支持網絡切片和綠色通信的軟件定義虛擬化接入網

王 廷 劉 剛

1(華東師范大學軟件工程學院 上海 200062)

2(上海市高可信計算重點實驗室(華東師范大學) 上海 200062)

3(上海諾基亞貝爾股份有限公司貝爾實驗室 上海 201206)

(twang＠sei.ecnu.edu.cn)

軟件定義網絡(software defined networking,SDN)[1]是一種新興的網絡體系結構,它具有很好的靈活性、易管理性、經濟性和可拓展性.該架構將網絡的控制平面和轉發(fā)平面分離,可將底層硬件設施資源抽象化為應用程序和網絡服務,并且實現了網絡控制的可編程性.SDN給可編程網絡帶來了一場革命性變革,已經成為工業(yè)界和學術界的一個熱門研究領域[2].目前SDN的典型應用場景是大規(guī)模數據中心[3],SDN可用于解決數據中心規(guī)模的急劇增長給管理和運維所帶來的困難和挑戰(zhàn).目前,亞馬遜、微軟、谷歌[4]、Facebook[5]等行業(yè)巨頭的商業(yè)數據中心網絡都已部署SDN.需要注意的是,雖然SDN一定程度上對傳統(tǒng)網絡進行了一些顛覆性創(chuàng)新,但是SDN并非尋求與傳統(tǒng)網絡產生沖突,相反,它可以與傳統(tǒng)網絡技術很好地兼容互補并共存.

在本文關注的電信網絡領域,由于電信網絡運營商收入的增長率未能跟上其業(yè)務增長速率和資金投入的增長率,從而導致利潤被大大擠壓,迫使運營商必須重新思考他們的商業(yè)模式和網絡設計.SDN具有在提高服務部署速度的同時顯著降低總擁有成本(TCO)的潛力.舉例來說,家庭寬帶連接需要大量的初期建設投資和持續(xù)的高投資來提高數據速率.而基于SDN實現的切片可以幫助降低部署成本,因為它允許不同租戶的服務共享底層物理網絡,這樣多個服務提供商可分擔底層物理網絡部署成本.例如,一個互聯網服務供應商可以和一個供電公司共同分擔入戶寬帶的部署安裝成本并提供寬帶服務和遠程智能計費服務.另一方面,在增強型家用網關(NERG[6])方案中,運營商開始分析新部署場景的需求,就是將部分或大多數的家庭網關功能轉移到運營商的網絡中,以此達到降低部署和運營成本的目的.

學術界和工業(yè)界已在SDN領域開展了大量的研究工作,但是關于SDN在接入網中的實現及SDN對接入網影響的研究卻很少.接入網有其自身的特殊屬性.首先,接入網場景存在各種各樣的接入技術共部署,如同軸電纜、數字用戶線路(DSL)、數字用戶專線(DDN)、以太網、無源光纖網絡(PON)、寬帶無線接入等.不同的接入技術不僅增加了組網的復雜性,也給運營商帶來運維困難和成本問題.其次,接入設備和用戶駐地設備(CPE)數以百萬計,如何高效地維護如此龐大數量的設備,這對運營商來說也是一個極大的挑戰(zhàn).因此,如何合理地解決運營商面臨的這些關鍵難題已成為了接入網引入SDN的主要驅動因素.基于此洞察,本文基于SDN理念提出了一種新的接入網體系結構設計,它將網絡實體的控制面和數據面分離開來,實現了高效的網絡控制和管理,并提供了高擴展性和定制化支持.

本文主要的創(chuàng)新和貢獻點可概括為5點:

1)提出了一種新的軟件定義接入網架構,名為SDVAN.

2)SDVAN提供了一種可以支持接入節(jié)點定制化和網絡切片的實際解決方案.

3)設計并實現了一種可編程的數據平面,不僅可以更好地使能網絡虛擬化,也進一步支持了多租戶和多接入模式.

4)所提出的線路交換(line switching)方案實現了更好的資源利用率和更高的能耗效率.

5)在各種網絡條件和不同需求下,對SDVAN系統(tǒng)進行了大量實驗驗證和性能評估,表現優(yōu)異.

1 相關工作

作為數據面和控制面間的開放接口,Open Flow協(xié)議[7]最早是由斯坦福大學[8]提出并開發(fā)的,該協(xié)議現由開發(fā)網絡基金會(ONF)[1]制定.分離數據平面和控制平面的基本思想目前已被廣泛接受,軟件定義接入網絡(software-defined access network,SDAN)[9]的概念引入正是為了在寬帶接入場景中能夠受益于軟件定義網絡和網絡功能虛擬化(network function virtualization,NFV)的優(yōu)點.在SDAN中,寬帶接入的接入控制和管理功能被虛擬化,從而可以實現流水線操作,加速服務創(chuàng)建和增強寬帶用戶滿意度,尤其是在多運營商共存的場景下.

在集中控制器的接口/協(xié)議擴展和優(yōu)化方面,已有大量的研究工作.Pakzad等人[10]對基于SDN控制器實現的拓撲發(fā)現機制的效率進行了評估,并提出了簡單實用的修改方案,以達到顯著提高效率和降低控制開銷的目的.Azzouni等人[11]發(fā)現OFDP在安全性、效率和功能上存在嚴重的局限性,提出了一種新的具有內置安全特性的發(fā)現協(xié)議sOFTD,它比傳統(tǒng)的OFDP具有更高的效率.Xiong等人[12]提出了一種新的基于隊列理論的OpenFlow網絡性能分析模型,根據分組轉發(fā)性能建立了Open Flow網絡的排隊模型,并求解了其平均包滯留時間的閉式表達式和相應的概率密度函數.Sharma等人[13]提出了OpenFlow的帶內控制、排隊和故障恢復機制.此外,他們還闡述了在包含不同版本Open Flow的現有軟件包中實現這些功能的實際挑戰(zhàn).

針對SDN控制器的設計與實現,Oktian等人[14]研究了SDN控制器系統(tǒng)的不同設計方法.他們將這些方法劃分成了幾個設計選項,每個設計選項都可能會影響多個SDN問題,例如可伸縮性、健壯性、一致性和隱私性,他們進一步分析了每個模型在這些問題上的利弊.Dixit等人[15]提出了一種靈活的分布式控制器體系結構ElastiCon,其中控制器池根據流量情況動態(tài)增長或收縮,流量可以在控制器之間動態(tài)遷移.為了實現這種流量遷移,作者設計了一種符合OpenFlow協(xié)議標準的交換機轉移協(xié)議.Wang等人[16]對動態(tài)控制器分配問題進行了研究,目標是最小化控制平面的平均響應時間.作者通過將此問題描述為一個具有轉移的穩(wěn)定匹配問題,提出了一種分層的兩階段算法,將匹配理論和聯合博弈中的關鍵概念結合起來,有效地解決了這個問題.Bholebawa等人[17]主要評估了2種支持OpenFlow的控制器,即POX——基于Python的控制器[18]和Floodlight——基于Java的控制器[19].他們基于模擬器Mininet[20]進行了大量的仿真實驗,測試了在不同網絡拓撲上2種控制器在網絡吞吐量和往返延遲的性能表現.與現有的工作不同,本研究工作的目的不是集中在協(xié)議/接口增強或控制器設計上,而是將現有的網絡功能(包括接入控制、流量工程、QoS控制等)進行抽象提取,并利用SDN/NFV技術靈活地創(chuàng)建多個控制/轉發(fā)實例,為不同的虛擬網絡運營商(VNO)提供服務.

在網絡定制化方面,一些研究者嘗試將SDN概念引入傳統(tǒng)接入網,目前主要致力于解決3個網絡管理的問題,包括:允許頻繁更改網絡條件和狀態(tài)、基于高級語言提供對網絡靈活配置的支持,以及為執(zhí)行網絡診斷和故障排除提供更好的可見性和控制功能.為了解決目前網絡中存在的網絡配置和管理問題,Kim等人[21]采用SDN技術從多個方面對網絡管理機制進行了改進.除了系統(tǒng)本身之外,各種SDN原型的部署[22-25]也證實了SDN如何改進通用網絡管理任務,并在校園網和運營商網絡中實現業(yè)務應用.

此外,在接入網中,尤其是PON系統(tǒng)中,網絡切片技術的相關應用研究也已得到了廣泛關注和討論[25-30],當前該領域的主要研究方向是針對多個并發(fā)網絡應用(如5G X-Haul、物聯網服務、低延遲應用等)的物理層協(xié)議或跨層協(xié)議優(yōu)化設計.

與上述現有接入網中的網絡定制/分層解決方案不同,本文受OpenRAN[31]和C-RAN[32]概念的啟發(fā),致力于將物理接入能力和軟件處理能力解耦.通過虛擬化技術、池化機制以及接入節(jié)點軟件處理功能的切片化,使解耦后的接入網體系結構可以通過軟件定義的方式支持需求定制化的同時也為多種接入技術(如ADSL,VDSL,G.fast,EPON,GPON,x GPON)、多協(xié)議和多租戶提供極大的靈活性和兼容性.

2 研究動機和問題陳述

目前網絡運營商面臨著一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題,即收入增長率遠遠落后于數據流量和成本的增長率.這些增長率的差異導致了巨大的收入差距.為了縮小收入差距,實現可持續(xù)的商業(yè)模式,一個重要的途徑就是通過優(yōu)化網絡架構和個性化的服務提供來增加每位的收入.在競爭激烈的電信行業(yè)中,為了提供差異化服務,網絡運營商很愿意部署實施私有的優(yōu)化協(xié)議,從而為用戶提供越來越多的定制化服務.這一訴求促使運營商考慮將底層網絡基礎設施進行抽象,以此提供不同級別的標準應用程序編程接口.SDN技術正好可以滿足這一要求.將物理設備的大部分復雜功能實現轉移到一個集中的計算池中,可以更簡單地管理這些功能,并以軟件定義的方式高效地支持定制需求.因此,可以以一種IT方式實時地對電信網絡進行編程或重新編程.運營商可以方便地定制他們的環(huán)境,以實現快速的服務創(chuàng)新.

縮小收入差距的另一種方法是借助網絡虛擬化和網絡切片技術來降低每位的成本.網絡虛擬化提供了一種強大的資源共享的網絡運行模式,每個網絡都是為特定目的而定制的,可同時在共享的底層設備上運行.利用網絡虛擬化的優(yōu)勢,網絡供應商即可擁有一個支持多租戶的物理接入網絡,其接入網絡可以被其他服務供應商或網絡租戶使用.這樣,接入網作為一個高度復用的共享環(huán)境,可以同時向多個不同的租戶提供按需使用且具有不同網絡特性的網絡資源.每個租戶都將擁有自己的專用網絡實例,該實例提供了與物理網元相同的完整功能.運行在物理接入節(jié)點上的多個具有完整功能的虛擬接入節(jié)點(virtual access node,v AN)實例將會提供給不同的租戶.如圖1所示,每個租戶將擁有獨立的虛擬接入節(jié)點(access node,AN),這些虛擬節(jié)點可以看作是具備全部功能的接入節(jié)點;RG表示家庭網關(residential gateway).

Fig.1 Virtual instances on physical access node圖1 物理接入節(jié)點上的虛擬實例

盡管網絡定制和虛擬化能夠有效地幫助運營商增加收入和提供差異化服務,但在網絡定制和虛擬化的實際部署和實施過程中,運營商仍有許多技術問題需要解決.主要的棘手問題有6個方面:

1)什么樣的網絡架構才能夠更好地實現可編程性、自動化和定制化,并有助于運營商構建高擴展、靈活的網絡,以適應不斷變化的業(yè)務需求?

2)什么方法可以提供無需配置單個設備或等待供應商發(fā)布即可提供新網絡功能和服務的能力?

3)如何在物理設備上動態(tài)創(chuàng)建虛擬實例,同時提供靈活性支持?通過什么方法來管理、控制、維護這些虛擬實例,同時降低運營成本?

4)如何支持多租戶的定制需求?例如,讓一個多用戶居住單元(multiple dwelling unit,MDU)同時為多個租戶服務.如何為不同的租戶提供靈活的基帶協(xié)議和可配置的數據包處理?

5)如何在沒有專用處理板(線路終端板)的情況下同時支持不同的接入技術(如ADSL,G.fast,EPON)?例如,一個虛擬接入節(jié)點可能在某一時刻支持ADSL協(xié)議,而在另一時刻它可能支持G.fast協(xié)議(甚至EPON).

6)如何支持各種部署場景下的端口/鏈路動態(tài)配置?如何動態(tài)改變MDU或光線路終端(OLT)中物理端口的服務對象?這意味著一個MDU/OLT物理端口可以在某個時刻為某一個虛擬網絡運營商(VNO)服務,在另一時刻為其他VNO服務.

這些新出現的問題促使業(yè)界不斷探索新的方案,以使企業(yè)和運營商能夠實現理想的網絡可編程性、自動化和網絡控制能力,并使他們能夠構建高度可擴展和靈活的網絡,以適應不斷變化的業(yè)務需要.實現了控制平面和數據平面網絡解耦的SDN已經被認為是一種可以應對這些挑戰(zhàn)的解決方案.從接入網的角度來看,如圖2所示,SDN概念可以提供一個更加智能化和自動化的網絡框架,有助于快速提供服務,并支持多種接入技術,圖2中ONU表示光網絡單元(optical network unit).基于這些觀察結果,本文旨在設計一種新的基于SDN的固定接入網體系結構,該體系結構能夠提供經濟高效的網絡控制和管理,并具有較高的可擴展性和對定制化的支持.

Fig.2 SDN implementation on access network圖2 SDN在接入網中的實現

3 SDVAN:軟件定義的虛擬接入網絡設計

本節(jié)介紹一種新型的基于軟件定義的虛擬化接入網絡(software defined virtualized access network,SDVAN)體系結構,并詳細介紹其可定制的控制平面和可編程的數據平面的關鍵特性.與當前緊密耦合的體系結構相比,SDVAN使接入節(jié)點成為簡單的轉發(fā)節(jié)點,而物理節(jié)點的功能簡化使轉發(fā)硬件變得更加靈活、彈性且即插即用.如圖3所示,在這種新體系結構SDVAN中,我們將所有接入節(jié)點的控制平面抽象并集中至一個接入控制器實現,物理接入節(jié)點的復雜度大大簡化.

Fig.3 New architecture design for access node圖3 接入節(jié)點的新架構設計

3.1 可定制的控制平面設計

3.1.1 概 述

控制平面作為整個系統(tǒng)的大腦集中部署在中央計算池中,如圖3所示,傳統(tǒng)接入節(jié)點的控制功能將被抽象出來并集中放置控制器實現.其控制功能模塊主要包括帶寬控制、流量工程、接入控制、QoS/QoE增強和網絡切片等.對應于每個接入節(jié)點,將在中央計算池中創(chuàng)建一個獨立的AN控制器實例,如圖4所示.由于它以軟件定義的方式運行,因此將會更加容易地創(chuàng)建或更新策略以滿足定制需求.另外,由于所有控制實例共享虛擬化的中央計算池資源而不是專用的物理資源,因此計算資源利用率將會變得更高.

Fig.4 Multiple AN controller instances圖4 多個AN控制器實例

為了支持多租戶,控制平面允許針對單個接入節(jié)點為多個租戶創(chuàng)建多個獨立的AN控制器實例,如圖5所示.每個租戶的AN控制器實例相互獨立工作,不會產生干擾或沖突.相應地,在AN中將按需創(chuàng)建多條基于Open Flow的轉發(fā)規(guī)則(或流表)[7],每條轉發(fā)規(guī)則在邏輯上彼此獨立.每個AN控制器只能管理自己的流表,從而可以確保不同租戶之間策略空間的相互隔離.此外,由于不同租戶的AN控制器實例是獨立創(chuàng)建和運行的,因此每個租戶都具有部署自己的控制平面協(xié)議或服務的能力.轉發(fā)規(guī)則也可以動態(tài)地、自動化地進行定制.

Fig.5 Multiple instances created for different tenants圖5 為不同租戶創(chuàng)建的多個實例

3.1.2 要解決的問題

雖然關于SDN在電信網中的應用已經有不少研究和討論,但據我們所知,目前尚沒有可行的解決方案來支持接入節(jié)點的定制化和切片.目前接入網中現有的最好解決方案是以線路終端(LT)板或端口的粒度復用或共享接入節(jié)點.如圖6所示,部分LT板預留給一個租戶,部分LT板預留給其他租戶.但是,不同的租戶必須共享接入節(jié)點的相同控制平面,從而在許多方面不可避免地導致效率低下.總體而言,當前現有解決方案的問題可以總結為5個方面:

Fig.6 Dedicated LT/Link supporting for different tenants圖6 針對不同租戶的專用LT/Link

1)當前接入節(jié)點緊密耦合的體系結構不支持網絡定制化.當運營商想要提供新的網絡功能和服務時,他們必須一一配置各個設備,或者等待供應商發(fā)布.

2)垂直集成的硬件和軟件使接入節(jié)點變得相當復雜且難以操作.此外,封閉的專有系統(tǒng)給創(chuàng)新帶來了天然障礙.

3)由于不同的租戶可能具有不同的甚至沖突的定制化要求(例如,不同的DHCP池、AAA、QoE),因此在配置和管理接入節(jié)點以同時滿足所有租戶的要求方面存在很大困難.

4)在當前接入節(jié)點的緊密耦合架構下,很難實現不同租戶控制平面的隔離.

5)無法為特定用戶動態(tài)地自動化定制特定需求.由于缺乏靈活性和開放性,現有的接入節(jié)點硬件體系結構無法完全滿足這些要求.

3.1.3 控制平面設計

在本文所提出的新架構SDVAN中,多個虛擬接入節(jié)點(v ANs)將為不同的租戶服務,以支持他們的定制化要求,同時確保租戶間的隔離.從系統(tǒng)實現的角度來看,虛擬節(jié)點的控制平面功能和數據平面功能是在2個物理網元上執(zhí)行的,如圖7所示.但是,從租戶的使用角度來看,這種功能上的解耦是感知不到的,租戶并不知曉具體哪個物理網絡節(jié)點上執(zhí)行哪個功能.

Fig.7 v AN composition圖7 v AN的構成

如圖3所示,整個系統(tǒng)邏輯上分為2個部分,即集中部署的控制平面和分布式可編程的數據平面.其中,接入節(jié)點的抽象的控制功能集中部署在中央計算池中.控制平面除了實現接入節(jié)點的基本控制功能之外,還可以通過一些增強的功能模塊(包括帶寬控制、流量工程、接入控制、QoS增強和網絡切片)來增強控制器的功能.控制平面每個模塊的具體角色和職責為:

1)帶寬控制模塊負責調度和管理用戶鏈路上的具有優(yōu)先級的流量,提供特定的帶寬控制服務.

2)流量工程模塊用于控制和保證接入節(jié)點上的轉發(fā)行為和性能,例如計算最優(yōu)轉發(fā)規(guī)則、在接入節(jié)點安裝相應的流表以及VLAN標簽配置和管理等.

3)接入控制模塊由一些傳統(tǒng)的AN功能組成,例如,身份驗證、IGMP、ARP和DHCP.

4)應用感知的QoS模塊負責資源優(yōu)化和服務質量的保證.對于每個特定的流,將根據預先定義的服務質量要求生成一組QoS需求參數(例如,保證數據速率、最大數據速率、等待時間、丟包率等).這些生成的QoS參數隨后將發(fā)送到相應的接入節(jié)點.通過這種方式,接入節(jié)點可以根據QoS參數和優(yōu)先級對不同的業(yè)務進行調度,以保證不同需求的不同業(yè)務的服務質量,并實現應用感知的QoS的業(yè)務調度.

5)網絡切片是一個特定的模塊,旨在確保每個租戶擁有獨立的操作空間和資源空間.當同一接入節(jié)點對應多個控制器時,網絡切片模塊應保證資源隔離,避免潛在的沖突.

將接入節(jié)點的控制功能抽象化和集中化的好處是多方面的,可以基于軟件定義的方式方便、高效地升級并增強控制功能.網絡能夠快速有效地調整和適應不同租戶的定制需求,從而加快新業(yè)務的上線時間,實現快速創(chuàng)新,提高競爭力.需要注意的是,由于控制平面和數據平面在物理上是分離的,控制平面上的變化不會直接影響數據平面的轉發(fā)連續(xù)性.只有數據平面的訪問節(jié)點通常只執(zhí)行簡單的數據轉發(fā),而不執(zhí)行任何復雜或消耗資源的操作.因此,接入節(jié)點將更簡單,更小巧,更便宜,這將有助于簡化運維并降低運營成本.

3.2 可編程的數據平面設計

3.2.1 概 述

網絡虛擬化很好地實現了對多租戶的支持,在底層共享資源之上可以同時運行多個虛擬網絡實例,且每個虛擬實例都是為特定目的和要求定制的.反過來,實現數據平面可編程也可進一步促進網絡虛擬化,從而在單個接入節(jié)點上實現多個虛擬實例.此外,它還為不同的接入技術(如ADSL,VDSL,G.fast,EPON,GPON等)、多協(xié)議和多租戶提供了高度的靈活性.可編程數據平面主要包括3個要點:

1)將物理接入和軟件處理的設計解耦

為了簡化硬件并為可編程性提供更大的靈活性和可行性,如圖8所示,SDVAN的數據平面新引入了一種新型的內部交換組件Inner Switch.Inner Switch的主要功能是用來識別來自不同物理端口(例如ADSL/PON端口)的數字信號并將其轉發(fā)到相應的處理單元.流表空間可用于定義切片和v AN控制等操作.

2)虛擬接入節(jié)點的靈活定制

虛擬接入節(jié)點是在IT COTS(commercial offthe-shelf)硬件資源GPP(general purpose processing)池上創(chuàng)建的,而不是專用的專有硬件(LT板).不同的虛擬實例通過軟件方式實現可重構的基帶協(xié)議或定制化的數據包處理機制.它將有助于為不同的接入技術或不同的VNO提供獨立隔離的虛擬接入節(jié)點.

Fig.8 Programmable data plane圖8 可編程的數據平面

3)硬件切片及可編程性

通常,虛擬化系統(tǒng)通常使用所謂的Hypervisor來實現資源的共享和隔離.但本文采用了不同的實現思路,提出了一種宏編程概念,以抽象(高級)可編程的方式實現硬件資源的分片操作,并簡化網絡的配置和操作.如圖9所示為網絡抽象信息模型,其可以很容易地通過高級語言實現硬件可編程.在該模型中定義了大量的基本操作接口,編程人員可以很方便地進行調用和集成.

Fig.9 Example of programmable network abstract information model圖9 可編程的網絡抽象信息模型示例

3.2.2 要解決的問題

圖10展示了一個數字用戶線路接入復用器(DSLAM)的典型結構.目前,在如圖10所示的接入節(jié)點(DSLAM)系統(tǒng)設計中,用戶線路與線路卡(線路接口模塊)是綁定的,每個線路接口模塊(LIM)接入48條ADSL鏈路.但是,將用戶線路和線路卡進行綁定存在3個問題和缺點:

Fig.10 DSLAM architecture圖10 DSLAM架構

1)靈活性低.每條用戶線路物理連接一個專用線卡,當需要調整時只有在現場才能對其進行更改.更糟糕的是,該專用線卡對應的一組用戶線路(通常是48個鏈接)必須一起更改,而單獨更改一個用戶線路是非常困難的.

2)可靠性差.一旦線路卡發(fā)生故障,所有用戶線路必須手動切換至另一線路卡.

3)資源利用率低且能耗效率低.DSLAM線卡的用戶線路靜態(tài)分配機制在資源利用率和功耗方面都存在嚴重問題.如圖11所示,部分用戶線路被分配給一個線路卡,另一部分用戶線路連接到另一個線路卡,用戶線路一旦分配完成,就不能再更改映射.即使一個線路卡上只有一條活躍用戶線路,該線路卡也必須完全通電并以滿載狀態(tài)消耗電能,而且線路卡上僅有的活躍用戶線路也無法被遷移和聚合到另一個線路卡.因此,傳統(tǒng)的機制不支持用戶線路的動態(tài)調度,在低負載的情況下會導致線路卡上的資源利用率低且能耗問題嚴重.

Fig.11 Binding of user line and LT board圖11 用戶線路和LT板的綁定

目前,接入網大多由現有運營商專門部署,在基礎設施建設和接入網絡部署方面投入了極高的費用.移動通信新運營商(greenfield operator)或其他運營商想要將其服務擴展到同一地區(qū),則必須部署自己的專用接入網絡基礎設施,即便事實上現有運營商部署的基礎設施未充分利用,地下還有許多未使用的光纖以及其他接入資源.這種模式存在著投資浪費、資源利用率低、資源無法共享等缺點.此外,手動更改客戶線路的成本很高,客戶不可能在不同的運營商之間自由地進行動態(tài)選擇.針對這些問題,本文旨在通過架構優(yōu)化,實現一個支持多租戶、資源共享和靈活切片的虛擬接入網.具體來說,就是在接入網中物理接入節(jié)點上實現不同的全功能v AN實例提供給不同的租戶專用.如圖12所示,每個租戶會有一個v AN,并且該邏輯節(jié)點具備接入節(jié)點的全功能,例如完整的VLAN空間、地址空間、MPLS/PW標簽空間等.如圖13所示,一個MDU可由多個租戶共享,而來自MDU不同物理端口的流量應該定向到不同的虛擬接入節(jié)點(v AN實例).

Fig.12 Multi-tenancy support in access network(Link Sharing)圖12 接入網實現支持多租戶(鏈路共享)

Fig.13 Multi-tenancy support in access network(MDU sharing)圖13 接入網實現支持多租戶(MDU共享)

如第2節(jié)所述,目前還沒有一個可行的解決方案來支持多租戶并且為每個租戶提供功能齊全的實例.目前最佳的解決方案是在LT板或端口粒度上復用或共享接入節(jié)點.如圖14所示,部分LT板/物理鏈接為一個租戶預留,其他為另一個租戶預留.然而,為了避免沖突和混亂,每個租戶只能有部分VLAN空間和地址空間.圖15描繪了不同的租戶共享一個LT板,同時使用不同的端口來區(qū)分彼此流量的場景.這意味著一個租戶必須預留一個物理端口以及一個ONU、一個物理鏈路,不同租戶的流量不能通過同一個MDU/物理鏈路/端口傳輸,否則OLT將無法區(qū)分它們,更無法用不同的基帶協(xié)議來處理.此外,與圖14所示的場景類似,每個租戶僅被提供部分VLAN空間和地址空間.

Fig.14 Dedicated ONU/LT/Link supporting for different tenants圖14 針對不同租戶的專用ONU/LT/Link

Fig.15 Dedicated ONU/Port/Link supporting for different tenants圖15 針對不同租戶的專用ONU/Port/Link

在傳統(tǒng)的接入網中,各種不同的接入技術(從ADSL到VDSL,從EPON到GPON)將在相當長的時間內共存甚至相互協(xié)作.接入技術的多樣性不但增加了組網復雜度、硬件維護的成本,也增加了網絡運維的復雜性.當運營商想要變更線路接入技術時(例如,從ADSL到VDSL或G.fast),必須手動升級接入設備(至少是LT板).如果運營商想要部署一個專用的或定制化的(可能是不標準的)協(xié)議或者功能特性是相當困難的,他們必須等待設備供應商生產專用的處理板(LT板).由于軟硬件高度耦合、設備封閉私有、生態(tài)系統(tǒng)依賴標準化等原因,電信專用網絡往往缺乏靈活性,運營商不得不經常需要更換硬件(如LT板)來支持新的協(xié)議或定制化的功能,造成極大的投資浪費和資源浪費.

3.2.3 線路交換(line switching)方案設計

本節(jié)將介紹一種新型設計的線路交換(line switching)模型.為了在不同線路卡之間靈活地進行用戶線路切換,DSLAM系統(tǒng)中引入了一種微機電(micro-electromechanical)線路交換(line switch)功能模塊.線路交換連接了所有的用戶線路和線路卡端口,并將用戶線路和線路卡解耦.如圖16所示,用戶線路可以在不同線路卡之間動態(tài)切換.通過這種方法,運營商可以很容易地將活躍的用戶線路調度和聚合到一些指定的LT板上,并將其它線路設置為休眠狀態(tài)來降低能耗節(jié)省能源.

Fig.16 Line switching introduced in DSLAM system圖16 DSLAM系統(tǒng)引入線路交換

線路交換是一個由電控光開關控制的全光交換器件,可以把它看作是一個簡單版本的全光交換機.如圖17所示,它負責將用戶線路動態(tài)地聚合到某一LT板上接口,形成多對一的光路通道.由于PON系統(tǒng)中固有的時分多址調度機制,因此對于匯聚到同一LT板的多個用戶端口來說,不會存在時域沖突;而對于匯聚到不同LT板的用戶端口來說,可以通過設置不同的波長來交換傳輸.

Fig.17 Line switch design圖17 線路交換設計

目前學術界以及產業(yè)界中已有很多將光交換技術引入到PON系統(tǒng)中的實例[33-34],并且已經在實際系統(tǒng)中得到驗證.這些方案的基本思想都是在OLT和ONU之間引入光交換設備,主要用于鏈路備份、多協(xié)議兼容、系統(tǒng)容量增加等目的.空分光交換技術就是在空間域上對光信號進行交換,其基本原理是將光交換元件組成門陣列開關,并適當控制門陣列開關,即可在任一路輸入光纖和任一路輸出光纖之間構成通路.空分光交換的可信器件是光開關,采用電光型開關具有開關速度快、串擾小和結構緊湊等優(yōu)點,因此有很好的應用前景.

本文所引入的光交換器件是在OLT設備內部實現的,用于動態(tài)匯聚ONU流量到少量的LT板卡,從而減少活躍LT板卡的數目,進而節(jié)省能源消耗.通過設計一定的線路調度算法,可以根據不同線路卡的工作負荷對不同用戶線路的流量進行聚合和遷移,從而更有效地利用LT板端口資源,提高利用率.在當前的DSLAM系統(tǒng)中,端口占用是隨機的,依賴于用戶線路的狀態(tài).如果一塊LT板的所有端口都處于空閑狀態(tài),那這塊LT板將進入休眠狀態(tài).一塊LT板空閑的概率計算為

P{所有端口都空閑}＝P{一個端口空閑}n.

假設一個端口空閑的概率為0.5,給定n＝48,那么所有端口都空閑的概率為(0.5)48＝3.5×10－15.可以看出,正常情況下連接到一個線路卡上的所有用戶線路全都空閑的概率非常低,因此LT板進入休眠狀態(tài)的概率極其微小.然而,如圖18左圖所示,通常一個LT板并不總是滿負荷工作,如果大部分的LT板都在低負載下工作,其能耗效率是非常低下的,因為不管LT板是低負載還是高負載工作,只要LT板全通電其功耗基本是額定的.比較而言,如圖18右圖所示,通過采用我們新提出的線路交換方案,在滿足資源需求并保證性能的前提下,可以將活躍用戶線路自動聚合到部分LT板上,并將空閑的LT板設置為休眠狀態(tài),以降低能耗.

Fig.18 Contrast of port occupancy圖18 端口占用對比

如何在動態(tài)條件下實現不同網絡運營商之間的流量隔離是一個關鍵問題.通常的解決方案是為不同的運營商預留不同的LT板,但這種方法在動態(tài)環(huán)境下并不可行,因為很難預先分配不同用戶線路的所有權.比如,用戶線路A在某一時刻屬于一個網絡運營商,而在另一個時間可能會被其他網絡運營商使用.這就要求用戶線路A能夠實時地從一個線路卡動態(tài)地切換到另一個線路卡.然而,在現有的DSLAM解決方案中,用戶線路與線路卡之間的連接只能以線路組的粒度進行改變.也就是說,同一個線路卡上的48條用戶線路必須一起更改,而不能單獨進行某一條用戶線路的更改.相比之下,我們提出的線路交換方案可以通過快速切換機制實現LT板之間的靈活無縫切換.圖19的時序圖描述了詳細的切換過程.假設LT板A是源LT板,LT板B是目的LT板,則每個LT板將在線路交換后更新端口信息.另外,由于線路開關是電路控制的,因此也可以由遠程SDN控制器控制,控制器可以根據特定的意圖和需求發(fā)出特定的指令.通過外部接口,用戶線路就可以根據需求靈活地進行動態(tài)切換.

Fig.19 Handover procedure from LT A to LT B圖19 從LT A到LT B的切換流程

3.2.4 基于可編程硬件實現網絡切片方案設計

可編程的數據平面實現了對接入技術多樣性和多版本的支持,同時實現了對多租戶的支持.如第1節(jié)和3.1節(jié)所述,物理接入端口與軟件處理單元的分離將為不同的接入技術提供靈活性.此外,如圖20所示,v AN實例將在可編程硬件上創(chuàng)建,而非傳統(tǒng)的物理LT板,這消除了物理訪問媒質和軟件處理的綁定.協(xié)議相關的軟件處理將由v AN執(zhí)行,通過軟件定義的方式實現快速更新.

Fig.20 Multiple v AN instances created on physical AN entity圖20 在物理AN上創(chuàng)建多個v AN實例

此外,系統(tǒng)還設計了一個內部交換模塊(inner switch),其作用是識別來自不同物理端口的數字信號并將其重定向到相應的v AN.每個v AN實例都是按需創(chuàng)建的,它是一個具有完整邏輯空間的邏輯獨立接入節(jié)點.Hypervisor會在計算資源池上創(chuàng)建一系列邏輯分區(qū),并負責控制和隔離共享同一個邏輯分區(qū)的多個實體.這些由通用處理器組成的計算資源池由Hypervisor進行管理和調度.v AN實例以基于軟件的方式實現可重構的基帶協(xié)議、定制化的數據包處理機制,以及v AN之間的隔離.例如,當運營商需要將其協(xié)議從ADSL改為VDSL時,他們只需要更新v AN實例,而在現有的傳統(tǒng)方案中,運營商必須對硬件(如LT板)進行手動更改.此外,在網絡切片場景中,不同的租戶可以共享回傳網絡(backhaul)基礎設施以及物理接入節(jié)點,并在每個物理設備上為每個租戶創(chuàng)建一個v AN實例.除此之外,如圖21所示,多租戶可以共享一個MDU,而且MDU上的不同端口可以為不同的租戶服務.為了區(qū)分同一接入節(jié)點上同一物理端口(圖21中用黑點表示)上傳輸的不同租戶的流量,我們在v AN實例上設計了針對不同租戶的虛擬端口,實現了更細粒度的流量區(qū)分.例如,如圖21所示,來自租戶A的端口的流量被標識為虛擬端口1,然后被重定向到容納虛擬端口1的v AN實例A上.

Fig.21 Virtual port identity圖21 虛擬端口標識

4 實驗與結果

本節(jié)將通過大量的仿真實驗來評估所提出的解決方案在各種網絡條件下的性能表現.根據不同的流量發(fā)生概率來分析活躍LT板數量以及資源利用率情況.需要說明的是,只要某一用戶線路活躍,而無論其流量大小,則該用戶線路就需要被匯聚到某一LT板卡進行處理,即該用戶線路需要占用LT板的一個匯聚端口.所以在我們的仿真實驗中,用戶端口流量的具體大小以及流量模式等變量對于實驗結果沒有直接影響,我們只需要考慮該端口是否有流量產生.

4.1 符號與定義

假設L是每個DSLAM的LT數量,K是每個LT的端口數.符號NActive_LT表示活躍(active)LT板的數量,變量p用于表示LT板上一個物理端口處于活躍狀態(tài)的概率.在傳統(tǒng)的解決方案中,現有DSLAM架構中活躍LT數量的概率分布Pr與n的關系為

表1總結了相關符號及其描述.

Table 1 Notations and Descriptions表1 符號及其描述

相比較而言,在我們的解決方案中,活躍LT板數量的概率分布為

4.2 實驗結果

本節(jié)介紹了系統(tǒng)實驗評估的結果,實驗主要對比分析了線路交換與傳統(tǒng)DSLAM方案在LT板使用量、資源利用率、能源節(jié)約等方面的性能表現.在實驗中,對比標準的DSLAM場景,假設總共的LT板數目為16塊,每塊LT板所能匯聚的用戶線路為64路.由于用戶端口流量的大小和模式對于最終的實驗結果沒有影響,所以實驗中無需具體的流量模型來產生用戶端流量數據.在該實驗中我們通過Matlab仿真軟件設定用戶端口活躍的概率取值區(qū)間為[0.01,0.20],分別計算活躍的LT板數量以及資源利用率.

4.2.1 活躍LT板數量

Fig.22 Active LT number under varying load圖22 不同負載場景下的活躍LT板數量

活躍LT板的數量會直接影響到整個設備的資源利用率和能量消耗.圖22給出了在不同流量負載情況下的活躍LT板所需數量的實驗結果.在傳統(tǒng)的DSLAM體系結構中,當活動概率增加時,活動LT板的數量急劇增加,當活動概率僅為0.01時,就已經達到最大值16.相比之下,在我們提出的線路交換方案中,即使是0.20,活動LT板數量仍然只有4個(實驗中LT板總數量默認為16個).這有效證明了線路交換解決方案可以使用較少的LT板實現更高的資源利用率.

圖23從另一個角度給出了DSLAM和線路交換在不同流量負載情況下活躍LT板比率的比較.同樣地,當活動概率P＝0.01時,DSLAM方案的所有LT板都處于活躍狀態(tài),而線路交換方案的活躍LT板比率僅為6.25%.隨著P值增加,活躍LT板數量會逐步增加,但增長比較緩慢,線路交換仍具有明顯的優(yōu)勢.比如在相同的活動概率P＝0.10的情況下,與DSLAM方案相比,線路交換方案可以減少80%以上的活動板數量.這意味著在不影響性能的情況下,線路交換使用更少的LT板,因此更多的LT板可以進入休眠狀態(tài),從而節(jié)省更多的能源消耗.

Fig.23 Active board ratio under varying load圖23 不同負載場景下的活躍LT板比率

4.2.2 資源利用率

在我們的線路交換方案中,可以基于所設計的線路調度算法根據不同線卡的負載情況將不同用戶的流量進行遷移和匯聚,以此提高部分線卡的利用率,同時可以將空閑出來的線卡設置為休眠狀態(tài)以此達到降低能耗的目的.圖24展示了DSLAM和線路交換2種方案在資源利用率方面的實驗對比結果.實驗表明:我們所提出的線路交換方案比傳統(tǒng)的DSLAM系統(tǒng)在資源利用率方面具有明顯的優(yōu)勢.比如,當每個端口活躍的概率為0.10時,線路交換方案的平均資源利用率是傳統(tǒng)DSLAM的7倍以上.

Fig.24 Average LT resource utilization圖24 LT板平均資源利用率

4.2.3 能源節(jié)約

線路交換方案有效地提升了硬件資源利用率,并盡可能地使更多的LT板進入睡眠狀態(tài),從而最大程度地降低了功耗.根據最近發(fā)布的歐洲寬帶設備能耗管理準則[35]的要求,每個DSLAM端口在滿功率情況下功耗應低于1.3W.基于該數據,我們假設每個DSLAM端口的功耗為1.3W,并且每度電(k W·h)的價格為0.1美元.假如某個運營商擁有500萬個用戶,則每年的耗電量成本為413.4萬美元.相比來說,基于4.2.1節(jié)的實驗結果,線路交換方案可以減少80%的活躍LT板數量,所以采用線路交換方案該運營商每年的電費僅需83萬美元,每年可減少330萬美元的電量費用開支.

由于線路交換是一個電控光交換設備,其功耗僅僅限于控制器等少量電路產生,具體的光交換則是由一個無源物理器件實現,根據相關文獻數據[36-39],目前的工藝水平下,線路交換作為電控光開關的功耗在3 m W乃至小于1 m W,而每個LT板的功耗至少12.5 W[40-41].假設一個OLT設備里有12個LT板,則LT板的總功耗是12.5W×12＝150 W,是線路交換功耗(假設取上限值3 m W)的150 W/0.003 W＝50 000倍.因此,由于引入線路交換而產生的額外的功耗成本相對于關閉部分LT板休眠節(jié)能所產生的效益幾乎可以忽略不計.

此外,對于匯聚到某一LT板卡的用戶線路來說,即使LT板滿配,它們仍然遵循標準的PON系統(tǒng)中下行帶寬上行時隙等控制協(xié)議,因此對于用戶帶寬和時延等QoS參數并沒有影響.

圖25描述了隨著端口占用概率P∈[0,0.20]的變化,在低流量負載情況下活躍LT板的能耗情況.根據實驗結果,相比DSLAM方案,線路交換方案大大降低了設備能耗.比如在P＝0.10時能耗降低了80%以上,隨著P值增加,能耗節(jié)省幅度會略有減少,這是因為端口占用概率的增加意味著活躍LT板的數量會增加,比如P值增加到0.20時,線路交換方案相比DSLAM方案可以節(jié)省70%的能耗.此外,圖26描述了高流量負載情況下活躍LT板的能耗情況.在高負載場景下(P值較大),相比DSLAM方案線路交換方案仍然可以節(jié)省5%～30%的能量.從圖25和圖26的2個實驗結果可以得出,相比傳統(tǒng)的DSLAM方案,線路交換方案大大降低了能耗,尤其是在低流量負載場景下.

Fig.25 Power consumption of active LT boards under light traffic load圖25 活躍LT板在輕負載場景下的能耗

Fig.26 Power consumption of active LT boards under middle/high traffic load圖26 Active LT板在中/高負載場景下的能耗

4.2.4 方案對帶寬/時延的影響分析

文獻[36-37]中同樣指出,光開關所帶來的時延往往在納秒級(10－9s),而傳統(tǒng)OLT的處理轉發(fā)時延一般在微秒級(10－6s),端到端時延一般是毫秒級(10－3s)到秒級.現有的PON協(xié)議是下行廣播,收到包后就廣播轉發(fā)到所有端口,因此下行只有物理轉發(fā)時延,轉發(fā)時延完全取決于硬件;本方案所引入的光開關所帶來的時延在納秒級,因此本文的方案對轉發(fā)時延的影響非常有限,幾乎可以忽略不計,即使通過OPNET等通用仿真器進行仿真也只能仿真到毫秒級別.

此外,PON上行帶寬是動態(tài)分配的,上行時延取決于各個ONU的上行數據情況,每125μs輪詢一次,根據OLT給ONU分配的上行時隙,輪到哪個ONU的上行時隙,就由哪個ONU發(fā),此時上行時延就依賴于有幾個ONU有數據需要上行,以及輪詢到目標ONU的等待時間來決定.本方案沒有改動任何上下行控制協(xié)議,因為該部分轉發(fā)時延不會受到影響.

同理,關于帶寬的開銷,無論LT板滿配與否,系統(tǒng)總帶寬以及用戶帶寬取決于PON系統(tǒng)的物理層協(xié)議機制以及ONU的上下行調度算法,而這些在我們的方案中都沒有涉及改動,給定優(yōu)先級及網絡資源需求的情況下,不管是否采用了線路交換,單個用戶的調度空間都是一樣的,因此本方案對于實際帶寬指標并沒有產生影響.

4.2.5 方案實際部署可行性分析

本文中引入的線路交換本質是一個電控空分光交換裝置,其開關矩陣按要求建立物理通道,使輸入端任意信道與輸出端任意信道進行相連,完成信息的交換.空分光交換技術就是在空間域上對光信號進行交換,其基本原理是將光交換元件組成門陣列開關,并適當控制門陣列開關,即可在任一路輸入光纖和任一路輸出光纖之間構成通路.空分光交換的可信器件是光開關,采用電光型開關具有開關速度快、串擾小和結構緊湊等優(yōu)點,電控光開關以及光交換器件已經在很多的實際系統(tǒng)中得到應用和驗證[33-34].本文所提出的方案跟現有方案的主要差別在于本文所提出的方案是實現在OLT設備內部,從這一點上來說,線路交換的方案和以上文獻方案具有同樣的可實現性和實用性.區(qū)別在于,本文的方案通過電控光交換技術實現ONU流量的動態(tài)匯聚從而減少活躍LT板卡的數目,進而節(jié)省能源消耗.

5 結 論

將控制功能抽象化并集中化實現可以將物理設備的復雜性轉移到集中計算池中,使這些控制功能更容易管理,并以軟件定義的方式有效地支持定制化需求.基于該理念,本文提出了一種全新的軟件定義的虛擬接入網絡體系結構SDVAN,實現了具有高擴展性、高資源利用率、低功耗的高效網絡管理.多個接入節(jié)點控制器實例的創(chuàng)建和隔離有助于跨多租戶實現虛擬接入節(jié)點的創(chuàng)建和資源共享.與傳統(tǒng)的接入節(jié)點設計不同,SDVAN將物理的接入端口與軟件處理單元分離,并進一步將傳統(tǒng)的專有接入節(jié)點設備簡化為可編程的虛擬節(jié)點,使物理設備更簡單、更穩(wěn)定.同時,得益于所實現的網絡切片能力,運營商每次更新接入技術時將不再依賴升級物理硬件.此外,新方案還為不同的接入技術(如ADSL,VDSL,G.fast,EPON,GPON)、多協(xié)議和多租戶提供了極大的靈活性.實驗結果表明,與現有的DSLAM解決方案相比,SDVAN的LT板使用數量降低了80%,平均資源利用率提升了5倍以上,節(jié)能30%以上,進一步證明了SDVAN的可行性和高效性.