软件定义光网络技术与应用

采用软件驱动的光路传输调节、软件编程的光路灵活交换、软件扩展的光路自动联网等关键技术，软件定义光网络可以满足对网元节点传输能力的灵活配置以及对业务带宽按需调度的要求，能够实现异构网络的统一控制、网络资源的虚拟化提供、面向数据中心的高效互联等应用，是支撑下一代光网络向高度智能化方向发展的重要方案。

光网络；软件定义；传输；交换；联网

With software-adjusted lightpath transmission， software-programmed lightpath switching， and software-scaled lightpath networking， a software-defined optical network can flexibly change transmission for optical network elements and on-demand allocation of service bandwidth. This is especially important for unified control over heterogeneous networks， virtualized resource provisioning， and datacenter networking. Software-defined optical networking is becoming an important way of heightening the intelligence of optical networks.

optical networks； software defined； transmission； switching； networking

光纤通信在过去的几十年间飞速的发展，各种节点、系统和组网技术层出不穷，单信道速率达到太比特每秒，通信规模与容量获得了空前提升。作为中国最为重要的电信基础设施之一，光网络在支撑社会信息化、宽带化建设方面起着举足轻重的作用。近年来，由于人-机-物信息交互量与日俱增，光网络的动态性和灵活性进一步增强，传统自动交换光网络/通用多协议标签交换（ASON/GMPLS）架构已不能满足这一要求，迫切需要探索新的智能光网络发展途径。

随着光通信技术的革命性进展以及光网络承载业务功能的不断变化，光网络的发展不再局限于简单的“刚性带宽管道”思维，而是出现了波长柔性化、业务增值化的趋势与特征。本文借鉴网络中流量工程的概念，提出了频谱工程和业务工程两类需求挑战。

（1）频谱工程

流量工程是网络研究的一项重要内容，可以解决将分组数据流高效率地映射到物理拓扑上的任务，并且能够改善业务质量，增强网络运行的效果和性能。流量工程主要描述的是针对时间域分组处理的策略和方法，不涉及与频谱相关的内容。传统波分复用技术受到固定频谱间隔、固定调制格式等限制，存在频谱利用不灵活和效率低下的缺点，难以满足未来大带宽、高突发的分组数据传送要求。灵活栅格技术的出现，使得光网络中频谱资源走出了固定分配模式，向按需带宽的弹性切片化方向发展。如何实现对频谱资源的利用能够像在时间域上的处理那样灵活，成为亟待解决的技术挑战。本文将这类需求统称为频谱工程问题。

（2）业务工程

以ASON/GMPLS为代表的智能光网络解决方案，其核心是交换自动化，侧重于针对连接建拆处理过程的控制，包括路由、信令、发现和链路资源管理等功能[1]。然而，连接并不等同于业务，业务的完成还包含丰富的业务提供逻辑。云计算和数据中心应用的出现，提出了虚拟化、可编程等新的挑战，推动光网络由控制平面智能向业务处理智能方向发展。传统光网络存在“重控制、轻业务”的问题，难以满足这一趋势要求，如何围绕以业务智能化为核心构建网络控制功能，迫切需要在机理上实现创新与突破。本文将这类需求统称为业务工程问题。

为了应对上述两项需求，扩展现有ASON/GMPLS是一种可能的做法。由于需要引入业务感知、损伤分析、层域协同、资源虚拟等新的策略与规则，ASON/GMPLS控制“胖平面”化的趋势更加明显，由此导致网络控制功能越来越复杂。如果能够把将部分智能性进一步从控制平面中剥离出来，这样将有利于提高光网络的整体资源利用效率，并增强更为灵活的业务提供能力。

软件定义网络（SDN）的出现为解决以上难题提供了一种行之有效的实现方案。美国斯坦福大学于2007年率先提出并开发了SDN/OpenFlow交换结构模型，可通过开放的流表支持用户对网络功能行为进行控制，为支持互联网创新研究建立了实验途径[2]。在InfoWorld于2011年11月公布的将影响未来10年的10项新技术中，SDN排名第二。SDN技术具有可编程能力的优点，能够很好地适应光网络统一、灵活、集成的控制需求。软件定义光网络的架构实现了由控制功能与传送功能的紧耦合到控制功能与运营功能的紧耦合、以连接过程为核心的闭合控制到以组网过程为核心的开放控制的模式转变，代表了未来光网络技术新的发展方向。

1 软件定义光网络关键技术

如上所述，SDN技术是对光网络智能化的延伸与增强，代表光网络的控制平面由单纯的交换智能向同时考虑传输智能、业务智能的综合方向发展。为了适应这一角色的变革，未来软件定义光网络需要攻克软件驱动的光路传输调节、软件编程的光路灵活交换、软件扩展的光路自动联网等3项关键技术。

1.1 软件驱动的光路传输调节技术

在传统ASON/GMPLS方案中，主要关注的是光路连接属性，即如何控制节点开关单元的状态，实现由源节点到宿节点之间端到端光路的智能建拆过程。其假设前提为“光通道的信号质量都是有保障的，所有链路和信道都具有标准的传输特性”。该方案只是满足了光路连接性的动态需求，对物理属性的动态调整与控制没有给出具体的解决方式。换句话说，ASON/GMPLS控制平面只是控制了光层开关的动作，而不包括其他可性能调节的光传送系统设备。然而实际光网络中物理损伤决定了信号传输质量，在选路和资源分配过程中都不能忽略，损伤感知（IA）技术成为重要研究内容之一。

IA技术提出以后，人们开始更多关注光路自身的物理属性。在基于IA的选路和资源分配算法中，即使可以找到一条符合连接需要的光路系统，如果其物理损伤的积累已不能满足信号传输性能要求，同样该路由不能被网络所接受使用。可见，IA技术不仅需要解决当前光路选择的可能性问题（指在拓扑上能够找到合适的路径并分配可用资源），还要满足可行性的要求（指光路的物理损伤不影响到信号传输质量）。

随着软件定义光学的发展，光纤通信系统中的模块与器件性能具备了可调谐能力[3]。光收发机的波长、输入输出功率、调制格式、信号速率、前向纠错码（FEC）类型选择等，以及光放大器的增益调整范围等参数都可以实现在线调节。光路已经发展成为物理性能可感知、可调节的动态系统。例如，我们可以根据需要改变光路的调制格式和编码列类型，以延长光信号的传输距离，或者减少占用的频谱资源。

1.2 软件编程的光路灵活交换技术

从业务需求上看，光网络应具备动态灵活地提供不同传输速率、不同带宽粒度的信号交换能力。波分复用系统中单波长40G、100G等传输接口已经不能满足当前路由器丰富的应用需要，支持子波长级别和超波长级别的交换能力成为实现多业务接入灵活性的迫切要求。传统基于固定波长间隔的可重构光分插复用（ROADM）技术只能提供波长通道的调度处理，难以满足各类业务不同的通信速率和带宽需求。

波长间隔无关的可编程ROADM技术在全光交换过程中的应用打破了传统波长通道50 GHz、100 GHz的间隔划分，可支持全光汇聚与疏导，为实现高谱效率、速率灵活的光路配置和带宽管理提供了全新思路。发展软件编程的光路交换技术，满足灵活栅格分配的要求，提出大容量、多维度、多方向的全光分插复用节点方案，设计具备方向无关、波长无关、竞争无关和栅格无关等特征的高度可重构节点交换结构，并通过采用高性能的可编程光路选择滤波集成组件等技术，支持网状网中不同间隔和码型信号的灵活交换处理。

1.3 软件扩展的光路自动联网技术

由于互联网应用迅猛增长，不同带宽粒度和性能要求的业务类型加载到光网络上，通过虚拟化实现业务到网络层面的高效映射、承载与调度变得十分重要。业务的多样性和时变性要求传送网具有更加灵活的带宽接入能力，这就意味着未来传送网需要提供多种粒度的业务接口，并能够为高度动态化的业务需求分配相应资源。同时，网络的分层、分域在很大程度上解决了大规模光网络的可扩展性，但是多层多域光网络本身仍旧面临着一定的体系扩展性问题，即在时间或者空间上扩展后，如何保证端到端的业务性能，具体包括路由可达性、路径计算收敛时间、建路时间、生存性和资源利用率等方面的性能[4]。当前的多层多域网络架构不能很好地解决网络扩展所带来的问题，亟须在新的体系架构上取得突破。

从基于网管的统一调度系统到基于分布式节点的智能控制平面，再到基于PCE的集中式路径计算服务，光网络的智能化经历了从集中到分布再到集中与分布结合的发展过程，面向软件扩展的光路自动联网技术成为未来演进的重要方向。为了突破大规模组网过程中所面临的“组网控制复杂与资源利用低效”问题，光网络控制体系势必需要完成“封闭”到“开放”的根本性改变，形成以“开放式灵活控制”为核心特征的软件定义光网络，其主要功能在于依托网络单元的软件可编程特性，即根据用户和网络状态需求，利用可编程控制的器件、算法、策略、协议，定制内核可高度重构化的网络支撑系统，提供开放式的管理与业务适配接口，实现异构网络资源的归一化调度与业务应用的高质量保证。

2 SDN标准化进程

目前，SDN的标准化工作还处于起步阶段，部分协议相对成熟，总体标准的研究还刚刚开始。从事SDN相关技术和协议研究的标准化组织主要是IETF/IRTF、ONF和ITU-T。

IETF早期有两个与SDN相关的工作组，分别是ForCES和ALTO工作组。2011年11月的第82届台北会议上单独设立了SDN BoF工作组，讨论相关研究成果和发展方向。提出了若干标准草案[5-9]，主要针对软件定义网络的基本架构和异构网络集成控制机制等，包括软件定义网络控制与不同粒度应用以及异构传送平面的接口定义、软件定义组网与相关应用等。2012年IRTF中首次开设SDNP工作组，从不同角度进一步推进SDN标准化进程[10]。

研究软件定义网络的另一个标准化组织是开放网络基金会（ONF）。ONF主导了网络操作系统和网络设备间的通信协议OpenFlow。OpenFlow是业界公认的主要SDN协议，目前已经了1.3版本。2012年11月，ONF研讨会上[11]从节点单元、光层交换、控制组网等不同角度对软件定义网络展开讨论。在物理层面上，提出了可灵活实现调制格式控制、速率调整以及OSNR等物理损伤补偿的软件定义架构；在光器件层面上，实现了可调整光路带宽和调制格式、FEC类型以及输出告警的软件定义光收发机，完成了可编程波长范围、输出功率和告警类型的可变增益放大器，讨论了可软件定义端口数量配置、波长范围和插入损耗的波长选择开关和光交叉连接器；在控制组网层面上，包括可编程控制网元配置与自动发现，网元状态检测、虚拓扑设计与重构，以及建拆光路与网络保护与恢复等重要的管控功能。由此看出，SDN技术对光网络中的应用越来越受到重视。在SDN主要协议OpenFlow架构中，为了满足光网络控制的需要，也在最新版本协议匹配域中加入了与光传输相关的参数。

ITU-T在SG13组设立了SDN的研究任务，相关工作在WP5组Q21研究。目前成立了两个项目Y.FNsdn-fm和Y.FNsdn，分别面向SDN的需求和框架。

3 SDN在光网络中的应用

软件定义光网络技术是满足下一代光网络高度智能化要求的重要解决方案，具有广阔的应用前景。

3.1 异构网络的统一控制

随着融合网络技术的发展，不同类型的业务和网络资源交织叠加在一起，形成了异构化的网络互联环境，加剧了全网业务控制与资源管理的实现难度。软件定义光网络方案能够有效地解决异构网络之间的互联互通问题。通过对OpenFlow等相关协议进行扩展，开发面向对象的交互控制接口，可以实现异构网络信息抽象化和跨层网络控制集成化，从而在接入网与核心网、数据网与光网络、有线网和无线网之间建立起具备统一控制能力的新型异构网络架构体系。

3.2 网络资源的虚拟化提供

网络资源的虚拟化提供技术可以更好地发挥网络基础设施资源的优势，通过开放的统一资源管理平台，使得对网络资源的利用达到最优化。基于虚拟化的网络体系结构，能够根据不同业务各自的应用需求，在保证服务质量前提下快速有效地接入与控制网络资源。借助SDN技术思想，各个设备厂商通过开发支持OpenFlow协议的通用化接口，为上层网络提供统一开放的控制操作功能，网络控制器将不同类型设备通过抽象算法和策略进行虚拟化处理，支持全网资源信息统筹和策略调度。当用户请求到来后，通过虚拟化的资源调度实现按需分配和实时管理。

3.3 面向数据中心的高效互联

云服务是未来互联网服务的主流模式，而云服务数据中心通过通信网络将数量众多的服务器和存储设备进行互联，并实现它们之间的高效协同工作，从而提供海量信息数据的存储和高性能处理，成为实现云服务的信息基础设施。运营商采用城域网或骨干网组成数据中心间互联架构实现城市内部或城市之间的数据信息高速互联。但这些连接的成本十分高价格昂贵，连接的资源没有得到充分的利用，不同颗粒度的用户带宽需求和时隙分配没有实现灵活调度。这使得数据中心之间光互联成为巨大挑战。如数据中心间的数据定期备份时需要额外的带宽传输，但是在其他时间大量的带宽就会被浪费。因此，需要通过软件定义方式实现数据中心之间带宽的动态调整和灵活调度。在软件定义的数据中心间互联架构中，运营商将数据中心内部资源统一管理（如计算资源、存储资源等），再根据网络中资源状态和业务粒度，将数据中心资源与网络带宽资源统一分配，实现实时调度和可编程化控制。

4 结束语

软件定义光网络需要攻克软件驱动的光路传输调节、软件编程的光路灵活交换、软件扩展的光路自动联网等3项关键技术，可以实现不同带宽要求业务定制，完成光网络设备配置、调制格式适配和带宽灵活分配，达到光层资源虚拟化与按需提供。随着软定义光网络标准化程度的提升和产业界的持续投入，其势必会给未来光网络的发展注入一剂“强心剂”。

参考文献

[1] 张杰， 徐云斌， 宋鸿升， 等. 自动交换光网络ASON [M]. 北京：人民邮电出版社， 2004.

[2] Open Flow News [EB/OL]. [2012-03-25]. http：///.

[3] FREUDE W， SCHMOGROW R， NEBENDAH B， et al. Software-defined optical transmission [C]//Proceedings of the 13th Anniversary International Conference on Transparent Optical Networks（ICTON’11）， Jun 26-30， 2011，Stockholm， Sweden. Piscataway， NJ，USA： IEEE， 2011：4p.

[4] ZHAO Y L， ZHANG J， ZHANG M， et al. Intelligent networking technology and experimental demonstration of large-scale heterogeneous optical networks [J]. China Communications， 2011，8（7）：12-20.

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[10] Internet Research Task Force （IRTF） [EB/OL]. [2012-07-12]. http：///sdnrg.

[11] Open Networking Foundation [EB/OL]. [2012-03-22]. https：///.