SDN助力光网络与业务网络深度融合

中国移动通信有限公司研究院│李允博

SDN助力光网络与业务网络深度融合

中国移动通信有限公司研究院│李允博

光网络引入SDN架构，可以统筹全网资源，快速部署业务，形成开放的网络架构。而光网络与业务网络的深度融合，同样需要SDN这个聪明的“大脑”。

光网络是现代通信网的基础，为我们提供各种业务服务，与我们的生活息息相关。5G、IoT、VR、高清视频等对带宽的需求将导致通信业发生一场自下而上的变革。光网络是这场变革的基石，与业务网络的深度融合是光网络下一步发展的目标。

上层业务对于光通信的需求主要集中在带宽的有效提供上。何为有效?一是能够保证带宽足够大，二是带宽提供的及时性，再者就是在网络出现各种故障时,保证带宽的持续供给。在带宽的量级方面，光传输系统其单通道传输速率经历了从2.5Gbit/s到10Gbit/s到40Gbit/s再到100Gbit/s的提升，正在实现向400Gbit/s和1TGbit/s的跨越。及时提供带宽、应对各种故障是组网的责任，而更宽、更快而又灵活高效、感知业务需求是光网络发展的方向，也是驱动这场变革的动力。

光网络发展面临挑战

光网络近几年发展迅速，但目前仍面临诸多挑战。除了满足业务日益增长的带宽需求，如何高效组织、盘活海量的传输资源是光网络的发展重点：首先如何有效消除业务安全隐患；其次是提高网络资源利用效率，实现网络灵活配置，动态响应移动互联网的实时业务；最后是如何满足数据中心、视频等业务低时延传输需求，构造传输精品网络，如图1所示。

为应对这些挑战，一方面需要业务网络与光网络融合，另一方面需要引入新技术创新。实现业务网络与光网络融合，可以分为3步走：第一，加载动态GMPLS控制平面，同时硬件升级，引入具备可编程能力的基础网络；第二，用GMPLS UNI扩展光网络控制到业务网络层；第三，提供基于开放标准的可编程SDN接口。弹性、可扩展的光网络是未来部署SDN物理基础。

在新技术创新方面，高性能光学器件和光路可编程使得光网络更为灵活。SDN架构下，基于CDC-F（波长无关，方向无关，内容无关，灵活栅格）物理器件和支持多种速率、多种调制方式的线路板卡，可实现将任意波长无冲突调度到任意方向，覆盖长距、中距、短距多种应用场景，应对网络变化。光电混合的新型物理架构使得光网络拥有更强的调度能力，且降低整网功耗。

图1 光网络面临的挑战

构建适应业务实时需求的光网络安全体系

网络安全需要业务网与光网络在保护恢复机制方面及进行融合，目标是以最经济的方式在合适的层面转发、保护和恢复相对合适的业务。业务网的资源在于端口，光网络的资源除了端口，还有链路。业务网拥有完善的MPLS恢复机制，光网络拥有高效的保护和基于GMPLS的恢复机制。多层保护和恢复协同是充分利用整个IP/MPLS和GMPLS保护、动态恢复机制：对于高可用性、需要快速恢复的细小流量，利用MPLS FRR来保护和恢复，例如高价值的EF流量（VoIP trunks）等，而在光网络层面启动保护和恢复，可以不触发IP层的收敛，例如数据中心上行链路等。

在底层基于OTN设备实现承载路由器业务的网络中，路由器有路由收敛协议，OTN设备有ASON恢复机制，二者之间有不同的协同方式。

方式一：路由器和光网络各自动作-出现业务层面收敛和光网络层面倒换的冲突，导致业务流量流向不可控；

方式二：设置路由器侧不动作，光网络实施保护恢复-最终效果是以IP网络尽量稳定不发起路由切换或收敛为第一目标，且断纤时业务能够容忍几秒的中断时间；

方式三：路由器一定延迟下的快速收敛-效果是以业务中断时间短为目标，达到快速收敛，且OTN网络仍启动恢复，为路由器提供冗余资源。

图2 光网络分时动态调整带宽资源

以上3种方式只能为业务提供业务网与光网络静态协同保护和恢复配置，不能做到业务所需生存能力的动态配置。现网传输资源有多少之分：初期丰富，可以有大量资源作为冗余，后期承载业务越多，冗余越少；现网传输资源有忙时闲时之分：忙时冗余资源少，闲时冗余资源多。

融合的网络应当根据网络资源现状，将自行判断选择是采用光网络的链路资源还是业务网的端口资源作为冗余。此外，个别新增业务对于生存能力的需求与现网现存业务不尽相同的情况下，融合的网络自动识别并做相应调整。能够根据业务需求实时调整业务网和光网络的保护配置，这也是对SDN的诉求。

业务网络与光网络亟待融合

业务网络和光网络运维系统各自独立，为提高资源优化和运维效率，需要消除业务、光网络之间的运行管理壁垒，主要实现两大目标。

●业务网和光网络协同实现分时动态调整带宽资源

目前的业务网和光网络完全分开运维，传送网的业务调度由业务部门的工单触发，耗时以天计，同时人工配置存在较高的错误概率，调测费时费力。未来面向数据中心的组网的重要特征是业务的动态性要求高，业务存续时间可能仅数小时，如图2所示，目前的人工配置速度无法响应这种高动态的要求。

基于SDN技术，对业务和光传送网进行统一调度，实现感知网络的业务自动部署以及感知业务的网络自动优化，最终实现秒级到分钟级的业务带宽调整，降低网络的运维成本。

在网络出现带宽瓶颈的情况下，以往需要在IP路由器配置BGP协议疏导部分流量到空闲的链路，同时需要以工单方式通知光传送层并进行人工调度以配合。基于SDN架构和光网络调度功能，自动感知网络即将出现瓶颈，按照预先定义的策略实现自动化的流量调优，以及波长资源碎片管理，在不增加硬件资源的前提下提升系统有效容量。

●光网络性能劣化提前告知业务网，采取预防措施减少损失

光网络的渐进式损伤对业务网络是不可见的，在这个渐进过程中光网络性能劣化还不至于影响承载质量，但是一到达故障的边缘，对于业务的损伤是瞬时且巨大的，业务网络如何采取预操作来避免即将到来的光层故障，可以采用GMPLS UNI扩展光网络控制到业务网。当下游或本地的OTN检测到劣化故障生成劣化告警信号，这个告警信号以GMPLS UNI信令知会业务网络。业务网被光网络提前告知某个链路出现故障，业务网可以预先将业务从即将劣化的链路上切换到其他端口或链路。光网络具备完备的性能实时监控手段，先知先觉，传递损伤告警给业务网可以减少故障的影响。

图3 光电混合交叉系统减少线路板卡配置数量的原理

干线传输节点技术至关重要

为更好地适应互联网业务实时性要求，实现业务的快速开通，及时为突发事件调度带宽，同时为了能够满足低时延业务的传输需求，在最短时间内组织最短路由、经过最少节点、实现节点对于业务的快速转接，干线传输节点需要具备合适的交叉调度能力。

数据中心（DC）互联的发展将成为整个干线业务发展的重点。DC间互联主要业务有两类，一类是有计划行为的业务，比如DC间备份业务，可以提前规划建立专线。一类是非计划行为的业务，如大数据分析，这部分业务完全需要临时建立，这类业务增长较快，未来的占比将会增加，这块业务需要传送网动态的快速建立。数据中心出口带宽的增加，使得DC直连传送干线网，业务节点的变化需要干线网从规划到部署能够快速适配。

集客专线业务也是近年发展快速的领域，集客业务突发性、随意性较强，接入带宽、拉入地点和开通时间上都存在不确定性，有时需要快速提供一些临时应急业务，需要网络能够快速适配专线的开通，并且能够提供差异化的SLA服务。

干线传输网节点需要且增强交叉调度功能才能完成上述功能需求。光传送网（OTN）设备具备交叉连接功能，为OTN网络提供灵活的电路调度和保护能力。从交叉类型上，OTN交叉有基于ODUk颗粒的电交叉、基于波长通道的光交叉，以实现不同等级业务的适配和调度。

基于ODUk电交叉连接的大容量OTN设备，已经成熟并通过测试，在实际网络也得到规模应用，目前最大可以实现32T的无阻塞交叉连接能力，在业务速率都为10G的应用场景下，OTN可以灵活高效实现组网功能，同时对功耗占比无任何压力。但到了100G时代，基于ODUk电交叉的OTN设备，在扩展性方面受背板总线传输性能限制，导致设备无法接入更多的业务板卡。其次，大交叉容量的OTN设备整体功耗增加，最多时超过20kW，突破了电信机房的供电、散热所能够承受的极限。

现有OTN设备支路侧板卡和线路侧板卡并不是1∶1配置比，线路侧板卡的数量是客户侧4倍甚至5倍以上，如图3中左边的图所示，通过预留100Gbit/s线卡才可以保证有足够的线路资源为组网调度可用。能否在保证业务全部接入到系统的基础上，减少线路侧板卡的预留数量，又能具备调度的能力，是降低OTN系统总功耗的突破点。在保留电交叉功能的基础上，结合引入光交叉功能成为扩展交叉容量、减少线路侧板卡数量进而降低系统功耗，这是一种解决思路。如图3右侧的图所示，通过电交叉接入业务，通过光交叉实现100Gbit/s线路向不同方向的调度。

SDN架构下，光电混合交叉的核心思想是增加光交叉，在传输性能允许、且无波长冲突的前提下进行波长级别的调度，同时可以在需要时灵活进行电中继，从而完全消除业务的传送距离和波长转换的限制。光电混合交叉技术，实质上是保留各自交叉的属性，在合适的地点通过一定的操作进行合适的交叉调度。通过SDN实现的光电协同，适时为某些波道进行再生中继和波长转换，满足业务端到端传输的需求。随着对传输容量的进一步需求，具备多种调制方式的线路板卡在硬件不变的情况下，通过在线软件配置进行线路提速，适应不同速率波长频谱的灵活调整。

小结

新技术层出不穷，应当结合业务需求和实际网络现状，将合适技术的最佳优势发挥到最大。光网络引入SDN架构，可以统筹全网资源，快速部署业务，打破现有技术垂直整合的模式，形成开放的网络架构。光网络与业务网络的深度融合，需要SDN成为光网络聪明的“大脑”，让光网络能够感知所承载业务属性，实现业务配置自动化，网络架构自优化，从而有的放矢，高效而安全地完成自己的任务。

编辑｜刁兴玲 diaoxingling@bjxintong.com.cn