星上交换所的难题与挑战

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：但是，当人们把SDN+GLPMS的普遍原理运用于空间信息网络光／射频／分组混合交换的特殊场景时，还面临着若干的难题和挑战，可以概括为“深度融合”。混合交换汇聚、分发的依据有待完善。混合交换的可重构机制有待建立。在光／射频／分组体制差异巨大的混合交换中，光／射频／分组对查询转发流表时间要求上不尽相同，如何设计一种能满足多种体制要求下的高效查表算法，是一项难度较大的挑战。混合交换虚实资源的调度方法还属欠缺。

空间信息网络的节点高动态运动、时空行为复杂、业务类型差异大，要求空间网络可重构、能力可伸缩。也就是说，要实现空间信息网络高效交换，必须要考虑空间信息网络的3个最突出特征，即网络结构时变、网络行为复杂、网络资源紧张。其中，网络结构时变是指拓扑结构动态变化、网络节点及业务稀疏分布、业务类型和链路性质呈现异构属性、网络业务传输与控制需要在大时空区域内完成；网络行为复杂则表现为服务对象差异巨大，业务的汇聚、分流与协同呈现出异质属性，基于任务驱动实现功能的可伸缩和网络的可重构；网络资源紧张是由于轨道和频谱等空间资源紧张，空间链路和平台承载等能力受限。

空间信息网络的混合交换，具有典型的时空动态异质业务及异构链路特征，涉及空间激光链路、空间微波射频链路的互联互通，涉及大颗粒度骨干业务与灵活可变分组接入业务之间的汇聚、融合和分发。可以说，其内在禀赋是业务网与传输网的融合，需要从基础研究层面探索链路、业务与数据的融合交换机制。这种融合机制，在地面系统广泛应用的业务网与传输网交换技术中既不存在，亦无需求。

仅靠现有光交换、射频交换或分组交换等任何单一交换方式及其简单组合的形态，都无法适应空间信息网的网络结构时变、网络行为复杂、网络资源紧张等特性。解决办法就是实现“混合交换”，即光／射频／分组混合交换，是在时空动态异质、异构的空间信息网络中，集业务接入、汇聚、融合、分发、控制与管理为一体的信息处理转发过程。

随着网络与交换技术的不断发展，传输网与业务网的融合已涌现出大量的研究成果，尤其是SDN架构下的GMPLS机制，为实现混合交换提供了很好的源发性思路。但是，当人们把SDN+GLPMS的普遍原理运用于空间信息网络光／射频／分组混合交换的特殊场景时，还面临着若干的难题和挑战，可以概括为“深度融合”。

深度融合是一种时空动态异质、异构网络中单节点多层数据汇聚、融合、分发的机制。这个机制要能够适用于异构时空动态骨干传输链路，适用于异质业务灵活接入业务的混合、多粒度业务的汇聚分发、管理与控制的实施。因此，深度融合的涵义可概括为在OSI分层模型的跨层混合交换中，通过提取物理层（主要是光／射频）的特征值，在数据链路层／网络层与分组形成一体化的调度、配置与管理交换。

要实现空间信息网络中多种异质、异构动态变化的空间节点高效组网，则必然需要与之相适应的光／射频／分组混合交换技术作为支撑。将SDN+GMPLS机制应用于我国空间信息网络的混合交换技术，则必然需要“深度融合”的交换机制与方法作为基础。这就对空间信息网络光／射频／分组混合交换的研究提出了几点需求。

1）SDN架构下混合交换的深度融合机制需要建立

具体表现为：

（1）多粒度数据流分发功能划分。空间信息网络是一种大时空尺度下异质、异构动态网络，可以说在网络单节点内完成光／射频／分组混合交换是将常规网络边沿节点与核心节点的功能合二为一，既完成多粒度业务的分类、汇聚功能，又完成多层数据分发功能。

（2）动态分发控制机制缺失。空间信息网络是一种动态网络，体现为网络拓扑结构呈动态变化、网络业务分布呈动态变化。在网络单节点内完成动态异构链路、动态异质业务的汇聚、分发，需要建立以SDN集中控制为框架的混合交换动态控制方法，以适应网络重构、基于任务驱动等实时动态变化。

（3）混合交换汇聚、分发的依据有待完善。常规网络通过GMPLS归一化标签实现了多层异质业务的融合，但是在面临单节点内异质业务的一体化调度、控制、统一转发流表的设置与更新以及与SDN控制器的配合等方面，还有待进一步完善。

（4）混合交换的可重构机制有待建立。空间信息网络面临可重构以及弹性组网的需求，混合交换的可重构能力是其中的一个关键因素。在SDN统一控制与管理机制下，混合交换的可重构机制还待研究。

2）跨层模型的混合交换转发流表原理需要发展

具体表现为：

（1）一体化转发流表的设置尚未建立。交换机数据的交换是依据转发流表／路由表完成的。如何通过各层提取出的归一化标签完成反映物理层（光层）标签、二层标签、三层标签、输入端口、混合交换内部端口、输出端口等信息映射关系还需进一步研究。

（2）一体化转发流表的更新与维护机制还需进一步研究。常规转发流表的更新与维护主要由3层（IP层）路由来触发，即由网络层完成二层转发流表的更新与维护。由于混合交换内部存在多路径现象，依据新探索的调度方法得到的内部路径映射关系如何触发转发流表的更新与维护还需深入探讨。

（3）基于归一化标签高效查询转发流表算法还需开发。在光／射频／分组体制差异巨大的混合交换中，光／射频／分组对查询转发流表时间要求上不尽相同，如何设计一种能满足多种体制要求下的高效查表算法，是一项难度较大的挑战。

3）多粒度业务队列及资源调度方法需要探索

具体表现为：

（1）多粒度混合交换内部路径的调度方法尚待研究。光／射频／分组混合交换在数据平面涉及光交换模块、射频交换模块、分组交换模块，如何通过归一化标签实现统一调度的方法，尚属空白。

（2）依据业务流量分布特性的高效多路径调度方法还需研究。空间信息网络是一种节点稀疏分布、业务流量分布不均衡且动态变化的网络。针对这种高动态业务变化的特点，结合混合交换内部存在多路径选择的问题，必须要探索一种新型调度方法，新方法同时也是降低交换机拥塞概率的重要途径。

（3）大颗粒度数据端口与小粒度数据端口数据的汇聚与分发调度方法还需探索。混合交换过程中，大颗粒度数据端口分发到多个小粒度数据端口，或多个小粒度数据端口汇聚到一个大颗粒度数据端口的调度，是实现多粒度交换不可缺少的功能。

（4）混合交换多播调度方法还需摸索。多播是体现网络优势的一项重要功能。在多层交换结构中，多播调度方法尚属空白。

（5）混合交换虚实资源的调度方法还属欠缺。

2013年以来，国家自然科学基金委实施了“空间信息网络基础理论与关键技术”重大研究计划。围绕空间网络体系结构、动态网络信息传输理论、空间信息表征与时空融合处理等重大基础科学理论开展研究，相继布局了一系列重点项目和培育项目，空间信息网络模型与高效组网机理研究取得了丰硕的成果。目前开始进入空间站、无人机／临近空间平台的集成演示系统设计与试验方法研究阶段。在基础理论走向空间应用的发展阶段，尽快开展深度融合的光／射频／分组混合交换机制与方法研究，推动我国空间信息网络模型与高效组网研究实现突破，既是必须的、也是急迫的。

星上交换所的难题与挑战

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