王 健，梁 燦/Wang Jian,Liang Can

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司 上海200060）

1 引言

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network,SDN）通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制。SDN 技術(shù)的出現(xiàn)為通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及應(yīng)用提供了良好的平臺(tái)。此外，SDN 技術(shù)具備按需使用傳輸網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和存儲(chǔ)資源的能力，基于分布式云架構(gòu)的新型應(yīng)用也可以按需使用運(yùn)營(yíng)商基于SDN 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)資源。

2 SDN 與OpenFlow 技術(shù)架構(gòu)體系

SDN 誕生于美國(guó)GENI 項(xiàng)目資助的斯坦福大學(xué)Clean Slate 課題。研究團(tuán)隊(duì)提出OpenFlow的概念，后續(xù)基于OpenFlow 給網(wǎng)絡(luò)帶來可編程的特性，SDN的概念應(yīng)運(yùn)而生。

ONF 提出的SDN 架構(gòu)主要包括應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)層，如圖1所示。

具體實(shí)現(xiàn)上，可能會(huì)在ONF SDN 架構(gòu)上增加協(xié)同層，以負(fù)責(zé)提供北向接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)間協(xié)同以及域間協(xié)同，如網(wǎng)管和控制器間的協(xié)同，PTN 和WDM控制器間的協(xié)同等。

OpenFlow 是一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表的管理協(xié)議，要在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上加入新的特色比較困難，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

①很難加入線速轉(zhuǎn)發(fā)接口；

②算法完全做到分布式很難，尤其是在協(xié)議層定義時(shí)；

③新的協(xié)議必須在現(xiàn)有的機(jī)制下才能夠?qū)崿F(xiàn)；

④必須能在有多種約束限制和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中適用。

目前網(wǎng)絡(luò)模型的MAC 層和IP 層能做到很好的抽象，但由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹f(xié)議、算法和控制處理的復(fù)雜度太高（因?yàn)橛刑嗟膹?fù)雜功能加入到體系結(jié)構(gòu)中，如OSPF、BGP、組播、區(qū)分服務(wù)、流量工程、NAT、防火墻、MPLS、冗余層等），對(duì)于控制接口來說并沒有起到作用。SDN 提出控制層面的抽象，可以對(duì)控制層進(jìn)行簡(jiǎn)單、正確的抽象。SDN 給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃與管理提供了極大的靈活性，可以選擇集中式或是分布式控制，對(duì)微量流（如校園網(wǎng)的流）或是聚合流（如主干網(wǎng)的流）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的流表項(xiàng)匹配，可以選擇虛擬實(shí)現(xiàn)或是物理實(shí)現(xiàn)。

（1）OpenFlow 端口

· 物理端口，即設(shè)備上物理可見的端口；

· 邏輯端口，在物理端口基礎(chǔ)上由Switch 設(shè)備抽象出來的邏輯端口，如為tunnel 或者聚合等功能而實(shí)現(xiàn)的邏輯端口；

· OpenFlow 定義的端口。OpenFlow 目前共定義 了 ALL、CONTROLLER、TABLE、IN_PORT、ANY、LOCAL、NORMAL 和FLOOD 等8 種 端口，其中，后3 種為非必需的端口，只在混合型的OpenFlow Switch中存在。

（2）流表

OpenFlow 通過用戶定義或預(yù)設(shè)的規(guī)則來匹配和處理網(wǎng)絡(luò)分組。一條OpenFlow的規(guī)則由匹配域（match fields）、優(yōu)先級(jí)（priority）、處理指令（instructions）和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（如counters）等字段組成，如圖2所示。

在一條規(guī)則中，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)包在L2、L3 或者L4等網(wǎng)絡(luò)報(bào)文頭的任意字段進(jìn)行匹配，如以太網(wǎng)幀的源MAC 地址，IP 分組的協(xié)議類型和IP 地址，或者TCP/UDP的端口號(hào)等。目前OpenFlow的規(guī)范中還規(guī)定了Switch 設(shè)備廠商可以選擇通配符進(jìn)行匹配。

（3）通信通道

OpenFlow 規(guī)范定義了OpenFlow Switch 如何與Controller 建立連接、通信以及相關(guān)消息類型的通信通道。OpenFlow 規(guī)范中定義了3 種消息類型。

第一種是Controller/Switch 消息，是指由Controller發(fā)起、Switch 接收并處理的消息，主要包括Features、Configuration、Modify-State、Read-State、Packet-out、Barrier和Role-Request 等消息。這些消息主要由Controller 來對(duì)Switch 進(jìn)行狀態(tài)查詢和修改配置等操作。

第二種是異步（Asynchronous）消息，是指由Switch發(fā)送給Controller、用來通知Switch 上發(fā)生的某些異步事件的消息，主要包括Packet-in、Flow-Removed、Port-status 和Error 等。如當(dāng)某一條規(guī)則因?yàn)槌瑫r(shí)而被刪除時(shí)，Switch 將自動(dòng)發(fā)送一條Flow-Removed 消息通知Controller，以方便Controller 作出相應(yīng)的操作，如重新設(shè)置相關(guān)規(guī)則等。

第三種是對(duì)稱（Symmetric）消息，顧名思義，這些都是雙向?qū)ΨQ的消息，主要用來建立連接、檢測(cè)對(duì)方是否在線等，包括Hello、Echo 和Experimenter 這3 種消息。

3 SDN 技術(shù)在城域傳送網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 切入點(diǎn)

運(yùn)營(yíng)商的演進(jìn)路徑各不相同，主要有以下3 種途徑。

其一，通過SDN 集成OTN 和WDM，在城域傳送網(wǎng)單個(gè)管理域集成L0 和L1的資源管理和控制功能。

其二，建立策略驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化SDN 環(huán)境，協(xié)調(diào)計(jì)算、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源，支持虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能。

其三，通過SDN 集成光層和IP 層，實(shí)現(xiàn)跨層（L0/L1/L2/L3）的資源優(yōu)化和彈性傳送業(yè)務(wù)。

目前中國(guó)移動(dòng)將SDN 與PTN 結(jié)合，推出了SPTN的架構(gòu)，如圖3所示。隨著100 G 系統(tǒng)的開展應(yīng)用，進(jìn)一步嘗試實(shí)現(xiàn)SDN 與OTN 結(jié)合。以SPTN 為例，SPTN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展規(guī)劃分為2 個(gè)階段。

（1）第一階段：兼容現(xiàn)網(wǎng)

接口選擇：由于現(xiàn)網(wǎng)已有大量PTN 設(shè)備，南向接口均非OpenFlow，因此沿用現(xiàn)有Qx/SNMP 接口。

控制器實(shí)現(xiàn)：Domain Controller 與網(wǎng)管緊耦合實(shí)現(xiàn)SDN；依靠Super Controller管理多廠家D-Controller，定義統(tǒng)一的feature，簡(jiǎn)化S-Controller。

（2）第二階段：可支持OpenFlow

推動(dòng)南向接口標(biāo)準(zhǔn)化，新建SPTN 采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，可以采用OpenFlow。

APP 應(yīng)面向運(yùn)營(yíng)商和客戶分別考慮，既滿足靈活性要求，又要安全可靠。

3.2 具體應(yīng)用

（1）結(jié)合城域傳送網(wǎng)組網(wǎng)需求

隨著未來LTE 發(fā)展引入COMP 等功能后，將提出CRAN的明確需求，同時(shí)，未來LTE 單站帶寬不斷提升，PTN 承載網(wǎng)絡(luò)也將向扁平化方向演進(jìn)，采用Mesh 結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，如圖4所示。然而，全Mesh 組網(wǎng)后，業(yè)務(wù)的流向?qū)⑼黄片F(xiàn)有端到端的靜態(tài)業(yè)務(wù)配置方式，目前以維護(hù)電路為主的傳送網(wǎng)運(yùn)維人員將難以適應(yīng)。

引入SDN 后，可為各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流向需求的業(yè)務(wù)提供靈活的開通方式，大幅簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維復(fù)雜度。

（2）結(jié)合集客專線需求

目前的集客專線主要面臨的問題有以下幾方面。

· 網(wǎng)管配置業(yè)務(wù)效率較低；跨地市、跨省專線需多廠家網(wǎng)管協(xié)調(diào)配置，周期長(zhǎng)。

· 集客業(yè)務(wù)擴(kuò)容及路徑調(diào)整頻繁，每次調(diào)整均需拆除業(yè)務(wù)路徑，重新規(guī)劃建立；PTN 網(wǎng)管工具無法動(dòng)態(tài)完成帶寬調(diào)整。

· 集客業(yè)務(wù)具有潮汐效應(yīng)，導(dǎo)致流量不均衡；集客業(yè)務(wù)地理分布不均勻，導(dǎo)致業(yè)務(wù)密集區(qū)域帶寬緊張，稀疏區(qū)域帶寬充裕。

· 運(yùn)營(yíng)商不同業(yè)務(wù)部門需要獨(dú)立管理運(yùn)營(yíng)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源；集團(tuán)客戶需要呈現(xiàn)和管理自己的租用網(wǎng)絡(luò)。

總體來說，需要對(duì)傳送網(wǎng)提出快速開通、業(yè)務(wù)調(diào)整靈活、高效利用網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)虛擬化的要求。

如圖5所示，通過SDN的引入，實(shí)現(xiàn)集客業(yè)務(wù)的快速發(fā)放、業(yè)務(wù)帶寬的實(shí)時(shí)調(diào)整以及業(yè)務(wù)質(zhì)量的可視監(jiān)控；通過部署網(wǎng)管集中控制和控制器控制，結(jié)合協(xié)同器完成端到端集客業(yè)務(wù)拉通。

可以按需部署各類APP 應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)集客業(yè)務(wù)申請(qǐng)、開通、調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及性能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)等功能，具體實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾方面：

圖3 SPTN 架構(gòu)

圖4 PTN 承載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向扁平化演進(jìn)需求示意

· 客戶APP 方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)申請(qǐng)、調(diào)整的簡(jiǎn)化；

· 業(yè)務(wù)SLA 面向客戶呈現(xiàn)；

· 專網(wǎng)視圖面向客戶呈現(xiàn)；

· 業(yè)務(wù)帶寬的快速申請(qǐng)和調(diào)整；

· 業(yè)務(wù)發(fā)放速度從月到天。

（3）PTN L3 配置優(yōu)化

結(jié)合SDN的應(yīng)用，通過SDN 控制器實(shí)現(xiàn)算法，可實(shí)現(xiàn)PTN L3網(wǎng)絡(luò)的配置簡(jiǎn)化。

EPC 組Pool 對(duì)PTN L3網(wǎng)絡(luò)帶來的需求及面臨的問題有以下幾方面：

· 城域L3 PTN 節(jié)點(diǎn)與區(qū)域內(nèi)所有EPC 路由可達(dá)；

· 城域L3 PTN 節(jié)點(diǎn)之間需要規(guī)劃用于S1-flex 流量調(diào)度帶寬；

· 落地PTN 之間需要與所有SGW、PGW 路由可達(dá)，并規(guī)劃用于S1-flex的流量調(diào)度帶寬；

· 從后續(xù)擴(kuò)展考慮，需預(yù)留帶寬以承載不同機(jī)房間SGW、PGW 間的流量(S5 接口)。

PTN L3網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理帶來的需求及面臨的問題有以下幾方面：

· L3 PTN 因帶寬需求增加，需頻繁調(diào)整。

· L3 PTN網(wǎng)絡(luò)與L2 PTN網(wǎng)絡(luò)融合，保護(hù)配置調(diào)整。

引入SDN 后，PTN網(wǎng)絡(luò)可解決靜態(tài)L3 VPN 配置的問題，實(shí)現(xiàn)流量流向的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全性的提升。

· 靜態(tài)L3 VPN 問題：需要手工配置，但是引入分布式控制平面會(huì)帶來其他問題，如網(wǎng)絡(luò)輕載、邊緣節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡、可靠性差等；引入SDN從全網(wǎng)視角調(diào)度資源，能夠?qū)崿F(xiàn)全局最優(yōu)。

· 流量、流向靈活調(diào)度問題：LTE 快速發(fā)展，帶來了網(wǎng)絡(luò)流量和流向調(diào)整頻繁，采用SDN 能夠滿足動(dòng)態(tài)調(diào)整要求。

· 保護(hù)、恢復(fù)問題：現(xiàn)有L3 PTN 僅能實(shí)現(xiàn)主備保護(hù)，引入SDN，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)故障保護(hù)恢復(fù)。

（4）智能SDN時(shí)鐘

結(jié)合SDN，在網(wǎng)管控制器采用時(shí)鐘算法并下發(fā)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘數(shù)據(jù)部署的免規(guī)劃、免配置以及維護(hù)階段加減點(diǎn)免配置和智能故障定位。

時(shí)鐘部署面臨的問題有以下幾方面。

· 部署： 同步以太、1588v2、1588ACR 等時(shí)鐘特性，在時(shí)鐘網(wǎng)規(guī)劃及配置上專業(yè)性較強(qiáng)、工作量大、易出錯(cuò)。具體如時(shí)間網(wǎng)規(guī)劃、上下游跟蹤關(guān)系、主從關(guān)系、各種參數(shù)配置等。

· 維護(hù)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔{(diào)整時(shí)，需重新規(guī)劃和配置。

·時(shí)鐘環(huán)：時(shí)鐘環(huán)會(huì)引起全網(wǎng)時(shí)鐘震蕩，靠目前的人工規(guī)劃時(shí)鐘網(wǎng)來避免成環(huán)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

引入SDN 后，可節(jié)省客戶在部署和維護(hù)中的工作量，節(jié)省技術(shù)儲(chǔ)備、人力投入，并減少人為錯(cuò)誤的發(fā)生，并能有效避免時(shí)鐘成環(huán)，如圖6所示。

4 SDN 技術(shù)在城域傳送網(wǎng)下階段的應(yīng)用設(shè)想

隨著SDN 概念的發(fā)展和推廣，其研究和應(yīng)用領(lǐng)域也得到了不斷拓展。目前，關(guān)于SDN 與傳輸技術(shù)相結(jié)合的研究領(lǐng)域主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）按需創(chuàng)建業(yè)務(wù)

問題：云業(yè)務(wù)分布在多個(gè)不同地理位置，因此端到端云業(yè)務(wù)集成后呈現(xiàn)給遠(yuǎn)程用戶非常困難，耗時(shí)耗力。

解決方案： 通過為每一業(yè)務(wù)組合動(dòng)態(tài)創(chuàng)建來加速部署并降低運(yùn)營(yíng)成本。

SDN的作用：計(jì)算出最優(yōu)化的路由，將網(wǎng)絡(luò)連接集成在一起，從而取消耗時(shí)的手工路由配置工作。業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔４嬖赟DN的資源管理器中而不是傳輸設(shè)備中，這樣可以避免因?yàn)閭鬏斣O(shè)備需要大量的CPU 資源而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)硬件升級(jí)。

（2）動(dòng)態(tài)多層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

問題：網(wǎng)絡(luò)流量波動(dòng)性和不可預(yù)測(cè)性日益加劇，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量工程的時(shí)間窗口過于分散，常常是幾個(gè)月，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的可用性和業(yè)務(wù)質(zhì)量下降。即使一個(gè)很小的網(wǎng)絡(luò)變動(dòng)，運(yùn)營(yíng)商都必須對(duì)每一網(wǎng)絡(luò)層面進(jìn)行隔離監(jiān)測(cè)，線下進(jìn)行實(shí)施結(jié)果分析。

圖5 集客業(yè)務(wù)自動(dòng)發(fā)放流程示意

圖5 時(shí)鐘智能配置維護(hù)示意

解決方案：允許用戶明確連接要求，如延遲、抖動(dòng)和帶寬。然后實(shí)時(shí)判決滿足此網(wǎng)絡(luò)屬性的路徑和業(yè)務(wù)。提供基于實(shí)時(shí)策略的辦法來跟蹤SLA 并實(shí)現(xiàn)流量工程在網(wǎng)絡(luò)各層的自動(dòng)化。

SDN的作用：可按需部署第三方應(yīng)用，訪問并分析存儲(chǔ)在資源管理器中的全網(wǎng)拓?fù)浜蜖顟B(tài)信息。分析結(jié)果后用來動(dòng)態(tài)觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的重新部署，如ODU 容器大小的調(diào)整或業(yè)務(wù)與光通道之間的映射。

5 結(jié)束語(yǔ)

相比較而言，盡管網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及城域傳送網(wǎng)的虛擬化得到了諸多發(fā)展，但還有很多問題亟需解決。SDN 盡管不是專門為網(wǎng)絡(luò)虛擬化而生，但它們具備的標(biāo)準(zhǔn)化和靈活性卻給網(wǎng)絡(luò)虛擬化的發(fā)展帶來了無限可能，這項(xiàng)技術(shù)也將不斷發(fā)展成熟，并最終應(yīng)用到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中。

1 湯進(jìn)凱，張奇，王健.下一代光傳送網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用探討.電信科學(xué)，2009（10A）:192~195

2 龔倩，鄧春勝，王強(qiáng)等.PTN 規(guī)劃建設(shè)與運(yùn)維實(shí)戰(zhàn).北京：人民郵電出版社，2010

3 Tim Szigeti,Christina Hattingh.端到端QoS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì).北京：人民郵電出版社，2007