SDN技術(shù)架構(gòu)的適用性研究

陳顯輝，蔡怡挺，陳夢(mèng)嫻，王佑

工程與應(yīng)用

SDN技術(shù)架構(gòu)的適用性研究

陳顯輝，蔡怡挺，陳夢(mèng)嫻，王佑

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325700）

首先，介紹了幾種軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)；然后，就網(wǎng)絡(luò)分層和網(wǎng)絡(luò)抽象、南向接口協(xié)議選擇、路徑計(jì)算單元（path computation element，PCE）功能集成等幾個(gè)關(guān)鍵方面對(duì)這幾種SDN架構(gòu)在光傳送網(wǎng)絡(luò)（optical transport network，OTN）中的適用性進(jìn)行了技術(shù)性研究和分析；最后，對(duì)現(xiàn)有OTN向SDN技術(shù)架構(gòu)遷移給出了指導(dǎo)性意見(jiàn)和建議。

OTN；SDN；適用性

0 引言

傳統(tǒng)的因特網(wǎng)把控制平面和數(shù)據(jù)平面緊緊連接在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，使得網(wǎng)絡(luò)控制平面的管理變得復(fù)雜煩瑣，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制平面的技術(shù)發(fā)展和更新也受到了束縛。這與當(dāng)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性與靈活性的要求相違背。為了解決這些現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系所面臨的難題，美國(guó)斯坦福大學(xué)研究組針對(duì)這些問(wèn)題提出了一種解決方案，即設(shè)計(jì)一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)——軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）架構(gòu)[1-3]，這種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以O(shè)penFlow[4]協(xié)議為核心技術(shù)，創(chuàng)造性地提出了將網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在高層策略的指導(dǎo)下完成，減輕了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以往承載的復(fù)雜功能，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制[5]。

SDN將網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)從硬件轉(zhuǎn)移到了軟件，這種轉(zhuǎn)換使得原本需要更換硬件設(shè)備才能具備的功能由軟件進(jìn)行替代。這樣既對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制平面的功能進(jìn)行了簡(jiǎn)化和整合，又增加了網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的可靠性。并且，在將網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)平面進(jìn)行分離之后，廠商便可以單獨(dú)地開(kāi)發(fā)控制平面[6]。因而，SDN的發(fā)展會(huì)給網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的格局帶來(lái)巨大的變化，傳統(tǒng)的通信設(shè)備行業(yè)和運(yùn)營(yíng)商必須做出巨大的調(diào)整以適應(yīng)新型的SDN體系結(jié)構(gòu)[7]。

1 OTN應(yīng)用SDN技術(shù)應(yīng)滿足的條件

光傳送網(wǎng)絡(luò)（optical transport network，OTN）（國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）G.709）技術(shù)本質(zhì)上是一種波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）技術(shù)，它讓OTN不僅具備承載大容量、高帶寬業(yè)務(wù)的能力，還具備了和SDH/SONET一樣的靈活性和魯棒性，是目前通信運(yùn)營(yíng)商采用的主要的光傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

要在OTN中應(yīng)用SDN技術(shù)，首先需要滿足以下幾個(gè)條件。

1.1 條件一：引入控制平面

傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)一般采用雙層模型：網(wǎng)元層和管理層。網(wǎng)元層即設(shè)備層，用于業(yè)務(wù)傳送和調(diào)度；管理層是指網(wǎng)元管理系統(tǒng)（element management system，EMS）/網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（network management system，NMS），提供設(shè)備管理和網(wǎng)絡(luò)管理功能。傳統(tǒng)OTN組網(wǎng)也大多使用這樣的網(wǎng)絡(luò)模型。SDN最主要的特征就是網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，傳統(tǒng)OTN是沒(méi)有控制平面的。如果要將SDN技術(shù)應(yīng)用到OTN中，則必須在OTN中引入控制平面。

圖1 OTN引入控制平面示意圖

OTN引入控制平面應(yīng)用SDN技術(shù)架構(gòu)和引入控制平面構(gòu)建類似，都是通過(guò)在OTN網(wǎng)元上啟用通用多協(xié)議標(biāo)志交換（generalized multiprotocol label switching，GMPLS）實(shí)現(xiàn)。在GMPLS中，OTN的各種電層光通道數(shù)據(jù)單元（ODU）和光層光通道傳送單元（OTU）都被統(tǒng)一視作流量工程（traffic engineering，TE）鏈路，OTN被視作GMPLS網(wǎng)絡(luò)，從而可以應(yīng)用各種適用于流量工程的路由協(xié)議、信令協(xié)議和技術(shù)架構(gòu)，其中就包括SDN技術(shù)架構(gòu)。OTN引入控制平面示意圖如圖1所示。

這里需要注意的是，ASON引入的控制平面通常是分布式的，分布在全網(wǎng)的每個(gè)網(wǎng)元上，而SDN引入的控制平面通常是集中式的，集中在外部SDN控制器上。因此，OTN在應(yīng)用SDN技術(shù)架構(gòu)之前應(yīng)首先對(duì)引入的控制平面進(jìn)行功能分解，部分控制功能應(yīng)采用分布式部署，另一部分控制功能則適合采用集中式。例如，本地標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(kù)以及本地電層/光層交叉連接信息庫(kù)等需要繼續(xù)保留在網(wǎng)元上；而全局一致的TE鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)以及負(fù)責(zé)全網(wǎng)路徑計(jì)算的功能部件等則可以統(tǒng)一集中到SDN控制器上。

1.2 條件二：采用ROADM MESH組網(wǎng)

傳統(tǒng)OTN大多采用背靠背固定光分插復(fù)用器（fixed optical add-drop multiplexer，F(xiàn)OADM）組網(wǎng)方式，在這種線性傳輸系統(tǒng)中，由于業(yè)務(wù)流向無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，SDN技術(shù)沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。SDN技術(shù)只有在無(wú)線網(wǎng)格（Mesh）網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用才有意義。

傳統(tǒng)OTN要組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，必須采用可重構(gòu)光分插復(fù)用器（reconfigurable optical add-drop multiplexer，ROADM）技術(shù)。近些年，ROADM技術(shù)發(fā)展很快，最新一代的ROADM使用可編程硅基液晶技術(shù)，不僅具備波長(zhǎng)無(wú)關(guān)、方向無(wú)關(guān)和沖突無(wú)關(guān)（colorless & directionless & contentionless，CDC）功能，而且還具備靈活柵格（flexible- grid）功能，支持可變波長(zhǎng)間隔和超級(jí)通道。這些靈活柵格為OTN應(yīng)用SDN技術(shù)提供了條件。

1.3 條件三：采用SDN分層控制架構(gòu)

傳輸網(wǎng)絡(luò)一般都按照ITU-T G.805規(guī)范采用分層分塊的體系架構(gòu)，無(wú)論是SDH網(wǎng)絡(luò)還是OTN都可以被分解為多個(gè)獨(dú)立的傳輸層，相鄰層之間是服務(wù)器－客戶端（server-client）關(guān)系，每個(gè)傳輸層又可以根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管理方式進(jìn)行分塊。

根據(jù)ITU-T G.709規(guī)范，OTN在總體上分為電層（OTN數(shù)字結(jié)構(gòu)）和光層（OTN光結(jié)構(gòu)）兩層。因此，像OTN這樣的多層網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用SDN技術(shù)架構(gòu)時(shí)，需要采用分層控制架構(gòu)。

在OTN中無(wú)論是電層（OPU/ODU/OTU）還是光層（OCH/OMS/OTS），每個(gè)獨(dú)立的傳輸層從上至下都是不斷映射復(fù)用和子網(wǎng)塊劃分的過(guò)程，其對(duì)應(yīng)到SDN分層控制架構(gòu)中，從下至上則是一個(gè)不斷網(wǎng)絡(luò)抽象的過(guò)程。在啟用GMPLS后，這些光層和電層通道都被統(tǒng)一抽象為T(mén)E鏈路，從而導(dǎo)致這些不同的傳輸層都被抽象成了不同的TE網(wǎng)絡(luò)層。分層控制網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涑橄笫疽鈭D如圖2所示。

圖2 分層控制網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涑橄笫疽鈭D

1.4 條件四：?jiǎn)⒂肞CE路徑計(jì)算功能

路徑計(jì)算單元（path computation element，PCE）（RFC 4655）是諸如MPLS-TE和GMPLS等流量工程系統(tǒng)在多域多層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計(jì)算標(biāo)簽交換路徑（LSP）時(shí)的一個(gè)必要的基本功能部件。PCE是基于網(wǎng)絡(luò)圖算法計(jì)算業(yè)務(wù)路徑和路由的，并且可以在計(jì)算中應(yīng)用各種約束條件。

啟用了GMPLS的OTN，是一個(gè)同時(shí)具備ODU時(shí)分復(fù)用（time division multiplexing，TDM）能力和光交叉連接（optical cross-connect，OXC）波長(zhǎng)交換能力（wavelength switching capability，LSC）的GMPLS網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)OTN網(wǎng)元就是一個(gè)GMPLS的標(biāo)簽交換路由器（label switching router，LSR）。由于OTN本身就是一個(gè)多層網(wǎng)絡(luò)，每層傳輸網(wǎng)又可以劃分為多個(gè)子網(wǎng)域，在OTN這樣的大型多域多層網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算業(yè)務(wù)路徑功能必須通過(guò)PCE實(shí)現(xiàn)。這和在單域ASON中業(yè)務(wù)路徑計(jì)算使用的最短路徑優(yōu)先（constrained shortest path first，CSPF）算法有很大的不同。

OTN中的PCE路徑計(jì)算包括業(yè)務(wù)的主用路徑、保護(hù)路徑和恢復(fù)路徑生成，以及故障路徑的重路由等。

2 SDN基本架構(gòu)

如前所述，SDN是ONF OpenFlow的出現(xiàn)引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)熱潮，因此，任何網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用SDN技術(shù)時(shí)，都無(wú)法繞開(kāi)ONF對(duì)SDN架構(gòu)（TR-504）的總體定義：3個(gè)平面（數(shù)據(jù)平面、控制平面和應(yīng)用平面）和2個(gè)接口（南向接口數(shù)據(jù)?控制平面接口（D-CPI），北向接口應(yīng)用?控制平面接口（A-CPI）），此外，還有一個(gè)并不在ONF SDN架構(gòu)范疇內(nèi)的“偽”平面——管理平面，分別和這3個(gè)平面進(jìn)行通信。ONF SDN架構(gòu)如圖3所示。

圖3 ONF SDN架構(gòu)

由于除了ONF之外，還有諸如ITU-T、光互聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF）等國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)和OpenDayLight、ONAP等開(kāi)源社區(qū)也在做SDN方面的工作，這些組織都有自己的SDN定義。為了消除歧義達(dá)成共識(shí)，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）頒布了RFC 7426，在該文檔中重新規(guī)范并統(tǒng)一了SDN架構(gòu)中平面、層和接口的定義，將SDN架構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化為5個(gè)平面、4個(gè)抽象層和4個(gè)接口。IETF定義的SDN架構(gòu)如圖4所示。

圖4 IETF定義的SDN架構(gòu)

由圖4可知，IETF定義的SDN架構(gòu)將ONF架構(gòu)中的數(shù)據(jù)平面分成了轉(zhuǎn)發(fā)和操作兩個(gè)平面；將ONF架構(gòu)各層的協(xié)調(diào)器（coordinator）統(tǒng)一為管理抽象層（MAL）；將ONF的A-CPI分為MPNI和CPNI兩個(gè)接口，將D-CPI分為MPSI和CPSI兩個(gè)接口。

總體而言，IETF定義的SDN架構(gòu)是和ONF SDN架構(gòu)等效的，并且更具靈活性和可擴(kuò)展性，也更適于延伸到OTN等非分組網(wǎng)絡(luò)。

3 適用于OTN的SDN技術(shù)架構(gòu)

SDN技術(shù)關(guān)注的是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的“控制”和“管理”，其中“管理”是SDN控制器通過(guò)北向接口向上層應(yīng)用提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編程手段，這是在SDN技術(shù)架構(gòu)范疇之外的，因此，SDN技術(shù)的焦點(diǎn)在于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制。

網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵是在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面之間引入抽象（RFC 7426）。這種抽象分為設(shè)備抽象和網(wǎng)絡(luò)抽象兩部分。設(shè)備抽象主要是指按照統(tǒng)一的信息模型或數(shù)據(jù)模型建模，并由SDN控制器通過(guò)南向接口實(shí)現(xiàn)集中控制。網(wǎng)絡(luò)抽象則由不同的SDN技術(shù)架構(gòu)使用不同的技術(shù)和方法實(shí)現(xiàn)底層物理網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)涑橄螅瑸樯蠈討?yīng)用提供各種虛擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

當(dāng)前，除了ONF的OpenFlow外，IETF中多個(gè)工作組還根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景提出了多種不同的SDN技術(shù)架構(gòu)。不同的SDN技術(shù)架構(gòu)使用的設(shè)備抽象和網(wǎng)絡(luò)抽象的方法不同，適用的南向接口技術(shù)也有所不同。

對(duì)于OTN而言，這些SND技術(shù)架構(gòu)中可能會(huì)用到的南向接口協(xié)議有以下幾種。

? 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（simple network management protocol，SNMP），傳統(tǒng)OTN、WDM等光傳輸設(shè)備使用的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，是傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)向SDN技術(shù)遷移必須使用的南向接口技術(shù)。

? 路徑計(jì)算單元通信協(xié)議（path computation element protocol，PCEP），如同ASON、基于WDM傳輸網(wǎng)的ASON（WSON）和SDN OTN，啟用了GMPLS的光傳輸網(wǎng)絡(luò)用于PCE業(yè)務(wù)路徑計(jì)算時(shí)所使用的通信協(xié)議，一般來(lái)說(shuō)，它只是個(gè)東西向協(xié)議，但在有些SDN技術(shù)架構(gòu)中，它是必要的南向接口協(xié)議。

? OpenFlow，ONF SDN架構(gòu)唯一指定南向接口協(xié)議。

? ForCES（forwarding and control element separation）協(xié)議，F(xiàn)orCES協(xié)議可用于監(jiān)視、配置和控制任何采用邏輯功能塊（logical functional blocks，LFB）建模的網(wǎng)元設(shè)備，而LFB是基于XML的，通過(guò)模型擴(kuò)展可用于啟用了GMPLS的OTN設(shè)備的統(tǒng)一建模。

? NETCONF（network configuration protocol），只要網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備數(shù)據(jù)模型是使用統(tǒng)一建模的，就可以使用NETCONF作為管理配置協(xié)議。

另外，適用于OTN的SDN技術(shù)架構(gòu)還需要滿足OTN分層網(wǎng)絡(luò)體系，即提供SDN分層控制能力，并在架構(gòu)中應(yīng)用或集成PCE路徑計(jì)算能力。

3.1 PCE架構(gòu)

在MPLS-TE和GMPLS這樣的TE網(wǎng)絡(luò)中，PCE都是SDN技術(shù)架構(gòu)必要的核心功能組件，它用于計(jì)算網(wǎng)絡(luò)流量的最佳路徑，并通過(guò)路徑更新反映網(wǎng)絡(luò)和流量需求的變化。RFC 8283中定義了用于TE網(wǎng)絡(luò)集中控制的PCE架構(gòu)，如果是啟用了GMPLS的OTN，OTN PCE架構(gòu)如圖5所示。

圖5 OTN PCE架構(gòu)

在PCE架構(gòu)中，集中式PCE控制器充當(dāng)了SDN控制器的角色，PCEP作為南向接口協(xié)議，用于業(yè)務(wù)路徑計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度。

PCE架構(gòu)的關(guān)鍵是PCE控制器和PCE客戶端（PCC）之間通信所使用的PCEP，這是一個(gè)功能強(qiáng)大，且易于擴(kuò)展的通信協(xié)議，PCE架構(gòu)在TE網(wǎng)絡(luò)中的普適性正是在于PCEP的靈活性和可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)。

TE鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)是PCE控制器上用于業(yè)務(wù)路徑計(jì)算的核心部件，通過(guò)PCEP擴(kuò)展，PCE控制器可以被動(dòng)參與鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，收集PCE控制域內(nèi)所有TE鏈路狀態(tài)，在PCE控制器上集中構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)。

通過(guò)PCEP擴(kuò)展，PCE可以用于WDM、OTN等采用不同底層技術(shù)的TE網(wǎng)絡(luò)。在OTN這樣的多層多域網(wǎng)絡(luò)中，可以使用PCE完成單個(gè)傳輸層的跨域LSP計(jì)算，也可以使用PCE和虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砥鳎╒NTM）組合完成多個(gè)傳輸層之間的跨層LSP計(jì)算。

在PCE架構(gòu)中，OTN抽象可以使用分層PCE架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，上層PCE將TE鏈路要求（路徑計(jì)算約束條件）通過(guò)PCEP發(fā)送到下層PCE，下層PCE根據(jù)要求完成域內(nèi)或跨域最佳LSP計(jì)算，并將該LSP作為虛擬TE鏈路向上層通告，用以在上層網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)成滿足客戶要求的虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╒NT）的形式，從而完成網(wǎng)絡(luò)抽象。在分層PCE架構(gòu)中，這種網(wǎng)絡(luò)抽象逐層遞歸，最終實(shí)現(xiàn)在OTN上為客戶提供虛擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

在PCE架構(gòu)中，如果OTN和設(shè)備沿用的是傳統(tǒng)MIB模型，則使用SNMP作為網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備管理配置協(xié)議，如果OTN和設(shè)備啟用了統(tǒng)一的新型YANG建模，則使用NETCONF/RESTCONF作為網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備管理配置協(xié)議。

PCE架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備沒(méi)有統(tǒng)一建模的要求，理論上只要系統(tǒng)集成或啟用了PCE功能，就可以使用PCE架構(gòu)作為SDN技術(shù)架構(gòu)，以PCEP作為南向接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)的集中控制，為上層應(yīng)用提供SDN服務(wù)。已有的OTN只要啟用了GMPLS和PCE功能，就可以適用PCE架構(gòu)，而無(wú)須進(jìn)行其他升級(jí)改造，是較容易實(shí)現(xiàn)的SDN架構(gòu)，也是目前很多光傳輸設(shè)備提供商向市場(chǎng)推出的OTN主要的SDN架構(gòu)形式。

3.2 I2RS架構(gòu)

路由系統(tǒng)接口（interface to the routing system，I2RS）是IETF I2RS工作組提出的一個(gè)路由系統(tǒng)高級(jí)體系架構(gòu)（RFC 7921），其主要目標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)化不同設(shè)備提供商路由系統(tǒng)的接口，讓上層應(yīng)用可以通過(guò)該接口訪問(wèn)和控制路由系統(tǒng)中的信息，如網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、拓?fù)湫畔?、流量監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)事件等，并根據(jù)需求編排網(wǎng)絡(luò)資源。

路由系統(tǒng)由路由單元（routing element）組成，路由單元可以是傳統(tǒng)意義上運(yùn)行IGP/BG/PIM路由協(xié)議的路由器，也可以是實(shí)現(xiàn)了RSVP-TE、OSPF-TE和PCEP并具有轉(zhuǎn)發(fā)平面的GMPLS標(biāo)簽交換路由器，OTN的I2RS架構(gòu)如圖6所示。

圖6 OTN的I2RS架構(gòu)

在I2RS架構(gòu)中，I2RS代理是路由單元的一部分，并且充當(dāng)了SDN控制器的角色，它實(shí)現(xiàn)由其代理的那部分路由系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)模型，I2RS客戶端則是上層應(yīng)用的一部分，它實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用需要訪問(wèn)和控制的那部分路由系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)模型，I2RS客戶端還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)I2RS協(xié)議，并使用該協(xié)議和I2RS代理通信，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型語(yǔ)義進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用對(duì)路由系統(tǒng)的管理和控制。

I2RS接口是一個(gè)由模型驅(qū)動(dòng)的可編程接口，I2RS架構(gòu)的關(guān)鍵是使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型和數(shù)據(jù)模型，I2RS工作組建議選用NETCONF/RESTCONF作為I2RS協(xié)議，推薦YANG作為統(tǒng)一建模語(yǔ)言，并為I2RS架構(gòu)下的路由系統(tǒng)路由擇域信息庫(kù)（routing information base，RIB）開(kāi)發(fā)定義了統(tǒng)一的信息模型（RFC 8430）和YANG數(shù)據(jù)模型（RFC 8431），用于I2RS代理和客戶端對(duì)路由系統(tǒng)的抽象和建模，規(guī)范RIB庫(kù)操作。此外，I2RS工作組還在RFC 8345中為網(wǎng)絡(luò)抽象定義了一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)YANG模型（ietf-network），該網(wǎng)絡(luò)模型不僅可以為I2RS應(yīng)用提供最籠統(tǒng)和最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)抽象，還可以用作其他SDN技術(shù)架構(gòu)中不同類型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)。該網(wǎng)絡(luò)抽象數(shù)據(jù)模型示意圖如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)抽象數(shù)據(jù)模型示意圖

該網(wǎng)絡(luò)YANG模型由拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型（ietf-network-topology）和設(shè)備（inventory）數(shù)據(jù)模型兩部分組成，在該網(wǎng)絡(luò)模型中定義了網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，用于分層網(wǎng)絡(luò)抽象，并對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。對(duì)于采用特定技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)而言，可以在該網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上在拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型和設(shè)備數(shù)據(jù)模型中增加和技術(shù)相關(guān)的細(xì)節(jié)，以O(shè)TN為例，可以在ietf-network-topology模塊中通過(guò)新增OTN層“節(jié)點(diǎn)（node）”“鏈路（link）”和“終結(jié)點(diǎn)（termination point）”等網(wǎng)絡(luò)實(shí)體以及與OTN相關(guān)的TE帶寬、TE標(biāo)簽等TE屬性實(shí)現(xiàn)新增OTN拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型的目的。

在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型中，上層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以映射為下層網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)子網(wǎng)，鏈路可以映射為下層網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)抽象節(jié)點(diǎn)之間的一條或多條鏈路，逐層遞歸，從而完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的抽象或分解。

在I2RS架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)分層和網(wǎng)絡(luò)抽象都是由上層應(yīng)用完成的，上層應(yīng)用通過(guò)I2RS客戶端獲取全網(wǎng)所有路由單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)模型，按需抽象化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吞摂M化網(wǎng)絡(luò)資源。

I2RS是一個(gè)開(kāi)放式通用SDN技術(shù)架構(gòu)，支持IETF針對(duì)路由系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的各種數(shù)據(jù)模型。此外，I2RS工作組沒(méi)有對(duì)I2RS代理和路由單元各個(gè)功能模塊之間的內(nèi)部接口作定義和規(guī)范，因此，路由系統(tǒng)可以使用MIB、ForCES框架或YANG數(shù)據(jù)模型建模設(shè)備，并分別選用SNMP、ForCES和NETCONF作為控制和管理網(wǎng)元設(shè)備的南向接口協(xié)議。只需要保證I2RS客戶端和代理商路由系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型一致，能通過(guò)NETCONF/RESTCONF協(xié)議交互。

由于路由單元在I2RS架構(gòu)下可以采用不同的形式實(shí)現(xiàn)，因此PCE作為路由系統(tǒng)的基本功能部件，在I2RS架構(gòu)中的部署形式也有所不同，既可以分布式部署在路由單元中，也可以集中式部署在I2RS客戶端上或嵌入上層應(yīng)用中，并由它們負(fù)責(zé)構(gòu)建全網(wǎng)統(tǒng)一的TE鏈路數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)于已有的OTN，可以在路由單元內(nèi)部繼續(xù)沿用SNMP/MIB對(duì)象模型，而在I2RS代理和客戶端上實(shí)現(xiàn)OTN系統(tǒng)的RIB可和網(wǎng)絡(luò)YANG數(shù)據(jù)模型，由I2RS代理完成兩種數(shù)據(jù)模型之間的轉(zhuǎn)換。

為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)操作和未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要，建議使用統(tǒng)一的YANG模型對(duì)I2RS架構(gòu)中的路由系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)建模。

3.3 ACTN架構(gòu)

TE網(wǎng)絡(luò)抽象和控制（abstraction and control of TE network，ACTN）架構(gòu)是IETF TEAS工作組在RFC 8453中針對(duì)MPLS-TE和GMPLS這樣的流量工程網(wǎng)絡(luò)提出的另一個(gè)SDN技術(shù)架構(gòu)，在該架構(gòu)下，可以通過(guò)操作虛擬網(wǎng)絡(luò)（virtual network，VN）的方式編排、控制和管理大規(guī)模多域TE網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可編程化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)資源共享的高效化，提供虛擬網(wǎng)業(yè)務(wù)和端到端連接業(yè)務(wù)。

ACTN架構(gòu)適用的網(wǎng)絡(luò)包括如OTN/WDM的光傳輸網(wǎng)絡(luò)、如PTN的基于MPLS-TP的分組傳輸網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)的基于MPLS-TE的IP網(wǎng)絡(luò)。OTN的ACTN架構(gòu)如圖8所示。

在ACTN架構(gòu)中，配置網(wǎng)絡(luò)控制器充當(dāng)了域SDN控制器的角色，通過(guò)信息傳遞接口（MPI）向上為多域服務(wù)協(xié)調(diào)器提供TE鏈路操作，通過(guò)南向接口（SBI）向下控制和管理物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。而多域服務(wù)協(xié)調(diào)器充當(dāng)了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和資源編排器的角色，通過(guò)控制方法接口（CMI）為上層應(yīng)用（客戶網(wǎng)絡(luò)控制器）提供VN操作。

ACTN架構(gòu)中最關(guān)鍵的技術(shù)就是網(wǎng)絡(luò)抽象和網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)抽象又包括節(jié)點(diǎn)抽象和鏈路抽象。在最底層的物理網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)是物理網(wǎng)元，鏈路是物理連接；在其上層抽象中，節(jié)點(diǎn)則是物理網(wǎng)元及其物理連接的抽象，鏈路是一對(duì)抽象節(jié)點(diǎn)之間提供的具有特定TE參數(shù)的虛擬鏈路；網(wǎng)絡(luò)抽象是遞歸應(yīng)用的。以O(shè)TN為例，最底層的物理節(jié)點(diǎn)是OTM和ROADM設(shè)備，鏈路是物理光纖連接，其上層節(jié)點(diǎn)則是OTN光層網(wǎng)元，鏈路則是OCH光層TE鏈路，再往上層，節(jié)點(diǎn)是OTN電層網(wǎng)元，鏈路則是OTU電層TE鏈路……依次類推，逐層抽象。網(wǎng)絡(luò)切片則是在網(wǎng)絡(luò)抽象基礎(chǔ)之上，通過(guò)通用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)為上層應(yīng)用或客戶構(gòu)建的邏輯專用虛擬網(wǎng)絡(luò)。

ACTN也是一個(gè)開(kāi)放式SDN技術(shù)架構(gòu)，IETF TEAS工作組在ACTN架構(gòu)中（RFC 8453）定義了CMI和MPI的功能，并在ACTN架構(gòu)信息模型（RFC 8454）中定義了用于CMI的VN操作原語(yǔ)和用于MPI的TE操作原語(yǔ)。理論上只要能支持虛擬網(wǎng)絡(luò)操作的技術(shù)模型就可以用于CMI，支持TE鏈路操作的技術(shù)模型就可以用于MPI，而且ACTN架構(gòu)中并未對(duì)南向接口的技術(shù)規(guī)范作要求，可以靈活選用ForCES、OpenFlow、PCEP、NETCONF和SNMP作為底層網(wǎng)元設(shè)備的配置管理協(xié)議。

因此，前面提到的分層PCE架構(gòu)可以完全匹配ACTN架構(gòu)，因?yàn)樗鼈冇兄粯拥姆謱蛹軜?gòu)（RFC 8637）。在分層PCE架構(gòu)中，父層PCE充當(dāng)多域服務(wù)協(xié)調(diào)器，而子層PCE充當(dāng)PNC，PCEP既可以用于MPI，也可以用于CMI，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)抽象和TE鏈路抽象可以完全參考PCE架構(gòu)。

ACTN架構(gòu)也可以使用YANG模型和NETCONF/RESTCONF協(xié)議作為其最終解決方案，IETF的CCAMP、TEAS等工作組為T(mén)E網(wǎng)絡(luò)定義的各種YANG數(shù)據(jù)模型都可以用于該架構(gòu)，具體來(lái)說(shuō)，客戶業(yè)務(wù)YANG模型用于CMI，網(wǎng)絡(luò)YANG數(shù)據(jù)模型用于MPI，設(shè)備YANG數(shù)據(jù)模型用于SBI。目前這部分技術(shù)的統(tǒng)一YANG數(shù)據(jù)模型，IETF已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一部分，例如，網(wǎng)絡(luò)分層和抽象可以使用前面所述的I2RS工作組定義的通用網(wǎng)絡(luò)YANG模型（ietf-network）實(shí)現(xiàn)，但更多的諸如用于VN操作的YANG數(shù)據(jù)模型、TE操作的網(wǎng)絡(luò)配置YANG數(shù)據(jù)模型，以及TE網(wǎng)絡(luò)抽象的YANG數(shù)據(jù)模型等，還在后續(xù)的開(kāi)發(fā)定義中。

已有的OTN在應(yīng)用ACTN架構(gòu)時(shí)，可以參照PCE架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)。但是ACTN是一個(gè)面向未來(lái)的SDN技術(shù)架構(gòu)，推薦使用NETCONF/YANG作為解決方案，并使用IETF統(tǒng)一的YANG數(shù)據(jù)模型為設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)建模，以實(shí)現(xiàn)和設(shè)備提供商無(wú)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)可編程性，以及SDN架構(gòu)和底層技術(shù)無(wú)關(guān)的靈活性和可擴(kuò)展性。

3.4 ONF TAPI功能架構(gòu)

TAPI是ONF開(kāi)放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)工作委員會(huì)（OTCC）項(xiàng)目組在ONF SDN架構(gòu)和ONF CIM核心信息模型基礎(chǔ)上針對(duì)OTN開(kāi)發(fā)的一套應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）SDK軟件（當(dāng)前版本2.1），其中包含了統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）信息模型、YANG數(shù)據(jù)模型和OpenAPI規(guī)范，用于OTN在SDN架構(gòu)下各個(gè)服務(wù)功能模塊（拓?fù)浞?wù)、連接服務(wù)、操作維護(hù)管理（OAM）服務(wù)、路徑計(jì)算服務(wù)、虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、通知服務(wù)）的統(tǒng)一建模，并規(guī)范了應(yīng)用API在NETCONF協(xié)議下的CRUD（create, read, update, delete）操作，以及RESTful API在RESTCONF協(xié)議下的CRUD操作。

也就是說(shuō)，開(kāi)放式傳輸API（TAPI）將SDN控制下的OTN功能抽象為一組服務(wù)API（TR-527），提供給上層應(yīng)用程序（包括Web應(yīng)用）調(diào)用，同時(shí)，TAPI還可以用于分層SDN架構(gòu)之間的服務(wù)遞歸調(diào)用。OTN的TAPI功能架構(gòu)如圖9所示。

TAPI信息模型（IM）將ONF CIM中用于表示流轉(zhuǎn)發(fā)能力的轉(zhuǎn)發(fā)域重構(gòu)是為了節(jié)點(diǎn)和拓?fù)鋬蓚€(gè)單獨(dú)的實(shí)體，其中拓?fù)涫窍聦渔溌泛凸?jié)點(diǎn)的組合，而節(jié)點(diǎn)則是轉(zhuǎn)發(fā)功能的邏輯抽象，節(jié)點(diǎn)可以包含內(nèi)部拓?fù)?。依?jù)ONF開(kāi)放式傳輸API（TAPI）數(shù)據(jù)模型建模的OTN分層網(wǎng)絡(luò)，從上至下是一個(gè)節(jié)點(diǎn)遞歸分解的過(guò)程，可以將上層節(jié)點(diǎn)遞歸分解成其下層的節(jié)點(diǎn)和鏈路；從下至上則是一個(gè)節(jié)點(diǎn)不斷抽象的過(guò)程，最底層的節(jié)點(diǎn)可以作為網(wǎng)元設(shè)備交換矩陣的抽象，最頂層的節(jié)點(diǎn)可以作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞某橄?。TAPI中集成了PCE路徑計(jì)算功能，TAPI中的鏈路抽象和PCE架構(gòu)中TE鏈路抽象原理一樣，都是將PCE計(jì)算出來(lái)的標(biāo)簽交換業(yè)務(wù)路徑作為上層網(wǎng)絡(luò)的TE鏈路呈現(xiàn)，最底層是實(shí)際的物理鏈路。

圖9 OTN的TAPI功能架構(gòu)

在TAPI功能架構(gòu)中，使用OF-Switch（on off-switch）協(xié)議的“光傳輸協(xié)議擴(kuò)展”（TS-022）作為南向接口協(xié)議，在該OF-Switch擴(kuò)展協(xié)議中，采用和GMPLS相同的方法，通過(guò)時(shí)隙或中心波長(zhǎng)標(biāo)識(shí)OTN各個(gè)層中的數(shù)據(jù)流，擴(kuò)展用于OTN數(shù)據(jù)流的匹配和動(dòng)作指令，添加OTN光層和電層連接的端口屬性，新增OTN鄰接關(guān)系發(fā)現(xiàn)功能，支持OAM和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等。另外，在OTN的TAPI功能架構(gòu)中，使用OF-Config協(xié)議作為設(shè)備的管理配置協(xié)議，并同樣作了相應(yīng)的功能擴(kuò)展，以支持光傳輸網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的安裝配置。

2016年，ONF和OIF曾聯(lián)合組織了全球多個(gè)運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商以及科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了基于TAPI 1.0的OTN互聯(lián)互通測(cè)試；2018年，ONF和OIF再次組織了基于TAPI 2.0的互聯(lián)互通測(cè)試，由此可見(jiàn)，ONF TAPI是一個(gè)切實(shí)可行的OTN SDN功能架構(gòu)模型，是未來(lái)OTN向SDN演進(jìn)發(fā)展的方向之一。

但是，該架構(gòu)只適用于采用ONF CIM建模并使用OF-Switch協(xié)議作為D-CPI的OTN，無(wú)法應(yīng)用于現(xiàn)有的OTN，而且不同的TAPI技術(shù)版本之間還可能存在兼容性問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)幾種SDN架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，以及它們?cè)贠TN中的適用性進(jìn)行了研究和分析。這些SDN技術(shù)架構(gòu)中，除了集中式PCE架構(gòu)可以直接用于當(dāng)前基于SNMP/MIB信息模型的OTN之外，其他技術(shù)架構(gòu)都需要首先對(duì)OTN底層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一的YANG建模，基于數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)設(shè)備層抽象和網(wǎng)絡(luò)層抽象。

相較而言，IETF的幾個(gè)SDN技術(shù)架構(gòu)更具開(kāi)放性，其南向和北向接口技術(shù)選擇很多，缺點(diǎn)是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，尤其是和OTN、WDM相關(guān)的很多光層/電層傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其YANG數(shù)據(jù)模型目前還都處在討論開(kāi)發(fā)階段。ONF的TAPI功能架構(gòu)經(jīng)過(guò)了兩次版本更新（1.0和2.0版本），并且都通過(guò)了多廠商互聯(lián)互通測(cè)試，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟，但需要OTN遵照TAPI功能模型重新建模，無(wú)法兼容現(xiàn)有技術(shù)模型。

盡管目前這些SDN技術(shù)架構(gòu)還存在一些不足，但是，SDN化應(yīng)該是以O(shè)TN為代表的光傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然方向，并最終實(shí)現(xiàn)融合光網(wǎng)的控制集中化、硬件白盒化、軟件開(kāi)源化、接口開(kāi)放化，滿足未來(lái)靈活多樣的網(wǎng)絡(luò)需求，加速網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)創(chuàng)新步伐，提高運(yùn)維效率和降低成本。

[1] 李璐. 聯(lián)合廠商試水CDN共建中國(guó)電信開(kāi)啟境外CDN服務(wù)[J].通信世界, 2014(18): 39.

LI L. Collaborating with manufacturers to test CDN and jointly build China Telecom to launch overseas CDN services[J].Communications World, 2014(18): 39.

[2] 楊明華, 陳聰, 鄭建群, 等. 安全可控的SDN技術(shù)研究[J]. 信息安全與技術(shù), 2014, 5(8): 51-54.

YANG M H, CHEN C, ZHENG J Q, et al. Study on safe and controllable SDN[J]. Information Security and Technology, 2014, 5(8): 51-54.

[3] ORLIKOWSKI W J. Using technology and constituting structures: a practice lens for studying technology in organizations[J]. Organization Science, 2000, 11(4).

[4] 謝亮. 軟件定義網(wǎng)絡(luò)中OpenFlow交換機(jī)流表優(yōu)化技術(shù)研究[D].杭州: 浙江大學(xué), 2015.

XIE L. Research on optimization technology of OpenFlow switch flow table in software-defined network[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2015.

[5] 劉程, 李亞華, 盧曉寧. SDN 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)特性分析與流量監(jiān)測(cè)研究[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2015, 42(8): 45-46, 48.

LIU C, LI Y H, LU X N. SDN forward network characteristic analysis and study in monitoring of flowing[J]. Metrology & Measurement Technique, 2015, 42(8): 45-46, 48.

[6] 馬文婷. 基于OpenFlow的SDN控制器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京: 北京郵電大學(xué), 2015.

MA W T. Research on key technologies of SDN controller based on OpenFlow[D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2015.

[7] 張衛(wèi)峰. 深度解析SDN利益、戰(zhàn)略、技術(shù)、實(shí)踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2014.

ZHANG W F. Deep analysis of SDN interests, strategies, technologies, and practices[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2014.

Research on the applicability of SDN technical architecture

CHEN Xianhui, CAI Yiting, CHEN Mengxian, WANG You

State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Wenzhou Power Supply Company, Wenzhou 325700, China

Firstly, several software defined network (SDN) architectures and their key technologies were introduced. Secondly, technical research on the applicability of these SDN architectures in optical transport network (OTN) on several key aspects such as network layering and network abstraction, southbound interface protocol selection, and path computation element (PCE) function integration was conductd and analyzed. Finally, guiding opinions and suggestions on the migration of the existing OTN network to these SDN technical architectures were given.

OTN, SDN, applicability

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2023191

2023?10?01；

2023?10?11