基于軟件定義網絡技術的寬帶接入網演進方案研究

□ 文 范清棟 王克銓 陳國信 曾秋輝 陳 兢

1 GPON存在的問題

目前，寬帶運營的方式主要以帶寬出租為主，這種粗放的運營方式既無法提供高附加值的增值業務，也無法進行端到端的差異化運營，更無法滿足用戶在網絡質量、業務體驗等方面的需求，主要問題如下：

（1）GPON組網結構復雜，設備部署分散，類型繁多，業務與BAIS、OLT、MDU等設備強耦合，導致了用戶無法快速接入、故障無法快速定位、網絡運維成本高等問題。

（2）GPON作為寬帶接入網，與骨干網扁平化和融合程度不足，網間協議轉換復雜，傳輸效率低下，缺乏統一的資源管控和調度能力。

（3）GPON對大流量、高保障等業務承載能力弱，缺少有效的端到端QoS保障機制。現有QoS機制各自為陣，沒有將接入網和城域網、骨干網無縫的銜接起來。

（4）GPON在業務運營方面自動化程度不足，需大量人力物力支撐，運營成本高，操作周期長，用戶體驗差。

（5）GPON設備量大，分布廣，能耗高，對運營商降本增效形成巨大挑戰。

鑒于以上問題，亟待一種手段突破技術瓶頸，解決GPON面臨的帶寬利用率低、業務體驗差、部署低效、運維復雜等問題，實現網絡資源與業務熱點的協同，提升網絡效率和用戶滿意度。

2 SDN技術特點

軟件定義網絡技術（SDN）是一種比較先進的網絡虛擬化方式，是下一代網絡演進的一個重要方向。它通過將網絡抽象化，將網絡控制與數據轉發進行分離，同時面向應用層提供開放的軟件接口，支撐應用對網絡能力的直接調用，實現網絡可編程。此外，SDN通過硬件的標準化、通用化，擺脫了對傳統網絡架構的限制，使控制策略具備全局視角，使數據轉發更加高效。SDN技術的控制與轉發分離、虛擬靈活、共享開放、全局管控等特點，為網絡的設計、部署和管理帶來了極大的靈活性和便捷性，有效解決了新業務接入、網絡安全、運營支撐等問題。SDN應用架構如圖1所示。

SDN技術特點歸納如下：

（1）敏捷高效——通過集中控制平面進行業務的統一配置和管理，使新業務開發、上線和迭代更加便捷，業務發布周期大幅縮短；此外，轉發和控制的分離也使得業務變更更容易實現，業務部署更加靈活，開發、運維和采購成本也因此大幅降低。

圖1 SDN應用架構

（2）彈性運營——由應用驅動網絡實現資源的自動配置，為精細化流量運營提供技術支撐，從而實現多業務大容量資源的邊緣接入、差分服務以及快速轉發。

（3）智能管控——借助網絡功能虛擬化技術（NFV）提供的資源擴展能力，實現用戶數據的即時采集和分析，并通過對應的網絡變更策略，按照不同的忙閑時段，自動開閉網元和鏈路，大大節約網絡運營成本。

（4）簡化運維——通過提供橫向、縱向虛擬化技術，簡化網絡拓撲邏輯，同時將傳統網絡中運行的OSPF、BGP、MPLS等協議擬合為一種網絡協議，極大地降低運維難度。

（5）開放共享——轉發平面與應用接口協議的開放和共享，使SDN具備了縱向編程和橫向聯動能力，用戶不僅可以通過控制器對轉發設備進行配置，還可以根據需求進行定制開發，這將大大促進業務創新，提升用戶體驗。

軟件定義網絡技術（SDN）是一種比較先進的網絡虛擬化方式，是下一代網絡演進的一個重要方向。

3 應用SDN改造GPON

通過SDN控制器、配置代理等方法將不同架構的GPON設備虛擬化，并將設備管理、業務編排等功能統一集中運行在管理服務器上，實現設備配置、資源管理、數據采集等設備管理功能，和業務調度、業務配置等業務管理功能的“雙集中”，將現有GPON網絡改造成為一張彈性、敏捷、智能的寬帶網絡，簡化網絡結構，降低硬件成本，主要步驟如下：

3.1 OLT功能虛擬化

（1）實現單臺OLT設備的虛擬化。應用NFV方法，將OLT主控板的控制功能移植到X86服務器上運行，用專用軟件模擬主控板，用白盒交換機模擬交換板，從而將OLT拆分成多個功能模塊，然后通過SDN虛擬化技術，將L4-L7層功能交由控制器及網絡編排層實現，從而實現OLT的控制功能和轉發功能的分離，涉及到的功能模塊包括：ONU綁定和認證、OAM、用戶VLAN配置、SIPALG功能、DHCP Ser/Relay功能、IGMP代理功能、路由收斂功能、數據統計功能、DPI檢測功能等。

圖2 GPON基于SDN技術的演進架構

（2）實現OLT設備的“多對一”和“一對多”虛擬。在接入域設置接入控制器vOLT，根據業務需求，將物理設備邏輯虛擬成多臺設備，并通過多視圖技術，對物理OLT實現集中控制，從而達到滿足客戶對資源差異化需求的目的。

（3）在OLT流量轉發方面，可通過Openflow機制，對轉發路徑、Qos等參數進行統一計算，并根據流表，實現二層MAC轉發和三層路由轉發。在ODN側的業務接入方面，可通過SDO技術，根據OLT所分布的網格，對PMD、PHY、波長進行軟件定義，并實現MAC層和物理層資源的編程，從而實現對光纖資源的充分利用。此外，還可以在現有DBA技術上，進行PON口光功率和碼率調整，以便滿足業務對網絡的差異化需求。

（4）在網絡簡化方面，可通過OLT直連BAIS的方式，并通過vOLT集中控制的方式，減少網絡層次和邏輯結構，實現網絡扁平化，提升維護效率。

3.2 引入虛擬ONU

實現ONU虛擬化，并將vOLT作為vONU的集中控制器，從而建立從OLT直達用戶的邏輯管道，達到管控用戶通過ONU實現接入的目的，具體包括兩種方式：

（1）代理控制方式。vONU統一按照FTTH的方式接入OLT代理，vONU用戶業務的VLAN、GEM-PORT等參數規劃和業務開通流程應全歸一化為FTTH方式，這樣將大大簡化網絡結構。

（2）直接控制方式。由控制器直接控制MDU、ONT等設備，vONU通過去除單個MDU、ONT的帶寬收斂、數據交換等特性，將這些功能交由vOLT統一實現，由vOLT統一處理不同MDU、ONT之間的資源競爭。該方法解決了MDU、ONT等設備缺少帶外控制通道和冗余連接的問題，但可能因MDU、ONT等設備數量龐大造成對網絡效率和控制器處理性能的影響。

3.3 搭建GPON網絡SDN四層架構

按照SDN四層架構重新架構GPON網絡，如圖2所示。

各層的功能特性如下：

（1）應用層

應用層利用北向接口開放的API開發程序，進行業務發放。需要說明的是：一個物理接入設備可以同時存在多個OTT網絡，某用戶在某一時刻可以同時訪問不同的OTT網絡，所以數據平面的物理設備要有強大的數據處理能力和可編程能力，支持不同的OTT網絡之間進行快速的業務分發、業務隔離等功能，同時支持OTT業務資源的靈活部署和網絡擴展，并兼顧公平性。

（2）協同層

協同層主要作用是業務編排和協同，向應用層提供API程序開發接口，并支持接入網業務抽象和跨域協同，同時按照業務功能和性能要求組建邏輯業務網絡。此外，協同層需要在將基礎網絡中的各項網絡功能和資源虛擬化后，基于不同的OTT應用開發API，制訂差異化業務策略，組建和創新邏輯業務網絡，支持客戶的按需使用和快速響應。在接入網與城域網之間，協同層通過解耦業務和物理網絡，為業務應用和個性化編程提供統一平臺。

（3）控制層

控制層是SDN技術架構的核心，它通過屏蔽接入設備的參數、功能、性能等技術差異，將網絡進行抽象和虛擬，形成標準的開放架構和網絡模型，負責網絡全局管理和對轉發平面設備的統一控制。它支持協同層中各業務模塊的設置和調整要求，為協同層提供網絡拓撲、資源狀態等服務，它也支持協同層不同OTT業務的并發需求以及對資源和功能的靈活劃分和調度，能夠將不同的邏輯分片適配給不同的業務應用和客戶。北向接口作用是與上層應用進行數據交互和提供支撐，南向接口使用Open Flow協議，作用是通過流表機制，控制數據轉發，用于控制轉發平面的轉發行為和資源調度。

（4）轉發層

轉發層主要作用對業務進行感知、調度和監測，并實現MAC尋址、以太轉發以及本地維護功能，轉發平面的設備接收上層的指令并依據指令進行數據轉發。在GPON中，業務將在轉發層中被分發和傳輸，用戶對資源的訪問也將以最短路徑和最短時間實現。

圖3 基于SDN技術的集中管控和運維機制

SDN技術或將引發下一次互聯網技術革命，為未來的GPON網絡發展帶來無限可能

3.4 建立端到端集中管控和運維機制

基于SDN虛擬技術，將GPON接入網和城域網、骨干網進行融合，不僅建立端到端的轉發路徑和管控機制，也避免了多次協議轉換，從而實現基于網絡整體的統一管理和端到端的QoS保障機制，使得網絡變得更加可視化、可評估、可預測，如圖3所示。在流量調度方面，通過基于對業務熱點、用戶偏好以及網絡狀況的深度監測和準確掌控，可實現對網絡資源的集中管理和分配，形成全局視角下的流量調度策略。此外，在網絡運維方面，通過可視化界面，運維人員可以直觀的評估網絡運行狀態，在網絡運維、資源調度、QoS保證、節能環保、第三方調用等方面，可實現更加靈活、更加多元地操作和配置。

4 結束語

SDN技術是電信網絡未來演進的一個重要方向，它必將重新定義GPON網絡基礎架構，這有助于突破GPON接入網設備通用性不足、網絡基礎能力弱、運維難度大等問題的制約。基于SDN的GPON網絡也必將具備跨層的全網視野，這使其能夠快速調度全網資源，集中控制數據轉發，實現網絡的可編程、可管控和業務的自動部署。從這個角度上說，SDN技術或將引發下一次互聯網技術革命，為未來的GPON網絡發展帶來無限可能。■