軟件定義光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與應用

　　光纖通信在過(guò)去的幾十年間飛速的發(fā)展，各種節點(diǎn)、系統和組網(wǎng)技術(shù)層出不窮，單信道速率達到太比特每秒，通信規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(luò )在支撐社會(huì )信息化、寬帶化建設方面起著(zhù)舉足輕重的作用。近年來(lái)，由于人一機一物信息交互量與日俱增，光網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)性和靈活性進(jìn)一步增強，傳統自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )/通用多協(xié)議標簽交換(ASON/GMPIJS)架構已不能滿(mǎn)足這一要求，迫切需要探索新的智能光網(wǎng)絡(luò )發(fā)展途徑。

　　隨著(zhù)光通信技術(shù)的革命性進(jìn)展以及光網(wǎng)絡(luò )承載業(yè)務(wù)功能的不斷變化，光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展不再局限于簡(jiǎn)單的“剛性帶寬管道”思維，而是出現了波長(cháng)柔性化、業(yè)務(wù)增值化的趨勢與特征。本文借鑒網(wǎng)絡(luò )中流量工程的概念，提出了頻譜工程和業(yè)務(wù)工程兩類(lèi)需求挑戰。

　　(1)頻譜工程

　　流量工程是網(wǎng)絡(luò )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(wù)，并且能夠改善業(yè)務(wù)質(zhì)量，增強網(wǎng)絡(luò )運行的效果和性能。流量工程主要描述的是針對時(shí)間域分組處理的策略和方法，不涉及與頻譜相關(guān)的內容。傳統波分復用技術(shù)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(diǎn)，難以滿(mǎn)足未來(lái)大帶寬、高突發(fā)的分組數據傳送要求。靈活柵格技術(shù)的出現，使得光網(wǎng)絡(luò )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(shí)現對頻譜資源的利用能夠像在時(shí)間域上的處理那樣靈活，成為亟待解決的技術(shù)挑戰。本文將這類(lèi)需求統稱(chēng)為頻譜工程問(wèn)題。

　　(2)業(yè)務(wù)工程

　　以AOSN，GMPLS為代表的智能光網(wǎng)絡(luò )解決方案，其核心是交換自動(dòng)化，側重于針對連接建拆處理過(guò)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(wù)，業(yè)務(wù)的完成還包含豐富的業(yè)務(wù)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，推動(dòng)光網(wǎng)絡(luò )由控制平面智能向業(yè)務(wù)處理智能方向發(fā)展。傳統光網(wǎng)絡(luò )存在“重控制、輕業(yè)務(wù)”的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足這一趨勢要求，如何圍繞以業(yè)務(wù)智能化為核心構建網(wǎng)絡(luò )控制功能，迫切需要在機理上實(shí)現創(chuàng )新與突破。本文將這類(lèi)需求統稱(chēng)為業(yè)務(wù)工程問(wèn)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(wù)感知、損傷分析、層域協(xié)同、資源虛擬等新的策略與規則，ASON/GMPLS控制“胖平面”化的趨勢更加明顯，由此導致網(wǎng)絡(luò )控制功能越來(lái)越復雜。如果能夠把將部分智能性進(jìn)一步從控制平面中剝離出來(lái)，這樣將有利于提高光網(wǎng)絡(luò )的整體資源利用效率，并增強更為靈活的業(yè)務(wù)提供能力。

　　軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SDN)的出現為解決以上難題提供了一種行之有效的實(shí)現方案。美國斯坦福大學(xué)于2007年率先提出并開(kāi)發(fā)了SDN/0penFlow交換結構模型，可通過(guò)開(kāi)放的流表支持用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )功能行為進(jìn)行控制，為支持互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )新研究建立了實(shí)驗途徑。在InfoWorld于2011年11月公布的將影響未來(lái)10年的10項新技術(shù)中，SDN排名第二。SDN技術(shù)具有可編程能力的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地適應光網(wǎng)絡(luò )統一、靈活、集成的控制需求。軟件定義光網(wǎng)絡(luò )的架構實(shí)現了由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運營(yíng)功能的緊耦合、以連接過(guò)程為核心的閉合控制到以組網(wǎng)過(guò)程為核心的開(kāi)放控制的模式轉變，代表了未來(lái)光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)新的發(fā)展方向。

　　1.軟件定義光網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)

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

　　1.1軟件驅動(dòng)的光路傳輸調節技術(shù)

　　在傳統ASON/GMPLs方案中，主要關(guān)注的是光路連接屬性，即如何控制節點(diǎn)開(kāi)關(guān)單元的狀態(tài)，實(shí)現由源節點(diǎn)到宿節點(diǎn)之間端到端光路的智能建拆過(guò)程。其假設前提為“光通道的信號質(zhì)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(mǎn)足了光路連接性的動(dòng)態(tài)需求，對物理屬性的動(dòng)態(tài)調整與控制沒(méi)有給出具體的解決方式。換句話(huà)說(shuō)，ASON/GMPLS控制平面只是控制了光層開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，而不包括其他可性能調節的光傳送系統設備。然而實(shí)際光網(wǎng)絡(luò )中物理?yè)p傷決定了信號傳輸質(zhì)量，在選路和資源分配過(guò)程中都不能忽略，損傷感知(IA)技術(shù)成為重要研究?jì)热葜弧?/p>

　　IA技術(shù)提出以后，人們開(kāi)始更多關(guān)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，如果其物理?yè)p傷的積累已不能滿(mǎn)足信號傳輸性能要求，同樣該路由不能被網(wǎng)絡(luò )所接受使用?？梢?jiàn)，IA技術(shù)不僅需要解決當前光路選擇的可能性問(wèn)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(mǎn)足可行性的要求(指光路的物理?yè)p傷不影響到信號傳輸質(zhì)量)。

　　隨著(zhù)軟件定義光學(xué)的發(fā)展，光纖通信系統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(cháng)、輸入輸出功率、調制格式、信號速率、前向糾錯碼(FEC)類(lèi)型選擇等，以及光放大器的增益調整范圍等參數都可以實(shí)現在線(xiàn)調節。光路已經(jīng)發(fā)展成為物理性能可感知、可調節的動(dòng)態(tài)系統。例如，我們可以根據需要改變光路的調制格式和編碼列類(lèi)型，以延長(cháng)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(shù)

　　從業(yè)務(wù)需求上看，光網(wǎng)絡(luò )應具備動(dòng)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。波分復用系統中單波長(cháng)40G、100G等傳輸接口已經(jīng)不能滿(mǎn)足當前路由器豐富的應用需要，支持子波長(cháng)級別和超波長(cháng)級別的交換能力成為實(shí)現多業(yè)務(wù)接人靈活性的迫切要求。傳統基于固定波長(cháng)間隔的可重構光分插復用(ROADM)技術(shù)只能提供波長(cháng)通道的調度處理，難以滿(mǎn)足各類(lèi)業(yè)務(wù)不同的通信速率和帶寬需求。

　　波長(cháng)間隔無(wú)關(guān)的可編程ROADM技術(shù)在全光交換過(guò)程中的應用打破了傳統波長(cháng)通道50 GHz、100 GHz的間隔劃分，可支持全光匯聚與疏導，為實(shí)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(shù)，滿(mǎn)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點(diǎn)方案，設計具備方向無(wú)關(guān)、波長(cháng)無(wú)關(guān)、競爭無(wú)關(guān)和柵格無(wú)關(guān)等特征的高度可重構節點(diǎn)交換結構，并通過(guò)采用高性能的可編程光路選擇濾波集成組件等技術(shù)，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(dòng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　由于互聯(lián)網(wǎng)應用迅猛增長(cháng)，不同帶寬粒度和性能要求的業(yè)務(wù)類(lèi)型加載到光網(wǎng)絡(luò )上，通過(guò)虛擬化實(shí)現業(yè)務(wù)到網(wǎng)絡(luò )層面的高效映射、承載與調度變得十分重要。業(yè)務(wù)的多樣性和時(shí)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(zhù)未來(lái)傳送網(wǎng)需要提供多種粒度的業(yè)務(wù)接口，并能夠為高度動(dòng)態(tài)化的業(yè)務(wù)需求分配相應資源。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )的分層、分域在很大程度上解決了大規模光網(wǎng)絡(luò )的可擴展性，但是多層多域光網(wǎng)絡(luò )本身仍舊面臨著(zhù)一定的體系擴展性問(wèn)題，即在時(shí)間或者空間上擴展后，如何保證端到端的業(yè)務(wù)性能，具體包括路由可達性、路徑計算收斂時(shí)間、建路時(shí)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(luò )架構不能很好地解決網(wǎng)絡(luò )擴展所帶來(lái)的問(wèn)題，亟須在新的體系架構上取得突破。

　　從基于網(wǎng)管的統一調度系統到基于分布式節點(diǎn)的智能控制平面，再到基于PCE的集中式路徑計算服務(wù)，光網(wǎng)絡(luò )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(guò)程，面向軟件擴展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為未來(lái)演進(jìn)的重要方向。為了突破大規模組網(wǎng)過(guò)程中所面臨的“組網(wǎng)控制復雜與資源利用低效”問(wèn)題，光網(wǎng)絡(luò )控制體系勢必需要完成“封閉”到“開(kāi)放”的根本性改變，形成以“開(kāi)放式靈活控制”為核心特征的軟件定義光網(wǎng)絡(luò )，其主要功能在于依托網(wǎng)絡(luò )單元的軟件可編程特性，即根據用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò )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(luò )支撐系統，提供開(kāi)放式的管理與業(yè)務(wù)適配接口，實(shí)現異構網(wǎng)絡(luò )資源的歸一化調度與業(yè)務(wù)應用的高質(zhì)量保證。

　　2.SDN標準化進(jìn)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(kāi)始。從事SDN相關(guān)技術(shù)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(gè)與SDN相關(guān)的工作組，分別是ForCEs和ALTO工作組。2011年11月的第82屆臺北會(huì )議上單獨設立了SDN BoF工作組，討論相關(guān)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(luò )的基本架構和異構網(wǎng)絡(luò )集成控制機制等，包括軟件定義網(wǎng)絡(luò )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(guān)應用等。2012年IRTF中首次開(kāi)設SDNP工作組，從不同角度進(jìn)一步推進(jìn)“SDN標準化進(jìn)程”。

　　研究軟件定義網(wǎng)絡(luò )的另一個(gè)標準化組織是開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )基金會(huì )(ONF)。ONF主導了網(wǎng)絡(luò )操作系統和網(wǎng)絡(luò )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(huì )上””從節點(diǎn)單元、光層交換、控制組網(wǎng)等不同角度對軟件定義網(wǎng)絡(luò )展開(kāi)討論。

　　在物理層面上，提出了可靈活實(shí)現調制格式控制、速率調整以及OSNR等物理?yè)p傷補償的軟件定義架構;在光器件層面上，實(shí)現了可調整光路帶寬和調制格式、FEC類(lèi)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(cháng)范圍、輸出功率和告警類(lèi)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(cháng)范圍和插入損耗的波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)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(dòng)發(fā)現，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(luò )保護與恢復等重要的管控功能。由此看出，SDN技術(shù)對光網(wǎng)絡(luò )中的應用越來(lái)越受到重視。在SDN主要協(xié)議OpenFlow架構中，為了滿(mǎn)足光網(wǎng)絡(luò )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(guān)的參數。

　　ITu-T在SGl3組設立了SDN的研究任務(wù)，相關(guān)工作在WP5組Q21研究。目前成立了兩個(gè)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(luò )中的應用

　　軟件定義光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是滿(mǎn)足下一代光網(wǎng)絡(luò )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(luò )的統一控制

　　隨著(zhù)融合網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò )資源交織疊加在一起，形成了異構化的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)環(huán)境，加劇了全網(wǎng)業(yè)務(wù)控制與資源管理的實(shí)現難度。軟件定義光網(wǎng)絡(luò )方案能夠有效地解決異構網(wǎng)絡(luò )之間的互聯(lián)互通問(wèn)題。通過(guò)對OpenFlow等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行擴展，開(kāi)發(fā)面向對象的交互控制接口，可以實(shí)現異構網(wǎng)絡(luò )信息抽象化和跨層網(wǎng)絡(luò )控制集成化，從而在接入網(wǎng)與核心網(wǎng)、數據網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò )、有線(xiàn)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)之間建立起具備統一控制能力的新型異構網(wǎng)絡(luò )架構體系。

　　3.2網(wǎng)絡(luò )資源的虛擬化提供

　　網(wǎng)絡(luò )資源的虛擬化提供技術(shù)可以更好地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò )基礎設施資源的優(yōu)勢，通過(guò)開(kāi)放的統一資源管理平臺，使得對網(wǎng)絡(luò )資源的利用達到最優(yōu)化?；谔摂M化的網(wǎng)絡(luò )體系結構，能夠根據不同業(yè)務(wù)各自的應用需求，在保證服務(wù)質(zhì)量前提下快速有效地接入與控制網(wǎng)絡(luò )資源。借助SDN技術(shù)思想，各個(gè)設備廠(chǎng)商通過(guò)開(kāi)發(fā)支持OpenFlow協(xié)議的通用化接口，為上層網(wǎng)絡(luò )提供統一開(kāi)放的控制操作功能，網(wǎng)絡(luò )控制器將不同類(lèi)型設備通過(guò)抽象算法和策略進(jìn)行虛擬化處理，支持全網(wǎng)資源信息統籌和策略調度。當用戶(hù)請求到來(lái)后，通過(guò)虛擬化的資源調度實(shí)現按需分配和實(shí)時(shí)管理。

　　3.3面向數據中心的高效互聯(lián)

　　云服務(wù)是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的主流模式，而云服務(wù)數據中心通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )將數量眾多的服務(wù)器和存儲設備進(jìn)行互聯(lián)，并實(shí)現它們之間的高效協(xié)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(shí)現云服務(wù)的信息基礎設施。運營(yíng)商采用城域網(wǎng)或骨干網(wǎng)組成數據中心問(wèn)互聯(lián)架構實(shí)現城市內部或城市之間的數據信息高速互聯(lián)。但這些連接的成本十分高價(jià)格昂貴，連接的資源沒(méi)有得到充分的利用，不同顆粒度的用戶(hù)帶寬需求和時(shí)隙分配沒(méi)有實(shí)現靈活調度。這使得數據中心之間光互聯(lián)成為巨大挑戰。如數據中心問(wèn)的數據定期備份時(shí)需要額外的帶寬傳輸，但是在其他時(shí)間大量的帶寬就會(huì )被浪費。因此，需要通過(guò)軟件定義方式實(shí)現數據中心之間帶寬的動(dòng)態(tài)調整和靈活調度。在軟件定義的數據中心間互聯(lián)架構中，運營(yíng)商將數據中心內部資源統一管理(如計算資源、存儲資源等)，再根據網(wǎng)絡(luò )中資源狀態(tài)和業(yè)務(wù)粒度，將數據中心資源與網(wǎng)絡(luò )帶寬資源統一分配，實(shí)現實(shí)時(shí)調度和可編程化控制。

　　4.結束語(yǔ)

　　軟件定義光網(wǎng)絡(luò )需要攻克軟件驅動(dòng)的光路傳輸調節、軟件編程的光路靈活交換、軟件擴展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)等3項關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現不同帶寬要求業(yè)務(wù)定制，完成光網(wǎng)絡(luò )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(zhù)軟定義光網(wǎng)絡(luò )標準化程度的提升和產(chǎn)業(yè)界的持續投入，其勢必會(huì )給未來(lái)光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展注入一劑“強心劑”。