華 楠，鄭小平

（清華大學(xué)光網(wǎng)絡(luò)與微波光子學(xué)實驗室 北京100084）

1 引言

自20世紀(jì)90年代開始，光網(wǎng)絡(luò)蔚然興起，帶來了網(wǎng)絡(luò)世界前所未有的變革。在聯(lián)合國“1999年世界電信論壇會議”的開幕演說時，副主席John Roth提出了光纖定律：光纖通信容量每9個月會增加一倍，但成本降低一半，比集成電路18個月的摩爾定律還快[1]。按照這個速度發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)注定會在世界范圍的電信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中扮演極其重要的角色。

需求推動技術(shù)創(chuàng)新，技術(shù)創(chuàng)新推動產(chǎn)業(yè)革命。這個規(guī)律同樣適用于光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程。迄今為止，光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的每一次重大變革均是由新技術(shù)或新器件的出現(xiàn)所導(dǎo)致的。20世紀(jì)70年代至今，光網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了3次重大變革：第一次變革從單波長SDH光網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向點到點的WDM光網(wǎng)絡(luò)；第二次變革從點到點的WDM光網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向靜態(tài)波長路由光網(wǎng)絡(luò)；第三次變革從靜態(tài)波長路由光網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向動態(tài)智能光網(wǎng)絡(luò)。而真正意義上光網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，是從WDM技術(shù)出現(xiàn)開始的。

波分復(fù)用(wavelength-division multiplexing，WDM)的概念最早在1970年被提出[2]，然而直到1977年，關(guān)于該技術(shù)的基礎(chǔ)研究才逐漸展開。自此之后，關(guān)于光纖、光源、光探測器以及光復(fù)用/解復(fù)用器等WDM光纖傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵器件的研究取得了戲劇化的飛速發(fā)展，商用光通信系統(tǒng)的容量也隨之不斷提升。WDM技術(shù)的出現(xiàn)使得越來越多的人開始關(guān)注光纖通信的巨大帶寬。理論上，單模光纖通信的潛在帶寬可達(dá)100 Tbit/s，比目前的電傳輸速率高出3個數(shù)量級。WDM技術(shù)帶來的巨大帶寬優(yōu)勢使得光在中長距離高速傳輸上無可爭議地取代了電，成為了信息的主要承載媒質(zhì)。與此同時，WDM光網(wǎng)絡(luò)也取代了第一代SDH光網(wǎng)絡(luò)，并迅速發(fā)展壯大。

WDM光網(wǎng)絡(luò)最初是一種點到點的網(wǎng)絡(luò)形式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通過光纖連接，并采用WDM技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。WDM技術(shù)帶來的巨大帶寬成功解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的帶寬瓶頸問題，然而與第一代SDH光網(wǎng)絡(luò)相同，在最初的WDM光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處，數(shù)據(jù)仍需進(jìn)行光電光(OEO)轉(zhuǎn)換，并在電層進(jìn)行處理和交換。點到點的WDM光網(wǎng)絡(luò)仍然無法克服節(jié)點電交換速率的瓶頸。隨著WDM波長數(shù)以及單波長數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，該瓶頸表現(xiàn)得愈加突出，直到全光交換器件出現(xiàn)后，這種情況才得以改變。

為了解決點到點WDM光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處的光電轉(zhuǎn)換瓶頸問題，20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)了以光分插復(fù)用器(OADM)及光交叉連接器(OXC)為代表的全光交換器件[3,4]，從而在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處避免了OEO轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了波長粒度的全光透明交換。在采用這些全光交換器件后，點到點WDM光網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)椴ㄩL路由光網(wǎng)絡(luò)[5,6]。然而，最初的波長路由光網(wǎng)絡(luò)只具備靜態(tài)配置傳輸資源的功能，無法滿足多種新型業(yè)務(wù)的動態(tài)需求；而且，隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，光網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)成本逐步提高，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量難以保證。

為了實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的高度靈活性、擴(kuò)展性并保證服務(wù)質(zhì)量，必須為光網(wǎng)絡(luò)引入智能控制和管理功能，從而針對業(yè)務(wù)請求和光網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實現(xiàn)傳輸資源的動態(tài)優(yōu)化配置。在此需求的推動下，21世紀(jì)初，人們提出一種新的光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，把光層組網(wǎng)技術(shù)和基于IP的網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)相結(jié)合，形成了所謂的“智能光網(wǎng)絡(luò)”。

智能光網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)最成功的代表是在2000年3月日本京都會議上，由國際電信聯(lián)盟(ITU-T)Q19/13研究組提出的自動交換光網(wǎng)絡(luò)(automatically switched optical network，ASON)[7,8]。ASON在傳統(tǒng)波長路由光網(wǎng)絡(luò)傳輸平面和管理平面的基礎(chǔ)上增加了控制平面，并引入了路由、信令和鏈路管理等協(xié)議，自動完成數(shù)據(jù)的交換、傳輸?shù)裙δ?，從而使光網(wǎng)絡(luò)由靜態(tài)的傳送網(wǎng)變?yōu)榭蓜討B(tài)重構(gòu)的智能光網(wǎng)絡(luò)。ITU-T關(guān)于ASON的建議框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

隨著光傳送網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的種類和數(shù)目不斷增加，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展呈現(xiàn)出明顯的異構(gòu)化趨勢，形成多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)ASON在實現(xiàn)多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的過程中遇到一些新的問題和挑戰(zhàn)。

（1）網(wǎng)絡(luò)信息具有隱蔽性需求

主要包括：各個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商對運(yùn)營范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唾Y源信息具有隱蔽性要求；各個設(shè)備制造商對其產(chǎn)品設(shè)備所采用的技術(shù)和參數(shù)信息也具有保密性需求。這一主觀因素一定程度上決定了光網(wǎng)絡(luò)信息的選擇性擴(kuò)散特性。

圖1 ASON框架結(jié)構(gòu)[9]

（2）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大導(dǎo)致交互信息和計算負(fù)荷增加

隨著光網(wǎng)絡(luò)互連規(guī)模的擴(kuò)大，管理網(wǎng)絡(luò)和信令網(wǎng)絡(luò)中需要泛洪或擴(kuò)散的信息量越來越大，路徑計算和連接控制的復(fù)雜度也不斷增加，這對支撐網(wǎng)絡(luò)的線路和設(shè)備都提出了更高的要求。

（3）管控平面的高度異構(gòu)化現(xiàn)狀

管理和控制平面異構(gòu)化源于傳送平面的異構(gòu)化。多種異構(gòu)傳送體制（如SDH、WDM、OTN等）長期共存，各設(shè)備制造商的交換設(shè)備結(jié)構(gòu)和交換方式也不一致，而現(xiàn)有管理和控制協(xié)議對設(shè)備傳送平面物理層的屏蔽能力有限，同時各設(shè)備制造商的管理和控制平面依據(jù)的協(xié)議版本和參數(shù)也不一致，這些都導(dǎo)致了光網(wǎng)絡(luò)管控平面互聯(lián)互通客觀上的困難。

目前，可實現(xiàn)多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的典型架構(gòu)主要有3種，即統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（generalized network management system，GNMS）架構(gòu)、基于外部網(wǎng)間接口（external network to network interface，E-NNI）的域間互通控制架構(gòu)，路徑計算單元（path computation element，PCE）域間路由控制架構(gòu)。本文首先對這3種架構(gòu)進(jìn)行敘述，并通過仿真比較結(jié)果總結(jié)其優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)之上，本文還介紹了一種新型集成PCE路由和域間連接控制（ICCE）的多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)PIONEER（PCE and ICCE-based optical network e-signaling exchange and routing）。該架構(gòu)相比現(xiàn)有的3種架構(gòu)具有明顯優(yōu)勢。

PIONEER可以很好地解決現(xiàn)有異構(gòu)傳送體制下的多域光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通問題。然而，該架構(gòu)難以做到與傳送體制的嚴(yán)格分離。當(dāng)面對未來可能出現(xiàn)的新型交換設(shè)備或交換方式，PIONEER架構(gòu)或需要進(jìn)行較大修改以支持這些新型設(shè)備的互聯(lián)互通，其擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)平滑升級能力受到限制。隨著斯坦福大學(xué)的科研人員于2009年提出基于OpenFlow的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network，SDN），網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生了重大變革。如果將SDN中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離的概念引入到光網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建軟件定義光網(wǎng)絡(luò)(software defined optical network，SDON），或 可從根本上解決光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和平滑升級的問題。本文將對SDON這種新型光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的概念以及可能的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點進(jìn)行介紹。

2 現(xiàn)有多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)

2.1 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)架構(gòu)

統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（GNMS）架構(gòu)是集中式的管理平面域間互通機(jī)制，其基本架構(gòu)如圖2所示。GNMS架構(gòu)在管理平面增加一個新的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，使之通過北向接口管理、配置和查詢各個域獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的管理。

圖2 多域光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理系統(tǒng)基本架構(gòu)

GNMS機(jī)制的路徑計算一般采用靜態(tài)方式，連接建立和恢復(fù)等功能也需要人工參與，因此使用這種機(jī)制進(jìn)行連接調(diào)度和恢復(fù)的速度相對較慢。另外，這一管理機(jī)制的正常工作依賴于一個集中式GNMS實體，因此這種光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和生存性有較大局限性。不過，這種互連互通機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)影響較小，并且不需要域間信息交互信令，實現(xiàn)簡單靈活，比較適用于中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

2.2 基于外部網(wǎng)間接口的域間互通控制架構(gòu)

E-NNI是分布式的控制平面域間互連互通機(jī)制，其基本架構(gòu)如圖3所示。E-NNI最早由ITU-T在G.807和G.8080中定義，用于兩個互不信任關(guān)系網(wǎng)絡(luò)間的通信。光互聯(lián)論壇（OIF）在此基礎(chǔ)上提出E-NNI的信令和路由協(xié)議[10,11]。目前，E-NNI已經(jīng)發(fā)展到2.0版本，并在進(jìn)一步完善中。與協(xié)議發(fā)展相對應(yīng)，2004—2009年，OIF發(fā)起了多次國際范圍內(nèi)的互連互通測試，并取得了一些基本互連互通成果。

在現(xiàn)階段OIF正式發(fā)布的E-NNI協(xié)議中，域間控制主要包括兩個方面：路由和信令。在路由方面，目前的協(xié)議主要集中在運(yùn)營商內(nèi)部的E-NNI。路由協(xié)議基于分層架構(gòu)和拓?fù)涑橄蟮姆绞剑⒉捎?.0版本開放最短路徑優(yōu)先（OSPFv2）路徑計算方法[11]。在信令方面，E-NNI支持對基于流量工程擴(kuò)展的資源預(yù)留協(xié)議（RSVP-TE）、基于路由受限標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議（CR-LDP）和專用網(wǎng)間接口協(xié)議（PNNI）3種信令協(xié)議的擴(kuò)展，并在兩個相鄰域間使用相同的E-NNI信令協(xié)議[10,12]。

圖3 基于E-NNI的域間控制

E-NNI分層架構(gòu)有利于網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性和域間隔離，拓?fù)涑橄髣t有利于減少域間交互信息量[11]。因此，E-NNI在理論上適用于大規(guī)模異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的互連互通。不過，現(xiàn)有的E-NNI機(jī)制仍然存在著一些問題。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，E-NNI協(xié)議目前并不完善，在分層架構(gòu)、恢復(fù)機(jī)制和自動發(fā)現(xiàn)等部分的標(biāo)準(zhǔn)尚在修訂中。在技術(shù)方面，由于E-NNI引入了拓?fù)涑橄?，不能保證連接的路徑計算結(jié)果達(dá)到最優(yōu)，降低了網(wǎng)絡(luò)的使用效率，對域間信息隔離的效果也有限。在產(chǎn)業(yè)化方面，由于各個設(shè)備制造商對E-NNI的支持程度有差異，在協(xié)議版本和技術(shù)參數(shù)的設(shè)置上仍然有所區(qū)別，對其推廣帶來一定程度的困難。

2.3 路徑計算單元域間路由控制架構(gòu)

路徑計算單元（PCE）是集中或分布式的控制平面跨域路徑計算模型。它的基本思想是把路由功能從控制平面獨(dú)立出來，承載在專用實體上完成受約束的路徑選擇和計算。它最早由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）在2006年提出的RFC4655中 定 義[13]。

圖4 基于PCE的跨域路由

PCE架構(gòu)在定義上比較靈活，可以采用集中或分布式的多種方式。在結(jié)合了域間信息隱蔽性要求后，PCE的域間分布式架構(gòu)如圖4所示，其優(yōu)勢則非常明顯。目前的多域PCE組織架構(gòu)有多種，包括基于后向遞歸路徑計算（BRPC）[14]的扁平PCE架構(gòu)，基于分層串行路徑計算的PCE架構(gòu)，基于分層并行路徑計算的PCE架構(gòu)等。由于PCE在域間路徑計算采用的是一致的路徑計算架構(gòu)和協(xié)議，相當(dāng)于搭建了一層統(tǒng)一的域間路由平面。

基于PCE的路徑計算有3個主要優(yōu)點。第一，由于PCE將路由功能從ASON控制平面獨(dú)立出來由專用實體實現(xiàn)，因此可以較大地提升路徑計算效率；第二，PCE在域間傳遞虛擬最短路徑樹（VSPT），對域間拓?fù)浜土髁抗こ蹋═E）信息有較強(qiáng)的隱蔽作用；第三，PCE在架構(gòu)、路由、通信、發(fā)現(xiàn)機(jī)制等諸多方面有比較完善的協(xié)議支持。不過，PCE架構(gòu)只約定了路徑計算模型，對域間連接控制等方面的信令機(jī)制并沒有明確定義，因此它需要與其他控制機(jī)制（如E-NNI）配合完成整個跨域連接服務(wù)功能。另外，BRPC的路徑計算優(yōu)化程度非常依賴于域序列選擇算法，成為限制路由效果的主要因素。

2.4 現(xiàn)有管控機(jī)制性能比較

[15]給出了上述GNMS、E-NNI、PCE 3種多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)的性能比較，結(jié)果見表1。

表1 3種現(xiàn)有域間管控機(jī)制比較

從表1中可以看到，基于PCE的管控架構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)化、路由優(yōu)化、算法實時性、域間信令流量、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和域間信息私密性等方面均優(yōu)于另外兩種架構(gòu)。但該架構(gòu)在跨域連接控制方面比較薄弱，需要諸如E-NNI等控制協(xié)議的配合才能完成跨域連接建立等功能，從而使整個協(xié)議簇變得非常復(fù)雜。

2.5 基于PCE和域間連接控制的多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)

為改變現(xiàn)有PCE域間路由控制架構(gòu)在跨域連接控制方面的缺陷，參考文獻(xiàn)[15]提出了一種域間連接控制單元（inter-domain connection control element，ICCE）實體，采用狀態(tài)機(jī)控制解決快速域間連接調(diào)度和信令交換問題。在此基礎(chǔ)上，文章進(jìn)一步提出基于PCE和ICCE的多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)PIONEER。

圖5描述了一個典型的PIONEER網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)在各個傳統(tǒng)域內(nèi)GMPLS控制平面之上增加統(tǒng)一的域間控制平面和適配平面，通過域間交互和域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)適配接口完成對各個域內(nèi)控制平面的聯(lián)動控制。域間控制平面至少為每個域配置一個PCE和一個ICCE實體。一個域的PCE僅存儲域內(nèi)的流量工程（TE）信息，并與域序列經(jīng)過的其他各域PCE配合采用BRPC算法完成跨域路徑計算。一個域的ICCE存儲經(jīng)過該域的連接信息，并采用源域ICCE主控的方式完成域間連接控制。ICCE是一種域間控制和通信密集型實體，采用狀態(tài)機(jī)控制解決快速域間連接調(diào)度和信令交換問題。不同域的PCE和ICCE之間由信令網(wǎng)連通。適配平面由對應(yīng)各個域的適配單元（AE）組成，用于完成本域GMPLS控制平面與ICCE之間的域內(nèi)交互信息過濾和格式轉(zhuǎn)換。

PIONEER網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢如下。

（1）采用域間分布式BRPC算法可以保證域間資源和拓?fù)湫畔⒌碾[蔽性，平衡路徑計算負(fù)荷，優(yōu)化路徑計算。

（2）采用域間分布式和域內(nèi)集中式的ICCE連接控制機(jī)制，可以平衡跨域連接控制和通信負(fù)荷，保證快速連接調(diào)度。

（3）采用了統(tǒng)一的域間適配接口，僅與各個域交互最小完備域間信息集，對各個設(shè)備廠商現(xiàn)有控制平面影響最小，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控平面互連互通的平滑升級。

圖5 PIONEER網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)

3.1 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)概念及優(yōu)勢

基于PCE和域間連接控制的PIONEER網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以很好地解決現(xiàn)有異構(gòu)傳送體制下的多域光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通問題。然而，該架構(gòu)的路由計算以及連接控制流程和傳送體制高度相關(guān)。需要進(jìn)行較大修改才能支持未來可能出現(xiàn)的新型交換設(shè)備或交換方式，因此網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、擴(kuò)展性以及網(wǎng)絡(luò)平滑升級能力等將受到很大限制。SDN的出現(xiàn)為解決該問題提供了一種很好的思路。

2009 年，斯坦福大學(xué)的科研人員提出基于OpenFlow的SDN概念[16]，其核心思想是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離。如果將該思想引入到光網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建SDON，或可從根本上解決光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、靈活性和平滑升級的問題。然而，由于光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的歷史原因及光（電路）交換自身的特性，當(dāng)前的光網(wǎng)絡(luò)相比IP網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的異構(gòu)性，表現(xiàn)為不同傳送體制下網(wǎng)絡(luò)資源的差異化構(gòu)成和表示方式、不同的路由計算限制以及不同的連接控制方式等。因此，簡單地將基于OpenFlow的SDN技術(shù)移植到光網(wǎng)絡(luò)中難以同時很好地解決光網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)互聯(lián)、擴(kuò)展性、靈活性和平滑升級等問題。

圖6給出了一種軟件定義光網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。該架構(gòu)中的適配平面從PIONEER網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)引入，其適配單元可完成不同廠商交換設(shè)備和SDON控制器之間的資源/控制信息過濾和格式轉(zhuǎn)換。SDON控制器是架構(gòu)的核心。同基于OpenFlow的SDN控制不同，SDON控制器需針對光網(wǎng)絡(luò)的資源、業(yè)務(wù)和控制特性，建立異構(gòu)傳送體制下的統(tǒng)一虛擬資源矩陣以及統(tǒng)一虛擬控制狀態(tài)機(jī)等實體，以達(dá)到通過軟件改變參數(shù)的方式定義不同種類業(yè)務(wù)的功能，最終實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在不同業(yè)務(wù)環(huán)境下自適應(yīng)的互聯(lián)互通。

SDON架構(gòu)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營成本

正如計算機(jī)的軟硬件分離架構(gòu)帶來整個行業(yè)成本降低和繁榮，SDON的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離也能夠避免網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重復(fù)建設(shè)，大大降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本；此外，SDON架構(gòu)可以支持網(wǎng)絡(luò)的自動運(yùn)營和管理，減少人工操作的必要性，從而降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本。

圖6 軟件定義光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）支持廣義異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通

SDON架構(gòu)不但可以實現(xiàn)不同設(shè)備商以及現(xiàn)有不同類型交換設(shè)備的互聯(lián)互通，還可以通過統(tǒng)一虛擬資源矩陣、統(tǒng)一虛擬控制狀態(tài)機(jī)等實體的構(gòu)建實現(xiàn)對未來可能出現(xiàn)的新型交換設(shè)備、交換方式以及新型業(yè)務(wù)的支持。

（3）支持網(wǎng)絡(luò)平滑升級

控制平面與數(shù)據(jù)平面分離可以使網(wǎng)絡(luò)的升級（包括底層交換設(shè)備升級和上層應(yīng)用升級）完全通過軟件的方式完成，確保不會對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和硬件造成影響。

（4）支持更靈活的路由計算

提供統(tǒng)一虛擬資源接口以及靈活的路由計算接口，可按需利用網(wǎng)絡(luò)資源并優(yōu)化路由。

（5）可提供靈活的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗環(huán)境

通過對統(tǒng)一虛擬控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)行軟件編程，并利用靈活的路由計算接口，可在真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)復(fù)雜的路由及連接控制策略，縮短研發(fā)周期，同時降低研發(fā)成本。

3.2 SDON控制器架構(gòu)

SDON控制器是SDON的核心組成部分。圖6中涉及了兩種SDON控制器架構(gòu)，分別是Pure SDON架構(gòu)以及SDON+PCE架構(gòu)。本節(jié)將對這兩種控制架構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹，并比較其優(yōu)缺點。

3.2.1 Pure SDON架構(gòu)

在Pure SDON架構(gòu)中，SDON控制器將控制平面與數(shù)據(jù)平面完全隔離。一方面，控制器為應(yīng)用商提供統(tǒng)一、抽象的可編程接口，不同應(yīng)用商可以實現(xiàn)各自不同的網(wǎng)絡(luò)控制需求。另一方面，由于網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化技術(shù)（如OpenFlow協(xié)議）、交換設(shè)備（如OF-switch）的智能控制功能得到了最大程度的簡化，只需要通過OF控制模塊接受來自控制器對本地流表（local flow table）的配置，就可決定數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。

為了對以上兩方面提供良好的支撐，控制器的模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括控制器內(nèi)核、流表、資源發(fā)現(xiàn)模塊、路由計算模塊、故障管理模塊、業(yè)務(wù)感知模塊、協(xié)議兼容/轉(zhuǎn)換模塊等基本模塊，這些基本模塊又為應(yīng)用開發(fā)提供組件庫，應(yīng)用商通過統(tǒng)一、抽象的可編程接口可以開發(fā)各種各樣的應(yīng)用模塊，如流量工程應(yīng)用、多播業(yè)務(wù)應(yīng)用、移動業(yè)務(wù)應(yīng)用、云業(yè)務(wù)應(yīng)用等。

圖7 Pure SDON架構(gòu)的控制器模塊結(jié)構(gòu)與交互接口

控制器的內(nèi)核是唯一與底層交換硬件設(shè)備進(jìn)行交互的模塊，然而與計算機(jī)的操作系統(tǒng)一樣，內(nèi)核的實現(xiàn)不應(yīng)該依賴于底層硬件，否則每更換一次交換設(shè)備，SDON控制器都需要修改內(nèi)核模塊，因此在控制器內(nèi)核與交換設(shè)備之間需要經(jīng)過一個抽象/虛擬代理，也就是虛擬平面。抽象/虛擬代理的核心功能是發(fā)現(xiàn)交換設(shè)備并進(jìn)行資源抽象，并在此基礎(chǔ)上完成控制器與交換設(shè)備間交互協(xié)議的翻譯與轉(zhuǎn)發(fā)功能。

下面將分別對控制器各個模塊的功能進(jìn)行說明。

（1）控制器內(nèi)核

主要有兩方面功能：第一，負(fù)責(zé)控制器與底層交換硬件設(shè)備的交互，交互協(xié)議如OpenFlow，實際上，底層硬件的實現(xiàn)細(xì)節(jié)已被抽象/虛擬代理所屏蔽，控制器內(nèi)核對交換設(shè)備的認(rèn)知僅以抽象的虛擬形式；第二，對控制器所有功能模塊進(jìn)行事件調(diào)度，使得所有功能有序、正確、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，因此控制器內(nèi)核是所有模塊的基礎(chǔ)。

（2）資源發(fā)現(xiàn)模塊

獲取交換設(shè)備的資源狀態(tài)，資源發(fā)現(xiàn)有兩種方式：控制器主動查詢與交換設(shè)備主動上報，前者可以用于網(wǎng)絡(luò)啟動、業(yè)務(wù)主動查詢需求等情況，后者可以用于資源更新、網(wǎng)絡(luò)故障等情況。不同的應(yīng)用商還可以設(shè)置自己的資源分片策略（業(yè)務(wù)感知模塊），在設(shè)置分片策略后，抽象/虛擬代理會將該資源分片與其他資源（共享資源或其他應(yīng)用商的資源分片）進(jìn)行隔離，并根據(jù)分片策略對資源發(fā)現(xiàn)進(jìn)行過濾，使得該應(yīng)用商的網(wǎng)絡(luò)視圖僅限該資源分片。

（3）業(yè)務(wù)感知模塊

該模塊主要有3方面功能，分別是業(yè)務(wù)區(qū)分、資源分片與性能監(jiān)測。其中業(yè)務(wù)區(qū)分根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)置的業(yè)務(wù)區(qū)分策略，對新到達(dá)的業(yè)務(wù)流進(jìn)行匹配從而進(jìn)行區(qū)分處理。資源分片根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)置的資源分片策略，為該應(yīng)用提供特定的網(wǎng)絡(luò)視圖。性能監(jiān)測對已建立的業(yè)務(wù)流的QoS與QoT等網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)性能質(zhì)量不滿足業(yè)務(wù)需求時，重新觸發(fā)路由計算與資源分配。

（4）路由計算模塊

當(dāng)新到達(dá)的業(yè)務(wù)流在本地流表找不到對應(yīng)表項時，則該業(yè)務(wù)流的第一個分組被向上提交給控制器的路由計算模塊，路由計算模塊首先查詢業(yè)務(wù)感知模塊中的業(yè)務(wù)區(qū)分策略，之后在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)資源下計算滿足業(yè)務(wù)需求的路由。

（5）流表

當(dāng)一條新的路由計算成功時，路由計算模塊對流表進(jìn)行添加操作。當(dāng)業(yè)務(wù)流結(jié)束時，路由計算模塊對流表進(jìn)行刪除操作。當(dāng)重新計算路由成功時，路由計算模塊對流表進(jìn)行修改操作。

（6）故障管理模塊

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，故障管理模塊能夠發(fā)現(xiàn)故障并對流表進(jìn)行刪除操作，進(jìn)而觸發(fā)受影響的業(yè)務(wù)流重新進(jìn)行路由計算與資源分配。

（7）協(xié)議兼容/轉(zhuǎn)換模塊

對網(wǎng)絡(luò)其他控管設(shè)備提供兼容接口，如提供網(wǎng)管系統(tǒng)（NMS）的協(xié)議接口（如SNMP）。

（8）可編程接口模塊

在以上7個基本模塊提供的組件庫的基礎(chǔ)上，對應(yīng)用商開放統(tǒng)一的可編程接口，使得應(yīng)用商可以自主開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

（9）應(yīng)用模塊

應(yīng)用商根據(jù)自己的業(yè)務(wù)特點與實際需求在SDON控制器自主開發(fā)應(yīng)用模塊，實現(xiàn)特定的網(wǎng)絡(luò)控制功能。應(yīng)用模塊也可以向組件庫提供組件。

3.2.2 SDON+PCE架構(gòu)

由于路由計算通常占用較多的CPU、內(nèi)存等資源，為了降低SDON控制器的處理負(fù)擔(dān)，SDON+PCE架構(gòu)由專門的路徑計算單元（PCE）進(jìn)行業(yè)務(wù)感知的路由計算，并保留了GMPLS的資源自動發(fā)現(xiàn)功能。因此，交換設(shè)備需要具有2個控制模塊，分別是GMPLS控制模塊（僅保留了資源自動發(fā)現(xiàn)功能）以及OF控制模塊，用來接受來自控制器對本地流表的配置，并決定數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖8給出了SDON+PCE架構(gòu)的模塊結(jié)構(gòu)。在該架構(gòu)中，由于控制器不需要資源信息進(jìn)行路由計算，因此抽象/虛擬代理可以僅對交換設(shè)備進(jìn)行無資源的簡化抽象，不需要進(jìn)行資源發(fā)現(xiàn)與資源分片，從而OF協(xié)議的翻譯與轉(zhuǎn)發(fā)模塊也相應(yīng)簡化（不需要考慮分片策略等）。

控制器與PCE共同完成網(wǎng)絡(luò)的控制功能，下面將分別對控制器與PCE的各個模塊進(jìn)行功能說明。相比Pure SDON架構(gòu)，SDON+PCE架構(gòu)下控制器的流表、故障管理模塊、協(xié)議兼容/轉(zhuǎn)換模塊以及可編程接口模塊的功能有所不同。

圖8 SDON+PCE架構(gòu)的控制器模塊結(jié)構(gòu)與交互接口

（1）流表

當(dāng)PCE返回一條新的路由時，對流表進(jìn)行添加操作。當(dāng)業(yè)務(wù)流結(jié)束時，對流表進(jìn)行刪除操作。當(dāng)PCE修改一條路由時，對流表進(jìn)行修改操作。

（2）故障管理模塊

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，故障管理模塊能夠發(fā)現(xiàn)故障并對流表進(jìn)行刪除操作，進(jìn)而觸發(fā)受影響的業(yè)務(wù)流重新向PCE提交路由計算請求。

（3）協(xié)議兼容/轉(zhuǎn)換模塊

對網(wǎng)絡(luò)其他控管設(shè)備提供兼容接口，其中包括與PCE間的PCEP接口及與網(wǎng)管系統(tǒng)（NMS）間的接口。SDON控制器與PCE間的PCEP通信需要對現(xiàn)有的PCEP進(jìn)行擴(kuò)展，比如增加PCEP對流表的支持，增加對業(yè)務(wù)感知參數(shù)傳遞的支持等。

（4）可編程接口模塊：對應(yīng)用商開放統(tǒng)一的可編程接口，使得應(yīng)用商可以自主開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。由于路徑計算有專門的PCE完成，SDON控制器欠缺資源信息相關(guān)的編程組件，應(yīng)用商僅能通過設(shè)置業(yè)務(wù)區(qū)分策略影響路由計算，而難于開發(fā)自己的路由算法。

此外，該架構(gòu)的PCE部分由資源同步模塊、路由計算模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、PCEP通信模塊、NMS接口等模塊構(gòu)成，具體功能如下。

·資源同步模塊：通過與GMPLS控制平面的接口獲取資源信息。

·路由計算模塊：控制器向PCE提交的路由計算請求應(yīng)該包括服務(wù)質(zhì)量等參數(shù)，PCE的路由計算模塊再根據(jù)數(shù)據(jù)庫模塊中的資源狀況進(jìn)行受限路由計算。

·數(shù)據(jù)庫模塊：存儲從GMPLS控制平面獲取的資源信息，并應(yīng)該能夠?qū)⑽锢碣Y源信息與SDON控制器所需的流表信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而使SDON控制器能夠理解PCE路由計算模塊的計算結(jié)果。

·PCEP通信模塊：與SDON控制器的PCEP接口進(jìn)行通信。PCEP需要增加對流表的支持，增加對業(yè)務(wù)感知參數(shù)傳遞的支持等擴(kuò)展功能。

·NMS接口：PCE與網(wǎng)管系統(tǒng)（NMS）間的接口，從而NMS可以對PCE進(jìn)行管理。

3.2.3 架構(gòu)比較

Pure SDON和SDN+PCE架構(gòu)適用于具有不同需求的光網(wǎng)絡(luò)控制。表2比較了兩種架構(gòu)在不同方面的優(yōu)缺點。從表中可以看到，Pure SDON架構(gòu)比較適合沒有域間信息隱蔽性要求、網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化程度比較高、控制平面與數(shù)據(jù)平面隔離度較高的全新重建光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)控制；而PCE+SDN架構(gòu)比較適合具有域間信息隱蔽性要求、基于GMPLS控制平面、需要平滑升級的現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)控制。

表2 Pure SDON架與SDON+PCE架構(gòu)的比較

3.3 SDON 實現(xiàn)過程中可能面臨的難點問題

作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDON的發(fā)展尚處于初期，在其未來的實現(xiàn)和完善過程中將會遇到種種挑戰(zhàn)和困難，等待研究和解決。

（1）高效、穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)、具有并發(fā)事件處理能力的控制器內(nèi)核調(diào)度

SDON采用集中式控管機(jī)制，一個SDON控制器需要同時控制多個底層硬件設(shè)備。在高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，上層業(yè)務(wù)與底層網(wǎng)絡(luò)資源之間的交互以及底層硬件設(shè)備與SDON控制器之間的交互非常頻繁，SDON控制器需要處理的信息和事件數(shù)量巨大，需要SDON控制器具有高效的并發(fā)事件處理能力。因此，如何實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)、具有并發(fā)事件處理能力的控制器內(nèi)核調(diào)度技術(shù)是SDON控制器內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn)的一個關(guān)鍵問題。

（2）適用于不同的交換設(shè)備的資源抽象機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換粒度和交換方式的差異，造成管控平面無法直接對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)度，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和資源的特點，基于網(wǎng)絡(luò)資源抽象機(jī)制，對底層設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的虛擬化。通過抽象和虛擬化技術(shù)，將種類繁多的底層硬件設(shè)備生成統(tǒng)一化視圖，是實現(xiàn)SDON底層資源動態(tài)靈活調(diào)度的關(guān)鍵。

（3）適用于不同上層應(yīng)用和業(yè)務(wù)類型的可編程控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計和實現(xiàn)

由于不同上層應(yīng)用、業(yè)務(wù)類型和策略的路由、連接控制流程不盡相同。若要對其進(jìn)行全面支持，需要SDON控制器對其各自的控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)行分別實現(xiàn)，控制架構(gòu)復(fù)雜，擴(kuò)展性差。解決該問題的一種方法是建立可編程控制狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，通過設(shè)置統(tǒng)一的虛擬狀態(tài)機(jī)和輸入可軟件定義的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制流程。其中，統(tǒng)一虛擬狀態(tài)的確定以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和控制流程的映射關(guān)系是研究的難點問題。

（4）基于網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)資源的實時動態(tài)分配問題

光網(wǎng)絡(luò)的路由及資源分配需要遵循波長連續(xù)性約束等諸多限制性條件，SDON中基于虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源的跨層規(guī)劃優(yōu)化需要在這些限制性條件下進(jìn)行，虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度需要考慮到實際網(wǎng)絡(luò)資源分配中的約束，因此基于虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源的跨層規(guī)劃優(yōu)化與資源調(diào)度具有一定難度。

（5）對不同類型底層設(shè)備的接口協(xié)議進(jìn)行適配

核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備種類繁多，包括MPLS路由器、PTN、OTN等。此外，不同廠商設(shè)備的控制通常采用大量私有協(xié)議和消息格式。這些網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)特性將給網(wǎng)絡(luò)資源獲取、虛擬化以及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的控制帶來極大阻礙。

4 結(jié)束語

回顧光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程，WDM技術(shù)的出現(xiàn)極大地擴(kuò)展了光纖傳輸?shù)膸?，成功解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的帶寬瓶頸問題，光網(wǎng)絡(luò)的概念應(yīng)運(yùn)而生；波長路由概念和器件的出現(xiàn)解決了WDM光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處的光電轉(zhuǎn)換瓶頸問題，全光網(wǎng)絡(luò)的概念產(chǎn)生，光網(wǎng)絡(luò)蔚然興起；控制平面的引入實現(xiàn)了光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的動態(tài)調(diào)度，出現(xiàn)以ASON為代表的智能光網(wǎng)絡(luò)。

隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，未來智能光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將面臨顯著的異構(gòu)化、擴(kuò)展性等方面的問題。為解決這些問題，E-NNI、PCE等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出現(xiàn)，并逐步向SDON架構(gòu)演進(jìn)，最終使光網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)脫離上層應(yīng)用和底層設(shè)備的限制，實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的低成本化、高擴(kuò)展性和靈活性。

參考文獻(xiàn)

1 張杰，徐云斌，顧畹儀等.自動交換光網(wǎng)絡(luò)ASON.北京：人民郵電出版社,2004

2 Delange O E.Wide-band optical communication systems,partⅡ-frequency division multiplexing.Proceedings of the IEEE,1970,58(10):1683

3 Brackett C A.Dense wavelength division multiplexing networks:principles and applications.IEEE Journal Sel Areas Commun 1990,8(6):948～964

4 Tachikawa Y,Inoue Y,Kawachi M,et al.Arrayed-waveguide grating add-drop multiplexer with loop-back optical paths.Electronics Letters,1993,29(24):2133～2134

5 Ramaswami R,Sivarajan K N.Design of logical topologies for wavelength-routed optical networks.IEEE on IEEE Journal Selected Areas Communications,1996,14(5):840～851

6 Banerjee D,Mukherjee B.Wavelength-routed optical networks:linear formulation,resource budgeting tradeoffs,and a reconfiguration study.IEEE/ACM Transactions on Networking,2000,8(5):598～607

7 ITU-T G.8080/Y.1304.Architecture for the Automatic Switched Optical Network(ASON),2001

8 ITU-T G.8080-Adm1.Architecture for the Automatic Switched Optical Network(ASON)Amendment,2003

9 張成良.ASON的標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)進(jìn)展.電信技術(shù),2003(9)

10 OIF.OIF E-NNI Signaling Specification,2009

11 OIF.External Network-Network Interface(E-NNI)OSPFv2-based Routing-2.0(Intra-Carrier)Implementation Agreement,2011

12 OIF.Intra-Carrier E-NNI Signaling Specification.OIF-E-NNISig-01.0,2004

13 Farrel A,Vasseur J-P,Ash J.A Path Computation Element(PCE)-based Architecture.RFC4655,2006

14 Vasseur J,Zhang R,Bitar N,et al.A Backward-recursive PCE-based Computation(BRPC)Procedure to Compute Shortest Constrained Inter-domain Traffic Engineering Label Switched Paths.RFC5441,2009

15 魯睿,鄭小平，華楠.多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)互連互通管控機(jī)制研究和實現(xiàn).清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2013(2)

16 Das S,Parulkar G,McKeown N.Unifying packet and circuit switched networks.Proceedings of 2009 IEEE GLOBECOM Workshops,Honolulu,HI,2009