软件定义网络在民航通信网中的应用前景分析
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作者:周烈瑜
摘 要：软件定义网络作为一种新型的网络设计理念，越来越受到运营商和服务商的青睐。在互联网时代，民航系统的快速发展离不开通信网络的高效支持。文章简单介绍了软件定义网络技术和现有民航通信网络，并尝试探讨民航通信网引入软件定义网络技术的应用前景。
关键词：软件定义网络;民航通信网;段路由;网络架构
随着近几年信息技术的飞速发展，5G、云计算、物联网和边缘计算等技术的成熟，服务模式和商业模式的升级，为企业和用户创造更大价值的同时，也给网络传输带来新的挑战。简化运维、挖掘潜能、快速灵活是新一代网络发展的必然趋势，软件定义网络（Software Defined Network，SDN）应运而生。自2006年斯坦福大学CLean State课题研究组提出以来，SDN不仅在Facebook，Google，Microsoft、华为等互联网企业中先行，而且在传统的金融、广电、基建等行业开始逐步投入使用。民航系统现有光传送网（Optical Transport Network，OTN）的固有缺陷无法适应新技术的发展，而愈发成熟的SDN网络是当下热点，也为现有网络向未来网络的演进提供了发展思路。
1 SDN的概念分析
SDN是一种新型的网络设计理念，其控制层和转发层完全分离，软硬件相互分离，控制层转移到其他设备而不位于网络设备中，提供统一管理和开放接口。放网络基金会（Open Networking Foundation，ONF）定义的SDN结构包括3个层面，即转发层、控制层和业务层[1]。
控制层基于软件实现，集中网络智能逻辑，负责网络的内部交换路径和边界业务路由的生成，并负责处理网络状态变化事件;转发层由网络设备组成，负责执行用户数据的转发，过程中所需表项是由控制层生成的，不具备自主性;业务层则由网络应用服务组成，开发应用，并根据需求修改网络转发行为。层间连接通过开放接口实现资源分配和网络服务的功能。
2 SDN的特点优势
传统网络的控制平面和数据平面是分布在各个设备上的，为了有效管理各个节点的设备，提高运维效率，通常需要部署网管系统作为管理平面。此外，流量控制、路径规划、策略调整都需要通过网元配置实现。在大型网络系统中，这些配置维护措施既繁琐又容易出错，对于维护人员的技能要求较高，如果各节点、各层级的网络设备生产厂家规范不同、操作界面差异较大、设备操作指令繁琐，运维要求将进一步提升[2]。
传统网络的设备控制平面是封闭式的，不同厂家的实现机制不同，造成新功能的部署周期长，且固件更新、软件升级需要逐台操作，工作效率较低。一旦需求变动，路由器、交换机、防火墙和接入设备都需要修改。随着硬件技术愈发成熟，在瞬息万变的新时代网络环境中，灵活性、扩展性、可维护性和高稳定、高性能一样重要。
SDN通过将控制、转发分离，集中控制器管理，摆脱底层网络设备的依赖，屏蔽底层设备差异。这种控制权是开放的，策略和规则是自定义的，更加灵活和智能。在SDN环境中，网络节点设备是自动化连通的，无需反复进行配置，只需定义简单的网络规则即可，亦或是通过编译方式进行修改，以获得更优的数据交换能力。一旦用户需求改变或者设备升级，只需要遵循协议，在控制平面进行简单修改即可实现数据交换连通，无需逐台修改设备配置参数。
在流量控制方面，SDN更是具有明显优势。网络中有多种类型的数据业务而总带宽一定，当某一特定节点或时刻需要更多流量和带宽，连传统网络中往往不好处理。在SDN网络环境中，SDN允许规整流量，临时放宽某些业务的带宽，待需求减少时再恢复[3]。
3 民航通信网
3.1 民航通信网简介
民航行业目前正处于高速发展时期，2018年全国235个机场全年旅客吞吐量为12.64亿人次，较2017年增长10.2%。“十二五”期间机场旅客吞吐量年均增长13.6%，货邮吞吐量年均增长10.7%。为适应民航行业的发展速度，民航系统内的互联网业务发展突飞猛进，包括安全保障、运行生产、航班信息、旅客服务、办公自动化（Office Automation，OA）、电子政务、监督管理等，覆盖全民航企事业单位和管理机构。这对传输网络的大带宽、低时延、高冗余及扩展性提出了新的需求。
2018年起，全国新一代民航通信网正式开始建设，这新一代的全国系统网络由传输网、IP承载网和时分复用（Time-Division Multiplexing，TDM）承载网3部分组成，覆盖全国49个管理局，212个地方机场，31个航空公司，67个空管分局站和403个空管台站。其中，传输网是民底层物理传输网，租用运营商裸光纤和多业务传送平台（Multi-Service Transfer Platform，MSTP）专线构建密集型光波复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）和MSTP传输网中，提供传输通道，实现中继资源的调度及业务的综合传送;业务承载网构建在传输网，实现接入业务的有效承载。IP承载网承载航空安全保障之外的其他类民航通信业务，TDM承载网承载航空安全保障业务。
3.2 民航通信网特征
民航通信网络建设不能落后于民航行业的发展，必须与时俱进，包括以下几个特征：（1）强安全性，安全是民航行业的底线，任何人和事物不能越过这条底线，网络亦是如此，只有安全的网络环境、安全的业务隔离、安全的设备支持才能保障飞行的安全。（2）高可靠性，稳定可靠不仅是运维人员的追求，也是行业平稳运行的基础。（3）高冗余度，任何网络都不能保障自身拥有100%的正常率，而网络自愈能力和设备冗余能力则可以将风险降低。（4）经济高效，民航通信网络需要通过信息化实现高效管理，提高设备利用率，促进行业发展。（5）兼容接入，随着技术发展，接入设备将会越来越多，类型和需求也会更加复杂，需要有较好的扩展性，确保新设备可靠接入，經济便捷。 4 民航通信网SDN应用
引入先进技术，提升现有民航通信网性能，是必然趋势。SDN作为新兴技术，具有一定的特点与优势，与现有民航通信网结合，可以提高网络性能，更好满足各类需求，SDN的引入具有如下优势。
4.1 可靠的保障
由于采用了统一的控制平面管理网络资源，当网络节点或者链路故障时，SDN能够快速修复，并重新分配资源，具有自愈能力。
4.2 灵活的使用
SDN提供开放接口，允许动态编程。工程师可以根据需要在底层物理网络上编程，分别为每个子网实现服务质量（Quality of Service，QoS），充分利用网络资源，并灵活地提供上层服务。
4.3 虚拟网络资源
建立网络资源（带宽、存储、处理）池，物理拓扑抽象化，并形成抽象的逻辑网络，根据需求建立动态虚拟网络，满足各类应用的需求。动态规划资源，根据需求调整设备状态，提高资源利用率，使其高效运行。
4.4 兼容及扩展能力
SDN屏蔽底层设备差异，软件化的业务定制利于新业务的快速部署和调试;控制与转发分离，利于硬件标准化，使得不同硬件支持相同软件，新接设备更便捷，扩展性也更好。
4.5 关键技术SR的引入
段路由（Segment Routing，SR）是基于源路由理念而设计的在网络上转发数据包的一种方法。SR将网络路径分成一个个段，并且为这些段和网络中的转发节点分配段标识ID。通过对段和网络节点进行有序排列，就可以得到一条转发路径。
传统的IP数据包转发技术依赖于能以最短路径到达目的地的IP地址。为了满足业务的低时延要求，出现快速重路由（Fast Reroute，FRR）技术，为了满足专线业务的大带宽需求，出现TE技术，这些都是网络适配业务发展的表现。但是业务种类越来越多，不同类型业务对网络的要求不尽相同。如果仍旧按照网络适配业务的思路，不仅无法满足业务的快速发展，而且会使网络部署越来越复杂，难以维护，解决思路就是SDN。SR正是在此背景下产生的，通过SR可以简易定义一条显式路径，网络中的节点只需要维护SR信息，即可应对业务的实时、快速发展要求。SR通过对现有协议进行扩展，能使现有网络更好地平滑演进;提供集中控制和分布式之间的平衡;采用源路由技术，提供网络和上层应用快速交互的能力;简化多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）控制协议，提供高保护率的FRR保护能力，具有容量扩展能力以及更好地实现SDN。
5 SDN应用前景
SDN具有的优势和特点能够提升现有民航通信网的性能，为其提供有效的支撑，使得民航通信网络更好地促进民航系统的安全、稳定、高效运行。
SDN通过控制和转发分离的机制，统一管理协议和逻辑，对网络底层设备差异性进行屏蔽，使民航通信网更加简单、高效，并对网络资源进行有效管理。一旦发生故障，便能快速、精准定位，并从逻辑层面对故障节点、链路、设备进行隔离，保障全网稳定运行、不受影响。
SDN使民航通信网能够支持控制中心按需分配资源、动态规划流量，提高设备利用率、延长设备使用年限、提高网络可靠性。由于底层设备差异化屏蔽，当新设备接入时，能够直接将其加入当前的统一管理中，使新设备快速融入并发挥性能。
從民航通信网络的发展历程来看，民航通信以安全为第一目标，并不会直接使用较新的技术，然而网络技术的更新换代势在必行，将SDN引入到目前的网络框架，应该是一个逐步改进的过程，而不是快速革新和颠覆。
[参考文献]
[1]张宇，胡紫，卢利锋，等.SDN技术在智能电网中的应用[J].智能电网，2016（12）：1229-1235.
[2]董艳.浅谈我国民航通信网络发展[J].通信设计与应用，2017（9）：81.
[3]王茜，赵慧玲，解云鹏，等.SDN在通信网络中的应用方案探讨[J].电信网技术，2013（3）：23-28.
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