軟件定義光網(wǎng)絡技術與應用

　　光纖通信在過去的幾十年間飛速的發(fā)展，各種節(jié)點、系統(tǒng)和組網(wǎng)技術層出不窮，單信道速率達到太比特每秒，通信規(guī)模與容量獲得了空前提升。作為中國最為重要的電信基礎設施之一，光網(wǎng)絡在支撐社會信息化、寬帶化建設方面起著舉足輕重的作用。近年來，由于人一機一物信息交互量與日俱增，光網(wǎng)絡的動態(tài)性和靈活性進一步增強，傳統(tǒng)自動交換光網(wǎng)絡/通用多協(xié)議標簽交換(ASON/GMPIJS)架構已不能滿足這一要求，迫切需要探索新的智能光網(wǎng)絡發(fā)展途徑。

　　隨著光通信技術的革命性進展以及光網(wǎng)絡承載業(yè)務功能的不斷變化，光網(wǎng)絡的發(fā)展不再局限于簡單的“剛性帶寬管道”思維，而是出現(xiàn)了波長柔性化、業(yè)務增值化的趨勢與特征。本文借鑒網(wǎng)絡中流量工程的概念，提出了頻譜工程和業(yè)務工程兩類需求挑戰(zhàn)。

　　(1)頻譜工程

　　流量工程是網(wǎng)絡研究的一項重要內容，可以解決將分組數(shù)據(jù)流高效率地映射到物理拓撲上的任務，并且能夠改善業(yè)務質量，增強網(wǎng)絡運行的效果和性能。流量工程主要描述的是針對時間域分組處理的策略和方法，不涉及與頻譜相關的內容。傳統(tǒng)波分復用技術受到固定頻譜間隔、固定調制格式等限制，存在頻譜利用不靈活和效率低下的缺點，難以滿足未來大帶寬、高突發(fā)的分組數(shù)據(jù)傳送要求。靈活柵格技術的出現(xiàn)，使得光網(wǎng)絡中頻譜資源走出了固定分配模式，向按需帶寬的彈性切片化方向發(fā)展。如何實現(xiàn)對頻譜資源的利用能夠像在時間域上的處理那樣靈活，成為亟待解決的技術挑戰(zhàn)。本文將這類需求統(tǒng)稱為頻譜工程問題。

　　(2)業(yè)務工程

　　以AOSN，GMPLS為代表的智能光網(wǎng)絡解決方案，其核心是交換自動化，側重于針對連接建拆處理過程的控制，包括路由、信令、發(fā)現(xiàn)和鏈路資源管理等功能。然而，連接并不等同于業(yè)務，業(yè)務的完成還包含豐富的業(yè)務提供邏輯。云計算和數(shù)據(jù)中心應用的出現(xiàn)，提出了虛擬化、可編程等新的挑戰(zhàn)，推動光網(wǎng)絡由控制平面智能向業(yè)務處理智能方向發(fā)展。傳統(tǒng)光網(wǎng)絡存在“重控制、輕業(yè)務”的問題，難以滿足這一趨勢要求，如何圍繞以業(yè)務智能化為核心構建網(wǎng)絡控制功能，迫切需要在機理上實現(xiàn)創(chuàng)新與突破。本文將這類需求統(tǒng)稱為業(yè)務工程問題。

　　為了應對上述兩項需求，擴展現(xiàn)有ASON/GMPLs是一種可能的做法。

　　由于需要引入業(yè)務感知、損傷分析、層域協(xié)同、資源虛擬等新的策略與規(guī)則，ASON/GMPLS控制“胖平面”化的趨勢更加明顯，由此導致網(wǎng)絡控制功能越來越復雜。如果能夠把將部分智能性進一步從控制平面中剝離出來，這樣將有利于提高光網(wǎng)絡的整體資源利用效率，并增強更為靈活的業(yè)務提供能力。

　　軟件定義網(wǎng)絡(SDN)的出現(xiàn)為解決以上難題提供了一種行之有效的實現(xiàn)方案。美國斯坦福大學于2007年率先提出并開發(fā)了SDN/0penFlow交換結構模型，可通過開放的流表支持用戶對網(wǎng)絡功能行為進行控制，為支持互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究建立了實驗途徑。在InfoWorld于2011年11月公布的將影響未來10年的10項新技術中，SDN排名第二。SDN技術具有可編程能力的優(yōu)點，能夠很好地適應光網(wǎng)絡統(tǒng)一、靈活、集成的控制需求。軟件定義光網(wǎng)絡的架構實現(xiàn)了由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運營功能的緊耦合、以連接過程為核心的閉合控制到以組網(wǎng)過程為核心的開放控制的模式轉變，代表了未來光網(wǎng)絡技術新的發(fā)展方向。

　　1.軟件定義光網(wǎng)絡關鍵技術

　　如上所述，SDN技術是對光網(wǎng)絡智能化的延伸與增強，代表光網(wǎng)絡的控制平面由單純的交換智能向同時考慮傳輸智能、業(yè)務智能的綜合方向發(fā)展。為了適應這一角色的變革，未來軟件定義光網(wǎng)絡需要攻克軟件驅動的光路傳輸調節(jié)、軟件編程的光路靈活交換、軟件擴展的光路自動聯(lián)網(wǎng)等3項關鍵技術。

　　1.1軟件驅動的光路傳輸調節(jié)技術

　　在傳統(tǒng)ASON/GMPLs方案中，主要關注的是光路連接屬性，即如何控制節(jié)點開關單元的狀態(tài)，實現(xiàn)由源節(jié)點到宿節(jié)點之間端到端光路的智能建拆過程。其假設前提為“光通道的信號質量都是有保障的，所有鏈路和信道都具有標準的傳輸特性”。該方案只是滿足了光路連接性的動態(tài)需求，對物理屬性的動態(tài)調整與控制沒有給出具體的解決方式。換句話說，ASON/GMPLS控制平面只是控制了光層開關的動作，而不包括其他可性能調節(jié)的光傳送系統(tǒng)設備。然而實際光網(wǎng)絡中物理損傷決定了信號傳輸質量，在選路和資源分配過程中都不能忽略，損傷感知(IA)技術成為重要研究內容之一。

　　IA技術提出以后，人們開始更多關注光路自身的物理屬性。在基于IA的選路和資源分配算法中，即使可以找到一條符合連接需要的光路系統(tǒng)，如果其物理損傷的積累已不能滿足信號傳輸性能要求，同樣該路由不能被網(wǎng)絡所接受使用?？梢姡琁A技術不僅需要解決當前光路選擇的可能性問題(指在拓撲上能夠找到合適的路徑并分配可用資源)，還要滿足可行性的要求(指光路的物理損傷不影響到信號傳輸質量)。

　　隨著軟件定義光學的發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)中的模塊與器件性能具備了可調諧能力。光收發(fā)機的波長、輸入輸出功率、調制格式、信號速率、前向糾錯碼(FEC)類型選擇等，以及光放大器的增益調整范圍等參數(shù)都可以實現(xiàn)在線調節(jié)。光路已經(jīng)發(fā)展成為物理性能可感知、可調節(jié)的動態(tài)系統(tǒng)。例如，我們可以根據(jù)需要改變光路的調制格式和編碼列類型，以延長光信號的傳輸距離，或者減少占用的頻譜資源。

　　1.2軟件編程的光路靈活交換技術

　　從業(yè)務需求上看，光網(wǎng)絡應具備動態(tài)靈活地提供不同傳輸速率、不同帶寬粒度的信號交換能力。波分復用系統(tǒng)中單波長40G、100G等傳輸接口已經(jīng)不能滿足當前路由器豐富的應用需要，支持子波長級別和超波長級別的交換能力成為實現(xiàn)多業(yè)務接人靈活性的迫切要求。傳統(tǒng)基于固定波長間隔的可重構光分插復用(ROADM)技術只能提供波長通道的調度處理，難以滿足各類業(yè)務不同的通信速率和帶寬需求。

　　波長間隔無關的可編程ROADM技術在全光交換過程中的應用打破了傳統(tǒng)波長通道50 GHz、100 GHz的間隔劃分，可支持全光匯聚與疏導，為實現(xiàn)高譜效率、速率靈活的光路配置和帶寬管理提供了全新思路。發(fā)展軟件編程的光路交換技術，滿足靈活柵格分配的要求，提出大容量、多維度、多方向的全光分插復用節(jié)點方案，設計具備方向無關、波長無關、競爭無關和柵格無關等特征的高度可重構節(jié)點交換結構，并通過采用高性能的可編程光路選擇濾波集成組件等技術，支持網(wǎng)狀網(wǎng)中不同間隔和碼型信號的靈活交換處理。

　　1.3軟件擴展的光路自動聯(lián)網(wǎng)技術

　　由于互聯(lián)網(wǎng)應用迅猛增長，不同帶寬粒度和性能要求的業(yè)務類型加載到光網(wǎng)絡上，通過虛擬化實現(xiàn)業(yè)務到網(wǎng)絡層面的高效映射、承載與調度變得十分重要。業(yè)務的多樣性和時變性要求傳送網(wǎng)具有更加靈活的帶寬接入能力，這就意味著未來傳送網(wǎng)需要提供多種粒度的業(yè)務接口，并能夠為高度動態(tài)化的業(yè)務需求分配相應資源。同時，網(wǎng)絡的分層、分域在很大程度上解決了大規(guī)模光網(wǎng)絡的可擴展性，但是多層多域光網(wǎng)絡本身仍舊面臨著一定的體系擴展性問題，即在時間或者空間上擴展后，如何保證端到端的業(yè)務性能，具體包括路由可達性、路徑計算收斂時間、建路時間、生存性和資源利用率等方面的性能。當前的多層多域網(wǎng)絡架構不能很好地解決網(wǎng)絡擴展所帶來的問題，亟須在新的體系架構上取得突破。

　　從基于網(wǎng)管的統(tǒng)一調度系統(tǒng)到基于分布式節(jié)點的智能控制平面，再到基于PCE的集中式路徑計算服務，光網(wǎng)絡的智能化經(jīng)歷了從集中到分布再到集中與分布結合的發(fā)展過程，面向軟件擴展的光路自動聯(lián)網(wǎng)技術成為未來演進的重要方向。為了突破大規(guī)模組網(wǎng)過程中所面臨的“組網(wǎng)控制復雜與資源利用低效”問題，光網(wǎng)絡控制體系勢必需要完成“封閉”到“開放”的根本性改變，形成以“開放式靈活控制”為核心特征的軟件定義光網(wǎng)絡，其主要功能在于依托網(wǎng)絡單元的軟件可編程特性，即根據(jù)用戶和網(wǎng)絡狀態(tài)需求，利用可編程控制的器件、算法、策略、協(xié)議，定制內核可高度重構化的網(wǎng)絡支撐系統(tǒng)，提供開放式的管理與業(yè)務適配接口，實現(xiàn)異構網(wǎng)絡資源的歸一化調度與業(yè)務應用的高質量保證。

　　2.SDN標準化進程

　　目前，SDN的標準化工作還處于起步階段，部分協(xié)議相對成熟，總體標準的研究還剛剛開始。從事SDN相關技術和協(xié)議研究的標準化組織主要是IETF/IRTF、ONF和ITU-T。

　　IETF早期有兩個與SDN相關的工作組，分別是ForCEs和ALTO工作組。2011年11月的第82屆臺北會議上單獨設立了SDN BoF工作組，討論相關研究成果和發(fā)展方向。提出了若干標準草案”“，主要針對軟件定義網(wǎng)絡的基本架構和異構網(wǎng)絡集成控制機制等，包括軟件定義網(wǎng)絡控制與不同粒度應用以及異構傳送平面的接口定義、軟件定義組網(wǎng)與相關應用等。2012年IRTF中首次開設SDNP工作組，從不同角度進一步推進“SDN標準化進程”。

　　研究軟件定義網(wǎng)絡的另一個標準化組織是開放網(wǎng)絡基金會(ONF)。ONF主導了網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡設備間的通信協(xié)議OpenFlow。OpenFlow是業(yè)界公認的主要SDN協(xié)議，目前已經(jīng)發(fā)布了1.3版本。2012年11月，ONF研討會上””從節(jié)點單元、光層交換、控制組網(wǎng)等不同角度對軟件定義網(wǎng)絡展開討論。

　　在物理層面上，提出了可靈活實現(xiàn)調制格式控制、速率調整以及OSNR等物理損傷補償?shù)能浖x架構;在光器件層面上，實現(xiàn)了可調整光路帶寬和調制格式、FEC類型以及輸出告警的軟件定義光收發(fā)機，完成了可編程波長范圍、輸出功率和告警類型的可變增益放大器，討論了可軟件定義端口數(shù)量配置、波長范圍和插入損耗的波長選擇開關和光交叉連接器;在控制組網(wǎng)層面上，包括可編程控制網(wǎng)元配置與自動發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)元狀態(tài)檢測、虛拓撲設計與重構，以及建拆光路與網(wǎng)絡保護與恢復等重要的管控功能。由此看出，SDN技術對光網(wǎng)絡中的應用越來越受到重視。在SDN主要協(xié)議OpenFlow架構中，為了滿足光網(wǎng)絡控制的需要，也在最新版本協(xié)議匹配域中加入了與光傳輸相關的參數(shù)。

　　ITu-T在SGl3組設立了SDN的研究任務，相關工作在WP5組Q21研究。目前成立了兩個項目Y.FNSDN—fm和Y.FNSDN，分別面向SDN的需求和框架。

　　3.SDN在光網(wǎng)絡中的應用

　　軟件定義光網(wǎng)絡技術是滿足下一代光網(wǎng)絡高度智能化要求的重要解決方案，具有廣闊的應用前景。

　　3.1異構網(wǎng)絡的統(tǒng)一控制

　　隨著融合網(wǎng)絡技術的發(fā)展，不同類型的業(yè)務和網(wǎng)絡資源交織疊加在一起，形成了異構化的網(wǎng)絡互聯(lián)環(huán)境，加劇了全網(wǎng)業(yè)務控制與資源管理的實現(xiàn)難度。軟件定義光網(wǎng)絡方案能夠有效地解決異構網(wǎng)絡之間的互聯(lián)互通問題。通過對OpenFlow等相關協(xié)議進行擴展，開發(fā)面向對象的交互控制接口，可以實現(xiàn)異構網(wǎng)絡信息抽象化和跨層網(wǎng)絡控制集成化，從而在接入網(wǎng)與核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)與光網(wǎng)絡、有線網(wǎng)和無線網(wǎng)之間建立起具備統(tǒng)一控制能力的新型異構網(wǎng)絡架構體系。

　　3.2網(wǎng)絡資源的虛擬化提供

　　網(wǎng)絡資源的虛擬化提供技術可以更好地發(fā)揮網(wǎng)絡基礎設施資源的優(yōu)勢，通過開放的統(tǒng)一資源管理平臺，使得對網(wǎng)絡資源的利用達到最優(yōu)化。基于虛擬化的網(wǎng)絡體系結構，能夠根據(jù)不同業(yè)務各自的應用需求，在保證服務質量前提下快速有效地接入與控制網(wǎng)絡資源。借助SDN技術思想，各個設備廠商通過開發(fā)支持OpenFlow協(xié)議的通用化接口，為上層網(wǎng)絡提供統(tǒng)一開放的控制操作功能，網(wǎng)絡控制器將不同類型設備通過抽象算法和策略進行虛擬化處理，支持全網(wǎng)資源信息統(tǒng)籌和策略調度。當用戶請求到來后，通過虛擬化的資源調度實現(xiàn)按需分配和實時管理。

　　3.3面向數(shù)據(jù)中心的高效互聯(lián)

　　云服務是未來互聯(lián)網(wǎng)服務的主流模式，而云服務數(shù)據(jù)中心通過通信網(wǎng)絡將數(shù)量眾多的服務器和存儲設備進行互聯(lián)，并實現(xiàn)它們之間的高效協(xié)同工作，從而提供海量信息數(shù)據(jù)的存儲和高性能處理，成為實現(xiàn)云服務的信息基礎設施。運營商采用城域網(wǎng)或骨干網(wǎng)組成數(shù)據(jù)中心問互聯(lián)架構實現(xiàn)城市內部或城市之間的數(shù)據(jù)信息高速互聯(lián)。但這些連接的成本十分高價格昂貴，連接的資源沒有得到充分的利用，不同顆粒度的用戶帶寬需求和時隙分配沒有實現(xiàn)靈活調度。這使得數(shù)據(jù)中心之間光互聯(lián)成為巨大挑戰(zhàn)。如數(shù)據(jù)中心問的數(shù)據(jù)定期備份時需要額外的帶寬傳輸，但是在其他時間大量的帶寬就會被浪費。因此，需要通過軟件定義方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心之間帶寬的動態(tài)調整和靈活調度。在軟件定義的數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)架構中，運營商將數(shù)據(jù)中心內部資源統(tǒng)一管理(如計算資源、存儲資源等)，再根據(jù)網(wǎng)絡中資源狀態(tài)和業(yè)務粒度，將數(shù)據(jù)中心資源與網(wǎng)絡帶寬資源統(tǒng)一分配，實現(xiàn)實時調度和可編程化控制。

　　4.結束語

　　軟件定義光網(wǎng)絡需要攻克軟件驅動的光路傳輸調節(jié)、軟件編程的光路靈活交換、軟件擴展的光路自動聯(lián)網(wǎng)等3項關鍵技術，可以實現(xiàn)不同帶寬要求業(yè)務定制，完成光網(wǎng)絡設備配置、調制格式適配和帶寬靈活分配，達到光層資源虛擬化與按需提供。隨著軟定義光網(wǎng)絡標準化程度的提升和產(chǎn)業(yè)界的持續(xù)投入，其勢必會給未來光網(wǎng)絡的發(fā)展注入一劑“強心劑”。