軟件定義光網絡的機遇與挑戰

紀越峰

摘要： 提出軟件定義光網絡（SDON）是一種將軟件定義技術融入到光通信網絡的新型網絡，代表了未來的光網絡發展方向，其關鍵技術涉及到軟件定義光傳輸、交換和聯網等，其主要特征包括控制面與傳送面分離、硬件通用化、協議標準化、光網行為軟件可控、光網應用靈活快捷等。SDON在支撐新一代光網絡向智能高效、靈活調度、虛擬重構等方向發展進程中將發揮重要作用，應用前景廣闊，但目前尚處在發展初級階段，仍面臨很多挑戰和問題。

關鍵詞： 光網絡；軟件定義；傳輸；交換；聯網

Abstract： A software-defined optical network （SDON） is a new kind of network in which software-defined technology is integrated into optical communication networks. This is a promising trend for future optical networks. The key technologies are related to software-defined optical transmission， switching， and networking. The main features are control and transport separation， hardware universalization， protocol standardization， controllable optical network operation， and flexible optical networks application. SDON will play an important role in the development of next-generation intelligent optical networks forwards to high efficiency， flexible scheduling， and virtual reconstruction. However， there are many challenges and problems for SDON in the primary stage.

Key words： optical networks； software defined； transmission； switching； networking

軟件定義網絡（SDN）是業界近期的熱點話題之一，而光層上的軟件定義網絡稱為軟件定義光網絡（SDON），同樣引起了人們的廣泛關注[1-5]。在2014年3月舉行的全球光纖通信大會（OFC 2014）上，業界專家將SDON列為了首選焦點話題，可見其影響力之大。

1 SDON的出現

隨著網絡新業務的不斷涌現，各種信息交互量與日俱增，對于傳送業務的光網絡而言，滿足高速、寬帶、長距的超大容量傳送需求是其追求的永恒主題。但同時由于業務屬性的變化，尤其是業務的多樣性、動態性和突發性，對光網絡的智能性提出了新挑戰，如高突發業務要求光網絡具備動態適應能力，大規模聯網要求光網絡具備靈活擴展能力，變帶寬提供要求光網絡具備彈性調節能力等。

為實現智能光網絡，業界開展了長期的探索與實踐。到目前為止，智能光網絡已經歷了3個重要的發展階段（圖1）。

（1）自動交換光網絡（ASON）的提出（2000年）。

ASON首次將光網絡分成傳送、控制、管理3個平面，并通過引入控制平面（以GMPLS協議為基礎），采用分布信令/分布路由方式，重點解決連接控制等難題，以滿足自動交換的功能需求[6-9]。但由于ASON在大規模連接控制、復雜路徑計算、網絡開放性、設備互通性、以及降低成本等方面存在局限性[10]，而且GMPLS的標準也過于龐雜，因此ASON在應用推廣上受到較大影響。

（2）基于路徑計算單元（PCE）光網絡的提出（2006年）。

為更好地適應多層多域大規模光網絡的特點，互聯網工程任務組（IETF）將路徑計算功能從控制層分離出來，以獨立的單元形態即路徑計算單元出現[11-14]。 PCE采用分布信令/集中路由方式，重點解決受約束的層間和域間路徑選擇與計算的難題，以滿足大規模多層域的功能需求。但PCE主要定位于路徑計算，功能比較單一，并且還需要與其他技術協同應用。

（3）SDON的提出（2011年）。

SDON可以為各種光層資源提供統一的調度和控制能力，根據用戶或運營商需求，利用軟件編程方式進行動態定制，重點解決功能擴展的難點，從而實現快速響應請求、高效利用資源、靈活提供服務的目的，滿足多樣化復雜化的需求。SDON的主要特征在于其支持業務處理、控管策略和傳輸器件具備可編程控制的能力，從而完成光網絡元素狀態的可編程調諧[15]，因此SDON更加適合多層域多約束的光網絡控制，可有效提高運維效率和降低成本。

2 SDON帶來的技術進步

SDON的技術特征主要表現為光路傳輸調節可編程、光路靈活交換可編程、光路自動聯網可編程等方面[4]，具體表現為：

·光路傳輸調節可編程。通過光收發機波長、輸入輸出功率、調制格式、信號速率以及光放大器的增益范圍等參數的在線調節，使得光路可以成為一個物理性能可感知、可調節的動態系統。

·光路靈活交換可編程。通過支持靈活柵格的可編程可重構型光分插復用設備（ROADM）技術，打破了傳統波長通道固定柵格劃分，可支持全光匯聚與流量疏導，從而實現高譜效率、速率靈活的光路配置和帶寬管理。

·光路自動聯網可編程。SDON能夠實現異構設備的自動聯網，通過將器件、算法、策略與協議進行可編程控制，完成異構網絡資源統一控制與網絡整體行為動態調諧，并且可以通過開放的北向接口支持多種靈活的業務應用。

我們可以從不同的視角來分析SDON的意義以及其技術進步給人們帶來的影響：

·傳輸視角。SDON可以支持光傳輸損傷感知與質量評估，支持光傳輸可調單元的參數選擇，并且支持光傳輸的數字信號處理（DSP）算法性能控制。

·應用視角。SDON可支持北向編程接口，結構開放便于提供新業務、支持資源分片組合，策略開放便于新業務區分。

·網絡視角。SDON可支持光網絡的異構互聯互通，支持光網絡的統一控制調度，支持光網絡的分層多域優化，支持光網絡彈性多約束路由與頻譜分配（RSA），支持光網絡靈活運維和升級，支持光網絡層資源虛擬化，以提升資源利用效率。

3 SDON帶來的市場新應用

面對網絡結構、業務種類、帶寬速率、成本效率等多方面的挑戰，SDON能在一定程度上有效提升網絡的綜合性能，并能夠降低成本、增加靈活和提升效率（C.A.P）（圖2），下面通過3個案例說明SDON的優勢。

·在光接入、光傳輸、光交換、光聯網等方面均可帶來好的收益。例如：將OTN、ROADM等光設備采用統一靈活的節點架構，實現硬件處理通用化、軟件控制功能化，可減少設備制造成本并降低運營商的網絡建設成本和網絡運營成本等。

·將網絡應用開放化，可為數據中心定制光層流量均衡方案，為虛擬運營商提供光虛擬專網（OVPN），為新業務部署提供即時帶寬，為企業和個人客戶靈活定制網絡業務生成環境等。

·將光層器件和設備可軟件編程控制，實現自定義速率與碼型等，可為業務應用提供彈性管道，提升網絡運營效率，同時也便于實現網絡與設備的可擴展與平滑升級。

4 SDON面臨的問題與挑戰

SDON作為一項新技術，目前處在發展的初級階段，會面臨諸多問題，尤其是在光層上實現“可編程控制與資源虛擬化”更具有挑戰性。

·光層與電層屬性不同，并且粒度多樣，分層多域，異構互聯，因此光層SDN與數據SDN不存在一一對應關系，也無法全部照搬，因此SDON要對目前常規數據SDN進行擴展，以滿足光網絡在異構性和復雜性方面的特殊需要。例如：不同傳送體制下光層資源的差異化，不同結構下路由計算的限制性以及不同層域下連接控制方式的復雜性等。因此，簡單地將數據SDN思路與技術移植到光網絡中難以解決光網絡中的異構互聯、擴展性、靈活性和平滑升級等關鍵問題，需要為SDON開發出完全適用于光網絡的體系和相關協議。

·SDON光層硬件抽象復雜，不僅需要完成端口的抽象，還需要完成傳送、交換等多種類型硬件的抽象以及光層帶寬資源的提供，技術實現比較困難。

·SDON控制器作為核心部件之一，如何實現底層器件的可控性與上層應用的開放性，如何實現大規模集中式控管環境下的快捷準確性，以及自身的安全性和可靠性，都是尚待研究與實現的問題。

·SDON如何與數據SDN跨層協同和相互配合，實現物理融合和控制互通，目前也是個難點。

5 結束語

基于上述分析，可以得出以下幾個結論：

（1）光層智能是大勢所趨，傳送網變革也勢在必行，從ASON到PCE，再到目前的SDON，技術在不斷演進與發展，光網正逐漸從單純粗放性擴容到與精細化處理并舉的方向演變，預期SDON將給未來光網絡帶來變革，這種變革體現在降低成本、增加靈活、提高效率、開放快捷等方面。

（2）SDON的技術實現，在很大程度上取決于核心部件的支撐，有了智慧型的“大腦”，還要擁有可調可控的靈活“四肢”，并能實現高效的協同工作，這在目前尚未突破。

（3）要想實現SDON的全部理念，尚待時日，除關鍵技術以外，各廠家設備的壁壘、運營商的管理模式、與現網的關系、大規模集中控管帶來的風險等都是具有挑戰性的問題。

（4）SDON中的局部技術也許會率先應用（如軟件定義光傳送設備的性能提升），但其全面發展的步伐，最終由市場應用決定，尤其取決于在“光層”上的業務應用突破，以及跨層全網SDN的彼此協同和各類資源的統一協調。

（5）在“構建開放光網環境”的理念驅動下，實現光網行為軟件可控與光網應用靈活快捷等，代表了未來的光網絡發展方向，應用前景廣闊。

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