基于SDN的FiWi网络生存性研究

任丹萍，张丽静，武姗姗

（河北工程大学 信息与电气工程学院，河北 邯郸056038）

基于SDN的FiWi网络生存性研究

任丹萍，张丽静，武姗姗

（河北工程大学 信息与电气工程学院，河北 邯郸056038）

为提高FiWi网络的生存性，将软件定义网络（SD N）技术引入到FiWi网络中，提出了一种新型生存性控制方案。详细介绍了基于SD N的FiWi网络结构，描述了新架构中不同故障级别的生存性策略，并进行了实验仿真和结果分析。

FiWi网络；软件定义网络；生存性

0 引言

随着视频会议、IPTV、网络电视直播等高带宽业务的出现，“最后一公里”的部署面临着严峻挑战。在众多宽带接入网中，由无源光网络（PON）和无线网状网（WMN）融合而成的光纤无线融合宽带接入网（FiWi）被认为是最有前途的接入网组网方式[1，2]。由于FiWi网络承载着大量的高速数据流量，一旦网络出现故障，将引起巨大的数据丢失，造成严重损失。因此，关于FiWi网络的生存性研究非常重要[3]。目前，在FiWi网络中，许多关于通过WMN实现FiWi网络数据流量恢复的方案被相继提出[4,5]。但是，这类方案存在一些问题，如OLT和ONUs间的大量信息交互增大了网络复杂性；WMN选路资源受限，降低了网络利用率，大大增加了数据流量恢复时延。

软件定义网络（SDN）作为一种未来网络架构，能分离逻辑控制和数据转发[6]。SDN将传统网络设备紧耦合在一起的网络架构拆分成应用层、控制层和数据转发层。其中，控制层可对数据转发层中基础设施的网络资源集中控制，为异构和多域的FiWi网络资源灵活配置带来了前所未有的便利[7，8]。目前，SDN凭借其集中控制的能力和灵活性，已应用到PON和WMN中[10～12]，文献[13]也设计了FiWi网络的SDN架构。但是，关于如何在基于SDN的FiWi网络中实现生存性策略的方法尚未出现。为优化FiWi网络的生存性，本文在基于SDN的FiWi网络中分别针对ONU级别故障和域级别故障进行研究。

1 FiWi网络生存性的原理

FiWi网络由前端WMN和后端PON构成，主要由OLT、ONU与无线网状网(WMN)中的无线路由器(WR)组成，从一个OLT向用户端延展到与其连接的所有ONU和无线路由设备称为FiWi的一个域。ONU是FiWi网络的关键设备，每个ONU与一个无线网关连接，实现光信号与无线信号之间的转换，用户的数据流量通过无线路由器的多跳路径以无线信号的形式传输到ONU，ONU通过时分多址接入（TDMA）方式将用户流量以光信号的形式发送到OLT。

生存性被定义为网络发生故障后能继续进行通信的一种能力，馈电光纤断裂、分配光纤断裂、OLT故障和ONU故障中任一种情况发生都会造成FiWi网络丢失大量数据。本文主要通过前端WMN来恢复受影响流量的通信，分别研究了ONU级别故障和域级别故障发生时FiWi网络的生存性策略。

ONU级别故障主要包括分配光纤断裂和ONU设备故障，生存性原理如图1所示。当网络中的一根分配光纤断裂或一个ONU发生故障时，数据流量就不能在相应ONU上正常通信。受影响的数据流量通过前端WMN的多跳路径转发到同一个域中的无故障ONU（称为代替ONU(S-ONU)）上，从而传输到该域的OLT上，实现通信。

图1 ONU级别故障

域级别故障主要包括馈电光纤断裂和OLT设备故障，这类故障会使整个域的通信都受影响，其生存性原理如图2所示。域级别故障发生时，从故障域和备用域中分别选取一个ONU作为备用ONU，采用备用光纤拦截这些备用ONU，故障域受影响的数据流量在域中通过无线路由器转发到域中备用ONU，进而通过备用光纤传输到备用域中恢复传输。

图2 域级别故障

2 基于SDN的FiWi网络结构

在传统的FiWi网络中，PON的OLT、ONU一直处于链路检测的状态，当检测到故障时，前端WMN重新选路实现数据流量的恢复。大量的信令开销、选路资源的局限性不仅增加了网络复杂性，而且还增大了恢复时延。为提升FiWi网络的性能，本文提出一种支持生存性策略的FiWi网络架构，具体架构如图3所示。

图3 基于SDN的FiWi结构

图3中，基于SDN的FiWi网络架构由基础设施转发平面、控制平面以及应用平面构成。基础设施转发平面主要通过OLT、ONUs、WRs转发数据，每一个基础设施节点都是一台OpenFlow交换机。FiWi网络将这些基础设施的控制层分离出来统一放到控制平面中，实现对整个FiWi网络资源的统一控制。当故障发生时，控制平面的控制消息通过OpenFlow协议下发给每个OpenFlow交换机，交换机执行相应的数据流量恢复工作。

本文对控制平面进行了扩展，在原有标准Open-Flow控制器的基础上增加了性能监测模块和节点选择模块，并使用了标准OpenFlow控制器中的数据库和路由策略模块，具体的控制过程如图4所示。

控制器动态收集基础设施平面的各OpenFlow交换机信息，并将其储存在数据库中。性能监测模块动态监测数据库中的信息，对比OLTs、ONUs的数据包发送和接收情况信息，判断出故障级别。同时，数据库将网络资源利用情况反应给节点选择模块。节点选择模块根据接收到的所有信息，选出合适的无故障ONUs、WRs。路由策略模块以最快恢复数据流量为目标，根据ONUs、WRs选择情况制定出转发规则。其中，选择合适的ONUs、WRs进行数据重传是很关键的,下面对节点选择模块的功能进行具体描述。

节点选择模块执行的是一种最大保护选择机制，该机制的主要思想是根据性能监测模块反映的故障信息、数据库中各节点的带宽利用情况信息，在不影响其它正常通信的情况下，利用网络中空余的带宽容量，选出能提供最快恢复数据流量的无故障ONUs、WRs。该机制的流程如图5所示，详细过程如下。

①节点选择模块接收性能监测模块发送来的故障信息和数据库中的网络带宽利用情况信息。

图4 生存性控制流程图

图5 节点选择机制流程图

②若为ONU级别故障，节点选择模块对故障域进行网络资源分析，选出合适的ONUs、WRs，提供数据快速恢复所需的带宽容量。此时情况分为两类：若域内空余带宽容量充足，节点选择模块只需选择域内S-ONUs、WRs，数据流量在域内就可恢复通信；若域内空余带宽容量不足，节点选择模块先选择域内SONUs、WRs，部分数据流量在域内恢复通信，再选择备用域和备用域中的S-ONUs、WRs，剩余数据流量在备用域内恢复通信。

③若为域级别故障，节点选择模块根据各域网络资源的利用情况，先选择空余带宽容量充足的邻域为备用域,再在每个备用域中选择合适的S-ONUs、WRs。

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④输出ONUs、WRs的选择情况信息，机制结束。

3 SDN-FiWi架构中生存性策略

基于SDN的FiWi网络架构中各模块协调配合，完成生存性控制策略指令的产生和下发，基础设施平面的各OpenFlow交换机按照指令进行数据转发，完成数据流量的恢复，具体恢复过程如下。

发生ONU级别故障时，若域内空余带宽容量满足数据流量恢复需求，则执行域内恢复机制。域内OLT、S-ONUs接收到指令后为数据流量恢复进行资源分配，无需复杂的OLT、ONU之间的REPORT、GATE信息请求带宽。故障域的WRs根据转发规则将受影响的数据流量转发到选定的S-ONUs中，进而将数据流量传输到OLT。

同为ONU级别故障，但域内空余带宽容量不足，域内OLT、S-ONUs以及域内备用ONUs按指令进行资源分配：①在域内空余带宽下，部分数据流量在域内执行域内恢复机制。②剩余未被恢复的数据流量先由域内选定的WRs根据转发规则通过无线路由器转发到域内备用ONUs，进而传输到节点选择机制选定的备用域中，再在备用域中执行域内恢复机制。

对于域级别故障，选定的各备用域、ONUs和WRs收到控制器的控制命令后，先进行资源分配，再在各域中执行域内恢复机制。

此策略实现了动态监测网络资源和网络资源统一控制的功能，提高了故障监测的实时性，使域内、各域间的带宽能根据需要灵活配置，有效地降低了数据恢复时延，减少了网络信息复杂度和阻塞率。

4 网络仿真

基于SDN的FiWi网络生存性策略与传统FiWi网络生存性策略中的数据流量恢复时延随数据流量变化的变化情况如图6所示。数据流量恢复时延随着故障域中流量的增大而增加，基于SDN的FiWi网络中数据流量恢复时延低于传统FiWi网络的数据流量恢复时延。这是因为基于SDN的FiWi网络中的控制器对网络资源采用集中控制方式，与传统FiWi网络的生存性策略相比，它节省了节点间大量信息交换的过程，缩小了故障判断时间和无线选路时间，从而降低了恢复时延。

基于SDN的FiWi网络生存性策略与传统FiWi网络生存性策略的网络阻塞率情况如图7所示。网络阻塞率随故障域中流量的增加而增大，网络中数据流量较小时，两者的网络阻塞率均接近零。随着网络中数据流量的不断增大，基于SDN的FiWi网络架构的网络阻塞率优势逐渐明显，这是由于在基于SDN的FiWi网络架构中，控制信息数量减少，且控制器对Fi-Wi网络中各域资源统一管理、灵活配置，从而降低了网络阻塞率。

图6 FiWi网络故障域中不同流量下的恢复时延

图7 FiWi网络中总数据流量不同时的网络阻塞率

5 结束语

本文针对FiWi网络中的受损数据流量恢复时延问题，提出了一种基于SDN的FiWi网络架构。本架构利用控制器实现了网络资源的集中控制，简化了各FiWi网络节点的通信过程，提高了FiWi网络的生存性。仿真结果表明，本文提出的生存性方案有效降低了受损数据流量恢复时延和网络阻塞率。

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Study of FiWi network's survivability based on SDN

REN Dan-ping,ZHANG Li-jing,WU Shan-shan
(School of Information and Electric Engineering, Hebei University of Engineering,Handan Hebei 056038,China)

In order to improve the survivability in fiber wireless(FiWi)access network,the paper introduces the SDN into FiWi networks,proposes a new survivability control scheme.It details the structure of FiWi network based on SDN,describes different survivability strategies to the different fault levels in the new network architecture,and analyses the simulation results.

FiWi networks,software defined network,survivability

TN915.05;TN925.93

A

1002-5561（2016）04-0001-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.001

2015-12-23。

河北省自然科学基金(F2014402075)资助；河北省邯郸市科学技术研究与发展计划项目(1421103054-6)资助；河北省高等学校科学技术研究项目(QN20131064)资助。

任丹萍(1984-)，女，博士，讲师，主要研究方向为下一代光网络与宽带接入、无线传感器网络。