基于軟件定義網(wǎng)絡技術的寬帶接入網(wǎng)演進方案研究

□ 文 范清棟 王克銓 陳國信 曾秋輝 陳 兢

1 GPON存在的問題

目前，寬帶運營的方式主要以帶寬出租為主，這種粗放的運營方式既無法提供高附加值的增值業(yè)務，也無法進行端到端的差異化運營，更無法滿足用戶在網(wǎng)絡質(zhì)量、業(yè)務體驗等方面的需求，主要問題如下：

（1）GPON組網(wǎng)結(jié)構復雜，設備部署分散，類型繁多，業(yè)務與BAIS、OLT、MDU等設備強耦合，導致了用戶無法快速接入、故障無法快速定位、網(wǎng)絡運維成本高等問題。

（2）GPON作為寬帶接入網(wǎng)，與骨干網(wǎng)扁平化和融合程度不足，網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換復雜，傳輸效率低下，缺乏統(tǒng)一的資源管控和調(diào)度能力。

（3）GPON對大流量、高保障等業(yè)務承載能力弱，缺少有效的端到端QoS保障機制?，F(xiàn)有QoS機制各自為陣，沒有將接入網(wǎng)和城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)無縫的銜接起來。

（4）GPON在業(yè)務運營方面自動化程度不足，需大量人力物力支撐，運營成本高，操作周期長，用戶體驗差。

（5）GPON設備量大，分布廣，能耗高，對運營商降本增效形成巨大挑戰(zhàn)。

鑒于以上問題，亟待一種手段突破技術瓶頸，解決GPON面臨的帶寬利用率低、業(yè)務體驗差、部署低效、運維復雜等問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源與業(yè)務熱點的協(xié)同，提升網(wǎng)絡效率和用戶滿意度。

2 SDN技術特點

軟件定義網(wǎng)絡技術（SDN）是一種比較先進的網(wǎng)絡虛擬化方式，是下一代網(wǎng)絡演進的一個重要方向。它通過將網(wǎng)絡抽象化，將網(wǎng)絡控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進行分離，同時面向應用層提供開放的軟件接口，支撐應用對網(wǎng)絡能力的直接調(diào)用，實現(xiàn)網(wǎng)絡可編程。此外，SDN通過硬件的標準化、通用化，擺脫了對傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構的限制，使控制策略具備全局視角，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)更加高效。SDN技術的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、虛擬靈活、共享開放、全局管控等特點，為網(wǎng)絡的設計、部署和管理帶來了極大的靈活性和便捷性，有效解決了新業(yè)務接入、網(wǎng)絡安全、運營支撐等問題。SDN應用架構如圖1所示。

SDN技術特點歸納如下：

（1）敏捷高效——通過集中控制平面進行業(yè)務的統(tǒng)一配置和管理，使新業(yè)務開發(fā)、上線和迭代更加便捷，業(yè)務發(fā)布周期大幅縮短；此外，轉(zhuǎn)發(fā)和控制的分離也使得業(yè)務變更更容易實現(xiàn)，業(yè)務部署更加靈活，開發(fā)、運維和采購成本也因此大幅降低。

圖1 SDN應用架構

（2）彈性運營——由應用驅(qū)動網(wǎng)絡實現(xiàn)資源的自動配置，為精細化流量運營提供技術支撐，從而實現(xiàn)多業(yè)務大容量資源的邊緣接入、差分服務以及快速轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）智能管控——借助網(wǎng)絡功能虛擬化技術（NFV）提供的資源擴展能力，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的即時采集和分析，并通過對應的網(wǎng)絡變更策略，按照不同的忙閑時段，自動開閉網(wǎng)元和鏈路，大大節(jié)約網(wǎng)絡運營成本。

（4）簡化運維——通過提供橫向、縱向虛擬化技術，簡化網(wǎng)絡拓撲邏輯，同時將傳統(tǒng)網(wǎng)絡中運行的OSPF、BGP、MPLS等協(xié)議擬合為一種網(wǎng)絡協(xié)議，極大地降低運維難度。

（5）開放共享——轉(zhuǎn)發(fā)平面與應用接口協(xié)議的開放和共享，使SDN具備了縱向編程和橫向聯(lián)動能力，用戶不僅可以通過控制器對轉(zhuǎn)發(fā)設備進行配置，還可以根據(jù)需求進行定制開發(fā)，這將大大促進業(yè)務創(chuàng)新，提升用戶體驗。

軟件定義網(wǎng)絡技術（SDN）是一種比較先進的網(wǎng)絡虛擬化方式，是下一代網(wǎng)絡演進的一個重要方向。

3 應用SDN改造GPON

通過SDN控制器、配置代理等方法將不同架構的GPON設備虛擬化，并將設備管理、業(yè)務編排等功能統(tǒng)一集中運行在管理服務器上，實現(xiàn)設備配置、資源管理、數(shù)據(jù)采集等設備管理功能，和業(yè)務調(diào)度、業(yè)務配置等業(yè)務管理功能的“雙集中”，將現(xiàn)有GPON網(wǎng)絡改造成為一張彈性、敏捷、智能的寬帶網(wǎng)絡，簡化網(wǎng)絡結(jié)構，降低硬件成本，主要步驟如下：

3.1 OLT功能虛擬化

（1）實現(xiàn)單臺OLT設備的虛擬化。應用NFV方法，將OLT主控板的控制功能移植到X86服務器上運行，用專用軟件模擬主控板，用白盒交換機模擬交換板，從而將OLT拆分成多個功能模塊，然后通過SDN虛擬化技術，將L4-L7層功能交由控制器及網(wǎng)絡編排層實現(xiàn)，從而實現(xiàn)OLT的控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，涉及到的功能模塊包括：ONU綁定和認證、OAM、用戶VLAN配置、SIPALG功能、DHCP Ser/Relay功能、IGMP代理功能、路由收斂功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能、DPI檢測功能等。

圖2 GPON基于SDN技術的演進架構

（2）實現(xiàn)OLT設備的“多對一”和“一對多”虛擬。在接入域設置接入控制器vOLT，根據(jù)業(yè)務需求，將物理設備邏輯虛擬成多臺設備，并通過多視圖技術，對物理OLT實現(xiàn)集中控制，從而達到滿足客戶對資源差異化需求的目的。

（3）在OLT流量轉(zhuǎn)發(fā)方面，可通過Openflow機制，對轉(zhuǎn)發(fā)路徑、Qos等參數(shù)進行統(tǒng)一計算，并根據(jù)流表，實現(xiàn)二層MAC轉(zhuǎn)發(fā)和三層路由轉(zhuǎn)發(fā)。在ODN側(cè)的業(yè)務接入方面，可通過SDO技術，根據(jù)OLT所分布的網(wǎng)格，對PMD、PHY、波長進行軟件定義，并實現(xiàn)MAC層和物理層資源的編程，從而實現(xiàn)對光纖資源的充分利用。此外，還可以在現(xiàn)有DBA技術上，進行PON口光功率和碼率調(diào)整，以便滿足業(yè)務對網(wǎng)絡的差異化需求。

（4）在網(wǎng)絡簡化方面，可通過OLT直連BAIS的方式，并通過vOLT集中控制的方式，減少網(wǎng)絡層次和邏輯結(jié)構，實現(xiàn)網(wǎng)絡扁平化，提升維護效率。

3.2 引入虛擬ONU

實現(xiàn)ONU虛擬化，并將vOLT作為vONU的集中控制器，從而建立從OLT直達用戶的邏輯管道，達到管控用戶通過ONU實現(xiàn)接入的目的，具體包括兩種方式：

（1）代理控制方式。vONU統(tǒng)一按照FTTH的方式接入OLT代理，vONU用戶業(yè)務的VLAN、GEM-PORT等參數(shù)規(guī)劃和業(yè)務開通流程應全歸一化為FTTH方式，這樣將大大簡化網(wǎng)絡結(jié)構。

（2）直接控制方式。由控制器直接控制MDU、ONT等設備，vONU通過去除單個MDU、ONT的帶寬收斂、數(shù)據(jù)交換等特性，將這些功能交由vOLT統(tǒng)一實現(xiàn)，由vOLT統(tǒng)一處理不同MDU、ONT之間的資源競爭。該方法解決了MDU、ONT等設備缺少帶外控制通道和冗余連接的問題，但可能因MDU、ONT等設備數(shù)量龐大造成對網(wǎng)絡效率和控制器處理性能的影響。

3.3 搭建GPON網(wǎng)絡SDN四層架構

按照SDN四層架構重新架構GPON網(wǎng)絡，如圖2所示。

各層的功能特性如下：

（1）應用層

應用層利用北向接口開放的API開發(fā)程序，進行業(yè)務發(fā)放。需要說明的是：一個物理接入設備可以同時存在多個OTT網(wǎng)絡，某用戶在某一時刻可以同時訪問不同的OTT網(wǎng)絡，所以數(shù)據(jù)平面的物理設備要有強大的數(shù)據(jù)處理能力和可編程能力，支持不同的OTT網(wǎng)絡之間進行快速的業(yè)務分發(fā)、業(yè)務隔離等功能，同時支持OTT業(yè)務資源的靈活部署和網(wǎng)絡擴展，并兼顧公平性。

（2）協(xié)同層

協(xié)同層主要作用是業(yè)務編排和協(xié)同，向應用層提供API程序開發(fā)接口，并支持接入網(wǎng)業(yè)務抽象和跨域協(xié)同，同時按照業(yè)務功能和性能要求組建邏輯業(yè)務網(wǎng)絡。此外，協(xié)同層需要在將基礎網(wǎng)絡中的各項網(wǎng)絡功能和資源虛擬化后，基于不同的OTT應用開發(fā)API，制訂差異化業(yè)務策略，組建和創(chuàng)新邏輯業(yè)務網(wǎng)絡，支持客戶的按需使用和快速響應。在接入網(wǎng)與城域網(wǎng)之間，協(xié)同層通過解耦業(yè)務和物理網(wǎng)絡，為業(yè)務應用和個性化編程提供統(tǒng)一平臺。

（3）控制層

控制層是SDN技術架構的核心，它通過屏蔽接入設備的參數(shù)、功能、性能等技術差異，將網(wǎng)絡進行抽象和虛擬，形成標準的開放架構和網(wǎng)絡模型，負責網(wǎng)絡全局管理和對轉(zhuǎn)發(fā)平面設備的統(tǒng)一控制。它支持協(xié)同層中各業(yè)務模塊的設置和調(diào)整要求，為協(xié)同層提供網(wǎng)絡拓撲、資源狀態(tài)等服務，它也支持協(xié)同層不同OTT業(yè)務的并發(fā)需求以及對資源和功能的靈活劃分和調(diào)度，能夠?qū)⒉煌倪壿嫹制m配給不同的業(yè)務應用和客戶。北向接口作用是與上層應用進行數(shù)據(jù)交互和提供支撐，南向接口使用Open Flow協(xié)議，作用是通過流表機制，控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，用于控制轉(zhuǎn)發(fā)平面的轉(zhuǎn)發(fā)行為和資源調(diào)度。

（4）轉(zhuǎn)發(fā)層

轉(zhuǎn)發(fā)層主要作用對業(yè)務進行感知、調(diào)度和監(jiān)測，并實現(xiàn)MAC尋址、以太轉(zhuǎn)發(fā)以及本地維護功能，轉(zhuǎn)發(fā)平面的設備接收上層的指令并依據(jù)指令進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在GPON中，業(yè)務將在轉(zhuǎn)發(fā)層中被分發(fā)和傳輸，用戶對資源的訪問也將以最短路徑和最短時間實現(xiàn)。

圖3 基于SDN技術的集中管控和運維機制

SDN技術或?qū)⒁l(fā)下一次互聯(lián)網(wǎng)技術革命，為未來的GPON網(wǎng)絡發(fā)展帶來無限可能

3.4 建立端到端集中管控和運維機制

基于SDN虛擬技術，將GPON接入網(wǎng)和城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)進行融合，不僅建立端到端的轉(zhuǎn)發(fā)路徑和管控機制，也避免了多次協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)基于網(wǎng)絡整體的統(tǒng)一管理和端到端的QoS保障機制，使得網(wǎng)絡變得更加可視化、可評估、可預測，如圖3所示。在流量調(diào)度方面，通過基于對業(yè)務熱點、用戶偏好以及網(wǎng)絡狀況的深度監(jiān)測和準確掌控，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的集中管理和分配，形成全局視角下的流量調(diào)度策略。此外，在網(wǎng)絡運維方面，通過可視化界面，運維人員可以直觀的評估網(wǎng)絡運行狀態(tài)，在網(wǎng)絡運維、資源調(diào)度、QoS保證、節(jié)能環(huán)保、第三方調(diào)用等方面，可實現(xiàn)更加靈活、更加多元地操作和配置。

4 結(jié)束語

SDN技術是電信網(wǎng)絡未來演進的一個重要方向，它必將重新定義GPON網(wǎng)絡基礎架構，這有助于突破GPON接入網(wǎng)設備通用性不足、網(wǎng)絡基礎能力弱、運維難度大等問題的制約?；赟DN的GPON網(wǎng)絡也必將具備跨層的全網(wǎng)視野，這使其能夠快速調(diào)度全網(wǎng)資源，集中控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡的可編程、可管控和業(yè)務的自動部署。從這個角度上說，SDN技術或?qū)⒁l(fā)下一次互聯(lián)網(wǎng)技術革命，為未來的GPON網(wǎng)絡發(fā)展帶來無限可能?！?/p>