基于SDN的光傳送網(wǎng)研究

唐智飛, 林何平, 高軍詩

（中國移動通信集團設計院有限公司, 北京 100080）

1 引言

SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡）是一種以OpenFlow為核心技術的新型網(wǎng)絡架構。SDN于2006年誕生于美國斯坦福大學，研究團隊首先將這個理念運用于校園網(wǎng)中；在2009～2012年這3年中，SDN主要在互聯(lián)網(wǎng)中使用發(fā)展；從2012年至今，SDN技術已經(jīng)慢慢引入到電信業(yè)。它從傳統(tǒng)的架構中分離出控制功能，從而使其在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中形成邏輯上的獨立環(huán)境，利用開放API（應用編程接口），使用戶通過軟件編程控制網(wǎng)絡改變傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，這種新架構也成為了未來光傳送網(wǎng)絡（OTN）技術的發(fā)展方向之一。

2 SDN的標準化與網(wǎng)絡架構

SDN的標準化對其發(fā)展十分重要，在標準化過程中做出主要貢獻的有：ODF（Open Network Foundation，開放網(wǎng)絡基金會）、ITU（International Telecommunication Union，國際電信聯(lián)盟）、OIF（Optical Internetworking Forum,光互聯(lián)論壇）、IETF（Internet Engineering Task Force, 互聯(lián)網(wǎng)工程任務組）。

（1）ONF主要通過OpenFLow協(xié)議推動SDN的可行性研究，成立了光傳送工作組（OTWG）研究了基于SDN和OpenFlow標準在光傳送網(wǎng)的控制能力。

（2）ITU主要對光傳送網(wǎng)架構及傳送網(wǎng)管理和控制展開研究，并在2014年3月在SG15全會上啟動了對SDN控制的傳送網(wǎng)體系架構標準研究的工作。

（3）OIF主要通過對傳送SDN的需求和應用場景研究，從而輸出一個傳送SDN的需求文檔，通過互通測試來推動SDN發(fā)展。

（4）IETF主要通過相關協(xié)議擴展SDN的功能，從而研究出演進型網(wǎng)絡架構。

SDN網(wǎng)絡架構的設計理念就是將網(wǎng)絡控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，從而實現(xiàn)可編程的網(wǎng)絡架構，典型的SDN架構如圖1所示。構架分為應用層、控制層及基礎設施層。

其中，最上層為應用層，包括各種業(yè)務及應用；控制層主要負責處理數(shù)據(jù)平面的相關資源；基礎設施層負責基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉發(fā)和狀態(tài)收集。中間控制層系統(tǒng)的南向接口是與物理設備或網(wǎng)絡設備連接，北向接口通過API的形式給SDN應用。在SDN架構中物理設備或網(wǎng)絡設備只負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)，比起現(xiàn)有網(wǎng)絡，設備既要對流量進行控制又要轉發(fā)，很大程度上降低了業(yè)務與設備之間的耦合性，網(wǎng)絡形態(tài)向SDN設備形態(tài)轉變?nèi)鐖D2所示。

圖1 SDN典型架構

圖2 SDN設備形式

3 OTN技術的發(fā)展趨勢

近年來，由于互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，對寬帶需求也在逐漸增大，這對基礎設施OTN設備的硬件來說是一種挑戰(zhàn)，目前興起的100 Gbit/s系統(tǒng)主要是采用PM-QPSK的編碼方式并結合四位相干檢測技術，為了達到10 Gbit/s系統(tǒng)一樣的傳輸距離，100 Gbit/s系統(tǒng)必須降低系統(tǒng)對峰值信噪比和色散容限的要求，并且要克服非線性效應的影響，通過偏振復用、新型編碼調(diào)制、FEC、相干檢測、DSP等技術的引入提高了100 Gbit/s系統(tǒng)的傳輸速率。

國內(nèi)各運營商掀起了傳輸設備100 Gbit/s網(wǎng)絡建設，2012年底中國移動率先完成了100 Gbit/s的測試并進行采購，逐漸將大容量傳輸設備投入現(xiàn)網(wǎng)使用。據(jù)統(tǒng)計我國干線傳輸網(wǎng)的流量以每年50%的速度增長，所以設備業(yè)務口帶寬從10 Gbit/s到40 Gbit/s最后發(fā)展為100 Gbit/s的時間間隔也不斷縮小，傳輸設備的硬件發(fā)展速度越來越難滿足網(wǎng)絡發(fā)展的速度，從另一個側面也反應了大容量設備對技術的要求越來越嚴格。電信業(yè)務的IP化使得OTN從業(yè)務接口的適應性向分組化多業(yè)務的轉化，數(shù)據(jù)業(yè)務的突發(fā)性和不確定性增加。當前網(wǎng)絡多以典型的環(huán)型或鏈型結構拓撲，光層和OTN兩層獨立配置為主，OTT（移動寬帶、視頻）等快速增長，使得每Bit成本大幅下降，網(wǎng)絡將向多層、大網(wǎng)多域等更復雜的網(wǎng)絡架構演進,這促使光傳送網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式從端到端或者靜態(tài)組網(wǎng)的方式向更加靈活多變的網(wǎng)絡發(fā)展。

傳送網(wǎng)中使用的控制架構和協(xié)議主要分為以GMPLS（Generalized Multi Protocol Label Switching，通用多協(xié)議標記交換）為代表的分布式和Open Flow協(xié)議為代表的集中式。其中，GMPLS是由IETF提出的通用網(wǎng)絡控制平面架構，被通信運營商用于管理物理鏈路及核心管道技術。由于GMPLS是采用靜態(tài)網(wǎng)絡配置的方式，使傳送網(wǎng)承載的應用和客戶層網(wǎng)絡分離，無法動態(tài)滿足業(yè)務需求。如何做到動態(tài)可調(diào)，就要提到Open Flow協(xié)議，該協(xié)議通過分離目前處于網(wǎng)絡設備的主要組成部分數(shù)據(jù)平面和控制平面，從而達到集中式控制。為了加快業(yè)務部署，降低成本，將目前趨于固定單一的啞管道轉變?yōu)橹悄軓椥怨艿?，提高資源利用率，引入SDN技術，通過開放北向接口，客戶化定制和管理、可編程、智能管道控制，從而做到精細化運營和提高帶寬利用率，由此看出高速率傳輸、大容量交換、智能控制、多業(yè)務分組化和軟件可編程是未來OTN發(fā)展的5種趨勢。

4 結合SDN的光傳送網(wǎng)

基于SDN架構的OTN，就是用靈活可編制的軟件從而實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)整。OTN網(wǎng)絡軟件可編程有：編碼可調(diào)，數(shù)據(jù)封裝速率和靈活的間隔。

眾所周知，不同光傳輸場景下需要不同編碼調(diào)制及光模塊，光路可以通過多種物理性能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，F(xiàn)lex TRX則根據(jù)距離、帶寬等參數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)模塊從而達到利用率最高；通用映射規(guī)程（GMP）實現(xiàn)OTN內(nèi)多業(yè)務的封裝和承載，隨著業(yè)務速率的增加，固定速率的封裝已不能滿足大帶寬和靈活配置的要求，F(xiàn)lex OTN則通過可變的封裝容器，靈活映射數(shù)據(jù)封裝；可重構型光分插復用器（ROADM）可以使光層不同的波長進行交換或者動態(tài)的上下業(yè)務。但不斷涌入的大容量速率的出現(xiàn)，原有的固定間隔被Flex Grid ROADM打破，通過采用靈活的可編程的波長選擇濾波集成組件。

為了解決大規(guī)模組網(wǎng)所帶來的網(wǎng)絡控制復雜與資源利用低的問題，光網(wǎng)絡控制體系必須完成從封閉到開放的改變，SDN在光控制層面演進主要存在3種方式。

（1） 保守型，指在目前已有的集中控制架構和協(xié)議上直接使用SDN的光控制器進行管理，即將ASON/GMPLS信令等分布式控制功能統(tǒng)一到PCE上實現(xiàn)。

（2） 激進型，指SDN完全取代ASON、GMPLS及PCE架構，打破已有的分布式控制的模式，并更改所有域的橫向控制和相關協(xié)議。

（3） 平滑型，指將ASON、PCE的部分功能移植到SDN上，利用前期的成果，使其成為SDN控制器中的一個功能模塊。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡L2/L3為Ethernet/IP數(shù)據(jù)層，L0/L1為SDH/WDM傳輸層，L3/L2層較L1/L0更加靈活，并且數(shù)據(jù)層是控制轉發(fā)合一的，但傳輸層則是分離的。如何將這兩層統(tǒng)一的管理起來，就要依靠SDN技術。首先分析一下IP與光層的演進模式，IP+光靜態(tài)協(xié)同，通過網(wǎng)管統(tǒng)一管理建立光通路，IP與光動態(tài)協(xié)同，就是在IP與光層中間加入了分布式部署；IP與光層集中統(tǒng)一控制，即控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，構成全網(wǎng)集中管控；最后進入IP與光跨層結合，為了滿足業(yè)務的分組化和多樣化，采用P-OTN技術解決全業(yè)務統(tǒng)一承載。

5 SDN面臨的挑戰(zhàn)

前面主要介紹SDN的優(yōu)勢，但SDN也有不足：由于軟件的復雜度高，所以穩(wěn)定性和運算壓力會存在隱患，要實時優(yōu)化路由，運算量會隨著網(wǎng)元數(shù)量呈幾何增長，容易影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；ONF僅定義了控制器與設備之間的南向接口，沒有開放控制器與應用程序之間的北向接口，導致各廠家設備互通增加難度；SDN的控制過于集中化，單點產(chǎn)生意外會導致網(wǎng)絡產(chǎn)生很大風險；在演進中硬件兼容性存在挑戰(zhàn)；各廠家利益也是阻礙SDN發(fā)展的因素之一。

6 結束語

綜上所述，SDN對傳統(tǒng)網(wǎng)絡建設和組網(wǎng)模式產(chǎn)生著重大的影響，即將原有的數(shù)據(jù)平面和控制平面分離，從而動態(tài)管理整個網(wǎng)絡。雖對固有的網(wǎng)絡建設和管理造成挑戰(zhàn)，但這并不影響SDN技術作為光傳送網(wǎng)絡未來的發(fā)展趨勢，要深入研究SDN技術的標準化，創(chuàng)新網(wǎng)絡架構，從而真正面對并解決SDN所帶來的挑戰(zhàn)。

[1]Azodolmolky S.Integrated OpenFlow-GMPLS control plane: an overlay model for software defined packet over optical networks[J].Optics Express, 2011（26):19.

[2]何煒, 楊鑄, 蔡鳴, 等.光傳送網(wǎng)的SDN化趨勢及影響[J].光通信研究, 2014（3):40.

[3]王茜, 趙慧玲, 解云鵬.SDN標準化和應用場景探討[J].中興通訊技術, 2013（5):19.

[4]鄭毅, 華一強, 何曉峰.SDN的特征、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].電信科學, 2013（9):29.