SPTN关键技术研究与应用＊

王敏学，程伟强，张婷婷

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

SPTN关键技术研究与应用＊

王敏学，程伟强，张婷婷

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

分组传送网作为高质量传送网，承载重要集团客户业务和移动回传业务。近年来，中国移动在业界首次提出SDN化的PTN技术，软件定义分组传送网（SPTN）定义面向业务的层次化网络信息模型抽象，模型驱动和面向策略的控制数据运行架构等核心技术，实现移动回传网络和政企专线的快速开通、性能可视和安全可靠，并且自主研发SPTN系列产品，包括超级控制器、小型化接入SPTN域控制器和APP应用平台。本文首先全面介绍SPTN系统的整体架构，应用需求，其次重点研究分析SPTN关键组件及其架构，接口模型和功能特性，最后简单介绍SPTN标准化进展和试点情况。

SPTN；控制器；APP；北向接口；Openflow

随着未来网络业务与应用的发展需求，网络将向流量大幅度增加，流向灵活变化，业务时延敏感，网络成本降低等方向演进发展。引入软件定义网络（SDN）能够实现对网络和业务解耦，通过转控分离、控制集中提升网络规划调度能力，通过跨域跨平台的业务协同简化运维，适应向云化新型数据中心和面向数据中心的新型网络演进。

分组传送网（PTN）设备已在全国部署150万端，承载无线及集团客户专线业务。面对未来业务的发展需求以及现网运维的挑战，PTN有进一步演进的诉求。SDN技术具有开放性、智能化、虚拟化等优势，同时PTN转发与控制分离，管理控制集中化的架构也具有向SDN技术演进优越性，中国移动将SDN的先进理念与PTN电信级可靠性、业务高质量的优势融合，打造软件定义分组传送网（SPTN），通过标准化的南北向接口、开放性的应用和服务，进一步增强网络资源的智能化调度能力、进一步扁平化客户与网络资源之间的关系、进一步提高运维管理效率，实现PTN的平滑演进，满足运营商未来网络的需求。

1 SPTN系统

1.1 SPTN网络架构

SPTN网络架构以及与现网系统关系如图1所示。SPTN分为新建小型化接入PTN（全新SDN方案）和城域PTN现网SDN演进两部分。对于小型化接入PTN，基于标准南向接口和定制化的芯片，D-Controller（Domain Controller，域控制器）可管理和控制多厂家的设备。对于城域PTN，基于自定义的标准抽象模型和北向接口，S-Controller（Super Controller，超级控制器）能实现现网多厂家的互通，APP嵌入现网4+1系统，实现现网的平滑升级；同时S-Controller能实现端到端的PTN资源调度。

新型SPTN网络架构解决了传统PTN架构中网管系统控制复杂、业务开通缓慢和维护周期较长等缺点，通过将SDN的网络控制和PTN的转发面相结合，可实现智能控制、跨域跨厂家的管理控制和网络可编程等诸多优点，能够满足未来网络快速发展的需求。

1.2 SPTN应用需求

SPTN主要应用于跨域快速业务开通，提升安全可靠性以及优化运维3个方面。

在业务开通方面，对于集客业务，SPTN端到端分配MPLS标签资源、OAM和保护资源、QoS资源，实现多域资源的整合和调度，提供跨域集客专线业务和统一管理控制多厂家小型化接入PTN/EVPLAN集客专线业务的快速开通；对于LTE业务配置，SPTN能够智能匹配LTE L2VPN中相应的L2/L3桥接端口、VLAN、Tunnel等资源，优化LTE L2VPN配置效率，实现LTE L3VPN自动化配置和L3 VPN灵活组网业务调度；对于路由策略，可提供线性、双归保护、工作保护路径物理分离、智能选路策略、路由智能约束、流量驱动的选路策略等。

在提升安全可靠性方面，对于多点失效快速恢复，通过告警监控，利用重路由功能，提高网络的可靠性。可提供L2域内多点失效快速恢复、L3域内多点失效快速恢复、L2/L3桥接处多点失效快速恢复；对于永久1：1保护，利用SPTN系统的智能路由能力，进行集中化的路由计算，保证PTN中永远存在两条可用路径；对于路由优化，利用SPTN控制面对工作和保护Tunnel存在同路由的情况进行优化，可实现对存量业务的路由进行优化。

在运维优化方面，可实现端到端业务故障快速定位，对集客业务，SPTN系统全局视角跨域协同OAM资源，提供端到端故障定位功能；对LTE业务，实现跨L2/L3层的OAM机制，能端到端地判断故障位置及提供解决方案。可实现灵活自主查看业务性能，利用SPTN的APP应用系统，结合现有流量系统、网管系统，开放相应功能给大客户经理，进行基于网络数据的业务经营探索。可实现L2域内实现基于流量的保证信息速率（CIR）和峰值信息速率（PIR）反向配置等功能，整合SPTN控制器与流量分析系统，控制器根据流量分析结果进行业务带宽调整，降低闲置基站的配置带宽，提升热点基站的配置带宽，提高PTN资源利用率。

1.3 SPTN关键组件与标准接口

图1 SPTN网络架构以及与现网系统关系

如图2所示，SPTN具有三大技术特点，首先，SPTN具备标准的南北向接口，实现网络资源的开放，软硬件的解耦以及异厂家设备的协同；其次，SPTN面向业务的层次化网络信息模型抽象，实现SDN百万节点的分层控制；第三，SPTN采用模型驱动和面向策略的控制数据运行架构，实现多个域的层级化业务编排，管理域间网络的拓扑资源，实时动态计算业务路径。

图2 SPTN接口与关键组件

SPTN关键组件有S-Controller，D-Controller和APP应用平台。S-Controller基于自主研发的控制引擎，能够实现现网主要PTN厂家的互联互通，动态重路由，业务快速开通等功能，极大的提升管理和运维效率。D-Controller通过定制化的标准Openflow接口实现对不同芯片平台的多厂家集客PTN的统一管控。业务应用（APP），基于Web/Server架构，能够为海量客户提供自助式业务开通、调整及实时监测等服务。

SPTN系统提出了北向接口全套信息模型，建立了完整的抽象模型体系，并编制了核心Yang代码以及XML样例。在APP与S-Controller之间、S-Controller和D-Controller（层次化控制器）之间采用基于Restconf和交互扩展的标准北向接口。SPTN系统基于Openflow扩展支持MPLS-TP中的OAM、保护以及层次化QoS等功能，在D-Controller和具有Openflow的PTN之间采用就Openflow扩展的标准化南向接口。

2 SPTN超级控制器功能和实现

S-Controller是应用于SPTN的核心部件，能满足运维人员对整个传送网络控制和监测的需求。S-Controller通过开放的标准北向接口实现对多厂家D-Controller的集中化控制，进而实现对多厂家设备的统一控制。S-Controller具有灵活的可扩展性，可适应不同规模网络需求。

S-Controller采用model-driven的架构实现多个域控制器的层级化业务编排，管理域间网络的拓扑资源，包括链路带宽，时延等，根据路径计算的最新结果进行实时更新，与D-Controller进行协同，完成跨域Tunnel业务的E2E路径的实时计算，实现对单域百万节点的集中控制和每秒50 000业务路径的处理能力。

SPTN控制器逻辑架构包括北向接口协议适配层、业务层、策略层、网络结构层、资源抽象层以及南向接口协议适配层6个层次。同时还包括告警、性能、日志、数据库以及和S-SCN接口模块等通用模块功能，如图3所示。其中北向接口协议适配层采用RestConf协议支持对业务适配的网络资源编程和控制接口；业务层实现L2VPN、L3VPN、TDM仿真等业务的建立、拆除、修改功能，业务层使用策略层提供的各种策略完成业务选路和保护恢复、QoS、OAM属性设置；策略层实现网络和业务所需的策略管理功能，包括路由策略、保护恢复策略、QoS策略、OAM策略等；网络层支持对网络进行抽象能力，屏蔽物理网络细节，实现网络拓扑管理、管道连接管理；资源抽象层支持收集网元资源信息，包括网络中节点、端口等资源信息；南向接口协议适配层支持对下层控制器、传送平面网元的接口适配和下发；S-SCN接口：完成控制器与控制器之间以及控制器与网元之间安全可靠的传输通道。

3 小型化接入SPTN域控制器功能和实现

小型化接入SPTN D-Controller，基于开源的Opendaylight控制器开发，通过扩展的Openflow标准接口和Netconf接口，实现对多厂家基于不同芯片平台的小型化接入SPTN的统一管理和控制，通过开放的标准北向接口支持SPTN应用场景，实现对跨厂家小型化接入PTN L2业务的编排和配置下发。

图3 SPTN控制器逻辑架构

D-Controller逻辑架构与S-Controller类似，分为北向接口适配层、业务管理层、网络资源层、南向接口适配层，以及通用功能和外部接口。D-Controller可实现异厂家小型化接入PTN设备统一管理和控制，跨厂家小型化接入PTN业务快速开通、调整以及定制实现高质量QoS等功能。

以应用为目标，设计管控一体的D-Controller时，一个重要的问题解决是小型化设备的即插即用。在传统小型化设备网络中，各厂家采用私有的网管进行管理，采用私有协议对设备进行即插即用管理，在SPTN系统中，希望采用标准接口统一协议，设备自动发现则不存在差异。因此提出了一组方案实现该功能。D-Controller支持DHCP服务器功能，采用带内方式，自动建立控制网络（S-SCN），支持小型化接入SPTN设备自动上线。采用带4094VLAN标签的以太网协议，网络层采用标准的DHCP协议，方便控制器与SPTN设备间的网络打通；在DHCP协议上采用Option 60/61，使控制器能识别合法的SPTN设备，同时SPTN设备也不会受到网络中其它DHCP Server的干扰；定义DHCP报文在SPTN设备的转发机制，并使用Openflow协议中的Packet-in、Packet-out的封装方法，避免产生广播风暴，支持SPTN设备间灵活的组网策略；基于标准的OF-Config协议并扩展设备物理层相关信息，使控制器方便的设置SPTN设备的管理通道、Openflow控制器等信息。各厂家的设备不需配置即可上网管，任意厂家设备可相互配合进行任意组网；管理链路中断时可自动选择路径，避免设备脱管。

4 SPTN APP应用平台功能和实现

SPTN业务应用（APP）是SPTN架构中面向客户人机交互的媒介，通过开放的标准北向接口支持SPTN的多种应用场景。APP可实现用户同SPTN的交互，实现业务的快速发放、简化网络运维并能支持快速业务创新。APP使用用户可分为内部用户和外部用户，内部用户包括公司销售人员、运维人员等，外部用户包括公司客户（如政企客户）等。根据用户不同，APP可以分为面向内部运维/销售使用的APP，以及面向客户的APP等。

APP在系统中作为OSS系统/综合资管系统的一部分。APP通过APP与控制器之间的接口来管理和控制SPTN。APP服务器集成在综合资管系统中，APP客户端可根据用户不同区分不同的APP。

SPTN APP基于服务器-客户端（C/S）架构，APP所有功能是此架构下的产物。在C/S架构中，界面显示层主要在APP客户端实现，其它层次都在APP服务端实现，APP客户端和服务端之间通过RESTConf接口进行通信。从技术实现的角度出发，APP总体架构应包括接口适配层、数据适配层、应用层、界面表示层和公共服务层5个层次，如图4所示。

接口适配层实现APP与控制器之间的接口，包括RESTful接口和消息上报接口。数据适配层实现接口数据模型和APP应用数据模型之间的转换，需要转换的数据包括资源数据、业务数据、告警数据和性能数据。应用层实现资源、业务、告警、性能等数据的处理。应用层是APP的核心部分，各种业务数据的处理逻辑和处理流程均在应用层实现。

图4 APP逻辑架构

SPTN APP可用于SPTN系统专线业务开通、运营、维护、调整，具备基于GIS的地图网络资源视图，业务管理，包括专线业务和LTE业务，路径计算和选择，带宽实时调整，专线业务可视，业务流量可视，网络质量可视，主动扩容提醒等功能。APP服务器能够从综资和APP客户端自动接收工单，将工单解析后存入数据库，APP客户端为客户提供业务开通、性能监控、告警推送等功能，实现可视化的互联网服务体验。

在SPTN的部署过程中，可以分两个阶段来开发和部署APP。在第一阶段，在综资系统尚未完成APP与控制器之间接口的开发和应用时，可以开发和部署独立的APP。APP通过手工或者电子接口来接收综资系统的业务工单，并将工单数据下发给控制器。在第二阶段，在综资系统完成了APP与控制器之间接口的开发和应用以后，可以直接在综资系统中开发和部署APP功能。第一阶段作为过渡阶段。在SPTN的部署过程中，可以跳过第一阶段直接进入第二阶段。

5 SPTN标准化与试点

SPTN主要标准化在开放网络基金（ONF）进行，已发布4项与SPTN相关的标准，ONF TR534定义了运营商级别SDN的信息模型、TR538描述了运营商级别SDN的应用案例、TR1500定义了北向接口的信息模型、TS029定义了SPTN南向接口流表模型。其中最重要是TS029“SPTN OpenFlow 流表模型标准”，是传送网领域首个及开放南向接口SDN标准。国际开源控制器社区Opendaylight中也有SPTN项目。在行业标准方面，已立项5项SPTN行标涵盖总体框架、接口、功能等多方面要求，其中《软件定义分组传送网总体技术要求》，《软件定义分组传送网控制器层间接口技术要求》即将发布。另外，中国移动制定了系列SPTN企标，《中国移动SPTN总体技术要求》和《中国移动小型化接入SPTN南向接口技术要求》已发布。

在试点方面，2016年起，中国移动在江苏和北京进行了SPTN现网试点工作，主流PTN设备厂商、传输网管厂家均参与了试点工作。验证了SPTN系统接口一致性，多厂家多域UNI和NNI对接模式下，L2 VPN业务创建、修改、删除功能，资源拓扑管理、策略管理、OAM和保护、告警和性能功能；并实现了与现有系统对接。2017年还将继续试点工作，重点验证L3 VPN业务的相关功能。

值得一提的是，SPTN系统不仅能够优化提升现有的PTN，也可作为未来5G网络SDN控制层，提供转发与控制解耦、端到端灵活调度，并且探索设备白盒化，助力传送网适应5G网络新需求。

[1] 王磊，程伟强. 城域传送网演进趋势[J]. 电信网技术，2013(6):32-39.

[2] 程伟强，王磊，王敏学. 软件定义分组传送网(SPTN)关键技术及应用研究[J] .电信网技术， 2015 (7) : 8-14.

[3] 程伟强. SPTN控制面技术及组网应用研究 [J].电信技术，2016 (1): 10-13.

[4] 王敏学，程伟强，叶雯. 面向重要集团客户应用的小型化PTN技术及应用研究[J].电信技术，2016 (1): 18-22.

AbstractPTN as a high-quality transport network carries important group customer service and mobile backhaul business. In recent years, China Mobile has proposed SDN PTN technology for the first time in the industry, defining core technologies such as hierarchical network information model abstraction, modeldriven and policy-oriented control data running architecture for business. The SPTN series of products include super controller, miniaturized access SPTN domain controller and APP application platform.This paper first introduces the overall architecture and application scenario of SPTN system. Secondly,it focuses on the analysis of SPTN product architecture, interface model and function characteristics.Finally, it introduces SPTN standardization and filed trial situation.

KeywordsSPTN; controller; APP; northbound interface; Openflow

Research on key technologies and application of SPTN

WANG Min-xue, CHENG Wei-qiang, ZHANG Ting-ting
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

TN914

A

1008-5599（2017）10-0005-06

2017-09-18

* 中国移动集团级一类科技创新成果，原成果名称为《软件定义分组传送网（SPTN）关键技术研究及产品开发》。