基于OpenFlow的光與無線融合接入網(wǎng)控制架構(gòu)

秦攀科，劉 濤，葛炳輝，湯永利，趙宗渠

(河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

隨著可視電話、虛擬現(xiàn)實(shí)、高清視頻點(diǎn)播等高帶寬業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求日益增長，無源光網(wǎng)絡(luò)(passive optical network，PON)和全球微波互聯(lián)接入(world interoperability for microwave access，WiMAX)網(wǎng)絡(luò)分別作為有線接入網(wǎng)和無線接入網(wǎng)的主流技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。無源光網(wǎng)絡(luò)具備高傳輸速率、低使用成本、易于實(shí)現(xiàn)高效管理和全業(yè)務(wù)接入等優(yōu)勢，但光纖通信自身由于傳輸介質(zhì)上的限制，使其缺乏廣覆蓋和可移動(dòng)接入的靈活性。WiMAX網(wǎng)絡(luò)具備覆蓋面廣和為用戶提供可移動(dòng)的無處不在的靈活接入方式等優(yōu)勢，但面臨著降低成本和提高帶寬的挑戰(zhàn)[1]。因此，光與無線融合的接入網(wǎng)技術(shù)將是未來解決用戶網(wǎng)絡(luò)接入最后一公里問題的主要手段之一。同時(shí)，隨著用戶數(shù)量的急劇增長和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)需求呈現(xiàn)出顯著的差異化特征，無論從運(yùn)營商還是用戶的角度而言，都需要一種可編程的、動(dòng)態(tài)的、統(tǒng)一的集中式控制結(jié)構(gòu)，來解決由于光線路終端(optical line terminal，OLT)的地理分散性和數(shù)量龐大導(dǎo)致運(yùn)維成本增加的問題，以及由于不同用戶的數(shù)據(jù)流量缺乏動(dòng)態(tài)控制和智能調(diào)度而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)資源利用率低下，用戶的服務(wù)質(zhì)量需求難以保證的問題[2]。OpenFlow協(xié)議支持的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network，SDN)作為一種有前景的集中式控制體系結(jié)構(gòu)，為解決上述問題提供了一種行之有效的方案[3]。

寬帶接入網(wǎng)領(lǐng)域的統(tǒng)一控制和融合接入技術(shù)吸引著大批學(xué)者、機(jī)構(gòu)和公司的研究，并涌現(xiàn)了大量的研究成果，促使著接入網(wǎng)的飛速發(fā)展。Noriko Iiyama[4]等基于一種全新的PON系統(tǒng)，提出將多級調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到PON系統(tǒng)中，以提升該系統(tǒng)的傳輸性能。Javier Rubio-loyola[5]等提出了基于SDN的開放組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案和集成的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法。何珂[6]等基于融合接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出了一種PON內(nèi)帶寬與無線頻譜相結(jié)合的聯(lián)合資源分配算法，提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)降低了端到端時(shí)延。壽國礎(chǔ)[7]等提出了一種基于 OpenFlow 代理的軟件定義光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，并證明該方案簡化了不同廠商設(shè)備之間的差異性，降低了底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。曹儐[8]等提出了一個(gè)軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的負(fù)載均衡策略，該策略基于鏈路實(shí)時(shí)狀態(tài)可以有效提高鏈路利用率和用戶服務(wù)質(zhì)量。趙永利[9]等提出了一種軟件定義的光接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用于基于OpenFlow無源光網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)感知和流量調(diào)度的遠(yuǎn)程統(tǒng)一控制。

本文提出了一種基于OpenFlow的光與無線融合的接入網(wǎng)控制架構(gòu)(software defined optical and wireless convergence access network，SDOWA)。此架構(gòu)將PON網(wǎng)絡(luò)與WiMAX無線接入網(wǎng)進(jìn)行融合，使其具備了有線、無線的雙重優(yōu)勢，為了對融合后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的資源調(diào)度和管理控制，分別為OLT和光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit，ONU)引入OpenFlow代理，使之能夠與SDN控制器進(jìn)行交互。通過將控制器下發(fā)的消息或者本地的請求指令進(jìn)行語義解析和協(xié)議封裝，達(dá)到屏蔽不同設(shè)備差異、消除網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性問題的目的[10]。架構(gòu)采用兩級模型，根據(jù)實(shí)際情況將可以進(jìn)行本地決策的控制功能從SDN控制器動(dòng)態(tài)下放到OLT設(shè)備，同時(shí)延伸控制器的控制深度到ONU，以此實(shí)現(xiàn)更全面的靈活控制，減輕控制器的壓力，有效提高網(wǎng)絡(luò)的整體資源利用率和用戶的QoS保障。

1 光與無線融合接入網(wǎng)控制架構(gòu)

基于OpenFlow的融合接入網(wǎng)控制架構(gòu)如圖1。SDN控制器作為此架構(gòu)中的核心，通過OpenFlow協(xié)議對PON與無線融合接入網(wǎng)中的資源進(jìn)行統(tǒng)一控制，統(tǒng)一控制的策略分2種進(jìn)行：①控制策略將OLT和ONU作為對等的控制對象，根據(jù)SDN控制器的人工智能控制內(nèi)核，對OLT和ONU進(jìn)行全局的資源調(diào)度和分發(fā)。同時(shí)，ONU可以跳過OLT保持與控制器的直接交互，作為突發(fā)事件如器件損壞、鏈路失效時(shí)的及時(shí)補(bǔ)充和利用，提高架構(gòu)整體的高效性和健壯性，與傳統(tǒng)的OLT單層控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，復(fù)雜度會有所增加；②控制策略按照層級的劃分，SDN控制器將部分OLT可以進(jìn)行本地決策的功能權(quán)限下放，由OLT的智能代理模塊行使控制器的相關(guān)職責(zé)。該策略不僅減輕了控制器無法同時(shí)滿足所有網(wǎng)絡(luò)需求的巨大壓力，還實(shí)現(xiàn)了OLT對ONU的智能控制。OpenFlow協(xié)議作為SDN控制器交互時(shí)所用的信息標(biāo)準(zhǔn)，OLT和ONU就需要是具有OpenFlow代理軟件的OF-OLT和OF-ONU才能與其進(jìn)行交互[11]。同時(shí)，由于該架構(gòu)中融合了WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)，還需要OF-OLT與WiMAX基站的MAC層部分組成OF-融合型OLT實(shí)體，OF-ONU與WiMAX基站的PHY層部分組成OF-融合型ONU實(shí)體。

圖1 控制架構(gòu)Fig.1 Control architecture

在這2種控制策略中，OpenFlow代理都發(fā)揮著極其重要的作用。尤其是在第2種權(quán)限下放的控制策略中，OLT通過OpenFlow智能代理行使被SDN控制器賦予的相關(guān)控制權(quán)限，在傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)OLT單層控制的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)SDN控制器和OLT分級的多層差異化控制，差異化控制內(nèi)容如表1。通過這種多層的差異化控制不僅僅集中控制一個(gè)OLT下的所有ONU，而是控制所有OLT下的ONU，使運(yùn)營商利用中心側(cè)的集中式控制器遠(yuǎn)程維護(hù)和控制多個(gè)融合型PON，更加符合現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)際的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)情況。以統(tǒng)一的資源視角看待整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)調(diào)度用戶的帶寬分配，實(shí)現(xiàn)QoS保證和資源的優(yōu)化，也是SDN思想的集中體現(xiàn)和OpenFlow控制的巨大優(yōu)勢。

表1 SDN和OLT的差異化控制內(nèi)容

2 功能模型的設(shè)計(jì)和劃分

2.1 OF-融合型OLT和ONU的功能構(gòu)建

OF-融合型OLT和ONU的功能構(gòu)建以及模塊之間的耦合關(guān)系如圖2。在OF-融合型OLT的軟件模塊中，由6個(gè)常見的功能模塊和1個(gè)融合的無線網(wǎng)絡(luò)控制器(radio network controller，RNC)功能模塊所組成。6個(gè)常見的功能模塊分別是OpenFlow代理模塊、帶寬分配模塊、配置管理模塊、性能管理模塊、告警管理模塊和PON模塊，而無線網(wǎng)絡(luò)控制器功能模塊主要由頻譜管理功能構(gòu)成[12]。同樣地，OF-融合型ONU有著與OF-融合型OLT相同的6個(gè)常見功能模塊，只是增加了1個(gè)融合的基站功能模塊?；竟δ苣K主要由接納管理和頻點(diǎn)配置2個(gè)功能構(gòu)成。常見的功能模塊不再一一介紹，下面通過描述融合功能模塊的工作流程來表現(xiàn)OLT和ONU之間的耦合關(guān)系。在一個(gè)資源分配周期里，所有融合型ONU把自身收到的總帶寬需求上報(bào)給融合型OLT的頻譜管理模塊。頻譜管理模塊依據(jù)上報(bào)的需求為所管轄范圍內(nèi)的基站分配頻譜，然后通過控制通道將已經(jīng)分配好的頻點(diǎn)信息授權(quán)給各個(gè)融合型ONU，獲得授權(quán)后的融合型ONU進(jìn)行頻點(diǎn)配置。與此同時(shí)，融合型OLT的頻譜管理模塊還需向帶寬分配模塊發(fā)送頻譜分配信息，帶寬分配模塊將結(jié)合融合型ONU的帶寬請求和頻譜分配信息進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)的資源分配。

圖2 OF-融合型OLT和ONU的功能構(gòu)建及耦合關(guān)系Fig.2 Function construction and coupling relationship of OF-converged OLT and ONU

2.2 SDN控制器的功能構(gòu)建

圖3為SDN控制器的功能構(gòu)建。首先是含有各種不同網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的協(xié)議棧，作用是建立安全通道、消息的編解碼以及支持原有的PON設(shè)備?？刂破鲝牡讓赢悩?gòu)設(shè)備的OpenFlow流表收集到各網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息之后，經(jīng)過抽象層歸一化的轉(zhuǎn)化過程將其轉(zhuǎn)換成高級數(shù)據(jù)模型，以一種便于識別的信息形式描述資源和策略[13]。隨后經(jīng)RESTful，RPC等接口將歸一化后的信息提供給基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件，如網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)(拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、安全認(rèn)證、設(shè)備注冊和狀態(tài)監(jiān)控)、網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)(資源配置、QoS配置、用戶授權(quán)和業(yè)務(wù)分類)、服務(wù)管理和數(shù)據(jù)庫管理，最后，通過北向API應(yīng)用接口向應(yīng)用層提供服務(wù)[14]。該設(shè)計(jì)還在資源配置和QoS配置2個(gè)功能模塊中引入人工智能控制內(nèi)核，利用人工智能控制內(nèi)核技術(shù)自我學(xué)習(xí)、自我管理的特點(diǎn)，來滿足智能動(dòng)態(tài)傳輸優(yōu)化和頻譜高效利用的要求，為后續(xù)全面提升光網(wǎng)絡(luò)智能化層級提供功能模塊的支持[15]。

3 SDOWA的控制流程

圖4為控制架構(gòu)的整體交互過程；圖5為架構(gòu)的整體流程圖及核心算法。對于沒有ONU請求時(shí)的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，SDN控制器會周期性地向OLT發(fā)送狀態(tài)請求，OLT進(jìn)而把請求發(fā)往ONU，從ONU的答復(fù)中收集所有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息并將其交由控制器。通過這種方式，控制器實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)信息、用戶信息以及業(yè)務(wù)信息，以全局視角對網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行控制。當(dāng)ONU發(fā)起請求時(shí)，則首先對請求進(jìn)行判斷。若為鏈路狀態(tài)或緊急請求則直接上報(bào)控制器，由控制器進(jìn)行處理并返回結(jié)果；若為告警、更改等正常請求則首先上報(bào)OLT，然后判斷OLT被控制器賦予的下放權(quán)限能否處理該請求。若在權(quán)限范圍內(nèi)，OLT直接處理并返回結(jié)果；不在權(quán)限范圍內(nèi)，則繼續(xù)上報(bào)控制器進(jìn)一步處理。

圖3 SDN控制器的功能構(gòu)建Fig.3 Function Construction of SDN controller

圖4 架構(gòu)整體交互過程Fig.4 Architecture overall interaction process

4 數(shù)學(xué)建模

本節(jié)利用整數(shù)線性規(guī)劃的方法，對統(tǒng)一控制架構(gòu)帶寬資源分配最大化問題進(jìn)行ILP建模和分析。

4.1 符號定義

表2是對描述中用到的符號進(jìn)行定義。

4.2 約束條件

對于每個(gè)輪詢周期，都應(yīng)按照如下的約束條件和步驟進(jìn)行。

1)系統(tǒng)初始化時(shí)，為每個(gè)融合型PON分配相同的初始帶寬。

(1)

(2)

表2 符號定義

(3)

(4)

6)如果隊(duì)列j屬于重負(fù)載隊(duì)列，則首先計(jì)算它仍無法滿足的請求帶寬，然后將輕負(fù)載隊(duì)列的剩余帶寬Bexcess分配給重負(fù)載隊(duì)列。

(5)

圖5 架構(gòu)流程圖及核心算法Fig.5 Architecture flow chart and corresponding pseudo code

4.3 最大化目標(biāo)

(6)

聯(lián)合資源分配作為此融合架構(gòu)的工作機(jī)制，是在SDN控制器的統(tǒng)一控制下，將WiMAX的頻譜分配和PON的帶寬分配權(quán)限都交由融合型OLT進(jìn)行結(jié)合管理。PON網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)時(shí)變化的無線頻譜資源反饋信息進(jìn)行帶寬分配，來保證每個(gè)ONU中不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)被分配到的最大帶寬，從而達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大帶寬分配和資源利用。

5 架構(gòu)性能分析

此架構(gòu)為基于OpenFlow的光與無線融合接入網(wǎng)架構(gòu)，選取2個(gè)相關(guān)的現(xiàn)有架構(gòu)，從資源形式，控制方式，可擴(kuò)展性和健壯性等方面進(jìn)行理論對比，對比結(jié)果如表3。

表3 相關(guān)架構(gòu)對比

從表3中可以看出，文獻(xiàn)[6]是無統(tǒng)一控制的光與無線融合接入網(wǎng)架構(gòu)，雖與本文架構(gòu)都采用雙重資源，但不具備本文架構(gòu)的可編程的、動(dòng)態(tài)的、統(tǒng)一的集中式控制，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)度，影響資源的利用率和架構(gòu)的可擴(kuò)展性。文獻(xiàn)[9]是無融合資源的統(tǒng)一控制光網(wǎng)絡(luò)，雖與本文架構(gòu)都采用集中式統(tǒng)一控制，但資源形式只有有線資源，并且控制方式只是單一的控制器集中控制，而本文架構(gòu)采用的是控制器和OLT的雙層控制，同時(shí)保持控制器與ONU之間的連接，減輕了控制器的壓力，保證了整體架構(gòu)的健壯性。

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評估，通過OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件搭建了SDOWA平臺，并將進(jìn)行了ILP建模的內(nèi)容與已有的GQ (global QoS)[16]和HQA (hierarchical QoS-aware)[17]2種動(dòng)態(tài)帶寬分配策略進(jìn)行對比。該實(shí)驗(yàn)平臺由1個(gè)OLT節(jié)點(diǎn)、1個(gè)光分路器、16個(gè)混合結(jié)構(gòu)ONU節(jié)點(diǎn)和WIMAX網(wǎng)絡(luò)部分構(gòu)成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)支撐5個(gè)SS (subscriber station)節(jié)點(diǎn)模塊，SS節(jié)點(diǎn)模塊支持不同業(yè)務(wù)類型，在這里設(shè)置為產(chǎn)生EF (expedited forwarding)，AF (assured forwarding)和BE (best effort)3個(gè)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)。EF業(yè)務(wù)優(yōu)先級最高，幀長為80 Bytes。BE優(yōu)先級最低，和AF業(yè)務(wù)的幀長為64～1 500 Bytes。上下行鏈路速率均設(shè)置為1 Gbit/s，OLT到分光器的距離設(shè)置為20 km，分光器到ONU的距離設(shè)置為5 km，最大輪詢周期為2 μs，ONU間的保護(hù)時(shí)間間隔為5 μs。圖6和圖7分別是在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的全網(wǎng)吞吐量和平均時(shí)延這2個(gè)方面的對比結(jié)果。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的全網(wǎng)吞吐量 Tab.6 Full network throughput under different network loads

圖7 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的全網(wǎng)平均時(shí)延 Tab.7 Average network delay under different network loads

從對比結(jié)果可以看出，SDOWA的建模在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的全網(wǎng)吞吐量和GQDBA的非常接近，但都高于HQADBA，并且在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為0.8的時(shí)候達(dá)到一個(gè)基本恒定的飽和點(diǎn)，因?yàn)橄到y(tǒng)中的業(yè)務(wù)已經(jīng)達(dá)到了鏈路最大容量值。在平均時(shí)延方面，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，平均時(shí)延都增大，而且業(yè)務(wù)緩存空間有限，隊(duì)列里無法及時(shí)傳送的緩存數(shù)據(jù)越來越多，導(dǎo)致平均時(shí)延都呈現(xiàn)出較快的上升趨勢。但總體來看，該建模的平均時(shí)延都低于GQDBA和HQADBA，因?yàn)樗葹楦邇?yōu)先級隊(duì)列提供保障，同時(shí)分配一定的保證帶寬兼顧低優(yōu)先級隊(duì)列，使全網(wǎng)的整體性能得到改善。

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于OpenFlow的光與無線融合接入網(wǎng)控制架構(gòu)。該架構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是在傳統(tǒng)光接入網(wǎng)的3層體系架構(gòu)之上，將軟件定義無源光網(wǎng)絡(luò)與WiMAX無線接入進(jìn)行融合。通過擴(kuò)展常規(guī)控制平面，部署OpenFlow代理延伸控制器的控制深度到OLT和ONU，設(shè)計(jì)智能化控制權(quán)限的動(dòng)態(tài)下放和回收機(jī)制，使該架構(gòu)以一種高度融合和智能化的控制方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用的最大化，同時(shí)滿足不同終端用戶的QoS需求。