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软件定义光网络技术演进及在5G中的创新应用

时间:2016-05-18 13:25:58

 

 

当前,我国信息通信产业持续高速增长,互联网应用呈现出加深发展态势。
 
为把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合,推动技术进步,提升实体经济创新力和生产力,国务院提出以“互联网+”为主线的国家信息化战略方针。
 
作为“互联网+”的重要基础设施,光网络在高速、宽带、长距离超大容量传输方面的优势得到了充分体现。
 
随着光网络智能化的不断发展,其发展趋势已不再局限于简单的刚性带宽管道提供,出现了结构开放化、业务增值化的发展趋势与特征,而带来这一特征的主要因素在于光网络的可编程控制,即软件定义光网络SDON。
 
智能光网络的技术演进路线
 
围绕着光网络的智能性演进,先后形成了如图1所示的技术路线,即自动交换光网络ASON、基于路径计算单元PCE的光网络和软件定义光网络SDON,实现了从“分布式”控制到“半分布式半集中式”控制,再到“全集中式”控制的演进。
图1 智能光网络的技术演进路线
 
自动交换光网络—ASON
 
2001年,ITU-T发布对ASON的实施建议,首次提出在光传送网中引入控制平面。
 
同年,IETF提出ASON的一种实现技术,即通用多协议标记交换GMPLS。
 
ASON/GMPLS是将拓扑发现、路径计算、资源分配、连接控制等功能从管理平面剥离出来,形成分布式控制平面,利用分布式的智能实现连接的动态建立、删除以及快速故障恢复,从而实现网络资源的按需分配。
 
由图1我们可以看到,基于分布式的ASON/GMPLS是一种“链型结构”的控制平面模式,每个光网络传输与交换单元都有各自的控制平面CP系统,维护着与其他网络节点的控制信令的互通。
 
然而随着光通信技术的不断发展,需要引入业务感知、损伤分析、层域协同、资源虚拟等新的策略与规则,ASON/GMPLS控制胖平面化趋势十分明显,由此导致网络控制功能越来越复杂,造成各控制平面节点之间的通信量越来越大。
 
另外,随着网络规模的扩大,ASON/GMPLS在大规模网络的路径计算、异构网络的互联互通等方面存在明显不足,并且GMPLS协议过于复杂,在实际应用中的局限性较大。
 
基于路径计算单元的光网络—PCE
 
IETF标准化组织于2006年提出了PCE技术。基于PCE的网络结构和选路技术,将复杂约束条件下的路径计算和流量工程功能从传统控制平面独立出来,形成集中式路由和分布式信令的“锥形结构”控制平面模式(如图1所示)。
 
作为网络中专门负责路径计算的功能实体,PCE基于已知的网络拓扑结构和约束条件,根据路径计算客户PCC的请求计算出最佳路径。
 
采用相对独立的PCE专门负责路径计算,有利于增强网络规模及路由机制的可扩展性,同时,减轻大量计算需求对网络设备的冲击。
 
但PCE功能比较单一,需要与其他技术协同应用。
 
软件定义光网络—SDON
 
2011年,以OpenFlow为代表的软件定义网络SDN首次在计算机网络提出,并逐步扩展到光纤网络中。
 
SDON是指光网络的结构和功能可根据用户或运营商需求,利用软件编程的方式进行动态定制,从而实现快速响应请求、高效利用资源、灵活提供服务的目的。
 
SDON可以为各种光层资源提供统一的调度和控制能力,根据用户或运营商需求,利用软件编程方式进行动态定制,重点解决功能扩展的难点,满足多样化、复杂化的需求,其核心在于光网络元素的可编程特性,包括业务逻辑可编程、控管策略可编程和传输器件可编程。
 
由于光层和电层属性不同,SDON是对SDN技术在光层上的扩展,以满足光网络的特殊需求,可支持弹性资源切片虚拟,因此,更加适合多层域多约束的光网络控制,可有效提高运维效率并降低成本。
 
如图1所示,SDON通过开放的南北向接口实现了业务的灵活接入与硬件的统一控制,形成了以控制器为核心的“沙漏型结构”的控制平面模式。
 
SDON的标准化进展
 
SDON的标准化工作主要由四个国际标准化组织完成,即ONF、ITU-T、IETF、OIF。
 
1)ONF有三个相关工作组
(1)OTWG。2013年4月,ONF成立了光传送工作组OTWG,重点研究光传送网中实现SDN的用例、需求、架构、信息模型、协议扩展,2014下半年与OIF联合开展互操作测试,2015年初发布OpenFlow光扩展协议,并开展光传送网北向接口研究。
(2)ARCH WG,开展北向接口通用信息模型研究。
(3)CG讨论组,讨论运营商SDN的问题、需求和架构框架,提出工作组章程,将开展架构、需求和Gap分析工作。
 
2)ITU-T的SG15
2013年7月,ITU-T由SG15开展传送网SDN研究,重点研究SDN与现有传送网的关系、网络架构和演进等方面的内容。2014年正式立项G.asdtn和G.cca标准,采用架构组件方法规范SDTN的体系架构和接口需求。
 
3)IETF有两个相关工作组
(1)PCE WG,基于有状态的PCE,研究PCE中增加连接控制,进而演进为SDN 控制器。Google、思科、Juniper、华为等公司正积极推进标准化,2013.11工作组会议基本同意该提案成为工作组文稿。
(2)ACTN讨论组,旨在推进传送网开放网络接口,向上层网络提供资源抽象和控制。
 
OIF于2013年开始对传送网SDN开展研究,包括传送网SDN构架和接口需求。2014年8~9月,OIF/ONF联合举行OTN SDN全球互操作性测试,全球5个运营商9个设备厂商参与,成功展示了光网络SDN互通性。
 
从光网络的智能化演进路线和标准化进展不难看出,网络结构的简单化和开放化是发展趋势,而业务的灵活自适应接入是核心驱动力。
光网络服务门槛的降低使得越来越多的应用能够在其中得到孕育和发展。
 
SDON的特色与关键技术
 
开放灵活的业务编排
 
随着光网络技术的不断发展,网络业务呈现出多样化的趋势。
 
一方面,光网络需要承载话音、上网业务等传统的电信级业务,这些业务占据了大量的光网资源,且灵活性很差。
 
另一方面,随着数据中心的深入,光网络面对的不再是简单的“客户”到“服务器”的连接请求,而更多是面向服务器到服务器提供连接,这种业务形式需要光网络能够具备多用户并发访问,以及快速的业务服务能力。
 
特别是网络虚拟化技术的发展,网络操作者能够根据不同用户的需求(如QoS、时延、带宽等),设计并提供不同的虚拟网络给用户。
 
在现有网络架构下,当服务提供需要增加新的业务时,运营商需要人工地修改运营支撑系统;那么当业务种类更新换代频繁时,OSS将成为新业务快速上线的“绊脚石”。所以,光网络需要具备强大的业务编排能力。开放灵活的业务编排是SDON的灵魂。
 
SDON将网络应用部署与特定的网络环境解耦合,不同的应用程序通过统一的北向接口实现业务灵活、快速地接入。
 
异构互联与多域控制
 
光网络和IP网络作为骨干承载网络的两个层面,多年来一直独立发展,二者的联系仅集中在光层为IP层提供静态配置的物理链路资源,IP层看不到光层的网络拓扑和保护能力;光层也无法了解IP层的动态业务连接需求。基于IP与光的多层异构网络互联一直以来是通信网络研究的重点。
 
另一方面,从大规模光组网开始,多域性一直是光网络研究不可避免的研究点,其主要体现在两个方面:一是同一运营商不同地域之间的网络互联,二是不同运营商之间的网络互联。
 
设备接口、网络部署的差异性导致不同运营商之间互联困难,特别是跨地域跨运营商的资源调度方面灵活性很差。软件定义光网络能够有效地解决多层多域异构网络之间的互联互通问题。
 
2014年,ONF下设的光传送网络工作组提出面向对象的交互控制接口,它可以实现异构多域网络信息抽象化和跨域网络控制集成化,从而在异构与多域网络之间建立起具备统一控制能力的新型异构网络体系架构。
 
不同设备商的单域控制器通过CVNI接口与运营商的多域控制器相连,该接口有效屏蔽了底层不同运营商网络对各自设备的控制方式,实现了物理资源的统一调配。
 
跨层资源联合调度与优化是SDON的关键,通过将不同的网络资源,如带宽、连接状态等进行逻辑抽象,形成有别于物理形态存在的虚拟网络资源,并将这些虚拟资源提供给上层应用。
 
可编程光传输与交换
 
可编程的光传输与交换设备是SDON的核心,是数据平面实现软件控制的保障。
 
随着软件定义光学的发展,光纤通信系统中的模块与器件性能具备了可调谐能力。光收发机的波长、输入输出功率、调制格式、信号速率、前向纠错码类型选择,以及光放大器的增益调整范围等参数都可以实现在线调节。
 
光路已经发展成为物理性能可感知、可调节的动态系统,从而实现光层智能型。
 
此外,光网络正朝着带宽粒度更精细化的方向发展,灵活栅格技术的出现打破了传统波长通道固定栅格的限制,可以实现“四无”(无色、无向、无栅格、无阻塞)光交换。
 
波长间隔无关的可编程ROADM技术在全光交换过程中的应用打破了传统波长通道50GHz、100GHz的间隔划分,可支持全光汇聚与疏导,为实现高谱效率、速率灵活的光路配置和带宽管理提供了全新思路。
 
发展软件编程的光路交换技术,满足灵活栅格分配的要求,提出大容量、多维度、多方向的全光分插复用节点方案,设计具备方向无关、波长无关、竞争无关和栅格无关等特征的高度可重构节点交换结构,并通过采用高性能的可编程光路选择滤波集成组件等技术,支持不同间隔和码型光信号的可编程传输和交换。
 
2013年12月,ONF白皮书给出SDON的南向接口建议,即控制数据平面接口,实现了光网络底层传输和交换设备的统一可编程控制。
 
SDON是对光网络智能化的延伸与增强,代表光网络的控制平面由单纯的交换智能向同时考虑业务智能、传输智能的综合方向发展。为适应这一角色的变革,软件定义光网络需要在业务编排策略、异构网络互联以及可编程光传输及交换设备等关键技术上实现突破。
 
SDON的创新应用
 
软件定义光网络技术是满足下一代光传送网络高度智能化需求的重要解决方案,具有广泛的应用前景。
 
本文通过一些典型的应用案例探讨SDON技术在5G移动通信、数据中心互联、网络虚拟化等新兴电信级应用方面的研究进展。
 
创新应用1—面向下一代移动通信(5G)的光与无线融合网络控管
 
光与无线的融合是下一代移动通信的发展趋势。
 
基带处理单元的集中化和云化,及远端天线的小型化和分布化使得BBU和RRH之间需要一条高速光路进行互联,几个Gbps甚至数十Gbps的无线基带信号在这条高速光路上进行传输和交换。
 
软件定义光载无线技术是SDON在5G应用中的拓展,能够有效协调微波与光波资源,实现移动业务的高效承载。
 
在国家“973计划”课题“分布式动态可重构微波光波融合系统的建模与实验研究”的支持下,北京邮电大学提出可软件定义的光载无线融合网络控制架构,通过集中式的SDON控制器实现微波与光波资源的联合调度。
 
并提出通过灵活栅格技术实现云无线前传网络的组网方案,即C-RoFlex,实现了动态的弹性光路调整实验。创新实验环境如图2所示。

图2 基于SDON的C-RoFlex实验环境
 
创新应用2—数据中心光互联下的虚拟资源迁移
 
数据动态迁移备份是数据中心一种重要的业务应用形式。
 
因为数据中心迁移数据量巨大,需要光网络提供强大的带宽支持。
 
常规的虚拟机迁移主要在应用层实现,缺乏网络资源的统筹考虑,难以实现网络状态实时响应以及跨层资源的统筹优化。
 
软件定义光网络通过集中控制器可以实现数据中心应用资源和网络资源的协同处理,实现传送网与数据中心资源的灵活互动,提供数据中心之间大容量虚拟资源的动态迁移解决方案,并有效提高资源迁移过程中数据传输的可靠性。
 
北京邮电大学联合21世纪互联搭建基于SDN的全光网创新试验平台,实现了多域数据中心互联,并完成了虚拟资源的动态迁移。
 
如图3所示,在北邮机房1的用户通过SDON域1访问位于北邮机房2的数据中心观看视频,当虚拟机迁移APP触发虚拟机迁移时,视频数据从北邮数据中心迁移到世纪互联的数据中心,整个迁移过程中,用户的浏览一直保持流畅。

图3 基于SDON的虚拟资源迁移试验
 
创新应用3—光层资源的虚拟网络提供
 
在数据中心网络中,用户需求不仅停留在端到端的连接,还需要一张多点互联的虚拟网络。
 
虚拟光网络业务VON利用SDON的网络虚拟化能力,为大客户/虚拟运营商提供虚拟光网服务,类似于客户拥有自己的专用光传送网。
 
多个VON用户可以共享运营商的物理光网络,从而提高网络资源利用率。
 
在给定的虚拟网络中,用户可以完全控制虚拟网络内连接的建立/修改/删除,包括连接路由的选择(如显示路由)和业务的保护恢复等。
 
SDON控制器则完成了多用户接入以及物理网络资源的虚拟化抽象和分配。
 
2015年3月,在开放网络峰会,由华为技术有限公司和北京邮电大学联合开发的基于SDON的光传送网络平台及创新应用展示了虚拟光网资源的按需提供,其应用场景如图4所示,不同的网络租户向控制器请求网络服务,控制器根据用户的需求将物理网络抽象成多个虚拟网络提供给租户。
 

图4 基于SDON的虚拟光网资源提供场景
 
创新应用4—基于时间的弹性服务调度策略
 
在数据中心互联场景下,大量的业务需要在数据中心之间进行交互。
 
通常这些业务并非具有及时性,而是具有截止时间驱动的特性,即信息传递被要求在某一个时间段内完成。
 
这样,可以将时间和带宽资源切片并进行统一的调度,大大提升数据中心网络资源的利用效率。
 
图5显示了基于时间的弹性服务调度应用场景,业务1/2/3分别具有不同的带宽需求和时间传输特性,通过调度算法将业务2和业务3分别推迟1小时传输,这样能够有效地减少光网络频谱资源的碎片化。

图5 基于时间的弹性服务调度应用场景
 
该应用案例在ONS2015会议上进行了现场演示。其中SDON控制器完成了时间弹性调度算法的运算,并通过南向接口调用底层网络资源,实现业务调整。
随着SDON技术的发展,对于SDON的创新应用正在不断增多,上述四个典型案例仅从信息通信网络的角度出发来介绍SDON的特色,但SDON的应用场景并不仅限于此,对未来网络的发展,特别是对“互联网+”驱动下的工业互联网络应用必将起到推动作用。
 
结束语
 
以SDON为代表的智能光网络是光通信的重要发展趋势,传送网络的软件化和开放化已经开始影响整个信息领域。
 
不论是在理论研究、标准推动,还是在设备研制和应用部署方面,软件定义光网络都取得了重要的进展。
 
但同时也需要指出,SDON的研究还在不断发展中,相关技术标准也尚待完善。
 
特别是针对基于SDON的创新应用的研究与探索,必须通过高校与企业各方不断研究和试验,并通过实践来完善和推进,借助市场来检验,SDON技术才能在“互联网+”的浪潮中起到关键的推动作用。
 


  OFweek 光通讯网   纪越峰 张佳
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