軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（SDON）發(fā)展前瞻*

紀(jì)越峰，張 杰，趙永利

（北京郵電大學(xué) 北京 100876）

1 引言

作為國家的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，光網(wǎng)絡(luò)在高速、寬帶、長距離超大容量傳送方面的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)。然而，伴隨著業(yè)務(wù)流量的爆炸式增長，單純擴容的方式將使光網(wǎng)絡(luò)難以承受能耗和成本的挑戰(zhàn)，期望光網(wǎng)絡(luò)能夠長出個“大腦”（如圖1所示），從而可以構(gòu)建一個新型的智能光網(wǎng)絡(luò)，完成光網(wǎng)絡(luò)由固定剛性功能向靈活彈性能力的演進，通過對底層傳送能力的智能控管，實現(xiàn)對新業(yè)務(wù)的高效快捷支撐。

2 光網(wǎng)絡(luò)智能化之路

圍繞光網(wǎng)絡(luò)的智能化先后形成了三大技術(shù)路線，即自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）、基于路徑計算單元（PCE）的光網(wǎng)絡(luò)、軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（software defined opticalnetwork,SDON），實現(xiàn)了由“分布式”控制平面向“集中式”控制平面的發(fā)展。

（1）自動交換光網(wǎng)絡(luò)

圖1 智能光網(wǎng)絡(luò)的控管概念

ASON首次提出在光傳送網(wǎng)中引入控制平面 （以GMPLS為基礎(chǔ)），將拓撲發(fā)現(xiàn)、路徑計算、資源分配、連接控制等功能從管理平面剝離出來，形成分布式控制平面，利用分布式的智能實現(xiàn)連接的動態(tài)建立、刪除以及快速故障恢復(fù)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的按需分配。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，ASON在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的路徑計算、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通等方面存在明顯不足，并且GMPLS協(xié)議過于復(fù)雜，在實際應(yīng)用中的局限性較大。

（2）基于路徑計算單元的光網(wǎng)絡(luò)

IETF標(biāo)準(zhǔn)化組織于2006年提出了PCE技術(shù)。基于PCE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和選路技術(shù)，將復(fù)雜約束條件下的路徑計算和流量工程功能從傳統(tǒng)控制平面獨立出來。作為網(wǎng)絡(luò)中專門負責(zé)路徑計算的功能實體，PCE基于已知的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和約束條件，根據(jù)路徑計算客戶（PCC）的請求計算出最佳路徑。采用相對獨立的PCE專門負責(zé)路徑計算，有利于增強網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及路由機制的可擴展性，同時減輕大量計算需求對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的沖擊。但PCE功能比較單一，需要與其他技術(shù)協(xié)同應(yīng)用。

（3）軟件定義光網(wǎng)絡(luò)

軟件定義光網(wǎng)絡(luò)指光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能可根據(jù)用戶或運營商需求，利用軟件編程的方式進行動態(tài)定制，從而實現(xiàn)快速響應(yīng)請求、高效利用資源、靈活提供服務(wù)的目的。SDON可以為各種光層資源提供統(tǒng)一的調(diào)度和控制能力，根據(jù)用戶或運營商需求，利用軟件編程方式進行動態(tài)定制，重點解決功能擴展的難點，滿足多樣化、復(fù)雜化的需求，其核心在于光網(wǎng)絡(luò)元素的可編程特性，包括業(yè)務(wù)邏輯可編程、控管策略可編程和傳輸器件可編程，并支持彈性資源切片虛擬，因此更加適合多層域多約束的光網(wǎng)絡(luò)控制，可有效提高運維效率并降低成本。

3 SDON的引入

隨著云計算、數(shù)據(jù)中心的廣泛應(yīng)用，各種寬帶新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，由此產(chǎn)生的龐大數(shù)字洪流給作為信息基礎(chǔ)設(shè)施的光網(wǎng)絡(luò)帶來巨大挑戰(zhàn)。容量、成本、能耗、安全已經(jīng)成為未來光網(wǎng)絡(luò)的制約瓶頸，單純提升單纖容量難以突破香農(nóng)極限，而簡單地擴大規(guī)模則會帶來成本和能耗的急劇攀升。因而，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展急需尋找新的突破點。軟件定義全光靈活組網(wǎng)能夠從根本上解決上述問題，通過在光層引入基于軟件定義的智能網(wǎng)絡(luò)，能夠使光網(wǎng)絡(luò)變得更加靈活，從而進一步釋放光網(wǎng)絡(luò)的帶寬潛能，促進網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的深度融合。

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，從由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運營功能的緊耦合，這種模式轉(zhuǎn)變是SDON的核心思想，代表了光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用新的發(fā)展方向[1～4]。而智能光網(wǎng)絡(luò)從ASON到SDON的演進，也完成了從標(biāo)簽到控制器、從分布到集中、從整體化到虛擬化的3項改變，從而實現(xiàn)了擴展性、靈活性、開放性的顯著提升。尤其是在靈活性方面，SDON比ASON更加適合多層域多約束的光網(wǎng)絡(luò)控制；在開放性方面，SDON的北向接口開放，允許各類業(yè)務(wù)編程應(yīng)用，并且能夠控制軟件的在線升級，提高運維效率并降低成本。

4 SDON的使能技術(shù)

SDON的使能技術(shù)與特征主要表現(xiàn)為以下3方面，具體如圖2所示。

（1）軟件驅(qū)動的光路傳輸調(diào)節(jié)

通過光收發(fā)機波長、輸入輸出功率、調(diào)制格式、信號速率以及光放大器的增益范圍等物理參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，光路徑的物理屬性可實時監(jiān)測、動態(tài)可調(diào)，從而實現(xiàn)光層智能。

（2）軟件編程的光路靈活交換

靈活柵格技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)波長通道固定柵格的限制，可以實現(xiàn)“四無”（無色、無向、無柵格、無阻塞）光交換。多維度的交換狀態(tài)使軟件編程控制的手段更為必要，通過與間隔無關(guān)的可編程ROADM技術(shù)，可以完成更精細粒度的光層交換和帶寬調(diào)整。

圖2 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)使能技術(shù)與特征

（3）軟件定義的光層智能聯(lián)網(wǎng)

用戶需求的多樣化和寬帶化要求網(wǎng)絡(luò)具備資源快速提供和狀態(tài)高度重構(gòu)的能力。以基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)元素可編程化的軟件定義光層組網(wǎng)模型為依托，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)高質(zhì)量與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)度，促進多粒度業(yè)務(wù)網(wǎng)與大規(guī)模傳送網(wǎng)的融合發(fā)展。

5 SDON需解決的關(guān)鍵問題

將軟件編程的思想引入光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平面、控制平面和傳送平面，使光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)不僅具備用戶業(yè)務(wù)感知的能力，還具備傳輸質(zhì)量感知的能力?；谲浖幊炭刂频乃枷耄梢詫崿F(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)元素（包括業(yè)務(wù)處理、控管機制、傳輸設(shè)備方面）的軟件可編程控制，從而全面提升光網(wǎng)絡(luò)的靈活擴展能力，解決傳統(tǒng)多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面臨的多個關(guān)鍵問題。

（1）業(yè)務(wù)需求的復(fù)雜性與適配的高效性問題

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多樣性與突發(fā)性反映了業(yè)務(wù)需求的復(fù)雜性，對光網(wǎng)絡(luò)的承載能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而承載網(wǎng)的大容量傳送管道與小規(guī)模交換樞紐的現(xiàn)狀造成了底層傳送能力的制約瓶頸，急需完善網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)的高效適配能力。這就形成了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求復(fù)雜與傳送網(wǎng)絡(luò)適配不足的矛盾，由此衍生了業(yè)務(wù)需求的復(fù)雜性與適配的高效性的科學(xué)問題。通過SDON中網(wǎng)絡(luò)元素的動態(tài)調(diào)諧特性，對上層業(yè)務(wù)進行智能解析，并通過可軟件定義的“中間件”為上層用戶提供開放的數(shù)據(jù)和控制接口，以解決上述問題。

（2）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源互連互通與安全控制問題

大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用涉及應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層資源的有效互通與聯(lián)合調(diào)度，通過構(gòu)建跨層的控制架構(gòu)與協(xié)議，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息互通與資源抽象，最終實現(xiàn)多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)化利用，其中互連互通是實現(xiàn)上述目標(biāo)的前提條件。而信息在多種類型網(wǎng)絡(luò)之間的流動勢必會引發(fā)安全威脅，這就形成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息高效互通與安全控制體制之間的矛盾，由此衍生了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連互通與安全控制的科學(xué)問題。采用能夠貫穿多層的統(tǒng)一控制流協(xié)議，加入安全控制機制和策略，以解決上述問題。

（3）傳輸設(shè)備的硬件特性與可編程控制問題

在業(yè)務(wù)自適應(yīng)接入與處理機制、控制策略靈活可配的驅(qū)動下，底層的光傳輸設(shè)備也需要打破傳統(tǒng)的固定配置限制，發(fā)展為具備靈活可調(diào)的能力。然而傳輸設(shè)備的功能基本由硬件電路完成，這就形成了傳輸設(shè)備的硬件限制與功能靈活可調(diào)需求之間的矛盾，由此衍生了傳輸設(shè)備的硬件特性與可編程控制的科學(xué)問題。從軟件編程控制的角度出發(fā)，通過將部分傳輸功能從硬件剝離出來，轉(zhuǎn)由軟件編程完成，從而實現(xiàn)傳輸設(shè)備功能的靈活調(diào)諧。

圖3 AONI項目組織與技術(shù)要點

6 SDON研究與應(yīng)用案例

（1）面向分組與電路融合的軟件定義網(wǎng)絡(luò)

利用OpenFlow協(xié)議可以實現(xiàn)分組交換與電路交換的統(tǒng)一控制。通過對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)流抽象的虛擬化手段，可以實現(xiàn)分組與光網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)化的集成控制管理目標(biāo)，將時隙信息寫入OpenFlow流表中，實現(xiàn)通過控制器向電路交換機下達流表來觸發(fā)交換機進行交換動作，并完成相關(guān)實驗驗證。此外，利用電路交換中流的特性可以提供不同等級的分組數(shù)據(jù)流。

（2）基于OpenFlow的數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)

開放性軟件定義組網(wǎng)與集成控制的需求越來越迫切，軟件定義網(wǎng)絡(luò)通過南向接口OpenFlow協(xié)議可以實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制，在此基礎(chǔ)上，通過北向接口可以實現(xiàn)應(yīng)用資源與網(wǎng)絡(luò)資源的聯(lián)合優(yōu)化。因而，通過軟件定義方式可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心之間的動態(tài)帶寬調(diào)整和靈活調(diào)度。在軟件定義的數(shù)據(jù)中心光聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，運營商將統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)中心內(nèi)部資源，再根據(jù)業(yè)務(wù)需求和資源狀態(tài)，對數(shù)據(jù)中心資源與網(wǎng)絡(luò)帶寬資源進行統(tǒng)一分配，實現(xiàn)實時調(diào)度和可編程化控制。

（3）國家“863”計劃 AONI項目

為深入開展SDON等方面的研究工作，國家“863”計劃/“十二五”國家寬帶網(wǎng)重點專項適時啟動了“新型超大容量全光交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究”項目（簡稱AONI項目，如圖3所示），重點圍繞靈活光組網(wǎng)等4項關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容開展深入研究，目前已在SDON的體系結(jié)構(gòu)、彈性切片、光即服務(wù)、多域控制、資源虛擬和實驗平臺與功能驗證等方面取得了重要進展。

7 SDON的發(fā)展愿景

光層智能是未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，從ASON到PCE，再到SDON，光網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)在不斷向前發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)也正逐漸從單純粗放性擴容向精細化智能處理的方向演進。在這一演進過程中，將控制面與傳送面分離、硬件通用化、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)行為軟件可控、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用靈活快捷，代表了未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，前景廣闊。然而在“構(gòu)建開放光網(wǎng)環(huán)境”理念的驅(qū)動下，要實現(xiàn)SDON的全部理念，任重道遠，不能一蹴而就，除關(guān)鍵技術(shù)以外，各廠商設(shè)備的壁壘、運營商的管理模式、與現(xiàn)網(wǎng)的關(guān)系、大規(guī)模集中控管帶來的風(fēng)險等都是具有挑戰(zhàn)性的問題。SDON中的局部技術(shù)可能會率先應(yīng)用，但其全面發(fā)展步伐最終由市場應(yīng)用決定，尤其取決于在“光層”上的業(yè)務(wù)應(yīng)用突破。

1 Channegowda M,Nejabati R,Simeonidou D.Software-defined optical networks technology and infrastructure: enabling software-defined optical network operations.IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,2013,5(10):A274～A282

2 Software-defined networking for transport networks.http://www.advaoptical.com,2014

3 Ji P N.Software defined optical network.Proceedings of ICOCN,Chonburi,Thailand,2012

4 張杰，趙永利.軟件定義光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用.中興通訊技術(shù),2013(3)