OTN控制器北向統一接口模型研究與實踐

譚艷霞，鄭滟雷，王光全，張賀

工程與應用

OTN控制器北向統一接口模型研究與實踐

譚艷霞，鄭滟雷，王光全，張賀

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048）

在軟件定義光傳送網絡（software defined optical transport network，SDOTN）體系架構中，要求廠商控制器系統通過北向接口接入光傳送網絡（optical transport network，OTN）業務協同器系統。但是目前沒有統一的北向接口標準，這給SDOTN跨域跨廠商端到端業務自動開通帶來了比較多的問題。闡述了OTN控制器北向開放接口標準現狀及問題，從網絡模型角度對當前主流的電話應用編程接口（telephone application programming interface，TAPI）和流量工程網絡抽象與控制（abstraction and control of traffic engineering network，ACTN）北向接口標準進行了比較和分析。最后，介紹了中國聯通在ACTN統一接口模型標準化和管控系統建設兩個方面的研究實踐，并對后續研發方向進行了展望。

SDOTN；端到端編排；統一接口模型

0 引言

軟件定義網絡（software defined network，SDN）作為一種新型網絡架構，憑借其快速提供網絡服務、實現網絡靈活管理、加速網絡應用創新、降低運營開銷等優勢成為整個行業關注的焦點[1]。SDN中，接口開放關注的焦點逐漸上移，主要經歷了設備開放接口、控制器能力開放接口和系統能力開放接口3個階段。與傳統網管接口相比，SDN輕量化網絡接口通過接口對物理層資源進行抽象，按照需求以抽象的資源能力面貌呈現給上層系統，有助于業務應用的快速創新。由于轉發層設備復雜性較高，轉發層設備與控制器系統之間存在較多的私有接口，解耦尚未實現。

本文探討在光傳送網絡（optical transport network，OTN）廠商控制器北向接口上實現SDN開放，不同廠商的控制器系統通過統一的標準YANG模型實現開放的北向接口，助力運營商在協同層/編排層實現多廠商控制器系統的統一編排和智能運維能力。北向接口根據信息模型定義接口上交互的數據內容和操作。信息模型是對物理資源的抽象表示，它包含一組對象、對象之間的關系、對象屬性和對象可以執行的操作。因為北向接口直接為業務應用服務，所以北向接口信息模型應支持與技術無關的信息模型，以及與技術相關的信息模型。不同的傳送技術具有不同的信息模型內容，但是這些技術也具備一些共有的信息模型[2]。

1 廠商OTN控制器北向開放接口標準現狀

圖1 SDOTN協同器系統架構

為解決OTN跨域跨廠商端到端業務快速部署問題，中國聯通在全國范圍內構建了兩級軟件定義光傳送網絡（software defined optical transport network，SDOTN）業務協同器架構，實現跨域跨廠商的OTN專線業務自動開通[3]，SDOTN協同器系統架構如圖1所示。集團部署的一級OTN業務協同器系統對接一干OTN管控系統并納管，實現一干OTN資源采集、業務配置自動下發等功能；同時，一級OTN業務協同器系統通過層間接口對接二級OTN協同器系統，負責跨省業務編排與快速開通，并提供北向可編程的應用編程接口（application programming interface，API）能力。省級部署的二級OTN業務協同器系統對接并納管省內OTN廠商管控系統和開放光網絡統一管控系統，實現省內OTN資源采集，負責省內業務編排與快速開通。OTN業務協同器系統連接多廠商控制器的環境要求廠商控制器系統具有統一的北向接口接入SDOTN業務協同器系統，實現多廠商控制系統的統一編排，支持跨域跨廠商端到端業務的自動開通。

目前，OTN控制器系統的主流北向接口標準有兩種，分別是流量工程網絡抽象與控制（abstraction and control of traffic engineering network，ACTN）和電話應用編程接口（telephone API，TAPI），這兩種標準相關情況如下。

ACTN是互聯網工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）提出的標準化SDN架構，基于層次化控制器架構通過逐層抽象屏蔽復雜的網絡設備技術特征，為用戶提供靈活、可控的網絡業務服務，實現跨多個專業網絡的業務快速發放[4]。ACTN定義了技術無關的流量工程（traffic engineering，TE）網絡模型以及光通道（optical channel，OCH）、光通路數據單元（optical channel data unit，ODU）、以太網（Ethernet，ETH）和網際互連協議（Internet protocol，IP）/三層虛擬專用網（layer three virtual private network，L3VPN）等技術相關模型，以適應運營商統一的北向接口模型。ACTN標準歷史里程碑如圖2所示，IETF在2016年發布了數據建模語言YANG 1.1標準和RESTconf協議，使能網絡設備自動化配置，其所定義的各YANG模型可以應用于ACTN架構中的接口。2018年發布了ACTN架構標準和信息模型標準[5-6]，核心的流量工程網絡YANG模型在2020年發布。2021年正式發布了光傳送網絡ACTN北向波分數據模型，包括L0層網絡類型定義和波長交換光網絡（wavelength switched optical network，WSON）拓撲模型。同時，中國通信標準化協會（China Communications Standards Association，CCSA）也制定了ACTN系列標準，包括基于ACTN的SDOTN控制器技術要求、基于ACTN的SDOTN服務接口要求和基于ACTN的SDOTN控制器層間接口要求等[4,7-8]。IETF所定義的ACTN架構提供了支持多廠商、多域的標準化商用方案，具有通用性和繼承性等特性，被業界普遍接納使用。

TAPI是由開放網絡基金會（Open Networking Foundation，ONF）主導的標準化SDN架構[9-11]，TAPI的接口模型中，將單個物理網絡節點抽象為ETH層、ODU層、OCH層3層節點；每層節點上，節點邊緣點（node edge point，NEP）對應物理端口，以服務接入點（service interface point，SIP）描述業務起始點及終點，設備廠商控制器具備抽象鏈路信息和SIP信息能力。不同層之間通過層間鏈路連接，層內節點通過層內鏈路連接，與其他網絡域通過域間鏈路連接。TAPI標準歷史里程碑如圖3所示，TAPI隨著業務及應用發展，已衍生為TAPI 2.0標準及后續迭代版本，接口采用模塊化的定義方式。相對于TAPI 1.0，TAPI 2.0標準及后續迭代版本對對象的覆蓋面和定義更加全面，支持更多業務控制及性能檢測功能，對光網絡的發展起到至關重要的擴展作用[12]。

圖2 ACTN標準歷史里程碑

目前，華為和烽火OTN管控系統北向接口遵循ACTN標準，中興OTN管控系統北向接口遵循TAPI 2.0標準。控制器系統北向接口的不兼容使得跨廠商協同和統一編排客觀上無法實現。兩套標準為上層協同器/編排器帶來了較多問題，增大了開發難度，具體如下。

圖3 TAPI標準歷史里程碑

●兩套標準演進無法統一：兩套標準對于不同功能模型演進時間無法統一，并且標準在演進過程中會存在多個版本，標準演進無法統一會阻礙網絡技術長期發展。

●兩套標準企業標準制定和維護困難：ACTN和TAPI兩種標準均包含多種業務場景、多種接口類型和多個接口定義，兩套標準對企業標準制定和維護造成負擔。

●兩套標準接口模型復雜度高：廠商管控系統采用不同的接口模型標準對接上層協同器會增加北向接口的復雜度，降低接口的互操作性和可擴展性且支持新業務困難。

●兩套標準運行支撐系統（operational support system，OSS）/協同器開發周期長：不同標準間理論上無法保證互通，會增加管理和溝通成本，并且OSS/協同器開發也將變得復雜，推遲了新業務上市時間，降低了市場競爭力。

為了實現支持TAPI協議與ACTN協議OTN管控系統的同時納管，已有研究通過對不同類型的接口標準進行YANG模型適配以在SDOTN業務協同器上實現不同配置功能的統一化[3]，但是這種方法會大大增加協同器系統的開發工作量，并且維護困難。控制器系統北向接口模型的質量和統一化程度對于編排系統的整體性能有著至關重要的影響[13]。因此，有必要由網絡運營商定義廠商控制器系統北向統一接口規范，控制器系統集成標準的北向接口引擎與SDN協同器系統對接，有效避免接口重復適配問題，減小協同器開發難度，加快業務上線周期，提高市場競爭力。

2 ACTN和TAPI接口模型對比

北向接口根據信息模型定義接口上交互的數據內容和操作。信息模型是對物理資源的抽象表示，它包含一組對象、對象之間的關系、對象屬性和對象可以執行的操作。ACTN控制器系統以SDN對TE網絡資源的控制為基礎，為SDN提供一種全新的控制器架構。TAPI將不同的特性作為獨立或基本上獨立的模塊實現，采用模塊化的方式定義對象和屬性。ACTN和TAPI模型對比見表1，從網絡拓撲模型、節點模型、鏈路模型、業務模型、冗余度等方面對比了OTN控制器北向ACTN和TAPI模型。

從接口模型內容看，ACTN與TAPI均包含網絡拓撲模型、節點模型、鏈路模型和業務模型等內容，兩者都能滿足基本的創建業務需求，支持的信號接入基本相同，但是其具體的數據接口以及模型構成卻有所不同。ACTN架構[4]、TAPI功能架構[10]分別如圖4和圖5所示。

具體地，從網絡拓撲模型角度出發，ACTN和TAPI在整體網絡拓撲的抽象方式上有很大區別。ACTN根據需求將整個網絡結構抽象成多個網絡拓撲，通過對原生拓撲進行層層抽象，逐步簡化相連節點間的路徑，得到高層級的抽象拓撲，最終所呈現的拓撲結構簡單清晰，可讀性強。TAPI采取單站嵌套抽象的方式，將整個網絡結構抽象為一個轉發域（forwarding domain，FD），將相連的FD分組抽象成為一個高層級的FD，相連的高層級FD再不斷遞歸分組抽象成為一個FD，最終得到一個簡化的網絡拓撲結構，該結構可以隱藏底層級FD的內部細節。

表1 ACTN和TAPI模型對比

圖4 ACTN架構[4]

圖5 TAPI功能架構[10]

不同接口在抽象邏輯上的差異性對接口性能的影響較大，并且這種差異性是接口的多樣化無法彌補的。ACTN的抽象化程度高于TAPI，主要關注與業務下發緊密相關的屬性，接口模型更輕量化，在創建業務時時效性明顯優于TAPI，適合大規模組網環境下的業務快速發放[13]。并且，從查詢類接口的時效性和資源消耗方面看，ACTN接口的統一資源標識符（uniform resource identifier，URI）適應度更好，能多角度滿足上層系統的查詢需求[13]。

從節點模型角度出發，在ACTN模型中，節點是平級的，結構簡單，只包含狀態、標識、端口以及隧道終端點和增補對象等信息。在TAPI模型中，節點存在層級關系，功能更多樣，結構更復雜，在網絡抽象拓撲中還可以通過屬性賦值的方式將其設置為一個網絡拓撲。同時，節點中還定義了節點的時延、代價、風險列表等一系列性能管理信息等。

從鏈路模型角度出發，ACTN模型中，鏈路連接兩個節點，是單向的，支持光層、電層、以太層的描述。同樣地，在TAPI模型中，鏈路連接兩個轉發域，可以是單向也可以是雙向，同樣支持光層、電層、以太層的描述。

從路徑計算角度出發，ACTN模型中，路徑計算功能主要針對TE隧道，即對TE隧道進行預計算，計算的限制條件包括主備路徑的必經路由和排除路由以及帶寬信息，計算策略由算路策略和權重組成。算路策略包括代價、跳數、時延，自定義程度不高。在TAPI模型中，有專門的路徑計算模塊，可以定義更多的約束條件、更豐富的目標函數，約束條件包括代價、風險、時延、分離策略等，目標函數包括帶寬最優、鏈路利用最優、包含現有路徑等，自定義程度更高、更復雜。另外，ACTN和TAPI模型均包含操作維護管理（operations administration and maintenance，OAM）相關模型。

可以看到，相較于ACTN的網絡模型，TAPI的抽象邏輯導致網絡模型更復雜、功能更多樣，有成熟的OAM體系和模塊，并且有專門的路徑計算模塊，自定義程度更高。ACTN的網絡模型結構簡單，通過TE隧道提供路徑計算功能，自定義程度不高。但是TAPI因為網絡模型復雜，模型設計過程中的冗余度高，重復信息多，配置低效。

另外，TAPI模型迭代過程中各版本間存在大量的屬性調整，包括增添、刪除、重命名、拆分，以及功能上的變動，使得新版本的TAPI無法實現舊版本的一些功能，各個版本間兼容性較差。相比較于TAPI模型，ACTN版本迭代過程中要求向前兼容，兼容性較好。

綜合各方面的考慮，本文提出了基于ACTN的OTN控制器系統北向統一接口模型，解決跨域專線業務自動快速開通需求。同時，在完善基于ACTN的OTN控制器北向接口標準的基礎上，積極推動IP承載網絡和無源光網絡（passive optical network，PON）控制器系統北向ACTN接口標準化工作，為廠商控制器北向統一接口模型標準化和跨專業業務協同編排與智能運維管理奠定基礎。

3 ACTN統一接口模型研發實踐

為推進控制器系統北向統一接口標準化，實現多廠商控制系統統一編排，支持跨專業、跨廠商業務端到端自動開通，本文作者團隊在OTN控制器北向ACTN接口模型標準化和管控系統建設兩個方面展開了大量的研究，在ACTN接口模型標準化工作上，牽頭制定CCSA系列標準，包括基于ACTN的SDOTN接口模型及測試方法標準等[4,7-8]；參與ACTN國際標準討論，包括業務名稱、管理狀態等內容。在管控系統建設方面，目前中國聯通已基本完成SDOTN一二級協同器架構部署，完成基于ACTN的SDOTN架構的整體布局，實現跨域透傳業務、跨域OTN承載以太網（Ethernet over OTN，EoO）業務自動編排。自研的開放光網絡管控平臺對接入型OTN設備的管理也已經進入正式集約化商用部署階段[14]。

3.1 ACTN統一接口模型

基于ACTN統一接口模型的業務編排器架構如圖6所示，不同網絡的網絡層設備通過各自的管控系統進行統一管控，管控系統與網絡設備之間的南向接口由各個管控系統分別定義。其中，接入型OTN設備和模塊化波分設備通過自研開放光網絡系統統一管控，PON設備通過自研PON管控系統進行管控。各廠商的PON管控系統、OTN管控系統和IP承載網絡管控系統通過統一ACTN MPI（MDSC-PNC interface）標準接口接入業務編排器系統，向業務編排器系統提供網絡資源信息與管理權限等，由業務編排器完成“傳輸+數據+接入網絡”的協同編排，解決跨廠商、跨專業業務互聯互通的問題。兩級業務編排器系統之間采用ACTN MMI（MDSC-MDSC interface）進行交互，完成組合業務的管理，主要包括網絡分層拓撲資源的管理、路徑計算、業務連接控制、拓撲及業務資源狀態變化的通知管理等。業務編排器系統通過RESTful接口接入業務支撐系統（business support system，BSS）/OSS，接收BSS/OSS的業務請求，處理業務邏輯等。

目前，基于ACTN的SDOTN接口模型的企業標準已經形成，主要內容包括層次化的拓撲、TE隧道（OTN隧道、同步數字體系（synchronous digital hierarchy，SDH）隧道、OCH隧道）、透傳業務、EoO業務、SDH承載以太網（Ethernet over SDH，EoS）業務、性能監控、通知等模型。以透傳業務為例，基于ACTN的OTN透傳業務模型層次關系示意圖如圖7所示。另外，基于ACTN的軟件定義IP（software defined Internet protocol，SDIP）網絡接口模型目前已完成一階段的定制，包括拓撲、TE隧道、二層虛擬專用網（layer twovirtual private network，L2VPN）業務、L2VPN業務性能監控、L3VPN業務、通知上報等模型，后續將繼續推進分段路由（segment routing，SR）業務和以太網虛擬專線（Ethernet virtual private line，EVPN）業務模型的標準化工作。

圖6 基于ACTN統一接口模型的業務編排器架構

圖7 基于ACTN的OTN透傳業務模型層次關系示意圖

3.2 ACTN管控系統功能架構

為了對提出的統一化ACTN接口模型進行接口功能驗證，本文在SDOTN協同器基礎上，對跨專業業務編排器系統進行研發，打破現有各專業網絡SDN化改造導致的網管系統“煙囪林立”問題。如圖6所示，業務編排器系統架構是一個兩級的編排器架構，兩級業務編排器系統負責提供跨專業業務編排能力和北向開放接口，其中二級業務編排器系統負責省內業務編排，一級業務編排器系統負責跨省業務編排。

業務編排器系統采用微服務架構，每個服務運行在其獨立的進程中，服務與服務之間采用輕量級的通信機制互相溝通。業務編排器系統的微服務基礎架構包含5個部分：API網關、業務應用微服務、微服務注冊/配置中心、用戶認證授權中心和消息中間件。其中，業務應用微服務包含統一管控接口模塊、單專業編排模塊和跨專業編排模塊。具體地，跨專業編排模塊包含跨專業業務編排、跨專業路徑計算、跨專業保護協同、跨專業性能管理等功能，主要完成IP網絡與OTN協同、OTN與PON協同和云網協同等，實現跨專業端到端業務編排的意圖。單專業編排模塊包含OTN業務編排、IP網絡業務編排和PON業務編排，實現單專業內端到端的業務編排能力，并支撐響應跨專業編排模塊需求，實現敏捷的網絡業務發放。

業務編排器系統功能架構如圖8所示，業務編排器系統通過ACTN統一管控接口分別與各專業管控系統交互，完成數據采集和業務配置下發等功能。同時，在業務編排器上通過跨專業微服務模塊及其他單專業的業務微服務模塊相互配合實現“傳輸+數據+接入”網絡的協同編排，實現跨域業務路徑計算、業務自動開通、業務帶寬動態調整，以及業務層面告警、性能監控等功能，提高業務發放效率。

圖8 業務編排器系統功能架構

業務開通成功強依賴于編排器系統對于網絡資源的實時性把握，因此編排層同樣需要依賴自身對網絡資源的感知，構建網絡資源智能運營系統，實時獲取網絡資源數據，進行資源分析及智能運維功能的實現，增強網絡資源服務能力。明確生產用管控系統與運營用資源管理系統的關系，保證數據的完整性和唯一性且適應網絡動態變化。

4 結束語

廠商控制器北向接口的開放和統一化程度對于SDN編排系統的整體性能有著至關重要的影響，統一化接口模型方便進行API的管理和復用，使得接口模型的擴展和維護性更好。目前業界圍繞ACTN接口能力已經開展了大量開拓性研究及測試工作，下一步將在光傳送網控制器北向ACTN接口的研究基礎上，積極推動IP承載網絡和PON控制器系統北向ACTN接口標準化，統一化管控系統北向建模接口，探索跨專業網絡端到端業務協同的能力，進一步提升數字化、智能化水平。

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Research and practice of OTN controller northbound unified interface model

TAN Yanxia, ZHENG Yanlei, WANG Guangquan, ZHANG He

Research Institute of China United Netwok Communications Co., Ltd., Beijing 100048, China

In the software defined optical transport network (SDOTN) architecture, the manufacturer’s controller system is required to be connected to the optical transport network (OTN) orchestrator system through the northbound interface. However, there is currently no unified northbound interface standard, which brings many problems to the automatic provisioning of cross-domain and cross-vendor end-to-end services in SDOTN. The status and problems of OTN controller northbound open interface standards were expounded, and the current mainstream transport application programming interface (TAPI) and abstraction and control of traffic engineering network (ACTN) northbound interface standards from the perspective of network models were compared and analyzed. Finally, the research practice of China Unicom in the standardization of ACTN unified interface model and the construction of management and control system were introduced, and an outlook on the follow-up research and development direction was provided.

SDOTN, end-to-end orchestration, unified interface model

TN915.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022270

2022?08?25；

2022?10?10

國家重點研發計劃項目（No.2019YFB1803700）

The National Key Research and Development Program of China (No.2019YFB1803700)

譚艷霞（1991? ），女，博士，中國聯合網絡通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為傳輸網管控技術、IP與光協同等。

鄭滟雷（1978? ），男，博士，中國聯合網絡通信有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為承載網絡的開放性管控系統接口標準研究以及系統平臺的開發工作。

王光全（1968? ），男，中國聯合網絡通信有限公司研究院教授級高級工程師，長期從事光通信網絡的技術研究、標準跟蹤以及相關的技術管理工作。

張賀（1971? ），男，中國聯合網絡通信有限公司研究院教授級高級工程師，主要研究方向為光纖傳輸、同步網新技術等。