程偉強(qiáng) 中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院項(xiàng)目經(jīng)理
王 磊 中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院技術(shù)經(jīng)理
王敏學(xué) 中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院項(xiàng)目經(jīng)理
軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)具有開放可編程、控制面集中、標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議3大優(yōu)勢(shì),是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的新方向。隨著SDN技術(shù)深入研究的推進(jìn),已經(jīng)對(duì)傳送網(wǎng)、IP網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、移動(dòng)核心網(wǎng)等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
分組傳送網(wǎng)(Packet Transport Network,PTN)作為新一代的傳送網(wǎng)技術(shù),占據(jù)全球50%以上的分組移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng),并應(yīng)用于電力、石油、鐵路等行業(yè)。2009年起,中國(guó)移動(dòng)率先部署全球最大規(guī)模的PTN網(wǎng)絡(luò),目前已在全國(guó)300多個(gè)城市部署超過90萬端設(shè)備,主要用于無線基站回傳和重要集團(tuán)客戶業(yè)務(wù)承載。
隨著PTN的規(guī)?;瘧?yīng)用,PTN網(wǎng)絡(luò)在開通、運(yùn)營(yíng)維護(hù)環(huán)節(jié)遇到如下挑戰(zhàn)亟待解決:
首先,PTN業(yè)務(wù)開通方面,不同廠家的PTN網(wǎng)絡(luò)由各自的網(wǎng)管系統(tǒng)管理,綜合網(wǎng)管通過工單系統(tǒng),跨域業(yè)務(wù)需要由人工配置實(shí)現(xiàn)開通配置,業(yè)務(wù)開通效率低。
其次,PTN路由方面,在TD-LTE回傳網(wǎng)中,核心L3 PTN由傳統(tǒng)集中化網(wǎng)管提供靜態(tài)路由功能,實(shí)現(xiàn)了超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)路由的可管、可控、可規(guī)劃,以及電信級(jí)的業(yè)務(wù)保障。但靜態(tài)路由需人工配置,接口配置復(fù)雜,容易漏配置,路由數(shù)量多,維護(hù)難。
再次,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法向客戶開放業(yè)務(wù)功能,如帶寬自助調(diào)整、SLA自助查詢等,難以實(shí)現(xiàn)電商化銷售模式。
SPTN將SDN與PTN進(jìn)行融合創(chuàng)新,為PTN網(wǎng)絡(luò)提供智能化控制平面技術(shù),能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)度。引入SPTN控制平面技術(shù),可進(jìn)一步向傳統(tǒng)PTN網(wǎng)絡(luò)注入大帶寬、智能化、高可靠的優(yōu)勢(shì),能夠提供靈活可控的大管道帶寬定制,提供高質(zhì)量的客戶體驗(yàn);能夠?qū)崿F(xiàn)集中化的控制平面、網(wǎng)絡(luò)資源信息收集和智能的路徑計(jì)算等能力;能夠提供開放接口,使網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用智能化;能夠在轉(zhuǎn)發(fā)平面實(shí)現(xiàn)保護(hù)和整網(wǎng)恢復(fù)相結(jié)合,提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。
本文從SPTN引入需求出發(fā),首先提出SPTN總體架構(gòu)及現(xiàn)網(wǎng)融合方案,其次深入探討層次化控制器架構(gòu)、功能和性能,北向接口及南向接口標(biāo)準(zhǔn)化等SPTN關(guān)鍵技術(shù),最后介紹中國(guó)移動(dòng)SPTN應(yīng)用場(chǎng)景功能及SPTN發(fā)展規(guī)劃。
PTN網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到SPTN網(wǎng)絡(luò),不僅涉及新設(shè)備和控制器的引入,同時(shí)也需要考慮現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備和管理系統(tǒng)的演進(jìn)。SPTN總體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 SPTN總體結(jié)構(gòu)
首先,業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理,主要由現(xiàn)有PTN設(shè)備和新的SPTN設(shè)備執(zhí)行,把由這些設(shè)備組成的數(shù)據(jù)平面統(tǒng)一稱為傳送平面,提供兩點(diǎn)之間雙向或單向的用戶分組信息傳送,也可以提供控制和網(wǎng)絡(luò)管理信息的傳送,并提供信息傳輸過程中的OAM和保護(hù)恢復(fù)功能。傳送平面相關(guān)接口如圖1所示,SQ、SO分別為傳送設(shè)備PTN、SPTN設(shè)備與控制平面的接口。
其次,控制器組成了控制平面。SPTN網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)用途、地域、廠家等多種因素劃分為多個(gè)單域,每個(gè)域由域控制器(Domain Controller,D-Controller)完成統(tǒng)一控制;同時(shí),為了協(xié)調(diào)不同域控制器之間的交互,并向上層應(yīng)用提供歸一化的網(wǎng)絡(luò)層體驗(yàn),需要層次化超級(jí)控制器(Super Controller,S-Controller)來完成全網(wǎng)的協(xié)調(diào)和管理,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源跨域的協(xié)同控制。上層S-Controller通過調(diào)用D-Controller或下層S-Controller提供的北向接口,完成全網(wǎng)的協(xié)調(diào)和管理,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源跨域的協(xié)同控制。S-Controller與位于本層的D-Controller和下層的S-Controller(若有)通過北向接口實(shí)現(xiàn)信息交互。
控制平面相關(guān)接口如圖1所示,Cij代表控制器之間的接口并且表現(xiàn)了控制器的級(jí)聯(lián)和連接關(guān)系,其中i=0,1,2…n;j=1,2,…n,i!=j;當(dāng) i=0時(shí) ,C0j代 表D-Controller與j級(jí)S-Controller之間的接口;當(dāng)i=1時(shí),C1j代表1級(jí)S-Controller與j級(jí)S-Controller之間的接口;以此類推,i=n時(shí),Cnj代表n級(jí)S-controller與j級(jí)S-Controller之間的接口。
再次,管理平面仍延續(xù)EMS(Element Management System,網(wǎng)元管理系統(tǒng))/SNMS(Sub-Network Management System,子網(wǎng)管理系統(tǒng))、OSS(Operation Support System,運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng))以及BSS(Business Support system,業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)),完成對(duì)現(xiàn)有的PTN網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理和計(jì)費(fèi)等功能,但需要根據(jù)SPTN的功能特性對(duì)其進(jìn)行一定程度的升級(jí)改造。如圖1所示,管理平面縱向與傳送、控制、應(yīng)用各平面均有接口。EMS/NMS通過與傳送平面的接口I0完成對(duì)傳送設(shè)備的管理,包括設(shè)備硬件管理、告警統(tǒng)計(jì)等功能,通過與控制平面D-Controller的接口I1完成管理和控制平面之間的信息同步。需要注意的是,目前D-Controller和EMS在物理上同設(shè),因此這個(gè)接口為廠家私有接口。I2為OSS與控制平面接口,考慮到OSS信息的安全性,目前OSS僅與控制平面的S-Controller相連接;I3為OSS與APP服務(wù)器之間的接口,在物理上APP是屬于OSS的一部分,便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工單下發(fā)等功能。
最后,各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用組成了應(yīng)用平面,通過調(diào)用控制層提供的北向接口API(Application Programming Interface,應(yīng)用程序編程接口)來對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施操作。APP服務(wù)器以及各種網(wǎng)絡(luò)APP客戶端通過調(diào)用控制平面提供的北向接口對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作。應(yīng)用平面相關(guān)接口如圖1所示:APP服務(wù)器與控制平面之間的接口NAi,在i=0,1,2…n;i=0時(shí),NA0代表 APP服務(wù)器與D-Controller之間的接口;i=1時(shí),NA1代表APP服務(wù)器與1級(jí)S-Controller之間的接口;以此類推,i=n時(shí),NAn代表APP服務(wù)器與n級(jí)S-Controller之間的接口。APP服務(wù)器與APP客戶端之間的接口I4、I5采用HTTP協(xié)議。
由于SPTN控制平面需要與管理平面進(jìn)行信息交互、數(shù)據(jù)庫(kù)同步等工作,在部署SPTN控制系統(tǒng)時(shí),最重要的問題是考慮如何在現(xiàn)網(wǎng)已有的管理平面架構(gòu)中引入控制平面,以及劃清兩者的功能界面。
目前,PTN現(xiàn)網(wǎng)OSS系統(tǒng)如圖2所示,主要包括綜合資管、采集、集中故障、集中性能和運(yùn)維交流平臺(tái)等系統(tǒng),主要以網(wǎng)絡(luò)信息的分析與呈現(xiàn)為主,信息的走向主要是自下而上,即由設(shè)備通過網(wǎng)管上報(bào)給OSS系統(tǒng)。此外,OSS系統(tǒng)負(fù)責(zé)生成相應(yīng)的工單,業(yè)務(wù)開通主要通過人工根據(jù)工單在網(wǎng)管進(jìn)行操作配置,工作量大,效率較低。
圖2 現(xiàn)網(wǎng)PTNOSS系統(tǒng)框架圖
SPTN引入后整體架構(gòu)如圖3所示,控制器作為集中控制管理體系,控制流自上而下,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的端到端資源管理、資源調(diào)度、業(yè)務(wù)自動(dòng)發(fā)放和激活、路徑的計(jì)算、全網(wǎng)流量的均衡、基于流量的運(yùn)營(yíng);原OSS系統(tǒng)仍作為監(jiān)控體系,控制流自下而上,進(jìn)行集中故障、性能的監(jiān)控。SPTN控制平面引入后,整體管控系統(tǒng)更加完整、豐富,能夠進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率,打造開放、智能、健壯的分組傳送網(wǎng)。
控制器在SDN體系結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用,是部署在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之外的軟件框架和部件,對(duì)數(shù)據(jù)平面硬件轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行控制,并向更上層的應(yīng)用提供服務(wù)。通過控制器對(duì)外提供的接口,外部應(yīng)用可以通過應(yīng)用接口對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行控制和管理。在基于SPTN的SDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景中,控制器關(guān)鍵技術(shù)包括層次化控制結(jié)構(gòu)、分布式部署、標(biāo)準(zhǔn)南北向接口、網(wǎng)絡(luò)資源分片、策略控制等。
控制器采用層次化控制結(jié)構(gòu),SPTN每個(gè)域由D-Controller完成統(tǒng)一控制;同時(shí),S-Controller完成全網(wǎng)的協(xié)調(diào)和管理,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源跨域的協(xié)同控制,它可由多級(jí)級(jí)聯(lián)完成。D-Controller控制本廠家資源,與S-Controller采用標(biāo)準(zhǔn)API互通;S-Controller具備跨廠家、跨域、資源協(xié)同功能,能夠?yàn)椴煌牟块T提供獨(dú)立的操作界面,并提供策略配置,全局視角拓?fù)洌顑?yōu)化資源調(diào)度,充分利用每比特資源。
圖3 SPTN引入OSS系統(tǒng)框架圖
SPTN控制器軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)需滿足以下兩點(diǎn)基本要求:
首先,具有足夠的可擴(kuò)展性能,能在線實(shí)現(xiàn)規(guī)模及性能提升;
其次,能夠?qū)?fù)雜問題進(jìn)行高效計(jì)算,滿足實(shí)時(shí)性要求。
圖4 SPTN控制器架構(gòu)圖
SPTN的分布式部署架構(gòu)見圖4,其中業(yè)務(wù)應(yīng)用層由多個(gè)虛擬機(jī)和業(yè)務(wù)配置組件組成;網(wǎng)絡(luò)資源管理層屏蔽具體網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元、鏈路的差異,使得應(yīng)用層不感知具體的網(wǎng)絡(luò)硬件細(xì)節(jié);分布式系統(tǒng)中間件提供分布式業(yè)務(wù)部署能力,包括基礎(chǔ)通信、功能分布、數(shù)據(jù)分布、計(jì)算分布等。SPTN控制器基于并行算法,在集群內(nèi)部協(xié)同控制器所在服務(wù)器的CPU對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行高效計(jì)算,滿足實(shí)時(shí)性要求,如網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡、路徑的動(dòng)態(tài)恢復(fù)。SPTN控制器集群需具備動(dòng)態(tài)彈性可伸縮功能,并需支持水平分布式和垂直分布式。
在SPTN系統(tǒng)中,由控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制??刂破魍瓿删W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唾Y源統(tǒng)一管理、網(wǎng)絡(luò)抽象、路徑計(jì)算、策略管理等功能,同時(shí)控制協(xié)議適配層和應(yīng)用接口適配層,根據(jù)業(yè)務(wù)訴求為每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成轉(zhuǎn)發(fā)控制數(shù)據(jù),并下發(fā)到各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),控制網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)、保護(hù)恢復(fù)等行為。
從業(yè)務(wù)需求和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā),SPTN控制器總體架構(gòu)應(yīng)包括北向接口協(xié)議適配層、業(yè)務(wù)層、策略層、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層、資源抽象層以及南向接口協(xié)議適配層六個(gè)層次。同時(shí)還包括告警、性能、日志、數(shù)據(jù)庫(kù)以及和控制信令通道接口模塊等通用模塊功能,如圖5所示。
圖5 SPTN控制器功能層次劃分
北向接口協(xié)議適配層支持對(duì)業(yè)務(wù)適配的網(wǎng)絡(luò)資源編程和控制接口,南向接口協(xié)議適配層完成對(duì)下層控制器、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元的控制?,F(xiàn)有階段,如果控制器和網(wǎng)管共存,可以采用控制器與網(wǎng)管的私有接口,不需要南向接口協(xié)議適配層。
資源抽象層通過收集網(wǎng)元信息,獲取網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元、端口等狀態(tài)信息。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象,屏蔽物理網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)的能力,可以通過劃分域內(nèi)資源,將同一物理網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)虛擬子網(wǎng),提供給不同的用戶。資源抽象層可提供物理網(wǎng)絡(luò)抽象模型和虛擬網(wǎng)絡(luò)抽象模型用于路徑計(jì)算。
策略層完成策略管理功能,包括路由策略、保護(hù)恢復(fù)策略、QoS策略、OAM策略等控制策略。
業(yè)務(wù)層完成L2VPN、L3VPN、CES業(yè)務(wù)的建立與拆除,業(yè)務(wù)層使用策略層提供的各種策略完成業(yè)務(wù)尋路和保護(hù)恢復(fù)、QoS、OAM屬性設(shè)置。
通用功能模塊提供保障控制器正常、可靠工作必須的告警、性能、安全管理和日志查詢功能。
S-SCN(SPTN Signal Control Network,SPTN控制網(wǎng)絡(luò))完成控制器與控制器之間以及控制器與網(wǎng)元之間安全可靠的傳輸通道。
控制器支持與管理平面互通的接口。
數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)、策略、資源、告警、性能等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和同步。
SPTN網(wǎng)絡(luò)是一張大規(guī)模網(wǎng)絡(luò),每個(gè)APP需要服務(wù)數(shù)千萬的客戶,每個(gè)S-Controller需協(xié)調(diào)數(shù)十個(gè)域、數(shù)百萬條業(yè)務(wù),每個(gè)DController需管控?cái)?shù)十萬業(yè)務(wù)路徑,傳送平面包括數(shù)十萬網(wǎng)元,因此控制器的性能必須具備可以在SPTN大規(guī)模組網(wǎng)環(huán)境下實(shí)時(shí)計(jì)算路由和負(fù)載均衡。首先,根據(jù)控制器所處的地位對(duì)其大體劃分4個(gè)等級(jí),其對(duì)應(yīng)的路徑計(jì)算能力和處理消息能力如表1所示。
表1 控制器性能表
北向接口是指控制器之間、控制器和APP之間的接口,目前中國(guó)移動(dòng)采用RestConf接口標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí),管理平面仍然沿用Corba接口。Restconf是一種基于HTTP的接口協(xié)議,通過URI來描述資源,并通過GET/POST/PUT/DELETE 4個(gè)簡(jiǎn)單操作來描述功能,能很好地支持網(wǎng)絡(luò)編程,目前業(yè)界推出的SDN控制器的北向API基本上都是基于Restconf的架構(gòu)。SPTN控制平面的北向接口繼承衍生了部分管理平面Corba接口的功能,但是從抽象的角度、層次、面向的功能、采用的方法論上都完全不一樣,兩者是獨(dú)立的系統(tǒng)。
SPTN北向開放接口主要接口功能包括拓?fù)涔芾?、業(yè)務(wù)控制、告警、性能監(jiān)控以及安全管理等功能,如圖6所示。
南向接口指轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與控制器之間的接口,目前PTN設(shè)備的南向接口基于Qx/SNMP,是廠家私有接口。對(duì)于新建滿足SPTN標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò),需要支持基于ONF OpenFlow 1.3和OpenFlow Configuration 1.2擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)南向接口。擴(kuò)展主要針對(duì)MPLS-TP的OAM、APS、QoS等內(nèi)容,具體擴(kuò)展要求包括:
(1)轉(zhuǎn)發(fā)Pipeline上要能夠支持NNI到UNI側(cè)的處理,以及UNI到NNI的處理,這個(gè)處理過程需使SPTN系統(tǒng)能夠插入或者提取合適的OAM報(bào)文或者保護(hù)報(bào)文。
(2)對(duì)OAM的擴(kuò)展:滿足層次化的OAM要求,支持段層、PW層、LSP層以及業(yè)務(wù)層的各種OAM處理,以及不同廠家設(shè)備之間的互聯(lián)互通,對(duì)OAM的擴(kuò)展模塊應(yīng)置于傳送設(shè)備,用硬件實(shí)現(xiàn),以保證實(shí)時(shí)性。
(3)對(duì)線性保護(hù)倒換的擴(kuò)展:線性保護(hù)需要運(yùn)行較復(fù)雜的狀態(tài)機(jī),如果都運(yùn)行在控制平面,50ms以內(nèi)的快速保護(hù)倒換很難實(shí)現(xiàn)。在SPTN中建議將倒換狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行作為黑盒放置于傳送設(shè)備,該處理模塊與OAM模塊及OpenFlow Pipeline對(duì)接。同時(shí),控制器運(yùn)行協(xié)同機(jī)制,以保證保護(hù)倒換狀態(tài)的一致性。
目前,針對(duì)SPTN的TTP(Table Typing Patterns)規(guī)范已經(jīng)完成,并已成功進(jìn)行基于不同芯片廠商、具有標(biāo)準(zhǔn)化南向接口的SPTN設(shè)備互聯(lián)互通的演示。
圖6 SPTN北向接口功能圖
SPTN是PTN網(wǎng)絡(luò)的智能化演進(jìn),因此在引入之初,是為了解決PTN網(wǎng)絡(luò)亟待解決的問題設(shè)計(jì)而生的。SPTN在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的場(chǎng)景主要有LTE移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)和政企專線兩方面。
對(duì)于LTE移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò),SPTN可提供運(yùn)營(yíng)商APP,簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和資源優(yōu)化。中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)在省公司試點(diǎn)SPTN提升L3 PTN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維,L3 PTN網(wǎng)絡(luò)引入集中動(dòng)態(tài)控制,優(yōu)化回傳網(wǎng)絡(luò)資源配置,全局視角實(shí)現(xiàn)LTE回傳配置自動(dòng)化,簡(jiǎn)化運(yùn)維,提高資源利用率,提高TD-LTE回傳網(wǎng)絡(luò)生存性,在L2轉(zhuǎn)L3配置、新增基站配置、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容等方面可提升75%效率,并可優(yōu)化保護(hù)實(shí)現(xiàn)雙歸PW非同路由自動(dòng)調(diào)整。
對(duì)于政企專線,業(yè)務(wù)開通過程中,SPTN可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源集中化控制,協(xié)調(diào)多層多域跨廠家資源,實(shí)現(xiàn)“T+0”業(yè)務(wù)開通;在客戶體驗(yàn)方面,SPTN支持向用戶開放部分網(wǎng)絡(luò)資源,用戶可自主發(fā)起業(yè)務(wù)、申請(qǐng)帶寬調(diào)整,大客戶自主安裝APP,查看業(yè)務(wù)流量和SLA(Service-LevelAgreement,服務(wù)等級(jí)協(xié)議);此外,SPTN除向政企用戶提供傳統(tǒng)的固定帶寬專線服務(wù)外,還可以通過靈活的CIR(Committed Information Rate,保證帶寬)、PIR(Peak Information Rate,峰值帶寬)調(diào)度策略提供新型的專線業(yè)務(wù),進(jìn)一步提升客戶體驗(yàn)。
SPTN為L(zhǎng)TE移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)和政企專線的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維、業(yè)務(wù)開通帶來實(shí)實(shí)在在的好處,目前SPTN總體架構(gòu)、引入策略、控制器架構(gòu)、基本功能性能、北向接口已研究確定,未來將繼續(xù)推進(jìn)南向接口標(biāo)準(zhǔn)化,進(jìn)行SPTN互聯(lián)互通系統(tǒng)的規(guī)模現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn),后續(xù)將在中國(guó)移動(dòng)全網(wǎng)進(jìn)行規(guī)模部署。
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