灰盒光傳輸設備的SDN管控技術研究及應用

胡騫，趙國永，霍曉莉，李俊杰，荊瑞泉，閆飛，武曉鋒

灰盒光傳輸設備的SDN管控技術研究及應用

胡騫1，趙國永1，霍曉莉1，李俊杰1，荊瑞泉1，閆飛2，武曉鋒2

（1. 中國電信股份有限公司研究院，北京 102209；2. 中國電信集團有限公司，北京 100032）

傳統光傳輸網絡正逐漸走向開放與解耦，“煙囪式”的單廠商單域管理模式也在軟件定義網絡（software defined network，SDN）理念滲透下向多廠商、多域統一管理模式發展，考慮到傳輸網絡的設備差異性和協議復雜性，對傳送SDN管控提出了一定的要求。首先，提出了介于黑盒設備與白盒設備之間的灰盒概念；然后，以灰盒化的接入型光傳送網絡（optical transport network，OTN）設備為例，探討了接入型OTN的SDN統一管控關鍵技術，包括開放管控架構、業務模板化、拓撲自動生成、設備自動上線、設備遠程升級等；最后，結合實踐闡述了接入型OTN統一管控系統的實現和現網應用情況。

傳輸網絡；網絡管理；光傳送網絡；軟件定義網絡

1 引言

光傳送網是運營商的基礎網絡，既為無線、IP、云等不同專業的業務網提供穩定可靠的基礎承載能力，也為政企客戶提供高品質專線服務。光傳送網絡（optical transport network，OTN）經歷了準數字同步體系（plesiochronous digital hierarchy，PDH）、同步數字體系（synchronous digital hierarchy，SDH）、多業務傳送平臺（multi-service transport platform，MSTP）、光傳送網絡等不同技術階段的演進，但與數據通信領域的路由器/交換機相比，一直存在網絡管理標準化程度差、多廠商各自管理網絡的“煙囪式”現狀。這種“煙囪式”的單域管理給多廠商統一管控帶來一定難度，端到端管理、跨域跨專業協同等目標難以實現，且隨著網絡管理的智能化，單域封閉式管理造成的網絡數據接口、數據質量不統一，也為數據分析造成障礙，影響網絡智能化發展。

軟件定義網絡（software defined network，SDN）技術[1]的出現為打破“煙囪式”管理模式，實現多廠商統一管控帶來曙光。隨著SDN的應用逐步從IP網絡發展到光傳送網絡，傳送SDN技術迅速成為光網絡管控領域的熱門研究課題，其管控模式分為分層管理和直控網元兩種。

對于分層管理模式，各設備廠商仍然采用廠商網管進行設備管理，但北向會按網絡運營商要求提供開放統一的應用程序接口，網絡運營商可以在各廠商網管基礎上構建多域控制器，實現多廠商統一管控。在分層管理階段，學術界和產業界最初探索了基于OpenFlow協議進行光層擴展的方式，以支持OTN管理能力[2]，但由于OpenFlow協議中存在大量與光傳送網無關的內容，導致協議復雜性高且相關性差，后續ONF、IETF等標準組織發展了TAPI、ACTN等新的協議規范[3]，CCSA制定了相應的控制器層間接口[4]，部分運營商也自行制定了廠商網管北向接口企業標準。盡管分層管理方式可以實現多廠商統一管理，但它只是通過分層管理的方式屏蔽了多廠商差異，并沒有實現多廠商設備的管控協議標準化，比較適合技術復雜的骨干傳輸設備。

隨著光網絡開放與解耦概念的提出[5]，學術界和產業界對傳送SDN的研究逐漸開始擴展到直控網元模式。光網絡的開放與解耦概念中，開放主要指縱向開放，即光網絡設備要遵循SDN理念實現接口統一開放、傳送平面與控制平面分離；而解耦主要指橫向的、數據平面硬件之間的解耦，如實現光電分離、模塊解耦等。實現開放解耦光網絡的本質是設備白盒化、管控SDN化，但應當指出，與路由器/交換機不同，傳輸設備的白盒化因芯片、模塊、器件和協議的諸多復雜性，較難在短期內實現。但是，相較于復雜的骨干傳輸設備，位于傳輸網絡末端的設備一般在功能、形態和性能方面更為輕量級，適合作為光網絡開放解耦的對象，如接入型OTN設備、盒式波分設備等。

本文首先提出灰盒傳輸設備的概念，然后以灰盒化的接入型OTN為例，闡述對其進行SDN統一管控的關鍵技術，包括管控架構、業務模板化、拓撲自動生成、設備自動上線、設備遠程升級等，最后結合實踐闡述接入型OTN統一管控系統在現網中的應用情況。如無特殊說明，本文所述灰盒傳輸設備均指灰盒光傳輸設備。

2 灰盒傳輸設備

在討論灰盒傳輸設備之前，首先要明確黑盒、白盒與灰盒的區別。在SDN應用到傳送網之前，傳輸設備基本是黑盒化的，即設備不解耦、管控不開放或開放能力有限，不僅容易出現異廠商互通問題，網絡運營商在使用黑盒傳輸設備組網時也很難做到對網絡的自主可控；白盒設備的概念在服務器、交換機等IT領域出現較早，它不僅要對設備的功能、性能和接口提出要求，還需要對設備的板卡、模塊甚至芯片設計進行深度定制，是一種完全開放解耦的設備形態。供應商在提供白盒設備時具有更好的一致性，網絡運營商可降低規范接口難度，減少廠商適配工作，有利于專注實現管控功能創新。AT&T主導的開放可重構光分插復用器（open reconfigurable optical add/drop multiplexer，OpenROADM）項目[6]對白盒化可重構光分插復用器（reconfigurable optical add/drop multiplexer，ROADM）做出了探索與嘗試，但目前尚未得到廣泛應用。筆者認為，白盒設備的深度定制化能夠更好地滿足網絡運營商需求，但傳輸設備涉及的光電交叉能力、板卡模塊設計和底層芯片實現都相對復雜，在光傳輸領域完全復制服務器、交換機的白盒化模式目前階段尚難實現。

當前乃至未來較長的時期，灰盒模式是一種更符合傳輸設備特性的實現方式，即網絡運營商對設備提出功能和性能要求，并定義統一接口規范，由供應商遵循網絡運營商提出的規范進行設備實現和接口開放。灰盒的本質是部分開放解耦，網絡運營商不必深入關注設備的板卡、模塊等內部設計，只需要在功能、性能和接口層面提出要求，因此更符合傳輸設備特點，易于實現設備開放能力和網絡統一管控之間的需求匹配。

3 灰盒傳輸設備的SDN統一管控關鍵技術

接入型OTN設備是框式OTN設備的小型化、盒式化演進，它降低了OTN設備的成本并實現了與框式OTN設備的物理層互通與解耦，允許利用OTN線路接口提供的通用通信通路（general communication channel，GCC）接入城域/骨干OTN的帶內數據通信網絡（data communication network，DCN），同時可提供標準的Netconf/YANG接口實現統一納管，是一種典型的部分開放解耦的灰盒傳輸設備。灰盒傳輸設備采用SDN架構實現統一管控，因為SDN技術與設備灰盒/白盒化相伴相生，灰盒化允許對設備進行統一的開放接口定義，是引入SDN開放管控架構的重要前提，而滲透了SDN理念的管控系統秉承接口標準化、軟件可編程和北向能力開放的特征，可以在跨域跨廠商范圍內實現更多模板化、自動化和易用性功能，本節首先介紹符合SDN理念的開放管控架構，然后對灰盒接入型OTN設備的SDN統一管控關鍵技術進行闡述。

圖1 接入型OTN設備統一管控系統架構

3.1 開放管控架構

接入型OTN設備統一管控系統架構如圖1所示，多廠商接入型OTN設備可以通過統一管控系統實現直接納管。這種管理方式要求所有接入型OTN設備必須遵循相同的開放接口規范，目前業界常用Netconf協議實現設備與管控系統之間的通信，而對數據模型的描述一般均采用YANG模型，這符合SDN理念的開放特征。

3.2 業務模板化

在傳送網中，接入型OTN主要定位解決OTN的延展和接入問題，希望能夠通過OTN的小型化和盒式化下沉至客戶機房或更接近客戶側的局端機房位置，因此與框式OTN相比更關注多業務的接入能力，業務多樣性也為管控系統實現業務管理帶來一定程度上的挑戰。

在接入型OTN管控系統中采用定義業務模板的方式解決多業務接入的參數按需配置問題。

首先在YANG模型中定義連接配置接口，根據設備的交叉能力至少應包括以太網連接、SDH連接和光數據單元（optical data unit，ODU）連接3種連接配置接口；考慮到對以太網接入業務的不同處理方式，還應支持EoO（ethernet over OTN）和EoS（ethernet over SDH）兩種方式。對于EoO業務，通過以太網連接或ODU連接接口區分是否執行以太網交換處理，而對于EoS業務，為了區別于一般的以太網業務需要單獨定義業務接口。

業務分類見表1，在接入型OTN管控系統中針對業務類型，對客戶端接入型OTN設備和局端接入型OTN設備分別進行單站配置，配置內容一般應包括業務類型、連接層協議名稱、請求帶寬、業務映射模式、保護信息和端口信息等。其中，端口信息一般應涉及虛擬局域網（virtual local area network，VLAN）屬性、交換能力、ODU的凈荷類型/適配類型、時隙占用情況等。

為完整描述設備能力，YANG模型會對接口參數進行詳細約束，但在實際應用中上述參數在不同業務場景里一般是固定值，為簡化運維過程中的業務創建流程，可針對不同的業務場景提供模板。

表1 業務分類

3.3 拓撲自動生成

在多廠商接入型OTN管理中，如何在管控系統中呈現不同設備之間連接關系形成網絡拓撲是一個重要問題。接入型OTN設備被要求支持鏈路自動發現協議（遵循ITU-T標準G.7714.1），通過對配置參數的標準化實現了異廠商設備之間的信息交互。接入型OTN設備在接入管控系統之后，使用串聯連接監測（tandem connection monitoring，TCM）的傳送蹤跡標識（trail trace identifier，TTI）封裝資源發現報文，獲取對端設備的端口信息，并上報至管控系統。接入型OTN鏈路自動發現流程如圖2所示，網元NE1的3號物理端口（physical termination point，PTP），在上報端口資源時，要求攜帶通過TTI字段封裝的對端端口信息，顯式地向管控系統上報對端物理端口名稱peerPtpName和所屬網元IP地址peerIpAddress。利用這種對端端口信息的上報，管控系統可以獲取多廠商設備之間的連接關系，自動生成網絡拓撲。

圖2 接入型OTN鏈路自動發現流程[7]

3.4 設備自動上線

對于放置于客戶機房的接入型OTN設備，考慮到需要盡量縮短在客戶機房的現場施工周期，即插即用成為這種客戶終端設備（customer premise equipment，CPE）的主流方式，而這要求管控系統必須支持設備的自動上線功能。在出廠時完成基礎配置的設備，在機房安裝上線后即可實現自動上線，可以實現管控系統的自動納管。設備的自動上線示意圖如圖3所示，具體步驟包括以下幾個。

（1）客戶端接入型OTN設備在機房安裝上電，自動申請IP地址。

（2）通過動態主機配置協議（dynamic host configuration protocol，DHCP）方式獲取IP地址后，自動發送上線消息。

（3）管控系統在收到上線消息以后，自動與設備建立Netconf連接，并同步設備信息。

（4）設備實現自動上線，管控系統可實現設備的管理。

3.5 設備遠程升級

傳統方式的設備升級經常需要進入機房操作完成，自動化程度低且時效性差。近年來，盡管廠商網管已逐步實現設備遠程升級功能，但隨著光網絡的開放解耦，多廠商組網、光電解耦逐漸成為趨勢，網絡運營商的自主管控需求也越來越迫切。接入型OTN統一管控系統全國統一部署，文件服務器采用全國集中部署與分省/市分布部署相結合的方式，可以采用如圖4所示的方法對設備進行遠程升級。在這種方式中，文件服務器可以結合控制器的分權分域進行分層管理，對于省市范圍有效的設備升級/配置文件可以下沉至地市/省服務器，滿足省市需求；對于全國范圍通用的設備升級/配置文件，可以在中央文件服務器放置，實現全網一鍵升級，也可以同時放置在地市/省服務器，緩解DCN壓力且降低時延，滿足DCN資源緊張或網絡設備較多的省份需求。

圖3 設備自動上線示意圖

圖4 設備遠程升級流程

4 應用實踐

結合上述灰盒傳輸設備的SDN統一管控關鍵技術，開發了接入型OTN設備統一管控系統（universal management system，UMS）的原型系統[8]，并在全國范圍的OTN中推動了現網商用試點。在試點工作中，UMS采用了全國集約方式部署；為了解決全國統一管理問題，骨干層通過CN2 VPN穿通至本地層，然后利用本地DCN接入傳輸機房。UMS整體運行在云資源池A，在平臺即服務（platform as a service，PaaS）平臺上部署了前端、后端、外部接口、協議適配等服務程序。

UMS系統的業務模板化界面如圖5所示，如第3.2節所述，將業務劃分類別以后，采用模板化參數對不同業務應用場景創建導引，盡力而為地隱藏不需要輸入的參數，簡化業務創建流程，保證OTN中業務參數的一致性，簡化運維，減少由人工失誤造成的配置錯誤。

圖5 UMS系統的業務模板化界面

UMS目前已經利用設備自動上線的機制納管了近百臺客戶端接入型OTN設備，現網中通過UMS查詢或配置設備的最大響應時長不超過5 s，符合電信級網絡管控要求。

自動生成的拓撲界面如圖6所示，灰盒接入型OTN設備利用OTN幀結構中TCM2的TTI封裝資源發現報文，可以獲取NNI側端口信息，構建與鄰接設備之間的鏈路關系，形成拓撲。應當指出，如第2節所述，灰盒傳輸設備主要位于傳輸網絡末端，宜采用直控網元模式，但為了實現傳輸網絡的全網端到端協同管理，也可以與分層管控的模式相結合，在UMS北向構建協同管控平臺實現，這也符合SDN的北向能力開放特征。

圖6 自動生成的拓撲界面

針對以太網業務，UMS還可以在多廠商統一管控的場景下提供性能監控能力，包括吞吐量、丟包率和時延，以太網性能監控如圖7所示，A端口與Z端口來自不同廠商的設備，可以在UMS中統一呈現和管理。

5 結束語

灰盒傳輸設備兼顧了傳輸設備復雜性和光網絡開放解耦需求，是介于黑盒與白盒設備之間的一種權衡方案，其開放性可基本滿足網絡運營商的需求。本文以灰盒化接入型OTN為例探討了灰盒傳輸設備的統一管控關鍵技術，并結合應用實踐證明，這種方式可以獲得較好的網絡自主可控能力和多廠商協同管理能力。但是應當指出，灰盒模式仍然處于部分解耦階段，多廠商在硬件層面的實現差異客觀存在，如果在硬件層面無法獲得統一，那就只能在管控接口統一考慮適配問題，會影響統一管控的一致性效果，或者增加多廠商協同管理的復雜度。如部分接入型OTN設備的交叉存在槽位限制，且不同型號的限制不同，這會給路由計算時的端口選擇帶來一定困難，盡管可以通過管控接口的定義明確要求設備在YANG模型中上報交叉限位能力，但當這種硬件差異隨著廠商和設備型號的增加逐步累積又無法在硬件層面統一時，勢必影響統一管控效果。采用自研或深度定制化的設備實現物理層面盡力而為的統一，可能是一種可行的技術路線。

圖7 以太網性能監控

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Application and research of SDN-based management and control technology for optical transport grey-box devices

HU Qian1, ZHAO Guoyong1, HUO Xiaoli1, LI Junjie1, JING Ruiquan1, YAN Fei2, WU Xiaofeng2

1. Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China 2. China Telecom Group Co., Ltd., Beijing 100032, China

Traditional optical transport network is gradually becoming open and disaggregated, and the chimney-type single-vendor and single-domain management mode is also developing to the multi-vendor and multi-domain management mode with the penetration of software defined network (SDN) concept. Considering the equipment difference and protocol complexity of transport network, application of SDN management and control for transport network faces challenges. Firstly, the concept of grey-box was proposed, which was between black-box and white-box. Then, taking grey-box access OTN as an example, the key technologies of SDN unified management and control of access-type OTN were discussed, including management and control architecture, service template, automatic topology generation, automatic equipment online, remote upgrade of equipment, in-band DCN communication between different vendors, etc. Finally, the application of access-type OTN unified management and control system in real network was described.

transport network, network management, optical transport network, software defined network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021273

2021?10?20；

2021?12?10

國家重點研發計劃基金資助項目（No.2019YFB1803705）

The National Key Research and Development Project of China (No.2019YFB1803705)

胡騫（1988? ），男，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為傳輸網管控技術等。

趙國永（1978?），男，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，長期從事光通信技術的研究工作，主要研究方向為傳送SDN與軟件系統架構設計。

霍曉莉（1977? ），女，中國電信股份有限公司研究院教授級高級工程師，主要研究方向為OTN技術與網絡、傳輸網管控技術等。

李俊杰（1977? ），男，中國電信股份有限公司研究院教授級高級工程師，中國電信集團有限公司光傳輸專業首席專家，中國電信集團有限公司科學技術委員會委員、傳輸與接入技術組副組長，主要研究方向為光通信技術、光網絡等。

荊瑞泉（1972? ），男，中國電信股份有限公司研究院教授級高級工程師，主要研究方向為光通信技術、傳送網管控技術等。

閆飛（1978?），男，中國電信集團有限公司工程師，主要研究方向為OTN/ROADM技術與網絡規劃等。

武曉鋒（1980?），男，中國電信集團有限公司工程師，主要研究方向為OTN技術及維護運營、傳輸網管控技術等。