光纖通信在過(guò)去的幾十年間飛速的發(fā)展,各種節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)和組網(wǎng)技術(shù)層出不窮,單信道速率達(dá)到太比特每秒,通信規(guī)模與容量獲得了空前提升。作為中國(guó)最為重要的電信基礎(chǔ)設(shè)施之一,光網(wǎng)絡(luò)在支撐社會(huì)信息化、寬帶化建設(shè)方面起著舉足輕重的作用。近年來(lái),由于人一機(jī)一物信息交互量與日俱增,光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和靈活性進(jìn)一步增強(qiáng),傳統(tǒng)自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)/通用多協(xié)議標(biāo)簽交換(ASON/GMPIJS)架構(gòu)已不能滿(mǎn)足這一要求,迫切需要探索新的智能光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展途徑。
隨著光通信技術(shù)的革命性進(jìn)展以及光網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)功能的不斷變化,光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不再局限于簡(jiǎn)單的“剛性帶寬管道”思維,而是出現(xiàn)了波長(zhǎng)柔性化、業(yè)務(wù)增值化的趨勢(shì)與特征。本文借鑒網(wǎng)絡(luò)中流量工程的概念,提出了頻譜工程和業(yè)務(wù)工程兩類(lèi)需求挑戰(zhàn)。
(1)頻譜工程
流量工程是網(wǎng)絡(luò)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容,可以解決將分組數(shù)據(jù)流高效率地映射到物理拓?fù)渖系娜蝿?wù),并且能夠改善業(yè)務(wù)質(zhì)量,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效果和性能。流量工程主要描述的是針對(duì)時(shí)間域分組處理的策略和方法,不涉及與頻譜相關(guān)的內(nèi)容。傳統(tǒng)波分復(fù)用技術(shù)受到固定頻譜間隔、固定調(diào)制格式等限制,存在頻譜利用不靈活和效率低下的缺點(diǎn),難以滿(mǎn)足未來(lái)大帶寬、高突發(fā)的分組數(shù)據(jù)傳送要求。靈活柵格技術(shù)的出現(xiàn),使得光網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源走出了固定分配模式,向按需帶寬的彈性切片化方向發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜資源的利用能夠像在時(shí)間域上的處理那樣靈活,成為亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文將這類(lèi)需求統(tǒng)稱(chēng)為頻譜工程問(wèn)題。
(2)業(yè)務(wù)工程
以AOSN,GMPLS為代表的智能光網(wǎng)絡(luò)解決方案,其核心是交換自動(dòng)化,側(cè)重于針對(duì)連接建拆處理過(guò)程的控制,包括路由、信令、發(fā)現(xiàn)和鏈路資源管理等功能。然而,連接并不等同于業(yè)務(wù),業(yè)務(wù)的完成還包含豐富的業(yè)務(wù)提供邏輯。云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的出現(xiàn),提出了虛擬化、可編程等新的挑戰(zhàn),推動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)由控制平面智能向業(yè)務(wù)處理智能方向發(fā)展。傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)存在“重控制、輕業(yè)務(wù)”的問(wèn)題,難以滿(mǎn)足這一趨勢(shì)要求,如何圍繞以業(yè)務(wù)智能化為核心構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制功能,迫切需要在機(jī)理上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與突破。本文將這類(lèi)需求統(tǒng)稱(chēng)為業(yè)務(wù)工程問(wèn)題。
為了應(yīng)對(duì)上述兩項(xiàng)需求,擴(kuò)展現(xiàn)有ASON/GMPLs是一種可能的做法。
由于需要引入業(yè)務(wù)感知、損傷分析、層域協(xié)同、資源虛擬等新的策略與規(guī)則,ASON/GMPLS控制“胖平面”化的趨勢(shì)更加明顯,由此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)控制功能越來(lái)越復(fù)雜。如果能夠把將部分智能性進(jìn)一步從控制平面中剝離出來(lái),這樣將有利于提高光網(wǎng)絡(luò)的整體資源利用效率,并增強(qiáng)更為靈活的業(yè)務(wù)提供能力。
軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的出現(xiàn)為解決以上難題提供了一種行之有效的實(shí)現(xiàn)方案。美國(guó)斯坦福大學(xué)于2007年率先提出并開(kāi)發(fā)了SDN/0penFlow交換結(jié)構(gòu)模型,可通過(guò)開(kāi)放的流表支持用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能行為進(jìn)行控制,為支持互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究建立了實(shí)驗(yàn)途徑。在InfoWorld于2011年11月公布的將影響未來(lái)10年的10項(xiàng)新技術(shù)中,SDN排名第二。SDN技術(shù)具有可編程能力的優(yōu)點(diǎn),能夠很好地適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一、靈活、集成的控制需求。軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運(yùn)營(yíng)功能的緊耦合、以連接過(guò)程為核心的閉合控制到以組網(wǎng)過(guò)程為核心的開(kāi)放控制的模式轉(zhuǎn)變,代表了未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新的發(fā)展方向。
1.軟件定義光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)
如上所述,SDN技術(shù)是對(duì)光網(wǎng)絡(luò)智能化的延伸與增強(qiáng),代表光網(wǎng)絡(luò)的控制平面由單純的交換智能向同時(shí)考慮傳輸智能、業(yè)務(wù)智能的綜合方向發(fā)展。為了適應(yīng)這一角色的變革,未來(lái)軟件定義光網(wǎng)絡(luò)需要攻克軟件驅(qū)動(dòng)的光路傳輸調(diào)節(jié)、軟件編程的光路靈活交換、軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)等3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
1.1軟件驅(qū)動(dòng)的光路傳輸調(diào)節(jié)技術(shù)
在傳統(tǒng)ASON/GMPLs方案中,主要關(guān)注的是光路連接屬性,即如何控制節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)單元的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)由源節(jié)點(diǎn)到宿節(jié)點(diǎn)之間端到端光路的智能建拆過(guò)程。其假設(shè)前提為“光通道的信號(hào)質(zhì)量都是有保障的,所有鏈路和信道都具有標(biāo)準(zhǔn)的傳輸特性”。該方案只是滿(mǎn)足了光路連接性的動(dòng)態(tài)需求,對(duì)物理屬性的動(dòng)態(tài)調(diào)整與控制沒(méi)有給出具體的解決方式。換句話(huà)說(shuō),ASON/GMPLS控制平面只是控制了光層開(kāi)關(guān)的動(dòng)作,而不包括其他可性能調(diào)節(jié)的光傳送系統(tǒng)設(shè)備。然而實(shí)際光網(wǎng)絡(luò)中物理?yè)p傷決定了信號(hào)傳輸質(zhì)量,在選路和資源分配過(guò)程中都不能忽略,損傷感知(IA)技術(shù)成為重要研究?jī)?nèi)容之一。
IA技術(shù)提出以后,人們開(kāi)始更多關(guān)注光路自身的物理屬性。在基于IA的選路和資源分配算法中,即使可以找到一條符合連接需要的光路系統(tǒng),如果其物理?yè)p傷的積累已不能滿(mǎn)足信號(hào)傳輸性能要求,同樣該路由不能被網(wǎng)絡(luò)所接受使用??梢?jiàn),IA技術(shù)不僅需要解決當(dāng)前光路選擇的可能性問(wèn)題(指在拓?fù)渖夏軌蛘业胶线m的路徑并分配可用資源),還要滿(mǎn)足可行性的要求(指光路的物理?yè)p傷不影響到信號(hào)傳輸質(zhì)量)。
隨著軟件定義光學(xué)的發(fā)展,光纖通信系統(tǒng)中的模塊與器件性能具備了可調(diào)諧能力。光收發(fā)機(jī)的波長(zhǎng)、輸入輸出功率、調(diào)制格式、信號(hào)速率、前向糾錯(cuò)碼(FEC)類(lèi)型選擇等,以及光放大器的增益調(diào)整范圍等參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)調(diào)節(jié)。光路已經(jīng)發(fā)展成為物理性能可感知、可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。例如,我們可以根據(jù)需要改變光路的調(diào)制格式和編碼列類(lèi)型,以延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離,或者減少占用的頻譜資源。
1.2軟件編程的光路靈活交換技術(shù)
從業(yè)務(wù)需求上看,光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備動(dòng)態(tài)靈活地提供不同傳輸速率、不同帶寬粒度的信號(hào)交換能力。波分復(fù)用系統(tǒng)中單波長(zhǎng)40G、100G等傳輸接口已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前路由器豐富的應(yīng)用需要,支持子波長(zhǎng)級(jí)別和超波長(zhǎng)級(jí)別的交換能力成為實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)接人靈活性的迫切要求。傳統(tǒng)基于固定波長(zhǎng)間隔的可重構(gòu)光分插復(fù)用(ROADM)技術(shù)只能提供波長(zhǎng)通道的調(diào)度處理,難以滿(mǎn)足各類(lèi)業(yè)務(wù)不同的通信速率和帶寬需求。
波長(zhǎng)間隔無(wú)關(guān)的可編程ROADM技術(shù)在全光交換過(guò)程中的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)波長(zhǎng)通道50 GHz、100 GHz的間隔劃分,可支持全光匯聚與疏導(dǎo),為實(shí)現(xiàn)高譜效率、速率靈活的光路配置和帶寬管理提供了全新思路。發(fā)展軟件編程的光路交換技術(shù),滿(mǎn)足靈活柵格分配的要求,提出大容量、多維度、多方向的全光分插復(fù)用節(jié)點(diǎn)方案,設(shè)計(jì)具備方向無(wú)關(guān)、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)、競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)和柵格無(wú)關(guān)等特征的高度可重構(gòu)節(jié)點(diǎn)交換結(jié)構(gòu),并通過(guò)采用高性能的可編程光路選擇濾波集成組件等技術(shù),支持網(wǎng)狀網(wǎng)中不同間隔和碼型信號(hào)的靈活交換處理。
1.3軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
由于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用迅猛增長(zhǎng),不同帶寬粒度和性能要求的業(yè)務(wù)類(lèi)型加載到光網(wǎng)絡(luò)上,通過(guò)虛擬化實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)到網(wǎng)絡(luò)層面的高效映射、承載與調(diào)度變得十分重要。業(yè)務(wù)的多樣性和時(shí)變性要求傳送網(wǎng)具有更加靈活的帶寬接入能力,這就意味著未來(lái)傳送網(wǎng)需要提供多種粒度的業(yè)務(wù)接口,并能夠?yàn)楦叨葎?dòng)態(tài)化的業(yè)務(wù)需求分配相應(yīng)資源。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)的分層、分域在很大程度上解決了大規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性,但是多層多域光網(wǎng)絡(luò)本身仍舊面臨著一定的體系擴(kuò)展性問(wèn)題,即在時(shí)間或者空間上擴(kuò)展后,如何保證端到端的業(yè)務(wù)性能,具體包括路由可達(dá)性、路徑計(jì)算收斂時(shí)間、建路時(shí)間、生存性和資源利用率等方面的性能。當(dāng)前的多層多域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不能很好地解決網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展所帶來(lái)的問(wèn)題,亟須在新的體系架構(gòu)上取得突破。
從基于網(wǎng)管的統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)到基于分布式節(jié)點(diǎn)的智能控制平面,再到基于PCE的集中式路徑計(jì)算服務(wù),光網(wǎng)絡(luò)的智能化經(jīng)歷了從集中到分布再到集中與分布結(jié)合的發(fā)展過(guò)程,面向軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為未來(lái)演進(jìn)的重要方向。為了突破大規(guī)模組網(wǎng)過(guò)程中所面臨的“組網(wǎng)控制復(fù)雜與資源利用低效”問(wèn)題,光網(wǎng)絡(luò)控制體系勢(shì)必需要完成“封閉”到“開(kāi)放”的根本性改變,形成以“開(kāi)放式靈活控制”為核心特征的軟件定義光網(wǎng)絡(luò),其主要功能在于依托網(wǎng)絡(luò)單元的軟件可編程特性,即根據(jù)用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)需求,利用可編程控制的器件、算法、策略、協(xié)議,定制內(nèi)核可高度重構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)支撐系統(tǒng),提供開(kāi)放式的管理與業(yè)務(wù)適配接口,實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的歸一化調(diào)度與業(yè)務(wù)應(yīng)用的高質(zhì)量保證。
2.SDN標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程
目前,SDN的標(biāo)準(zhǔn)化工作還處于起步階段,部分協(xié)議相對(duì)成熟,總體標(biāo)準(zhǔn)的研究還剛剛開(kāi)始。從事SDN相關(guān)技術(shù)和協(xié)議研究的標(biāo)準(zhǔn)化組織主要是IETF/IRTF、ONF和ITU-T。
IETF早期有兩個(gè)與SDN相關(guān)的工作組,分別是ForCEs和ALTO工作組。2011年11月的第82屆臺(tái)北會(huì)議上單獨(dú)設(shè)立了SDN BoF工作組,討論相關(guān)研究成果和發(fā)展方向。提出了若干標(biāo)準(zhǔn)草案”“,主要針對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成控制機(jī)制等,包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制與不同粒度應(yīng)用以及異構(gòu)傳送平面的接口定義、軟件定義組網(wǎng)與相關(guān)應(yīng)用等。2012年IRTF中首次開(kāi)設(shè)SDNP工作組,從不同角度進(jìn)一步推進(jìn)“SDN標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程”。
研究軟件定義網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織是開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)(ONF)。ONF主導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信協(xié)議OpenFlow。OpenFlow是業(yè)界公認(rèn)的主要SDN協(xié)議,目前已經(jīng)發(fā)布了1.3版本。2012年11月,ONF研討會(huì)上””從節(jié)點(diǎn)單元、光層交換、控制組網(wǎng)等不同角度對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)討論。
在物理層面上,提出了可靈活實(shí)現(xiàn)調(diào)制格式控制、速率調(diào)整以及OSNR等物理?yè)p傷補(bǔ)償?shù)能浖x架構(gòu);在光器件層面上,實(shí)現(xiàn)了可調(diào)整光路帶寬和調(diào)制格式、FEC類(lèi)型以及輸出告警的軟件定義光收發(fā)機(jī),完成了可編程波長(zhǎng)范圍、輸出功率和告警類(lèi)型的可變?cè)鲆娣糯笃?,討論了可軟件定義端口數(shù)量配置、波長(zhǎng)范圍和插入損耗的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)和光交叉連接器;在控制組網(wǎng)層面上,包括可編程控制網(wǎng)元配置與自動(dòng)發(fā)現(xiàn),網(wǎng)元狀態(tài)檢測(cè)、虛拓?fù)湓O(shè)計(jì)與重構(gòu),以及建拆光路與網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)等重要的管控功能。由此看出,SDN技術(shù)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。在SDN主要協(xié)議OpenFlow架構(gòu)中,為了滿(mǎn)足光網(wǎng)絡(luò)控制的需要,也在最新版本協(xié)議匹配域中加入了與光傳輸相關(guān)的參數(shù)。
ITu-T在SGl3組設(shè)立了SDN的研究任務(wù),相關(guān)工作在WP5組Q21研究。目前成立了兩個(gè)項(xiàng)目Y.FNSDN—fm和Y.FNSDN,分別面向SDN的需求和框架。
3.SDN在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
軟件定義光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是滿(mǎn)足下一代光網(wǎng)絡(luò)高度智能化要求的重要解決方案,具有廣闊的應(yīng)用前景。
3.1異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制
隨著融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源交織疊加在一起,形成了異構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境,加劇了全網(wǎng)業(yè)務(wù)控制與資源管理的實(shí)現(xiàn)難度。軟件定義光網(wǎng)絡(luò)方案能夠有效地解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通問(wèn)題。通過(guò)對(duì)OpenFlow等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展,開(kāi)發(fā)面向?qū)ο蟮慕换タ刂平涌冢梢詫?shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息抽象化和跨層網(wǎng)絡(luò)控制集成化,從而在接入網(wǎng)與核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)、有線(xiàn)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)之間建立起具備統(tǒng)一控制能力的新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。
3.2網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化提供
網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化提供技術(shù)可以更好地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施資源的優(yōu)勢(shì),通過(guò)開(kāi)放的統(tǒng)一資源管理平臺(tái),使得對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用達(dá)到最優(yōu)化?;谔摂M化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)各自的應(yīng)用需求,在保證服務(wù)質(zhì)量前提下快速有效地接入與控制網(wǎng)絡(luò)資源。借助SDN技術(shù)思想,各個(gè)設(shè)備廠(chǎng)商通過(guò)開(kāi)發(fā)支持OpenFlow協(xié)議的通用化接口,為上層網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一開(kāi)放的控制操作功能,網(wǎng)絡(luò)控制器將不同類(lèi)型設(shè)備通過(guò)抽象算法和策略進(jìn)行虛擬化處理,支持全網(wǎng)資源信息統(tǒng)籌和策略調(diào)度。當(dāng)用戶(hù)請(qǐng)求到來(lái)后,通過(guò)虛擬化的資源調(diào)度實(shí)現(xiàn)按需分配和實(shí)時(shí)管理。
3.3面向數(shù)據(jù)中心的高效互聯(lián)
云服務(wù)是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的主流模式,而云服務(wù)數(shù)據(jù)中心通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)量眾多的服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián),并實(shí)現(xiàn)它們之間的高效協(xié)同工作,從而提供海量信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和高性能處理,成為實(shí)現(xiàn)云服務(wù)的信息基礎(chǔ)設(shè)施。運(yùn)營(yíng)商采用城域網(wǎng)或骨干網(wǎng)組成數(shù)據(jù)中心問(wèn)互聯(lián)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)部或城市之間的數(shù)據(jù)信息高速互聯(lián)。但這些連接的成本十分高價(jià)格昂貴,連接的資源沒(méi)有得到充分的利用,不同顆粒度的用戶(hù)帶寬需求和時(shí)隙分配沒(méi)有實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)度。這使得數(shù)據(jù)中心之間光互聯(lián)成為巨大挑戰(zhàn)。如數(shù)據(jù)中心問(wèn)的數(shù)據(jù)定期備份時(shí)需要額外的帶寬傳輸,但是在其他時(shí)間大量的帶寬就會(huì)被浪費(fèi)。因此,需要通過(guò)軟件定義方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心之間帶寬的動(dòng)態(tài)調(diào)整和靈活調(diào)度。在軟件定義的數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)架構(gòu)中,運(yùn)營(yíng)商將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部資源統(tǒng)一管理(如計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源等),再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中資源狀態(tài)和業(yè)務(wù)粒度,將數(shù)據(jù)中心資源與網(wǎng)絡(luò)帶寬資源統(tǒng)一分配,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度和可編程化控制。
4.結(jié)束語(yǔ)
軟件定義光網(wǎng)絡(luò)需要攻克軟件驅(qū)動(dòng)的光路傳輸調(diào)節(jié)、軟件編程的光路靈活交換、軟件擴(kuò)展的光路自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)等3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)不同帶寬要求業(yè)務(wù)定制,完成光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置、調(diào)制格式適配和帶寬靈活分配,達(dá)到光層資源虛擬化與按需提供。隨著軟定義光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化程度的提升和產(chǎn)業(yè)界的持續(xù)投入,其勢(shì)必會(huì)給未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展注入一劑“強(qiáng)心劑”。
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