鄭小平+華楠

摘要：圍繞光承載網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的互通問題展開論述，并基于對光承載網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)不同交換特點和定位的分析，提出了基于軟件定義光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了跨IP數(shù)據(jù)網(wǎng)和光承載網(wǎng)的快速端到端無縫業(yè)務(wù)建立。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化；網(wǎng)絡(luò)動態(tài)互通；光承載網(wǎng)；IP數(shù)據(jù)網(wǎng)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)

Abstract： This paper discusses problem of connection between a core optical transport network and IP networks. We present a unified control architecture that uses some key technologies for hybrid packet-optical networks based on the analysis of their different switching features and positions to finally realize fast and seamless end-to-end connection.

Key words：network heterogeneity； dynamic network inter-connection； core optical transport networks； IP networks； software-defined networks； hybrid packet-optical networks

1 引言

隨著以信息技術(shù)為核心的新一輪科技革命正在孕育興起，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為保障國民經(jīng)濟正常運行和創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的先導(dǎo)力量。Cisco數(shù)據(jù)表明[1]，未來全球網(wǎng)絡(luò)的流量和聯(lián)網(wǎng)的終端數(shù)將急劇上漲?？紤]到云計算服務(wù)、云存儲服務(wù)等新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求將會持續(xù)高速增長。業(yè)務(wù)的高帶寬需求推動網(wǎng)絡(luò)朝著大容量、大規(guī)模、動態(tài)化和異構(gòu)化方向發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)的容量和規(guī)模不斷擴大，其控制和管理將變得異常困難。同時，業(yè)務(wù)的動態(tài)實時性需求也給大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的管控機制提出了新的要求。當(dāng)前，應(yīng)對這種變化的主流思想是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分域控制和管理。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)功能用途、地理位置、管理區(qū)域和設(shè)備類型等因素被劃分為多個獨立的子網(wǎng)（域）。每個子網(wǎng)擁有私密的物理拓?fù)?、技術(shù)細(xì)節(jié)、運營策略，且有可能屬于不同的網(wǎng)絡(luò)運營商，呈現(xiàn)出明顯的異構(gòu)化特征。梅特卡夫定律告訴我們，網(wǎng)絡(luò)的價值與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的平方成正比，這就要求這些異構(gòu)子網(wǎng)實現(xiàn)動態(tài)互通，以創(chuàng)造其最大價值。然而，網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)動態(tài)互通，成為了阻礙網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大“瓶頸”[2-3]。網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化是一個廣泛的概念，它包含多個層次的含義，如核心光承載網(wǎng)的異構(gòu)化、光承載網(wǎng)與IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的異構(gòu)化、固網(wǎng)與無線/移動網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)化等等。解決網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化帶來的網(wǎng)絡(luò)互通問題需要循序漸進(jìn)，而并非一蹴而就的過程。

1.1 核心光承載網(wǎng)的異構(gòu)互通

隨著核心光承載網(wǎng)規(guī)模的擴大和光通信技術(shù)的發(fā)展，其傳送平面、控制平面和管理平面不同程度地出現(xiàn)了異構(gòu)化的趨勢。傳送平面的異構(gòu)化來源于交換技術(shù)的不同和設(shè)備制造商的實現(xiàn)技術(shù)不同，控制平面的異構(gòu)化來源于控制技術(shù)的發(fā)展程度不同，管理平面的異構(gòu)化來源于底層資源的表述不同。在目前的多域光網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，子網(wǎng)傳送平面之間可以實現(xiàn)互通，保證光信號在異構(gòu)傳送設(shè)備間順利地收發(fā)。然而，子網(wǎng)間的動態(tài)互通仍不能實現(xiàn)，主要在于異構(gòu)子網(wǎng)控管平面之間不能實現(xiàn)互通[4-5]。

可實現(xiàn)多域光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)互通的典型架構(gòu)主要有集中式的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)（GNMS）[6]和分布式的外部網(wǎng)間接口（E-NNI）管控架構(gòu)[7]。

集中式管控架構(gòu)采用集中控制器通過統(tǒng)一的北向接口連接各個子網(wǎng)的管控平面，從而實現(xiàn)全網(wǎng)集中控制和管理。在該架構(gòu)中，集中控制器知曉全網(wǎng)資源信息，可在最大程度上實現(xiàn)跨域路由優(yōu)化。然而，集中控制器存儲所有子網(wǎng)的資源和業(yè)務(wù)信息，不僅破壞了子網(wǎng)信息私密性，同時向集中控制器同步全網(wǎng)信息也極大增加了控制器負(fù)擔(dān)，限制了網(wǎng)絡(luò)擴展性。此外，由于各子網(wǎng)控管平面的私有接口和信令協(xié)議不同，北向接口開發(fā)的難度大，集中控制器設(shè)計也非常復(fù)雜。

與集中式管控架構(gòu)不同，基于E-NNI的分布式架構(gòu)通過子網(wǎng)間兩兩適配的方式實現(xiàn)互通，有利于網(wǎng)絡(luò)擴展，而采用子網(wǎng)拓?fù)涑橄笥欣诮档妥泳W(wǎng)間交互的信息量。然而，由于不同廠商的域內(nèi)私有信令協(xié)議不同，因此很難定義一個滿足異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)要求的通用域間信令接口，尤其是在多廠商情況下該問題更加顯著。即便E-NNI架構(gòu)可以解決現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)互通問題，也難以保證其同樣適用于未來新出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

為克服上述架構(gòu)的缺陷，解決異構(gòu)光承載網(wǎng)的動態(tài)互通問題，我們在2011年提出了基于域間連接控制單元（ICCE）和路徑計算單元（PCE）的異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)（PIONEER）[8]及其關(guān)鍵技術(shù)[9-12]。PIONEER是一種域內(nèi)集中與域間分布相結(jié)合的管控架構(gòu)。該架構(gòu)在通用域間管控平面中采用統(tǒng)一的域間通信協(xié)議，并引入適配平面消除了不同子網(wǎng)之間的異構(gòu)性，從而能夠在保證良好子網(wǎng)信息私密性和網(wǎng)絡(luò)擴展性的前提下實現(xiàn)異構(gòu)子網(wǎng)互通。2014年，我們基于PIONEER架構(gòu)在商用設(shè)備平臺上實現(xiàn)了全球首次跨3個設(shè)備商路由域的端到端動態(tài)連接建立[13-14]。

1.2 光承載網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的互通

隨著移動通信、寬帶接入、數(shù)據(jù)中心、云計算等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的重要性與日俱增，僅實現(xiàn)核心光承載網(wǎng)的異構(gòu)互通是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了支持端到端數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的動態(tài)按需建立和靈活資源調(diào)度，光承載網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的互通與融合至關(guān)重要且迫在眉睫：離開了光網(wǎng)絡(luò)的大帶寬通道建立，IP數(shù)據(jù)網(wǎng)將面臨高成本、高能耗和擴展性的“瓶頸”；同樣，沒有IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的支持，光網(wǎng)絡(luò)過大的交換粒度將導(dǎo)致其巨大的帶寬資源無法被充分利用，并難以實現(xiàn)業(yè)務(wù)調(diào)度的高實時性和靈活性[15]。

然而，由于基于分組交換的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)和基于電路交換的光承載網(wǎng)的交換機制和組網(wǎng)模式有本質(zhì)不同，二者的動態(tài)互通和統(tǒng)一控制難度非常大，需要面對眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。

近年來，在IP網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域興起的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）概念為解決光承載網(wǎng)與IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的互通融合提供了可行思路。然而，與單一IP網(wǎng)絡(luò)的控制不同，光/包交換統(tǒng)一控制架構(gòu)需要考慮光網(wǎng)絡(luò)物理層的限制，例如光功率、物理損傷、信號可達(dá)性、連接建立速率、可用帶寬、交換粒度等[16]因素。同時，由光網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)建立方式和延時差異導(dǎo)致的業(yè)務(wù)建立和故障恢復(fù)時的協(xié)同控制問題也是需要解決的“瓶頸”問題。已有研究表明，商用光承載網(wǎng)的業(yè)務(wù)建立延時即使在小規(guī)模情況下也將至少達(dá)到幾百毫秒到幾秒量級[13-14]，這對于IP數(shù)據(jù)網(wǎng)來說明顯過高，構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)互通的巨大障礙。

針對上述光網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)互通問題，本文將對我們提出的基于軟件定義光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制架構(gòu)和基于該架構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)資源緩存技術(shù)進(jìn)行介紹分析。

2 基于軟件定義的光/包交換

混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制架構(gòu)

2.1 光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制架構(gòu)

為了將基于IP網(wǎng)絡(luò)的SDN控制架構(gòu)擴展至可支持光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)，我們提出了全新的“超級虛擬路由器”概念。如圖1所示[17]。我們將每一個連通的同構(gòu)或異構(gòu)光承載網(wǎng)視作一個“超級虛擬路由器”，并通過一個支持OpenFlow協(xié)議的虛擬路由器代理與SDN控制器相連。采用這種架構(gòu)，無需對現(xiàn)有基于IP網(wǎng)絡(luò)的SDN架構(gòu)和協(xié)議進(jìn)行本質(zhì)改變或擴充便可實現(xiàn)光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制。同時，該架構(gòu)保留了現(xiàn)有光承載網(wǎng)的控制平面，規(guī)避了SDN控制器對存在物理層限制的光承載網(wǎng)的動態(tài)控制難題。

2.2 網(wǎng)絡(luò)實驗和結(jié)果分析

我們搭建了光/包交換網(wǎng)絡(luò)實驗平臺驗證所提出的基于軟件定義的光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制架構(gòu)。實驗平臺搭建如圖2所示，其包含2個IP路由域和一個光傳送網(wǎng)（OTN）域。其中，IP路由域由盛科V330 OpenFlow交換機和PC終端組成；在OTN域，通過思科商用交換機模擬OTN交換節(jié)點。整個光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)由一個POX開源SDN控制器進(jìn)行集中控制。

在該實驗平臺上，我們實現(xiàn)了從終端2到終端14的FTP業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)的建立，并得到了其平均業(yè)務(wù)延時。我們對延時構(gòu)成進(jìn)行了分段統(tǒng)計（如圖3所示），可以很明顯看到，無論是FTP業(yè)務(wù)還是視頻業(yè)務(wù)，IP域和OTN域之間均存在著巨大的業(yè)務(wù)建立延時差異，后者貢獻(xiàn)了全部端到端延時的絕大部分。為了消除延時差異的負(fù)面影響并實現(xiàn)低延時光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)，我們在所提出的光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制架構(gòu)中引入了光網(wǎng)絡(luò)的資源緩存技術(shù)。

3 核心光承載網(wǎng)的資源緩存

技術(shù)

3.1 光/包交換統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)的資源

緩存

光網(wǎng)絡(luò)資源緩存的概念于2008年被提出，其目的是吸收高強度瞬時業(yè)務(wù)負(fù)載對光網(wǎng)絡(luò)的沖擊[18]。我們將這個概念引入基于軟件定義的光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制架構(gòu)中，以消除IP數(shù)據(jù)網(wǎng)和光承載網(wǎng)之間的巨大業(yè)務(wù)建立延時差異，從而實現(xiàn)快速無縫的業(yè)務(wù)建立。

基于資源緩存的光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)建立如圖4所示。我們利用光網(wǎng)絡(luò)的一小部分資源建立“緩存區(qū)”（其余資源構(gòu)成“負(fù)載區(qū)”），在緩存區(qū)預(yù)先為每個光網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點對（對應(yīng)“超級虛擬路由器”的一組出入端口）建立一定帶寬的固定通道。

當(dāng)IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)請求光網(wǎng)絡(luò)帶寬時，首先利用這些固定通道為其提供臨時連接并傳輸數(shù)據(jù)（圖4（a））。由于該操作不存在建路過程，僅需對原/宿節(jié)點的入/出端口進(jìn)行配置，因此延時很短。與此同時，利用光網(wǎng)絡(luò)控制平面在負(fù)載區(qū)為上述業(yè)務(wù)建立新通道，當(dāng)新通道建立完成后，將緩存區(qū)的臨時連接切換至負(fù)載區(qū)的新通道，完成整個業(yè)務(wù)建立流程（圖4（b））。需要指出的是，由于切換過程不改變光網(wǎng)絡(luò)對IP網(wǎng)絡(luò)端口的配置，因此該過程對SDN控制器而言是不透明的，也就是說，SDN控制器對虛擬路由器和普通路由器的控制不存在本質(zhì)區(qū)別。

如果IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)集中到達(dá)導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)緩存區(qū)無可用資源提供臨時連接，則直接在負(fù)載區(qū)為該IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)建立新通道，這將大大增加端到端業(yè)務(wù)建立延時?？梢?，緩存區(qū)大小的分配對網(wǎng)絡(luò)性能影響十分重大。緩存區(qū)分配過大會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費，而過小會增加業(yè)務(wù)平均建立延時，降低緩存作用。因此，需要建立分析模型確定合適的緩存區(qū)大小。

3.2 緩存命中率（BHR）分析模型

我們定義緩存命中率（BHR）[phit]描述緩存區(qū)的利用效率，它被定義網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在緩存區(qū)成功建立的概率。如果可以推導(dǎo)出[phit]和業(yè)務(wù)到達(dá)率[λ]、服務(wù)率[μ]和緩存區(qū)大小n的解析關(guān)系，便可得到在一定業(yè)務(wù)強度下，滿足BHR下限的最小緩存區(qū)大小。

對于每一個節(jié)點對l，其在緩存區(qū)的業(yè)務(wù)建立過程可以用M/G/n/n Markov排隊模型來描述?？梢宰C明，其系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)概率和M/M/n/n模型相同。我們用[plk]表示節(jié)點對l連續(xù)時間Markov鏈在狀態(tài)k的穩(wěn)態(tài)概率（方程1）。其中，[λl]和[μl]分別表示節(jié)點對l的業(yè)務(wù)到達(dá)率和服務(wù)率。根據(jù)Markov鏈所有狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率和為1（方程2），可得[pl0]的表達(dá)式（方程3），進(jìn)而推得節(jié)點對l的緩存命中率[plhit]（方程4）。全網(wǎng)緩存命中率[phit]可通過[plhit]的數(shù)學(xué)期望求得（方程5），其中，L和p（l）分別表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點對的數(shù)量以及業(yè)務(wù)出現(xiàn)在節(jié)點對l的概率。如果業(yè)務(wù)均勻分布在各個節(jié)點對，則p（l）=L-1，且各節(jié)點對的到達(dá)率相同為[λ]。

3.3 性能仿真及分析

我們對采用了資源緩存技術(shù)的光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制架構(gòu)的性能進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真，并與理論結(jié)果進(jìn)行了對比。仿真采用14節(jié)點NSFNET拓?fù)?，同時假定所有IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)均為GbE業(yè)務(wù)（在光承載網(wǎng)中映射為ODU0），符合泊松過程，并均勻分布在各個節(jié)點對。緩存區(qū)的大小設(shè)定為ODU0的整數(shù)倍。負(fù)載區(qū)的連接建立時間由實際信令傳輸延時、路徑計算時間、節(jié)點處理時間以及開關(guān)配置時間組成，后三者設(shè)備參數(shù)分別設(shè)置為1 ms、200 ms和5 ms[13]。

圖5對比了緩存區(qū)大小為1（ODU0）時緩存命中率的仿真與理論值?？梢钥吹?，由3.2節(jié)的BHR模型計算得到的理論值和仿真結(jié)果的吻合度相當(dāng)高。當(dāng)業(yè)務(wù)強度增加時，BHR值明顯減小，此時需要增加緩存區(qū)大小以獲得更高的緩存命中率。

圖6統(tǒng)計了采用和不采用資源緩存技術(shù)時，端到端業(yè)務(wù)建立延時的分布?？梢钥吹剑Y源緩存技術(shù)顯著降低了業(yè)務(wù)建立延時，且低延時業(yè)務(wù)的比例隨著緩存區(qū)增大而提高。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化包含多層次的含義，即包括核心光承載網(wǎng)的異構(gòu)化也包括光承載網(wǎng)與IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的異構(gòu)化。解決網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)互通問題是一個循序漸進(jìn)的過程。目前，核心光承載網(wǎng)異構(gòu)互通的解決方案和關(guān)鍵技術(shù)逐漸成熟，然而，由于交換機制的不同，IP數(shù)據(jù)網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)互通難度非常大，目前尚未解決。本文圍繞光承載網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的互通問題展開論述，并對我們提出的基于軟件定義光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制架構(gòu)進(jìn)行了介紹，并且實現(xiàn)了IP數(shù)據(jù)網(wǎng)和光承載網(wǎng)控制的無縫融合。此外，本文還介紹了基于統(tǒng)一控制架構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)資源緩存技術(shù)，極大的降低了光/包交換混合網(wǎng)絡(luò)的端到端業(yè)務(wù)建立延時。

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