網絡革命拂曉：SDN進入智能寬帶接入網

北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室 | 吳家林 趙永利 張杰 顧畹儀

網絡革命拂曉：SDN進入智能寬帶接入網

北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室 | 吳家林 趙永利 張杰 顧畹儀

基于SDN的傳送網技術已經在學術界和產業界得到廣泛關注，然而接入網領域還沒有相關研究，事實上，SDN技術應用在接入網對運營商和用戶都意義重大。

當前互聯網流量的爆發式增長以及三網融合的不斷推進，寬帶接入網朝著全業務、高帶寬、易運行維護的方向發展已成為不可逆的趨勢，近年來，國內電信運營商不斷加大光纖接入網的建設力度，據電信業權威資訊機構Ovum預測，中國的FTTx用戶數到2015年將達7650萬，占全世界FTTx用戶數的50%以上。隨著FTTx技術大規模推廣，全網資源調度以及運行維護成本的壓力越來越大，繼接入網寬帶化之后，接入網的智能化將成為新的研究熱點，我們基于SDN提出軟定義智能寬帶接入網解決方案。

SDN/Open Flow：下一代互聯網架構的代表者

互聯網爆發式的發展已遠遠超出其最初設計者的想象，當前互聯網流量迅猛增長、承載業務日益復雜以及社會地位越來越重要，使得諸如安全性、穩定性、可控性等問題越來越尖銳，現代的互聯網架構已經無法滿足未來網絡發展的需求。傳統的解決方案都是將越來越多的復雜功能加入到互聯網體系結構中，例如組播、防火墻、區分服務、流量工程、MPLS等。這使得路由器等交換設備越來越臃腫而且性能提升的空間越來越小，同時網絡創新越來越封閉，網絡發展越來越緩慢。

Open Flow是美國斯坦福大學于2007年提出的一種支持網絡創新研究的新型網絡交換模型，該模型通過開放的流表支持用戶對網絡處理行為進行控制，從而為新型互聯網體系結構研究提供新的實驗途徑。被享有聲望的《麻省理工科技評論》雜志選為十大未來技術之一。目前，Open Flow受到了學術界和產業界的高度關注，Open Flow的推廣組織——開放網絡基金會（Open Networking Foundation，簡稱ONF）的成員基本涵蓋了所有網絡及互聯網領域的巨頭。

Open Flow將傳統的物理固定的硬件定義網絡改造成為了動態可變的軟件定義網絡（SDN：Software Defined Network）。而一個軟件定義的可控的互聯網，除了更加靈活以外，毫無疑問，通過恰當的控制算法，將大大提高網絡自身的健壯性、運行效率以及安全性，更重要的是基于Open Flow集中式控制機制的網絡操作系統將徹底改變當前路由交換設備的封閉性，在Open Flow網絡中部署一種新的路由協議或安全算法，僅需要在控制服務器上撰寫數百行代碼。Open Flow的核心思想是將原本完全由交換機/路由器控制的數據包轉發過程，轉化為由Open Flow交換機（Open Flow Switch）和控制器（Controller）分別完成的獨立過程。從而實現了數據轉發和路由控制的分離。如圖1所示，控制器可以通過Open Flow協議來控制交換機中的流表（Flow Table），從而達到控制數據轉發的目的。Open Flow交換機接收到數據包后，首先在本地的流表上查找轉發目標端口，如果沒有匹配，則把數據包轉發給Controller，由控制層決定轉發端口。

圖1 Open Flow網絡的組成結構

傳統寬帶接入網面臨巨大挑戰

接入網一直被視為信息高速公路的最后一公里，為了解決網絡寬帶化的發展“瓶頸”，電信運營商正在大規模推廣以無源光接入網（PON）為主的FTTx技術，接入網的光纖化有效解決了網絡容量“瓶頸”，而接入網的運維管理“瓶頸”卻未能有效解決。鑒于接入網建設成本巨大，升級改造極其困難，當前寬帶接入網面臨的諸多挑戰應該在建網之初就采取有效措施加以解決。

第一，接入網與骨干網融合不夠。隨著網絡技術的快速發展，接入網與骨干網技術相融合是必然的趨勢。而在現有的光接入網中，都是采用獨立的網絡管理平臺和技術，沒有和骨干網、城域網統一資源和管理信息，對通信的保護和恢復也沒有形成統一的機制，造成協議轉換復雜、傳輸效率低、缺乏統一的資源管控能力。接入網與骨干網的孤立也大大增加了電信運營商網絡管理的成本和難度，隨著網絡成本的不斷增加，電信運營商對網絡全局資源調度和集中管控的需求越來越迫切，將接入網與骨干網無縫融合起來，可以大大提高網絡效率，優化資源分配。

第二，接入網運行維護成本高，用戶體驗差。接入網的服務質量直接關系到電信運營商和用戶的切身利益。如何實現用戶的快速接入，快速故障定位及恢復，方便快捷地實現用戶終端的配置，提高用戶體驗，控制運營成本和提高網絡的收益率，已經成為接入網亟待解決的問題。傳統的接入網基本采用人工的方式進行管理，如用戶的開戶、業務辦理、故障處理等，這種管理模式需要大量的人力和物力，使接入網的運營成本居高不下，而且用戶體驗差。隨著FTTx技術的推廣，電信運營商應抓住機遇，提升網絡運營管理的智能化水平，全面提高用戶體驗，有效降低運營成本。

第三，缺乏靈活的異構網絡資源調度機制。當前光接入網包括EPON、GPON、WDM-PON、P2P-PON等技術，不同網絡之間兼容性差，網絡資源管控機制相互獨立，缺乏靈活的異構網絡資源調度機制，網絡資源利用率低，而且可擴展性差，不利于未來光接入網的統一管理和技術升級。

第四，多業務承載能力差，缺乏有效的端到端QoS保證機制。隨著三網融合進程的不斷推進，新一代寬帶接入網應具有保證服務質量（Quality of Service — QoS）傳輸多業務類型的能力。即要求以端對端的方式對數據、語音、視頻進行實時的高效地混合或并發傳輸。而現有的光接入網技術采取了與骨干網不同的業務分類和QoS保證機制，其業務QoS保證機制都局限于接入網本身，沒有與整個網絡的業務分類機制相對應，需要進行不同業務優先級的翻譯，造成協議復雜、效率低下，缺乏端到端的QoS保證。迫切需要將接入網和城域網、骨干網無縫的融合起來，形成統一的端到端的多業務QoS保證機制。

第五，接入網能耗居高不下。近年來，節能減排問題得到了全社會的廣泛關注。電信網的節能已經迅速成為電信研究領域的最熱點問題之一。最新報告顯示，接入網的能耗占整個網絡能耗的70%，雖然接入網單個設備的能耗遠不如城域網和骨干網設備的能耗，但是由于接入網的用戶基數大，所以其總能耗是非常巨大的。目前國內外已經針對EPON和GPON節能技術有了相關研究，但是受目前接入網架構封閉等因素的制約，實現機制都較復雜，還難以大規模推廣。

基于SDN構建軟定義智能寬帶接入網

針對當前寬帶接入網面臨的挑戰，為了滿足未來接入網全業務、高帶寬、易運行維護的發展需求，實現接入網與骨干網等異構網絡之間的融合互通，滿足接入網日益迫切的智能化需求，我們基于SDN提出了軟定義智能寬帶接入網解決方案，將寬帶接入網封閉孤立的架構轉變為可編程化、智能可控化、支持第三方應用的開放式架構，即在接入網中提供開放式的控制接口，實現可編程的智能管控平臺，當前寬帶接入網面臨的諸多問題即可迎刃而解。

在這種開放式控制體系架構中，可軟定義的控制器作為開放式控制架構的主體，是實現可編程功能的核心，控制器為上層應用提供統一的開發接口并通過開放式硬件控制接口與底層硬件交互，以實現可編程化控制和管理。

作為集中式控制架構的核心—Open Flow控制器，在整個架構中起著硬件資源抽象化的角色。將傳送網和接入網中的網絡設備虛擬化到控制器中根據預先制定的調度策略以及業務優先級安排資源分配方式，網絡運營者可以輕松的在這種架構中實現可軟定義的集中控制。

如圖2所示，在光接入網中引入Open Flow，就可以通過集中式的管理和控制平臺——網絡操作系統（如NOX），對多種異構光接入網絡進行統一控制和管理。如網絡管理、資源調度、多業務QoS保證、節能和其他第三方應用等，使得運營商可以從全網的角度對鏈路和帶寬資源進行有效的管理，提高網絡管理效率，同時也可以有效降低網絡管理的開發和維護成本。集中式的動態管控機制相比于傳統的人工網管系統更靈活，實時動態的監控和優化網絡配置，開放的網絡操作系統為未來的網絡運維帶來無限可能。

如圖3所示，基于SDN的軟定義智能寬帶接入網，將接入網和城域網、骨干網無縫的融合起來，形成統一的端到端的全網管控機制，可以直接建立端到端的轉發路徑，而不需要復雜的協議轉換，突破網絡性能瓶頸，實現端到端的QoS保證機制，對可視電話、視頻會議、視頻點播和遠程醫療等應用具有重大意義。基于SDN的軟定義網絡為接入網與城域網異構網絡的聯合調度提供統一的接口，開放的可編程接口，可擴展性強，大大降低了開發難度。

圖2 基于SDN的軟定義智能寬帶接入網網絡架構圖

圖3 軟定義接入網和城域網等異構網絡智能互通架構圖

SDN引領下一代接入網發展

與網絡領域的困境截然不同的是，計算機領域實現了日新月異的發展。PC工業已經找到高效通用的硬件底層(X86、ARM等架構)。在軟件定義方面，頂層(應用程序)和底層(操作系統和虛擬化)都在爆炸式地發展。

網絡創新亦需如此，軟件定義網絡（SDN）正致力于構建簡單通用的硬件底層與一個開放的上層編程環境：底層的數據通路（交換機、路由器）是“啞的、簡單的、最小的”，并定義一個對外開放的公用的API，同時采用控制器來控制整個網絡。未來的研究人員就可以在控制器上自由地調用底層的API來編程，從而實現網絡的創新。

SDN網絡旨在將網絡控制與物理網絡拓撲分離，讓網絡硬件產品不斷標準化、通用化，實現網絡可編程，這樣企業便可以擺脫硬件對網絡架構的限制，大幅降低網絡成本，網絡變得更加開放、智能、靈活。 在推崇“軟硬件分離，可管可控”的運營商的推動下，SDN將引領下一代互聯網技術革新。

基于SDN的傳送網技術已經在學術界和產業界得到廣泛關注，業界已經推出了多款Open Flow交換機/路由器和SDN解決方案，然而在接入網領域，還沒有相關研究，將FTTx技術與SDN結合，實現智能靈活、可管可控的寬帶接入網，進而實現接入網與城域網、骨干網等異構網絡的智能互通和資源聯合調度，對于運營商和用戶都意義重大。

網絡革命的拂曉，挑戰與機遇并存。在互聯網技術領域，中國一直是一個跟隨者，而且是一個沒有取得優良成績的跟隨者。軟件定義網絡的提出，涉及互聯網體系的深刻變革，為中國互聯網技術發展提供了難得的機遇。