軟件定義光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用

采用軟件驅(qū)動(dòng)的光路傳輸調(diào)節(jié)、軟件編程的光路靈活交換、軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，軟件定義光網(wǎng)絡(luò)可以滿足對網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)傳輸能力的靈活配置以及對業(yè)務(wù)帶寬按需調(diào)度的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制、網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化提供、面向數(shù)據(jù)中心的高效互聯(lián)等應(yīng)用，是支撐下一代光網(wǎng)絡(luò)向高度智能化方向發(fā)展的重要方案。

光網(wǎng)絡(luò)；軟件定義；傳輸；交換；聯(lián)網(wǎng)

With software-adjusted lightpath transmission， software-programmed lightpath switching， and software-scaled lightpath networking， a software-defined optical network can flexibly change transmission for optical network elements and on-demand allocation of service bandwidth. This is especially important for unified control over heterogeneous networks， virtualized resource provisioning， and datacenter networking. Software-defined optical networking is becoming an important way of heightening the intelligence of optical networks.

optical networks； software defined； transmission； switching； networking

光纖通信在過去的幾十年間飛速的發(fā)展，各種節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)和組網(wǎng)技術(shù)層出不窮，單信道速率達(dá)到太比特每秒，通信規(guī)模與容量獲得了空前提升。作為中國最為重要的電信基礎(chǔ)設(shè)施之一，光網(wǎng)絡(luò)在支撐社會信息化、寬帶化建設(shè)方面起著舉足輕重的作用。近年來，由于人-機(jī)-物信息交互量與日俱增，光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和靈活性進(jìn)一步增強(qiáng)，傳統(tǒng)自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)/通用多協(xié)議標(biāo)簽交換（ASON/GMPLS）架構(gòu)已不能滿足這一要求，迫切需要探索新的智能光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展途徑。

隨著光通信技術(shù)的革命性進(jìn)展以及光網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)功能的不斷變化，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不再局限于簡單的“剛性帶寬管道”思維，而是出現(xiàn)了波長柔性化、業(yè)務(wù)增值化的趨勢與特征。本文借鑒網(wǎng)絡(luò)中流量工程的概念，提出了頻譜工程和業(yè)務(wù)工程兩類需求挑戰(zhàn)。

（1）頻譜工程

流量工程是網(wǎng)絡(luò)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，可以解決將分組數(shù)據(jù)流高效率地映射到物理拓?fù)渖系娜蝿?wù)，并且能夠改善業(yè)務(wù)質(zhì)量，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效果和性能。流量工程主要描述的是針對時(shí)間域分組處理的策略和方法，不涉及與頻譜相關(guān)的內(nèi)容。傳統(tǒng)波分復(fù)用技術(shù)受到固定頻譜間隔、固定調(diào)制格式等限制，存在頻譜利用不靈活和效率低下的缺點(diǎn)，難以滿足未來大帶寬、高突發(fā)的分組數(shù)據(jù)傳送要求。靈活柵格技術(shù)的出現(xiàn)，使得光網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源走出了固定分配模式，向按需帶寬的彈性切片化方向發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)對頻譜資源的利用能夠像在時(shí)間域上的處理那樣靈活，成為亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文將這類需求統(tǒng)稱為頻譜工程問題。

（2）業(yè)務(wù)工程

以ASON/GMPLS為代表的智能光網(wǎng)絡(luò)解決方案，其核心是交換自動(dòng)化，側(cè)重于針對連接建拆處理過程的控制，包括路由、信令、發(fā)現(xiàn)和鏈路資源管理等功能[1]。然而，連接并不等同于業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的完成還包含豐富的業(yè)務(wù)提供邏輯。云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的出現(xiàn)，提出了虛擬化、可編程等新的挑戰(zhàn)，推動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)由控制平面智能向業(yè)務(wù)處理智能方向發(fā)展。傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)存在“重控制、輕業(yè)務(wù)”的問題，難以滿足這一趨勢要求，如何圍繞以業(yè)務(wù)智能化為核心構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制功能，迫切需要在機(jī)理上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與突破。本文將這類需求統(tǒng)稱為業(yè)務(wù)工程問題。

為了應(yīng)對上述兩項(xiàng)需求，擴(kuò)展現(xiàn)有ASON/GMPLS是一種可能的做法。由于需要引入業(yè)務(wù)感知、損傷分析、層域協(xié)同、資源虛擬等新的策略與規(guī)則，ASON/GMPLS控制“胖平面”化的趨勢更加明顯，由此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)控制功能越來越復(fù)雜。如果能夠把將部分智能性進(jìn)一步從控制平面中剝離出來，這樣將有利于提高光網(wǎng)絡(luò)的整體資源利用效率，并增強(qiáng)更為靈活的業(yè)務(wù)提供能力。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的出現(xiàn)為解決以上難題提供了一種行之有效的實(shí)現(xiàn)方案。美國斯坦福大學(xué)于2007年率先提出并開發(fā)了SDN/OpenFlow交換結(jié)構(gòu)模型，可通過開放的流表支持用戶對網(wǎng)絡(luò)功能行為進(jìn)行控制，為支持互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究建立了實(shí)驗(yàn)途徑[2]。在InfoWorld于2011年11月公布的將影響未來10年的10項(xiàng)新技術(shù)中，SDN排名第二。SDN技術(shù)具有可編程能力的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一、靈活、集成的控制需求。軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運(yùn)營功能的緊耦合、以連接過程為核心的閉合控制到以組網(wǎng)過程為核心的開放控制的模式轉(zhuǎn)變，代表了未來光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新的發(fā)展方向。

1 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

如上所述，SDN技術(shù)是對光網(wǎng)絡(luò)智能化的延伸與增強(qiáng)，代表光網(wǎng)絡(luò)的控制平面由單純的交換智能向同時(shí)考慮傳輸智能、業(yè)務(wù)智能的綜合方向發(fā)展。為了適應(yīng)這一角色的變革，未來軟件定義光網(wǎng)絡(luò)需要攻克軟件驅(qū)動(dòng)的光路傳輸調(diào)節(jié)、軟件編程的光路靈活交換、軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)等3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 軟件驅(qū)動(dòng)的光路傳輸調(diào)節(jié)技術(shù)

在傳統(tǒng)ASON/GMPLS方案中，主要關(guān)注的是光路連接屬性，即如何控制節(jié)點(diǎn)開關(guān)單元的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)由源節(jié)點(diǎn)到宿節(jié)點(diǎn)之間端到端光路的智能建拆過程。其假設(shè)前提為“光通道的信號質(zhì)量都是有保障的，所有鏈路和信道都具有標(biāo)準(zhǔn)的傳輸特性”。該方案只是滿足了光路連接性的動(dòng)態(tài)需求，對物理屬性的動(dòng)態(tài)調(diào)整與控制沒有給出具體的解決方式。換句話說，ASON/GMPLS控制平面只是控制了光層開關(guān)的動(dòng)作，而不包括其他可性能調(diào)節(jié)的光傳送系統(tǒng)設(shè)備。然而實(shí)際光網(wǎng)絡(luò)中物理損傷決定了信號傳輸質(zhì)量，在選路和資源分配過程中都不能忽略，損傷感知（IA）技術(shù)成為重要研究內(nèi)容之一。

IA技術(shù)提出以后，人們開始更多關(guān)注光路自身的物理屬性。在基于IA的選路和資源分配算法中，即使可以找到一條符合連接需要的光路系統(tǒng)，如果其物理損傷的積累已不能滿足信號傳輸性能要求，同樣該路由不能被網(wǎng)絡(luò)所接受使用。可見，IA技術(shù)不僅需要解決當(dāng)前光路選擇的可能性問題（指在拓?fù)渖夏軌蛘业胶线m的路徑并分配可用資源），還要滿足可行性的要求（指光路的物理損傷不影響到信號傳輸質(zhì)量）。

隨著軟件定義光學(xué)的發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)中的模塊與器件性能具備了可調(diào)諧能力[3]。光收發(fā)機(jī)的波長、輸入輸出功率、調(diào)制格式、信號速率、前向糾錯(cuò)碼（FEC）類型選擇等，以及光放大器的增益調(diào)整范圍等參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)。光路已經(jīng)發(fā)展成為物理性能可感知、可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。例如，我們可以根據(jù)需要改變光路的調(diào)制格式和編碼列類型，以延長光信號的傳輸距離，或者減少占用的頻譜資源。

1.2 軟件編程的光路靈活交換技術(shù)

從業(yè)務(wù)需求上看，光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備動(dòng)態(tài)靈活地提供不同傳輸速率、不同帶寬粒度的信號交換能力。波分復(fù)用系統(tǒng)中單波長40G、100G等傳輸接口已經(jīng)不能滿足當(dāng)前路由器豐富的應(yīng)用需要，支持子波長級別和超波長級別的交換能力成為實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)接入靈活性的迫切要求。傳統(tǒng)基于固定波長間隔的可重構(gòu)光分插復(fù)用（ROADM）技術(shù)只能提供波長通道的調(diào)度處理，難以滿足各類業(yè)務(wù)不同的通信速率和帶寬需求。

波長間隔無關(guān)的可編程ROADM技術(shù)在全光交換過程中的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)波長通道50 GHz、100 GHz的間隔劃分，可支持全光匯聚與疏導(dǎo)，為實(shí)現(xiàn)高譜效率、速率靈活的光路配置和帶寬管理提供了全新思路。發(fā)展軟件編程的光路交換技術(shù)，滿足靈活柵格分配的要求，提出大容量、多維度、多方向的全光分插復(fù)用節(jié)點(diǎn)方案，設(shè)計(jì)具備方向無關(guān)、波長無關(guān)、競爭無關(guān)和柵格無關(guān)等特征的高度可重構(gòu)節(jié)點(diǎn)交換結(jié)構(gòu)，并通過采用高性能的可編程光路選擇濾波集成組件等技術(shù)，支持網(wǎng)狀網(wǎng)中不同間隔和碼型信號的靈活交換處理。

1.3 軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

由于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用迅猛增長，不同帶寬粒度和性能要求的業(yè)務(wù)類型加載到光網(wǎng)絡(luò)上，通過虛擬化實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)到網(wǎng)絡(luò)層面的高效映射、承載與調(diào)度變得十分重要。業(yè)務(wù)的多樣性和時(shí)變性要求傳送網(wǎng)具有更加靈活的帶寬接入能力，這就意味著未來傳送網(wǎng)需要提供多種粒度的業(yè)務(wù)接口，并能夠?yàn)楦叨葎?dòng)態(tài)化的業(yè)務(wù)需求分配相應(yīng)資源。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的分層、分域在很大程度上解決了大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，但是多層多域光網(wǎng)絡(luò)本身仍舊面臨著一定的體系擴(kuò)展性問題，即在時(shí)間或者空間上擴(kuò)展后，如何保證端到端的業(yè)務(wù)性能，具體包括路由可達(dá)性、路徑計(jì)算收斂時(shí)間、建路時(shí)間、生存性和資源利用率等方面的性能[4]。當(dāng)前的多層多域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不能很好地解決網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展所帶來的問題，亟須在新的體系架構(gòu)上取得突破。

從基于網(wǎng)管的統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)到基于分布式節(jié)點(diǎn)的智能控制平面，再到基于PCE的集中式路徑計(jì)算服務(wù)，光網(wǎng)絡(luò)的智能化經(jīng)歷了從集中到分布再到集中與分布結(jié)合的發(fā)展過程，面向軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為未來演進(jìn)的重要方向。為了突破大規(guī)模組網(wǎng)過程中所面臨的“組網(wǎng)控制復(fù)雜與資源利用低效”問題，光網(wǎng)絡(luò)控制體系勢必需要完成“封閉”到“開放”的根本性改變，形成以“開放式靈活控制”為核心特征的軟件定義光網(wǎng)絡(luò)，其主要功能在于依托網(wǎng)絡(luò)單元的軟件可編程特性，即根據(jù)用戶和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)需求，利用可編程控制的器件、算法、策略、協(xié)議，定制內(nèi)核可高度重構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)支撐系統(tǒng)，提供開放式的管理與業(yè)務(wù)適配接口，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的歸一化調(diào)度與業(yè)務(wù)應(yīng)用的高質(zhì)量保證。

2 SDN標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

目前，SDN的標(biāo)準(zhǔn)化工作還處于起步階段，部分協(xié)議相對成熟，總體標(biāo)準(zhǔn)的研究還剛剛開始。從事SDN相關(guān)技術(shù)和協(xié)議研究的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要是IETF/IRTF、ONF和ITU-T。

IETF早期有兩個(gè)與SDN相關(guān)的工作組，分別是ForCES和ALTO工作組。2011年11月的第82屆臺北會議上單獨(dú)設(shè)立了SDN BoF工作組，討論相關(guān)研究成果和發(fā)展方向。提出了若干標(biāo)準(zhǔn)草案[5-9]，主要針對軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成控制機(jī)制等，包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制與不同粒度應(yīng)用以及異構(gòu)傳送平面的接口定義、軟件定義組網(wǎng)與相關(guān)應(yīng)用等。2012年IRTF中首次開設(shè)SDNP工作組，從不同角度進(jìn)一步推進(jìn)SDN標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程[10]。

研究軟件定義網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織是開放網(wǎng)絡(luò)基金會（ONF）。ONF主導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信協(xié)議OpenFlow。OpenFlow是業(yè)界公認(rèn)的主要SDN協(xié)議，目前已經(jīng)發(fā)布了1.3版本。2012年11月，ONF研討會上[11]從節(jié)點(diǎn)單元、光層交換、控制組網(wǎng)等不同角度對軟件定義網(wǎng)絡(luò)展開討論。在物理層面上，提出了可靈活實(shí)現(xiàn)調(diào)制格式控制、速率調(diào)整以及OSNR等物理損傷補(bǔ)償?shù)能浖x架構(gòu)；在光器件層面上，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)整光路帶寬和調(diào)制格式、FEC類型以及輸出告警的軟件定義光收發(fā)機(jī)，完成了可編程波長范圍、輸出功率和告警類型的可變增益放大器，討論了可軟件定義端口數(shù)量配置、波長范圍和插入損耗的波長選擇開關(guān)和光交叉連接器；在控制組網(wǎng)層面上，包括可編程控制網(wǎng)元配置與自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)元狀態(tài)檢測、虛拓?fù)湓O(shè)計(jì)與重構(gòu)，以及建拆光路與網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)等重要的管控功能。由此看出，SDN技術(shù)對光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來越受到重視。在SDN主要協(xié)議OpenFlow架構(gòu)中，為了滿足光網(wǎng)絡(luò)控制的需要，也在最新版本協(xié)議匹配域中加入了與光傳輸相關(guān)的參數(shù)。

ITU-T在SG13組設(shè)立了SDN的研究任務(wù)，相關(guān)工作在WP5組Q21研究。目前成立了兩個(gè)項(xiàng)目Y.FNsdn-fm和Y.FNsdn，分別面向SDN的需求和框架。

3 SDN在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

軟件定義光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是滿足下一代光網(wǎng)絡(luò)高度智能化要求的重要解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制

隨著融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，不同類型的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源交織疊加在一起，形成了異構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境，加劇了全網(wǎng)業(yè)務(wù)控制與資源管理的實(shí)現(xiàn)難度。軟件定義光網(wǎng)絡(luò)方案能夠有效地解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通問題。通過對OpenFlow等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，開發(fā)面向?qū)ο蟮慕换タ刂平涌冢梢詫?shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息抽象化和跨層網(wǎng)絡(luò)控制集成化，從而在接入網(wǎng)與核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)和無線網(wǎng)之間建立起具備統(tǒng)一控制能力的新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。

3.2 網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化提供

網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化提供技術(shù)可以更好地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施資源的優(yōu)勢，通過開放的統(tǒng)一資源管理平臺，使得對網(wǎng)絡(luò)資源的利用達(dá)到最優(yōu)化?；谔摂M化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)各自的應(yīng)用需求，在保證服務(wù)質(zhì)量前提下快速有效地接入與控制網(wǎng)絡(luò)資源。借助SDN技術(shù)思想，各個(gè)設(shè)備廠商通過開發(fā)支持OpenFlow協(xié)議的通用化接口，為上層網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一開放的控制操作功能，網(wǎng)絡(luò)控制器將不同類型設(shè)備通過抽象算法和策略進(jìn)行虛擬化處理，支持全網(wǎng)資源信息統(tǒng)籌和策略調(diào)度。當(dāng)用戶請求到來后，通過虛擬化的資源調(diào)度實(shí)現(xiàn)按需分配和實(shí)時(shí)管理。

3.3 面向數(shù)據(jù)中心的高效互聯(lián)

云服務(wù)是未來互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的主流模式，而云服務(wù)數(shù)據(jù)中心通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)量眾多的服務(wù)器和存儲設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)它們之間的高效協(xié)同工作，從而提供海量信息數(shù)據(jù)的存儲和高性能處理，成為實(shí)現(xiàn)云服務(wù)的信息基礎(chǔ)設(shè)施。運(yùn)營商采用城域網(wǎng)或骨干網(wǎng)組成數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)部或城市之間的數(shù)據(jù)信息高速互聯(lián)。但這些連接的成本十分高價(jià)格昂貴，連接的資源沒有得到充分的利用，不同顆粒度的用戶帶寬需求和時(shí)隙分配沒有實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)度。這使得數(shù)據(jù)中心之間光互聯(lián)成為巨大挑戰(zhàn)。如數(shù)據(jù)中心間的數(shù)據(jù)定期備份時(shí)需要額外的帶寬傳輸，但是在其他時(shí)間大量的帶寬就會被浪費(fèi)。因此，需要通過軟件定義方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心之間帶寬的動(dòng)態(tài)調(diào)整和靈活調(diào)度。在軟件定義的數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)架構(gòu)中，運(yùn)營商將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部資源統(tǒng)一管理（如計(jì)算資源、存儲資源等），再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中資源狀態(tài)和業(yè)務(wù)粒度，將數(shù)據(jù)中心資源與網(wǎng)絡(luò)帶寬資源統(tǒng)一分配，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度和可編程化控制。

4 結(jié)束語

軟件定義光網(wǎng)絡(luò)需要攻克軟件驅(qū)動(dòng)的光路傳輸調(diào)節(jié)、軟件編程的光路靈活交換、軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)等3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同帶寬要求業(yè)務(wù)定制，完成光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置、調(diào)制格式適配和帶寬靈活分配，達(dá)到光層資源虛擬化與按需提供。隨著軟定義光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化程度的提升和產(chǎn)業(yè)界的持續(xù)投入，其勢必會給未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展注入一劑“強(qiáng)心劑”。

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