基于SDON的虛擬傳送網業務研究

胡　騫　中國電信股份有限公司北京研究院工程師李俊杰　中國電信股份有限公司北京研究院教授級高級工程師荊瑞泉　中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師趙國永　中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師

基于SDON的虛擬傳送網業務研究

胡騫中國電信股份有限公司北京研究院工程師
李俊杰中國電信股份有限公司北京研究院教授級高級工程師
荊瑞泉中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師
趙國永中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師

軟件定義網絡（SDN）作為一種新型網絡架構已經得到信息通信領域的重視，利用SDN實現的網絡虛擬化技術很快在IP網絡中得到應用。目前，SDN架構已經成功地引入到光網絡領域，即軟件定義光網絡，而虛擬傳送網業務充分利用了軟件定義光網絡的虛擬化能力，對光傳送網資源進行抽象和整合，成為一種廣受關注的業務形態。本文圍繞虛擬傳送網業務展開研究，根據網絡開放能力的差異將虛擬傳送網業務劃分為4類，然后結合現網測試和試驗情況，介紹了目前研究實現的虛擬傳送網應用平臺及其主要功能。

軟件定義網絡；光網絡；虛擬傳送網

1　引言

軟件定義網絡（SDN）起源于美國的全球網絡創新環境（GENI）項目，當時在GENI項目資助的斯坦福大學的Clean Slate課題中，McKeown教授研究團隊提出將Open Flow的概念用于校園網絡實驗創新，使控制層面與轉發層面分離，允許不同的創新實驗網絡在GENI計劃搭建的試驗網平臺上進行切片（Slice），不同網絡切片之間相互隔離，通過網絡虛擬化達到驗證新型網絡架構或協議的目的。目前，SDN技術已經成為信息通信領域最熱門的技術之一，SDN商業化也隨著Google B4項目的落地而加快了進程，從校園實驗網絡到廣域網，從數據中心內部組網到數據中心互聯，從傳統通信領域到互聯網領域，SDN呈遍地開花之勢。然而，回顧GENI計劃中SDN理念提出的初衷，網絡虛擬化依然是SDN技術能夠為網絡帶來的最大收益之一。

SDN技術的基礎是數據平面和控制平面的分離，通過一個集中式的控制器對網絡進行統一控制和資源調度，并利用開放的南向接口協議（如OpenFlow）與數據平面通信。這種設計理念同樣適用于光傳送網，即所謂軟件定義光網絡（SDON）。在傳統的傳送網架構中，業務下發、帶寬調整等功能都需要人工完成，而引入SDN以后，可以利用控制器進行集中式管理。不僅如此，在光傳送網中，控制器由于同時與多個底層設備互聯和交互，可以實現資源的統一調度和管理，這也為實現虛擬傳送網業務奠定了基礎。虛擬傳送網業務利用SDON的網絡虛擬化能力，為大客戶或虛擬運營商提供虛擬傳送網服務，使客戶擁有專屬的傳送網。在給定的虛擬網絡中，客戶可以完全控制連接的建立/修改/刪除，實現連接路由的選擇、業務保護恢復方式的設定和業務性能查詢等功能。

早在2013年，AT＆T就制定了Domain2.0計劃，致力于運用SDN和網絡功能虛擬化（NFV）技術重構網絡架構，計劃中重要的一步就是推出“隨選網絡”，允許客戶根據不斷變化的需求管理網絡。截至2015年底，中國電信已經擁有1.1億以上固網寬帶用戶，而專線業務作為一種高價值業務形態也一直是中國電信的三大核心業務之一。近期中國電信提出CTNet2025計劃，網絡重構將成為中國電信未來10年的工作重點之一。如何利用SDN技術打破僵化的傳統網絡架構，重構網絡使網絡資源虛擬化、細粒化，通過網絡能力開放使用戶能夠享受更快速、更智能、更靈活的網絡，亦是中國電信希望CTNet2025能夠實現的愿景。虛擬傳送網業務（VTNS）作為一種基于SDON技術實現的業務形態，能夠以傳送網資源虛擬化的方式向用戶開放業務管理、拓撲管理和性能監控等多種網絡能力，使專線客戶享受定制化的網絡服務，相信對VTNS業務的研究和探索也將成為網絡重構中不可或缺的部分。

本文首先介紹軟件定義光網絡，然后對基于軟件定義光網絡的VTNS進行歸納分類，最后結合現網試驗情況介紹虛擬傳送網業務的實現。

2　軟件定義光網絡

SDON是SDN技術在光傳送網領域的應用。與傳統SDN網絡架構不同的是，與數據網絡中的交換機設備相比，傳送網網元接口的標準化程度還不夠高，這導致由控制器直接管理和控制網元尚有難度，目前業界的普遍做法是，由廠商開發各自的單域控制器，并對底層設備進行抽象，基于單域控制器的北向接口開發多域控制器，屏蔽底層設備細節，在業務層面對網絡進行管理。圖1所示為一種典型的SDON網絡架構，其物理層由光傳送網（OTN）設備組成，A子網和B子網來自不同廠商，通過控制數據平面接口協議（CDPI）與各廠商的單域控制器連接，然后統一由多域控制器進行編排和管理。這種分級的控制器架構可以屏蔽廠商差異和網絡復雜性，對網絡中的節點、端口、鏈路、帶寬等資源進行統一的編排和管理，向北向應用層提供抽象后的網絡資源池。

由圖1可以看到，網元管理系統（EMS）/網絡管理系統（NMS）與SDN控制器是分離的，但與各級控制器之間有交互。這是因為網管系統與SDN控制器各有分工，SDN控制器只負責管理與業務相關的部分，而并不關注物理層設備的故障分析和告警、日志記錄等傳統網管需要負責的部分。盡管如此，未來隨著SDN技術的發展，控制器與網管的逐步融合也將成為一種趨勢。

3　VTNS分類

VTNS是基于0～2層傳送網資源虛擬化而提供的一種網絡服務。在VTNS中，物理層的傳輸資源會被切片，然后以一種抽象的方式分配給不同的VTNS用戶。不同的VTNS用戶在服務等級協議（SLA）、拓撲、運營/管理/維護（OAM）、保護恢復等方面的需求亦會存在差異。通過對物理層傳輸資源的切片，不同用戶可以擁有控制和管理虛擬網絡的權限，從用戶視角來看，感受不到虛擬網絡與獨占物理資源的區別，如圖2所示，企業用戶A和B利用SDON技術在中國電信的傳送網中分別獲得不同的資源切片，形成了專屬的虛擬傳送網。VTNS提供給用戶的將不僅僅是一個連接，而是一種網絡服務，用戶可以虛擬網絡層面可以根據自身需求使用合適的路由算法，也可以通過軟件的配置對業務進行創建、刪除和修改；根據權限的不同，用戶還可以設置保護鏈路或使用OAM功能。基于光互聯網絡論壇（OIF）的VTNS規范，根據網絡能力開放程度的差異，本文將VTNS劃分為4種類型，下面分別進行介紹。

圖1　SDON網絡架構

3.1固定連接業務

這種等級的VTNS是最基礎的業務模式，它通過對物理資源進行切片的方式向用戶提供了以太網連接服務，但并沒有向用戶開放控制和管理權限。如圖3所示，從用戶的角度來看，盡管網絡提供了專線業務，但并沒有把網絡細節暴露給用戶。

3.2動態連接業務

在動態連接業務中，允許用戶對業務進行動態管理，例如實現彈性帶寬（BoD）等功能。網絡中與用戶相關聯的端口是對用戶可見的，這也使網絡從用戶視角來看可以視為一個虛擬的網元，如圖4所示。在動態連接業務中，用戶可以靈活地對業務進行創建、刪除、調整，但由于VTNS網絡只將端口暴露給了用戶，實際上開放的網絡能力有限，用戶也無法感知網絡拓撲層面的信息。應該指出，除了將接入端口暴露給用戶以外，還有另外一種實現動態鏈接業務的方式，即將用戶接入的網絡邊界節點暴露給用戶，與前者相比，這種方式可以提供更大能力的網絡開放，比如允許用戶在網絡邊界節點上的多個端口之間進行選擇，或者利用不同端口同時建立多條業務等。

圖2　VTNS業務場景示意圖

圖3　固定連接業務

3.3固定虛擬網絡業務

與前面兩種VTNS業務類型不同，固定虛擬網絡業務提供了更大能力的網絡開放，它將網絡的拓撲細節呈現給了用戶，除了允許用戶進行業務的創建、修改和刪除以外，還支持以顯式路由的方式下發業務，以滿足用戶的個性化需求。但在固定虛擬網絡業務中，拓撲本身是提前配置好的，并不允許用戶在使用過程中進行動態地調整，如圖5所示。

圖4　動態連接業務

圖5　固定虛擬網絡業務

3.4動態虛擬網絡業務

動態虛擬網絡業務是在固定虛擬網絡業務的基礎上，進一步將拓撲的管理和控制能力向用戶開放，不僅允許用戶對業務進行創建、添加和刪除，還可以對拓撲進行靈活地配置，例如根據實際需求申請添加一個虛擬節點，如圖6所示。與前面3種業務類型相比，動態虛擬網絡業務最大程度地實現了網絡能力開放。

圖6　動態虛擬網絡業務

4　虛擬傳送網業務的現網試

基于前面介紹的SDON網絡架構，我們自主開發VTNS應用平臺（以下簡稱VTNSApp），實現了動態虛擬網絡業務，界面如圖7所示。下面以在某省公司的現網試驗工作為基礎，結合客戶用例介紹虛擬傳送網的功能。

圖7　VTNS應用界面

假定某客戶申請VTNS業務，開通虛擬傳送網，并在虛擬傳送網基礎上實現業務開通、管理和維護。申請開通VTNS的大體流程如下：

（1）運營商利用自主開發的運營APP為客戶創建一個VTNS帳戶，并開通相應權限（網絡配置用戶、網絡監視用戶）。

（2）運營商根據客戶的需求進行網絡資源的分配，包括節點、鏈路和客戶側接口，并為客戶建立初始拓撲。

（3）客戶利用分配的帳戶登錄VTNSAPP，即可查看初始拓撲，如圖7所示。

在VTNS業務開通以后，用戶從虛擬網絡中獲取到的網絡能力包括：

（1）自定義拓撲：客戶可以在VTNSAPP中進行增加、修改、刪除節點或鏈路的操作，對初始拓撲進行修改。

（2）自定義SLA：VTNSAPP提供“無保護”（銅級）、“重路由恢復”（銀級）、“1+1保護”（金級）3種選擇，客戶在創建業務時根據需要進行自由選擇，銀級和金級的中斷時間分別為s級別和ms級別。

（3）創建業務：在VTNSAPP中，根據需求在指定的節點（支持點到點、點到多點）間建立業務，端口類型和速率均可自定義，利用VTNSAPP建立的業務會通過控制器下發到物理設備。

（4）刪除業務：當不再需要某個業務時，在VTNS APP中進行業務刪除操作，利用VTNSAPP刪除的業務會通過控制器下發到物理設備，釋放物理資源。

（5）預約創建/刪除業務：當客戶需要在特定時段開通業務時，可以利用VTNSAPP進行預約創建，并設定預約創建時間和預約刪除時間。

（6）實時調整帶寬：當客戶需要對帶寬進行調整時，可以利用VTNSAPP對業務帶寬進行實時調整，以達到擴大容量或節約成本的目的。

（7）預約調整帶寬：當客戶需要對帶寬進行調整，但希望帶寬的調整僅在特定時段生效時，可以利用預約調整帶寬的功能來實現，設定預約調整的起止時間，業務帶寬會在預約時間開始時自動調整，并在預約結束后恢復帶寬。

（8）業務管理：客戶可以利用VTNSAPP查詢業務信息，包括路由、速率、端口資源、狀態、保護恢復狀態、連接建立時間、連接拆除時間等。此外，還可以查詢6個月以內被刪除的歷史業務信息，包括業務名稱、帶寬、保護方式、持續時間等。

（9）性能測量：客戶可以在VTNSAPP中以圖形和表格的形式查詢選定業務的性能，性能參數包括吞吐量、時延和丟包率等。

（10）計劃性業務中斷通知：當運營商需要對光纖或設備進行割接時，會向VTNSAPP推送“計劃性業務中斷通知”，并根據涉及業務的SLA等級，向客戶提示業務中斷時間、割接的起止時間。

圖8為VTNS業務開通以后的性能測量界面，通過對吞吐量的實時監控，可以在VTNSAPP中看到業務流量的實時變化情況，這為用戶調整業務狀態，甚至對虛擬拓撲進行修改提供了可靠依據。

圖8　吞吐量實時監控

5　結束語

SDN作為一種信息通信領域的熱門技術，已經在光傳送網領域得到廣泛用。本文研究了在SDN光傳送網基礎上實現VTNS業務的問題，根據網絡能力開放程度的差異將VTNS劃分為4種類型，然后對VTNS的現網試驗情況進行介紹，結合客戶用例闡述了目前實現的VTNS業務主要功能。中國電信作為國內最大的固網運營商，在充分利用現網經驗探索基于SDON創新業務模式的同時，也一直致力于聯合國內外運營商和設備商積極推動VTNS業務的標準化。VTNS作為一種面向專線客戶的業務，充分利用SDON的網絡虛擬化能力，對物理網絡進行切片并進行資源的抽象和整合，為用戶以虛擬化的方式提供專屬傳送網服務，最大限度地利用了傳送網資源。對VTNS業務的研究為網絡重構計劃過程中業務模式的探索提供了有力的技術支撐，VTNS也將成為未來傳送網領域重點關注的研究方向之一。

［1］Jain，Kumar，Mandal，et al.B4：Experience with a Globally deployed Software Defined WAN［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review.2013，43（4）：3-14.

［2］McKeown，Anderson，Balakrishnan，et al.OpenFlow：enabling innovation in campus networks［J］.ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2008，38（2）：69-74.

［3］OIF.Programmable Virtual Transport Network Services Specification.oif2015.365.00：OIF，2015.

［4］荊瑞泉，楊玉森.傳送SDN在網絡運維自動化中的應用探討［J］.電信技術，2014，4：002.

Research of virtual transport network service based on software defined optical network

HU Qian，LI Junjie，JIN Ruiquan，ZHAO Guoyong

As a novel network architecture，Software Defined Networking（SDN）has received extensive attention in information and communication technology（ICT）area，and the technology of network virtualization realized via SDN is applied to IP network rapidly.Nowadays，SDN architecture is also used to reconstitute optical transport network，which is the so-called Software Defined Optical Networking（SDON）.Virtual transport network service（VTNS）makes full use of the virtualization ability of SDON by abstracting and integrating the resources in transport network.In this paper，the research focused on VTNS.Firstly，VTNS was classified to four classes according to the degree of opening network abilities，and then the VTNS application and its main function were introduced，which have been tested and verified in the fieldtrial.

SDN；optical network；virtual transport network

（2016-06-27）