軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展與展望

郭磊，張旭,2，侯維剛，劉業(yè)君，張琦涵,2，曹子崢

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.東北大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110169；3.埃因霍芬理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，埃因霍芬 999025）

1 引言

光纖通信技術(shù)由于其傳輸帶寬大、抗干擾性強(qiáng)和信號(hào)衰減小等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為骨干網(wǎng)中主要的通信傳輸媒介?；诠饫w通信技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)，必將成為未來信息社會(huì)中的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。然而，隨著5G[1-2]、物聯(lián)網(wǎng)（IoT,Internet of things）[3-4]、大數(shù)據(jù)（BD,big data）[5]、云計(jì)算（CC,cloud computing）[6]等技術(shù)的發(fā)展，新興的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)層出不窮，人們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行購物、社交、娛樂以及金融等相關(guān)的活動(dòng)，這對(duì)光網(wǎng)絡(luò)各方面的能力提出了新的需求，促使光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同時(shí)向深度與廣度2 個(gè)方向發(fā)展。

在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程中，基于通用多協(xié)議標(biāo)簽交換（GMPLS,generalized multi-protocol label switching）[7]的自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON,automatic switching optical network）技術(shù)能夠以分布式控制的方式動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)光路的建立與拆除。然而，基于GMPLS 的傳統(tǒng)分布式控制機(jī)制面臨收斂時(shí)間長(zhǎng)、協(xié)議復(fù)雜、控制效率低等問題。為此，路徑計(jì)算單元（PCE,path computation element）[7]從分布式控制平面中被剝離出來，促成了光路計(jì)算從分布式到集中式的演化。但是，PCE 仍然需要節(jié)點(diǎn)上加載的控制平面的配合來維護(hù)全局的網(wǎng)絡(luò)視圖，這種分布式與集中式相結(jié)合的方式難以高效率地滿足日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。同時(shí)，對(duì)于光正交頻分復(fù)用和空分復(fù)用等新型的光復(fù)用技術(shù)，傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)管控平面很難快速改變固有的控制邏輯。因此，軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（SDON,software-defined optical network）被提出[8]，其將傳統(tǒng)傳送平面的轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離，北向接口對(duì)接業(yè)務(wù)應(yīng)用，南向接口對(duì)接網(wǎng)絡(luò)連接，利用軟件可編程的方式對(duì)光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行靈活管理，從而高效利用網(wǎng)絡(luò)資源以滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)智能的自動(dòng)控制與升級(jí)維護(hù)。

空分復(fù)用（SDM,space division multiplexing）技術(shù)（例如多核光纖、多模/少模光纖、多核少模光纖等）的出現(xiàn)將光網(wǎng)絡(luò)資源的維度從時(shí)間和頻率2 個(gè)維度擴(kuò)展到了時(shí)間、頻率和空間多個(gè)維度。其中，在基于多核光纖的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)方面，文獻(xiàn)[9]展示了利用12 核光纖實(shí)現(xiàn)0.52 Pbit/s 級(jí)別的跨洋傳輸系統(tǒng)，其傳輸距離能夠達(dá)到8 830 km。在基于多模/少模光纖的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)方面，文獻(xiàn)[10]使用支持6 個(gè)模式的折射率漸變少模光纖實(shí)現(xiàn)了138 Tbit/s 的傳輸系統(tǒng)，其傳輸距離能夠達(dá)到590 km；同時(shí)，文獻(xiàn)[11]利用10 個(gè)模式的弱耦合少模光纖實(shí)現(xiàn)了257 Tbit/s 的傳輸速率。在基于多核少模光纖的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)方面，文獻(xiàn)[12]利用特殊設(shè)計(jì)的19 核6 模光纖實(shí)現(xiàn)了10.16 Pbit/s 的單纖傳輸速率，總頻譜效率高達(dá)1 099.9 bit/(s·Hz)?1。此外，架構(gòu)按需（AoD,architecture on demand）技術(shù)的出現(xiàn)從節(jié)點(diǎn)層面進(jìn)一步開放了節(jié)點(diǎn)的功能靈活度，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能模塊化，并動(dòng)態(tài)合成所需功能的光節(jié)點(diǎn)。

因此，基于AoD+SDM 組合的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)具有以下特性。

1)節(jié)點(diǎn)功能的可定制化。AoD 節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同的需求動(dòng)態(tài)地組合成所需的功能架構(gòu)，進(jìn)而提供不同維度的網(wǎng)絡(luò)功能。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者也可以利用節(jié)點(diǎn)可編程的特性重新配置節(jié)點(diǎn)功能，進(jìn)而大大地提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能的靈活性。

2)網(wǎng)絡(luò)資源維度的多樣化。SDM 光纖的引入，一方面大幅增加了網(wǎng)絡(luò)容量的承載能力，另一方面也擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)資源的維度，在原有時(shí)間和頻率資源維度的基礎(chǔ)上又增加了空間維度，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的多維性，豐富了多維網(wǎng)絡(luò)資源池的構(gòu)建。

3)控制平面的邏輯集中化。得益于SDON 集中式架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，AoD+SDM 組合的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)同樣繼承了控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的網(wǎng)絡(luò)形式，這樣所有的控制功能被集中到了頂端的控制平面，形成了網(wǎng)絡(luò)集中管控的局面。

但是，現(xiàn)有研究大多只解決了小規(guī)模組網(wǎng)和傳輸?shù)膯栴}，針對(duì)未來大規(guī)模組網(wǎng)和應(yīng)用的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)仍有許多問題，特別是網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問題、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的測(cè)量問題以及網(wǎng)絡(luò)決策的智能問題等尚未解決。

2 軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示，主要包含數(shù)據(jù)平面、控制平面和應(yīng)用平面。

數(shù)據(jù)平面包括負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流的光轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和光代理模塊。光轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，光代理模塊通過南向接口與控制平面進(jìn)行通信，向下可以根據(jù)控制器的指令配置光節(jié)點(diǎn)的交叉連接，向上可以將數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)上傳到控制平面。常見的南向接口協(xié)議包括擴(kuò)展的 OpenFlow、MPLS-TP（multi-protocol label switching-transport profile）、NETCONF（network configuration protocol）、OpenConfig 模型接口以及OpenROADM MSA（open reconfigurable optical add/drop multiplexer and multi-source agreement）接口。

控制平面包含邏輯集中的光網(wǎng)絡(luò)控制器。控制器包含連接功能、拓?fù)滟Y源、信令功能等多個(gè)功能模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚S護(hù)、資源控制以及應(yīng)用管理等操作，并通過北向接口為應(yīng)用平面提供網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)層面的支持。

駕駛著這輛蘭博基尼，我的同事以120公里/小時(shí)的車速完成了前往意大利的旅程。剛剛下車，他便開始了對(duì)這輛蘭博基尼的碎碎念，不出我所料，“桶式座椅”是他滔滔不絕的話語中出現(xiàn)頻率最高的一個(gè)詞。所以，我們衷心奉勸那些準(zhǔn)備購買這些跑車的朋友們，一定要在下訂單的時(shí)候?qū)ｉT定制一個(gè)貼合自己身材的座椅。由于空間局促，我的同事甚至不知道要將左腳放在哪里，而當(dāng)看到小得可憐的導(dǎo)航屏幕和長(zhǎng)度僅有10厘米的中央扶手時(shí)，我們便不難理解輕量化的難度，還有其必需要付出的代價(jià)了。

應(yīng)用平面包括各種類型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。在應(yīng)用平面中，各種新興的網(wǎng)絡(luò)功能、路由與資源分配方案等都可以實(shí)現(xiàn)，例如，路由與波長(zhǎng)分配（RWA,routing and wavelength assignment）算法[13]，路由、波長(zhǎng)與時(shí)隙分配（RWTA,routing,wavelength and timeslot assignment）算法[14]，路由與頻譜分配（RSA,routing and spectrum assignment）算法[15-16]以及路由、調(diào)制等級(jí)與頻譜分配（RMLSA,routing,modulation level and spectrum assignment）算法[17-18]等，從而完成編碼控制、載波管理和譜寬規(guī)劃等操作。

圖1 軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)從架構(gòu)上打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)垂直方向的僵化問題，實(shí)現(xiàn)了控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的互動(dòng)通道，形成了狀態(tài)上傳與動(dòng)作下發(fā)的大規(guī)模閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

3 多樣化的資源維度

從原理層面看，構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)的基本元素是光纖以及用于產(chǎn)生光信號(hào)、交換光信號(hào)和檢測(cè)光信號(hào)的光節(jié)點(diǎn)。多路光信號(hào)通常被復(fù)用到一根或多根光纖中進(jìn)行傳輸。從光網(wǎng)絡(luò)資源的復(fù)用角度來分類，當(dāng)前的光網(wǎng)絡(luò)被分為時(shí)分復(fù)用（TDM,time division multiplexing）光網(wǎng)絡(luò)[19-20]、波分復(fù)用（WDM,wavelength division multiplexing）光網(wǎng)絡(luò)[21-22]、正交頻分復(fù)用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）光網(wǎng)絡(luò)[23-24]以及SDM 光網(wǎng)絡(luò)[25-26]。圖2 展示了時(shí)間、頻率和空間多個(gè)維度的光網(wǎng)絡(luò)資源。

圖2 多維光網(wǎng)絡(luò)資源

3.1 TDM 光網(wǎng)絡(luò)

TDM 光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源的基本單元是時(shí)隙。將波長(zhǎng)在時(shí)間維度上分成多個(gè)時(shí)間槽，一個(gè)時(shí)間槽作為一個(gè)時(shí)隙。不同的業(yè)務(wù)請(qǐng)求被分配到同一波長(zhǎng)的不同時(shí)隙上進(jìn)行傳輸，同時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的大小，可以分配一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙來滿足業(yè)務(wù)的傳輸需求[27]。

3.2 WDM 光網(wǎng)絡(luò)

WDM 光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源的基本單元是波長(zhǎng)。在頻率維度上，一根光纖中可以同時(shí)傳輸不同頻率的波長(zhǎng)。不同的業(yè)務(wù)請(qǐng)求可以被加載到不同的波長(zhǎng)上進(jìn)行傳輸。值得注意的是，WDM 光網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)波長(zhǎng)的帶寬通常是固定的，例如50 GHz或者100 GHz，因此WDM 光網(wǎng)絡(luò)也被稱作固定粒度光網(wǎng)絡(luò)[28]。基于文獻(xiàn)[29]中的仿真參數(shù)設(shè)置（每個(gè)鏈路中有40 個(gè)波長(zhǎng)），本文對(duì)比了3 種RWA 算法，分別是最大容量?jī)?yōu)先（MCF,maximize capacity first）算法、最短距離優(yōu)先（SDF,shortest distance first）算法和最大容量/跳數(shù)優(yōu)先（MCHF,maximize capacity-over-hops first）算法，如圖3 所示。從圖3 中可以明顯看出，與MCF 算法和SDF 算法相比，MCHF 算法具有更強(qiáng)的業(yè)務(wù)承載能力。

圖3 WDM 光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐率

3.3 OFDM 光網(wǎng)絡(luò)

OFDM 光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源的基本單位是頻譜槽。在頻率維度上，OFDM 光網(wǎng)絡(luò)的光譜被分成多個(gè)粒度較小、相互正交的頻譜槽，一個(gè)頻譜槽的帶寬是12.5 GHz。根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的大小，一個(gè)業(yè)務(wù)可以占用一個(gè)或者多個(gè)連續(xù)的頻譜槽，而不同的業(yè)務(wù)請(qǐng)求可以被分配到不同的頻譜槽上進(jìn)行傳輸。相比于WDM 光網(wǎng)絡(luò)的固定波長(zhǎng)粒度，OFDM 的正交性允許多個(gè)頻譜槽的光譜重疊，并根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求所需要的實(shí)際帶寬進(jìn)行拆分與聚合，從而很好地解決了粒度不匹配問題，節(jié)約了光譜資源。OFDM 技術(shù)通過靈活的帶寬適配、動(dòng)態(tài)頻域處理技術(shù)極大提高了光譜資源利用率，因此，OFDM 光網(wǎng)絡(luò)也被稱作彈性光網(wǎng)絡(luò)[30]。基于文獻(xiàn)[18]中的仿真參數(shù)設(shè)置，對(duì)比了2 種RSA 算法，分別是基于頻譜效率和連通度的路由、調(diào)制等級(jí)和頻譜分配（SEC-RMLSA,routing,modulation level and spectrum allocation based on spectral efficiency and connectivity）算法和首次命中的路由和頻譜分配（FF-RSA,first-fit routing and spectrum allocation）算法，如圖4 所示。從圖4 中可以明顯看出，與FF-RSA 算法相比，SEC-RMLSA 算法有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率。

圖4 OFDM 光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐率

3.4 SDM 光網(wǎng)絡(luò)

SDM 光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源的基本單位是光纖核。在空間維度上，一根光纖中包含多個(gè)光纖核或者多個(gè)模式[31]。以多核光纖為例，不同的光纖核中可以同時(shí)傳輸相同甚至是不同類型的業(yè)務(wù)，同時(shí)，分配給業(yè)務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)資源也呈現(xiàn)多樣化，如時(shí)隙、波長(zhǎng)和頻譜槽等。因此，SDM 光網(wǎng)絡(luò)在資源分配上，除了時(shí)間和頻率維度外，帶來了新的維度，即空間維度[32-34]。

4 軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)使能技術(shù)

軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與發(fā)展，需要光節(jié)點(diǎn)、光鏈路和光管控平面3 個(gè)層面的使能技術(shù)支持。光節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)一步開放節(jié)點(diǎn)的功能靈活以及動(dòng)態(tài)可重配置特性；光鏈路的容量需要進(jìn)一步擴(kuò)充，把網(wǎng)絡(luò)資源的維度從時(shí)間和頻率2 個(gè)維度，擴(kuò)充到時(shí)間、頻率和空間3 個(gè)維度；光管控平面需要集中管控靈活的光節(jié)點(diǎn)和擴(kuò)容的光鏈路，并進(jìn)一步開放南北向接口，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的創(chuàng)新。接下來，針對(duì)以上3 個(gè)層面的使能技術(shù)，分別介紹配置靈活的AoD節(jié)點(diǎn)、鏈路擴(kuò)容的SDM 光纖和邏輯集中的管控平面。圖5 為基于AoD 可重配置節(jié)點(diǎn)的軟件定義空分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4.1 配置靈活的AoD 節(jié)點(diǎn)

4.2 鏈路擴(kuò)容的SDM 光纖

SDM 的出現(xiàn)為光網(wǎng)絡(luò)提供了更有力的技術(shù)支持。當(dāng)前，SDM 已被證明可以顯著提高光鏈路的傳輸容量[38-40]。盡管SDM 技術(shù)的發(fā)展仍處在早期階段，但是SDM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，例如支持空間超級(jí)信道（spatial super channel）[41-44]和自零差探測(cè)（SHD,self-homodyne detection）技術(shù)[45-47]，已經(jīng)被展示在一個(gè)MCF 系統(tǒng)中[48-49]。SDM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅僅是帶寬容量的直接增加，它還能夠在帶寬配置方面提供額外的靈活性。同時(shí)，AoD 與SDM 的結(jié)合可以將網(wǎng)絡(luò)資源的維度進(jìn)一步擴(kuò)展到空間維度，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間、頻率、空間3 個(gè)維度的網(wǎng)絡(luò)資源，這對(duì)具有集中控制特性的控制器進(jìn)行全局的資源分配操作起到了必要的支撐作用。此外，對(duì)于基于SDM和AoD 組合的數(shù)據(jù)平面，控制平面應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化，以便創(chuàng)建光基礎(chǔ)設(shè)施的多個(gè)隔離層，并且可以由不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序分配、控制，甚至是編程，從而滿足對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施高效且動(dòng)態(tài)共享的新需求。

4.3 邏輯集中的管控平面

圖5 基于AoD 可重配置節(jié)點(diǎn)的軟件定義空分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

AoD+SDM 組合的多維光網(wǎng)絡(luò)在提高網(wǎng)絡(luò)容量和靈活性的同時(shí)，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制和管理提出了新的挑戰(zhàn)。為了充分利用AoD+SDM 網(wǎng)絡(luò)，有必要開發(fā)網(wǎng)絡(luò)控制和管理的新方法，這些方法能夠支持傳輸層增加的復(fù)雜性，并且促進(jìn)由附加空間維度產(chǎn)生新型網(wǎng)絡(luò)功能的創(chuàng)新。如圖5 所示，利用SDON 控制管理基于MCF 鏈路與AoD 節(jié)點(diǎn)的新型帶寬靈活的可編程多維光網(wǎng)絡(luò)。SDON 控制平面通過抽象AoD+SDM 基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)細(xì)節(jié)，使其可切片、可直接訪問和可由網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和傳輸功能的服務(wù)級(jí)可編程性。在架構(gòu)的最頂端，實(shí)現(xiàn)的依然是網(wǎng)絡(luò)的各種控制功能，例如，負(fù)載均衡應(yīng)用、故障恢復(fù)應(yīng)用和流量工程應(yīng)用等。緊挨著應(yīng)用的是控制器內(nèi)部的核心功能組件，如圖5 中展示的拓?fù)涔芾斫M件、設(shè)備管理組件和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控組件等。本文只列出了針對(duì)AoD 節(jié)點(diǎn)和MCF 光纖鏈路的關(guān)鍵組件，還有一些控制器通用的核心模塊未列出。拓?fù)涔芾斫M件主要負(fù)責(zé)將AoD 光節(jié)點(diǎn)以及MCF 光纖鏈路構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)圖，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的到達(dá)/離開事件、鏈路的到達(dá)/離開事件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D。設(shè)備管理組件負(fù)責(zé)管理AoD 光節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的各種功能部件，根據(jù)上層應(yīng)用的需求自定義各種部件的組合方式，進(jìn)而形成不同功能的光節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控組件負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)監(jiān)控MCF 光纖鏈路中不同核上的網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)，并且隨著業(yè)務(wù)的到達(dá)實(shí)時(shí)更新MCF 光纖鏈路上的資源占用情況?？刂颇K通過擴(kuò)展的南向接口 OpenFlow 協(xié)議與底層AoD 設(shè)備頂端的 OpenFlow 代理（OF-AG,OpenFlow agent）進(jìn)行信息交互。OF-AG 的功能包括2 個(gè)方面：一方面，將上層應(yīng)用發(fā)來的OpenFlow協(xié)議消息翻譯、解析成自定義的命令，進(jìn)而配置AoD 光節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的部件組合方式以及光交叉的連接方式；另一方面，將AoD 光節(jié)點(diǎn)的各種資源狀態(tài)信息以及流量的請(qǐng)求信息封裝成OpenFlow 消息發(fā)送給控制器。

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面中，由可重配置的AoD 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和連接轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的MCF 光纖鏈路構(gòu)成整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。這一層僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作操作以及節(jié)點(diǎn)功能合成所需要的光流表是由控制層生成的。由于AoD 節(jié)點(diǎn)可重配置的特性和MCF 光纖鏈路容量擴(kuò)容的特性，AoD+MCF 組合的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步開放了數(shù)據(jù)平面的靈活性。這2 個(gè)特性至關(guān)重要，它將固有網(wǎng)絡(luò)的僵化局面從節(jié)點(diǎn)和鏈路2 個(gè)層面中解脫出來，即AoD 節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)流量的需求動(dòng)態(tài)地合成節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的功能可重構(gòu)特性；基于SDM 技術(shù)的多核光纖則將網(wǎng)絡(luò)資源的粒度引向了多個(gè)維度（例如光纖核粒度、波長(zhǎng)粒度、頻譜槽粒度、時(shí)隙粒度等），進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。

5 軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向

雖然基于AoD+SDM的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)能夠增加網(wǎng)絡(luò)的容量且提高網(wǎng)絡(luò)的靈活度，但是也對(duì)網(wǎng)絡(luò)的智能控制和高效管理帶來了新的挑戰(zhàn)。例如，如何針對(duì)復(fù)雜的多維網(wǎng)絡(luò)資源池設(shè)計(jì)有效的路由與資源分配算法，其中涉及光路徑選擇、光纖核選取、時(shí)隙/波長(zhǎng)/頻隙等資源的分配。同時(shí)，要求控制平面能夠感知和區(qū)分具有多根光纖的鏈路，這些鏈路的特性不一定相同，并且多核光纖中的多個(gè)核也表現(xiàn)出相似或者相斥的特性。此外，除了資源維度的增加外，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也逐漸增大。因此，面對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的高度動(dòng)態(tài)、復(fù)雜、碎片化和自定義化等問題，如何靈活且高效地管理多維光網(wǎng)絡(luò)這一問題，受到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)互通與協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)測(cè)量以及AI 智能決策等。

5.1 網(wǎng)絡(luò)互通與協(xié)同

為了應(yīng)對(duì)未來光網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模及異構(gòu)等特性，需要形成一個(gè)物理上分散但邏輯上集中的控制平面[50-54]。圖6 展示了一種多域協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)控制平面。協(xié)同控制器是一個(gè)邏輯集中的根控制器，單域控制器是多個(gè)和域內(nèi)交換單元靠近的本地控制器。單域控制器的任務(wù)是維護(hù)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)視圖和服務(wù)本地域內(nèi)應(yīng)用；協(xié)同控制器的任務(wù)是控制一個(gè)或者多個(gè)單域控制器，維護(hù)全局網(wǎng)絡(luò)視圖，服務(wù)非本地域間業(yè)務(wù)。協(xié)同控制器與單域控制器通過統(tǒng)一的北向接口進(jìn)行交互，進(jìn)而可以根據(jù)自身或者應(yīng)用程序的需要，向單域控制器獲取底層網(wǎng)絡(luò)信息或者對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行配置。因此，協(xié)同控制器與單域控制器形成了一個(gè)邏輯集中的網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)，對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，為多域網(wǎng)絡(luò)控制提供架構(gòu)支持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

5.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)測(cè)量

全局的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息是智能路由的關(guān)鍵[55-56]，它是為用戶提供高質(zhì)量服務(wù)的必要輸入條件。未來的光網(wǎng)絡(luò)是面向業(yè)務(wù)的而不再是單純面向連接的。為了保障用戶端到端的服務(wù)質(zhì)量，不僅需要選擇合適的光路、分配恰當(dāng)?shù)馁Y源，還需要關(guān)注光物理層的屬性，才能保證光信號(hào)的傳輸質(zhì)量。因此，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的測(cè)量也包括光物理層的參數(shù)感知（例如光路的物理損傷感知）以及可調(diào)諧的光節(jié)點(diǎn)屬性感知（例如節(jié)點(diǎn)支持的調(diào)制格式、光源的輸入輸出功率、信號(hào)的速率以及不同的帶寬交換粒度等）[57]。只有獲取到盡可能多且準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，才能更加靈活地提供可定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而更好地服務(wù)于多樣化的業(yè)務(wù)需求。

圖6 基于多域控制的多維智能光網(wǎng)絡(luò)

5.3 AI 智能決策

AI 輔助的應(yīng)用平面是尋找最優(yōu)控制策略的網(wǎng)絡(luò)大腦[58-63]，它能夠解決“白盒優(yōu)化”方法無法解決的大規(guī)模、高動(dòng)態(tài)、多需求網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的復(fù)雜管控問題。圖6 中，AI 輔助的智能應(yīng)用平面采用深度學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合的新型網(wǎng)絡(luò)控制與管理模式，以解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化控制問題。它通過網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集上傳和優(yōu)化決策自動(dòng)下發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)控制，并通過與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和用戶意圖的交互，構(gòu)建一個(gè)集中式智能學(xué)習(xí)策略的知識(shí)庫。最終，基于全網(wǎng)域的信息-知識(shí)-決策交互框架，使運(yùn)行在多域網(wǎng)絡(luò)控制平面中的智能路由模型能夠更好地解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制的問題，提升網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自演進(jìn)等能力。

在路由與資源優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[64]提出了路由、調(diào)制和頻譜分配的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架DeepRMSA（deep reinforcement learning for routing，modulation and spectrum assignment），通過使用可以感知復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)化策略來學(xué)習(xí)正確的在線路由與資源分配策略。在異常檢測(cè)方面，文獻(xiàn)[65]利用了混合的無監(jiān)督/有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方案，提出了一種自學(xué)習(xí)的光網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)框架，消除了對(duì)異常網(wǎng)絡(luò)行為先驗(yàn)知識(shí)的需求，因此可以潛在地檢測(cè)到不可預(yù)見的異常。在服務(wù)鏈的供應(yīng)方面，由于缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)基本特征的了解，傳統(tǒng)基于規(guī)則的策略會(huì)帶來可伸縮性問題，甚至可能導(dǎo)致資源利用效率低下。文獻(xiàn)[66]通過使用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)代理，從動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)操作中學(xué)習(xí)策略，該新框架實(shí)現(xiàn)了基于自學(xué)習(xí)的服務(wù)供應(yīng)功能。這一功能可以顯著減少為新興應(yīng)用開發(fā)有效的服務(wù)供應(yīng)策略而投入的人力，從而促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。在網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)管理方面，文獻(xiàn)[67]提出了一種基于SDN 的新型光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)也被稱為自優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)（SOON,self-optimizing optical network），并演示了SOON 中的4 個(gè)典型應(yīng)用，包括潮汐流量預(yù)測(cè)、警報(bào)預(yù)測(cè)、異常動(dòng)作檢測(cè)以及路由和波長(zhǎng)分配。雖然人工智能技術(shù)在多維光網(wǎng)絡(luò)中的研究尚處于初級(jí)階段，但是其在光網(wǎng)絡(luò)中的探索仍具有重要的參考價(jià)值與意義。

6 結(jié)束語

本文首先回顧了光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展歷史，介紹了光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從分布式向集中式的演化。其次，介紹了集中式的軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組成形式及各部分功能模塊。然后，引入多樣化的網(wǎng)絡(luò)資源維度，即時(shí)間、頻率和空間3 個(gè)維度。為實(shí)現(xiàn)軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)，需要在光節(jié)點(diǎn)、光鏈路以及光管控平面3 個(gè)方面實(shí)現(xiàn)理論和技術(shù)突破，并分別闡述了配置靈活的AoD 節(jié)點(diǎn)、鏈路擴(kuò)容的SDM 光纖和邏輯集中的管控平面3 個(gè)使能技術(shù)。最后，從網(wǎng)絡(luò)互通與協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)測(cè)量和AI 智能決策3 個(gè)方面展望軟件定義多維光網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展方向。