盧曌，高興平（中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計院有限公司，西安 710119）

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基于SDN的傳送網(wǎng)政企專線解決方案研究

盧曌，高興平
（中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計院有限公司，西安 710119）

本文分析了目前政企專線業(yè)務(wù)面臨的問題，結(jié)合SDN思想和體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了以虛擬化光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的SDN政企專線解決方案，并深度解析了方案中應(yīng)用層通信、資源池映射和業(yè)務(wù)映射路由策略這3大關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，為SDN專線業(yè)務(wù)提供了清晰透徹的研究思路和行之有效的建設(shè)方案。

政企專線；SDN；虛擬光網(wǎng)絡(luò)；資源池；業(yè)務(wù)映射路由

1 目前政企專線面臨的問題

目前，政企專線業(yè)務(wù)主要通過兩種方式承載，一種是接入網(wǎng)+IP城域網(wǎng)方式，這種方式接入便捷，造價低廉，適應(yīng)政企上網(wǎng)或普通企業(yè)內(nèi)部的VPN業(yè)務(wù)；另一種方式采用傳送網(wǎng)承載，由OTN、MSTP、IP RAN/PTN和裸光纖等系統(tǒng)提供傳輸通道，在網(wǎng)絡(luò)/信息安全性、傳送實(shí)時性和保護(hù)倒換時間等方面都具有較為完備質(zhì)量保障，能夠滿足政府、銀行、金融、公安、政法等高端業(yè)務(wù)的高品質(zhì)傳送要求；這類專線也是本文的研究目標(biāo)。

雖然傳送網(wǎng)專線具有一定的質(zhì)量保障措施，但隨著政企帶寬從10～100 Mbit/s級別向10吉比特以太網(wǎng)跨越，電子商務(wù)/金融、網(wǎng)絡(luò)游戲等業(yè)務(wù)廣泛普及，以及高端客戶對業(yè)務(wù)管理、帶寬配置和響應(yīng)速度的要求不斷提高，現(xiàn)有專線方案已經(jīng)體現(xiàn)出了諸多不足，具體如下。

（1）人工配置業(yè)務(wù)，效率低下；難以滿足頻繁的業(yè)務(wù)擴(kuò)容和路徑調(diào)整的要求。

（2）對于跨地市、跨省專線，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和資源使用情況復(fù)雜，業(yè)務(wù)配置難度大；且需多廠家網(wǎng)管協(xié)調(diào)配置，操作繁瑣，實(shí)現(xiàn)周期過長。

（3）專線經(jīng)營、管理的各環(huán)節(jié)都采用固定模式，面對層出不窮的新業(yè)務(wù)和實(shí)時調(diào)整的帶寬需求，很難做到及時反饋。

（5）雖然現(xiàn)網(wǎng)部分設(shè)備具備QoS能力，但大多未配置控制平面，缺乏全網(wǎng)資源調(diào)度，難以根本解決路由擁塞、路徑劣化等問題。

2 基于SDN的傳送網(wǎng)專線功能架構(gòu)

在傳送網(wǎng)中引入SDN體系，能夠有效解決上述問題。SDN網(wǎng)絡(luò)具備用戶自主帶寬/功能設(shè)定、自動路由/鏈接配置、網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)調(diào)整等功能，可以大幅度提高網(wǎng)管集中控制能力和效率，快速靈活的調(diào)配全網(wǎng)資源，從而提供安全、可靠、便捷、靈活的傳輸通道，滿足政企客戶的個性化和感知度要求。

SDN專線以虛擬化光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為核心，其功能結(jié)構(gòu)與SDN理論體系的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1　虛擬化光網(wǎng)絡(luò)與SDN理論體系對應(yīng)關(guān)系示意圖

虛擬化光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的管理層等效于SDN的應(yīng)用層，可以采用通用語言實(shí)現(xiàn)用戶自主編程，并通過開放的北向接口與下層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換，完成企業(yè)客戶帶寬實(shí)時調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)個性化建立、專網(wǎng)/專線視圖呈現(xiàn)和其它業(yè)務(wù)創(chuàng)新等管理、輸入和控制功能。

虛擬化光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬層對應(yīng)SDN的控制層，可以細(xì)分為虛擬資源池和虛擬光網(wǎng)絡(luò)（VON）兩個子層；虛擬資源池根據(jù)虛擬策略，從實(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)中選取滿足建網(wǎng)限制條件資源集合，作為構(gòu)建VON的基礎(chǔ)；而VON由用戶要求、路由策略和流量工程等因素共同驅(qū)動，選用資源池內(nèi)的節(jié)點(diǎn)、路由和帶寬等資源，生成虛擬光網(wǎng)絡(luò)。該層面根據(jù)應(yīng)用層要求，制定相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置策略，設(shè)置物理網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)參數(shù)和鏈接，實(shí)現(xiàn)路由選擇和業(yè)務(wù)端到端發(fā)放，是整個系統(tǒng)傳輸質(zhì)量、資源利用率和響應(yīng)速度的關(guān)鍵。

虛擬化光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物理層對于SDN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層，包括網(wǎng)絡(luò)管理控制設(shè)備和物理網(wǎng)絡(luò)兩部分，其中網(wǎng)絡(luò)管理控制設(shè)備由統(tǒng)一控制器和各個子網(wǎng)的網(wǎng)管系統(tǒng)組成，各網(wǎng)管將其所轄物理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備接口、帶寬資源和波道配置等具體細(xì)節(jié)輸出至統(tǒng)一控制器，由統(tǒng)一控制器進(jìn)行匯總和抽象，為虛擬資源池提供信息。物理網(wǎng)絡(luò)則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接距離、帶寬和結(jié)構(gòu)等要素配置物理信道參數(shù)，例如頻譜帶寬、編碼格式、傳輸速率、電域帶寬等，是實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)功能最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。

3 業(yè)務(wù)流程和專線實(shí)現(xiàn)方式

相對傳統(tǒng)政企專線業(yè)務(wù)流程，特別是政法、公安等跨省市的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，SDN專線實(shí)現(xiàn)起來更加快捷、便利，更加貼近用戶，可以大幅縮減業(yè)務(wù)開通時間，提高運(yùn)維效率，同時選擇恰當(dāng)?shù)氖諗考奥酚煞椒ǎ部梢院芎玫恼J(rèn)證網(wǎng)絡(luò)QoS，滿足用戶傳輸質(zhì)量和運(yùn)營商開展智能管道的要求。具體業(yè)務(wù)流程對比如圖2所示。

圖2　傳統(tǒng)和SDN專線業(yè)務(wù)流程對比示意圖

實(shí)現(xiàn)SDN專線一般可以分為6步，具體如下。

（1）政企客戶通過應(yīng)用層寫入對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、帶寬需求和業(yè)務(wù)管理等要求。

（2）應(yīng)用層服務(wù)器選擇相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，通過北向接口將用戶信息傳送給控制層。

（3）控制層將相應(yīng)信息通知物理層的統(tǒng)一控制器，由其收集物理層信息，反饋給控制層。

（4）根據(jù)統(tǒng)一控制器的信息，控制層進(jìn)行資源抽象，根據(jù)限制條件和相關(guān)算法形成資源池。

（5）綜合考慮用戶要求、路由策略和流量工程等因素，控制層在資源池的基礎(chǔ)上進(jìn)行VON映射，形成虛擬網(wǎng)絡(luò)。

（6）上報應(yīng)用層，滿足用戶要求則完成連接；不滿足用戶則調(diào)整資源池，重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)映射。

4 關(guān)鍵技術(shù)解析

實(shí)現(xiàn)基于SDN的傳送網(wǎng)政企專線涉及3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分別是應(yīng)用層通信、資源池收斂、業(yè)務(wù)映射路由，后兩者結(jié)合起來稱為光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)。在專線建設(shè)過程中，這3項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。

4.1 應(yīng)用層通信

應(yīng)用層操作系統(tǒng)一般設(shè)置在用戶側(cè)，控制層設(shè)備一般設(shè)置在運(yùn)營商機(jī)房，二者使用的操作系統(tǒng)、語言類型等軟件環(huán)境難以統(tǒng)一，故而通信過程中需要屏蔽下層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式。

在目前的各類主流通信方式中，Web Service操作界面統(tǒng)一、簡便，將服務(wù)直接提供給終端，不必關(guān)心具體的實(shí)施細(xì)節(jié)，可滿足的通信應(yīng)用層和控制層之間的通信要求；同時相對于RMI、DOCM、CORBA等方式，Web Service具備異構(gòu)平臺的互通性、廣泛的軟件復(fù)用能力和普適的通信能力等優(yōu)勢，更能夠適應(yīng)政企業(yè)務(wù)靈活、多變，所處環(huán)境各異的特點(diǎn)；加之該技術(shù)已經(jīng)廣泛普及，便于用戶學(xué)習(xí)和使用，因此適宜作為當(dāng)前應(yīng)用層通信的主流技術(shù)。

圖3　SDN專線關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式示意圖

4.2 資源池收斂

對于專線來說，在全網(wǎng)中選擇業(yè)務(wù)通道的范圍太大，路由計算極為復(fù)雜，且很多路由過于迂回，根本不具備可實(shí)施性；因此可以根據(jù)用戶要求和網(wǎng)絡(luò)情況，設(shè)置一定的限制因素，選擇滿足要求的資源集合作為資源池，以之為基礎(chǔ)進(jìn)行專線建設(shè)。

資源池收斂包括節(jié)點(diǎn)和鏈路收斂兩部分內(nèi)容。節(jié)點(diǎn)收斂用來匹配用戶的收發(fā)信節(jié)點(diǎn)，限制條件包括節(jié)點(diǎn)位置、交叉時隙、接口資源、波道配置等因素。當(dāng)單一節(jié)點(diǎn)資源不能滿足業(yè)務(wù)需求時，可以虛擬合并臨近資源，抽象為同一節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際操作中，宜選用“貪心算法”（即在對問題求解時，總是做出當(dāng)前最好的選擇；并不考慮整體最優(yōu)，是某種意義上的局部最優(yōu)解）進(jìn)行映射，選擇最具備優(yōu)勢的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匹配，從而劃定網(wǎng)絡(luò)范圍，直接限制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

鏈路收斂負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)專線拓?fù)潢P(guān)系集合，并保證虛鏈路請求的帶寬資源得到滿足。不同于節(jié)點(diǎn)映射，資源池和最終結(jié)構(gòu)基本一致；而鏈路的可選范圍很多，限制條件包括衰耗、色散、路徑跳數(shù)、時延等因素，其中時延表達(dá)專線質(zhì)量最為直觀，因此，我們可以限定時延門限，通過KSP算法（基于Dijkstra的最短路徑算法；用于計算一個節(jié)點(diǎn)到其它所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑，主要特點(diǎn)是以起始點(diǎn)為中心向外層擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止），框選滿足條件的路徑，形成路徑資源池。需要注意的是，為了便于資源調(diào)度，優(yōu)化全網(wǎng)性能，同一專線可以拆分為多條鏈路，映射到不同的物理路徑上，從而實(shí)現(xiàn)資源靈活分配，避免鏈路過載、擁塞等情況，但這種多徑傳輸?shù)姆绞叫枰O(shè)置時延差閾值，以滿足系統(tǒng)要求，保證傳輸質(zhì)量。

在實(shí)際組網(wǎng)中，用戶就近接入臨近局站，途經(jīng)的節(jié)點(diǎn)資源可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以區(qū)縣或鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位進(jìn)行收斂。鏈路收斂可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)要求，將節(jié)點(diǎn)間鏈路組合成不同的單元，需要注意的是各單元之間需要區(qū)分實(shí)際物理路徑是否相同，以滿足設(shè)置業(yè)務(wù)保護(hù)的需要。

4.3 業(yè)務(wù)映射路由策略

目前政企業(yè)務(wù)IP化的方向已經(jīng)明確，業(yè)務(wù)流量在信息化潮流中飛速增長，為了降低信道造價，用戶需要對電路需求進(jìn)行精細(xì)化管理；這就使帶寬配置變得實(shí)時可變，而帶寬需求起伏不定會造成網(wǎng)絡(luò)流量頻繁波動，使部分區(qū)域流量過載，形成擁塞；而另一些區(qū)域卻資源閑置，帶寬充裕。因此，在選擇業(yè)務(wù)映射路由時，不僅要針對個體用戶考慮傳輸距離、路徑跳數(shù)、鏈路帶寬等建設(shè)要點(diǎn)，還要站在全局角度統(tǒng)籌資源配置，避免顧此失彼，使各類業(yè)務(wù)需求得到統(tǒng)一調(diào)度，滿足智能管理和QoS的要求。

業(yè)務(wù)路由映射由SDN控制層實(shí)現(xiàn)，控制層的建設(shè)理念主要包括PureSDN/Openflow和SDN+PCE兩種，PureSDN/Openflow的核心思想是建立標(biāo)準(zhǔn)的控制平面，控制平面與數(shù)據(jù)平面分離；可以從根本上解決光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、靈活性和平滑升級的問題。然而，目前的傳送網(wǎng)多種技術(shù)體制并存，各個本地傳輸網(wǎng)和傳輸干線也都相對獨(dú)立建設(shè)，造成各個網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)建設(shè)、資源配置、路由計算和連接控制等方面形形色色、千差萬別。因此，在SDN控制器選擇方面應(yīng)重點(diǎn)考慮兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和域間信息屏蔽性的要求，而SDN+PCE的路由方式基于GMPLS控制平面，適應(yīng)各類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的域間通信，相對于PureSDN/Openflow更適合網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)，因此在現(xiàn)階段宜采用SDN+PCE方式承載政企業(yè)務(wù)。

為提高傳輸質(zhì)量，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和鏈路劣化，可以對SDN+PCE結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，加入擁塞避免路徑計算模塊（CA-RCE，主要作用是收集擁塞信息，與CE和PCC交互，更新可用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，協(xié)同PCC計算業(yè)務(wù)路徑）和擁塞評估模塊（CE，主要作用是實(shí)時更新并評估網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，設(shè)置擁塞閥值，向CA-RCE發(fā)送網(wǎng)絡(luò)擁塞信息），通過設(shè)置擁塞閾值，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)動態(tài)業(yè)務(wù)流量均衡，具體擴(kuò)展結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4　PCE擴(kuò)展結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程示意圖

該擴(kuò)展結(jié)構(gòu)具備業(yè)務(wù)帶寬多路徑分配、流量工程和QoS，可以實(shí)現(xiàn)帶寬自動調(diào)整，擁塞/鏈路劣化自動選路，網(wǎng)絡(luò)平面自動調(diào)度的功能。具體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)步驟如下。

（1）CC收到業(yè)務(wù)連接請求，轉(zhuǎn)發(fā)給PCC和CA -RCE，計算網(wǎng)絡(luò)擁塞概率，交由CE評估。

（2）同時OSPF-TE（基于流量工程的開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議）收集全網(wǎng)擁塞信息，上報給CE，作為設(shè)置閾值的參考；CE根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況設(shè)置相應(yīng)閥值，并對CA-RCE輸入信息進(jìn)行評估，完成后更新數(shù)據(jù)庫，把超過閾值的節(jié)點(diǎn)或鏈路列表發(fā)送給CA-RCE 。

（3）CA-RCE收到列表后，更新虛擬拓?fù)?，為連接請求計算路徑。

（4）CA-RCE將計算得到的路徑返回給CC，信令協(xié)議RSVP-TE（基于流量工程的資源預(yù)留協(xié)議）從源節(jié)點(diǎn)開始，逐跳為該連接預(yù)留資源。

（5）若所選鏈路此時具備足夠的傳輸資源，則業(yè)務(wù)連接建立，否則業(yè)務(wù)被阻塞，重新開始計算。

5 物理層可編程模塊分析

不同于數(shù)據(jù)網(wǎng)，光網(wǎng)絡(luò)中波長配置、信號速率、頻譜連續(xù)度、光纖損耗等諸多參數(shù)在實(shí)際傳輸系統(tǒng)中相互聯(lián)系、相互制約，使得光網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)度實(shí)現(xiàn)起來更為復(fù)雜，為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的趨勢，物理層靈活可調(diào)逐步成為研究熱點(diǎn)。

目前，數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的廣泛應(yīng)用為光層和軟件定義網(wǎng)絡(luò)搭建了一座橋梁，通過這座橋梁，上層建網(wǎng)思想和光層物理參數(shù)能夠緊密銜接，傳輸系統(tǒng)動態(tài)可調(diào)的概念也得以落實(shí)，更加適應(yīng)未來政企客戶帶寬和業(yè)務(wù)方向動態(tài)可變的特點(diǎn)。分析設(shè)備結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)可編程模塊主要應(yīng)用在光收/發(fā)信機(jī)、光濾波器、光域交叉和電域交叉4個方面，其網(wǎng)絡(luò)功能要求和作用具體如下。

可編程光收/發(fā)信機(jī)的成熟形態(tài)應(yīng)采用通用硬件結(jié)構(gòu)，通過DSP和軟件定義光模塊技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)傳輸距離、非線性效應(yīng)和信噪比要求等限制因素，選擇和調(diào)整相應(yīng)的傳輸速率、調(diào)制格式、前向糾錯編碼方式和子載波數(shù)目等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)邏輯系統(tǒng)與實(shí)際工程的最佳匹配，提高傳輸質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)靈活性和業(yè)務(wù)變化的耐受能力。

超100 Gbit/s系統(tǒng)和靈活頻譜光網(wǎng)絡(luò)的提出和逐步試用，打破了傳統(tǒng)波長按照50/100 GHz通道間隔劃分的傳統(tǒng)。濾波器可以根據(jù)實(shí)際需要，對頻譜柵格寬度和濾波形狀進(jìn)行編程，根據(jù)ITU-T G.694.1要求，柵格寬度以12.5 GHz為最小顆粒，按其倍數(shù)配置實(shí)際濾波帶寬。

為適應(yīng)業(yè)務(wù)和運(yùn)維要求，可編程的光交換節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備方向無關(guān)、波長無關(guān)、競爭無關(guān)和柵格無關(guān)等特征的高度可重構(gòu)結(jié)構(gòu)。光交叉矩陣基于濾波集成組件技術(shù)，支持網(wǎng)絡(luò)中不同間隔和碼型信號的靈活交叉處理，同時具備光通道功率控制和色散控制能力。該結(jié)構(gòu)可支持全光匯聚與疏導(dǎo)，為實(shí)現(xiàn)高效頻譜利用、靈活的光路配置和便捷的帶寬管理提供了有力的技術(shù)支撐。

可編程的電交叉節(jié)點(diǎn)需要對信號進(jìn)行3R處理，主要完成靈活的電域調(diào)度和封裝映射功能。為配合波分系統(tǒng)中靈活頻譜柵格技術(shù)的推廣，ITU-T 6.709標(biāo)準(zhǔn)引入了ODUflex功能，可以實(shí)現(xiàn)各類顆粒業(yè)務(wù)的靈活映射，同時通過ODUflex和ODUCn功能，可以實(shí)現(xiàn)映射容器大小可編程。在交叉連接方面，電交叉節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由策略選擇連接方向，根據(jù)流量工程要求配置鏈路和節(jié)點(diǎn)資源，配合控制平面完成業(yè)務(wù)連接和網(wǎng)絡(luò)搭建。

6 SDN傳輸專線展望

隨著”大數(shù)據(jù)”和“互聯(lián)網(wǎng)+”逐步融入各行各業(yè)，社會全面信息化的速度明顯加快，各企事業(yè)單位內(nèi)部及其之間的信息交互愈加頻繁，流量起伏和流向變化難以規(guī)律性描述；而基于SDN的傳輸專線應(yīng)運(yùn)而生，切合生產(chǎn)生活深度信息化的趨勢，能夠快捷、方便的提供安全可靠、質(zhì)量穩(wěn)定的信息通道，起到提高溝通效率和資源利用率的效果，成為高品質(zhì)專線業(yè)務(wù)有力的技術(shù)支撐，在未來必將獲廣泛應(yīng)用，并體現(xiàn)出卓越的市場價值。

Based on the transport network of SDN business services for enterprise solution for research

LU Zhao， GAO Xing-ping
（China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.， Ltd.， Xi’an 710119， China）

In this paper， analysis of the current business services for enterprise and government are faced with the problem， combining with the characteristics of SDN thought and system structure， put forward to SDN enterprise virtualization optical network technology as the core line solution， and in depth analysis of the program implementation application-layer communications， resource pools mapping， and service mapping routing policies of the three key technologies， provides a clear thorough study SDN special business ideas and effective construction plan.

business services for enterprise and government； SDN； virtual optical networks； resource pool； business mapping routing

TN929.5

A

1008-5599（2016）06-0080-05

2016-01-05