軟件定義光接入網

趙永利　吳家林　張杰

提出一種基于軟件定義的光接入網架構，可提升網絡資源利用率，實現業務靈活接入與高效智能調度。該架構通過采用軟件定義的光接入設備，可使接入網具備控制集中化、資源虛擬化、業務服務化等特點，進而降低網絡運維成本，提升用戶終端體驗，為構建下一代簡單、彈性、智能光接入網提供技術手段。

軟件定義網絡；光接入網；智能網絡

In this paper， we propose software-defined optical access networks architecture， which can improve resource use in an optical access network. This architecture enables flexible service access and highly efficient scheduling. With this technology， we can make the network with centralized control， resource virtualization and business services. In this way， network construction costs can be reduced， and user terminal experience can be improved. This also promotes simple， intelligent next-generation optical access networks.

software defined network； optical access network； intelligent network

當前，由各種智能終端設備、各種云服務、以及龐大的光纖網絡和無線通信網絡共同構成的全球互聯網爆發式發展，極大地刺激了網絡業務的日益多樣化與復雜化。同時隨著用戶對綜合業務通信需求的與日俱增，以及定制化、差異化需求的出現，光網絡的數據轉發面朝著超長距離、超大容量、超高速率的方向發展，控制管理面則朝著智能靈活、軟件定義、用戶交互、安全可靠、高效節能的方向發展。開放化和低成本成為未來網絡發展的核心目標。

同時隨著互聯網OTT（Over The Top）廠商的興起，傳統網絡運營商逐步“被管道化”，面臨“剪刀差”[1]困境。光接入網作為用戶接入互聯網的第一道門戶，是用戶網絡體驗的核心，是聯系業務與用戶的紐帶。隨著互聯網服務驅動網絡架構的變革，人們對光接入網提出了新的要求，需要進一步具備智能、開放、服務化等特點，而傳統的光接入網架構與技術難以滿足需求。

軟件定義網絡（SDN）是一種新型的網絡架構，旨在將網絡的控制與轉發相分離，并對底層設備實現可編程化控制，從而達到網絡開放與靈活配置的目標。SDN從架構上打破了傳統依賴專有網元形成的封閉、僵化的控制體系，降低了設備生產的成本，并簡化了運營，提高了網絡運維的效率[2]。目前SDN技術在光網絡中的應用也得到廣泛的關注，并形成了系列關鍵技術[3-5]。

SDN技術為光接入網的發展提供了新的思路，如控制與轉發分離、虛擬化以及集中控制等特點，使光接入網設備逐漸具備智能控制功能，進而支持由多臺設備協同組網，提供集成服務的能力[6]。本文提出了基于SDN的光接入網架構，并對其涉及的關鍵技術進行了分析，設計了軟件定義光接入網的典型應用場景。

1 軟件定義光接入網架構

軟件定義光接入網架構如圖1所示，包括應用平面、控制平面、設備平面3個平面。

設備平面指底層網絡設備，“傻瓜化”硬件只保留數據的轉發、策略的執行。傳統的路由計算、策略的分析生成功能上移到控制平面，設備平面通過集成OpenFlow協議向控制平面提供可編程接口[7]。目前設備平面與控制平面主流的通信協議是OpenFlow協議。

控制平面主要包括網絡操作系統，其中系統內核提供基礎的協議通信、系統服務管理。在網絡操作系統中，以網絡服務的形式完成控制平面的網絡核心控制功能，比如網絡拓撲結構、網絡狀態信息、異構網絡虛擬化、用戶認證、服務質量（QoS）保障、安全等模塊。

應用平面通過控制平面北向應用編程接口（API）接口實現更加復雜的應用層功能，如故障監控、資源調度、業務定制等應用。

軟件定義光接入網通常具有如下特點：

（1）控制集中化

隨著對下一代互聯網研究的深入，近年來軟件定義網絡成為國內外研究的熱點[7-8]，軟件定義網絡實現了網絡基礎設施資源的集中可編程控制，通過控制器的集中管理，使網絡策略可編程控制、網絡資源可最優化分配。

集中式的控制架構，將數據轉發層和控制層分離，接入節點的控制功能集中到控制器，通過硬件開放的可編程接口實現接入網節點“傻瓜化”，網絡運維管理“集中化”，賦予網絡運營商資源調配的靈活性，既可以減小網絡運營者的管理成本，又可以讓網絡更敏捷。

（2）資源虛擬化

光接入網技術標準復雜，異構網絡之間資源粒度和管理方式差異性較大，傳統的接入網運營方式都是以家庭物理端口為單位，導致資源利用率低，資源調度困難等問題，基于軟件可編程的虛擬化資源抽象機制，可以為網絡控制層提供統一抽象的資源接口，實現全網資源的統一管理、靈活調度，提升資源利用率，增強用戶體驗，降低網絡運營成本。

（3）業務服務化

隨著三網融合以及VoIP、IPTV等業務的普及，接入網需要具備全業務運營的能力，并且需要根據不同的業務需求與用戶需求采用不同的QoS與管理策略[9]。這在一定程度上加大了網絡的管理運營難度，但是受到傳統人工或半人工管理模式的限制，傳統的光接入網資源管理存在一定的局限性，同時也不能實時滿足業務動態變化的需求。

軟件定義光接入網通過集中式控制器統籌全網資源，實時調度網絡資源滿足業務多樣化需求，同時開放式網絡架構為應用層提供統一抽象的接口，簡化網絡應用的部署，加速網絡創新。

2 軟件定義光接入網關鍵

技術

軟件定義光接入網主要包括如下關鍵技術：

（1）網絡集中式控制技術

軟件定義集中控制網絡將底層異構的物理網絡抽象成統一的接口，以供上層應用進行統一的調度和管理。具體來講，可以將傳統的控制平面劃分為兩部分，一部分功能是與業務控制緊耦合，包括各種豐富的業務QoS策略和帶寬資源配置策略。另一部分功能是與設備控制緊耦合，主要指實現數據傳輸必須具備的控制功能。其中，公共功能部分可從控制平面中分離出來，構成集中式的網絡控制器，向下通過開放的接口協議與設備節點相連，向上作為網絡操作系統，了解全網資源信息，支持全網業務策略，在此基礎上可靈活實現控制平面功能的可重構性，能夠很方便地擴展各種業務應用和網絡運營功能。

（2）網絡資源虛擬化技術

由于諸多原因，光接入網標準復雜，技術與設備更新換代速度慢，直接導致光接入網成為一個復雜的異構網絡，利用軟件定義統一控制架構可以解決不同類型網絡的互連互通問題。然而，異構網絡資源的最優化利用[10]才是未來網絡追求的最終目標，其以網絡資源的虛擬化為實現基礎。通過網絡資源的虛擬化技術，可以實現異構網絡資源的統一管理和靈活調度。

針對以上問題，以異構網絡資源的高效利用為目標，實現異構網絡資源的統一抽象機理與映射機制，首先需要歸一化不同形態資源粒度，比如時分復用無源光網絡（TDM-PON）以時隙為粒度，波分復用無源光網絡（WDM-PON）以波長為粒度等，然后研究網絡資源調度算法和控制策略，通過集中式網絡架構實時獲取網絡狀態，結合資源分配策略達到全局最優化利用。

資源虛擬化技術目的在于實現光接入網資源的靈活調度，全局高效分配。接入網最核心的資源就是帶寬資源，傳統的帶寬資源分配技術，比如動態帶寬分配機制，根據終端的帶寬需求以及預先制訂的策略實現了光接入網局部帶寬靈活配置[11]。然而這種光線路終端（OLT）內部的動態帶寬分配機制并不能滿足整個光接入網帶寬靈活配置需求。一方面，傳統的動態帶寬分配機制依賴人工預先制訂的參數策略，只能實現一定范圍內的靈活性，實時性差，無法動態滿足終端帶寬需求；另一方面，傳統的動態帶寬分配機制只局限在單個OLT內部，缺乏多個OLT之間的帶寬靈活配置。

基于控制集中化和資源虛擬化的帶寬分配技術將突破傳統網絡架構的限制，以即時網絡狀態為支撐，洞悉網絡流量變化，以全局視角調度全網資源，實現網絡資源的高效利用和網絡設施的科學建設。

（3）業務靈活接入與服務質量保障技術

光接入網業務日益多樣化，為了節省網絡成本以及高效利用大容量PON網絡，運營商希望PON能夠承載更多的業務，比如P2P、IPTV、語音通話、無線backhaul等等[12]，而受限于落后的網絡業務QoS保障機制，運營商傳統的運營方式無法滿足業務定制化需求，逐漸淪為“管道”提供商，陷入“剪刀差”困境，如何向用戶提供定制化業務，對實現光接入網智能化意義重大。

傳統的光接入網標準對QoS做了相關的要求，包括對上行和下行業務流的業務分類，隊列調度，帶寬控制，保障在上行和下行方向均能根據服務等級協議（SLA）提供各種優先級業務的QoS[13]。滿足了光接入網承載多種業務的能力，能夠根據預先人工制訂的策略針對不同的業務應用不同的QoS，即在目前的技術框架下，網絡運營商可以通過網管軟件人工實現業務QoS的固定設置，但是人工網管式的QoS管理技術有很多致命缺陷，無法滿足日益增長的定制化需求。一是用戶的需求時刻在變化，人工固定式管理交付速度慢，以天為計量單位[14]，無法滿足迅速發展的網絡可定制化的快速交付能力需求；二是人工網管制訂的策略無法考慮到網絡的實時狀態，勢必造成策略的局限性，只能根據過去的統計數據或者最壞情況去制訂相關策略，沒有合理地調度網絡資源；三是人工網管式管理技術是分布式的，缺乏保障而且運營成本很高，網絡信息和策略的匯聚和執行速度慢[15]，缺乏集中式全局視角和統一的業務交付平臺，不能有效的利用網絡資源向內容服務商和用戶提供定制化業務。

軟件定義網絡將控制平面與數據轉發平面分離，并通過API接口實現硬件可編程，為實現敏捷QoS控制機制提供可能。

為了統一高效的業務流管理，本文基于OpenFlow提出了Service-Flow控制機制，將傳統的光接入網業務管理簡化為PON設備根據控制器下發的Service-FlowTable匹配業務以及執行相應的QoS策略。PON設備將無法識別的業務上報給控制器，控制器通過下發Service-FlowTable自定義地修改業務QoS控制策略，Service-FlowTable包括業務匹配域、端口匹配域和自定義策略域。基于軟件實現的控制器支持快速迭代開發，不斷支持新業務以及新策略。

靈活的QoS保障技術為快速業務定制提供可能，業務定制層以應用形式部署在SDN應用平面，企業用戶或管理員可以通過業務定制層提供的簡單交互界面隨時開通或修改定制業務服務，業務定制層實時更新定制業務庫。業務QoS保障模塊部署在控制平面，根據實時更新的業務策略與網絡實時狀態制訂最佳的業務QoS優先級及帶寬分配信息，控制平面與設備平面的通信協議基于標準的OpenFlow協議針對接入網進行適配。在設備平面中，將OpenFlow協議代理嵌入到底層接入網設備中，實現硬件可編程。

3 軟件定義光接入網的

應用場景

軟件定義光接入網主要有如下應用場景：

（1）全局可視化運維新模式

依賴于SDN的集中控制網絡架構，將大幅簡化網絡運維復雜度，光接入網設備完全可以做到即插即用，而且網絡故障的維護變為簡單的硬件更換。

對于故障診斷方面，可以通過上層應用生成自動化的測試用例，通過集中控制器進行網絡質量測試，并且可以任意指定測試的覆蓋率等參數，相比傳統測試儀器，不受地理位置的限制，更加快捷高效，并在用戶發現問題之前就能發現網絡故障以及性能瓶頸問題，提前解決問題，提高用戶體驗。

軟件定義光接入網實現了可管、可視、可擴展的高效運維平臺，打造網絡資源與業務質量全局可視化的新運維模式，并且為業務升級和網絡規劃提供即時數據支撐，大大促進了業務創新進程。

（2）面向用戶的網絡資源分配

傳統的接入網都是按照家庭物理端口為單位分配資源，沒有統一的用戶賬號系統，落后的資源分配方式已經滿足不了時代的發展，無法滿足用戶在任何地方享受同一標準的網絡服務，而當前用戶對于資源的靈活性需求越來越高；另一方面傳統的基于物理端口的分配方式資源利用率低，在一個比較大范圍的地理區域，總人口可以認為是相對固定的，但是人口流動性很大，同時總帶寬需求是比較穩定的，也就是網絡流量在不斷遷移，而網絡帶寬卻是固定的，為了滿足網絡流量的峰值和用戶體驗，必然造成網絡帶寬資源的極大浪費。如何讓網絡帶寬隨著網絡流量的遷移而動態分配，是一個亟待解決的技術難題，傳統的光接入網技術只能解決單一設備或者局部的資源分配，在更大范圍的網絡規模上，還沒有可行的技術方案。

軟件定義光接入網采用集中式控制架構，為全局資源最優化提供技術支撐，中央控制器掌握所有底層設備的實時流量信息和帶寬資源分配，全局動態分配帶寬，再加上應用層的用戶集中認證應用，可以實現在接入網中面向用戶的帶寬分配機制，用戶只需要購買一個賬號就可以在任何網絡覆蓋的地方享受完全一樣的有保障的網絡服務，運營商也可以最大限度的提高網絡資源利用率，大幅降低運營成本。而且用戶賬號系統是大數據時代的基石，有了賬號才能區分用戶行為，大數據才有意義，進一步可以提供更個性化的網絡服務。

（3）業務服務定制接入網絡

現在OTT業務面臨差異化服務的需求，服務定制將確保面向用戶的服務質量[12]。

2014年召開的中國未來網絡產業高峰論壇上，劉韻潔院士提出了服務定制網絡（SCN）的理念。闡釋了未來網絡發展趨勢：網絡控制與數據交換分離，強大的網絡資源調度控制能力，網絡為內容提供服務。同時這也是光接入網的發展趨勢，軟件定義光接入網將成為服務定制網絡的接入門戶。

互聯網發展沖擊著傳統運營商網絡，呈現出業務多樣化趨勢，因此要求網絡具有區分服務的能力。而接入網是端到端區分服務能力的瓶頸，基于軟件定義光接入網靈活的控制架構，利用業務靈活接入與QoS保障技術，構建服務定制網絡的入口，打造共贏生態圈，對下一代光接入網的發展具有戰略意義。

4 結束語

軟件定義光接入網是接入網領域帶寬提升之外的一個新興而且重要的研究方向，具有很大的研究價值和產業空間。本文圍繞光接入網控制集中化、資源虛擬化、業務服務化的新需求，從軟件定義的視角研究集中式控制網絡體系結構及構建方法，資源虛擬化抽象機制，以及定制業務QoS保障技術。在OTT業務和運營商的雙重推動下，軟件定義光接入網的應用將會成為未來接入網技術主流之一。

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