软件定义多域战术网络发展研究

软件定义多域战术网络进展争辩01、引言-处理-（RFID）例如吞吐量、响应时间和丢包率）就会下降，而对任降低造成的后果在军事行动中可能是毁灭QoS要求至关重要。它还迫切要求网络基础设施具有自适应性，能够应对应用程序QoS需求的任何变化。现有数据包技术，例如多承载网络在肯定程度上可以满足这些需求。MBNQoS要求通过备选承载信道承载数据包。它接受区分服务（DiffServ）作为补充，区分和管IP业务（例如话音、视频、文本（1）。然而，战场内外多个节点之间的通信不再只是点对点MBN会增加运行费用。此外，缺乏承载信道间网络资源公正SDN2描述了军SDN结构。1具有区分服务的多承载网络2SDN的潜在多承载网络SDN 通过把握平面与数据平面分别来促进网络资源动态供应和重构。把握平面由一个称为SDN 把握器的规律集中实体组成，它具有网络全局视图，并打算数据包应如何通过网络。而据平面由网络节点组成，如路由器/交换机，由它们实际负责数据包移动。利用SDN 便于在物理网络之上实现虚拟化，这样用户就可以实现端到端掩盖并对网络业务进行分段这种规律分区还有助于服务供应商和网络运营商供应接受特定策略的单独虚拟网络，形成对MBN和边缘计算目标的补充。1.1 争辩问题和挑战在战场和战术应用背景下，SDNMBN的集成要经受具有MBN的综合优势。基于N的解决方案如何扩展到NSDN的解决方案大多适用于有线网络。而在SDN策略的业务？军事通信中可传递五种加密信息，包括官方、受爱护、机密和绝密信息。然而，信息的安全类别可以依据物理环境情境动态变化。例如，在战时，舰队动员方案会从受爱护级变为绝密级。为了让这类涉密信息业务具备兼容安全特性和访问机敏性，需要对数据包和环境情境进行全都性检查。然而，这种方法会向各种不受信任的SDN把握器暴露敏感业务数据。另一方面，大量现有传统军事应用仍旧沿用传统单体架构，实现SDN方法的空间有限，且不利于实现安全业务管理和数据包检查。SDN在有限时间窗口按需要求时间敏感信道时？QoSSDN帮助支持难以保证。如何通过网络感知和把握（SDN的耦合在这种环境中，哪些中间件技术适合实现服务（式应用软件）的互操作性，为什么？SDN（API），这些服务会突破通信和架构异构性的限制，挂念桥接SDN的系统。中间件还可帮忙把握平面与数据平面交术，让中间件的响应力量和性能不会下降。SDNSDNSDN的战术网络的现有争辩，并确定其优缺点；争辩目前SDN高提出将来争辩方向。02、系统模型与分类为简化不同军事设备战术网络和应用的整合过程本争辩提出了一种分层SDN框架，如图3所示。该框架由四个面组成应用面把握面转发面和编排面有不同QoS和安全需求的应用程序位于应用平面。这些应用程序可以是直接与SDN 把握器通信的SDN 感知应用程序，也可以是只需通过网络发送数据的传统应用程序。把握平面由多个专用SDN 把握器组成，这些把握器或以对等方式或通过具有全局多网视图的编排把握器进行通信。转发平面由网络节点组成，这些节点可依据SDN 把握器实现的路由策略转发数据包编排平面跨越全部层负责监测和聚合数据，以便以有意义的方式使用数据，在把握器管理、服务韧性、互操作性和策略执行方面支持高效网络编排。3MBNSDN层SDNSDN编4SDN网络角度。下文给出了这种分类方式的具体描述。4SDN编排的分类03、多把握器管理只有单把握器的SDN 实现不适合在战场上应对业务传输速率的增加。此外，在战术环境中，彼此交互的两个军事装备，潜艇和无人机，可能不在同一网络域。在这种状况下，实现多器SDN 至关重要。多个把握器的共存和协作可解决单把握器遇到的问题，并有助于实现跨域交互。然而，面对军事应用的MBN中多个SDN把握器的运行受到全都性和负载均衡相关问题的影响。广泛使用三类把握器管理方法（如图5所示）处理SDN中的这些问题。5不同把握器管理方法引导在引导过程中，集合节点在应用和数据平面之间部署多个SDN把握器引导节点将网络配置信息通知把握器设置其初拓扑，并确定协调机制。为建立SDN 把握器的拓扑模型，引节点将链路层发觉协数据包发送给包括交换机和网在内的各种网络节点并依据它们的响应构成网络底层引导点还为数据平面安装默认流规章让网络即使在把握器故障后能保持功能。此外，它还能够依据SDN 运行要求动态增减把握器数量。为了简化SDN 网络的初始化阶段，有争辩提出了一种称为InitSDNInitSDN有助于实现网络应用模块化，并仅SDN把握器登记，（2）与把握器建立安全把握通道，（4）与拓扑数据库交互。SDN是一项很有挑战性的任务。网络分区SDN把握器。把握器之间的交互可通过层次结构或平面API来维护底层网络的全局视图。知名SDNONIX、HyperFlowOpenDaylightKandoo、Orion和D-SDN接受层次结构。然而，当业务负载在把握器之间均匀安排k-均值聚类算法和合作SDN中每Internet2OS3EInternetTopologyZooLouvain启发网络操作系统（NOS）SwitchLight、Linux（ONL）、DENTCoriantSDN框架，在把握SDN把握器的定制网络操作系统实现。例如，有争辩NOSArmor信道级管理的支持。04、中间件与互操作性1SDN中实现语法和语义互操作性。级方面各有优缺点。1语法和语义互操作性之间的差异语法互操作性语法互操作负责异构把握节点和数据平面节点传输和封装的数据包及其格式的协调。它也被认为是在SDN 中实现语义操作的先决条件语法互操作性明显取决于中间件供应的通信议以及规律连接节点与中间件的掩盖层的特性下面将争辩与法互操作性相关的不同通信协议和掩盖机制。通信协议大多数现有SDN 中间件系统接受面对消息的架构，让它们在与不同把握和数据平面节点的交互过程中可以处理通信延迟不确定问题。此外，与基于远程过程调用的中间件不同，面对息的中间件的功能有很高可伸缩性面对消息的系统中广泛应用两种通信协议：发布-订阅（PubSub）和恳求-响应（RR）。发布-订阅通信协议帮助把握平面节点将命令发布到中间件，并使数据平面节点能够从中间件猎取相应命令。当数据是从数据平面传递到把握平面时，则相反。PubSub 协议支持通信实体之间的大事驱动交互消息队列遥测传（数据分发服务（DDS）和高级消息队列协议（AMPQ）是应用最广泛的PubSub通信协议。2PubSubRR的比较恳求响应在RR通信协议中当数据平面节点需要从把握平面发出的任何命令时它通过中间件向相应把握器发送恳求。作为响应，把握器将必要的指令传送到数据平面节点。把握平面从数据平面查找状态信息时则相反。RR 以同步方式发出恳求和响应数据包表2对PubSub和RR进行了简洁比较受限应用协是资源受限网络环境中处理物联网通信的最有名RR协议之一。隧道与非隧道技术隧道技术让专用通信可以使用封装在公共网络上交换数据包。默认状况下，它支持加密，并有助于在网络之间建立安全远程连接这些特性使得隧道技术在虚拟网络中的应用有很高可行性。虚拟可扩展局域网（VXLAN）GPRS隧道协议（GTP）、通用封装网络虚拟化（NVGRE）、无状态传输隧道（STT）和网络虚拟化掩盖3（NVO3）等隧道协议简化了虚拟网络实现。此外在SDN 中，隧道通常用于管理数据平面节点间连接，特殊是在数据包目的地有不确定移动性期间这种状况下可动态创建隧道将数据包从从前的服务交换机切换到目的节点的当前服务交换机。另一方面，有争辩开发了一种支持SDN 的动态多路径转发技术，它可以依据源-目的地地址在任意数据平面节点合并多条隧道的业务，以削减系统内的工作流数量。SDN中隧道机制。例如，有争辩开发了一种基于匹配动作表（Match-ActionIPMAT隧道，MAT隧道允许把握器SDN中发生单链路故障时检测多条较短修复路径。此功能有助于实现更快故障恢复。然而，当传输混合业务（话音和视频）时，隧道中的丢包率FlowLANLTE网络中的小区移动，有争辩提出了另MocLis的非隧道方法。MocLis在处理小区及其嵌套用Locator/ID分别方法。然而，非隧道技术语义互操作性在SDN 中，中间件需要支持语义互操作，以确保把握器和数据平面节点之间交换的命令和状态信息可明确解释它可简化这两个平面之间的学问发觉过程。语义互操作性，顾名思义，从语义上实现互操作性假如在从源到目的地的传输过程中数据包失真那么语义互操作性就会严峻失效SDN中实现语义互操作的技术有协议转换技术、协议无感知转发技术和语义本体技术。协议转换Valin公司等不同技6描述了概念协议转换软件的内部结构。6协议转换器架构TableVisor的协议转换中间件的运行状况。TableVisorMatch-Action架构将交换数据包的意图与现有流表项、动作空间和目标包头字段相匹配。TableVisor转换虽然接受协议转换有助于缓解把握节点和数据平面节点在需要深化了解迫切要求全网部署可信中间件系统的数据包。然而，在战场等受限通信环境中，往往不行能保证这些设施。协议无感知转发3之间的区分。3协议转换与无感知转发的区分SDNSDN安全框架。此外，协议无感知转发依靠于一组有状态信息，这使得其对网络系统故障或变更的韧性不高。语义本体7中描述SDN域中基于语义本体的操作。7SDN层中基于语义本体的操作SDN用于自动创建虚拟网络功能。它还可促进VNF求的综合，并使把握器能够基于网络服务描述（NSD）05、网络组件管理从概念上讲网络组件分为两类网络基础设施和网络服务网络基础设施纳入了拓扑结构和数据转发路径。从SDN 的角度看，网络切片也可以看作是虚拟化网络基础设施。相反，网络服务则为缓存、网络地址转换、加密和入侵检测供应支持。最近，利用网络功能虚拟化（NFV）技术，网络服务将从专有硬件变为虚拟化软件平台虽然不肯定要同时实现SDN和但这两种技术在提高网络自动化方面是相辅相成的例如没有虚拟化网络功能而实现SDN的实现会导致硬件依靠性，这违反了SDN专注于通过软件实现网络把握的初衷本节将综合争辩现有网络组件管理方法。拓扑感知MANET务。MANET使参与节点能够彼此交互，以完成赐予的任务。此外，MANETSDN概念的机会，以便高效协调通信SDNMANET8所示。然而，MANET中的网络拓扑结构包含简单配置，并且经常变化。因此，从依靠移动自组网的战术大网络规模和部署边缘计算节点。8SDNMANETSDNMANETMANETSDN把握器放置问题。该争辩明确从数据平面节点可访问把握器方面考虑了网络拓扑结固有集中式和结构化固有分布式和动态性SDN把握器。SDN的海军战场网络中降低网络切换延迟并提Adhoc网络模型还纳入了一SDNMANET的安全性，ONOSadhoc节点的访问。SDN概念在网络拓扑中进行特别自适应负载与路径管理战场通信网络需要在使用可用性不均匀的有限带宽传输视有争辩利用源到目标端到端路径的动态优化实现战场网络中的虚拟化网络功能，提高网络抗毁性。此外有争辩开发了一种自适应战术数据采集系统可依据链路可用性和数据包速率和流分布等业务特性选择数据源节点当网络资源有限时系统自主降低数据传输速率它还有助于削减重复数据量，提高数据分析的精确     性。此外，为了在分布式器之间平衡负载有争辩提出了一种自适应技术它考虑到地理边界和负载变化将交换机从一个把握器动态迁移到另一把握器该方案基于到把握器的包到达率阈值触发该阈值也可以依据网络资源情境进行调整然而这些现有自适应解决方案格外适合已经定制在SDN 中运行的应用程序。对于遗留应用程序，它们进一步增加服务的空间不大。网络切片SDNNFV概念来提高网络驱动问题。与虚拟专用网（VPN）不同，网络切片并不仅仅依靠4所示，它也不同于区分服务（DiffServ）。4网络切片和区分服务的区分SDN算法提取指定应用的特征。然得安全策略协调很困难，并可能导致战场通信中的保密漏洞。服务功能链（SFC）服务功能链是指一套完整的连接虚拟网络服务，如防火墙、VoIP、名目服务、数据包深度检查、负载均衡和时间服务，允许业务依据安全性、低延迟和提高服务质量等要求使用它们的任意组合。它还使SDN把握器能够自定义一个链，并依据业务源、目的地或类型将它们应用于不同业务流。战场通信服务功能链的抽象表示如图9所示。9战场通信中的服务功能链已有一些值得留意的举措，重点是改进服务功能链（SFC）MILP模型。它将访问链的挨次作为约束，并设置域级功能图，编排进入的网络服务恳求。有争辩开发的基于SDN 的资源管理架构则旨在优化能量使用同时在计算实例上放置不同网络功能并定义它们的路由路径。作为补充，其他一些工作正在为SDN 开发受服务功能链约束的最短路径服务访问机制有争辩提出了一种将基本网络图转化为受SFC约束的网络图的机制此外它还接受了一种基于服务依靠性的剪枝算法来缩小新生成网络图的规模，以便准时计算最短路径。在另一项工作中，接受简洁的广优先搜寻算法来确定最短路径。还存在一个名为SFCPerf的性能评估框架来检查这些方法在实际测试平台上的兼容性然而现有解决方案配置简单，无法满足战场通信的即时需求。Unikernel网络功能除虚拟机和容器外，unikernelNFV的一种越来越Unikernel是指只利用内核空间库就可hypervisor虚拟机（VM）和容器相比，unikernel的结构要轻得多，因此它Unikernel之间的架构差异如图10所示。由于内存占用少、启动时间短，Unikernel比虚拟机和SDN的系统时。10Unikernel架构Unikernel概念相对较新其标准还在不断进展中有争辩开发了一种可以动态创建Unikernel的SDN框架。它可增加系统在应对特别或安全攻击方面的牢靠性并有助于在最短时间内恢复系统功能类似地有争辩已将云应用拓扑和编排规语言扩展到支持创建和编排具有安全约束的Unikernel。它还使Unikernel能够为用户供应按需网络服务在另一项工作中通过不断依据业务需求修改它们的调度程序优化了的基于Unikernel的不同网络服务的启动时间。虽然Unikernel在各个方面都优于虚拟机和容器，但接受 Unikernel 的丢包率要高于其他方式。Unikernel的这一限制会影响任何需要高吞吐量的战场通信。06、业务管理网络基础设施纳入了拓扑结构和数据转发路径。服务质量（QoS）和体验质量（QoE）相关业务管理问题已QoS/QoEQoS（QoS方法和新的监测和管理基础设施需求的角度来争辩这种范式转变的影响。驱动的应用程序管理主要解决终端用户和应用程序主机/云级的把握和适配问题，通常是从应用程序供应者的OTTHTTP的自适应视频流等应用动态适应网络条件的变化，以QoS/核心网络中部署的性能和流量监控解决方案来了解终端用户感驱动的网络管理机制关注的是网络供应商视角，并考虑了把握机制，如优化网络资源安排、准入把握、QoS驱动路由等。因此，这种把握的目的是在不直接管理应用程QoS。SDN作为一种将硬件资源与软件和功能解耦的技术，使网络基础设施具有可编程力量可编程的机敏资源安排加上软件化使网络和应用程序能够使用软件API进行“对话”。虽然这种明确协商方法供应了明确的机会，但仍有很多挑战需要解决（如图11 所示），包括业务加密、资源虚拟化、应用数据情境化、服务质量测量、公正性、业务支配和跨网络联合。以下内容简要回顾了QoS业务管理的演进过程以及SDN支持的最新进展方向。11QoS管理方面的新兴概念和挑战服务级协议（SLA）感知业务管（SFDiffServFlowSpec宽和延迟），一旦被网络接受（)，就形成了一个之后双方都要遵守的协议（SLA）。实现此框架需要（通常通过带宽代理（使用包头字段（DiffServ（通过令牌桶可共享网络资源。SLA需要简单的管制/调度机制，以及将应用QoEQoS参数方面的局限性。有争辩对这些方面进行了深化争辩，并开发了一种名为SFQP（SLA感知细粒度QoS供应SDNN（wQoS把握。SLASDN的优先级和路由选择应用于应用程序流。有争辩开发并演示了该概念在VoIPM2MSDNUDP/RTP媒体流，可提高其服务质量。基于意图的业务管理基于意图的网络（IBN）SDN中一个相对较新的概念，用DevOps和高级“意图”IBN一词最早由Gartner2017年提出，基于意图组网组件的消灭则要早得多，并且还在连续进展。传统网络依靠命令行接口（CLI）为全部供“网络即服务运行，这意味着IBNDevOps集成到进程中。Cisco的说法，这一过程“IT之间的鸿沟”。IBN作战期间可以确保区域中的指挥把握通信可以达到无中断服务级（12所示）活此意图可以在指挥把握承载段上的全部用户和应用程序之间应用于全部网络域，并建立在可编程网络基础设施之上。12基于意图的网络的网元（Cisco公司）SDN平台中。开放网（ONOS）和把握器都包含“意图”。意图的示例框架由基于组的策略（GBP）规定，该策略接受端点组（EPG）概念，因此策略可以基于其标签应用于多组实体，而策略本身是具有“质量”和“条款”要求的契约。使用高级的意图而不是低级的网络配置的一个重要优势是“编译”，将意图转换为网络设备配置，然后向下推送到每个网元。此外，多个应用13所示，应用程序策略通过策略漏斗进入编译器，该编译器标记并可能自动解决策略中的任何冲13支持多个应用的基于意图的网络情境感知业务管理情境感知业务管理正成为解决SLA和基于意图方法中一些SLA感知方法要求应用程序指定它们“阅历”其与情境匹配起来，并实行反应行动来订正问题。这种想法导致了“自驱动网络”14中所示，SDN交换机上的实现进行了验证。从概14带有监测-分析-把握环路的自驱动网络谷歌公司已经证明，它能够利用动态应用级测量