基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)生存性研究

任丹萍，張麗靜，武姍姍

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲056038）

基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)生存性研究

任丹萍，張麗靜，武姍姍

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲056038）

為提高FiWi網(wǎng)絡(luò)的生存性，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SD N）技術(shù)引入到FiWi網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種新型生存性控制方案。詳細(xì)介紹了基于SD N的FiWi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，描述了新架構(gòu)中不同故障級別的生存性策略，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真和結(jié)果分析。

FiWi網(wǎng)絡(luò)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；生存性

0 引言

隨著視頻會(huì)議、IPTV、網(wǎng)絡(luò)電視直播等高帶寬業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，“最后一公里”的部署面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在眾多寬帶接入網(wǎng)中，由無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）和無線網(wǎng)狀網(wǎng)（WMN）融合而成的光纖無線融合寬帶接入網(wǎng)（FiWi）被認(rèn)為是最有前途的接入網(wǎng)組網(wǎng)方式[1，2]。由于FiWi網(wǎng)絡(luò)承載著大量的高速數(shù)據(jù)流量，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，將引起巨大的數(shù)據(jù)丟失，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，關(guān)于FiWi網(wǎng)絡(luò)的生存性研究非常重要[3]。目前，在FiWi網(wǎng)絡(luò)中，許多關(guān)于通過WMN實(shí)現(xiàn)FiWi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量恢復(fù)的方案被相繼提出[4,5]。但是，這類方案存在一些問題，如OLT和ONUs間的大量信息交互增大了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性；WMN選路資源受限，降低了網(wǎng)絡(luò)利用率，大大增加了數(shù)據(jù)流量恢復(fù)時(shí)延。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）作為一種未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能分離邏輯控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[6]。SDN將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊耦合在一起的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拆分成應(yīng)用層、控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層。其中，控制層可對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層中基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)資源集中控制，為異構(gòu)和多域的FiWi網(wǎng)絡(luò)資源靈活配置帶來了前所未有的便利[7，8]。目前，SDN憑借其集中控制的能力和靈活性，已應(yīng)用到PON和WMN中[10～12]，文獻(xiàn)[13]也設(shè)計(jì)了FiWi網(wǎng)絡(luò)的SDN架構(gòu)。但是，關(guān)于如何在基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)生存性策略的方法尚未出現(xiàn)。為優(yōu)化FiWi網(wǎng)絡(luò)的生存性，本文在基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)中分別針對ONU級別故障和域級別故障進(jìn)行研究。

1 FiWi網(wǎng)絡(luò)生存性的原理

FiWi網(wǎng)絡(luò)由前端WMN和后端PON構(gòu)成，主要由OLT、ONU與無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)中的無線路由器(WR)組成，從一個(gè)OLT向用戶端延展到與其連接的所有ONU和無線路由設(shè)備稱為FiWi的一個(gè)域。ONU是FiWi網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，每個(gè)ONU與一個(gè)無線網(wǎng)關(guān)連接，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與無線信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，用戶的數(shù)據(jù)流量通過無線路由器的多跳路徑以無線信號(hào)的形式傳輸?shù)絆NU，ONU通過時(shí)分多址接入（TDMA）方式將用戶流量以光信號(hào)的形式發(fā)送到OLT。

生存性被定義為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后能繼續(xù)進(jìn)行通信的一種能力，饋電光纖斷裂、分配光纖斷裂、OLT故障和ONU故障中任一種情況發(fā)生都會(huì)造成FiWi網(wǎng)絡(luò)丟失大量數(shù)據(jù)。本文主要通過前端WMN來恢復(fù)受影響流量的通信，分別研究了ONU級別故障和域級別故障發(fā)生時(shí)FiWi網(wǎng)絡(luò)的生存性策略。

ONU級別故障主要包括分配光纖斷裂和ONU設(shè)備故障，生存性原理如圖1所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一根分配光纖斷裂或一個(gè)ONU發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)流量就不能在相應(yīng)ONU上正常通信。受影響的數(shù)據(jù)流量通過前端WMN的多跳路徑轉(zhuǎn)發(fā)到同一個(gè)域中的無故障ONU（稱為代替ONU(S-ONU)）上，從而傳輸?shù)皆撚虻腛LT上，實(shí)現(xiàn)通信。

圖1 ONU級別故障

域級別故障主要包括饋電光纖斷裂和OLT設(shè)備故障，這類故障會(huì)使整個(gè)域的通信都受影響，其生存性原理如圖2所示。域級別故障發(fā)生時(shí)，從故障域和備用域中分別選取一個(gè)ONU作為備用ONU，采用備用光纖攔截這些備用ONU，故障域受影響的數(shù)據(jù)流量在域中通過無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)到域中備用ONU，進(jìn)而通過備用光纖傳輸?shù)絺溆糜蛑谢謴?fù)傳輸。

圖2 域級別故障

2 基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的FiWi網(wǎng)絡(luò)中，PON的OLT、ONU一直處于鏈路檢測的狀態(tài)，當(dāng)檢測到故障時(shí)，前端WMN重新選路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的恢復(fù)。大量的信令開銷、選路資源的局限性不僅增加了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，而且還增大了恢復(fù)時(shí)延。為提升FiWi網(wǎng)絡(luò)的性能，本文提出一種支持生存性策略的FiWi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于SDN的FiWi結(jié)構(gòu)

圖3中，基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)發(fā)平面、控制平面以及應(yīng)用平面構(gòu)成。基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)發(fā)平面主要通過OLT、ONUs、WRs轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，每一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)都是一臺(tái)OpenFlow交換機(jī)。FiWi網(wǎng)絡(luò)將這些基礎(chǔ)設(shè)施的控制層分離出來統(tǒng)一放到控制平面中，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)FiWi網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一控制。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，控制平面的控制消息通過OpenFlow協(xié)議下發(fā)給每個(gè)OpenFlow交換機(jī)，交換機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)流量恢復(fù)工作。

本文對控制平面進(jìn)行了擴(kuò)展，在原有標(biāo)準(zhǔn)Open-Flow控制器的基礎(chǔ)上增加了性能監(jiān)測模塊和節(jié)點(diǎn)選擇模塊，并使用了標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow控制器中的數(shù)據(jù)庫和路由策略模塊，具體的控制過程如圖4所示。

控制器動(dòng)態(tài)收集基礎(chǔ)設(shè)施平面的各OpenFlow交換機(jī)信息，并將其儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。性能監(jiān)測模塊動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中的信息，對比OLTs、ONUs的數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收情況信息，判斷出故障級別。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫將網(wǎng)絡(luò)資源利用情況反應(yīng)給節(jié)點(diǎn)選擇模塊。節(jié)點(diǎn)選擇模塊根據(jù)接收到的所有信息，選出合適的無故障ONUs、WRs。路由策略模塊以最快恢復(fù)數(shù)據(jù)流量為目標(biāo)，根據(jù)ONUs、WRs選擇情況制定出轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。其中，選擇合適的ONUs、WRs進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳是很關(guān)鍵的,下面對節(jié)點(diǎn)選擇模塊的功能進(jìn)行具體描述。

節(jié)點(diǎn)選擇模塊執(zhí)行的是一種最大保護(hù)選擇機(jī)制，該機(jī)制的主要思想是根據(jù)性能監(jiān)測模塊反映的故障信息、數(shù)據(jù)庫中各節(jié)點(diǎn)的帶寬利用情況信息，在不影響其它正常通信的情況下，利用網(wǎng)絡(luò)中空余的帶寬容量，選出能提供最快恢復(fù)數(shù)據(jù)流量的無故障ONUs、WRs。該機(jī)制的流程如圖5所示，詳細(xì)過程如下。

①節(jié)點(diǎn)選擇模塊接收性能監(jiān)測模塊發(fā)送來的故障信息和數(shù)據(jù)庫中的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用情況信息。

圖4 生存性控制流程圖

圖5 節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制流程圖

②若為ONU級別故障，節(jié)點(diǎn)選擇模塊對故障域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源分析，選出合適的ONUs、WRs，提供數(shù)據(jù)快速恢復(fù)所需的帶寬容量。此時(shí)情況分為兩類：若域內(nèi)空余帶寬容量充足，節(jié)點(diǎn)選擇模塊只需選擇域內(nèi)S-ONUs、WRs，數(shù)據(jù)流量在域內(nèi)就可恢復(fù)通信；若域內(nèi)空余帶寬容量不足，節(jié)點(diǎn)選擇模塊先選擇域內(nèi)SONUs、WRs，部分?jǐn)?shù)據(jù)流量在域內(nèi)恢復(fù)通信，再選擇備用域和備用域中的S-ONUs、WRs，剩余數(shù)據(jù)流量在備用域內(nèi)恢復(fù)通信。

③若為域級別故障，節(jié)點(diǎn)選擇模塊根據(jù)各域網(wǎng)絡(luò)資源的利用情況，先選擇空余帶寬容量充足的鄰域?yàn)閭溆糜?再在每個(gè)備用域中選擇合適的S-ONUs、WRs。

改革、開放，引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，從那時(shí)起成為印刷產(chǎn)業(yè)變革的主旋律。此后，中國印刷工業(yè)邁向發(fā)展的快車道，從告別鉛與火，走進(jìn)光與電，再到數(shù)與網(wǎng)。而在每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的背后，我們都能看到中國印工協(xié)的身影，典型如：1987年12月，《經(jīng)濟(jì)日報(bào)》率先使用的“計(jì)算機(jī)—漢字激光照排系統(tǒng)”順利通過國家級驗(yàn)收，宣告“世界上第一家采用計(jì)算機(jī)—漢字激光屏幕組版、整版輸出的中文報(bào)紙”誕生；90年代中期，我國重點(diǎn)書刊印刷廠全部采用國產(chǎn)激光照排系統(tǒng)。

④輸出ONUs、WRs的選擇情況信息，機(jī)制結(jié)束。

3 SDN-FiWi架構(gòu)中生存性策略

基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中各模塊協(xié)調(diào)配合，完成生存性控制策略指令的產(chǎn)生和下發(fā)，基礎(chǔ)設(shè)施平面的各OpenFlow交換機(jī)按照指令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，完成數(shù)據(jù)流量的恢復(fù)，具體恢復(fù)過程如下。

發(fā)生ONU級別故障時(shí)，若域內(nèi)空余帶寬容量滿足數(shù)據(jù)流量恢復(fù)需求，則執(zhí)行域內(nèi)恢復(fù)機(jī)制。域內(nèi)OLT、S-ONUs接收到指令后為數(shù)據(jù)流量恢復(fù)進(jìn)行資源分配，無需復(fù)雜的OLT、ONU之間的REPORT、GATE信息請求帶寬。故障域的WRs根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則將受影響的數(shù)據(jù)流量轉(zhuǎn)發(fā)到選定的S-ONUs中，進(jìn)而將數(shù)據(jù)流量傳輸?shù)絆LT。

同為ONU級別故障，但域內(nèi)空余帶寬容量不足，域內(nèi)OLT、S-ONUs以及域內(nèi)備用ONUs按指令進(jìn)行資源分配：①在域內(nèi)空余帶寬下，部分?jǐn)?shù)據(jù)流量在域內(nèi)執(zhí)行域內(nèi)恢復(fù)機(jī)制。②剩余未被恢復(fù)的數(shù)據(jù)流量先由域內(nèi)選定的WRs根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則通過無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)到域內(nèi)備用ONUs，進(jìn)而傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)選擇機(jī)制選定的備用域中，再在備用域中執(zhí)行域內(nèi)恢復(fù)機(jī)制。

對于域級別故障，選定的各備用域、ONUs和WRs收到控制器的控制命令后，先進(jìn)行資源分配，再在各域中執(zhí)行域內(nèi)恢復(fù)機(jī)制。

此策略實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一控制的功能，提高了故障監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，使域內(nèi)、各域間的帶寬能根據(jù)需要靈活配置，有效地降低了數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)延，減少了網(wǎng)絡(luò)信息復(fù)雜度和阻塞率。

4 網(wǎng)絡(luò)仿真

基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)生存性策略與傳統(tǒng)FiWi網(wǎng)絡(luò)生存性策略中的數(shù)據(jù)流量恢復(fù)時(shí)延隨數(shù)據(jù)流量變化的變化情況如圖6所示。數(shù)據(jù)流量恢復(fù)時(shí)延隨著故障域中流量的增大而增加，基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量恢復(fù)時(shí)延低于傳統(tǒng)FiWi網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量恢復(fù)時(shí)延。這是因?yàn)榛赟DN的FiWi網(wǎng)絡(luò)中的控制器對網(wǎng)絡(luò)資源采用集中控制方式，與傳統(tǒng)FiWi網(wǎng)絡(luò)的生存性策略相比，它節(jié)省了節(jié)點(diǎn)間大量信息交換的過程，縮小了故障判斷時(shí)間和無線選路時(shí)間，從而降低了恢復(fù)時(shí)延。

基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)生存性策略與傳統(tǒng)FiWi網(wǎng)絡(luò)生存性策略的網(wǎng)絡(luò)阻塞率情況如圖7所示。網(wǎng)絡(luò)阻塞率隨故障域中流量的增加而增大，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量較小時(shí)，兩者的網(wǎng)絡(luò)阻塞率均接近零。隨著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的不斷增大，基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)阻塞率優(yōu)勢逐漸明顯，這是由于在基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制信息數(shù)量減少，且控制器對Fi-Wi網(wǎng)絡(luò)中各域資源統(tǒng)一管理、靈活配置，從而降低了網(wǎng)絡(luò)阻塞率。

圖6 FiWi網(wǎng)絡(luò)故障域中不同流量下的恢復(fù)時(shí)延

圖7 FiWi網(wǎng)絡(luò)中總數(shù)據(jù)流量不同時(shí)的網(wǎng)絡(luò)阻塞率

5 結(jié)束語

本文針對FiWi網(wǎng)絡(luò)中的受損數(shù)據(jù)流量恢復(fù)時(shí)延問題，提出了一種基于SDN的FiWi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本架構(gòu)利用控制器實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的集中控制，簡化了各FiWi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信過程，提高了FiWi網(wǎng)絡(luò)的生存性。仿真結(jié)果表明，本文提出的生存性方案有效降低了受損數(shù)據(jù)流量恢復(fù)時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)阻塞率。

[1]ZHU Z,LU P,RODRIGUES J J P C,et al.Energy-efficient wideband cable access networks in future smart cities[J].IEEE Communications Magazine,2013,51(6)：94-100.

[2]GHAZISAIDI N,MAIER M.Fiber-wireless(FiWi)access networks：Challenges and opportunities[J].IEEE Network,2011,25(1)：36-42.

[3]AURZADA F,LVESQUE M,MAIER M,et al.FiWi access networks based on next-generation PON and gigabit-class WLAN technologies：A capacity and delay analysis[J].IEEE/ACM Transactions on Networking (TON),2014,22(4)：1176-1189.

[4]BHATT U R,SARSODIA T,UPADHYAY R.Survivability of a integrated fiber-wireless(FiWi)access networks[C].Issues and Challenges in Intelligent Computing Techniques(ICICT),Ghaziabad,India：IEEE,2014.

[5]YU Y,LIU Y,GUO L.Maximum covering planning of survivable Fiber-Wireless access network considering network connectivity[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2014,125(23)：6946-6952.

[6]左青云,陳鳴,趙廣松,等.基于OpenFlow的SDN技術(shù)研究[J].軟件學(xué)報(bào),2013,24(5)：1078-1097.

[7]CVIJETIC N,TANAKA A,JI P,et al.SDN and OpenFlow for dynamic flex-grid optical access and aggregation networks[J].Journal of Lightwave Technology,2014,32(4)：864-870.

[8]PAROL P,PAWLOWSKI M P.Towards networks of the future：SDN paradigm introduction to PON networking for business applications[C]. lodz,poland：Computer Science and Information Systems(FedCSIS),IEEE, 2013.

[9]任丹萍,武姍姍,張麗靜.EPON中基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的帶寬優(yōu)化節(jié)能機(jī)制[J].光通信技術(shù),2015,39(8)：33-36.

[10]LEE Y,KIM Y.A design of 10 Gigabit Capable Passive Optical Network(XG-PON1)architecture based on Software Defined Network(SDN) [C].Siem Reap,Cambodia：Information Networking(ICOIN),IEEE,2015.

[11]LEE G,MURRAY A T.Maximal covering with network survivability requirements in wireless mesh networks[J].Computers,Environment and Urban Systems,2010,34(1)：49-57.

[12]SALSANO S,SIRACUSANO G,DETTI A,et al.Controller selection in a Wireless Mesh SDN under network partitioning and merging scenarios [J].arXiv preprint arXiv,2014(1406)：2470-2475.

[13]李文竹,馮楠,任丹萍,等.基于SDN的光纖無線混合接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究[J].光通信研究,2014(6)：22-25.

Study of FiWi network's survivability based on SDN

REN Dan-ping,ZHANG Li-jing,WU Shan-shan
(School of Information and Electric Engineering, Hebei University of Engineering,Handan Hebei 056038,China)

In order to improve the survivability in fiber wireless(FiWi)access network,the paper introduces the SDN into FiWi networks,proposes a new survivability control scheme.It details the structure of FiWi network based on SDN,describes different survivability strategies to the different fault levels in the new network architecture,and analyses the simulation results.

FiWi networks,software defined network,survivability

TN915.05;TN925.93

A

1002-5561（2016）04-0001-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.001

2015-12-23。

河北省自然科學(xué)基金(F2014402075)資助；河北省邯鄲市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(1421103054-6)資助；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN20131064)資助。

任丹萍(1984-)，女，博士，講師，主要研究方向?yàn)橄乱淮饩W(wǎng)絡(luò)與寬帶接入、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。