網(wǎng)絡(luò)革命拂曉：SDN進(jìn)入智能寬帶接入網(wǎng)

北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 | 吳家林 趙永利 張杰 顧畹儀

網(wǎng)絡(luò)革命拂曉：SDN進(jìn)入智能寬帶接入網(wǎng)

北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 | 吳家林 趙永利 張杰 顧畹儀

基于SDN的傳送網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界得到廣泛關(guān)注，然而接入網(wǎng)領(lǐng)域還沒(méi)有相關(guān)研究，事實(shí)上，SDN技術(shù)應(yīng)用在接入網(wǎng)對(duì)運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)都意義重大。

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)流量的爆發(fā)式增長(zhǎng)以及三網(wǎng)融合的不斷推進(jìn)，寬帶接入網(wǎng)朝著全業(yè)務(wù)、高帶寬、易運(yùn)行維護(hù)的方向發(fā)展已成為不可逆的趨勢(shì)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商不斷加大光纖接入網(wǎng)的建設(shè)力度，據(jù)電信業(yè)權(quán)威資訊機(jī)構(gòu)Ovum預(yù)測(cè)，中國(guó)的FTTx用戶(hù)數(shù)到2015年將達(dá)7650萬(wàn)，占全世界FTTx用戶(hù)數(shù)的50%以上。隨著FTTx技術(shù)大規(guī)模推廣，全網(wǎng)資源調(diào)度以及運(yùn)行維護(hù)成本的壓力越來(lái)越大，繼接入網(wǎng)寬帶化之后，接入網(wǎng)的智能化將成為新的研究熱點(diǎn)，我們基于SDN提出軟定義智能寬帶接入網(wǎng)解決方案。

SDN/Open Flow：下一代互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的代表者

互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其最初設(shè)計(jì)者的想象，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)流量迅猛增長(zhǎng)、承載業(yè)務(wù)日益復(fù)雜以及社會(huì)地位越來(lái)越重要，使得諸如安全性、穩(wěn)定性、可控性等問(wèn)題越來(lái)越尖銳，現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。傳統(tǒng)的解決方案都是將越來(lái)越多的復(fù)雜功能加入到互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，例如組播、防火墻、區(qū)分服務(wù)、流量工程、MPLS等。這使得路由器等交換設(shè)備越來(lái)越臃腫而且性能提升的空間越來(lái)越小，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新越來(lái)越封閉，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展越來(lái)越緩慢。

Open Flow是美國(guó)斯坦福大學(xué)于2007年提出的一種支持網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究的新型網(wǎng)絡(luò)交換模型，該模型通過(guò)開(kāi)放的流表支持用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理行為進(jìn)行控制，從而為新型互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究提供新的實(shí)驗(yàn)途徑。被享有聲望的《麻省理工科技評(píng)論》雜志選為十大未來(lái)技術(shù)之一。目前，Open Flow受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，Open Flow的推廣組織——開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（Open Networking Foundation，簡(jiǎn)稱(chēng)ONF）的成員基本涵蓋了所有網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的巨頭。

Open Flow將傳統(tǒng)的物理固定的硬件定義網(wǎng)絡(luò)改造成為了動(dòng)態(tài)可變的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN：Software Defined Network）。而一個(gè)軟件定義的可控的互聯(lián)網(wǎng)，除了更加靈活以外，毫無(wú)疑問(wèn)，通過(guò)恰當(dāng)?shù)目刂扑惴?，將大大提高網(wǎng)絡(luò)自身的健壯性、運(yùn)行效率以及安全性，更重要的是基于Open Flow集中式控制機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)將徹底改變當(dāng)前路由交換設(shè)備的封閉性，在Open Flow網(wǎng)絡(luò)中部署一種新的路由協(xié)議或安全算法，僅需要在控制服務(wù)器上撰寫(xiě)數(shù)百行代碼。Open Flow的核心思想是將原本完全由交換機(jī)/路由器控制的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，轉(zhuǎn)化為由Open Flow交換機(jī)（Open Flow Switch）和控制器（Controller）分別完成的獨(dú)立過(guò)程。從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由控制的分離。如圖1所示，控制器可以通過(guò)Open Flow協(xié)議來(lái)控制交換機(jī)中的流表（Flow Table），從而達(dá)到控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的目的。Open Flow交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，首先在本地的流表上查找轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)端口，如果沒(méi)有匹配，則把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給Controller，由控制層決定轉(zhuǎn)發(fā)端口。

圖1 Open Flow網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)寬帶接入網(wǎng)面臨巨大挑戰(zhàn)

接入網(wǎng)一直被視為信息高速公路的最后一公里，為了解決網(wǎng)絡(luò)寬帶化的發(fā)展“瓶頸”，電信運(yùn)營(yíng)商正在大規(guī)模推廣以無(wú)源光接入網(wǎng)（PON）為主的FTTx技術(shù)，接入網(wǎng)的光纖化有效解決了網(wǎng)絡(luò)容量“瓶頸”，而接入網(wǎng)的運(yùn)維管理“瓶頸”卻未能有效解決。鑒于接入網(wǎng)建設(shè)成本巨大，升級(jí)改造極其困難，當(dāng)前寬帶接入網(wǎng)面臨的諸多挑戰(zhàn)應(yīng)該在建網(wǎng)之初就采取有效措施加以解決。

第一，接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)融合不夠。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)技術(shù)相融合是必然的趨勢(shì)。而在現(xiàn)有的光接入網(wǎng)中，都是采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)和技術(shù)，沒(méi)有和骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)統(tǒng)一資源和管理信息，對(duì)通信的保護(hù)和恢復(fù)也沒(méi)有形成統(tǒng)一的機(jī)制，造成協(xié)議轉(zhuǎn)換復(fù)雜、傳輸效率低、缺乏統(tǒng)一的資源管控能力。接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)的孤立也大大增加了電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)管理的成本和難度，隨著網(wǎng)絡(luò)成本的不斷增加，電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)全局資源調(diào)度和集中管控的需求越來(lái)越迫切，將接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)無(wú)縫融合起來(lái)，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)效率，優(yōu)化資源分配。

第二，接入網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)成本高，用戶(hù)體驗(yàn)差。接入網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量直接關(guān)系到電信運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)的切身利益。如何實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的快速接入，快速故障定位及恢復(fù)，方便快捷地實(shí)現(xiàn)用戶(hù)終端的配置，提高用戶(hù)體驗(yàn)，控制運(yùn)營(yíng)成本和提高網(wǎng)絡(luò)的收益率，已經(jīng)成為接入網(wǎng)亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的接入網(wǎng)基本采用人工的方式進(jìn)行管理，如用戶(hù)的開(kāi)戶(hù)、業(yè)務(wù)辦理、故障處理等，這種管理模式需要大量的人力和物力，使接入網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)成本居高不下，而且用戶(hù)體驗(yàn)差。隨著FTTx技術(shù)的推廣，電信運(yùn)營(yíng)商應(yīng)抓住機(jī)遇，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理的智能化水平，全面提高用戶(hù)體驗(yàn)，有效降低運(yùn)營(yíng)成本。

第三，缺乏靈活的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度機(jī)制。當(dāng)前光接入網(wǎng)包括EPON、GPON、WDM-PON、P2P-PON等技術(shù)，不同網(wǎng)絡(luò)之間兼容性差，網(wǎng)絡(luò)資源管控機(jī)制相互獨(dú)立，缺乏靈活的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，而且可擴(kuò)展性差，不利于未來(lái)光接入網(wǎng)的統(tǒng)一管理和技術(shù)升級(jí)。

第四，多業(yè)務(wù)承載能力差，缺乏有效的端到端QoS保證機(jī)制。隨著三網(wǎng)融合進(jìn)程的不斷推進(jìn)，新一代寬帶接入網(wǎng)應(yīng)具有保證服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service — QoS）傳輸多業(yè)務(wù)類(lèi)型的能力。即要求以端對(duì)端的方式對(duì)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)的高效地混合或并發(fā)傳輸。而現(xiàn)有的光接入網(wǎng)技術(shù)采取了與骨干網(wǎng)不同的業(yè)務(wù)分類(lèi)和QoS保證機(jī)制，其業(yè)務(wù)QoS保證機(jī)制都局限于接入網(wǎng)本身，沒(méi)有與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分類(lèi)機(jī)制相對(duì)應(yīng)，需要進(jìn)行不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的翻譯，造成協(xié)議復(fù)雜、效率低下，缺乏端到端的QoS保證。迫切需要將接入網(wǎng)和城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)無(wú)縫的融合起來(lái)，形成統(tǒng)一的端到端的多業(yè)務(wù)QoS保證機(jī)制。

第五，接入網(wǎng)能耗居高不下。近年來(lái)，節(jié)能減排問(wèn)題得到了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。電信網(wǎng)的節(jié)能已經(jīng)迅速成為電信研究領(lǐng)域的最熱點(diǎn)問(wèn)題之一。最新報(bào)告顯示，接入網(wǎng)的能耗占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗的70%，雖然接入網(wǎng)單個(gè)設(shè)備的能耗遠(yuǎn)不如城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)設(shè)備的能耗，但是由于接入網(wǎng)的用戶(hù)基數(shù)大，所以其總能耗是非常巨大的。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)針對(duì)EPON和GPON節(jié)能技術(shù)有了相關(guān)研究，但是受目前接入網(wǎng)架構(gòu)封閉等因素的制約，實(shí)現(xiàn)機(jī)制都較復(fù)雜，還難以大規(guī)模推廣。

基于SDN構(gòu)建軟定義智能寬帶接入網(wǎng)

針對(duì)當(dāng)前寬帶接入網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)，為了滿(mǎn)足未來(lái)接入網(wǎng)全業(yè)務(wù)、高帶寬、易運(yùn)行維護(hù)的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的融合互通，滿(mǎn)足接入網(wǎng)日益迫切的智能化需求，我們基于SDN提出了軟定義智能寬帶接入網(wǎng)解決方案，將寬帶接入網(wǎng)封閉孤立的架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭删幊袒?、智能可控化、支持第三方?yīng)用的開(kāi)放式架構(gòu)，即在接入網(wǎng)中提供開(kāi)放式的控制接口，實(shí)現(xiàn)可編程的智能管控平臺(tái)，當(dāng)前寬帶接入網(wǎng)面臨的諸多問(wèn)題即可迎刃而解。

在這種開(kāi)放式控制體系架構(gòu)中，可軟定義的控制器作為開(kāi)放式控制架構(gòu)的主體，是實(shí)現(xiàn)可編程功能的核心，控制器為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)接口并通過(guò)開(kāi)放式硬件控制接口與底層硬件交互，以實(shí)現(xiàn)可編程化控制和管理。

作為集中式控制架構(gòu)的核心—Open Flow控制器，在整個(gè)架構(gòu)中起著硬件資源抽象化的角色。將傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化到控制器中根據(jù)預(yù)先制定的調(diào)度策略以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)安排資源分配方式，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者可以輕松的在這種架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)可軟定義的集中控制。

如圖2所示，在光接入網(wǎng)中引入Open Flow，就可以通過(guò)集中式的管理和控制平臺(tái)——網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（如NOX），對(duì)多種異構(gòu)光接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理。如網(wǎng)絡(luò)管理、資源調(diào)度、多業(yè)務(wù)QoS保證、節(jié)能和其他第三方應(yīng)用等，使得運(yùn)營(yíng)商可以從全網(wǎng)的角度對(duì)鏈路和帶寬資源進(jìn)行有效的管理，提高網(wǎng)絡(luò)管理效率，同時(shí)也可以有效降低網(wǎng)絡(luò)管理的開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。集中式的動(dòng)態(tài)管控機(jī)制相比于傳統(tǒng)的人工網(wǎng)管系統(tǒng)更靈活，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)控和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維帶來(lái)無(wú)限可能。

如圖3所示，基于SDN的軟定義智能寬帶接入網(wǎng)，將接入網(wǎng)和城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)無(wú)縫的融合起來(lái)，形成統(tǒng)一的端到端的全網(wǎng)管控機(jī)制，可以直接建立端到端的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，而不需要復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，突破網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸，實(shí)現(xiàn)端到端的QoS保證機(jī)制，對(duì)可視電話、視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播和遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用具有重大意義?；赟DN的軟定義網(wǎng)絡(luò)為接入網(wǎng)與城域網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合調(diào)度提供統(tǒng)一的接口，開(kāi)放的可編程接口，可擴(kuò)展性強(qiáng)，大大降低了開(kāi)發(fā)難度。

圖2 基于SDN的軟定義智能寬帶接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖3 軟定義接入網(wǎng)和城域網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)智能互通架構(gòu)圖

SDN引領(lǐng)下一代接入網(wǎng)發(fā)展

與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的困境截然不同的是，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了日新月異的發(fā)展。PC工業(yè)已經(jīng)找到高效通用的硬件底層(X86、ARM等架構(gòu))。在軟件定義方面，頂層(應(yīng)用程序)和底層(操作系統(tǒng)和虛擬化)都在爆炸式地發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新亦需如此，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）正致力于構(gòu)建簡(jiǎn)單通用的硬件底層與一個(gè)開(kāi)放的上層編程環(huán)境：底層的數(shù)據(jù)通路（交換機(jī)、路由器）是“啞的、簡(jiǎn)單的、最小的”，并定義一個(gè)對(duì)外開(kāi)放的公用的API，同時(shí)采用控制器來(lái)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)的研究人員就可以在控制器上自由地調(diào)用底層的API來(lái)編程，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新。

SDN網(wǎng)絡(luò)旨在將網(wǎng)絡(luò)控制與物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞蛛x，讓網(wǎng)絡(luò)硬件產(chǎn)品不斷標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程，這樣企業(yè)便可以擺脫硬件對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，大幅降低網(wǎng)絡(luò)成本，網(wǎng)絡(luò)變得更加開(kāi)放、智能、靈活。 在推崇“軟硬件分離，可管可控”的運(yùn)營(yíng)商的推動(dòng)下，SDN將引領(lǐng)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革新。

基于SDN的傳送網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界得到廣泛關(guān)注，業(yè)界已經(jīng)推出了多款Open Flow交換機(jī)/路由器和SDN解決方案，然而在接入網(wǎng)領(lǐng)域，還沒(méi)有相關(guān)研究，將FTTx技術(shù)與SDN結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能靈活、可管可控的寬帶接入網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)與城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的智能互通和資源聯(lián)合調(diào)度，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)都意義重大。

網(wǎng)絡(luò)革命的拂曉，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)一直是一個(gè)跟隨者，而且是一個(gè)沒(méi)有取得優(yōu)良成績(jī)的跟隨者。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的提出，涉及互聯(lián)網(wǎng)體系的深刻變革，為中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提供了難得的機(jī)遇。