軟件定義光網絡（SDON）發展前瞻*

紀越峰，張 杰，趙永利

（北京郵電大學 北京 100876）

1 引言

作為國家的重要信息基礎設施，光網絡在高速、寬帶、長距離超大容量傳送方面的優勢得到了充分體現。然而，伴隨著業務流量的爆炸式增長，單純擴容的方式將使光網絡難以承受能耗和成本的挑戰，期望光網絡能夠長出個“大腦”（如圖1所示），從而可以構建一個新型的智能光網絡，完成光網絡由固定剛性功能向靈活彈性能力的演進，通過對底層傳送能力的智能控管，實現對新業務的高效快捷支撐。

2 光網絡智能化之路

圍繞光網絡的智能化先后形成了三大技術路線，即自動交換光網絡（ASON）、基于路徑計算單元（PCE）的光網絡、軟件定義光網絡（software defined opticalnetwork,SDON），實現了由“分布式”控制平面向“集中式”控制平面的發展。

（1）自動交換光網絡

圖1 智能光網絡的控管概念

ASON首次提出在光傳送網中引入控制平面 （以GMPLS為基礎），將拓撲發現、路徑計算、資源分配、連接控制等功能從管理平面剝離出來，形成分布式控制平面，利用分布式的智能實現連接的動態建立、刪除以及快速故障恢復，從而實現網絡資源的按需分配。隨著網絡規模的擴大，ASON在大規模網絡的路徑計算、異構網絡的互聯互通等方面存在明顯不足，并且GMPLS協議過于復雜，在實際應用中的局限性較大。

（2）基于路徑計算單元的光網絡

IETF標準化組織于2006年提出了PCE技術。基于PCE的網絡結構和選路技術，將復雜約束條件下的路徑計算和流量工程功能從傳統控制平面獨立出來。作為網絡中專門負責路徑計算的功能實體，PCE基于已知的網絡拓撲結構和約束條件，根據路徑計算客戶（PCC）的請求計算出最佳路徑。采用相對獨立的PCE專門負責路徑計算，有利于增強網絡規模及路由機制的可擴展性，同時減輕大量計算需求對網絡設備的沖擊。但PCE功能比較單一，需要與其他技術協同應用。

（3）軟件定義光網絡

軟件定義光網絡指光網絡的結構和功能可根據用戶或運營商需求，利用軟件編程的方式進行動態定制，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。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，滿足多樣化、復雜化的需求，其核心在于光網絡元素的可編程特性，包括業務邏輯可編程、控管策略可編程和傳輸器件可編程，并支持彈性資源切片虛擬，因此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并降低成本。

3 SDON的引入

隨著云計算、數據中心的廣泛應用，各種寬帶新業務不斷涌現，由此產生的龐大數字洪流給作為信息基礎設施的光網絡帶來巨大挑戰。容量、成本、能耗、安全已經成為未來光網絡的制約瓶頸，單純提升單纖容量難以突破香農極限，而簡單地擴大規模則會帶來成本和能耗的急劇攀升。因而，光網絡的發展急需尋找新的突破點。軟件定義全光靈活組網能夠從根本上解決上述問題，通過在光層引入基于軟件定義的智能網絡，能夠使光網絡變得更加靈活，從而進一步釋放光網絡的帶寬潛能，促進網絡與業務的深度融合。

以連接過程為核心的閉合控制到以組網過程為核心的開放控制，從由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運營功能的緊耦合，這種模式轉變是SDON的核心思想，代表了光網絡技術與應用新的發展方向[1～4]。而智能光網絡從ASON到SDON的演進，也完成了從標簽到控制器、從分布到集中、從整體化到虛擬化的3項改變，從而實現了擴展性、靈活性、開放性的顯著提升。尤其是在靈活性方面，SDON比ASON更加適合多層域多約束的光網絡控制；在開放性方面，SDON的北向接口開放，允許各類業務編程應用，并且能夠控制軟件的在線升級，提高運維效率并降低成本。

4 SDON的使能技術

SDON的使能技術與特征主要表現為以下3方面，具體如圖2所示。

（1）軟件驅動的光路傳輸調節

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物理參數的在線調節，光路徑的物理屬性可實時監測、動態可調，從而實現光層智能。

（2）軟件編程的光路靈活交換

靈活柵格技術的出現打破了傳統波長通道固定柵格的限制，可以實現“四無”（無色、無向、無柵格、無阻塞）光交換。多維度的交換狀態使軟件編程控制的手段更為必要，通過與間隔無關的可編程ROADM技術，可以完成更精細粒度的光層交換和帶寬調整。

圖2 軟件定義光網絡使能技術與特征

（3）軟件定義的光層智能聯網

用戶需求的多樣化和寬帶化要求網絡具備資源快速提供和狀態高度重構的能力。以基于網絡虛擬化技術和網絡元素可編程化的軟件定義光層組網模型為依托，可以實現業務服務高質量與異構網絡資源的統一調度，促進多粒度業務網與大規模傳送網的融合發展。

5 SDON需解決的關鍵問題

將軟件編程的思想引入光網絡業務平面、控制平面和傳送平面，使光網絡體系架構不僅具備用戶業務感知的能力，還具備傳輸質量感知的能力。基于軟件編程控制的思想，可以實現光網絡元素（包括業務處理、控管機制、傳輸設備方面）的軟件可編程控制，從而全面提升光網絡的靈活擴展能力，解決傳統多層異構網絡面臨的多個關鍵問題。

（1）業務需求的復雜性與適配的高效性問題

數據業務的多樣性與突發性反映了業務需求的復雜性，對光網絡的承載能力提出了嚴峻挑戰。而承載網的大容量傳送管道與小規模交換樞紐的現狀造成了底層傳送能力的制約瓶頸，急需完善網絡對業務的高效適配能力。這就形成了數據業務需求復雜與傳送網絡適配不足的矛盾，由此衍生了業務需求的復雜性與適配的高效性的科學問題。通過SDON中網絡元素的動態調諧特性，對上層業務進行智能解析，并通過可軟件定義的“中間件”為上層用戶提供開放的數據和控制接口，以解決上述問題。

（2）異構網絡資源互連互通與安全控制問題

大規模異構網絡應用涉及應用層、網絡層、傳輸層資源的有效互通與聯合調度，通過構建跨層的控制架構與協議，實現異構網絡的信息互通與資源抽象，最終實現多層異構網絡資源的最優化利用，其中互連互通是實現上述目標的前提條件。而信息在多種類型網絡之間的流動勢必會引發安全威脅，這就形成了異構網絡信息高效互通與安全控制體制之間的矛盾，由此衍生了異構網絡的互連互通與安全控制的科學問題。采用能夠貫穿多層的統一控制流協議，加入安全控制機制和策略，以解決上述問題。

（3）傳輸設備的硬件特性與可編程控制問題

在業務自適應接入與處理機制、控制策略靈活可配的驅動下，底層的光傳輸設備也需要打破傳統的固定配置限制，發展為具備靈活可調的能力。然而傳輸設備的功能基本由硬件電路完成，這就形成了傳輸設備的硬件限制與功能靈活可調需求之間的矛盾，由此衍生了傳輸設備的硬件特性與可編程控制的科學問題。從軟件編程控制的角度出發，通過將部分傳輸功能從硬件剝離出來，轉由軟件編程完成，從而實現傳輸設備功能的靈活調諧。

圖3 AONI項目組織與技術要點

6 SDON研究與應用案例

（1）面向分組與電路融合的軟件定義網絡

利用OpenFlow協議可以實現分組交換與電路交換的統一控制。通過對異構網絡流抽象的虛擬化手段，可以實現分組與光網絡可重構化的集成控制管理目標，將時隙信息寫入OpenFlow流表中，實現通過控制器向電路交換機下達流表來觸發交換機進行交換動作，并完成相關實驗驗證。此外，利用電路交換中流的特性可以提供不同等級的分組數據流。

（2）基于OpenFlow的數據中心光互聯

開放性軟件定義組網與集成控制的需求越來越迫切，軟件定義網絡通過南向接口OpenFlow協議可以實現異構網絡的統一控制，在此基礎上，通過北向接口可以實現應用資源與網絡資源的聯合優化。因而，通過軟件定義方式可以實現數據中心之間的動態帶寬調整和靈活調度。在軟件定義的數據中心光聯網結構中，運營商將統一管理數據中心內部資源，再根據業務需求和資源狀態，對數據中心資源與網絡帶寬資源進行統一分配，實現實時調度和可編程化控制。

（3）國家“863”計劃 AONI項目

為深入開展SDON等方面的研究工作，國家“863”計劃/“十二五”國家寬帶網重點專項適時啟動了“新型超大容量全光交換網絡架構及關鍵技術研究”項目（簡稱AONI項目，如圖3所示），重點圍繞靈活光組網等4項關鍵技術內容開展深入研究，目前已在SDON的體系結構、彈性切片、光即服務、多域控制、資源虛擬和實驗平臺與功能驗證等方面取得了重要進展。

7 SDON的發展愿景

光層智能是未來光網絡發展的必然趨勢，從ASON到PCE，再到SDON，光網絡智能技術在不斷向前發展，光網絡也正逐漸從單純粗放性擴容向精細化智能處理的方向演進。在這一演進過程中，將控制面與傳送面分離、硬件通用化、協議標準化、網絡行為軟件可控、網絡應用靈活快捷，代表了未來光網絡的發展方向，前景廣闊。然而在“構建開放光網環境”理念的驅動下，要實現SDON的全部理念，任重道遠，不能一蹴而就，除關鍵技術以外，各廠商設備的壁壘、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。SDON中的局部技術可能會率先應用，但其全面發展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。

1 Channegowda M,Nejabati R,Simeonidou D.Software-defined optical networks technology and infrastructure: enabling software-defined optical network operations.IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,2013,5(10):A274～A282

2 Software-defined networking for transport networks.http://www.advaoptical.com,2014

3 Ji P N.Software defined optical network.Proceedings of ICOCN,Chonburi,Thailand,2012

4 張杰，趙永利.軟件定義光網絡技術與應用.中興通訊技術,2013(3)