软件定义网络（SDN）
在卫星组网中的发展与应用
一、摘要
近年来，新技术的引入，推动了通信领域的发展，许多传统通信领域正在引入新技术以提高服务能力，例如，把软件定义网络技术（SDN）、网络虚拟化和网络功能虚拟化技术（NFV）引入卫星通信与地面网络融合领域，可有效提高组网的灵活性、可扩展性，解决与地面网络无缝集成的问题，并进一步降低成本，进而为用户提供更多更好的服务。

本文将重点讲述SDN技术在卫星通信中的应用。

二、简介
近年来，卫星网络在通信领域的潜在优势得到更广泛关注，在网络技术方面，天地一体化网络已经提出并成为发展趋势。

然而，下一代卫星网络技术的发展仍面临许多困难，一方面，分布式路由算法收敛速度慢，网络配置复杂、模糊，缺乏灵活的路由技术支持。

另一方面，卫星网络的特点对网络性能提出了挑战，例如，动态拓扑属性导致路由算法不稳定，星地间的远距离通信导致网络更新更耗时。

此外，卫星系统使用的各种通信技术和协议使跨系统互联难上加难。

SDN技术的应用将有效解决这些问题。

三、背景
SDN起源于2006年斯坦福大学的Clean Slate研究课题。

2009年，Mckeown教授正式提出了SDN概念。

利用分层的思想，SDN将数据与控制相分离。

在控制层，包括具有逻辑中心化和可编程的控制器，可掌握全局网络信息，方便运营商和科研人员管理配置网络和部署新协议等。

在数据层，包括哑的（dumb）交换机（与传统的二层交换机不同，专指用于转发数据的设备）。

交换机仅提供简单的数据转发功能，可以快速处理匹配的数据包，适应流量日益增长的需求。

两层之间采用开放的统一接口（如OpenFlow等）进行交互。

控制器通过标准接口向交换机下发统一标准规则，交换机仅需按照这些规则执行相应的动作即可。

因此，SDN技术能够有效降低设备负载，协助网络运营商更好地控制基础设施，降低整体运营成本，成为最具前途的网络技术之一。

因此，SDN被MIT列为“改变世界的十大创新技术之一”。

SDN相关技术研究迅速开展起来，成为近年来的研究热点。

2013年，SIGCOMM会议收录了多篇相关文章，甚至将SDN列为专题来研讨，带动了SDN相关研究的蓬勃发展。

从广义上讲，SDN指的是可利用上层开放的应用资源接口实现，软件编程控制的各类基础网络；从狭义上讲SDN就是基于标准Open Flow (转发面开放协议)实现的软件定义网络。

SDN的核心思想：通过将网络设备的控制面和数据面分离，实现对网络流量的灵活控制。

与传统网络的最大不同是，SDN中包含两种关键设备：Open—Flow交换机和控制器。

其中控制
器负责汇总各个OpenFlow交换机上的数据，根据规则转发每一条数据流。

OpenFlow交换机除了向控制器提供数据以外，还根据控制器的指令，将数据流转发到相应的端口。

SDN的核心理念是通过将网络设备的控制面和数据面分离，实现对网络流量的灵活控制。

SDN将原有以硬件配置为核心的网络转变软件化的网络，可以实现网络管理的灵活、便捷。

传统的网络以路由器、交换机等硬件设备为主使用TCP／IP协议簇来实现网络的控制和管理。

传统的网络结构是分布式的，每个路由器根据自己所获取的路由信息进行数据包的转发，多个路由器的故障不会对网络产生较大影响。

这种网络模式可以最大限度地保持网络的稳定性，但是网络的利用率较低、扩展性较差、管理难度大。

与之相反的是，SDN网络致力于建立一个集中式的网络管理结构，网络控制器负责网络内所有数据流的管理，每一条数据流都有一条数据通道。

因此这种结构下，网络的利用率较高，网络传输效率也较高，但是同时也导致网络的复杂度巨大。

SDN的另一个重要特点是可以灵活管理互联网应用的部署，网络优化策略更易实现。

传统的网络结构中，不能实现针对某个应用的网络控制策略，对于所有的数据流一视同仁。

而SDN可以通过网络控制器根据业务的优先级，为不同业务的数据流建立数据转发通道。

四、优点
SDN在卫星网络应用的优点：
一是灵活、可控的动态路由算法：目前大多数卫星系统采用
静态路由方法，以保证卫星网络的可靠性和可控性，例如铱系统，而传统的控制结构是不灵活的。

近几年，动态路由算法、分布式链路状态收集和路由计算方法被大量使用。

虽然它们能适应网络流量变化的特点，但是分布式算法降低了卫星网络的可控性。

每颗卫星都很难得到全球网络视野，导致在很多情况下不能够产生最优化的路由和配置策略。

将SDN技术引入控制结构，就可以解决效率问题。

软件定义网络技术分离数据平面和控制平面，并采用集中控制结构与全球网络，以计算全局路由路径和配置策略。

同时，可以根据交通状况和客户的要求调整这些策略，改进传统的灵活性卫星网络的静态路由算法。

二是迅速部署和更新卫星网络配置：随着空间应用的增加，卫星的数量和载荷的复杂性都在增加，相比地面网络，改变整个卫星网络的配置是非常困难的。

SDN的中央控制特性简化和标准化了卫星节点的处理功能，并且所有复杂的网络控制和计算功能都设置在地面站和NOCC。

所有接受新的配置信息的卫星都可以自动更新无需额外的人工干预。

此外，在星间链路或GEO 卫星广播单层间转发新的路由表和配置策略还可以加快全球配置的更新过程。

三是提供灵活的，细致的，可扩展的网络控制：SDN在卫星组网架构中，路由计算和全球网络视图可以更灵活地适应时变网络状态，例如业务量分布平衡，多播路径修改和节点故障管理等。

在传统的卫星网络，低效的控制结构和相对固定的路由策略，
无法支持更细致的管理和不断变化的客户要求。

而在SDN架构中，我们可以为特定客户设计网络管理策略NOCC，不仅关注路由管理同时也对客户访问、通信计费和客户漫游进行控制。

一旦网络需要扩展，SDN可以在一瞬间有效地的修改和更新全局网络配置。

四是卫星协同覆盖和干扰规避：相较于客户的控制策略，卫星之间的合作和资源共享更加值得关注，传统的分布式协作覆盖算法将导致过量的卫星间图，降低了资源利用效率。

而在SDN 架构中，卫星只需要互动NOCC即可在规定的时间内完成全球覆盖调整和干扰回避。

五是卫星系统有更好的相容性：目前，软件定义的无线电（SDR）技术已经发展成为卫星的有效负载。

其硬件可编程为多模式操作，无需改变硬件本身，即可完成无线电重配置、远程升级以及容纳新的应用和服务等功能。

SDR技术主要提供了可编程物理层，与软件定义的网络相结合技术，整个卫星网络系统可以提供可编程性和灵活性，从物理层到互联层。

这将使未来卫星网络系统可以互连更多的异构航天系统和终端，具备了更好的向后兼容性。

六是较低的卫星系统成本：新的架构降低了系统的成本，新卫星的所有控制逻辑将由地面实现，这使得卫星设计更加简单，配置和更新组建更加容易。

使用地面成熟的SDN技术，卫星的设计和实现成本可以在很大程度上降低。

同时，新的控制结构的
ISL转发和GEO广播可以减少地面站，有效降低了总系统的投资。

五、引用
1、Future Space-based Communications Infrastructures based on High Throughput Satellites and Software Defined Networking T. Rossi, M. De Sanctis, E. Cianca, C. Fragale, M. Ruggieri
2、Software Defined Networking andVirtualization for Broadband Satellite Networks
Lionel Bertaux, Samir Medjiah, Pascal Berthou, Slim Abdellatif, Akram Hakiri, Patrick Gelard, Fabrice Planchou, and Marc Bruyere
3、Software Defined Satellite Networks: Benefits andChallenges
Zhu Tang, Baokang Zhao, Wanrong Yu, Zhenqian Feng, Chunqing Wu National University of Defense Technology
4、Performance Evaluation of Software Defined and Cognitive Wireless Network Based Disaster Resilient System
Goshi Sato, Noriki Uchida, Yoshitaka Shibata1g。