張奇

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司上海分公司，上海200060）

1 引言

隨著移動終端數(shù)量、內(nèi)容的爆發(fā)增長，服務(wù)虛擬化的廣泛應(yīng)用以及云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，下一代IT業(yè)務(wù)流量、流向已經(jīng)開始向彈性化、動態(tài)化、靈活化等方向轉(zhuǎn)變。作為基礎(chǔ)承載的傳送網(wǎng)，由于其長期沿襲著業(yè)務(wù)及帶寬的傳統(tǒng)規(guī)劃及承載方式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日漸臃腫、網(wǎng)絡(luò)閑置資源不斷增加，成為如今傳送網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。因此，面對傳送網(wǎng)未來的發(fā)展，需要改變傳統(tǒng)傳送網(wǎng)的“靜態(tài)”屬性，向“動態(tài)”網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。

本文主要分為3個部分，首先論述SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的起源及基本定義，引出網(wǎng)絡(luò)分域虛擬化及資源敏感性動態(tài)化兩大核心主題。其次，結(jié)合目前中國移動通信集團(tuán)上海有限公司（以下簡稱上海移動）SDN+PTN試驗網(wǎng)平臺，在《基于網(wǎng)絡(luò)動態(tài)虛擬化的傳送網(wǎng)流量工程規(guī)劃系統(tǒng)》輔助模擬下，分析SDN應(yīng)用場景及案例。最后，總結(jié)SDN技術(shù)在傳送網(wǎng)的應(yīng)用方向及可能部署的場景，證明SDN技術(shù)能夠積極有效面對業(yè)務(wù)的靈活發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)部署。

2 SDN在傳送網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)

SDN能夠與傳統(tǒng)傳送技術(shù)相融合，改變原有網(wǎng)絡(luò)資源管理、分配及調(diào)度方式，通過開放接口，實現(xiàn)集中控制與底層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相分離、最大化網(wǎng)絡(luò)資源使用、虛擬化網(wǎng)絡(luò)形態(tài)、加速網(wǎng)絡(luò)部署、深化流量工程的效果。圖1展示了現(xiàn)有傳送網(wǎng)傳送—管理架構(gòu)與SDN架構(gòu)間的差異[1]。

通過部署集中控制器，SDN可與目前主流傳輸技術(shù)相融合，實現(xiàn)對傳送網(wǎng)靈活、兼容、高效的調(diào)度及管理效果。其中，SDN應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要有網(wǎng)絡(luò)分域虛擬化與資源敏感性動態(tài)化[2]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)分域虛擬化

SDN的網(wǎng)絡(luò)分域虛擬化是將網(wǎng)絡(luò)中某一子網(wǎng)或同一管理域中的網(wǎng)元抽象為虛擬網(wǎng)元（VNE），原有實體連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)變?yōu)橛上鄳?yīng)虛擬網(wǎng)元組成的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

圖2左側(cè)展示了一個簡單的網(wǎng)絡(luò)示例。該網(wǎng)絡(luò)的一個比較合理的分域方式為將正中虛框區(qū)域劃分為域，包含網(wǎng)元C1～C5；其余區(qū)域分別劃分為獨(dú)立域metro1～metro4。

SDN處理機(jī)制采用層疊式域控制機(jī)制（layered domain control，圖2中部分）。每個獨(dú)立域控制器設(shè)定為分域控制器（domain controller），僅能采集、計算本域內(nèi)的路由信息。跨域連接以及域間邏輯關(guān)系由更上層全局控制器（super controller）管轄。上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在SDN控制器虛擬化后能夠簡化為僅5個虛擬節(jié)點(diǎn)的虛擬網(wǎng)絡(luò)（圖1右側(cè)部分），利于跨域路由的搜索，提高資源調(diào)度效率。

2.2 資源敏感性動態(tài)化

在網(wǎng)絡(luò)物理實體連接結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，考慮網(wǎng)絡(luò)資源情況（包括鏈路帶寬、時延等）對業(yè)務(wù)滿足程度的差異性，提出一種資源敏感性網(wǎng)絡(luò)動態(tài)化概念。動態(tài)化網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)間連接不僅表示確實存在的物理連接，而且還表示能夠滿足業(yè)務(wù)需求的連接。

同樣沿用上述示例網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行并承載一定規(guī)模的業(yè)務(wù)后每段鏈路可用帶寬如圖3(a)所示（單位Mbit/s）。

當(dāng)業(yè)務(wù)帶寬需求為端到端450 Mbit/s時，從帶寬角度全網(wǎng)可滿足上述需求的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變?yōu)閳D3(b)所示。而當(dāng)業(yè)務(wù)需要低時延時，上述網(wǎng)絡(luò)可能的形態(tài)如圖3(c)所示。

圖1 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)與SDN架構(gòu)間的差異

圖2 一個實體網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)渫ㄟ^層疊式域控制機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M網(wǎng)絡(luò)的示意

圖3 帶寬及時延的網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化示例

3 流量工程規(guī)劃及應(yīng)用場景分析

3.1 流量工程規(guī)劃及基于SDN的流量工程規(guī)劃平臺

傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、容量配置以及業(yè)務(wù)調(diào)度均沿襲傳統(tǒng)固定帶寬、靜態(tài)局向進(jìn)行規(guī)劃，適配于如今以彈性帶寬、動態(tài)局向、虛擬云化為特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在[3]以下兩方面。

（1）固定式調(diào)度路徑

傳送網(wǎng)按照預(yù)先設(shè)置的路徑進(jìn)行資源快速、簡化配置，路由分配方式完全固定、靜止。對于既有網(wǎng)絡(luò)容量難以滿足業(yè)務(wù)承載需求時，只能擴(kuò)容相應(yīng)鏈路，缺少靈活、高效的備選路由分配功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)資源使用失衡

局向與鏈路固定綁定，容易導(dǎo)致業(yè)務(wù)流量的不均衡引起傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源使用失衡，形成非重點(diǎn)局向鏈路能力閑置，且難以二次復(fù)用。SDN技術(shù)能夠很好地聚焦上述痛點(diǎn)，但鑒于SDN標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)尚未完全成熟，尤其是與傳送網(wǎng)技術(shù)融合的程度不夠緊密，成為如今SDN在傳送網(wǎng)應(yīng)用的障礙。

因此，在上述背景下，結(jié)合上海移動SDN+PTN的試點(diǎn)工程，上海移動設(shè)計院自研開發(fā)了基于SDN功能的傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量工程規(guī)劃平臺。該平臺能夠快速實現(xiàn)分域管理、業(yè)務(wù)承載調(diào)度模擬、容災(zāi)模擬等功能，充分盤活網(wǎng)絡(luò)資源，詮釋了流量工程的意義。

3.2 基于流量工程規(guī)劃平臺的典型場景應(yīng)用分析

（1）應(yīng)用場景搭建

本應(yīng)用場景分析將以上海移動PTN為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上海移動典型PTN結(jié)構(gòu)示意

核心層以準(zhǔn)mesh方式組網(wǎng)，mesh化程度視業(yè)務(wù)集中程度而定。匯聚層以環(huán)網(wǎng)方式組網(wǎng)，接入層以環(huán)、鏈向結(jié)合成形。在帶寬方面，核心層節(jié)點(diǎn)間主要以多個10GE速率互聯(lián)，匯聚層主要以單個10GE，接入層以GE為主組網(wǎng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼胺钟蛱摂M化呈現(xiàn)

規(guī)劃平臺將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D及鏈路流量疏忙情況相結(jié)合，以節(jié)點(diǎn)有無連接說明網(wǎng)元間的互聯(lián)關(guān)系。圖5中同時整合了分域功能，以虛框?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)分為2個核心域（core1、core2）、2個匯聚域（metro1、metro2）以及2個接入域（access1、access2）。

（3）業(yè)務(wù)流模擬（主備1+1方式）

主備業(yè)務(wù)在實際網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用非常普遍，主要包括目前基站業(yè)務(wù)回傳、專線業(yè)務(wù)承載等。而目前PTN/SDH網(wǎng)絡(luò)中對該類業(yè)務(wù)的承載仍通過實現(xiàn)預(yù)安排的LSP/tunnel或VC-4進(jìn)行主備路由配置，容易因業(yè)務(wù)發(fā)展不均衡造成網(wǎng)絡(luò)資源區(qū)域性失衡。

在流量工程規(guī)劃平臺的輔助下，現(xiàn)模擬節(jié)點(diǎn)A12→A21，業(yè)務(wù)帶寬為100 Mbit/s的主備業(yè)務(wù)。平臺采用二段式計算方式，先計算出主用路由（如圖6所示），動態(tài)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，生成備用路由，且備用路由生成時天然與主用路由分離，并根據(jù)上海移動網(wǎng)絡(luò)承載策略確認(rèn)多個備選方案中的一個。

圖5 規(guī)劃平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)

圖6 主備路由模擬（主備用路由）

上述主備路由的選擇并不是確定型靜態(tài)路由。平臺會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時流量的不同動態(tài)選擇兼顧跳數(shù)、帶寬使用率的最佳主備用路由。此外，在提供相關(guān)路由的同時，網(wǎng)絡(luò)鏈路實時流量調(diào)整也動態(tài)調(diào)整，便于后續(xù)路由搜索繼續(xù)使用。

（4）業(yè)務(wù)流模擬（多路由分擔(dān)方式）

本文所述多路由分擔(dān)方式是指在無人工干預(yù)的情況下，網(wǎng)絡(luò)自動計算并分配多條無重路由、負(fù)載均衡的建議路徑，用以分擔(dān)承載原鏈路無法滿足的帶寬需求。雖然目前傳送網(wǎng)技術(shù)、路由器技術(shù)以及現(xiàn)階段的SDN技術(shù)的限制，但依靠本流量工程規(guī)劃平臺仍可模擬實現(xiàn)多路由分擔(dān)方式下的業(yè)務(wù)承載。

仍以上海移動PTN示意結(jié)構(gòu)為例，并選擇核心點(diǎn)WR-1為源點(diǎn)，WS-1為宿點(diǎn)，總需求帶寬為40 Gbit/s。該段鏈路能力上限為16 Gbit/s，剩余業(yè)務(wù)承載能力10 Gbit/s，而所需的40 Gbit/s業(yè)務(wù)量是該鏈路可承載能力的4倍。顯然，所需業(yè)務(wù)已完全超過了原有鏈路承載能力。但通過多路徑的業(yè)務(wù)承載分擔(dān)后，能夠采用現(xiàn)網(wǎng)其他高質(zhì)量迂回路由分擔(dān)消耗業(yè)務(wù)需求。

平臺對相關(guān)業(yè)務(wù)的模擬后，源宿節(jié)點(diǎn)間40 Gbit/s業(yè)務(wù)最終由如圖7所示的4條無重路由、負(fù)載均衡的建議路徑路由共同分擔(dān)承載，避免了原鏈路的擴(kuò)容建設(shè)。

（5）網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)

目前大部分業(yè)務(wù)需求在進(jìn)入傳輸網(wǎng)前已經(jīng)形成了邏輯上多鏈路分擔(dān)或保護(hù)關(guān)系，傳輸網(wǎng)的1+1或1:1多重保護(hù)并不能顯著提升業(yè)務(wù)保護(hù)效果。因此，在將來智能化流量工程背景下，SDN對資源的動態(tài)調(diào)度能力是在業(yè)務(wù)容災(zāi)以及網(wǎng)絡(luò)資源使用兩個方面中較為平衡的解決方式。

圖7 多路徑業(yè)務(wù)分擔(dān)承載模擬

圖8 網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)模擬

本平臺能夠結(jié)合特定業(yè)務(wù)調(diào)度原則，提供模擬網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷容災(zāi)恢復(fù)方案。容災(zāi)方案根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際流量情況以及中斷鏈路位置，實時計算容災(zāi)恢復(fù)路徑，一方面可提供網(wǎng)絡(luò)緊急容災(zāi)的備選方案；另一方面，將進(jìn)一步深化流量工程在傳送網(wǎng)中的作用，改變傳統(tǒng)傳送網(wǎng)容災(zāi)方式。

模擬多處鏈路中斷后的情況，模擬結(jié)果如圖8所示。先后分別對{CS-1—PD-1}、{NJ-1—JQ-1}、{NJ-1—YP-1}進(jìn)行中斷模擬。前兩次中斷場景下，系統(tǒng)均找到恢復(fù)路由。但隨著中斷條數(shù)增多，在最后一次中斷模擬中，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無更多資源承載NJ-1—YP-1的鏈路流量，平臺顯示無法成功恢復(fù)，并給出能夠最大程度恢復(fù)的數(shù)據(jù)量（現(xiàn)有能力能夠恢復(fù)50%的業(yè)務(wù)）。

4 結(jié)束語

本文首先分析SDN的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)為網(wǎng)絡(luò)分域虛擬化以及資源敏感性動態(tài)化兩個主要方面，并指明上述方面為今后SDN主要完善與發(fā)展的方向。其次，分析了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載及規(guī)劃的弊端，并介紹了自研開發(fā)的傳送網(wǎng)流量工程規(guī)劃平臺。在平臺模擬的輔助下，著重展示了主備業(yè)務(wù)承載、多路徑分擔(dān)承載、網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)3種應(yīng)用場景。最后，說明并闡釋了SDN的應(yīng)用價值，進(jìn)一步深化傳送網(wǎng)流量工程的涵義。通過本文所涉及的流量工程平臺以及典型應(yīng)用場景分析，證明了SDN今后發(fā)展的美好前景，同時也為傳送網(wǎng)融合應(yīng)用SDN技術(shù)提供必要的意見及建議。

[1]ONF.Software-defined networking:the new norm for networks[R].2012.

[2]ONF Optical Transport Working Group.Optical transport use cases[R].2014.

[3]陳仲華,沈成彬,張堅平.SDN技術(shù)在電信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的關(guān)鍵問題探討[J].電信科學(xué),2014,30(9):133-138.CHEN Z H,SHEN C B,ZHANG J P.Discussion on the key problems in the application of SDN technology in telecommunication network[J].Telecommunications Science,2014,30(9):133-138.