SDN技術在廣電通信網中的應用分析

李溢磊

引言

在信息化時代背景下，通信網向大數據、云計算、智能化、融合化的方向發展，網絡架構的通信設備設計表現出越來越復雜的特性，這往往會導致成本大幅增加，實施特定的統一網絡管理技術很困難。同時，傳統模式下的高清數字信號傳輸具有矩陣切換規模大、附帶設備過多、布線錯綜復雜的弊端，難以滿足廣電通信網傳輸的需求。SDN技術直接構建全新的網絡體系結構，使構建網絡設施的服務更加多樣化，有效保證信息服務基礎架構的創新和發展，需要在廣電通信網中應用SDN技術，以此滿足外來SDI和IP信號的傳輸需求，因此本文對SDN技術在廣電通信網中的應用進行了分析。

一、SDN技術概論

（一）SDN技術的定義

所謂的SDN（Software Defined Networking）技術意味著以虛擬化、可編程性和集中控制為特征的新的技術。這是斯坦福大學CLean State課題研究組最早提出的核心技術。其中，相關的Open Flow可以有效地與實際需求相結合，更好地滿足網絡應用需求，控制管理和管理流程，為新核心網的創新開發奠定良好的基礎[1]。SDN技術與傳統網絡的最大區別在于，可以靈活地定義網絡設備的傳輸功能，從而集中實現控制平面。在這種模式下，軟件可以由網絡硬件有效地管理，并且傳輸級別可以由可編程的控制來實現。這種網絡結構是基于SDN技術的網絡組織。從這個角度來看，SDN技術只意味著軟件定義網絡。從更廣泛的角度看，相應的SND概念是包括相應的軟件技術存儲在內的情況。從定義上講，有關如何組合SDN技術的問題是，確保下一代網絡能夠滿足當前定制的編程要求，有效地實現網絡的集成和集中管理，并監督動態流量以確保自動程序部署的要求。

（二）SDN技術的特征

1.網絡能力開放

在SDN網絡技術的應用下，網絡能力將持有開放化的特征。SDN技術利用集中的控制器統一管理網絡資源，在對網絡資源整合和虛擬化之后，使用規范的北向接口，為上層的應用提供相應的網絡資源設備設施以及網絡服務，從而實現了網絡能力開放化。相比于傳統網絡業務模式而言，SDN技術支持下的網絡業務沒有了封閉的問題，有了較大意義的創新。

2.控制與轉發獨立

SDN技術使用的是SDN控制器來收集網絡拓撲，計算、管理和控制網絡，而流量的轉發與策略的執行主要通過網絡層設備實現，所以SDN技術的控制和轉發是獨立的。SDN控制與轉發獨立的特點，分離了網絡系統的控制面與轉發面，從而讓控制面與轉發面向更專業化的發展。控制面獨立之后，將往統一化、集中化的方向發展，性能和容量將會得到進一步的提升。轉發面在獨立之后，將往簡單化、通用化的方向發展，可有效減少成本。

3.控制邏輯集中

SDN技術實現了控制轉發的獨立，讓控制面得到了集中化的發展，為SDN控制器提供了網絡的全局靜態拓撲、全網的動態轉發表信息、全面的故障狀態以及資源利用率。可見在控制集中化發展的基礎之上，SDN控制器能夠實現對網絡級別的統一管理、控制及優化，從而根據全局的拓撲動態來轉發信息，有助于加快定位、排除故障的處理速度，進一步提高運營效率。

二、SDN技術的體系結構

SDN網絡體系架構三層模型主要分為協同應用層、控制層和轉發層。協同應用層主要目的是體現用戶意圖的應用程序。控制層是整個系統的控制中心，負責網絡之間的交換和網絡狀態處理。轉發層是轉發器和連接器構成的轉發網絡，主要目的是轉發數據，在轉發中所需的轉發表項是由控制層完成。（如圖1所示）。

圖1 SDN網絡體系架構三層模型

基于SDN技術的體系結構分析主要反映了數據控制信息分離的特性，能夠滿足軟件編程的實際需要。在實際需求的幫助下，可以實現統一的控制級別和多分布式傳輸程序，應對有效事項的程序相互控制、利用和分離要求。在傳輸通信接口模式的幫助下，可以有效地滿足統一管理的相應傳輸級別的通信。這種模式的體系結構系統包括許多接口協議，有效地實現相應網絡的交互要求。在北向接口協議的幫助下有效執行API業務功能，以滿足相應控制器的交互要求。結合開放網絡論壇在SND結構中的情況和實際情況，從下而上確保基礎層、控制層和應用層的對應劃分[2]。特別是在基礎層，相關的數據傳輸過程不包括相應的智能控制設備要求，而網元集中控制與此層幾乎無關。其中，網絡設備為SDN Datapath，主要用于根據系統的實際需要有效地傳輸數據和處理數據。通過應用層的協助處理，可以確保控制層的需求，實現合理分配材料資源，優化路徑計算。在Open Flow協議下，可以通過帶寬分配動能控制層和基本設備層間的南向接口，有效地確保帶寬的動態和帶寬的有效控制。結合相關協議要求，設備可以在相應的轉發匹配條件下有效地參與各種網絡功能（如圖2所示）。

圖2 SDN分層架構圖

三、廣電通信網的現狀

眾所周知，21世紀是以網絡為核心的信息化時代，計算機網絡發展最快，起著重要的作用。而廣電通信網具有很高的普及率和接入帶寬最寬，嚴格管理對數字電視重要的信息源，確保網絡信息安全。因此，廣電通信網在長期的運營過程中，不僅要考慮利益問題，還必須承擔社會責任。廣電行業取得了數字化的發展，但步伐緩慢，用戶滿意度不高。網絡是分散的、碎片化的，沒有統一、嚴格的技術標準和網絡計劃，從而導致網絡質量差，網絡信號不穩定，可靠性低。在某些廣電通信網絡中，傍晚高峰時間會出現很嚴重的網絡延遲，網絡不穩定性也可能影響用戶體驗，進而不能夠對整個網絡進行有效的控制和管理功能，端到端的性能無法得到保證。在國內，電視終端作用弱化，手機終端的市場日益擴大，成為互聯網流量的主流終端。廣電通信網不斷發展，但廣電通信網存在問題也越來越突出。為了解決問題，當務之急是提高廣電通信網的傳輸能力，升級網絡以滿足越來越高帶寬的服務需求。

四、SDN技術在廣電通信網中的應用

（一）數據轉發層的應用

轉發層主要由轉發器和連接器的線路構成基礎轉發網絡，負責執行用戶數據的轉發，轉發過程中所需要的轉發表項是由控制層生成的。收到數據消息后，Open Flow交換機首先在流表中查找傳輸消息的匹配項，然后再進行相應的操作。如果沒有找到匹配項，則將消息傳輸到控制層，傳輸行為由控制器決定。控制器通過標準協議更新交換機的流表，實現全網通信的集中管理。數據層包含由體系結構管理的所有開放流網絡。目前，電臺和電視通信網絡正在建立內部數據中心。SDN技術是一項創新，它使能夠以統一的方式管理流量、通過虛擬化管理網絡和監控多個應用程序系統。但是，所有數據中心級別都需要定期同步、備份和推送數據流量。現在可以使用SDN技術來虛擬化、智能化地管理和控制每個數據中心。具體來說，通過在廣電通信網的數據中心配置SDN技術的網絡設備，控制帶寬利用狀態，可以將數據實時發送到數據中心控制設備。控制器將不同數據中心的鏈路流量和服務流量組合起來，以提高鏈路利用率[3]。

（二）控制層的應用

SDN技術體系結構允許在網絡上集中管理控制層，控制層提供廣電通信網絡運行狀態的完整視圖同時，為一些關鍵技術提供功能支持。例如，提出了一種動態多徑系統，基于拓撲模塊、路徑規劃模塊、服務監測模塊和控制層配置模塊解決廣電通信網絡的鏈路恢復問題。除了網絡控制模塊之外，為用戶的認證、權限管理以及各種服務數據流提供管理功能。目前，全國的無線電和電視通信網絡運營商已經建立一個非常大的行業專用網，可以通過各種方式優化通信主干網。例如，可以通過優化業務監視、網絡資源的虛擬分配、區分處理，提高通信基礎網絡的傳輸控制能力，有效利用網絡資源。SDN技術的應用還可以將許多邊緣設備虛擬化為一個設備，主干網絡級控制設備以統一的方式管理用戶的業務屬性、流量控制和區別。同時，主干網絡的邊緣設備只承擔數據傳輸任務，大大提高了主干網絡的運營效率和管理控制能力[4]。

（三）應用層的應用

SDN技術體系結構應用層使用控制層的開放接口實現網絡所需的各種應用程序（如SNMP、Web服務和ACL），并執行可升級網絡功能的各種功能，同時，應用SDN技術可以降低網絡復雜度，將網絡設備從封閉轉移到開放，并將底層網絡設備集中在數據傳輸上，從而簡化功能，有效降低網絡建設成本。傳統網絡中的節點很難達到最佳性能。數據只能通過本地狀態算法和分布式算法發送。利用SDN技術軟件實現集中控制，網絡具有集中的協作點，從而實現網絡優化，動態調度控制層的各個模塊，可以根據實際需要固定廣播、電影和電視的通信網絡的不同應用，因此通過調用網絡資源的應用層進行靈活調度，各種NGB業務可以按需實現網絡業務實時調度，確保特定業務的服務質量和安全。NGB服務具有多種業務功能，包括視頻點播、視頻服務和廣播，以滿足網絡傳輸帶寬的要求。提供互聯網接入的信息服務必須確保網絡和客戶信息的安全。此外，娛樂服務還需要滿足實時、順暢的互動。基于這些特性，有效利用帶寬是確保廣電通信網服務質量的關鍵，服務提供商開發了自己的服務管理平臺來調度應用層功能，實現服務和網絡之間的相互協商機制，實現業務與網絡的相互協商機制，保證用戶的體驗。在SDN技術的三層體系結構中，軟件模塊更新擁有巨大的節點和大量的數據功能。使用SDN技術，可以統一管理和維護訪問節點，從而便于快速部署新服務。例如，在將OLT與多個遠程節點連接的過程中，使用SDN技術，這些節點可以是更大的虛擬節點。遠程節點的控制層向上變化，并移動到接入網絡的控制器。此外，通過部署新服務和新的特定要求，訪問網絡控制器可以直接配置虛擬節點的流表，并逐漸提高訪問網絡級別部署的效率。

（四）針對高清視頻業務的應用

SDN技術使組織能夠詳細查看和控制對網絡和資源的訪問，從而使運營商能夠解決影響網絡的特定問題，運營商就可以控制和管理自己的數據。通過集中查看整個網絡體系結構，可以根據業務需求調整網絡。更重要的是，網絡運營商可以在不影響當前數據流的情況下，在實際的網絡環境中嘗試網絡優化。運營商正在努力創建基于網絡的應用程序和服務，針對網絡的安全性，穩健性和管理性，提供網絡基礎架構的新收入服務，從而擴大SDN技術市場的規模。廣電通信網現在可以定制網絡以更好地滿足業務需求，最終目標是優化網絡，包括網絡虛擬化、基礎架構編程控制、自動化和動態配置、按需服務插入、計量計費等。同時通過SDN技術實現加快云服務部署，簡化數據中心管理，簡化網絡運營。

對于高清視頻服務，SDN技術可以合理使用帶寬，快速傳輸流媒體，并在不更改物理網絡結構的情況下提高視頻質量。為了保證視頻服務的順利播放，不同的虛擬網絡由控制層展開，將高清視頻服務與其他服務分開，阻止其他服務對流媒體的影響。SDN技術針對網絡高清視頻服務的主要工作流程是：第一，用戶對高清視頻的需求越來越大。第二，服務提供商接收請求、用戶權限信息的核實、ID認證，然后發布對應的流媒體數據流。第三，業務服務提供商根據實際情況向SDN技術網絡控制層發送請求指示，請求指示包括虛擬網絡建立、虛擬網絡鏈路的追加、虛擬網絡承擔的服務、所需的帶寬等。第四，用戶退出高清視頻并開始退出請求。第五，服務提供商終止用戶連接，停止相應的流媒體數據。第六，服務提供商根據實際情況向SDN技術網絡控制層發送請求指令，如虛擬網絡刪除、虛擬網絡鏈路刪除等。第七，SDN技術網絡控制層按照該指示刪除虛擬網絡或鏈路。SDN技術可以利用設備自動化、運算系統、多畫面和主控切換臺的路由控制協議，連接之間的交互由聯絡線控制方法管理。未壓縮視頻信號由受數據緩沖，要消除網絡抖動、糾錯信號并匹配系統中路徑延遲的差異，促進內外部傳輸。同時在多個接收節點上，可以為每個接收端指定緩沖區和路徑，從而優化端到端延遲。

結語

由于廣電通信網中的業務需求具有頻繁變動的特點，那么調整路由器、交換機等配置的難度比較大，而廣電通信網的SDN技術架構具有可編程的結構和良好的管理控制能力，可以為廣電通信網的正常運行提供技術支持。SDN技術將傳統網絡設備從封閉模式過渡到開放模式，無需關注復雜的控制面傳輸，同時為統一靈活高效的網絡管理和維護提供可擴展接口。無論是基于廣電通信網，還是網絡數據流量，都可以在網絡中可靠地傳輸。在這種背景下，SDN技術在廣電通信網中的應用應該通過聚集實際業務需求，有效優化設備，降低建設成本，從而綜合提高網絡維護與管理水平。