□ 文 范清棟 王克銓 陳國(guó)信 曾秋輝 陳 兢

1 GPON存在的問題

目前，寬帶運(yùn)營(yíng)的方式主要以帶寬出租為主，這種粗放的運(yùn)營(yíng)方式既無法提供高附加值的增值業(yè)務(wù)，也無法進(jìn)行端到端的差異化運(yùn)營(yíng)，更無法滿足用戶在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、業(yè)務(wù)體驗(yàn)等方面的需求，主要問題如下：

（1）GPON組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備部署分散，類型繁多，業(yè)務(wù)與BAIS、OLT、MDU等設(shè)備強(qiáng)耦合，導(dǎo)致了用戶無法快速接入、故障無法快速定位、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本高等問題。

（2）GPON作為寬帶接入網(wǎng)，與骨干網(wǎng)扁平化和融合程度不足，網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換復(fù)雜，傳輸效率低下，缺乏統(tǒng)一的資源管控和調(diào)度能力。

（3）GPON對(duì)大流量、高保障等業(yè)務(wù)承載能力弱，缺少有效的端到端QoS保障機(jī)制?，F(xiàn)有QoS機(jī)制各自為陣，沒有將接入網(wǎng)和城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)無縫的銜接起來。

（4）GPON在業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)方面自動(dòng)化程度不足，需大量人力物力支撐，運(yùn)營(yíng)成本高，操作周期長(zhǎng)，用戶體驗(yàn)差。

（5）GPON設(shè)備量大，分布廣，能耗高，對(duì)運(yùn)營(yíng)商降本增效形成巨大挑戰(zhàn)。

鑒于以上問題，亟待一種手段突破技術(shù)瓶頸，解決GPON面臨的帶寬利用率低、業(yè)務(wù)體驗(yàn)差、部署低效、運(yùn)維復(fù)雜等問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)熱點(diǎn)的協(xié)同，提升網(wǎng)絡(luò)效率和用戶滿意度。

2 SDN技術(shù)特點(diǎn)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SDN）是一種比較先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化方式，是下一代網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的一個(gè)重要方向。它通過將網(wǎng)絡(luò)抽象化，將網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行分離，同時(shí)面向應(yīng)用層提供開放的軟件接口，支撐應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程。此外，SDN通過硬件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，擺脫了對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，使控制策略具備全局視角，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)更加高效。SDN技術(shù)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、虛擬靈活、共享開放、全局管控等特點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、部署和管理帶來了極大的靈活性和便捷性，有效解決了新業(yè)務(wù)接入、網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)營(yíng)支撐等問題。SDN應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

SDN技術(shù)特點(diǎn)歸納如下：

（1）敏捷高效——通過集中控制平面進(jìn)行業(yè)務(wù)的統(tǒng)一配置和管理，使新業(yè)務(wù)開發(fā)、上線和迭代更加便捷，業(yè)務(wù)發(fā)布周期大幅縮短；此外，轉(zhuǎn)發(fā)和控制的分離也使得業(yè)務(wù)變更更容易實(shí)現(xiàn)，業(yè)務(wù)部署更加靈活，開發(fā)、運(yùn)維和采購成本也因此大幅降低。

圖1 SDN應(yīng)用架構(gòu)

（2）彈性運(yùn)營(yíng)——由應(yīng)用驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)配置，為精細(xì)化流量運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)大容量資源的邊緣接入、差分服務(wù)以及快速轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）智能管控——借助網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)（NFV）提供的資源擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的即時(shí)采集和分析，并通過對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變更策略，按照不同的忙閑時(shí)段，自動(dòng)開閉網(wǎng)元和鏈路，大大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本。

（4）簡(jiǎn)化運(yùn)維——通過提供橫向、縱向虛擬化技術(shù)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥壿嫞瑫r(shí)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的OSPF、BGP、MPLS等協(xié)議擬合為一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，極大地降低運(yùn)維難度。

（5）開放共享——轉(zhuǎn)發(fā)平面與應(yīng)用接口協(xié)議的開放和共享，使SDN具備了縱向編程和橫向聯(lián)動(dòng)能力，用戶不僅可以通過控制器對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行配置，還可以根據(jù)需求進(jìn)行定制開發(fā)，這將大大促進(jìn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新，提升用戶體驗(yàn)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SDN）是一種比較先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化方式，是下一代網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的一個(gè)重要方向。

3 應(yīng)用SDN改造GPON

通過SDN控制器、配置代理等方法將不同架構(gòu)的GPON設(shè)備虛擬化，并將設(shè)備管理、業(yè)務(wù)編排等功能統(tǒng)一集中運(yùn)行在管理服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備配置、資源管理、數(shù)據(jù)采集等設(shè)備管理功能，和業(yè)務(wù)調(diào)度、業(yè)務(wù)配置等業(yè)務(wù)管理功能的“雙集中”，將現(xiàn)有GPON網(wǎng)絡(luò)改造成為一張彈性、敏捷、智能的寬帶網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低硬件成本，主要步驟如下：

3.1 OLT功能虛擬化

（1）實(shí)現(xiàn)單臺(tái)OLT設(shè)備的虛擬化。應(yīng)用NFV方法，將OLT主控板的控制功能移植到X86服務(wù)器上運(yùn)行，用專用軟件模擬主控板，用白盒交換機(jī)模擬交換板，從而將OLT拆分成多個(gè)功能模塊，然后通過SDN虛擬化技術(shù)，將L4-L7層功能交由控制器及網(wǎng)絡(luò)編排層實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)OLT的控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，涉及到的功能模塊包括：ONU綁定和認(rèn)證、OAM、用戶VLAN配置、SIPALG功能、DHCP Ser/Relay功能、IGMP代理功能、路由收斂功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能、DPI檢測(cè)功能等。

圖2 GPON基于SDN技術(shù)的演進(jìn)架構(gòu)

（2）實(shí)現(xiàn)OLT設(shè)備的“多對(duì)一”和“一對(duì)多”虛擬。在接入域設(shè)置接入控制器vOLT，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，將物理設(shè)備邏輯虛擬成多臺(tái)設(shè)備，并通過多視圖技術(shù)，對(duì)物理OLT實(shí)現(xiàn)集中控制，從而達(dá)到滿足客戶對(duì)資源差異化需求的目的。

（3）在OLT流量轉(zhuǎn)發(fā)方面，可通過Openflow機(jī)制，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)路徑、Qos等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，并根據(jù)流表，實(shí)現(xiàn)二層MAC轉(zhuǎn)發(fā)和三層路由轉(zhuǎn)發(fā)。在ODN側(cè)的業(yè)務(wù)接入方面，可通過SDO技術(shù)，根據(jù)OLT所分布的網(wǎng)格，對(duì)PMD、PHY、波長(zhǎng)進(jìn)行軟件定義，并實(shí)現(xiàn)MAC層和物理層資源的編程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖資源的充分利用。此外，還可以在現(xiàn)有DBA技術(shù)上，進(jìn)行PON口光功率和碼率調(diào)整，以便滿足業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的差異化需求。

（4）在網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化方面，可通過OLT直連BAIS的方式，并通過vOLT集中控制的方式，減少網(wǎng)絡(luò)層次和邏輯結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)扁平化，提升維護(hù)效率。

3.2 引入虛擬ONU

實(shí)現(xiàn)ONU虛擬化，并將vOLT作為vONU的集中控制器，從而建立從OLT直達(dá)用戶的邏輯管道，達(dá)到管控用戶通過ONU實(shí)現(xiàn)接入的目的，具體包括兩種方式：

（1）代理控制方式。vONU統(tǒng)一按照FTTH的方式接入OLT代理，vONU用戶業(yè)務(wù)的VLAN、GEM-PORT等參數(shù)規(guī)劃和業(yè)務(wù)開通流程應(yīng)全歸一化為FTTH方式，這樣將大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（2）直接控制方式。由控制器直接控制MDU、ONT等設(shè)備，vONU通過去除單個(gè)MDU、ONT的帶寬收斂、數(shù)據(jù)交換等特性，將這些功能交由vOLT統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，由vOLT統(tǒng)一處理不同MDU、ONT之間的資源競(jìng)爭(zhēng)。該方法解決了MDU、ONT等設(shè)備缺少帶外控制通道和冗余連接的問題，但可能因MDU、ONT等設(shè)備數(shù)量龐大造成對(duì)網(wǎng)絡(luò)效率和控制器處理性能的影響。

3.3 搭建GPON網(wǎng)絡(luò)SDN四層架構(gòu)

按照SDN四層架構(gòu)重新架構(gòu)GPON網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

各層的功能特性如下：

（1）應(yīng)用層

應(yīng)用層利用北向接口開放的API開發(fā)程序，進(jìn)行業(yè)務(wù)發(fā)放。需要說明的是：一個(gè)物理接入設(shè)備可以同時(shí)存在多個(gè)OTT網(wǎng)絡(luò)，某用戶在某一時(shí)刻可以同時(shí)訪問不同的OTT網(wǎng)絡(luò)，所以數(shù)據(jù)平面的物理設(shè)備要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和可編程能力，支持不同的OTT網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行快速的業(yè)務(wù)分發(fā)、業(yè)務(wù)隔離等功能，同時(shí)支持OTT業(yè)務(wù)資源的靈活部署和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，并兼顧公平性。

（2）協(xié)同層

協(xié)同層主要作用是業(yè)務(wù)編排和協(xié)同，向應(yīng)用層提供API程序開發(fā)接口，并支持接入網(wǎng)業(yè)務(wù)抽象和跨域協(xié)同，同時(shí)按照業(yè)務(wù)功能和性能要求組建邏輯業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。此外，協(xié)同層需要在將基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)功能和資源虛擬化后，基于不同的OTT應(yīng)用開發(fā)API，制訂差異化業(yè)務(wù)策略，組建和創(chuàng)新邏輯業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，支持客戶的按需使用和快速響應(yīng)。在接入網(wǎng)與城域網(wǎng)之間，協(xié)同層通過解耦業(yè)務(wù)和物理網(wǎng)絡(luò)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用和個(gè)性化編程提供統(tǒng)一平臺(tái)。

（3）控制層

控制層是SDN技術(shù)架構(gòu)的核心，它通過屏蔽接入設(shè)備的參數(shù)、功能、性能等技術(shù)差異，將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象和虛擬，形成標(biāo)準(zhǔn)的開放架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)模型，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)全局管理和對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)平面設(shè)備的統(tǒng)一控制。它支持協(xié)同層中各業(yè)務(wù)模塊的設(shè)置和調(diào)整要求，為協(xié)同層提供網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹①Y源狀態(tài)等服務(wù)，它也支持協(xié)同層不同OTT業(yè)務(wù)的并發(fā)需求以及對(duì)資源和功能的靈活劃分和調(diào)度，能夠?qū)⒉煌倪壿嫹制m配給不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用和客戶。北向接口作用是與上層應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和提供支撐，南向接口使用Open Flow協(xié)議，作用是通過流表機(jī)制，控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，用于控制轉(zhuǎn)發(fā)平面的轉(zhuǎn)發(fā)行為和資源調(diào)度。

（4）轉(zhuǎn)發(fā)層

轉(zhuǎn)發(fā)層主要作用對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行感知、調(diào)度和監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)MAC尋址、以太轉(zhuǎn)發(fā)以及本地維護(hù)功能，轉(zhuǎn)發(fā)平面的設(shè)備接收上層的指令并依據(jù)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在GPON中，業(yè)務(wù)將在轉(zhuǎn)發(fā)層中被分發(fā)和傳輸，用戶對(duì)資源的訪問也將以最短路徑和最短時(shí)間實(shí)現(xiàn)。

圖3 基于SDN技術(shù)的集中管控和運(yùn)維機(jī)制

SDN技術(shù)或?qū)⒁l(fā)下一次互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革命，為未來的GPON網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來無限可能

3.4 建立端到端集中管控和運(yùn)維機(jī)制

基于SDN虛擬技術(shù)，將GPON接入網(wǎng)和城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)進(jìn)行融合，不僅建立端到端的轉(zhuǎn)發(fā)路徑和管控機(jī)制，也避免了多次協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)整體的統(tǒng)一管理和端到端的QoS保障機(jī)制，使得網(wǎng)絡(luò)變得更加可視化、可評(píng)估、可預(yù)測(cè)，如圖3所示。在流量調(diào)度方面，通過基于對(duì)業(yè)務(wù)熱點(diǎn)、用戶偏好以及網(wǎng)絡(luò)狀況的深度監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確掌控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的集中管理和分配，形成全局視角下的流量調(diào)度策略。此外，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維方面，通過可視化界面，運(yùn)維人員可以直觀的評(píng)估網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維、資源調(diào)度、QoS保證、節(jié)能環(huán)保、第三方調(diào)用等方面，可實(shí)現(xiàn)更加靈活、更加多元地操作和配置。

4 結(jié)束語

SDN技術(shù)是電信網(wǎng)絡(luò)未來演進(jìn)的一個(gè)重要方向，它必將重新定義GPON網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，這有助于突破GPON接入網(wǎng)設(shè)備通用性不足、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力弱、運(yùn)維難度大等問題的制約?；赟DN的GPON網(wǎng)絡(luò)也必將具備跨層的全網(wǎng)視野，這使其能夠快速調(diào)度全網(wǎng)資源，集中控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可編程、可管控和業(yè)務(wù)的自動(dòng)部署。從這個(gè)角度上說，SDN技術(shù)或?qū)⒁l(fā)下一次互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革命，為未來的GPON網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來無限可能?！?/p>