基于网络切片的海上作战网络资源管控框架研究

秦晋平 刘 鹏 陈 树

（1.北部战区海军 青岛 266071）（2.中国舰船研究院 北京 100101）

1 引言

在现代信息化海战中，远洋护航、海上编队作战等海上作战作战任务日益复杂，而不同的作战任务对通信链路的需求是不同的，有的甚至是相冲突的。使用同一种通信链路同时为不同的作战提供服务会使网络系统架构非常冗杂，资源利用效率低下。

使用基于切片网络技术进行网络资源的集中虚拟化规划管理已经成为网络规划管理的研究重点［1］，而网络切片主要由SDN（Software Defined Net⁃work）和 NFV（Network Function Virtualization）技术实现［2～3］。

在此背景下，本文将从海上作战任务QoS（Quality of Service）需求保证、网络资源的动态分配、网络切片的应用特点和网络资源管控架构、系统流程等角度进行全面分析与探讨，研究保证各类应用QoS的前提下提升网络应用效率的技术。

2 海上作战网络资源管控技术

2.1 QoS需求保证

随着海上作战信息设备数量的增加与功能的丰富，网络流量规模及类型不断增加，满足各类作战应用QoS需求同时实现通信链路高效性已逐渐成为海上通信网络控制的一个课题。现有通信链路架构将控制与数据转发紧耦合，无法从整体的角度对网络资源进行管控，另外链路终端设备与通信协议绑定，缺乏灵活性，新的转发规则等解决方案无法部署，因此不能同时符合上述两种要求。而SDN网络架构将数据与转发分离，使得网络管理者能够获得全局态势，其可编程的网络接口也使得新的协议可修改，是网络资源控制研究的一个新平台［4～5］。但现有的基于集中控制思想的网络控制方案大多针对民用方面，且面向QoS或是资源利用有效性等单方面，本文在针对海上作战现有通信链路资源管控研究工作中存在的问题，引入网络切片概念，基于网络切片的管控机制开展研究。

2.2 网络资源动态分配

海上作战应用对链路带宽的需求随着作战任务的不断增加，相对于用户的需求，通信链路资源始终处于相对稀缺的状态，通过增加网络基础设施的方法建设周期长，不灵活，且无法适应不确定峰值流量的冲击，通过简化通信协议的方法则限制了战术信息的传输，二者都无法从根本上解决链路需求的问题，因此，通过动态分配网络资源的方法来提高现有网络的资源利用率。

多路径传输技术同时使用多条路径进行数据传输，保证较好的传输性能和更高的网络资源利用率。但是现有的网络链路设备灵活性差，现有的CRA［6］、ECMP［7］等多晶传输方法的维护成本较高。SDN技术被提出后，负载均衡等方面的研究不断出现，如Agarwal S［8］使用集中控制器保证全局的资源有效性、Koerner M等［9］提出虚拟化网络来保障每个服务、Google通过一套流量工程方法极大提升网络资源利用率。但是上述几种方法没有考虑到应用的具体需求，可扩展性不强。

3 切片网络技术

通过虚拟化将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络，每一个虚拟网络对应不同的应用场景，这就叫网络切片技术［10］。网络切片是一组网络功能（Network Function）及其资源、配置的集合，从而形成一个功能完整的逻辑网络，每一个逻辑网络都能以特定的网络特性来满足对应业务的需求，通过网络功能和协议定制，网络切片为不同业务场景提供所匹配的网络功能。根据不同的应用场景和业务需求，每个虚拟逻辑网络切片可以相应地进行网络资源的配置与管理，这是网络的实例化过程［11～12］。网络切片通过资源与物理位置松耦合，支持资源的动态调整，在保证网络资源有效性的前提下增强了网络整体的可靠性。

NGMN标准规定的网络切片架构如图1所示，分为业务实例层、网络切片实例层和资源层。其中业务实例层通过一个网络切片实现最终服务；网络切片实例层包括虚拟化后一组特定的网络逻辑功能，向业务实例层提供所需要的网络服务；资源层包括计算、存储、传输等物理资源及虚拟化后的网络底层逻辑资源。

图1 网络切片逻辑架构［13］

4 基于网络切片的海上通信链路资源管控模型

基于网络切片的海上通信链路资源管控模型基本结构如图2所示，业务层主要拟定下发业务、控制层负责作出动态控制决策、承载层主要负责数据转发、底层交互接口则主要负责通过OpenFlow协议承载向上传递态势信息，向下发布决策结果流表信息。控制层是控制模型的最主要部分，主要包含网络态势生成组件、切片划分组件、流量动态调整组件和决策下发组件，承载层中的网络设备则主要具备报文转发和网络流量感知等功能。

图2 基于切片划分的网络资源控制模型

1）网络态势生成组件

网络态势生成组件是整个决策层的基础部分，通过收集网络信息支撑决策。网络态势生成组件通过底层交互接口从承载层设备获得网络全局信息，包括拓扑结构以及物理节点负载等，是后续切片划分和实时动态流量调整的依据。其中，网络拓扑信息获取的底层网络设备的节点分布信息，包含了各个设备节点间的连接关系；网络流量信息获取的则是流量大致分布情况以及流量类型分析结果，其中，流量大致分布情况是从历史流量数据中提取出的，通过动态分析流量信息可以得到其类型；负载信息由底层转发设备实时上报，是动态流量调整的主要依据。网络态势生成组件作为决策层的数据支撑，在整个网络资源控制模型中具有重要的作用。

2）切片划分组件

切片划分组件需要根据不同的作战应用对QoS需求的差异性，对整个网络进行切片分割，满足各种作战应用的虚拟网络。按照不同的需求，切片分割可以分为QoS切片分割和BE切片分割两种类型。这两种分割方式都是以网络态势作为依据，QoS切片分割是以QoS保障为优化目标进行资源预留，实现切片的构造，同时为了支持后续的流量动态调整，在分割的过程中需尽量考虑节点之间的多路径通道；BE切片分割是以网络资源有效性为优化目标，同样也需要寻找物理节点间的多路径通道。切片划分结束后，资源预留结果将通过决策下发组件生成配置信息发送到底层网络设备上。

3）流量动态调整组件

决策层流量动态调整组件需要完成网络流量的实时调整。流量调整组件根据切片划分组件得到的资源预留结果，结合网络态势生成组件提供的实时的节点负载和全网流量信息，以网络负载均衡和网络资源有效性为目标进行流量调整。在构造好的多路径切片内选择流量通路。流量动态调整结果将转变为流表项，经由决策下发组件通过底层交互接口部署到物理设备上。

4）决策下发组件

决策下发组件承担将物理设备配置信息和流量调整生成的流表项信息部署到物理设备上的任务。其中流表项信息是根据流量动态调整组件产生的流量调整结果产生，此处通过流进行调度。因此对于静态分配的切片划分结果生成的设备配置信息，以及对于流量调整结果生成的流表信息，都将通过决策下发组件部署到物理设备上。

5）承载层

承载层的主要功能是根据接收到的流表对流量进行转发，底层设备需要支持OpenFlow协议的交换设备。这些交换设备能够对所有经过的网络流量信息进行采集，实现流量感知，能够依据决策层的决策下发组件下发的配置信息完成相应的配置，实现依据决策下发组件下发的流表项信息进行策略的灵活修改。

5 资源控制流程

针对上述各个框架包含的具体功能，提出的基于切片划分的资源管控的控制流程，如图3所示。

图3 控制流程示意图

控制流程包括前期静态预先规划阶段和网络运行过程中的动态实时调整阶段。

在预先规划阶段中，根据链路历史流量以及集中控制下通过底层网络设备反馈得到的综合网络态势信息，进行切片划分，完成路径规划，再将预先规划的节点预留结果转换为网络设备配置信息，下发到网络设备。预先规划阶段生成的网络切片示意图如图4所示，将同一个网络同时划分为多个不同的隔离的虚拟逻辑网络，每个逻辑网络被认为是一个网络切片。其中QoS切片包含节点之间的传输通道和节点上需要预留的资源量，BE切片上值包含节点间传输通路。

图4 网络切片示意图

控制流程包含的第二个阶段是实时决策阶段，当网络开始运行后，底层转发设备以预先规划的转发策略为基础，结合当前的流量信息和负载情况，综合分析后重新构建每个流在切片内部或是切片之间的传输通路，并转化为流表信息部署在底层转发设备上，实现流量的动态调度。通过流量的累积，切片划分也将逐渐完善，实现控制反馈的结果。

6 结语

本文针对海上作战网络资源动态管理需求，提出了一种基于网络切片的网络资源规划方法。考虑海上作战任务应用情况，在满足应用的QoS需求的基础下着眼于提升网络资源的利用率，进行控制框架和应用流程的设计，为海上作战网络资源的动态管控提供一种新思路。随着网络资源的增加、作战任务的复杂化，具备精细控制、高网络利用率的海上作战网络资源控制将成为海上任务遂行的重要基础。

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