SDN网络技术在广电行业的应用研究

朱亚东 江苏省广播电视科学研究所有限公司

SDN网络技术在广电行业的应用研究

朱亚东 江苏省广播电视科学研究所有限公司

SDN已经成为通信界最热门的词汇之一，其基于控制和转发相分离的思路，实现了控制和业务的可编程，获得了传统设备商、IT服务提供商、互联网内容提供商、运营商等的青睐。本文首先就SDN的概念做了简要介绍，然后分析了其架构和应用价值，并对SDN在广播行业的应用做了详细的分析和介绍。

SDN OpenFlow SDI Over IP

一、SDN的概念

SDN (Software-defined Networking，软件定义网络)是起源于美国斯坦福大学实验室研究项目的技术。2006年斯坦福的学生Casado M和他的导师McKeown N教授受其研究项目Ethane启发，提出了OpenFlow的概念。OpenFlow 将控制功能从网络设备中分离出来，在网络设备上维护流表(flow table)结构，数据分组按照流表进行转发，而流表的生成、维护、配置则由中央控制器来管理。OpenFlow 的流表结构将网络处理层次扁平化，使得网络数据的处理满足细粒度的处理要求。在这种控制转发分离架构下，网络的逻辑控制功能和高层策略可以通过中央控制器灵活地进行动态管理和配置，可在不影响传统网络正常流量的情况下，在现有的网络中实现和部署新型网络架构。

OpenFlow 最初是为校园网络研究人员设计其创新网络架构提出的供真实的实验平台。随后，McKeown 等研究者开始推广 SDN 概念，并引起学术界和产业界的广泛关注。 SDN将网络配置平面从嵌入式结点中独立出，以开放软件模式的控制平面替代了传统基于系统嵌入的控制平面，由软件驱动的中央控制结点来自动化控制整个网络。OpenFlow初步实现了 SDN的原型设计思想,推动了SDN技术的快速发展,简化了网络的配置模式,增加了网络控制权的开放性,在某种程度上符合未来互联网的发展需求,也是目前 SDN 最通用的实现方式。基于OpenFlow 的 SDN 技术通过软件平台来打造弹性化的可控互联网，在给网络发展带来巨大冲击的同时,也为未来互联网的发展提供了一种新的解决思路。

OpenFlow 作为 SDN 的原型实现方式,代表了SDN控制转发分离架构的技术实现。随着 SDN 技术得到认可,从严格定义上来讲,OpenFlow 指的是 SDN 控制平面和数据平面之间多种通信协议之一,但实际上,OpenFlow 以其良好的灵活性、规范性已被看作 SDN 通信协议事实上的标准,类似于 TCP/IP 协议作为互联网的通信标准。标准化组织开放网络基金会（Open Networking Fundation，ONF）是目前OpenFlow标准制定的重要推动力。OpenFlow作为目前比较成熟的 SDN控制协议，已获得多家厂商的支持。

二、SDN网络架构及价值

SDN作为当前最热门的一种新型网络技术之一,它解放了手工操作，减少了配置错误，易于统一快速部署，其设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，使得转发能力可以直接编程进行控制，为研发网络新应用和未来互联网技术提供了一种新的解决方案。

SDN模型架构分为 3 个层面：即应用层、控制层和基础设施层。其中应用层（AL）由众多应用软件构成，包括各种不同的业务和应用，可以管理和控制网络对应用转发/处理的策略，也支持对网络属性的配置提升网络利用率、保障特定应用的安全和服务质量；控制层（也称为网络操作系统（NOS））主要负责处理数据转发面资源的抽象信息，可支持网络拓扑、状态信息的汇总和维护，并基于应用的控制来调用不同的转发面资源；基础设施层（数据转发层）主要由支持openflow协 议 的SDN 交换 机 组 成，负责基于流表的数据处理、转发和状态收集。SDN模型架构图如图1所示：

图1 SDN模型架构

在 SDN 的这种 3 层架构下,网络的运行维护仅需通过软件的更新来实现网络功能的升级,网络配置将通过网络服务和应用程序的形式直接得到部署,网络管理者无须再针对每一个硬件设备进行配置或者等待网络设备厂商硬件的发布,从而加速网络部署周期。同时,SDN 降低了网络复杂度,使得网络设备从封闭走向开放,底层的网络设备能够专注于数据转发而使得功能简化,有效降低网络构建成本。另一方面,传统网络中的结点只能通过局部状态和分布式算法来实现数据转发,因而很难达到最优性能。SDN 通过软件来实现集中控制,使得网络具备集中协调点,因而能够通过软件形式达到最优性能,从而加速网络创新周期。

由于SDN实现了控制功能与数据平面的分离和网络可编程，进而为更集中化、精细化地控制奠定了基础，因此SDN相对于传统网络具有以下优势 ：

（1）将网络协议集中处理，有利于提高复杂协议的运算效率和收敛速度。

（2）控制的集中化有利于从更宏观的角度调配传输带宽等网络资源，提高资源的利用效率。

（3）简化了运维管理的工作量，大幅节约运维费用。

（4）通过SDN可编程性，工程师可以在一个底层物理基础设施上加速多个虚拟网络，然后使用SDN控制器分别为每个网段实现QoS(服务质量)，从而扩大了传统差异化服务的程度和灵活性。

（5）业务定制的软件化有利于新业务的测试和快速部署。

（6）控制与转发分离，实施控制策略软件化，有利于网络的智能化、自动化和硬件的标准化。

SDN 的主要特征包括3个方面：

（1）网络资源虚拟化

支持逻辑网络和物理网络分离，逻辑网络可以根据业务需要配置、迁移，不受物理位置的限制。

（2）网络控制集中化

支持网络资源的集中控制，使得全局优化成为可能，比如流量工程、负载均衡。支持整个网络当作一台设备进行维护，设备零配置即插即用，大大降低运维成本。

（3）网络能力开放化

应用和网络的无缝集成，应用告诉网络如何运行才能更好地满足应用的需求，比如业务的带宽、时延需求，路由的成本等。

SDN 本质上具有控制和转发分离 、设备资源虚拟化和通用硬件及软件可编程三大特性，可以实现如下功能：

（1）设备硬件归一化，硬件只关注转发和存储能力，与业务特性解耦，可以采用相对廉价的商用架构来实现。

（2）网络的智能性全部由软件实现，网络设备的种类及功能由软件配置确定，对网络的操作控制和运行由服务器（作为网络操作系统）完成。

（3）业务响应相对更快 ，可以定制各种网络参数，如路由、安全、策略、QoS、流量工程等，并实时配置到网络中，缩短开通具体业务的时间。

三、SDN在广电中的应用

随着电视的商用网络基础设施的经济前景变得越来越好，广播电视设备供应商都渴望获得IP技术带来的好处。现在的问题是，广播电视设备供应商如何用尽可能少的风险和破坏来改变他们的设备来实现IP的好处？

基于文件的传输流和压缩信号的工作流程已经大规模利用IP互联互通，目前万兆以太网成熟，设备稳定，这使得实时SDI信号可以通过IP高效可靠地传送。为了支持过渡到基于IP的信号路由，传统广电专业厂商正在通过扩充现有的SDI矩阵控制系统与软件定义网络（SDN）的方法来管理IP交换基础设备，创建了一种新的混合网络控制系统--总体信号路由管理系统。它实现了传统广播信号的路由及分配和下一代软件定义工作流程和网络的无缝融合。这种系统支持所有的基带路径控制系统的功能，同时还塑造基于IP的设备和连接来执行类似路由器的功能，这是从命令和控制的角度来看的。

1.SDN混合IP/基带（Baseband）解决方案的优势

1）通过IP的信号流来提高效率，同时保持充分理解运营工作流；

2）快速适应市场动态，并轻松过渡到基于云的业务；

3）通过连接的开发环境快速而轻松地部署新服务；

4）通过线性和非线性业务盈利，并集成了先进的广告功能；

5）利用现有的基础设施投资，同时推出新的应用。

2.视频在IP标准的应用

目前，IP基础设施进行传输广泛采用的相关标准是：

1）SMPTE 2022-6（带2022-5 FEC），这正好把整个SDI的有效载荷映射到IP 。

2）SMPTE 2022-2（带2022-1 FEC）MPEG-2的TS转换为IP 。

3）SMPTE 2022-7无中断切换，它规定了一个双通道的冗余架构的流属性。

对于未压缩视频和音频信号，使用SMPTE 2022-6运输SDI有效载荷通过IP网络。此有效载荷包括活动视频图像，所述（嵌入）音频通道以及封装为VANC数据的各种辅助数据元素。这些项目被一起多路复用成SDI成帧结构，它提供了频率和相位的一个紧锁定，实现在专业应用中所需的生产同步的水平。

在压缩信号的情况下，使用MPEG -2传输流结构，采用SMPTE 2022-2封装为IP 。MPEG-2的传输流结构包括用于视频、音频和数据元素同步的规定，元件都包含在TS包中。在IP上流动的SMPTE 2022-2传输流是典型的单节目传输流（ SPTS ），以实现转换节目最大的灵活性；然而，MPTS流是被确定允许的并在某些情况下是有用的。

SDI的基础设施和基于IP连通性之间的相互作用用联络线控制方法进行管理，IP交换机带宽的配置也用联络线方式进行管理。通过采用这种方法，设备的上游功能 - 自动化，运算系统，多画面和主控切换台 - 继续使用现有的业界常用的路由控制协议。

冗余的IP基础设施

由于在通用内部的冗余IT切换相对于经典SDI路由器是没有可比性的，在IP路由环境使用完全冗余交换机。每个端设备将被连接到两个冗余切换环境。相比一个SDI路由器冗余交叉点，这种技术的好处是不仅交换机而且布线是多余的。

3.SMPTE 2022-6网络同步和定时

传统的SDI网络设备使用设备的黑场脉冲或类似的同步信号实现同步。对于基于IP的SDI设备，同步到本地黑场脉冲参数的类似方法是存在的，以实现当前设备标准技术的互操作。另外，随着PTP时间变得越来越普遍，将支持从基于以太网的PTP时间（SMPTE 2059时间）发展SDI参数。

基于IP （SMPTE 2022-6 ）未压缩的视频信号被定义了一个非常低的封装延迟。解封装受数据缓冲的影响，为消除网络抖动，应使用FEC纠错信号，并且还匹配了SMPTE 2022-7系统中路径延迟的差异。在多个接收节点，可以为每个接收器指定抖动缓冲器和路径延迟匹配缓冲器，以使端至端延迟能被优化。在典型的直播室内或内部传输的情况下的抖动缓冲器的延时是几毫秒，并且路径延迟缓冲更小，延迟是恰好由接收机中的帧同步器引入的一帧。

四、结束语

SDN 的模式适应了降低网络复杂度、虚拟化及云计算的网络需求，使得传统的网络设备从封闭走向开放，实现了控制平面、转发平面和应用平面的分离，底层转发设备功能专注而简化，控制平面通过规范的接口与转发设备通信，同时为网络应用提供可扩展的接口，便于进行统一、灵活、高效的网络管理和维护。

尽管 SDN 可以解决网络管理、运营维护和成本问题，但从目前发展阶段来看，SDN/OpenFlow 技术的应用还是需要较长时间的发展和普及。由于每个控制节点和转发节点需要维护大量“数据流表”，控制节点或转发节点的内存及其他资源需求相应提高，大量突发的第一次“数据流”建立会导致控制器瓶颈问题，同时若控制点发生故障，大量“数据流”需要在转发节点重建，突发的“数据流”配置对网络的性能和鲁棒性都会产生很大影响，故SDN的发展与应用还有很长的路要走。尤其是在广播行业，SDN还并没有充分展现它的优势，还需要更多的专业人士研究拓展它的新领域。

[1]左青云，陈鸣，赵广松，邢长友，张国敏，蒋培成.基于OpenFlow的SDN技术研究.软件学报

[2]郑毅，华一强，何晓峰.SDN的特征、发展现状及趋势.电信科学

[3]邹剑锋.基于OpenFlow的SDN组网技术研究.北京邮电大学