SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在廣電行業(yè)的應(yīng)用研究

朱亞東 江蘇省廣播電視科學(xué)研究所有限公司

SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在廣電行業(yè)的應(yīng)用研究

朱亞東 江蘇省廣播電視科學(xué)研究所有限公司

SDN已經(jīng)成為通信界最熱門的詞匯之一，其基于控制和轉(zhuǎn)發(fā)相分離的思路，實現(xiàn)了控制和業(yè)務(wù)的可編程，獲得了傳統(tǒng)設(shè)備商、IT服務(wù)提供商、互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商、運營商等的青睞。本文首先就SDN的概念做了簡要介紹，然后分析了其架構(gòu)和應(yīng)用價值，并對SDN在廣播行業(yè)的應(yīng)用做了詳細(xì)的分析和介紹。

SDN OpenFlow SDI Over IP

一、SDN的概念

SDN (Software-defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò))是起源于美國斯坦福大學(xué)實驗室研究項目的技術(shù)。2006年斯坦福的學(xué)生Casado M和他的導(dǎo)師McKeown N教授受其研究項目Ethane啟發(fā)，提出了OpenFlow的概念。OpenFlow 將控制功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中分離出來，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上維護(hù)流表(flow table)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分組按照流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而流表的生成、維護(hù)、配置則由中央控制器來管理。OpenFlow 的流表結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)處理層次扁平化，使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理滿足細(xì)粒度的處理要求。在這種控制轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)的邏輯控制功能和高層策略可以通過中央控制器靈活地進(jìn)行動態(tài)管理和配置，可在不影響傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)正常流量的情況下，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)和部署新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

OpenFlow 最初是為校園網(wǎng)絡(luò)研究人員設(shè)計其創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出的供真實的實驗平臺。隨后，McKeown 等研究者開始推廣 SDN 概念，并引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。 SDN將網(wǎng)絡(luò)配置平面從嵌入式結(jié)點中獨立出，以開放軟件模式的控制平面替代了傳統(tǒng)基于系統(tǒng)嵌入的控制平面，由軟件驅(qū)動的中央控制結(jié)點來自動化控制整個網(wǎng)絡(luò)。OpenFlow初步實現(xiàn)了 SDN的原型設(shè)計思想,推動了SDN技術(shù)的快速發(fā)展,簡化了網(wǎng)絡(luò)的配置模式,增加了網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的開放性,在某種程度上符合未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求,也是目前 SDN 最通用的實現(xiàn)方式。基于OpenFlow 的 SDN 技術(shù)通過軟件平臺來打造彈性化的可控互聯(lián)網(wǎng)，在給網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來巨大沖擊的同時,也為未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了一種新的解決思路。

OpenFlow 作為 SDN 的原型實現(xiàn)方式,代表了SDN控制轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)。隨著 SDN 技術(shù)得到認(rèn)可,從嚴(yán)格定義上來講,OpenFlow 指的是 SDN 控制平面和數(shù)據(jù)平面之間多種通信協(xié)議之一,但實際上,OpenFlow 以其良好的靈活性、規(guī)范性已被看作 SDN 通信協(xié)議事實上的標(biāo)準(zhǔn),類似于 TCP/IP 協(xié)議作為互聯(lián)網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化組織開放網(wǎng)絡(luò)基金會（Open Networking Fundation，ONF）是目前OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)制定的重要推動力。OpenFlow作為目前比較成熟的 SDN控制協(xié)議，已獲得多家廠商的支持。

二、SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及價值

SDN作為當(dāng)前最熱門的一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一,它解放了手工操作，減少了配置錯誤，易于統(tǒng)一快速部署，其設(shè)計理念是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，使得轉(zhuǎn)發(fā)能力可以直接編程進(jìn)行控制，為研發(fā)網(wǎng)絡(luò)新應(yīng)用和未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了一種新的解決方案。

SDN模型架構(gòu)分為 3 個層面：即應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層。其中應(yīng)用層（AL）由眾多應(yīng)用軟件構(gòu)成，包括各種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，可以管理和控制網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)用轉(zhuǎn)發(fā)/處理的策略，也支持對網(wǎng)絡(luò)屬性的配置提升網(wǎng)絡(luò)利用率、保障特定應(yīng)用的安全和服務(wù)質(zhì)量；控制層（也稱為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS））主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面資源的抽象信息，可支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、狀態(tài)信息的匯總和維護(hù)，并基于應(yīng)用的控制來調(diào)用不同的轉(zhuǎn)發(fā)面資源；基礎(chǔ)設(shè)施層（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層）主要由支持openflow協(xié) 議 的SDN 交換 機(jī) 組 成，負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。SDN模型架構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 SDN模型架構(gòu)

在 SDN 的這種 3 層架構(gòu)下,網(wǎng)絡(luò)的運行維護(hù)僅需通過軟件的更新來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的升級,網(wǎng)絡(luò)配置將通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用程序的形式直接得到部署,網(wǎng)絡(luò)管理者無須再針對每一個硬件設(shè)備進(jìn)行配置或者等待網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商硬件的發(fā)布,從而加速網(wǎng)絡(luò)部署周期。同時,SDN 降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度,使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從封閉走向開放,底層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)Ｗ⒂跀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而使得功能簡化,有效降低網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本。另一方面,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點只能通過局部狀態(tài)和分布式算法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),因而很難達(dá)到最優(yōu)性能。SDN 通過軟件來實現(xiàn)集中控制,使得網(wǎng)絡(luò)具備集中協(xié)調(diào)點,因而能夠通過軟件形式達(dá)到最優(yōu)性能,從而加速網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新周期。

由于SDN實現(xiàn)了控制功能與數(shù)據(jù)平面的分離和網(wǎng)絡(luò)可編程，進(jìn)而為更集中化、精細(xì)化地控制奠定了基礎(chǔ)，因此SDN相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢 ：

（1）將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集中處理，有利于提高復(fù)雜協(xié)議的運算效率和收斂速度。

（2）控制的集中化有利于從更宏觀的角度調(diào)配傳輸帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源，提高資源的利用效率。

（3）簡化了運維管理的工作量，大幅節(jié)約運維費用。

（4）通過SDN可編程性，工程師可以在一個底層物理基礎(chǔ)設(shè)施上加速多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，然后使用SDN控制器分別為每個網(wǎng)段實現(xiàn)QoS(服務(wù)質(zhì)量)，從而擴(kuò)大了傳統(tǒng)差異化服務(wù)的程度和靈活性。

（5）業(yè)務(wù)定制的軟件化有利于新業(yè)務(wù)的測試和快速部署。

（6）控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，實施控制策略軟件化，有利于網(wǎng)絡(luò)的智能化、自動化和硬件的標(biāo)準(zhǔn)化。

SDN 的主要特征包括3個方面：

（1）網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化

支持邏輯網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)分離，邏輯網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要配置、遷移，不受物理位置的限制。

（2）網(wǎng)絡(luò)控制集中化

支持網(wǎng)絡(luò)資源的集中控制，使得全局優(yōu)化成為可能，比如流量工程、負(fù)載均衡。支持整個網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作一臺設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，設(shè)備零配置即插即用，大大降低運維成本。

（3）網(wǎng)絡(luò)能力開放化

應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的無縫集成，應(yīng)用告訴網(wǎng)絡(luò)如何運行才能更好地滿足應(yīng)用的需求，比如業(yè)務(wù)的帶寬、時延需求，路由的成本等。

SDN 本質(zhì)上具有控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離 、設(shè)備資源虛擬化和通用硬件及軟件可編程三大特性，可以實現(xiàn)如下功能：

（1）設(shè)備硬件歸一化，硬件只關(guān)注轉(zhuǎn)發(fā)和存儲能力，與業(yè)務(wù)特性解耦，可以采用相對廉價的商用架構(gòu)來實現(xiàn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)的智能性全部由軟件實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類及功能由軟件配置確定，對網(wǎng)絡(luò)的操作控制和運行由服務(wù)器（作為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)）完成。

（3）業(yè)務(wù)響應(yīng)相對更快 ，可以定制各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如路由、安全、策略、QoS、流量工程等，并實時配置到網(wǎng)絡(luò)中，縮短開通具體業(yè)務(wù)的時間。

三、SDN在廣電中的應(yīng)用

隨著電視的商用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)前景變得越來越好，廣播電視設(shè)備供應(yīng)商都渴望獲得IP技術(shù)帶來的好處。現(xiàn)在的問題是，廣播電視設(shè)備供應(yīng)商如何用盡可能少的風(fēng)險和破壞來改變他們的設(shè)備來實現(xiàn)IP的好處？

基于文件的傳輸流和壓縮信號的工作流程已經(jīng)大規(guī)模利用IP互聯(lián)互通，目前萬兆以太網(wǎng)成熟，設(shè)備穩(wěn)定，這使得實時SDI信號可以通過IP高效可靠地傳送。為了支持過渡到基于IP的信號路由，傳統(tǒng)廣電專業(yè)廠商正在通過擴(kuò)充現(xiàn)有的SDI矩陣控制系統(tǒng)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的方法來管理IP交換基礎(chǔ)設(shè)備，創(chuàng)建了一種新的混合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)--總體信號路由管理系統(tǒng)。它實現(xiàn)了傳統(tǒng)廣播信號的路由及分配和下一代軟件定義工作流程和網(wǎng)絡(luò)的無縫融合。這種系統(tǒng)支持所有的基帶路徑控制系統(tǒng)的功能，同時還塑造基于IP的設(shè)備和連接來執(zhí)行類似路由器的功能，這是從命令和控制的角度來看的。

1.SDN混合IP/基帶（Baseband）解決方案的優(yōu)勢

1）通過IP的信號流來提高效率，同時保持充分理解運營工作流；

2）快速適應(yīng)市場動態(tài)，并輕松過渡到基于云的業(yè)務(wù)；

3）通過連接的開發(fā)環(huán)境快速而輕松地部署新服務(wù)；

4）通過線性和非線性業(yè)務(wù)盈利，并集成了先進(jìn)的廣告功能；

5）利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施投資，同時推出新的應(yīng)用。

2.視頻在IP標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

目前，IP基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行傳輸廣泛采用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是：

1）SMPTE 2022-6（帶2022-5 FEC），這正好把整個SDI的有效載荷映射到IP 。

2）SMPTE 2022-2（帶2022-1 FEC）MPEG-2的TS轉(zhuǎn)換為IP 。

3）SMPTE 2022-7無中斷切換，它規(guī)定了一個雙通道的冗余架構(gòu)的流屬性。

對于未壓縮視頻和音頻信號，使用SMPTE 2022-6運輸SDI有效載荷通過IP網(wǎng)絡(luò)。此有效載荷包括活動視頻圖像，所述（嵌入）音頻通道以及封裝為VANC數(shù)據(jù)的各種輔助數(shù)據(jù)元素。這些項目被一起多路復(fù)用成SDI成幀結(jié)構(gòu)，它提供了頻率和相位的一個緊鎖定，實現(xiàn)在專業(yè)應(yīng)用中所需的生產(chǎn)同步的水平。

在壓縮信號的情況下，使用MPEG -2傳輸流結(jié)構(gòu)，采用SMPTE 2022-2封裝為IP 。MPEG-2的傳輸流結(jié)構(gòu)包括用于視頻、音頻和數(shù)據(jù)元素同步的規(guī)定，元件都包含在TS包中。在IP上流動的SMPTE 2022-2傳輸流是典型的單節(jié)目傳輸流（ SPTS ），以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換節(jié)目最大的靈活性；然而，MPTS流是被確定允許的并在某些情況下是有用的。

SDI的基礎(chǔ)設(shè)施和基于IP連通性之間的相互作用用聯(lián)絡(luò)線控制方法進(jìn)行管理，IP交換機(jī)帶寬的配置也用聯(lián)絡(luò)線方式進(jìn)行管理。通過采用這種方法，設(shè)備的上游功能 - 自動化，運算系統(tǒng)，多畫面和主控切換臺 - 繼續(xù)使用現(xiàn)有的業(yè)界常用的路由控制協(xié)議。

冗余的IP基礎(chǔ)設(shè)施

由于在通用內(nèi)部的冗余IT切換相對于經(jīng)典SDI路由器是沒有可比性的，在IP路由環(huán)境使用完全冗余交換機(jī)。每個端設(shè)備將被連接到兩個冗余切換環(huán)境。相比一個SDI路由器冗余交叉點，這種技術(shù)的好處是不僅交換機(jī)而且布線是多余的。

3.SMPTE 2022-6網(wǎng)絡(luò)同步和定時

傳統(tǒng)的SDI網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用設(shè)備的黑場脈沖或類似的同步信號實現(xiàn)同步。對于基于IP的SDI設(shè)備，同步到本地黑場脈沖參數(shù)的類似方法是存在的，以實現(xiàn)當(dāng)前設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的互操作。另外，隨著PTP時間變得越來越普遍，將支持從基于以太網(wǎng)的PTP時間（SMPTE 2059時間）發(fā)展SDI參數(shù)。

基于IP （SMPTE 2022-6 ）未壓縮的視頻信號被定義了一個非常低的封裝延遲。解封裝受數(shù)據(jù)緩沖的影響，為消除網(wǎng)絡(luò)抖動，應(yīng)使用FEC糾錯信號，并且還匹配了SMPTE 2022-7系統(tǒng)中路徑延遲的差異。在多個接收節(jié)點，可以為每個接收器指定抖動緩沖器和路徑延遲匹配緩沖器，以使端至端延遲能被優(yōu)化。在典型的直播室內(nèi)或內(nèi)部傳輸?shù)那闆r下的抖動緩沖器的延時是幾毫秒，并且路徑延遲緩沖更小，延遲是恰好由接收機(jī)中的幀同步器引入的一幀。

四、結(jié)束語

SDN 的模式適應(yīng)了降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、虛擬化及云計算的網(wǎng)絡(luò)需求，使得傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從封閉走向開放，實現(xiàn)了控制平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和應(yīng)用平面的分離，底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備功能專注而簡化，控制平面通過規(guī)范的接口與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通信，同時為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供可擴(kuò)展的接口，便于進(jìn)行統(tǒng)一、靈活、高效的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)。

盡管 SDN 可以解決網(wǎng)絡(luò)管理、運營維護(hù)和成本問題，但從目前發(fā)展階段來看，SDN/OpenFlow 技術(shù)的應(yīng)用還是需要較長時間的發(fā)展和普及。由于每個控制節(jié)點和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點需要維護(hù)大量“數(shù)據(jù)流表”，控制節(jié)點或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的內(nèi)存及其他資源需求相應(yīng)提高，大量突發(fā)的第一次“數(shù)據(jù)流”建立會導(dǎo)致控制器瓶頸問題，同時若控制點發(fā)生故障，大量“數(shù)據(jù)流”需要在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點重建，突發(fā)的“數(shù)據(jù)流”配置對網(wǎng)絡(luò)的性能和魯棒性都會產(chǎn)生很大影響，故SDN的發(fā)展與應(yīng)用還有很長的路要走。尤其是在廣播行業(yè)，SDN還并沒有充分展現(xiàn)它的優(yōu)勢，還需要更多的專業(yè)人士研究拓展它的新領(lǐng)域。

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