软定义光网络技术演进

     随着互联网业务持续高速发展，业务的数据量爆炸式增长，使骨干网的带宽需求压力越来越大；同时业务量的增长，新型业务的随机性、突发性、多变性让业务的管理控制更加复杂，现有网络功能的静态性和复杂性等弊端凸显，网络运营商们正面临着大数据时代带来的巨大机遇与严峻挑战。

　　业务的多样性和时变性要求传送网具有更加灵活的带宽接入能力，这就意味着未来传送网需要提供多种粒度的业务接口，并能够通过智能控制灵活地为高动态化的业务提供适配的带宽需求。同时，网络的分层、分域在很大程度上解决了大规模光网络的可扩展性，但是多层多域光网络本身仍旧面临着一定的体系扩展性问题，即在时间或者空间上扩展后，如何保证端到端的业务性能，具体包括路由可得性、路径计算收敛时间、建路时间、生存性和资源利用率等方面的性能。当前的多层多域网络架构不能很好地解决上述网络扩展所带来的问题，需要光网络控制体系往柔性可编程方向发展。

软定义光网络演进的前奏

　　当前光网络控制平面技术已在全球广泛应用，该技术基于OTN/WDM网络，实现动态的基于信令和策略驱动的分布式控制，它将与连接相关的配置管理功能从光网络的管理平面分离出来，构成了GMPLS控制平面，能够根据用户实时的需求动态地创建、拆除和修改连接，提供动态的连接管理，具有基于网状拓扑的保护和恢复能力，具有更强的抗毁能力，是一种新型光网络结构。

　　但在实际应用中，GMPLS控制平面通常采用分布式和面向过程的设计，控制协议和被控制的交换对象一般集成在闭合的节点设备内部，智能性由设备自身提供，难以站在全局的角度控制网络的整体行为。这时PCE（Path Computation Element）技术应运而生，路径计算和资源分配功能从GMPLS控制平面中分离出来，从而具备全局视野，能够实施全网资源统一管理，路由集中控制，有效提升网络整体效率。

　　在光网络中，控制平面和PCE在多层多域异构网络路由计算、资源分配以及流量工程信息发现和同步等方面的积累为SDN解决方案打下了平滑演进的技术基础，是光网络朝新一代SDN架构演进的重要里程碑。如图1所示，左图为PCE系统，将部分智能性如连接管理等从GMPLS控制平面中进一步分离出来，成为资源统一管理、集中控制的光网络控制器，实现SDN光网络技术。PCE系统平滑演进为SDN架构图如图1所示。

　　当前中兴通讯PCE技术已经成熟并产品化，并和中国移动、工信部传输所联合开展了多OTN域的PCE互通测试。作为业界首次产品化系统展示，此次测试验证了光网络PCE集中式控制系统，多域多层多PCE协同的路径计算、资源分配技术、多域业务调度、保护恢复等功能。同时，中兴通讯已积极开展了SDN光网络相关的研究和开发，与中国电信等开展SDN联合测试等。这些新技术使得光网络管理控制更智能，业务调度效率更高，资源利用更高效。

软定义光网络技术架构的演进

　　当前光网络的SDN解决方案架构逐步成熟，三层基本框架和南北向接口模型已经形成，在此基础上不断叠加其他功能层次，如网络资源抽象层、网络功能虚拟化层、多层多域连接控制和端到端的业务编排层等。

　　中兴通讯SDN光网络整体架构如图2所示，主要由应用层、控制器层和设备层组成，其中接口分为南向和北向接口。

弹性光网络传输层

　　软件编程的灵活栅格交换技术逐步成熟，为弹性光网络传输层提供有力支撑。其核心思想在于借助灵活栅格分配的光通道设计思想，通过采用高性能的可编程光路选择滤波集成组件技术，支持网状网中不同间隔和码型信号的灵活交换处理。同时，在弹性光网络传输层的软件定义光收发器中，通过软件可编程的方式，可以将数据速率，调制格式，前向误差校正和电子信号均衡等输入输出参数输入到应用软件中，根据用户需求和网络资源状态，以一定的策略和算法实现动态分配和灵活栅格的光收发器控制，从而完成包括可调谐发射器、相干接收机、灵活的网格分配和自适应处理等的灵活可控光学器件。

　　可编程意味着可根据数据需求灵活改变，传送层的可编程能力和特征是以上述光收发器等组件的可编程能力为基础，从而使得节点设备具备更为灵活的可编程特性（如图2设备层所示），并将这些能力资源和信息集中抽象于controller之上，最终使得整个SDN传送层网络具备丰富的可编程特性以及进一步的调度优化能力。

SDN光网络控制器

　　SDN光网络控制器主要进行路由计算、资源分配和统一的连接控制，可以拥有全局的网络视图、转发状态控制、全网的资源信息和利用率信息，可以基于预先设定的网络策略、负载均衡策略，进行统一的计算和连接命令下发，控制网络的流量和转发，基本控制功能主要有：

　　●   底层物理传送节点拓扑的自动发现和动态维护功能；

　　●   应用资源和流量工程信息收集及抽象功能；

　　●   单个域内及多域间最优路径的计算和搭建拆除功能；

　　●   网络设备故障（如断纤）导致的故障重路由功能；

　　●   全网资源负载均衡功能；

　　●   网络资源维护及告警功能；

　　●   用户请求的鉴权认证及安全功能；

　　●   实时性能统计及OAM功能。

　　在大规模异构网络解决方案中，需要有更高层次的控制器来统一调度端到端的跨层跨域业务，适应未来网络融合的趋势，具备南北向和东西向的扩展能力。

　　中兴通讯SDN光网络控制器架构如图3所示。

　　主要功能模块包括拓扑发现、链路资源管理、路由策略、路径计算、连接管理等，这些功能可以从现有PCE功能继承扩展。另外针对SDN架构新的特性，增加了连接表管理功能、网络虚拟化功能等。并扩展了接口驱动，支持CVNI（Control-virtual network interface）和CDPI（Control-data plane interface）接口功能。

　　同时，同步推出多域控制器或业务编排器功能，用于多域和异构网络环境的连接管理和业务调度，支持各种应用调度模式。

网络资源虚拟化提供

　　光网络虚拟化屏蔽了硬件差异和工程部署复杂性，为新的网络服务提供了保证。一个虚拟光网络包含一套通过虚拟光链路相连接的虚拟光交换机。光交换机的虚拟化可以通过对于物理光交换机的分割和聚合来实现。相关的虚拟光链路即为虚拟节点之间的连接。而虚拟链路的粒度（如波长和子波长等）取决于底层的网络技术，这为虚拟链路在共享同一物理设备的基础上保持相互独立提供了保障。

　　目前，光网络主要的虚拟化技术包括逻辑分离、复用、汇聚。

　　●   逻辑分离：物理交换机和虚拟路由引擎实现1:1映射，这样就能将物理网络的拓扑结构经过抽象处理后真实地反映在虚拟控制平面中；

　　●   复用：1:n映射，将1个物理光交换机映射成多个光交换机，该技术是多租户场景重要支撑；

　　●   汇聚：m:1映射方式将多个物理资源绑定映射成一个虚拟实例，这样就可以简化网络协议工程，管理上非常简单而且便于集中化管理。

SDN光网络南北向接口

　　控制器与APP或上层控制器之间的接口为北向接口CVNI，控制器与设备侧的接口为南向接口CDPI。

　　南向接口主要实现光网络相关的连接建立、拆除和维护端到端光/电层连接的能力等，接口协议可使用Openflow协议、PCEP协议或SNMP协议等。

　　北向接口API的提供应该是开放的、灵活的、扩展性强的，能满足不同用户的开放需求，主要实现网络配置、管理、应用等功能，接口协议根据应用层需求可支持Openflow协议、PCEP协议或Restful接口等。

　　2014年OIF和ONF联合发起了全球多厂商OTN控制器原型演示，OIF和ONF的OTWG工作组针对光网络分别对北向CVNI和南向CDPI接口做了相关规范，并对Openflow协议做了相关扩展。随着SDN的发展和广泛应用，南北向接口功能将进一步完善，接口将更加开放，相关协议也将逐步标准化。

软定义光网络促进网络融合的演进

　　软定义光网络本质上是光网络智能管道技术的进一步发展，基于统一控制器的全局控制，光网络管道可以更灵活更高效地承载业务，同时软定义功能也赋予光网络管道更多的新特性，可以支撑更多的业务模式。软定义光网络技术的应用价值主要体现在两个方面。

　　一方面是作为服务层，在全局统一控制调度下，能感知不同的业务特性，支持更精细化的管控，通过在时间维度和空间维度采用不同的调度策略，提升承载的效率和质量。

　　另一方面，从智能管道自身经营的角度出发，通过虚拟化等技术，支持OVPN（Optical Virtual Private Network）等增值功能，充分挖掘光网络管道资源利用价值。

　　从承载网多层优化角度可以看到，当前骨干网分为两层：IP骨干网（IP层）和骨干光传送网（光层），两层一直分别独立封闭地发展。两者的联系局限在光层为IP层提供静态配置的物理链路资源，IP层向光层触发点到点的带宽请求，其他的互动却很少。随着业务的迅速增长，IP层的路由器面临着巨大的扩容与处理压力，降低网络成本和功耗是当前网络亟待解决的一个问题。当前多层网络也可通过UNI接口互通协同，进行过境转发，层间和域间靠信令驱动连接建立模式，可减少骨干路由器的转发资源。但由于当前数据中心业务对互联网业务增长贡献率达到90%，跨IDC业务类型多样，带宽需求大，业务量突发性强，部分业务QoS要求较高。为了更好地承载IDC之间的业务，传输网络应具备更开放更灵活的架构，即时适应大颗粒突发业务需求。

　　SDN方案可通过统一的南北向接口同时控制IP网络和光网络，由高层Controller对IP网和数据网行统一管理、控制和维护，做业务调度的全局优化和灵活动态适配，这为IP网络和光网络的融合、全局优化创造了条件。IP与光网络的资源和策略可统一调度、控制和转发分离，控制器计算路径、维护状态、提供连接建立等功能，在统一的组件中完成多种网络的协同控制和管理，向上层提供整个网络的资源和拓扑抽象，同时向用户开放基于自定义约束条件的各种可编程的软件接口，方便用户实现流量策略，从而真正实现IP与光网络的融合。

软定义光网络的演进之路

　　SDN光网络的技术演进具有很大的创新性，也有很强的驱动力。但未来产业化发展还需要能创造实际价值的应用来积极推动。在演进的过程中，SDN是一种目标架构，而在具体的应用中，可能不同的场景存在具体的需求，会出现一些针对特定场景的阶段性解决方案和技术。

　　同时，整个架构在未来的应用中会面临多方面的技术和非技术挑战，需要我们努力解决：作为一个以软件为主导的网络架构，主要挑战来自于软件集中控制和管理的扩展性，软件的复杂性和有效性挑战，还有安全性等问题；作为一个开放的系统，在统一控制上的主要挑战有，不同硬件厂家设备及管理的可迁移性，从现有的硬件平台向虚拟化网络的平滑演进、和传统网络的兼容性和长期共存的挑战等。