軟件定義光/包交換混合網絡的統一控制架構及關鍵技術研究

鄭小平+華楠

摘要：圍繞光承載網和IP數據網的互通問題展開論述，并基于對光承載網和IP數據網不同交換特點和定位的分析，提出了基于軟件定義光/包交換混合網絡的統一控制架構和關鍵技術，實現了跨IP數據網和光承載網的快速端到端無縫業務建立。

關鍵詞：網絡異構化；網絡動態互通；光承載網；IP數據網；軟件定義網絡；光/包交換混合網絡

Abstract： This paper discusses problem of connection between a core optical transport network and IP networks. We present a unified control architecture that uses some key technologies for hybrid packet-optical networks based on the analysis of their different switching features and positions to finally realize fast and seamless end-to-end connection.

Key words：network heterogeneity； dynamic network inter-connection； core optical transport networks； IP networks； software-defined networks； hybrid packet-optical networks

1 引言

隨著以信息技術為核心的新一輪科技革命正在孕育興起，網絡基礎設施建設成為保障國民經濟正常運行和創新驅動發展的先導力量。Cisco數據表明[1]，未來全球網絡的流量和聯網的終端數將急劇上漲。考慮到云計算服務、云存儲服務等新型數據業務的快速發展，網絡帶寬的需求將會持續高速增長。業務的高帶寬需求推動網絡朝著大容量、大規模、動態化和異構化方向發展。

網絡的容量和規模不斷擴大，其控制和管理將變得異常困難。同時，業務的動態實時性需求也給大規模網絡的管控機制提出了新的要求。當前，應對這種變化的主流思想是對網絡進行分域控制和管理。網絡根據功能用途、地理位置、管理區域和設備類型等因素被劃分為多個獨立的子網（域）。每個子網擁有私密的物理拓撲、技術細節、運營策略，且有可能屬于不同的網絡運營商，呈現出明顯的異構化特征。梅特卡夫定律告訴我們，網絡的價值與網絡規模的平方成正比，這就要求這些異構子網實現動態互通，以創造其最大價值。然而，網絡異構化嚴重影響了網絡動態互通，成為了阻礙網絡發展的重大“瓶頸”[2-3]。網絡異構化是一個廣泛的概念，它包含多個層次的含義，如核心光承載網的異構化、光承載網與IP數據網的異構化、固網與無線/移動網絡的異構化等等。解決網絡異構化帶來的網絡互通問題需要循序漸進，而并非一蹴而就的過程。

1.1 核心光承載網的異構互通

隨著核心光承載網規模的擴大和光通信技術的發展，其傳送平面、控制平面和管理平面不同程度地出現了異構化的趨勢。傳送平面的異構化來源于交換技術的不同和設備制造商的實現技術不同，控制平面的異構化來源于控制技術的發展程度不同，管理平面的異構化來源于底層資源的表述不同。在目前的多域光網絡環境中，子網傳送平面之間可以實現互通，保證光信號在異構傳送設備間順利地收發。然而，子網間的動態互通仍不能實現，主要在于異構子網控管平面之間不能實現互通[4-5]。

可實現多域光網絡動態互通的典型架構主要有集中式的統一網絡管控架構（GNMS）[6]和分布式的外部網間接口（E-NNI）管控架構[7]。

集中式管控架構采用集中控制器通過統一的北向接口連接各個子網的管控平面，從而實現全網集中控制和管理。在該架構中，集中控制器知曉全網資源信息，可在最大程度上實現跨域路由優化。然而，集中控制器存儲所有子網的資源和業務信息，不僅破壞了子網信息私密性，同時向集中控制器同步全網信息也極大增加了控制器負擔，限制了網絡擴展性。此外，由于各子網控管平面的私有接口和信令協議不同，北向接口開發的難度大，集中控制器設計也非常復雜。

與集中式管控架構不同，基于E-NNI的分布式架構通過子網間兩兩適配的方式實現互通，有利于網絡擴展，而采用子網拓撲抽象有利于降低子網間交互的信息量。然而，由于不同廠商的域內私有信令協議不同，因此很難定義一個滿足異構光網絡要求的通用域間信令接口，尤其是在多廠商情況下該問題更加顯著。即便E-NNI架構可以解決現有光網絡的異構互通問題，也難以保證其同樣適用于未來新出現的網絡技術。

為克服上述架構的缺陷，解決異構光承載網的動態互通問題，我們在2011年提出了基于域間連接控制單元（ICCE）和路徑計算單元（PCE）的異構光網絡管控架構（PIONEER）[8]及其關鍵技術[9-12]。PIONEER是一種域內集中與域間分布相結合的管控架構。該架構在通用域間管控平面中采用統一的域間通信協議，并引入適配平面消除了不同子網之間的異構性，從而能夠在保證良好子網信息私密性和網絡擴展性的前提下實現異構子網互通。2014年，我們基于PIONEER架構在商用設備平臺上實現了全球首次跨3個設備商路由域的端到端動態連接建立[13-14]。

1.2 光承載網和IP數據網的互通

隨著移動通信、寬帶接入、數據中心、云計算等數據業務的飛速發展，IP數據網的重要性與日俱增，僅實現核心光承載網的異構互通是遠遠不夠的。為了支持端到端數據業務的動態按需建立和靈活資源調度，光承載網和IP數據網的互通與融合至關重要且迫在眉睫：離開了光網絡的大帶寬通道建立，IP數據網將面臨高成本、高能耗和擴展性的“瓶頸”；同樣，沒有IP數據網的支持，光網絡過大的交換粒度將導致其巨大的帶寬資源無法被充分利用，并難以實現業務調度的高實時性和靈活性[15]。

然而，由于基于分組交換的IP數據網和基于電路交換的光承載網的交換機制和組網模式有本質不同，二者的動態互通和統一控制難度非常大，需要面對眾多技術挑戰。

近年來，在IP網絡領域興起的軟件定義網絡（SDN）概念為解決光承載網與IP數據網的互通融合提供了可行思路。然而，與單一IP網絡的控制不同，光/包交換統一控制架構需要考慮光網絡物理層的限制，例如光功率、物理損傷、信號可達性、連接建立速率、可用帶寬、交換粒度等[16]因素。同時，由光網絡與IP網絡的業務建立方式和延時差異導致的業務建立和故障恢復時的協同控制問題也是需要解決的“瓶頸”問題。已有研究表明，商用光承載網的業務建立延時即使在小規模情況下也將至少達到幾百毫秒到幾秒量級[13-14]，這對于IP數據網來說明顯過高，構成光網絡與IP網絡互通的巨大障礙。

針對上述光網絡與IP網絡互通問題，本文將對我們提出的基于軟件定義光/包交換混合網絡的統一控制架構和基于該架構的光網絡資源緩存技術進行介紹分析。

2 基于軟件定義的光/包交換

混合網絡的統一控制架構

2.1 光/包交換混合網絡統一控制架構

為了將基于IP網絡的SDN控制架構擴展至可支持光/包交換混合網絡，我們提出了全新的“超級虛擬路由器”概念。如圖1所示[17]。我們將每一個連通的同構或異構光承載網視作一個“超級虛擬路由器”，并通過一個支持OpenFlow協議的虛擬路由器代理與SDN控制器相連。采用這種架構，無需對現有基于IP網絡的SDN架構和協議進行本質改變或擴充便可實現光/包交換混合網絡的統一控制。同時，該架構保留了現有光承載網的控制平面，規避了SDN控制器對存在物理層限制的光承載網的動態控制難題。

2.2 網絡實驗和結果分析

我們搭建了光/包交換網絡實驗平臺驗證所提出的基于軟件定義的光/包交換混合網絡的統一控制架構。實驗平臺搭建如圖2所示，其包含2個IP路由域和一個光傳送網（OTN）域。其中，IP路由域由盛科V330 OpenFlow交換機和PC終端組成；在OTN域，通過思科商用交換機模擬OTN交換節點。整個光/包交換混合網絡由一個POX開源SDN控制器進行集中控制。

在該實驗平臺上，我們實現了從終端2到終端14的FTP業務和視頻業務的建立，并得到了其平均業務延時。我們對延時構成進行了分段統計（如圖3所示），可以很明顯看到，無論是FTP業務還是視頻業務，IP域和OTN域之間均存在著巨大的業務建立延時差異，后者貢獻了全部端到端延時的絕大部分。為了消除延時差異的負面影響并實現低延時光/包交換混合網絡，我們在所提出的光/包交換混合網絡統一控制架構中引入了光網絡的資源緩存技術。

3 核心光承載網的資源緩存

技術

3.1 光/包交換統一控制網絡的資源

緩存

光網絡資源緩存的概念于2008年被提出，其目的是吸收高強度瞬時業務負載對光網絡的沖擊[18]。我們將這個概念引入基于軟件定義的光/包交換混合網絡的統一控制架構中，以消除IP數據網和光承載網之間的巨大業務建立延時差異，從而實現快速無縫的業務建立。

基于資源緩存的光/包交換混合網絡業務建立如圖4所示。我們利用光網絡的一小部分資源建立“緩存區”（其余資源構成“負載區”），在緩存區預先為每個光網絡邊緣節點對（對應“超級虛擬路由器”的一組出入端口）建立一定帶寬的固定通道。

當IP數據業務請求光網絡帶寬時，首先利用這些固定通道為其提供臨時連接并傳輸數據（圖4（a））。由于該操作不存在建路過程，僅需對原/宿節點的入/出端口進行配置，因此延時很短。與此同時，利用光網絡控制平面在負載區為上述業務建立新通道，當新通道建立完成后，將緩存區的臨時連接切換至負載區的新通道，完成整個業務建立流程（圖4（b））。需要指出的是，由于切換過程不改變光網絡對IP網絡端口的配置，因此該過程對SDN控制器而言是不透明的，也就是說，SDN控制器對虛擬路由器和普通路由器的控制不存在本質區別。

如果IP數據業務集中到達導致光網絡緩存區無可用資源提供臨時連接，則直接在負載區為該IP數據業務建立新通道，這將大大增加端到端業務建立延時。可見，緩存區大小的分配對網絡性能影響十分重大。緩存區分配過大會導致網絡資源的浪費，而過小會增加業務平均建立延時，降低緩存作用。因此，需要建立分析模型確定合適的緩存區大小。

3.2 緩存命中率（BHR）分析模型

我們定義緩存命中率（BHR）[phit]描述緩存區的利用效率，它被定義網絡業務在緩存區成功建立的概率。如果可以推導出[phit]和業務到達率[λ]、服務率[μ]和緩存區大小n的解析關系，便可得到在一定業務強度下，滿足BHR下限的最小緩存區大小。

對于每一個節點對l，其在緩存區的業務建立過程可以用M/G/n/n Markov排隊模型來描述。可以證明，其系統穩態概率和M/M/n/n模型相同。我們用[plk]表示節點對l連續時間Markov鏈在狀態k的穩態概率（方程1）。其中，[λl]和[μl]分別表示節點對l的業務到達率和服務率。根據Markov鏈所有狀態的穩態概率和為1（方程2），可得[pl0]的表達式（方程3），進而推得節點對l的緩存命中率[plhit]（方程4）。全網緩存命中率[phit]可通過[plhit]的數學期望求得（方程5），其中，L和p（l）分別表示網絡中節點對的數量以及業務出現在節點對l的概率。如果業務均勻分布在各個節點對，則p（l）=L-1，且各節點對的到達率相同為[λ]。

3.3 性能仿真及分析

我們對采用了資源緩存技術的光/包交換混合網絡統一控制架構的性能進行了網絡仿真，并與理論結果進行了對比。仿真采用14節點NSFNET拓撲，同時假定所有IP數據業務均為GbE業務（在光承載網中映射為ODU0），符合泊松過程，并均勻分布在各個節點對。緩存區的大小設定為ODU0的整數倍。負載區的連接建立時間由實際信令傳輸延時、路徑計算時間、節點處理時間以及開關配置時間組成，后三者設備參數分別設置為1 ms、200 ms和5 ms[13]。

圖5對比了緩存區大小為1（ODU0）時緩存命中率的仿真與理論值。可以看到，由3.2節的BHR模型計算得到的理論值和仿真結果的吻合度相當高。當業務強度增加時，BHR值明顯減小，此時需要增加緩存區大小以獲得更高的緩存命中率。

圖6統計了采用和不采用資源緩存技術時，端到端業務建立延時的分布。可以看到，資源緩存技術顯著降低了業務建立延時，且低延時業務的比例隨著緩存區增大而提高。

4 結束語

網絡異構化包含多層次的含義，即包括核心光承載網的異構化也包括光承載網與IP數據網的異構化。解決網絡的異構互通問題是一個循序漸進的過程。目前，核心光承載網異構互通的解決方案和關鍵技術逐漸成熟，然而，由于交換機制的不同，IP數據網與光網絡的動態互通難度非常大，目前尚未解決。本文圍繞光承載網和IP數據網的互通問題展開論述，并對我們提出的基于軟件定義光/包交換混合網絡的統一控制架構進行了介紹，并且實現了IP數據網和光承載網控制的無縫融合。此外，本文還介紹了基于統一控制架構的光網絡資源緩存技術，極大的降低了光/包交換混合網絡的端到端業務建立延時。

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