軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

紀(jì)越峰

摘要： 提出軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（SDON）是一種將軟件定義技術(shù)融入到光通信網(wǎng)絡(luò)的新型網(wǎng)絡(luò)，代表了未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向，其關(guān)鍵技術(shù)涉及到軟件定義光傳輸、交換和聯(lián)網(wǎng)等，其主要特征包括控制面與傳送面分離、硬件通用化、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、光網(wǎng)行為軟件可控、光網(wǎng)應(yīng)用靈活快捷等。SDON在支撐新一代光網(wǎng)絡(luò)向智能高效、靈活調(diào)度、虛擬重構(gòu)等方向發(fā)展進(jìn)程中將發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景廣闊，但目前尚處在發(fā)展初級(jí)階段，仍面臨很多挑戰(zhàn)和問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 光網(wǎng)絡(luò)；軟件定義；傳輸；交換；聯(lián)網(wǎng)

Abstract： A software-defined optical network （SDON） is a new kind of network in which software-defined technology is integrated into optical communication networks. This is a promising trend for future optical networks. The key technologies are related to software-defined optical transmission， switching， and networking. The main features are control and transport separation， hardware universalization， protocol standardization， controllable optical network operation， and flexible optical networks application. SDON will play an important role in the development of next-generation intelligent optical networks forwards to high efficiency， flexible scheduling， and virtual reconstruction. However， there are many challenges and problems for SDON in the primary stage.

Key words： optical networks； software defined； transmission； switching； networking

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是業(yè)界近期的熱點(diǎn)話題之一，而光層上的軟件定義網(wǎng)絡(luò)稱為軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（SDON），同樣引起了人們的廣泛關(guān)注[1-5]。在2014年3月舉行的全球光纖通信大會(huì)（OFC 2014）上，業(yè)界專家將SDON列為了首選焦點(diǎn)話題，可見(jiàn)其影響力之大。

1 SDON的出現(xiàn)

隨著網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，各種信息交互量與日俱增，對(duì)于傳送業(yè)務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)而言，滿足高速、寬帶、長(zhǎng)距的超大容量傳送需求是其追求的永恒主題。但同時(shí)由于業(yè)務(wù)屬性的變化，尤其是業(yè)務(wù)的多樣性、動(dòng)態(tài)性和突發(fā)性，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的智能性提出了新挑戰(zhàn)，如高突發(fā)業(yè)務(wù)要求光網(wǎng)絡(luò)具備動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力，大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)要求光網(wǎng)絡(luò)具備靈活擴(kuò)展能力，變帶寬提供要求光網(wǎng)絡(luò)具備彈性調(diào)節(jié)能力等。

為實(shí)現(xiàn)智能光網(wǎng)絡(luò)，業(yè)界開展了長(zhǎng)期的探索與實(shí)踐。到目前為止，智能光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)歷了3個(gè)重要的發(fā)展階段（圖1）。

（1）自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）的提出（2000年）。

ASON首次將光網(wǎng)絡(luò)分成傳送、控制、管理3個(gè)平面，并通過(guò)引入控制平面（以GMPLS協(xié)議為基礎(chǔ)），采用分布信令/分布路由方式，重點(diǎn)解決連接控制等難題，以滿足自動(dòng)交換的功能需求[6-9]。但由于ASON在大規(guī)模連接控制、復(fù)雜路徑計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)開放性、設(shè)備互通性、以及降低成本等方面存在局限性[10]，而且GMPLS的標(biāo)準(zhǔn)也過(guò)于龐雜，因此ASON在應(yīng)用推廣上受到較大影響。

（2）基于路徑計(jì)算單元（PCE）光網(wǎng)絡(luò)的提出（2006年）。

為更好地適應(yīng)多層多域大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）將路徑計(jì)算功能從控制層分離出來(lái)，以獨(dú)立的單元形態(tài)即路徑計(jì)算單元出現(xiàn)[11-14]。 PCE采用分布信令/集中路由方式，重點(diǎn)解決受約束的層間和域間路徑選擇與計(jì)算的難題，以滿足大規(guī)模多層域的功能需求。但PCE主要定位于路徑計(jì)算，功能比較單一，并且還需要與其他技術(shù)協(xié)同應(yīng)用。

（3）SDON的提出（2011年）。

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(yùn)營(yíng)商需求，利用軟件編程方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)定制，重點(diǎn)解決功能擴(kuò)展的難點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)請(qǐng)求、高效利用資源、靈活提供服務(wù)的目的，滿足多樣化復(fù)雜化的需求。SDON的主要特征在于其支持業(yè)務(wù)處理、控管策略和傳輸器件具備可編程控制的能力，從而完成光網(wǎng)絡(luò)元素狀態(tài)的可編程調(diào)諧[15]，因此SDON更加適合多層域多約束的光網(wǎng)絡(luò)控制，可有效提高運(yùn)維效率和降低成本。

2 SDON帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步

SDON的技術(shù)特征主要表現(xiàn)為光路傳輸調(diào)節(jié)可編程、光路靈活交換可編程、光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)可編程等方面[4]，具體表現(xiàn)為：

·光路傳輸調(diào)節(jié)可編程。通過(guò)光收發(fā)機(jī)波長(zhǎng)、輸入輸出功率、調(diào)制格式、信號(hào)速率以及光放大器的增益范圍等參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，使得光路可以成為一個(gè)物理性能可感知、可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

·光路靈活交換可編程。通過(guò)支持靈活柵格的可編程可重構(gòu)型光分插復(fù)用設(shè)備（ROADM）技術(shù)，打破了傳統(tǒng)波長(zhǎng)通道固定柵格劃分，可支持全光匯聚與流量疏導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)高譜效率、速率靈活的光路配置和帶寬管理。

·光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)可編程。SDON能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)將器件、算法、策略與協(xié)議進(jìn)行可編程控制，完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一控制與網(wǎng)絡(luò)整體行為動(dòng)態(tài)調(diào)諧，并且可以通過(guò)開放的北向接口支持多種靈活的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

我們可以從不同的視角來(lái)分析SDON的意義以及其技術(shù)進(jìn)步給人們帶來(lái)的影響：

·傳輸視角。SDON可以支持光傳輸損傷感知與質(zhì)量評(píng)估，支持光傳輸可調(diào)單元的參數(shù)選擇，并且支持光傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)處理（DSP）算法性能控制。

·應(yīng)用視角。SDON可支持北向編程接口，結(jié)構(gòu)開放便于提供新業(yè)務(wù)、支持資源分片組合，策略開放便于新業(yè)務(wù)區(qū)分。

·網(wǎng)絡(luò)視角。SDON可支持光網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)互聯(lián)互通，支持光網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制調(diào)度，支持光網(wǎng)絡(luò)的分層多域優(yōu)化，支持光網(wǎng)絡(luò)彈性多約束路由與頻譜分配（RSA），支持光網(wǎng)絡(luò)靈活運(yùn)維和升級(jí)，支持光網(wǎng)絡(luò)層資源虛擬化，以提升資源利用效率。

3 SDON帶來(lái)的市場(chǎng)新應(yīng)用

面對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)種類、帶寬速率、成本效率等多方面的挑戰(zhàn)，SDON能在一定程度上有效提升網(wǎng)絡(luò)的綜合性能，并能夠降低成本、增加靈活和提升效率（C.A.P）（圖2），下面通過(guò)3個(gè)案例說(shuō)明SDON的優(yōu)勢(shì)。

·在光接入、光傳輸、光交換、光聯(lián)網(wǎng)等方面均可帶來(lái)好的收益。例如：將OTN、ROADM等光設(shè)備采用統(tǒng)一靈活的節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件處理通用化、軟件控制功能化，可減少設(shè)備制造成本并降低運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本等。

·將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開放化，可為數(shù)據(jù)中心定制光層流量均衡方案，為虛擬運(yùn)營(yíng)商提供光虛擬專網(wǎng)（OVPN），為新業(yè)務(wù)部署提供即時(shí)帶寬，為企業(yè)和個(gè)人客戶靈活定制網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)生成環(huán)境等。

·將光層器件和設(shè)備可軟件編程控制，實(shí)現(xiàn)自定義速率與碼型等，可為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供彈性管道，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率，同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的可擴(kuò)展與平滑升級(jí)。

4 SDON面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

SDON作為一項(xiàng)新技術(shù)，目前處在發(fā)展的初級(jí)階段，會(huì)面臨諸多問(wèn)題，尤其是在光層上實(shí)現(xiàn)“可編程控制與資源虛擬化”更具有挑戰(zhàn)性。

·光層與電層屬性不同，并且粒度多樣，分層多域，異構(gòu)互聯(lián)，因此光層SDN與數(shù)據(jù)SDN不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，也無(wú)法全部照搬，因此SDON要對(duì)目前常規(guī)數(shù)據(jù)SDN進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足光網(wǎng)絡(luò)在異構(gòu)性和復(fù)雜性方面的特殊需要。例如：不同傳送體制下光層資源的差異化，不同結(jié)構(gòu)下路由計(jì)算的限制性以及不同層域下連接控制方式的復(fù)雜性等。因此，簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)SDN思路與技術(shù)移植到光網(wǎng)絡(luò)中難以解決光網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)互聯(lián)、擴(kuò)展性、靈活性和平滑升級(jí)等關(guān)鍵問(wèn)題，需要為SDON開發(fā)出完全適用于光網(wǎng)絡(luò)的體系和相關(guān)協(xié)議。

·SDON光層硬件抽象復(fù)雜，不僅需要完成端口的抽象，還需要完成傳送、交換等多種類型硬件的抽象以及光層帶寬資源的提供，技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較困難。

·SDON控制器作為核心部件之一，如何實(shí)現(xiàn)底層器件的可控性與上層應(yīng)用的開放性，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集中式控管環(huán)境下的快捷準(zhǔn)確性，以及自身的安全性和可靠性，都是尚待研究與實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

·SDON如何與數(shù)據(jù)SDN跨層協(xié)同和相互配合，實(shí)現(xiàn)物理融合和控制互通，目前也是個(gè)難點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于上述分析，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）光層智能是大勢(shì)所趨，傳送網(wǎng)變革也勢(shì)在必行，從ASON到PCE，再到目前的SDON，技術(shù)在不斷演進(jìn)與發(fā)展，光網(wǎng)正逐漸從單純粗放性擴(kuò)容到與精細(xì)化處理并舉的方向演變，預(yù)期SDON將給未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)變革，這種變革體現(xiàn)在降低成本、增加靈活、提高效率、開放快捷等方面。

（2）SDON的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在很大程度上取決于核心部件的支撐，有了智慧型的“大腦”，還要擁有可調(diào)可控的靈活“四肢”，并能實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)同工作，這在目前尚未突破。

（3）要想實(shí)現(xiàn)SDON的全部理念，尚待時(shí)日，除關(guān)鍵技術(shù)以外，各廠家設(shè)備的壁壘、運(yùn)營(yíng)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(lái)的風(fēng)險(xiǎn)等都是具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

（4）SDON中的局部技術(shù)也許會(huì)率先應(yīng)用（如軟件定義光傳送設(shè)備的性能提升），但其全面發(fā)展的步伐，最終由市場(chǎng)應(yīng)用決定，尤其取決于在“光層”上的業(yè)務(wù)應(yīng)用突破，以及跨層全網(wǎng)SDN的彼此協(xié)同和各類資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

（5）在“構(gòu)建開放光網(wǎng)環(huán)境”的理念驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)行為軟件可控與光網(wǎng)應(yīng)用靈活快捷等，代表了未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向，應(yīng)用前景廣闊。

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