基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的光傳送網(wǎng)研究與設(shè)計(jì)

廖振宇

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074；2.武漢烽火國(guó)際技術(shù)有限責(zé)任公司湖北武漢430074）

當(dāng)下，作為骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)的OTN（光傳送網(wǎng)絡(luò)）建設(shè)規(guī)模十分巨大，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化程度與日俱增。同時(shí)，隨著大數(shù)據(jù)，云計(jì)算，VR等新業(yè)務(wù)的發(fā)展，以及可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)5G商用落地，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的需求目前呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，而且未來(lái)會(huì)隨著業(yè)務(wù)需求持續(xù)增長(zhǎng)，OTN系統(tǒng)單純擴(kuò)容的解決方案讓運(yùn)營(yíng)商面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-3]。同時(shí)業(yè)務(wù)的多樣性，業(yè)務(wù)流量突發(fā)性與路徑不可預(yù)知性，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的智能化需求越來(lái)越高，目前，對(duì)基于固定頻譜，固定接口速率的傳統(tǒng)靜態(tài)，剛性光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造優(yōu)化，精簡(jiǎn)光傳送網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)以降低成本、簡(jiǎn)化管理、提供及時(shí)的服務(wù)響應(yīng)和提高資源利用率為目的的技術(shù)變革是對(duì)未來(lái)光傳送網(wǎng)的普遍認(rèn)知。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的核心思想是邏輯上集中控制平面，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)與控制相分離，開放應(yīng)用程序接口使網(wǎng)絡(luò)可編程化[4]。這一顛覆傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的思想，為OTN的演進(jìn)與發(fā)展提供了思路，引入SDN技術(shù)，將有望從根本上創(chuàng)造一個(gè)高效智能，動(dòng)態(tài)靈活的骨干傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。而控制器是SDN體系架構(gòu)中的大腦，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由分布向集中轉(zhuǎn)變以及轉(zhuǎn)控分離的核心所在[5-7]。

1 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的可行性

SDN的提出給電信業(yè)提供了無(wú)限可能，需要有全新的支持SDN設(shè)計(jì)思想的OTN軟、硬件系統(tǒng)來(lái)滿足網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)和變革。但SDN技術(shù)的落地，不能也不會(huì)是孤軍直入，摒棄以往的技術(shù)積累，而是新的協(xié)議擴(kuò)展與現(xiàn)有技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平滑升級(jí)[8-10]。光網(wǎng)絡(luò)的智能化發(fā)展已被廣泛運(yùn)用的技術(shù)路線有自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）和基于路徑計(jì)算單元的光網(wǎng)絡(luò)（PCE）。自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)是基于通用多協(xié)議標(biāo)志交換（GMPLS）為光網(wǎng)絡(luò)引進(jìn)控制平面，實(shí)現(xiàn)了光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)連接與刪除，故障的快速恢復(fù)，但ASON是基于分布式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議復(fù)雜，多域管理困難，難以實(shí)現(xiàn)不同廠家的設(shè)備互通。基于路徑計(jì)算單元的光網(wǎng)絡(luò)是一種集中控制方案，其將路徑計(jì)算與流量控制功能從控制平面中分離出來(lái)，成立一個(gè)獨(dú)立的組件，集中提端到端的路徑計(jì)算，為多層多域管理困難以及設(shè)備互通提供了有效地解決方案。PCE集中計(jì)算的思想與SDN集中控制的核心思路十分契合，在SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，可以運(yùn)用單域控制器與多域控制器分層部署的方式，實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備的互聯(lián)互通，同時(shí)將鏈路自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，路由計(jì)算路徑下發(fā)，網(wǎng)絡(luò)管理等功能集中到控制器中，如PCE可以實(shí)現(xiàn)SDON的部分協(xié)議族，同時(shí)ASON更注重與物理層的的自動(dòng)控制，同樣可視為SDON的一種功能類型。OpenFlow協(xié)議為控制器與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之前提供了通信的標(biāo)準(zhǔn)接口，能實(shí)現(xiàn)控制邏輯從轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中分離出來(lái)，結(jié)合PCE，BGP等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，擴(kuò)展OpenFlow，是軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的可行演進(jìn)方案[11-16]。

2 控制器系統(tǒng)部署與軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制器系統(tǒng)部署

本文中SDON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用分層次的控制器部署方案，單域控制器單獨(dú)部署在Controller上，多域控制器和單域控制器分層部署，多域控制器通過(guò)RestService模塊對(duì)外提供北向的Rest服務(wù)。通過(guò)OF Protocol協(xié)議棧模塊對(duì)外提供與主控的南向OF協(xié)議接口。為實(shí)現(xiàn)可編程性，需通過(guò)Web App進(jìn)行拓?fù)洳樵兒蜆I(yè)務(wù)配置，因此部署在局域網(wǎng)同時(shí)部署web server和Controller Server，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)組織或客戶制定的API規(guī)范實(shí)現(xiàn)Rest服務(wù)接口?？刂破髋c設(shè)備主控之間基于Openflow協(xié)議和基于OTN光層/ODUK層/虛接口的私有擴(kuò)展，通過(guò)TCP協(xié)議進(jìn)行Socket通信，實(shí)現(xiàn)連接建立、端口的上報(bào)、業(yè)務(wù)，接口命令下發(fā)等功能。系統(tǒng)總體部署圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)部署

OFP-FWK模塊實(shí)現(xiàn)與控制器的連接，交互通信，如控制器實(shí)例內(nèi)的數(shù)據(jù)分發(fā)填寫以及狀態(tài)維護(hù)。OFP-TEN實(shí)現(xiàn)設(shè)備端口的抽象，將設(shè)備資源以O(shè)F協(xié)議上報(bào)給控制器以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)配置下發(fā)。Openflow協(xié)議棧將交叉配置信息鏈路自動(dòng)發(fā)現(xiàn)報(bào)文下發(fā)到Openflow設(shè)備代理，Openflow設(shè)備代理將端口資源，告警信息等上報(bào)，兩者交互通信。

2.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器基于OSGi平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了完整和動(dòng)態(tài)的組件模型平臺(tái)且各組件無(wú)需重新引導(dǎo)可以被遠(yuǎn)程安裝、啟動(dòng)、升級(jí)和卸載?？刂破鲀?nèi)部模塊結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 控制器內(nèi)部模塊

控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了OpenFlow協(xié)議的擴(kuò)展以及設(shè)備與控制器之間基于openflow協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維護(hù)、監(jiān)控、管理，并提供一個(gè)基于OF協(xié)議的擴(kuò)展通道，以支持業(yè)務(wù)下發(fā)和資源上報(bào)等功能。各模塊功能如下：控制器的內(nèi)核模塊（Internal&Ser?vices），在OSGi平臺(tái)基礎(chǔ)上封裝和抽象，系統(tǒng)其他模塊基于Core模塊進(jìn)行服務(wù)接口定義和部署。整體運(yùn)行基于南向的設(shè)備消息轉(zhuǎn)換為OFMessage事件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)并發(fā)消息進(jìn)行多線程處理，相關(guān)Service服務(wù)代理模塊監(jiān)聽(tīng)到相應(yīng)消息后，再調(diào)用上層模塊進(jìn)行處理，如設(shè)備加載、端口狀態(tài)、鏈路發(fā)現(xiàn)。同樣，上層模塊也可調(diào)用Serivce代理中提供的對(duì)外接口來(lái)下發(fā)業(yè)務(wù)配置消息、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)報(bào)文等?？刂破鹘y(tǒng)一模型模塊（CoreMode），用于在控制器內(nèi)部描述IP+光的統(tǒng)一業(yè)務(wù)和拓?fù)淠Ｐ?。Openflow定義了各種Openflow協(xié)議TLV消息和格式，該模塊基于ONF的Openflow Spec 1.4規(guī)范。轉(zhuǎn)發(fā)模塊（ForwardService）將各種北向接收的業(yè)務(wù)配置轉(zhuǎn)換為基于定制Match&Action規(guī)則的配置下發(fā)消息，調(diào)用擴(kuò)展業(yè)務(wù)下發(fā)包提供的接口進(jìn)行下發(fā)，模塊解析處理各種南向上報(bào)的性能數(shù)據(jù)消息，將性能數(shù)據(jù)適配為基于端到端業(yè)務(wù)模型下的性能數(shù)據(jù)。拓?fù)涓履K（EdgeUpdate）處理由service模塊上報(bào)的拓?fù)鋵?duì)象更新，進(jìn)行TOPO信息更新，并對(duì)北向提供TOPO查詢的接口。業(yè)務(wù)處理模塊（ConnectionManager）處理由北向下發(fā)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，其分別調(diào)用路由接口進(jìn)行業(yè)務(wù)路由計(jì)算后，調(diào)用ForwardService進(jìn)行業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)處理。性能處理模塊（PerformanceManager），處理由下面報(bào)上來(lái)的時(shí)延/丟包率/實(shí)時(shí)流量等數(shù)據(jù)，并處理后由北向適配模型調(diào)用。路由計(jì)算模塊（RouteManager）：對(duì)由Connection?Manager傳入的業(yè)務(wù)進(jìn)行路由計(jì)算，包含路由計(jì)算的策略，提供的各種路由算法，以及業(yè)務(wù)的資源模型虛化。另外控制器配有數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊，對(duì)業(yè)務(wù)模型對(duì)象，TOPO對(duì)象，下發(fā)的消息進(jìn)行存儲(chǔ)，并提供多個(gè)接口供其他模塊查詢?？刂破髂K提供相應(yīng)接口與外部模塊互通，軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖3。

北向服務(wù)模塊（RestService）：參考中國(guó)電信針對(duì)VTS/BOD定義的Rest API規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了控制器北向提供的Rest接口服務(wù)，主要將基于Http URL的各種Rest服務(wù) Request、Reply定義為 Java Bean，并解析消息中的JSON串格式，調(diào)用ConnectionManager，PerformanceManager，TopoManager模塊的接口提供查詢數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)下發(fā)配置，同時(shí)可根據(jù)客戶需求進(jìn)行規(guī)范替換。Openflow擴(kuò)展模塊該模塊基于openflow協(xié)議1.4擴(kuò)展，主要擴(kuò)展對(duì)在網(wǎng)設(shè)備的光層信息配置電層信息配置以及設(shè)備的虛擬端口上報(bào)。FlowProgramService：實(shí)現(xiàn)CBB提供的IOFTrans接口，將CBB轉(zhuǎn)化的Match轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的光層和電層擴(kuò)展信息下發(fā)。光端更新模塊（OpticalPortUpdate）：通過(guò)監(jiān)聽(tīng)CBB接受的OFPortStatus消息，將此消息生成對(duì)應(yīng)的OFPort，并更新Port信息還回CBB模型。

圖3 軟件總體部署

3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)SDON軟件系統(tǒng)的測(cè)試基于現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，測(cè)試了SDON網(wǎng)絡(luò)中提供北向接口服務(wù)，通過(guò)Web App進(jìn)行拓?fù)洳樵兒蜆I(yè)務(wù)配置驗(yàn)證APP快速開通ODUk業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4，使用移動(dòng)終端上的APP通過(guò)控制器對(duì)互通的四端OTN設(shè)備進(jìn)行基于ODUk顆粒的業(yè)務(wù)快速開通，測(cè)試步驟為：在APP“業(yè)務(wù)”標(biāo)簽頁(yè)，選擇新建業(yè)務(wù)；選擇源宿節(jié)點(diǎn)及業(yè)務(wù)端口；選擇業(yè)務(wù)封裝信號(hào)類型；選擇業(yè)務(wù)保護(hù)類型；點(diǎn)擊“提交”，通過(guò)測(cè)試儀表檢查業(yè)務(wù)是否建立成功。

圖4 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

打表測(cè)試結(jié)果如圖5所示，從測(cè)試圖可看出，我們以快速開通10GE業(yè)務(wù)為例，選擇源宿節(jié)點(diǎn)及客戶側(cè)10GE端口，選擇業(yè)務(wù)封裝信號(hào)類型為ODU2后該10GE業(yè)務(wù)建立成功，通過(guò)測(cè)試儀表打流無(wú)丟包。

4 結(jié)束語(yǔ)

SDN基于控制和轉(zhuǎn)發(fā)的分離、集中控制、開放接口的思想，使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維更加簡(jiǎn)單、業(yè)務(wù)開通更加快捷，通過(guò)開放的網(wǎng)絡(luò)接口API，將使各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)APP化，業(yè)務(wù)將極大的豐富，提高OTN網(wǎng)絡(luò)端到端的組網(wǎng)和業(yè)務(wù)創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)跨廠商、多域組網(wǎng)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)控制和管理?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)是軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，本文中論述的控制器設(shè)計(jì)完成了現(xiàn)網(wǎng)要求的部分功能，還需不斷優(yōu)化。

圖5 打表測(cè)試結(jié)果

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