基于SDN的傳送網政企專線解決方案研究

盧曌，高興平（中國通信建設集團設計院有限公司，西安 710119）

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基于SDN的傳送網政企專線解決方案研究

盧曌，高興平
（中國通信建設集團設計院有限公司，西安 710119）

本文分析了目前政企專線業(yè)務面臨的問題，結合SDN思想和體系結構特點，提出了以虛擬化光網絡技術為核心的SDN政企專線解決方案，并深度解析了方案中應用層通信、資源池映射和業(yè)務映射路由策略這3大關鍵技術的實現(xiàn)方式，為SDN專線業(yè)務提供了清晰透徹的研究思路和行之有效的建設方案。

政企專線；SDN；虛擬光網絡；資源池；業(yè)務映射路由

1 目前政企專線面臨的問題

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

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

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

（2）對于跨地市、跨省專線，網絡結構和資源使用情況復雜，業(yè)務配置難度大；且需多廠家網管協(xié)調配置，操作繁瑣，實現(xiàn)周期過長。

（3）專線經營、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)務和實時調整的帶寬需求，很難做到及時反饋。

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

2 基于SDN的傳送網專線功能架構

在傳送網中引入SDN體系，能夠有效解決上述問題。SDN網絡具備用戶自主帶寬/功能設定、自動路由/鏈接配置、網絡資源動態(tài)調整等功能，可以大幅度提高網管集中控制能力和效率，快速靈活的調配全網資源，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專線以虛擬化光網絡架構為核心，其功能結構與SDN理論體系的對應關系如圖1所示。

圖1　虛擬化光網絡與SDN理論體系對應關系示意圖

虛擬化光網絡架構的管理層等效于SDN的應用層，可以采用通用語言實現(xiàn)用戶自主編程，并通過開放的北向接口與下層網絡進行交換，完成企業(yè)客戶帶寬實時調整、網絡結構個性化建立、專網/專線視圖呈現(xiàn)和其它業(yè)務創(chuàng)新等管理、輸入和控制功能。

虛擬化光網絡架構的網絡虛擬層對應SDN的控制層，可以細分為虛擬資源池和虛擬光網絡（VON）兩個子層；虛擬資源池根據虛擬策略，從實際物理網絡中選取滿足建網限制條件資源集合，作為構建VON的基礎；而VON由用戶要求、路由策略和流量工程等因素共同驅動，選用資源池內的節(jié)點、路由和帶寬等資源，生成虛擬光網絡。該層面根據應用層要求，制定相應的網絡配置策略，設置物理網絡的各項參數(shù)和鏈接，實現(xiàn)路由選擇和業(yè)務端到端發(fā)放，是整個系統(tǒng)傳輸質量、資源利用率和響應速度的關鍵。

虛擬化光網絡架構的物理層對于SDN數(shù)據轉發(fā)層，包括網絡管理控制設備和物理網絡兩部分，其中網絡管理控制設備由統(tǒng)一控制器和各個子網的網管系統(tǒng)組成，各網管將其所轄物理網絡的拓撲結構、設備接口、帶寬資源和波道配置等具體細節(jié)輸出至統(tǒng)一控制器，由統(tǒng)一控制器進行匯總和抽象，為虛擬資源池提供信息。物理網絡則根據網絡連接距離、帶寬和結構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，是實現(xiàn)各類業(yè)務功能最基礎的環(huán)節(jié)。

3 業(yè)務流程和專線實現(xiàn)方式

相對傳統(tǒng)政企專線業(yè)務流程，特別是政法、公安等跨省市的大規(guī)模網絡，SDN專線實現(xiàn)起來更加快捷、便利，更加貼近用戶，可以大幅縮減業(yè)務開通時間，提高運維效率，同時選擇恰當?shù)氖諗考奥酚煞椒?，也可以很好的認證網絡QoS，滿足用戶傳輸質量和運營商開展智能管道的要求。具體業(yè)務流程對比如圖2所示。

圖2　傳統(tǒng)和SDN專線業(yè)務流程對比示意圖

實現(xiàn)SDN專線一般可以分為6步，具體如下。

（1）政企客戶通過應用層寫入對網絡結構、帶寬需求和業(yè)務管理等要求。

（2）應用層服務器選擇相應網絡，通過北向接口將用戶信息傳送給控制層。

（3）控制層將相應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）根據統(tǒng)一控制器的信息，控制層進行資源抽象，根據限制條件和相關算法形成資源池。

（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上進行VON映射，形成虛擬網絡。

（6）上報應用層，滿足用戶要求則完成連接；不滿足用戶則調整資源池，重新進行網絡映射。

4 關鍵技術解析

實現(xiàn)基于SDN的傳送網政企專線涉及3項關鍵技術，分別是應用層通信、資源池收斂、業(yè)務映射路由，后兩者結合起來稱為光網絡虛擬化技術。在專線建設過程中，這3項技術的實現(xiàn)方式如圖3所示。

4.1 應用層通信

應用層操作系統(tǒng)一般設置在用戶側，控制層設備一般設置在運營商機房，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)結構和運行方式。

在目前的各類主流通信方式中，Web Service操作界面統(tǒng)一、簡便，將服務直接提供給終端，不必關心具體的實施細節(jié)，可滿足的通信應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具備異構平臺的互通性、廣泛的軟件復用能力和普適的通信能力等優(yōu)勢，更能夠適應政企業(yè)務靈活、多變，所處環(huán)境各異的特點；加之該技術已經廣泛普及，便于用戶學習和使用，因此適宜作為當前應用層通信的主流技術。

圖3　SDN專線關鍵技術實現(xiàn)方式示意圖

4.2 資源池收斂

對于專線來說，在全網中選擇業(yè)務通道的范圍太大，路由計算極為復雜，且很多路由過于迂回，根本不具備可實施性；因此可以根據用戶要求和網絡情況，設置一定的限制因素，選擇滿足要求的資源集合作為資源池，以之為基礎進行專線建設。

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

鏈路收斂負責實現(xiàn)專線拓撲關系集合，并保證虛鏈路請求的帶寬資源得到滿足。不同于節(jié)點映射，資源池和最終結構基本一致；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，其中時延表達專線質量最為直觀，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)點到其它所有節(jié)點的最短路徑，主要特點是以起始點為中心向外層擴展，直到擴展到終點為止），框選滿足條件的路徑，形成路徑資源池。需要注意的是，為了便于資源調度，優(yōu)化全網性能，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置時延差閾值，以滿足系統(tǒng)要求，保證傳輸質量。

在實際組網中，用戶就近接入臨近局站，途經的節(jié)點資源可以根據網絡規(guī)模以區(qū)縣或鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位進行收斂。鏈路收斂可以根據節(jié)點間組網要求，將節(jié)點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)分實際物理路徑是否相同，以滿足設置業(yè)務保護的需要。

4.3 業(yè)務映射路由策略

目前政企業(yè)務IP化的方向已經明確，業(yè)務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行精細化管理；這就使帶寬配置變得實時可變，而帶寬需求起伏不定會造成網絡流量頻繁波動，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)、鏈路帶寬等建設要點，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)務需求得到統(tǒng)一調度，滿足智能管理和QoS的要求。

業(yè)務路由映射由SDN控制層實現(xiàn)，控制層的建設理念主要包括PureSDN/Openflow和SDN+PCE兩種，PureSDN/Openflow的核心思想是建立標準的控制平面，控制平面與數(shù)據平面分離；可以從根本上解決光網絡擴展性、靈活性和平滑升級的問題。然而，目前的傳送網多種技術體制并存，各個本地傳輸網和傳輸干線也都相對獨立建設，造成各個網絡在結構建設、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控制器選擇方面應重點考慮兼容現(xiàn)有網絡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，適應各類異構網絡的域間通信，相對于PureSDN/Openflow更適合網絡平滑演進，因此在現(xiàn)階段宜采用SDN+PCE方式承載政企業(yè)務。

為提高傳輸質量，避免網絡擁塞和鏈路劣化，可以對SDN+PCE結構進行擴展，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，更新可用網絡拓撲，協(xié)同PCC計算業(yè)務路徑）和擁塞評估模塊（CE，主要作用是實時更新并評估網絡數(shù)據，設置擁塞閥值，向CA-RCE發(fā)送網絡擁塞信息），通過設置擁塞閾值，實現(xiàn)全網動態(tài)業(yè)務流量均衡，具體擴展結構和業(yè)務實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4　PCE擴展結構業(yè)務實現(xiàn)流程示意圖

該擴展結構具備業(yè)務帶寬多路徑分配、流量工程和QoS，可以實現(xiàn)帶寬自動調整，擁塞/鏈路劣化自動選路，網絡平面自動調度的功能。具體業(yè)務實現(xiàn)步驟如下。

（1）CC收到業(yè)務連接請求，轉發(fā)給PCC和CA -RCE，計算網絡擁塞概率，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）收集全網擁塞信息，上報給CE，作為設置閾值的參考；CE根據網絡情況設置相應閥值，并對CA-RCE輸入信息進行評估，完成后更新數(shù)據庫，把超過閾值的節(jié)點或鏈路列表發(fā)送給CA-RCE 。

（3）CA-RCE收到列表后，更新虛擬拓撲，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留協(xié)議）從源節(jié)點開始，逐跳為該連接預留資源。

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

5 物理層可編程模塊分析

不同于數(shù)據網，光網絡中波長配置、信號速率、頻譜連續(xù)度、光纖損耗等諸多參數(shù)在實際傳輸系統(tǒng)中相互聯(lián)系、相互制約，使得光網絡的智能調度實現(xiàn)起來更為復雜，為了適應網絡虛擬化的趨勢，物理層靈活可調逐步成為研究熱點。

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

可編程光收/發(fā)信機的成熟形態(tài)應采用通用硬件結構，通過DSP和軟件定義光模塊技術，根據系統(tǒng)傳輸距離、非線性效應和信噪比要求等限制因素，選擇和調整相應的傳輸速率、調制格式、前向糾錯編碼方式和子載波數(shù)目等參數(shù)，實現(xiàn)邏輯系統(tǒng)與實際工程的最佳匹配，提高傳輸質量、網絡靈活性和業(yè)務變化的耐受能力。

超100 Gbit/s系統(tǒng)和靈活頻譜光網絡的提出和逐步試用，打破了傳統(tǒng)波長按照50/100 GHz通道間隔劃分的傳統(tǒng)。濾波器可以根據實際需要，對頻譜柵格寬度和濾波形狀進行編程，根據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)配置實際濾波帶寬。

為適應業(yè)務和運維要求，可編程的光交換節(jié)點應具備方向無關、波長無關、競爭無關和柵格無關等特征的高度可重構結構。光交叉矩陣基于濾波集成組件技術，支持網絡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。該結構可支持全光匯聚與疏導，為實現(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支撐。

可編程的電交叉節(jié)點需要對信號進行3R處理，主要完成靈活的電域調度和封裝映射功能。為配合波分系統(tǒng)中靈活頻譜柵格技術的推廣，ITU-T 6.709標準引入了ODUflex功能，可以實現(xiàn)各類顆粒業(yè)務的靈活映射，同時通過ODUflex和ODUCn功能，可以實現(xiàn)映射容器大小可編程。在交叉連接方面，電交叉節(jié)點根據路由策略選擇連接方向，根據流量工程要求配置鏈路和節(jié)點資源，配合控制平面完成業(yè)務連接和網絡搭建。

6 SDN傳輸專線展望

隨著”大數(shù)據”和“互聯(lián)網+”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的傳輸專線應運而生，切合生產生活深度信息化的趨勢，能夠快捷、方便的提供安全可靠、質量穩(wěn)定的信息通道，起到提高溝通效率和資源利用率的效果，成為高品質專線業(yè)務有力的技術支撐，在未來必將獲廣泛應用，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