軟件定義光網絡技術與應用

　　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，光網絡的動態(tài)性和靈活性進一步增強，傳統(tǒng)自動交換光網絡/通用多協議標簽交換(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絡發(fā)展途徑。

　　隨著光通信技術的革命性進展以及光網絡承載業(yè)務功能的不斷變化，光網絡的發(fā)展不再局限于簡單的“剛性帶寬管道”思維，而是出現了波長柔性化、業(yè)務增值化的趨勢與特征。本文借鑒網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

　　流量工程是網絡研究的一項重要內容，可以解決將分組數據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)的分組數據傳送要求。靈活柵格技術的出現，使得光網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。云計算和數據中心應用的出現，提出了虛擬化、可編程等新的挑戰(zhàn)，推動光網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絡控制功能，迫切需要在機理上實現創(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。

　　軟件定義網絡(SDN)的出現為解決以上難題提供了一種行之有效的實現方案。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絡功能行為進行控制，為支持互聯網創(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絡統(tǒng)一、靈活、集成的控制需求。軟件定義光網絡的架構實現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過程為核心的開放控制的模式轉變，代表了未來光網絡技術新的發(fā)展方向。

　　1.軟件定義光網絡關鍵技術

　　如上所述，SDN技術是對光網絡智能化的延伸與增強，代表光網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網等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絡所接受使用。可見，IA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都可以實現在線調節(jié)。光路已經發(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，支持網狀網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網技術

　　由于互聯網應用迅猛增長，不同帶寬粒度和性能要求的業(yè)務類型加載到光網絡上，通過虛擬化實現業(yè)務到網絡層面的高效映射、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具有更加靈活的帶寬接入能力，這就意味著未來傳送網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，網絡的分層、分域在很大程度上解決了大規(guī)模光網絡的可擴展性，但是多層多域光網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。當前的多層多域網絡架構不能很好地解決網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，光網絡的智能化經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網技術成為未來演進的重要方向。為了突破大規(guī)模組網過程中所面臨的“組網控制復雜與資源利用低效”問題，光網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絡，其主要功能在于依托網絡單元的軟件可編程特性，即根據用戶和網絡狀態(tài)需求，利用可編程控制的器件、算法、策略、協議，定制內核可高度重構化的網絡支撐系統(tǒng)，提供開放式的管理與業(yè)務適配接口，實現異構網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絡的基本架構和異構網絡集成控制機制等，包括軟件定義網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”。

　　研究軟件定義網絡的另一個標準化組織是開放網絡基金會(ONF)。ONF主導了網絡操作系統(tǒng)和網絡設備間的通信協議OpenFlow。OpenFlow是業(yè)界公認的主要SDN協議，目前已經發(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、控制組網等不同角度對軟件定義網絡展開討論。

　　在物理層面上，提出了可靈活實現調制格式控制、速率調整以及OSNR等物理損傷補償的軟件定義架構;在光器件層面上，實現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;在控制組網層面上，包括可編程控制網元配置與自動發(fā)現，網元狀態(tài)檢測、虛拓撲設計與重構，以及建拆光路與網絡保護與恢復等重要的管控功能。由此看出，SDN技術對光網絡中的應用越來越受到重視。在SDN主要協議OpenFlow架構中，為了滿足光網絡控制的需要，也在最新版本協議匹配域中加入了與光傳輸相關的參數。

　　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在光網絡中的應用

　　軟件定義光網絡技術是滿足下一代光網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異構網絡的統(tǒng)一控制

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

　　3.2網絡資源的虛擬化提供

　　網絡資源的虛擬化提供技術可以更好地發(fā)揮網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，使得對網絡資源的利用達到最優(yōu)化?；谔摂M化的網絡體系結構，能夠根據不同業(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協議的通用化接口，為上層網絡提供統(tǒng)一開放的控制操作功能，網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按需分配和實時管理。

　　3.3面向數據中心的高效互聯

　　云服務是未來互聯網服務的主流模式，而云服務數據中心通過通信網絡將數量眾多的服務器和存儲設備進行互聯，并實現它們之間的高效協同工作，從而提供海量信息數據的存儲和高性能處理，成為實現云服務的信息基礎設施。運營商采用城域網或骨干網組成數據中心問互聯架構實現城市內部或城市之間的數據信息高速互聯。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靈活調度。這使得數據中心之間光互聯成為巨大挑戰(zhàn)。如數據中心問的數據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數據中心之間帶寬的動態(tài)調整和靈活調度。在軟件定義的數據中心間互聯架構中，運營商將數據中心內部資源統(tǒng)一管理(如計算資源、存儲資源等)，再根據網絡中資源狀態(tài)和業(yè)務粒度，將數據中心資源與網絡帶寬資源統(tǒng)一分配，實現實時調度和可編程化控制。

　　4.結束語

　　軟件定義光網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網等3項關鍵技術，可以實現不同帶寬要求業(yè)務定制，完成光網絡設備配置、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。隨著軟定義光網絡標準化程度的提升和產業(yè)界的持續(xù)投入，其勢必會給未來光網絡的發(fā)展注入一劑“強心劑”。