摘　要：针对窄带宽、弱连接和高动态的行业专用无线通信网络，通过使用一种软件定义网络集中控制与分布式路由控制共存的混合组网架构，解决传统分布式组网业务服务质量无法保障等问题。此外，针对软件定义网络架构的控制开销大、抗毁性差等问题，在混合组网架构基础上对转发面进行优化，提出了路由转发与基于段路由受控转发共存的转发模式，以节约控制开销、增强抗毁性。通过混合组网架构设计、控制器部署方式优化、南向接口轻量化、分布式组网扩展和转发面升级等方式，为集中控制与分布式路由控制在专用无线通信网络的综合应用提供了解决方案，以较低的控制复杂度大幅度提升专用无线通信网络的服务质量保障能力和转发效率。

内容目录：

0　引　言

1　专用无线通信网络SDN应用设计

1.1　网络窄带宽环境问题

1.2　网络弱连接环境问题

1.3　网络高动态环境问题

2　专用无线通信网络SDN架构设计

3　SDN控制器设计

3.1　网络资源管控

3.2　网络资源管理

3.3　主备维护管理

3.4　南向接口

4　路由交换设备设计

4.1　SDN控制器南向接口

4.2　组网路由

4.3　网络资源管理

4.4　数据同步服务

4.5　域间组网

4.6　交换平台管理

5　混合组网架构控制开销分析

6　仿真验证

7　结　语

0引　言

某行业专用无线通信网络具有窄带宽、弱连接、高动态及抗毁性要求高的特点，当前，专用无线通信网络采用传统分布式网络控制架构组网。在网络层，以基于传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）实现的专用路由交换设备为核心组网设备，采用分布式路由协议进行路由组网及业务选路；在链路层，通过微波、卫星和电台等多种无线信道综合组网，具有传输速率受限、链路状态不稳定和传输时延大等特点。当前，这类通信网络存在精细网络拥塞控制能力差、业务服务质量无法保障和网络可扩展性差等问题。

未来网络将朝着软件定义网络（Software Defined Networks，SDN）的方向发展。SDN技术是美国Clean Slate研究组提出的一种基于OpenFlow的创新网络体系架构，其核心是控制与转发分离、集中控制。控制器作为控制面统一管理网络，转发面设备只专注于数据的转发。这种网络架构由于控制器汇总了网络资源信息，可以实现更加灵活的资源按需调度，网络拓扑变化时，可以基于全局视图实现网络的快速重组；转发面基于流表灵活匹配转发策略，匹配策略更加多样化，从而使数据的转发效率更高，转发更加灵活。

基于SDN技术的集中控制架构拥有较多的好处，但专用无线通信网络存在窄带宽、弱连接、高动态、无专用控制信道以及抗毁性要求高等特点，如何在专用无线通信网络中充分利用SDN技术是本文重点考虑的问题。本文针对专用无线通信网络特点，提出一种SDN技术在专用无线通信网络应用的解决方案，即SDN集中控制与分布式路由控制共存的混合组网架构，可以实现路由转发与基于段路由（Segment Routing，SR）的受控转发共存的转发模式，该模式兼顾网络灵活性与通信可靠性，支持网络融合式发展。

１专用无线通信网络SDN应用设计

基于集中控制与可编程分布式转发功能的 SDN架构可以提升网络的资源管控能力，强化网络的自动化与智能化，实现精细化业务转发控制，达到提升业务传输服务质量的目的。但是，在专用无线通信网络中，SDN架构得以应用仍面临重要挑战。

1.1　网络窄带宽环境问题

基于集中控制的SDN框架下，控制面完成所有组网控制功能，转发面根据控制面的控制完成数据的转发，控制面与转发面之间的南向接口协议需要覆盖邻居发现、资源描述上报、组网控制和路由协议交互等多方面功能，其协议开销需要占用大量的数据传输带宽。专用无线通信网络无专用控制信道，用于承载控制信息和业务信息的无线网络在使用电台组网时，传输速率较低，无法承载如此大量的协议交互数据。为此，从3个方面减少南向接口协议开销。

（1）混合组网架构。专用无线通信网络受传输信道带宽的限制，无法支持广义概念中全开放的SDN架构，本文根据专用无线通信网络实际的基础设施条件与应用需求设计混合组网架构。具体来说，通过让转发面的路由交换设备支持自主路由和受控转发，并基于自主路由组网构建通信基础网络，使得控制信息和业务信息均可通过基础网络进行传输。SDN控制器完成网络资源的动态感知、业务传输路径控制和按需建链控制。通过采用混合组网架构，一方面可以大大节省集中控制下南向接口协议的开销；另一方面零散的短报文等业务能够直接通过自主路由进行转发，而不需要上升到控制器进行处理，控制器侧维护较粗放的控制策略，能够减少控制开销。

（2）南向接口协议。标准SDN南向接口一般采用OpenFlow、SNMP、NetConf等协议 。这些通信协议均采用TCP协议承载，基于语义的方式定义协议字段，未充分考虑窄带宽、高误码率、高时延和高丢包率等无线环境。为此，本文对南向接口协议进行轻量化设计。

①承载轻量化。采用UDP承载控制消息。UDP不受拥塞避免、慢启动机制的约束，可在应用层控制消息的发送速率，减轻其他流量对控制信道的挤占。但UDP不提供端到端的可靠传输保障，因此，在承载南向接口协议时，增加如下适应于无线网络的传输保障机制。

（a）应答机制。控制器与路由交换设备之间交互采取一发一收的方式，消息接收者应向发送者反馈一条应答消息。

（b）重传机制。消息发送方在超时时间T1内未收到应答，则认为消息发送失败，应在重传时间T2后再次发送该消息。超时时间T1、重传时间T2采用指数退避机制，重传次数根据消息类别的重要程度设定，不重要的消息可设置重传次数为0。

（c）校验和。通信双方对接收到的消息进行校验和判断，不正确的数据帧被丢弃或拒绝执行。

（d）分包机制。考虑到通信链路带宽资源受限情况下的传输效率，减少数据组装开销，协议构造的所有信息帧的数据长度不超过网络MTU值，对于长度超出的情况，进行拆分发送。

②协议交互轻量化。在采用了混合组网架构后，南向接口协议只用于承载资源调度控制协议和转发策略控制协议，不识别未处理的数据包，去除了OpenFlow中的Packet-in和Packet-out消息，减少向集中控制器发送的消息，可大量减少协议开销。

（3）资源收集轻量化。为实现SDN控制，SDN控制器需完成收集全网拓扑资源的过程。为了节省带宽、降低系统复杂度，本文采用路由协议携带的方式收集拓扑资源。在路由交换设备的基础网络构建时，选用链路状态路由协议，协议自身携带信道类型、带宽和邻居等信息，每个节点都保存网络拓扑资源，控制器在任意一个节点接入到网络，可直接从本地交换设备获取网络拓扑资源。基于链路状态路由协议进行网络资源收集的好处是每个节点均保存全网拓扑资源，控制器变更不再需要重新同步拓扑资源，资源收集开销占用小，适合窄带宽、高动态网络，具有实时性、高效性和准确性的优点。

1.2　网络弱连接环境问题

软件定义网络中，通信链路分为业务通道和控制通道，在专用无线通信网络中，业务通道和控制通道仅存在逻辑上的区分，与实际的物理通道相同，均为在节点间组网的微波、卫星和电台等无线信道，这些无线通道存在通信不稳定的问题，会导致出现受控节点无法与集中控制节点连接或网络节点之间连接断裂等问题。在通信不稳定的弱连接通信条件下，专用无线通信网络通过混合组网架构下基于SR的受控转发与受控转发模式回落到传统路由转发模式，实现业务的基本通信。

（1）基于SR的受控转发。当专用无线通信网络转发面受控转发时，采用基于 SR的受控转发方式。SR基于源路由的思想，在数据包报头中压入一定顺序的段列表（Segment List，SL），接收到数据包的节点按照SL进行转发。转发面段标识转发路径遵循路由协议形成的最短路径。控制器依据不同策略完成业务转发路径计算后，将Segment信息进行组合，在路径首节点向数据流插入SL。插入SL的数据流在转发面转发时，依据转发面形成的段标识转发路径进行转发。当出现组网链路断裂时，转发面并不需要控制器重新计算和下发转发流表，业务仍可成功转发。组网链路断裂业务转发示意如图1所示。在图 1 所示的组网方式下，当业务从A点向E点转发时，控制器计算的业务转发路径为节点A→节点B→节点C→节点E，当节点B与节点C之间的直连链路断开时，节点B判断到下一跳的节点标签为节点C标签，查询发现到达节点C直连链路已断裂但到达节点C的最短路径下一跳为节点A，因此业务到达节点B后转发到节点A，节点A转发节点C，节点C转发节点E。在此过程中并不需要控制器干预，业务仍可成功转发。

图1　组网链路断裂业务转发

（2）受控转发回落路由转发。专用无线通信网络集中控制节点因为毁坏、链路不稳定等因素导致失联后，转发面路由交换设备转发行为回落到传统路由转发模式上，保障业务还能继续被转发。

1.3　网络高动态环境问题

专用无线通信网络节点具备机动性，节点在高机动场景下网络的抗毁性能、稳健性与适变能力是考察网络质量的关键因素。高机动场景下，常常面临网络分域重组和业务转发连续性的问题。此应用场景下，为实现网络快速分域重组，重点考虑SDN控制器的合理空间部署；为了解决业务转发连续性问题，重点考虑网络架构变化时流表的稳定性问题。

（1）逻辑集中式、物理分布式的控制器部署策略。针对专用无线通信网络充分利用SDN控制与转发分离的优点，SDN控制器实体采用分布式部署技术手段，解决网络集中控制带来的健壮性问题，支持与网络路由交换节点1∶1全分布式部署使用，通过动态选举的方式产生主备控制器。在同一控制域内部，采用主备多活与抗毁接替机制，确保SDN组网控制的高可靠性，单节点 SDN控制器实体故障不影响全域控制服务功能的实现。

（2）段路由流量工程。本文通过SR架构优化网络架构变化时流表的稳定性问题。SR架构中控制器组合转发路径节点的Segment信息，控制路径首节点对数据流插入SL，构建一条穿越整个网络的源路由路径，这种方式即段路由流量工程（Segment Routing Traffic Enginerring，SRTE）。通过SRTE，流表状态信息不必存在于所有路径节点中，而只存在于源节点和数据包报头本身 。当节点发生移动时，路由协议处理网络拓扑变化，路由交换设备的标签转发表依据路由协议计算结果自动进行更新，无须控制器频繁进行响应、计算、更新路径及流表信息。

2专用无线通信网络SDN架构设计

基于SDN的专用无线通信网络采用 SDN与分布式路由双控制面共存的网络架构。无线通信网络通过分布式路由组网实现网络初始连通状态建立、SDN带内控制通道建立、网络拓扑资源收集等功能；在SDN控制失效时，转发面路由交换设备自主切换到路由组网，持续提供最基本的通信保障能力，确保网络连通性和基本业务传输不受影响。SDN控制面强化网络控制和感知能力，使网络能够满足不同业务的特定需求，通过对通信网络的细粒度管理，实现全局资源的统一调控，提升业务传输效能。

SDN控制面采用分域组网策略。域内/域外通信遵循域内随意通和域间按需通的业务通信原则。组网域内依托分布式动态路由和域内SDN控制器完成组网，域内用户间业务对等互通。域间不交互分布式动态路由，借助各域逻辑集中的SDN控制器相互协作，在跨域端到端用户之间按需建立跨域业务路径，支持跨域终端之间的业务传输。

SDN转发面层采用路由转发与基于SR的受控转发共存的转发模式，其中基于 SR受控转发的核心思想是将报文转发路径切割成不同的段，并为每个转发路径分配不同的段标识符（SegmentIdentifier，SID），利用封装在报文中的 SID引导业务转发 。专用无线通信网络SDN架构如图2所示。

图2　专用无线通信网络SDN架构

３SDN控制器设计

控制面的SDN控制器实现网络资源管控、网络资源管理、主备维护管理及南向接口等功能，能够基于网络拓扑、流量状态、链路状态和业务特性等信息，计算业务转发路径，生成各网络节点的转发规则，并将转发规则下发至相应的路由交换设备中，实现网络资源的灵活调配。SDN控制器功能组成如图3所示。

图3　SDN 控制器功能组成

3.1　网络资源管控

网络资源管控模块由资源池、资源调度、任务网构建、路径计算和服务化接口等模块组成。

（1）服务化接口。服务化接口对上为应用层服务提供统一的服务调用接口，对下触发资源调度模块进行调度资源计算、管理等。

（2）资源调度。当服务化接口接收到业务传输需求，进而触发资源调度模块时，资源调度模块根据资源调度类型进行资源预留或触发构建任务网，同时依据业务传输需求，触发路径计算模块进行路径选择。此外，资源调度模块实时动态关注网络拓扑，当网络拓扑发生变化时，资源调度模块立即触发路径计算重新进行路径选择。

（3）任务网构建。任务网构建用于构建多点之间的资源预留网络，根据资源调度模块的需求，触发任务网的构建，并向转发面路由交换设备下发转发路径。

（4）路径计算。路径计算模块依据最短路径优先、躲避拥塞优先、高速链路优先、最快可达优先、最佳路径和经验干预等策略，计算端到端业务的当前最优路径及多点任务网的相对稳定可靠的传输路径。

3.2　网络资源管理

网络资源管理模块通过南向接口获取当前网络的拓扑资源、接入资源及流量资源，对上为应用层提供统一的对外访问接口，为SDN控制器内部其他功能模块提供资源调度查询接口。

3.3　主备维护管理

主备维护管理模块通过主备控制器之间的协议交互实现主备控制器之间的心跳维护、主备控制器切换管理及主备控制器通告等功能。SDN控制器部署时，按照一主多备的模式进行配置，多个备份控制器之间按优先级排序。

3.4　南向接口

南向接口实现与转发面路由交换设备的心跳维护，并获取当前网络中所有在线的SDN控制器信息。此外，南向接口维护SDN控制器产生的流表，并实现流表策略的下发管理。针对SR流表，采取向首节点下发流表的方式。SR流表的下发操作流程具体如图4所示。

图4　SR流表首节点下发流程

４路由交换设备设计

转发面的路由交换设备用于构建基于卫星、微波和电台等多种通信链路的IP网络，一方面能够按照SDN控制器下发的转发策略，实现IP分组的受控转发；另一方面支持传统网络路由组网。

路由交换设备主要由SDN控制器南向接口、组网路由、网络资源管理、数据同步服务、域间组网及交换平台管理等模块组成。路由交换设备功能组成如图5所示。

图5　路由交换设备功能组成

4.1　SDN控制器南向接口

SDN控制器南向接口主要用于SDN控制器与路由交换设备之间的组网控制接口，完成SDN控制器组网控制服务管理、资源感知和组网控制等功能。

（1）资源感知。SDN控制器南向接口支持SDN控制器向路由交换设备发起资源查询，包括设备工作状态、端口流量和网络拓扑等，南向接口对查询信息进行应答或发送消息回执。

（2）策略管理。SDN控制器南向接口支持SDN控制器向路由交换设备发起策略下发，包括流表策略、优先级和带宽预留等，南向接口根据路由交换设备策略执行结果，向SDN控制器回复策略接受或拒绝。

（3）事件上报。当路由交换设备检测到网络事件或本地资源状态发生变化时，通过南向接口主动向SDN控制器上报其变化内容。

（4）服务管理。服务管理功能实现SDN控制器组网控制服务的探寻、注册、注销和通告等功能，支持组网控制服务与路由交换设备之间的定期心跳维护，并动态实时通告服务在线信息。

4.2　组网路由

路由交换设备通过支持链路状态路由协议和SR段路由实现基础网络构建、网络拓扑资源携带、SR标签管理和SR路径计算等功能。

（1）链路状态路由协议。本文选用链路状态路由协议实现基础网络构建，并针对无线网络应用进行如下增强优化：

①在计算路由协议链路开销时，综合考虑链路的带宽、时延和可靠性等特性，调整度量值计算公式；

②对协议内容进行压缩，进一步降低协议开销；

③对协议内容进行加密，增强安全性；

④通过无编号、外部路由聚合等方式减少协议运行开销。

（2）SR段路由。SR段路由实现节点标签扩散、本地链路标签管理、SR路径计算及转发控制等，其中节点标签通过链路状态路由协议的链路状态通告（Link State Advertisment，LSA）扩展进行泛洪扩散，各节点的SR路由记录全网的节点标签，通过路由信息汇报及本地链路标签管理触发SR路径计算，形成SR路由表，并实时更新数据面转发策略。本地链路标签管理根据节点邻居信息完成本地链路标签的产生和删除，并触发SR路径计算。

4.3　网络资源管理

网络资源管理实现拓扑资源、带宽资源等管理功能，支持南向接口的查询等。网络拓扑资源来自路由协议模块，并可动态实时获取当前网络拓扑；带宽资源来自交换平台流量统计模块的汇报。

4.4　数据同步服务

数据同步服务在路由协议邻居发现的基础上，通过可靠泛洪实现相关数据的全网同步，此泛洪方式在基于链路状态路由协议的LSA泛洪机制上，对LSA进行扩展，定义对应的数据/服务LSA格式，支持有条件扩展。

数据同步服务除了支持路由交换设备内部相关数据，包含端口流量信息、SDN控制器组网控制服务在线信息等的同步，对外还提供统一的调用接口，满足系统内有同步需求服务的数据同步。

4.5　域间组网

域间组网完成不同路由域间的互连链路的发现和维护，负责触发接口路由协议的启用和关闭，完成域间连接资源的感知、收集和上报，实现默认自动分域、自主规划分域和按需自主分域调整功能。

4.6　交换平台管理

交换平台管理是路由交换设备管理与控制的核心，对下屏蔽物理交换芯片差异，对上提供统一的软件接口，实现路由管理、流表管理、流量统计和接口管理等功能。

（1）路由管理。路由管理功能实现静态路由、直连路由、链路状态路由等动态路由协议的管理，完成多种路由协议的融合选择和重分布功能，实现路由协议的路由表和系统内核路由表的同步交互。

（2）流表管理。流表管理受控于SDN控制器下发的策略，实现将流表策略配置到交换芯片，业务根据配置的流表策略进行匹配转发。流表管理支持流表策略、转发回落控制、业务优先级控制等功能。转发回落机制主要是在弱连接状态下，转发面与SDN控制器无法连接，转发面路由交换设备需要将原本按流表策略进行转发的业务，回落到按照传统路由进行转发，具体实现过程如图6所示。

图6　流表回落处理流程

（3）流量统计。流量统计实现端口流量资源管理和业务流量资源管理等。端口流量资源管理感知启动接口的流量信息，包括输入/输出指定端口流量信息统计、单位时间定时获取指定端口的输入/输出流量，经计算得到输入/输出接口的流量速率等。业务流量资源管理负责统计指定业务的流量信息，通过业务五元组匹配识别业务。

（4）接口管理。接口管理主要实现2方面功能：一是接收接口类型、接口参数、接口启动协议类型等相关配置参数，对设备接口进行相应的配置；二是主动监测接口状态和流量，并进行上报。

５混合组网架构控制开销分析

本文提出的基于SR的混合组网SDN架构相比基于传统流表的混合组网SDN架构，在控制开销方面存在明显优势。基于SR的混合组网SDN架构采用匹配业务五元组（源地址、源端口、目的地址、目的端口、协议号）的SR流表；基于传统流表的混合SDN架构采用匹配业务五元组的传统流表。假设网络节点数量为X个，每个业务传输的转发跳数为M，计算2种流表的单条流表协议开销如表1所示。

表1　协议开销

表1的计算过程中，2种协议采用相同的消息头，消息头中包含帧头、流表数量、流表编号、策略优先级和生存时间，共计27byte。用于标识业务的业务五元组标识共计31byte。传统流表匹配动作由指令数、指令类型、出端口号、下一跳IP类型和下一跳IP地址组成，共计8byte。SR流表匹配动作由指令数、指令类型、出端口号、下一跳IP类型、下一跳IP地址、标签数和标签号组成，共计9+4×M byte。

按照表1计算的为单条流表开销，当使用传统流表对转发面进行控制时，需要给网络中业务所需要经过的所有节点均下发流表；而使用SR流表则只需对受控网络首节点进行下发控制。

６仿真验证

若节点数为X，每个节点产生的业务数量为N，完成每个业务传输的转发跳数为M，在主控制器节点与接收流表的节点之间的跳数为T的网络环境下，对基于SR的混合组网SDN架构和基于传统流表的混合组网SDN架构的全网控制开销进行仿真计算。

为了直观观察结果，假设有3种场景。场景1，假设节点数为变量，其他值为常量；场景2，假设完成每个业务传输的转发跳数为变量，其他值为常量；场景3，假设主控制器与接收流表的节点之间的跳数为变量，其他值为常量。

场景1：取经验值，N=10，M=5，T=9，基于SR的混合组网SDN架构和基于传统流表的混合组网SDN架构的控制开销对比如图7所示。

图7　节点数为变量的控制开销对比

场景2：取经验值，X=20，N=10，T=9，基于SR的混合组网SDN架构和基于传统流表的混合组网SDN架构在控制开销对比如图8所示。

图8　业务转发跳数为变量的开销对比

场景3：取经验值，X=20，M=5，N=10，基于SR的混合组网SDN架构和基于传统流表的混合组网SDN架构的控制开销对比如图9所示。

图9　主控制器与接收流表节点间跳数为变量的开销对比

从图7、图8和图9可以看出，基于SR的混合组网SDN架构只与节点数、主控制器节点和接收流表节点间跳数成正比，而基于传统流表的混合组网SDN架构的控制开销与节点数、主控制器节点和接收流表节点间跳数、业务转发跳数成正比，且不论在哪种网络环境下，基于SR的混合组网SDN架构的控制开销最多为基于传统流表的混合组网SDN架构的30%左右。

７结　语

本文针对SDN在弱连接、高动态和窄带宽的行业专用无线通信网络中的应用，提出了一种新型解决方案，该方案采用SDN控制与自主路由控制双控制面共存的网络架构，以及路由转发与基于SR的受控转发共存的转发模式，兼顾网络灵活度与通信可靠性，并通过仿真验证了该网络架构的控制开销最多为基于传统流表的混合组网SDN架构的30%左右。后续可在工程实践应用中针对无线信道的特性对路径计算算法进行进一步优化。

引用格式：张大明 , 陈泽婵 , 陈国鑫 . 专用无线通信网络混合组网架构研究 [J]. 通信技术 ,2024,57(8):837-844.

作者简介 >>>

张大明，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为网络交换、软件定义网络等；

陈泽婵，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为网络交换；

陈国鑫，男，学士，主要研究方向为通信工程施工。

选自《通信技术》2024年第8期（为便于排版，已省去原文参考文献）