网络革命拂晓：SDN进入智能宽带接入网

北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室 | 吴家林 赵永利 张杰 顾畹仪

网络革命拂晓：SDN进入智能宽带接入网

北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室 | 吴家林 赵永利 张杰 顾畹仪

基于SDN的传送网技术已经在学术界和产业界得到广泛关注，然而接入网领域还没有相关研究，事实上，SDN技术应用在接入网对运营商和用户都意义重大。

当前互联网流量的爆发式增长以及三网融合的不断推进，宽带接入网朝着全业务、高带宽、易运行维护的方向发展已成为不可逆的趋势，近年来，国内电信运营商不断加大光纤接入网的建设力度，据电信业权威资讯机构Ovum预测，中国的FTTx用户数到2015年将达7650万，占全世界FTTx用户数的50%以上。随着FTTx技术大规模推广，全网资源调度以及运行维护成本的压力越来越大，继接入网宽带化之后，接入网的智能化将成为新的研究热点，我们基于SDN提出软定义智能宽带接入网解决方案。

SDN/Open Flow：下一代互联网架构的代表者

互联网爆发式的发展已远远超出其最初设计者的想象，当前互联网流量迅猛增长、承载业务日益复杂以及社会地位越来越重要，使得诸如安全性、稳定性、可控性等问题越来越尖锐，现代的互联网架构已经无法满足未来网络发展的需求。传统的解决方案都是将越来越多的复杂功能加入到互联网体系结构中，例如组播、防火墙、区分服务、流量工程、MPLS等。这使得路由器等交换设备越来越臃肿而且性能提升的空间越来越小，同时网络创新越来越封闭，网络发展越来越缓慢。

Open Flow是美国斯坦福大学于2007年提出的一种支持网络创新研究的新型网络交换模型，该模型通过开放的流表支持用户对网络处理行为进行控制，从而为新型互联网体系结构研究提供新的实验途径。被享有声望的《麻省理工科技评论》杂志选为十大未来技术之一。目前，Open Flow受到了学术界和产业界的高度关注，Open Flow的推广组织——开放网络基金会（Open Networking Foundation，简称ONF）的成员基本涵盖了所有网络及互联网领域的巨头。

Open Flow将传统的物理固定的硬件定义网络改造成为了动态可变的软件定义网络（SDN：Software Defined Network）。而一个软件定义的可控的互联网，除了更加灵活以外，毫无疑问，通过恰当的控制算法，将大大提高网络自身的健壮性、运行效率以及安全性，更重要的是基于Open Flow集中式控制机制的网络操作系统将彻底改变当前路由交换设备的封闭性，在Open Flow网络中部署一种新的路由协议或安全算法，仅需要在控制服务器上撰写数百行代码。Open Flow的核心思想是将原本完全由交换机/路由器控制的数据包转发过程，转化为由Open Flow交换机（Open Flow Switch）和控制器（Controller）分别完成的独立过程。从而实现了数据转发和路由控制的分离。如图1所示，控制器可以通过Open Flow协议来控制交换机中的流表（Flow Table），从而达到控制数据转发的目的。Open Flow交换机接收到数据包后，首先在本地的流表上查找转发目标端口，如果没有匹配，则把数据包转发给Controller，由控制层决定转发端口。

图1 Open Flow网络的组成结构

传统宽带接入网面临巨大挑战

接入网一直被视为信息高速公路的最后一公里，为了解决网络宽带化的发展“瓶颈”，电信运营商正在大规模推广以无源光接入网（PON）为主的FTTx技术，接入网的光纤化有效解决了网络容量“瓶颈”，而接入网的运维管理“瓶颈”却未能有效解决。鉴于接入网建设成本巨大，升级改造极其困难，当前宽带接入网面临的诸多挑战应该在建网之初就采取有效措施加以解决。

第一，接入网与骨干网融合不够。随着网络技术的快速发展，接入网与骨干网技术相融合是必然的趋势。而在现有的光接入网中，都是采用独立的网络管理平台和技术，没有和骨干网、城域网统一资源和管理信息，对通信的保护和恢复也没有形成统一的机制，造成协议转换复杂、传输效率低、缺乏统一的资源管控能力。接入网与骨干网的孤立也大大增加了电信运营商网络管理的成本和难度，随着网络成本的不断增加，电信运营商对网络全局资源调度和集中管控的需求越来越迫切，将接入网与骨干网无缝融合起来，可以大大提高网络效率，优化资源分配。

第二，接入网运行维护成本高，用户体验差。接入网的服务质量直接关系到电信运营商和用户的切身利益。如何实现用户的快速接入，快速故障定位及恢复，方便快捷地实现用户终端的配置，提高用户体验，控制运营成本和提高网络的收益率，已经成为接入网亟待解决的问题。传统的接入网基本采用人工的方式进行管理，如用户的开户、业务办理、故障处理等，这种管理模式需要大量的人力和物力，使接入网的运营成本居高不下，而且用户体验差。随着FTTx技术的推广，电信运营商应抓住机遇，提升网络运营管理的智能化水平，全面提高用户体验，有效降低运营成本。

第三，缺乏灵活的异构网络资源调度机制。当前光接入网包括EPON、GPON、WDM-PON、P2P-PON等技术，不同网络之间兼容性差，网络资源管控机制相互独立，缺乏灵活的异构网络资源调度机制，网络资源利用率低，而且可扩展性差，不利于未来光接入网的统一管理和技术升级。

第四，多业务承载能力差，缺乏有效的端到端QoS保证机制。随着三网融合进程的不断推进，新一代宽带接入网应具有保证服务质量（Quality of Service — QoS）传输多业务类型的能力。即要求以端对端的方式对数据、语音、视频进行实时的高效地混合或并发传输。而现有的光接入网技术采取了与骨干网不同的业务分类和QoS保证机制，其业务QoS保证机制都局限于接入网本身，没有与整个网络的业务分类机制相对应，需要进行不同业务优先级的翻译，造成协议复杂、效率低下，缺乏端到端的QoS保证。迫切需要将接入网和城域网、骨干网无缝的融合起来，形成统一的端到端的多业务QoS保证机制。

第五，接入网能耗居高不下。近年来，节能减排问题得到了全社会的广泛关注。电信网的节能已经迅速成为电信研究领域的最热点问题之一。最新报告显示，接入网的能耗占整个网络能耗的70%，虽然接入网单个设备的能耗远不如城域网和骨干网设备的能耗，但是由于接入网的用户基数大，所以其总能耗是非常巨大的。目前国内外已经针对EPON和GPON节能技术有了相关研究，但是受目前接入网架构封闭等因素的制约，实现机制都较复杂，还难以大规模推广。

基于SDN构建软定义智能宽带接入网

针对当前宽带接入网面临的挑战，为了满足未来接入网全业务、高带宽、易运行维护的发展需求，实现接入网与骨干网等异构网络之间的融合互通，满足接入网日益迫切的智能化需求，我们基于SDN提出了软定义智能宽带接入网解决方案，将宽带接入网封闭孤立的架构转变为可编程化、智能可控化、支持第三方应用的开放式架构，即在接入网中提供开放式的控制接口，实现可编程的智能管控平台，当前宽带接入网面临的诸多问题即可迎刃而解。

在这种开放式控制体系架构中，可软定义的控制器作为开放式控制架构的主体，是实现可编程功能的核心，控制器为上层应用提供统一的开发接口并通过开放式硬件控制接口与底层硬件交互，以实现可编程化控制和管理。

作为集中式控制架构的核心—Open Flow控制器，在整个架构中起着硬件资源抽象化的角色。将传送网和接入网中的网络设备虚拟化到控制器中根据预先制定的调度策略以及业务优先级安排资源分配方式，网络运营者可以轻松的在这种架构中实现可软定义的集中控制。

如图2所示，在光接入网中引入Open Flow，就可以通过集中式的管理和控制平台——网络操作系统（如NOX），对多种异构光接入网络进行统一控制和管理。如网络管理、资源调度、多业务QoS保证、节能和其他第三方应用等，使得运营商可以从全网的角度对链路和带宽资源进行有效的管理，提高网络管理效率，同时也可以有效降低网络管理的开发和维护成本。集中式的动态管控机制相比于传统的人工网管系统更灵活，实时动态的监控和优化网络配置，开放的网络操作系统为未来的网络运维带来无限可能。

如图3所示，基于SDN的软定义智能宽带接入网，将接入网和城域网、骨干网无缝的融合起来，形成统一的端到端的全网管控机制，可以直接建立端到端的转发路径，而不需要复杂的协议转换，突破网络性能瓶颈，实现端到端的QoS保证机制，对可视电话、视频会议、视频点播和远程医疗等应用具有重大意义。基于SDN的软定义网络为接入网与城域网异构网络的联合调度提供统一的接口，开放的可编程接口，可扩展性强，大大降低了开发难度。

图2 基于SDN的软定义智能宽带接入网网络架构图

图3 软定义接入网和城域网等异构网络智能互通架构图

SDN引领下一代接入网发展

与网络领域的困境截然不同的是，计算机领域实现了日新月异的发展。PC工业已经找到高效通用的硬件底层(X86、ARM等架构)。在软件定义方面，顶层(应用程序)和底层(操作系统和虚拟化)都在爆炸式地发展。

网络创新亦需如此，软件定义网络（SDN）正致力于构建简单通用的硬件底层与一个开放的上层编程环境：底层的数据通路（交换机、路由器）是“哑的、简单的、最小的”，并定义一个对外开放的公用的API，同时采用控制器来控制整个网络。未来的研究人员就可以在控制器上自由地调用底层的API来编程，从而实现网络的创新。

SDN网络旨在将网络控制与物理网络拓扑分离，让网络硬件产品不断标准化、通用化，实现网络可编程，这样企业便可以摆脱硬件对网络架构的限制，大幅降低网络成本，网络变得更加开放、智能、灵活。 在推崇“软硬件分离，可管可控”的运营商的推动下，SDN将引领下一代互联网技术革新。

基于SDN的传送网技术已经在学术界和产业界得到广泛关注，业界已经推出了多款Open Flow交换机/路由器和SDN解决方案，然而在接入网领域，还没有相关研究，将FTTx技术与SDN结合，实现智能灵活、可管可控的宽带接入网，进而实现接入网与城域网、骨干网等异构网络的智能互通和资源联合调度，对于运营商和用户都意义重大。

网络革命的拂晓，挑战与机遇并存。在互联网技术领域，中国一直是一个跟随者，而且是一个没有取得优良成绩的跟随者。软件定义网络的提出，涉及互联网体系的深刻变革，为中国互联网技术发展提供了难得的机遇。