航空集群作战云是对上述概念的进一步扩展和深化，其基本思想是利用云计算技术将航空集群的计算、存储等基础作战资源和感知、武器、数据等战术作战资源虚拟化形成作战资源池，然后根据具体的任务需求，以信息为媒介，动态分配合适的作战资源供不同集群成员使用，完成航空集群作战资源面向任务的动态聚合，从而实现对集群作战资源的高效管理、实现集群战场态势的高效共享、实现集群成员间的高效协同。

本章从航空集群作战资源聚合需求角度出发，定义了航空集群作战云架构，该架构共分为3个层面，分别是平台云层面、编队云层面和集群云层面。3个层面属于逐级包含的关系，即平台云⊆编队云⊆集群云。

（1）平台云。随着系统功能一体化的不断发展，航空集群单一平台能够搭载多样化的作战资源。平台是任务的最小执行者，在一定任务需求范围内，某些情况下单一平台所搭载作战资源即可支撑作战任务的完成，这就要求执行该作战任务平台所搭载各作战资源能够进行高效聚合，使平台本身的作战效能达到最大。因此，本章定义航空集群任意平台所具备作战资源构成平台云层面，平台云层面是航空集群作战云架构的基础层面。

（2）编队云。受单一平台所能承载作战资源类型、数量限制，在多数情况下，单一平台所搭载作战资源无法支撑作战任务的高效完成，需进行作战资源的跨平台聚合，以满足任务需求。而作战资源聚合的时间、空间跨度将直接影响航空集群的作战效能，因此，本章定义了编队云层面。编队云层面由航空集群部分航空平台构成，一个航空集群存在多个编队云，不同编队云服务于不同的作战任务，具体哪些平台参与构成同一个编队云由这些平台所搭载作战资源对该编队云所承担作战任务的作战效能所决定。属于同一个编队云的作战资源在进行聚合时的时间、空间跨度较小，能够实现平台间面向任务的作战资源快速聚合，最大限度满足航空集群作战能力生成在时间、空间上的约束条件，编队云层面包含了平台云层面。

（3）集群云。由于编队云主要强调作战资源聚合效能在时间、空间上的约束，从而使资源聚合方式可能并非最优，同时集群构型随着作战任务的变化也会发生改变，以上这些因素使编队云在服务于航空集群作战任务需求时依然存在较大的局限性，进而定义了集群云层面。集群云层面涵盖航空集群所有作战资源，包含编队云和平台云层面，通过对集群云的作战资源进行调度和整合，可以面向作战任务最优化整个航空集群的作战资源聚合方式，最大化航空集群的整体作战效能。

SDATN-AS混合网络控制架构包括分布式网络控制和层次化网络控制2种模式，且以层次化网络控制模式为主体，分布式网络控制模式则是在层次化网络控制模式不可用、网络控制效能较低时才发挥作用。下面分别对这2种网络控制模式和其相互关系进行详细说明。

如图6.7所示，对应航空集群作战云架构，SDATN-AS混合网络控制架构定义了层次化网络控制模式的3个控制层面，分别是平台控制层面、编队控制层面和集群控制层面，3个控制层面所对应的网络控制范围分别为单个平台、集群任意编队以及整个航空集群。平台控制层面使用户能够对链接平台云中各类作战资源的平台内部信息交互网络进行控制；编队控制层面使用户能够对链接编队云中各类作战资源的平台间信息交互网络进行控制以及按需对平台云的网络控制行为进行指导和约束；集群控制层面则没有编队概念限制，使用户能够对整个航空集群的平台间信息交互网络进行有效控制，同时能够按需对平台云和编队云的网络控制行为进行指导和约束。按照以上定义，3个控制层面在控制优先级上满足集群控制层面＞编队控制层面＞平台控制层面，低优先级的网络控制行为必须在满足高优先级网络控制需求的前提下进行。

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图6.7　SDATN-AS层次化网络控制架构

3个控制层面分别对应于平台网络控制器（platform network controller，PNC）、编队网络控制器（group network controller，GNC）和集群网络控制器（swarm network controller，SNC），3种不同类型控制器在软件实现上相互独立。这些控制器一方面利用南向接口协议对数据平面进行集中控制和管理；另一方面利用北向接口向上层应用开放多个层次的可编程能力，使用户能够依据航空集群作战任务需求灵活地定制各种网络策略。由于任意平台均需要对自身平台内部信息交互网络进行控制，因此，航空集群任意平台均须搭载PNC。不同的控制器部署方式会影响网络的控制效能，在航空集群执行任务过程中，集群构型会随着作战任务的改变而动态变化，不同的GNC部署方式同样也会影响编队云的网络控制效能，且由于参与任务执行的航空集群中的各编队处于战场前沿，GNC对编队来说存在较高的单点失效风险。因此，航空集群多数平台搭载GNC是一个较为合理的选择（但在一个编队中仅需一个GNC保持工作），便于用户依据作战任务和集群构型对GNC进行灵活动态部署；在一个集群编队中存在多个GNC，可降低编队的GNC失效风险。SNC具有最高的控制优先级，需要从全域战场视角对整个ATNAS进行管控，因此，SNC应搭载于预警机、指通机或地面指挥所等生存能力、综合信息处理和感知能力较强的平台之上。

不同GNC之间需要利用控制器东西向接口按需进行视图信息共享和控制动作协调，从而保证当SNC的控制链路中断或SNC失效时，不同编队云的网络控制结果不会相互产生冲突。不同SNC之间也需要能够利用东西向接口进行视图信息共享和控制动作协调，从而支持部署多个SNC以提升ATNAS网络的可扩展性。

SDATN-AS层次化网络控制模式使高层级控制器仅需掌握低层级控制器经过抽象处理的视图信息，或按需获取低层级控制器掌握的原始视图信息即可，也可使低层级控制器在进行自身可完成的网络控制动作时不必再对高层级控制器进行冗余访问，并且某特定控制层面控制器在进行网络控制过程中无须过多关注其他云层面的网络细节。层次化网络控制模式的以上特点有利于减少网络控制信息对信道资源的占用，也有利于减少控制器进行网络控制的复杂度，节省控制器的计算和存储资源。但层次化网络控制模式无法较好地适应ATNAS高动态的网络拓扑、复杂的信道环境以及充分应对控制器的失效风险；逐级的网络控制流程也限制了网络管控的灵活性，加大了进行网络控制的开销与时延。因此，SDATN-AS混合网络控制架构中还定义了分布式网络控制模式。

在分布式网络控制模式下，用户所定义的分布式网络控制逻辑利用专门接口（区别于南向接口）与数据平面进行交互。分布式网络控制模式主要针对以下2种情况发挥作用。

（1）当由于链路中断、平台毁伤等因素造成层次化网络控制模式不可用时，需利用分布式网络控制模式保证网络服务的持续存在。在层次化网络控制模式不可用的情况下，分布式网络控制模式使节点能够不依赖与控制器的信息交互，通过协商的方式，独立完成自身信息传输过程，保证了在控制器失效或控制器的控制链路中断情况下，网络依然能够较好地为作战任务提供信息传输保障。例如，在图6.8（a）中，当节点A需要将数据分组路由到节点C时，若控制链路l1中断，控制器将无法将流表更新信息配置到节点B，导致网络无法满足节点A的数据分组路由需求，此时层次化网络控制模式已变得不可用。而令节点B采用分布式网络控制模式时，如运行AODV路由协议，当节点B收到节点A的数据分组时，节点B通过与节点C交互路由请求（RREQ）与路由回应（RREP）分组，能够自主建立到节点C的数据分组转发路径，从而能够将节点A的数据分组成功路由到节点C。

图6.8　分布式网络控制模式

（a）链路中断；（b）控制器的控制效率不高

（2）由于信道带宽、控制时延、控制器计算存储资源等因素限制，使层次化网络控制模式无法实现高效的网络控制时，需利用分布式网络控制模式提供更为灵活高效的网络控制能力。例如，在图6.8（b）中，当节点A需要与节点B进行信息交互时，由于彼此互为1跳邻居节点，采用分布式路由协议建立数据分组转发路径从开销和时延上来看都是最佳的选择，依赖处于2跳距离的控制器建立数据分组转发路径反而会降低网络控制效能。且在此情况下，分布式网络控制模式并非一定独立于层次化网络控制模式工作，而是可以借助层次化网络控制模式在信息获取、信息处理等方面的优势，更好地提升分布式网络控制模式的控制效能。例如，有学者提出利用控制器为控制域内各节点提供拓扑视图信息，辅助各节点更好地进行分布式路由计算，既减少了控制开销，又提升了数据分组的转发成功率。本书仅提出了SDATN-AS混合分层网络架构，并且举例说明了采用该架构进行ATNAS网络控制的优势，但如何真正实现该架构的实际部署与应用还需要进一步深入研究。