SDN助力光網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)深度融合

中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院│李允博

SDN助力光網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)深度融合

中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院│李允博

光網(wǎng)絡(luò)引入SDN架構(gòu)，可以統(tǒng)籌全網(wǎng)資源，快速部署業(yè)務(wù)，形成開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。而光網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的深度融合，同樣需要SDN這個(gè)聰明的“大腦”。

光網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信網(wǎng)的基礎(chǔ)，為我們提供各種業(yè)務(wù)服務(wù)，與我們的生活息息相關(guān)。5G、IoT、VR、高清視頻等對(duì)帶寬的需求將導(dǎo)致通信業(yè)發(fā)生一場(chǎng)自下而上的變革。光網(wǎng)絡(luò)是這場(chǎng)變革的基石，與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的深度融合是光網(wǎng)絡(luò)下一步發(fā)展的目標(biāo)。

上層業(yè)務(wù)對(duì)于光通信的需求主要集中在帶寬的有效提供上。何為有效?一是能夠保證帶寬足夠大，二是帶寬提供的及時(shí)性，再者就是在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)各種故障時(shí),保證帶寬的持續(xù)供給。在帶寬的量級(jí)方面，光傳輸系統(tǒng)其單通道傳輸速率經(jīng)歷了從2.5Gbit/s到10Gbit/s到40Gbit/s再到100Gbit/s的提升，正在實(shí)現(xiàn)向400Gbit/s和1TGbit/s的跨越。及時(shí)提供帶寬、應(yīng)對(duì)各種故障是組網(wǎng)的責(zé)任，而更寬、更快而又靈活高效、感知業(yè)務(wù)需求是光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，也是驅(qū)動(dòng)這場(chǎng)變革的動(dòng)力。

光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

光網(wǎng)絡(luò)近幾年發(fā)展迅速，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。除了滿足業(yè)務(wù)日益增長(zhǎng)的帶寬需求，如何高效組織、盤活海量的傳輸資源是光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展重點(diǎn)：首先如何有效消除業(yè)務(wù)安全隱患；其次是提高網(wǎng)絡(luò)資源利用效率，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活配置，動(dòng)態(tài)響應(yīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；最后是如何滿足數(shù)據(jù)中心、視頻等業(yè)務(wù)低時(shí)延傳輸需求，構(gòu)造傳輸精品網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，一方面需要業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)與光網(wǎng)絡(luò)融合，另一方面需要引入新技術(shù)創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)與光網(wǎng)絡(luò)融合，可以分為3步走：第一，加載動(dòng)態(tài)GMPLS控制平面，同時(shí)硬件升級(jí)，引入具備可編程能力的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；第二，用GMPLS UNI擴(kuò)展光網(wǎng)絡(luò)控制到業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層；第三，提供基于開放標(biāo)準(zhǔn)的可編程SDN接口。彈性、可擴(kuò)展的光網(wǎng)絡(luò)是未來部署SDN物理基礎(chǔ)。

在新技術(shù)創(chuàng)新方面，高性能光學(xué)器件和光路可編程使得光網(wǎng)絡(luò)更為靈活。SDN架構(gòu)下，基于CDC-F（波長(zhǎng)無關(guān)，方向無關(guān)，內(nèi)容無關(guān)，靈活柵格）物理器件和支持多種速率、多種調(diào)制方式的線路板卡，可實(shí)現(xiàn)將任意波長(zhǎng)無沖突調(diào)度到任意方向，覆蓋長(zhǎng)距、中距、短距多種應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化。光電混合的新型物理架構(gòu)使得光網(wǎng)絡(luò)擁有更強(qiáng)的調(diào)度能力，且降低整網(wǎng)功耗。

圖1 光網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

構(gòu)建適應(yīng)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)需求的光網(wǎng)絡(luò)安全體系

網(wǎng)絡(luò)安全需要業(yè)務(wù)網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)在保護(hù)恢復(fù)機(jī)制方面及進(jìn)行融合，目標(biāo)是以最經(jīng)濟(jì)的方式在合適的層面轉(zhuǎn)發(fā)、保護(hù)和恢復(fù)相對(duì)合適的業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)網(wǎng)的資源在于端口，光網(wǎng)絡(luò)的資源除了端口，還有鏈路。業(yè)務(wù)網(wǎng)擁有完善的MPLS恢復(fù)機(jī)制，光網(wǎng)絡(luò)擁有高效的保護(hù)和基于GMPLS的恢復(fù)機(jī)制。多層保護(hù)和恢復(fù)協(xié)同是充分利用整個(gè)IP/MPLS和GMPLS保護(hù)、動(dòng)態(tài)恢復(fù)機(jī)制：對(duì)于高可用性、需要快速恢復(fù)的細(xì)小流量，利用MPLS FRR來保護(hù)和恢復(fù)，例如高價(jià)值的EF流量（VoIP trunks）等，而在光網(wǎng)絡(luò)層面啟動(dòng)保護(hù)和恢復(fù)，可以不觸發(fā)IP層的收斂，例如數(shù)據(jù)中心上行鏈路等。

在底層基于OTN設(shè)備實(shí)現(xiàn)承載路由器業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中，路由器有路由收斂協(xié)議，OTN設(shè)備有ASON恢復(fù)機(jī)制，二者之間有不同的協(xié)同方式。

方式一：路由器和光網(wǎng)絡(luò)各自動(dòng)作-出現(xiàn)業(yè)務(wù)層面收斂和光網(wǎng)絡(luò)層面倒換的沖突，導(dǎo)致業(yè)務(wù)流量流向不可控；

方式二：設(shè)置路由器側(cè)不動(dòng)作，光網(wǎng)絡(luò)實(shí)施保護(hù)恢復(fù)-最終效果是以IP網(wǎng)絡(luò)盡量穩(wěn)定不發(fā)起路由切換或收斂為第一目標(biāo)，且斷纖時(shí)業(yè)務(wù)能夠容忍幾秒的中斷時(shí)間；

方式三：路由器一定延遲下的快速收斂-效果是以業(yè)務(wù)中斷時(shí)間短為目標(biāo)，達(dá)到快速收斂，且OTN網(wǎng)絡(luò)仍啟動(dòng)恢復(fù)，為路由器提供冗余資源。

圖2 光網(wǎng)絡(luò)分時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬資源

以上3種方式只能為業(yè)務(wù)提供業(yè)務(wù)網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)協(xié)同保護(hù)和恢復(fù)配置，不能做到業(yè)務(wù)所需生存能力的動(dòng)態(tài)配置。現(xiàn)網(wǎng)傳輸資源有多少之分：初期豐富，可以有大量資源作為冗余，后期承載業(yè)務(wù)越多，冗余越少；現(xiàn)網(wǎng)傳輸資源有忙時(shí)閑時(shí)之分：忙時(shí)冗余資源少，閑時(shí)冗余資源多。

融合的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源現(xiàn)狀，將自行判斷選擇是采用光網(wǎng)絡(luò)的鏈路資源還是業(yè)務(wù)網(wǎng)的端口資源作為冗余。此外，個(gè)別新增業(yè)務(wù)對(duì)于生存能力的需求與現(xiàn)網(wǎng)現(xiàn)存業(yè)務(wù)不盡相同的情況下，融合的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)識(shí)別并做相應(yīng)調(diào)整。能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整業(yè)務(wù)網(wǎng)和光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)配置，這也是對(duì)SDN的訴求。

業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)與光網(wǎng)絡(luò)亟待融合

業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)各自獨(dú)立，為提高資源優(yōu)化和運(yùn)維效率，需要消除業(yè)務(wù)、光網(wǎng)絡(luò)之間的運(yùn)行管理壁壘，主要實(shí)現(xiàn)兩大目標(biāo)。

●業(yè)務(wù)網(wǎng)和光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同實(shí)現(xiàn)分時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬資源

目前的業(yè)務(wù)網(wǎng)和光網(wǎng)絡(luò)完全分開運(yùn)維，傳送網(wǎng)的業(yè)務(wù)調(diào)度由業(yè)務(wù)部門的工單觸發(fā)，耗時(shí)以天計(jì)，同時(shí)人工配置存在較高的錯(cuò)誤概率，調(diào)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。未來面向數(shù)據(jù)中心的組網(wǎng)的重要特征是業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性要求高，業(yè)務(wù)存續(xù)時(shí)間可能僅數(shù)小時(shí)，如圖2所示，目前的人工配置速度無法響應(yīng)這種高動(dòng)態(tài)的要求。

基于SDN技術(shù)，對(duì)業(yè)務(wù)和光傳送網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)自動(dòng)部署以及感知業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)秒級(jí)到分鐘級(jí)的業(yè)務(wù)帶寬調(diào)整，降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維成本。

在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)帶寬瓶頸的情況下，以往需要在IP路由器配置BGP協(xié)議疏導(dǎo)部分流量到空閑的鏈路，同時(shí)需要以工單方式通知光傳送層并進(jìn)行人工調(diào)度以配合。基于SDN架構(gòu)和光網(wǎng)絡(luò)調(diào)度功能，自動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)瓶頸，按照預(yù)先定義的策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的流量調(diào)優(yōu)，以及波長(zhǎng)資源碎片管理，在不增加硬件資源的前提下提升系統(tǒng)有效容量。

●光網(wǎng)絡(luò)性能劣化提前告知業(yè)務(wù)網(wǎng)，采取預(yù)防措施減少損失

光網(wǎng)絡(luò)的漸進(jìn)式損傷對(duì)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)是不可見的，在這個(gè)漸進(jìn)過程中光網(wǎng)絡(luò)性能劣化還不至于影響承載質(zhì)量，但是一到達(dá)故障的邊緣，對(duì)于業(yè)務(wù)的損傷是瞬時(shí)且巨大的，業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)如何采取預(yù)操作來避免即將到來的光層故障，可以采用GMPLS UNI擴(kuò)展光網(wǎng)絡(luò)控制到業(yè)務(wù)網(wǎng)。當(dāng)下游或本地的OTN檢測(cè)到劣化故障生成劣化告警信號(hào)，這個(gè)告警信號(hào)以GMPLS UNI信令知會(huì)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。業(yè)務(wù)網(wǎng)被光網(wǎng)絡(luò)提前告知某個(gè)鏈路出現(xiàn)故障，業(yè)務(wù)網(wǎng)可以預(yù)先將業(yè)務(wù)從即將劣化的鏈路上切換到其他端口或鏈路。光網(wǎng)絡(luò)具備完備的性能實(shí)時(shí)監(jiān)控手段，先知先覺，傳遞損傷告警給業(yè)務(wù)網(wǎng)可以減少故障的影響。

圖3 光電混合交叉系統(tǒng)減少線路板卡配置數(shù)量的原理

干線傳輸節(jié)點(diǎn)技術(shù)至關(guān)重要

為更好地適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速開通，及時(shí)為突發(fā)事件調(diào)度帶寬，同時(shí)為了能夠滿足低時(shí)延業(yè)務(wù)的傳輸需求，在最短時(shí)間內(nèi)組織最短路由、經(jīng)過最少節(jié)點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)于業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)接，干線傳輸節(jié)點(diǎn)需要具備合適的交叉調(diào)度能力。

數(shù)據(jù)中心（DC）互聯(lián)的發(fā)展將成為整個(gè)干線業(yè)務(wù)發(fā)展的重點(diǎn)。DC間互聯(lián)主要業(yè)務(wù)有兩類，一類是有計(jì)劃行為的業(yè)務(wù)，比如DC間備份業(yè)務(wù)，可以提前規(guī)劃建立專線。一類是非計(jì)劃行為的業(yè)務(wù)，如大數(shù)據(jù)分析，這部分業(yè)務(wù)完全需要臨時(shí)建立，這類業(yè)務(wù)增長(zhǎng)較快，未來的占比將會(huì)增加，這塊業(yè)務(wù)需要傳送網(wǎng)動(dòng)態(tài)的快速建立。數(shù)據(jù)中心出口帶寬的增加，使得DC直連傳送干線網(wǎng)，業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的變化需要干線網(wǎng)從規(guī)劃到部署能夠快速適配。

集客專線業(yè)務(wù)也是近年發(fā)展快速的領(lǐng)域，集客業(yè)務(wù)突發(fā)性、隨意性較強(qiáng)，接入帶寬、拉入地點(diǎn)和開通時(shí)間上都存在不確定性，有時(shí)需要快速提供一些臨時(shí)應(yīng)急業(yè)務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)能夠快速適配專線的開通，并且能夠提供差異化的SLA服務(wù)。

干線傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要且增強(qiáng)交叉調(diào)度功能才能完成上述功能需求。光傳送網(wǎng)（OTN）設(shè)備具備交叉連接功能，為OTN網(wǎng)絡(luò)提供靈活的電路調(diào)度和保護(hù)能力。從交叉類型上，OTN交叉有基于ODUk顆粒的電交叉、基于波長(zhǎng)通道的光交叉，以實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)業(yè)務(wù)的適配和調(diào)度。

基于ODUk電交叉連接的大容量OTN設(shè)備，已經(jīng)成熟并通過測(cè)試，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)也得到規(guī)模應(yīng)用，目前最大可以實(shí)現(xiàn)32T的無阻塞交叉連接能力，在業(yè)務(wù)速率都為10G的應(yīng)用場(chǎng)景下，OTN可以靈活高效實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能，同時(shí)對(duì)功耗占比無任何壓力。但到了100G時(shí)代，基于ODUk電交叉的OTN設(shè)備，在擴(kuò)展性方面受背板總線傳輸性能限制，導(dǎo)致設(shè)備無法接入更多的業(yè)務(wù)板卡。其次，大交叉容量的OTN設(shè)備整體功耗增加，最多時(shí)超過20kW，突破了電信機(jī)房的供電、散熱所能夠承受的極限。

現(xiàn)有OTN設(shè)備支路側(cè)板卡和線路側(cè)板卡并不是1∶1配置比，線路側(cè)板卡的數(shù)量是客戶側(cè)4倍甚至5倍以上，如圖3中左邊的圖所示，通過預(yù)留100Gbit/s線卡才可以保證有足夠的線路資源為組網(wǎng)調(diào)度可用。能否在保證業(yè)務(wù)全部接入到系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，減少線路側(cè)板卡的預(yù)留數(shù)量，又能具備調(diào)度的能力，是降低OTN系統(tǒng)總功耗的突破點(diǎn)。在保留電交叉功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合引入光交叉功能成為擴(kuò)展交叉容量、減少線路側(cè)板卡數(shù)量進(jìn)而降低系統(tǒng)功耗，這是一種解決思路。如圖3右側(cè)的圖所示，通過電交叉接入業(yè)務(wù)，通過光交叉實(shí)現(xiàn)100Gbit/s線路向不同方向的調(diào)度。

SDN架構(gòu)下，光電混合交叉的核心思想是增加光交叉，在傳輸性能允許、且無波長(zhǎng)沖突的前提下進(jìn)行波長(zhǎng)級(jí)別的調(diào)度，同時(shí)可以在需要時(shí)靈活進(jìn)行電中繼，從而完全消除業(yè)務(wù)的傳送距離和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的限制。光電混合交叉技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是保留各自交叉的屬性，在合適的地點(diǎn)通過一定的操作進(jìn)行合適的交叉調(diào)度。通過SDN實(shí)現(xiàn)的光電協(xié)同，適時(shí)為某些波道進(jìn)行再生中繼和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，滿足業(yè)務(wù)端到端傳輸?shù)男枨蟆ｋS著對(duì)傳輸容量的進(jìn)一步需求，具備多種調(diào)制方式的線路板卡在硬件不變的情況下，通過在線軟件配置進(jìn)行線路提速，適應(yīng)不同速率波長(zhǎng)頻譜的靈活調(diào)整。

小結(jié)

新技術(shù)層出不窮，應(yīng)當(dāng)結(jié)合業(yè)務(wù)需求和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，將合適技術(shù)的最佳優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大。光網(wǎng)絡(luò)引入SDN架構(gòu)，可以統(tǒng)籌全網(wǎng)資源，快速部署業(yè)務(wù)，打破現(xiàn)有技術(shù)垂直整合的模式，形成開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。光網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的深度融合，需要SDN成為光網(wǎng)絡(luò)聰明的“大腦”，讓光網(wǎng)絡(luò)能夠感知所承載業(yè)務(wù)屬性，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)配置自動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自優(yōu)化，從而有的放矢，高效而安全地完成自己的任務(wù)。

編輯｜刁興玲 diaoxingling@bjxintong.com.cn