基于SDN的光传送网研究

唐智飞, 林何平, 高军诗

（中国移动通信集团设计院有限公司, 北京 100080）

1 引言

SDN（Software Defined Network，软件定义网络）是一种以OpenFlow为核心技术的新型网络架构。SDN于2006年诞生于美国斯坦福大学，研究团队首先将这个理念运用于校园网中；在2009～2012年这3年中，SDN主要在互联网中使用发展；从2012年至今，SDN技术已经慢慢引入到电信业。它从传统的架构中分离出控制功能，从而使其在网络控制系统中形成逻辑上的独立环境，利用开放API（应用编程接口），使用户通过软件编程控制网络改变传统的通信网络，这种新架构也成为了未来光传送网络（OTN）技术的发展方向之一。

2 SDN的标准化与网络架构

SDN的标准化对其发展十分重要，在标准化过程中做出主要贡献的有：ODF（Open Network Foundation，开放网络基金会）、ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）、OIF（Optical Internetworking Forum,光互联论坛）、IETF（Internet Engineering Task Force, 互联网工程任务组）。

（1）ONF主要通过OpenFLow协议推动SDN的可行性研究，成立了光传送工作组（OTWG）研究了基于SDN和OpenFlow标准在光传送网的控制能力。

（2）ITU主要对光传送网架构及传送网管理和控制展开研究，并在2014年3月在SG15全会上启动了对SDN控制的传送网体系架构标准研究的工作。

（3）OIF主要通过对传送SDN的需求和应用场景研究，从而输出一个传送SDN的需求文档，通过互通测试来推动SDN发展。

（4）IETF主要通过相关协议扩展SDN的功能，从而研究出演进型网络架构。

SDN网络架构的设计理念就是将网络控制平面和数据平面分离，从而实现可编程的网络架构，典型的SDN架构如图1所示。构架分为应用层、控制层及基础设施层。

其中，最上层为应用层，包括各种业务及应用；控制层主要负责处理数据平面的相关资源；基础设施层负责基于流表的数据处理、转发和状态收集。中间控制层系统的南向接口是与物理设备或网络设备连接，北向接口通过API的形式给SDN应用。在SDN架构中物理设备或网络设备只负责数据的转发，比起现有网络，设备既要对流量进行控制又要转发，很大程度上降低了业务与设备之间的耦合性，网络形态向SDN设备形态转变如图2所示。

图1 SDN典型架构

图2 SDN设备形式

3 OTN技术的发展趋势

近年来，由于互联网技术的快速发展，对宽带需求也在逐渐增大，这对基础设施OTN设备的硬件来说是一种挑战，目前兴起的100 Gbit/s系统主要是采用PM-QPSK的编码方式并结合四位相干检测技术，为了达到10 Gbit/s系统一样的传输距离，100 Gbit/s系统必须降低系统对峰值信噪比和色散容限的要求，并且要克服非线性效应的影响，通过偏振复用、新型编码调制、FEC、相干检测、DSP等技术的引入提高了100 Gbit/s系统的传输速率。

国内各运营商掀起了传输设备100 Gbit/s网络建设，2012年底中国移动率先完成了100 Gbit/s的测试并进行采购，逐渐将大容量传输设备投入现网使用。据统计我国干线传输网的流量以每年50%的速度增长，所以设备业务口带宽从10 Gbit/s到40 Gbit/s最后发展为100 Gbit/s的时间间隔也不断缩小，传输设备的硬件发展速度越来越难满足网络发展的速度，从另一个侧面也反应了大容量设备对技术的要求越来越严格。电信业务的IP化使得OTN从业务接口的适应性向分组化多业务的转化，数据业务的突发性和不确定性增加。当前网络多以典型的环型或链型结构拓扑，光层和OTN两层独立配置为主，OTT（移动宽带、视频）等快速增长，使得每Bit成本大幅下降，网络将向多层、大网多域等更复杂的网络架构演进,这促使光传送网络的组网方式从端到端或者静态组网的方式向更加灵活多变的网络发展。

传送网中使用的控制架构和协议主要分为以GMPLS（Generalized Multi Protocol Label Switching，通用多协议标记交换）为代表的分布式和Open Flow协议为代表的集中式。其中，GMPLS是由IETF提出的通用网络控制平面架构，被通信运营商用于管理物理链路及核心管道技术。由于GMPLS是采用静态网络配置的方式，使传送网承载的应用和客户层网络分离，无法动态满足业务需求。如何做到动态可调，就要提到Open Flow协议，该协议通过分离目前处于网络设备的主要组成部分数据平面和控制平面，从而达到集中式控制。为了加快业务部署，降低成本，将目前趋于固定单一的哑管道转变为智能弹性管道，提高资源利用率，引入SDN技术，通过开放北向接口，客户化定制和管理、可编程、智能管道控制，从而做到精细化运营和提高带宽利用率，由此看出高速率传输、大容量交换、智能控制、多业务分组化和软件可编程是未来OTN发展的5种趋势。

4 结合SDN的光传送网

基于SDN架构的OTN，就是用灵活可编制的软件从而实现资源的动态调整。OTN网络软件可编程有：编码可调，数据封装速率和灵活的间隔。

众所周知，不同光传输场景下需要不同编码调制及光模块，光路可以通过多种物理性能调节系统，Flex TRX则根据距离、带宽等参数动态调节模块从而达到利用率最高；通用映射规程（GMP）实现OTN内多业务的封装和承载，随着业务速率的增加，固定速率的封装已不能满足大带宽和灵活配置的要求，Flex OTN则通过可变的封装容器，灵活映射数据封装；可重构型光分插复用器（ROADM）可以使光层不同的波长进行交换或者动态的上下业务。但不断涌入的大容量速率的出现，原有的固定间隔被Flex Grid ROADM打破，通过采用灵活的可编程的波长选择滤波集成组件。

为了解决大规模组网所带来的网络控制复杂与资源利用低的问题，光网络控制体系必须完成从封闭到开放的改变，SDN在光控制层面演进主要存在3种方式。

（1） 保守型，指在目前已有的集中控制架构和协议上直接使用SDN的光控制器进行管理，即将ASON/GMPLS信令等分布式控制功能统一到PCE上实现。

（2） 激进型，指SDN完全取代ASON、GMPLS及PCE架构，打破已有的分布式控制的模式，并更改所有域的横向控制和相关协议。

（3） 平滑型，指将ASON、PCE的部分功能移植到SDN上，利用前期的成果，使其成为SDN控制器中的一个功能模块。

传统的网络L2/L3为Ethernet/IP数据层，L0/L1为SDH/WDM传输层，L3/L2层较L1/L0更加灵活，并且数据层是控制转发合一的，但传输层则是分离的。如何将这两层统一的管理起来，就要依靠SDN技术。首先分析一下IP与光层的演进模式，IP+光静态协同，通过网管统一管理建立光通路，IP与光动态协同，就是在IP与光层中间加入了分布式部署；IP与光层集中统一控制，即控制平面与数据平面分离，构成全网集中管控；最后进入IP与光跨层结合，为了满足业务的分组化和多样化，采用P-OTN技术解决全业务统一承载。

5 SDN面临的挑战

前面主要介绍SDN的优势，但SDN也有不足：由于软件的复杂度高，所以稳定性和运算压力会存在隐患，要实时优化路由，运算量会随着网元数量呈几何增长，容易影响系统的稳定性；ONF仅定义了控制器与设备之间的南向接口，没有开放控制器与应用程序之间的北向接口，导致各厂家设备互通增加难度；SDN的控制过于集中化，单点产生意外会导致网络产生很大风险；在演进中硬件兼容性存在挑战；各厂家利益也是阻碍SDN发展的因素之一。

6 结束语

综上所述，SDN对传统网络建设和组网模式产生着重大的影响，即将原有的数据平面和控制平面分离，从而动态管理整个网络。虽对固有的网络建设和管理造成挑战，但这并不影响SDN技术作为光传送网络未来的发展趋势，要深入研究SDN技术的标准化，创新网络架构，从而真正面对并解决SDN所带来的挑战。

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