CN114745405A - 一种基于sdn的雷达组网架构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于SDN的雷达组网架构包括数据平面、控制平面和应用平面；所述控制平面和应用平面之间通过北向应用程序接口进行通信连接；所述数据平面包括相连接的SDN设备和网络硬件设备；所述控制平面包括主融合中心以及与主融合中心连接的若干子融合中心；各子融合中心之间通过东向接口和/或西向接口连接，各子融合中心与网络硬件设备之间通过南向应用程序接口进行通信连接；所述SDN设备为各类雷达。本发明将雷达组网传统交换设备的控制平面和数据平面分离，利用软件化技术对底层网络基础设施进行抽象，并通过统一、可编程的应用程序接口对网络资源进行灵活地管理和按需分配，通过先进、智能化的网络管理策略，为雷达组网架构带来灵活性和创新性。

Description

一种基于SDN的雷达组网架构
技术领域
本发明涉及雷达组网技术领域，具体而言，涉及一种基于SDN的雷达组网架构。
背景技术
SDN作为一种新型的网络架构，其可以通过智能的管理和编排***来管理网络基础设施，简单化硬件操作，从而使得底层基础设施的配置具有更大的灵活性、可重构性和可编程性。SDN已经成功应用于地面网络***中并且对网络设计和优化展现出显著的提出作用。在SDN中，控制器的合理部署对保证控制平面和数据平面的通信可靠性、降低部署成本、最大限度降低控制器到交换机的通信时延等，十分关键。
组网雷达通过对各雷达信息的组织、融合，较传统雷达具有更优异的探测能力和抗干扰能力。其将多部雷达组成互联互通的网络，通过将多个数据源的数据进行无缝融合，构成全方位、全天候、立体化、层次化的探测体系，具有多频段、多精度、多重叠系数的探测性能。通过信息共享和数据融合，大大提高了多部雷达的使用效能，实现了1+1>2的综合效能的提升。因此，设计实现一个具有可靠性能优异、扩展性和灵活性良好的雷达体系架构，对雷达组网具有重要意义。
信息融合是一种多层次的、多方面的处理过程，这个过程是对多源数据进行检测、结合、相关、估计和组合以达到精确的状态估计和身份估计，以及完整、及时的态势评估和威胁估计。根据国外研究成果，信息融合比较确切的定义可概括为：利用计算机技术对按时序获得的多源的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。按照这一定义，多雷达***是信息融合的硬件基础，多源信息是信息融合的加工对象，协调优化和综合处理是信息融合的核心。从军事角度讲，信息融合可以理解为对来自多源的信息和数据进行检测、相关、估计和综合等多级多方面的处理，以得到精确的状态和类别判定以及进行快速完整的态势和威胁估计。
目前的组网雷达可以分为集中式和分布式两种：
(1)集中式组网雷达直接对各传感器节点上传的原始信息进行融合处理，而分布式组网雷达则要求各传感器节点上传其对原始信息进行目标状态估计后的估计结果，进而进行融合处理。集中式组网具有很高的融合精度以及较小的融合时延，但是由于其处理对象是数据量很大的原始信息，使得这种组网方式对子融合中心的计算处理能力以及通信传输能力要求很高；
(2)分布式组网的对象是各传感器已经估计完成的目标航迹，这大大降低了子融合中心的计算量和通信量，但同时***的融合精度也被降低了。就当前实际的雷达网***而言，大部分使用的是分布式组网的方式。分布式组网方式使用的商用交换机所采用的的控制层面模式，每个设备除了拥有至少一个数据平面外，还要拥有一个完整的控制平面。而且，在该模型中每一个独立的控制平面必须与其他控制平面合作，以支持一个整体的、可运行的网络。
由于这些专用硬件来自不同的制造商、采用不同的接口和通信协议，给一体化网络的***重构和互操作带来诸多限制，增加了网络管理的复杂度，提高了***更新、升级的成本。
发明内容
本发明旨在提供一种基于SDN的雷达组网架构，以解决上述集中式和分布式组网雷达存在的问题。
本发明提供的一种基于SDN的雷达组网架构，包括数据平面、控制平面和应用平面；所述控制平面和应用平面之间通过北向应用程序接口进行通信连接；所述数据平面包括相连接的SDN设备和网络硬件设备；所述控制平面包括主融合中心以及与主融合中心连接的若干子融合中心；各子融合中心之间通过东向接口和/或西向接口连接，各子融合中心与网络硬件设备之间通过南向应用程序接口进行通信连接；所述SDN设备为各类雷达；
所述应用平面用于实现管理和编排功能；所述控制平面用于解析应用平面实现的管理和编排功能；所述数据平面用于根据控制平面的解析结果实现数据流的转发任务。
在一些实施例中，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
配置功能模块；所述配置功能模块用于实现对数据平面的SDN设备和网络硬件设备以及控制平面的主融合中心和子融合中心的操作；操作包括状态获取、参数设置、驱动更新和软件升级。
在一些实施例中，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
数据流管理功能模块；所述数据流管理功能模块用于通过网络载荷中的IP地址、目的或源端口号、数据包头部或数据流的任何字节模式识别来自不同服务的数据流，并通过控制平面指示数据平面的SDN设备和网络硬件设备转发已识别的数据流。
在一些实施例中，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
拓扑发现功能模块；所述拓扑发现功能模块用于当数据平面有新的SDN设备和/或网络硬件设备加入或者原有的SDN设备和/或网络硬件设备被移除时，指示控制平面的主融合中心以及子融合中心获取并更新整个雷达组网架构的网络拓扑信息。
在一些实施例中，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
负载均衡功能模块；所述负载均衡功能模块用于根据网络负载、链路条件和设备处理能力，在可用的网络链路之间分配可用的网络资源。
在一些实施例中，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
路由决策功能模块；所述路由决策功能模块用于将来自不同服务和应用的数据流路由到不同网络链路上，同时根据整个网络的通信量分布和不同的服务质量需求为数据流选择最佳路径。
在一些实施例中，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
网络资源管理和分配功能模块；所述网络资源管理和分配功能模块用于根据网络当前状态优化传输功率，管理并合理分配频谱和带宽。
进一步的，所述数据平面、控制平面和应用平面之间的数据交互过程如下：
S1，控制平面从数据平面收集网络状态信息；
S2，控制平面将收集到的网络状态信息发送给应用平面，应用平面基于这些网络状态信息进行计算，并返回计算结果给控制平面；
S3，控制平面将应用平面返回的计算结果转换为控制命令，并发送给数据平面；
S4，数据平面执行来自控制平面的控制命令，同时将网络状态信息发送给控制平面。
进一步的，所述网络硬件设备为OpenFlow交换机。
进一步的，所述OpenFlow交换机的逻辑架构中定义了三种表：流表、分组表和参数表。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的基于SDN的雷达组网架构将雷达组网传统交换设备的控制平面和数据平面分离，利用软件化技术对底层网络基础设施进行抽象，并通过统一、可编程的应用程序接口对网络资源进行灵活地管理和按需分配，通过先进、智能化的网络管理策略，为雷达组网架构带来灵活性和创新性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的基于SDN的雷达组网架构的结构图。
图2为本发明实施例的OpenFlow交换机的结构图。
图3为本发明实施例的基于SDN的雷达组网架构实现雷达组网完成航迹处理的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种基于SDN的雷达组网架构，包括数据平面、控制平面和应用平面；所述控制平面和应用平面之间通过北向应用程序接口进行通信连接；所述数据平面包括相连接的SDN设备和网络硬件设备；所述控制平面包括主融合中心以及与主融合中心连接的若干子融合中心；各子融合中心之间通过东向接口和/或西向接口连接，各子融合中心与网络硬件设备之间通过南向应用程序接口进行通信连接；所述SDN设备为各类雷达(各种一二次雷达)；
所述应用平面用于实现管理和编排功能；所述控制平面用于解析应用平面实现的管理和编排功能；所述数据平面用于根据控制平面的解析结果实现数据流的转发任务。
该基于SDN的雷达组网架构不仅可以通过将工作在不同波段、不同模式下的单部雷达进行合理的布局、布站，将每部雷达的测量数据(或处理数据)传输到子融合中心，并进行航迹融合处理，以完成预警、发现目标和目标跟踪等任务，从而实现态势评估和威胁分析、目标分类与火力控制、制导与电子对抗、作战模拟等，还可以通过智能的管理和编排功能来管理网络中的各硬件设备，简单化硬件操作，从而使得底层各硬件设备的配置具有更大的灵活性、可重构性和可编程性。在复杂的作战环境下，一个集合灵活性、多种测量手段、多传感的作战指挥信息融合***至关重要。例如，在该基于SDN的雷达组网架构中，由于在战场上，便携式雷达是分布在各个不同的地方，因此将移动性和切换管理这一应用服务部署在应用平面，以提供一个高效的移动性和切换管理机制，从而保证该网络链接的连续性。
一般来说，所述应用平面实现的管理和编排功能可以包括：
(1)配置功能模块；
所述配置功能模块用于实现对数据平面的SDN设备和网络硬件设备以及控制平面的主融合中心和子融合中心的操作；操作包括状态获取、参数设置、驱动更新和软件升级。考虑到作战现场中网络的异构性，各硬件设备的配置实施应当有利于管理每个网络域中各种各样的设备，如各种雷达、卫星以及传感器等。
(2)数据流管理功能模块；
所述数据流管理功能模块用于通过网络载荷中的IP地址、目的或源端口号、数据包头部或数据流的任何字节模式识别来自不同服务的数据流，并通过控制平面指示数据平面的SDN设备和网络硬件设备转发已识别的数据流。通过数据流管理功能模块能够最大限度地降低功耗、提高网络利用率，提供负载均衡等业务优化技术，从而为雷达组网架构提供高效的流量控制和管理策略。
(3)拓扑发现功能模块；
所述拓扑发现功能模块用于当数据平面有新的SDN设备和/或网络硬件设备加入或者原有的SDN设备和/或网络硬件设备被移除时，指示控制平面的主融合中心以及子融合中心获取并更新整个雷达组网架构的网络拓扑信息。
(4)负载均衡功能模块；
所述负载均衡功能模块用于根据网络负载、链路条件和设备处理能力，在可用的网络链路之间分配可用的网络资源，以缓解网络拥塞并避免资源浪费。
(5)路由决策功能模块；
所述路由决策功能模块用于将来自不同服务和应用的数据流路由到不同网络链路上，同时根据整个网络的通信量分布和不同的服务质量需求为数据流选择最佳路径。路由在任何网络中都是最基本和最重要的功能，其任务是保证数据的端到端传输。在该基于SDN的雷达组网架构中，雷达的高移动性带来了实时变化的网络拓扑，也给路由方案带来了多样性和复杂性。该基于SDN的雷达组网架构通过路由决策功能模块提供的自适应、智能化路由机制，能够实现不同网络域间的互联互通。
(6)网络资源管理和分配功能模块；
所述网络资源管理和分配功能模块用于根据网络当前状态优化传输功率，管理并合理分配频谱和带宽。传统的面向资源的管理方法已经不再适合一体化网络中日益增长的数据量和应用服务需求，而基于SDN的雷达组网架构在雷达组网的无线资源管理中引入更多的动态性，优化网络资源的利用率，能够对一体化网络的配置、规模进行按需，实时调整。
通过上述应用平面实现的管理和编排功能能够利用从控制平面获取的网络状态信息，以决策为目的来构建网络的抽象视图，为整个网络提供诸如安全策略、故障恢复、通信数据分析等许多具有灵活性与可编程能力的应用服务。这些服务涵盖网络管理、分析指令提供等。
在该基于SDN的雷达组网架构中，应用程序接口(Application ProgramInterface，API)通常包括北向(Northbound)应用程序接口和南向(Sourthbound)应用程序接口，用来定义应用平面、控制平面和数据平面这三个逻辑平面之间的通信。北向应用程序接口用于应用平面和控制平面之间的通信，而南向应用程序接口则是控制平面的子融合中心和数据平面的网络硬件设备之间的连接。另外，各子融合中心之间则通过东向(Eastbound)接口和/或西向(Westbound)接口进行通信。
通过北向应用程序接口和南向应用程序接口，所述数据平面、控制平面和应用平面之间的数据交互过程如下：
S1，控制平面从数据平面收集网络状态信息；
S2，控制平面将收集到的网络状态信息发送给应用平面，应用平面基于这些网络状态信息进行计算，并返回计算结果给控制平面；
S3，控制平面将应用平面返回的计算结果转换为控制命令，并发送给数据平面；
S4，数据平面执行来自控制平面的控制命令，同时将网络状态信息发送给控制平面。
其中：
(1)北向应用程序接口主要用于实现步骤S2，为控制平面和应用平面之间提供一个开放的可编程通信接口，应用平面的可通过该北向应用程序接口，根据全局网络资源状态对整个雷达组网架构中的网络资源进行统一调度。
(2)南向应用程序接口主要用于实现步骤S1和S3，为控制平面获取网络状态信息并向数据平面发送控制指令创建传输通道。本实施例中采用OpenFlow协议作为南向应用程序接口的标准，由此网络硬件设备采用OpenFlow交换机，从而实现控制平面和数据平面中的OpenFlow交换机之间的信息交换。
(3)东向接口和西向接口主要用于子融合中心向主融合中心输出结果。本实施例中，主融合中心有两种不同的工作方式：
一种方式是只接受子融合中心的输出数据，然后处理这些子融合中心的输出数据，得到一个统一输出结果；
另一种方式是主融合中心自己也是一个子融合中心，有自己的输出结果，同时接受各个子融合中心的输出数据，再将这些数据和自己的输出结果进行融合处理，得到一个统一输出结果。
对于控制平面。子融合中心对其所在网络域的数据流进行集中管理和控制。对于其他网络域的雷达组网，通过跨域的通信接入点，这些子融合中心可以搜集本网络域的网络硬件设备信息、控制网络硬件设备正常工作，也能够接收和解析来自主融合中心的操作命令，并将这些控制指令发送给数据平面的SDN设备，以实现一体化的网络整体管理优化。在控制平面提出了一种多子融合中心的概念，可以将各个子融合中心分布在不同的地域，只传送最后得到的航迹结果给主融合中心。这样做一方面减少了网络传输量，另一方面减轻了主融合中心的计算压力，且相对于单个子融合中心明显的扩大了***覆盖的范围。这样作为指挥中心的主融合中心就可以获得更全面的数据。另外，各子融合中心之间存在一定的重合区域，这些区域的数据在主融合中心可以再次进行融合处理，从而可以进一步提高数据的可靠性。
进一步，该基于SDN的雷达组网架构下，为了实现将雷达组网传统交换设备的控制平面和数据平面分离，即完全实施软件化定义概念，所有的雷达、网络硬件设备必须有一个统一的逻辑结构，由不同的设备制造商以不同的方式部署在不同的物理硬件中。这样，整个数据平面中的异构设备对于子融合中心而言就变成了一个逻辑功能统一的交换机，从而方便子融合中心的管理和控制，在本实施例基于SDN的雷达组网架构中，这样的逻辑结构主要通过OpenFlow来实现。OpenFlow既是子融合中心和网络硬件设备(OpenFlow交换机)之间的通信协议，又是OpenFlow交换机的一个逻辑结构规范。OpenFlow交换机的基本逻辑结构如图2所示，子融合中心通过基于安全套接层(Secure Sockets Layer，SSL)协议的OpenFlow接口与OpenFlow交换机通信，每个OpenFlow交换机可将数据流转发给与其相连的OpenFlow交换机，或直接与终端设备进行数据传输。在每个OpenFlow交换机内部，通常利用一系列固化在硬件中的表对通过OpenFlow交换机的数据流或数据包进行管理。一般而言，OpenFlow交换机的逻辑架构中定义了三种表：流表(Flow Table)、分组表(Group Table)和参数表(Meter Table)。
(1)流表(Flow Table)
流表(Flow Table)将输入的数据包与特定的数据流进行匹配，并指定一些需要在这些数据包上执行的操作。一个OpenFlow交换机可以有多个流表，这些流表以流水线的方式运行。一个流表可以将一个流定向到一个分组表，分组表能够触发影响一个或多个流的各种操作。流表中的每项记录主要有以下几个字段：
匹配字段(Match Fields)：用来进行数据包与流匹配的关键字，如IP地址、端口号等；
优先级(Priority)：与该流表有关的优先级；
指令(Instructions)：当有数据包匹配时执行的指令，决定流如何转发；
计数器(Counters)：统计数据包匹配的流量；
超时(Timeouts)：数据流被OpenFlow交换机处理前的最大空闲时间。
(2)分组表(Group Table)
分组表(Group Table)给OpenFlow交换机提供高级的数据包转发、处理特性，主要包括设置数据包的多播或者广播、是否使用调度算法、是否进行数据包克隆等。分组表中的每项记录主要有以下几个字段组成：
分组标识(Group ID)：一个四字节的无符号整数，唯一标识该分组；
分组类型(Group Type)：主要有“all”、“select”、“indirect”和“fast failover”四种类型，用来指明处理数据包转发过程中的不同功能；
计数器(Counters)：用来统计被该分组处理过的匹配数据包；
动作桶(Action Buckets)：一组有序的动作以及对应的参数。
(3)参数表(Meter Table)
参数表(Meter Table)能够触发在一个数据流上与性能有关的各种操作，基于此参数表，OpenFlow交换机可以实现包括数据速率限制等一些简单的网络性能参数设置，如果结合每个端口的队列，还可以实现一些复杂的服务质量框架。参数表中每项记录的主要字段有：
参数标识(Meter ID)：一个四字节的无符号整数，用来标识该参数实体；
参数集(Meter Bands)：用于表示带宽速率以及数据包的处理行为；
计数器(Counters)：用于统计被该参数实体处理过的数据包的数量。
对于雷达组网来说，主要用于进行航迹处理。航迹处理主要包括融合预处理、航迹关联与融合、融合后航迹处理。融合预处理包括两项工作：一是对各雷达探测点迹进行关联与滤波，产生局部的多目标跟踪航迹；二是对各雷达上传的航迹进行空间对准，将属于不同坐标系的航迹统一到子融合中心雷达站坐标系下。在得到已对准的航迹后，需要从中找出来自不同雷达但是属于同一目标的航迹对，也就是进行航迹关联。如果发现了能够关联成功的航迹对，即对其进行航迹融合处理，否则继续等待下一批航迹的关联结果。经过航迹关联与融合处理形成的融合航迹，只是来源于雷达网中的某两部雷达，想要得到整个雷达网的融合结果还需要进行后续处理。将上述基于SDN的雷达组网架构来实现用于航迹处理的雷达组网的结构如图3所示。该结构中的每部雷达都有自己的处理器，每部雷达的检测结果在送到子融合中心之前首先由自己的处理器完成预处理产生局部目标航迹，每个雷达产生的局部目标航迹经过对应的***后给出的航迹称为原始航迹，子融合中心将各个***给出的原始航迹经过时空对准、相关判定、数据融合后形成融合航迹。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，包括数据平面、控制平面和应用平面；所述控制平面和应用平面之间通过北向应用程序接口进行通信连接；所述数据平面包括相连接的SDN设备和网络硬件设备；所述控制平面包括主融合中心以及与主融合中心连接的若干子融合中心；各子融合中心之间通过东向接口和/或西向接口连接，各子融合中心与网络硬件设备之间通过南向应用程序接口进行通信连接；所述SDN设备为各类雷达；
所述应用平面用于实现管理和编排功能；所述控制平面用于解析应用平面实现的管理和编排功能；所述数据平面用于根据控制平面的解析结果实现数据流的转发任务。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
配置功能模块；所述配置功能模块用于实现对数据平面的SDN设备和网络硬件设备以及控制平面的主融合中心和子融合中心的操作；操作包括状态获取、参数设置、驱动更新和软件升级。
3.根据权利要求1所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
数据流管理功能模块；所述数据流管理功能模块用于通过网络载荷中的IP地址、目的或源端口号、数据包头部或数据流的任何字节模式识别来自不同服务的数据流，并通过控制平面指示数据平面的SDN设备和网络硬件设备转发已识别的数据流。
4.根据权利要求1所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
拓扑发现功能模块；所述拓扑发现功能模块用于当数据平面有新的SDN设备和/或网络硬件设备加入或者原有的SDN设备和/或网络硬件设备被移除时，指示控制平面的主融合中心以及子融合中心获取并更新整个雷达组网架构的网络拓扑信息。
5.根据权利要求1所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
负载均衡功能模块；所述负载均衡功能模块用于根据网络负载、链路条件和设备处理能力，在可用的网络链路之间分配可用的网络资源。
6.根据权利要求1所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
路由决策功能模块；所述路由决策功能模块用于将来自不同服务和应用的数据流路由到不同网络链路上，同时根据整个网络的通信量分布和不同的服务质量需求为数据流选择最佳路径。
7.根据权利要求1所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述应用平面实现的管理和编排功能包括：
网络资源管理和分配功能模块；所述网络资源管理和分配功能模块用于根据网络当前状态优化传输功率，管理并合理分配频谱和带宽。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述数据平面、控制平面和应用平面之间的数据交互过程如下：
S1，控制平面从数据平面收集网络状态信息；
S2，控制平面将收集到的网络状态信息发送给应用平面，应用平面基于这些网络状态信息进行计算，并返回计算结果给控制平面；
S3，控制平面将应用平面返回的计算结果转换为控制命令，并发送给数据平面；
S4，数据平面执行来自控制平面的控制命令，同时将网络状态信息发送给控制平面。
9.根据权利要求1所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述网络硬件设备为OpenFlow交换机。
10.根据权利要求9所述的基于SDN的雷达组网架构，其特征在于，所述OpenFlow交换机的逻辑架构中定义了三种表：流表、分组表和参数表。
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