軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（SDON）解決方案及其關(guān)鍵技術(shù)

　　軟件定義光網(wǎng)絡(luò)（Software Defined OpTIcal Network，SDON）的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運(yùn)營(yíng)功能的緊耦合、以連接過程為核心的閉合控制到以組網(wǎng)過程為核心的開放控制的模式轉(zhuǎn)變，代表了未來光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用新的發(fā)展方向。SDON技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

　　● SDON方案能夠解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通問題。隨著融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，不同類型的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源交織疊加在一起，形成了異構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境，加劇了全網(wǎng)業(yè)務(wù)控制與資源管理的難度。該方案通過對(duì)Openflow等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，開發(fā)面向?qū)ο蟮慕换タ刂平涌?，可以?shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息抽象化和跨層網(wǎng)絡(luò)控制集成化，從而在接入網(wǎng)與核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)和無線網(wǎng)之間建立起具備統(tǒng)一控制能力的新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系。

　　● SDON可以滿足用戶對(duì)光網(wǎng)絡(luò)編排的需求，從而在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用方式、操作方式和銷售方式上實(shí)現(xiàn)靈活性，并使得用戶以更快的速度獲得想要的服務(wù)功能，無需等待設(shè)備商把這些功能納入到專有設(shè)備中。

　　● SDON能夠帶來對(duì)光網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化管理，虛擬化管理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備范圍可覆蓋全部OTN產(chǎn)品；網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化技術(shù)可以更好地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施資源的優(yōu)勢(shì)，通過開放的統(tǒng)一資源管理平臺(tái)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用達(dá)到最優(yōu)化?；谔摂M化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)各自的應(yīng)用需求，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下快速有效地接入與控制網(wǎng)絡(luò)資源。

　　近年來，雖然SDON技術(shù)研究還處于起步階段，但作為SDN與光網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的熱門技術(shù)，已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外各大運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商的高度重視。2014年8—9月，光互聯(lián)論壇（OIF）與開放網(wǎng)絡(luò)基金（ONF）聯(lián)合組織全球多個(gè)運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商以及科研機(jī)構(gòu)，開展了基于SDN的光傳送網(wǎng)OTN原型和互操作性測(cè)試與演示。在此次演示中，中國(guó)電信主導(dǎo)并聯(lián)合中興通訊、華為、烽火在中國(guó)電信北京研究院完成了中國(guó)首次SDON跨廠商、多域組網(wǎng)測(cè)試。此次測(cè)試驗(yàn)證了基于層次化控制器架構(gòu)的多域SDON技術(shù)方案的可行性，標(biāo)志著SDON商用化進(jìn)程取得了突破性進(jìn)展。層次化控制器架構(gòu)的多域SDON解決方案如圖1所示，該技術(shù)方案的特點(diǎn)如下。

　　● 整個(gè)架構(gòu)自上向下分為4層：APP應(yīng)用層、Orchestrator總控制器層、單域控制器層和OpTIcal Network設(shè)備層。

　　● APP應(yīng)用層與Orchestrator總控制器之間的北向接口（North Bound Interface，NBI）重點(diǎn)采用Restful接口機(jī)制。Restful機(jī)制借鑒了Web服務(wù)的架構(gòu)風(fēng)格，具備無狀態(tài)、面向資源、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效、松耦合、可伸縮等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而為北向接口實(shí)現(xiàn)SDON的開放控制、可編程、可定義等技術(shù)特點(diǎn)，提供天然的技術(shù)支撐。

　　● 單域控制器層與OpTIcal Network設(shè)備層之間的南向接口（South Bound Interface，SBI）盡量兼容WASON（自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)）及較早部署的OTN網(wǎng)絡(luò)，確保SDON網(wǎng)絡(luò)與這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)互通，更好地適應(yīng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)業(yè)務(wù)部署的平滑升級(jí)、漸進(jìn)式演進(jìn)思路。

　　隨著SDON技術(shù)研究的不斷深入，業(yè)界廠商和組織逐步發(fā)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的虛擬化是實(shí)現(xiàn)基于SDON開放控制的基礎(chǔ)和前提，也是SDON控制器內(nèi)部不可缺失的主要組成部分。廣義的網(wǎng)絡(luò)虛擬化，通常是指面向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化——將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商分為兩種：基本設(shè)施提供商，負(fù)責(zé)管理物理層的基礎(chǔ)設(shè)施；服務(wù)提供商，基于對(duì)基本設(shè)施提供商的資源整合，創(chuàng)造虛擬化網(wǎng)絡(luò)；最終在資源整合的基礎(chǔ)上向終端用戶提供端到端的服務(wù)。廣義的網(wǎng)絡(luò)虛擬化就是讓一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)支持多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，虛擬化保留了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中原有層次結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通道和所能提供的服務(wù)，使得最終用戶的體驗(yàn)和獨(dú)享物理網(wǎng)絡(luò)一樣，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)還可以高效利用網(wǎng)絡(luò)資源：如空間、能源、設(shè)備容量等。如公司或其數(shù)據(jù)中心在擁有一套物理基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)可以虛擬出很多網(wǎng)絡(luò)，為公司的運(yùn)維部門、新兼并公司、需隔離的重要部門等同時(shí)提供服務(wù)，各虛擬網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)擁有相同的安全性。

　　而對(duì)于SDON，網(wǎng)絡(luò)虛擬化是支持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多樣化的重要部分，可以定義如下：它是支持多運(yùn)營(yíng)商同時(shí)存在的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，共享同一個(gè)物理層，這個(gè)物理層也由多個(gè)設(shè)備商管理；它支持使用一系列的開放可編程的網(wǎng)絡(luò)接口，并針對(duì)物理層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)虛擬的抽象層；允許用戶對(duì)抽象層進(jìn)行控制并改變相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并對(duì)用戶屏蔽物理層網(wǎng)絡(luò)的操作和使用復(fù)雜性，使得用戶在抽象層上部署新的應(yīng)用更加容易，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的靈活性。

　　SDON中的網(wǎng)絡(luò)虛擬化與廣義網(wǎng)絡(luò)虛擬化之間的主要區(qū)別就在于實(shí)現(xiàn)虛擬化的主體。通常，人們認(rèn)為SDN將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能從單機(jī)、分散的硬件平臺(tái)分離出來，并以虛擬機(jī)的形式管理這些部件。而SDON中的網(wǎng)絡(luò)虛擬化將會(huì)使網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)簡(jiǎn)化并實(shí)現(xiàn)通用化，例如：屏蔽物理平面細(xì)節(jié)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化規(guī)劃、配置、管理、優(yōu)化和保護(hù)恢復(fù)。人工操作和規(guī)劃過程也正在向虛擬化演變。自動(dòng)化程度與靈活性的提高使運(yùn)營(yíng)商降低高層級(jí)工作的負(fù)載，將其置于較低層級(jí)，包括光電子層面，例如：如今，在非自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，人們總是采用多重冗余系統(tǒng)以防護(hù)節(jié)點(diǎn)失效，但是這樣做成本很高；而自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)則通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障重路由來恢復(fù)流量，減少了對(duì)昂貴、龐大的冗余系統(tǒng)的依賴。

　　在 SDON架構(gòu)體系中，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬化的主要目的在于：將光網(wǎng)絡(luò)的物理層基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行虛擬化，進(jìn)而完成對(duì)光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的抽象和封裝，將提供的服務(wù)與物理層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施分離開，為上層用戶提供可編程、可定義的光網(wǎng)絡(luò)虛擬層。這將對(duì)未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響：運(yùn)營(yíng)商能夠通過向應(yīng)用層用戶開放的接口、光網(wǎng)絡(luò)虛擬層等，把對(duì)光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的控制權(quán)交給應(yīng)用層用戶；根據(jù)用戶的等級(jí)權(quán)限，開放部分或全部光網(wǎng)絡(luò)虛擬層的網(wǎng)絡(luò)資源，允許用戶在可獲得的虛擬光網(wǎng)絡(luò)資源基礎(chǔ)上，根據(jù)自身需要進(jìn)行訪問和控制——讓用戶自己整合、定義網(wǎng)絡(luò)資源，從而實(shí)現(xiàn)“將光網(wǎng)絡(luò)資源作為一種服務(wù)”，即OaaS（OpTIcal as a Service）的技術(shù)理念。

　　2014年以來，有關(guān)光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)及應(yīng)用的研究已經(jīng)得到了業(yè)界普遍重視，業(yè)界知名廠商包括中興通訊、ADVA、華為、JDSU等都將下一代光網(wǎng)絡(luò)中部署“支持光網(wǎng)絡(luò)虛擬化的SDON系統(tǒng)”作為光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。光網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的基礎(chǔ)資源，其虛擬化后的應(yīng)用場(chǎng)景被普遍認(rèn)為將大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的工作。

　　圖2顯示了光網(wǎng)絡(luò)虛擬化的典型應(yīng)用場(chǎng)景：各數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)都有各自特定的QoS和SLA需求，因此網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要專用的OTN網(wǎng)絡(luò)，可通過虛擬光網(wǎng)絡(luò)在共享統(tǒng)一物理OTN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)上，滿足不同數(shù)據(jù)中心的各種業(yè)務(wù)需求。

　　到目前為止，雖然光網(wǎng)絡(luò)虛擬化作為SDON的關(guān)鍵技術(shù)，被業(yè)界廠商和科研機(jī)構(gòu)普遍重視，但由于面臨著諸多技術(shù)難點(diǎn)，仍處于理論分析及實(shí)驗(yàn)研究階段。技術(shù)難點(diǎn)主要包括：

　　● 如何提供可擴(kuò)展的、靈活的、可配置的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，包括：跨多個(gè)管理域?qū)崿F(xiàn)對(duì)端到端業(yè)務(wù)連接及OVPN的控制；如何根據(jù)用戶請(qǐng)求提供動(dòng)態(tài)連接服務(wù)，即 BoD業(yè)務(wù);如何提供端到端的連接——保證低抖動(dòng)、低延遲等QoS；具有按需分配帶寬的能力，達(dá)到波長(zhǎng)級(jí)或子波長(zhǎng)級(jí)，時(shí)間可控（幾分鐘、幾小時(shí)或者數(shù)天）；如何將網(wǎng)絡(luò)資源同其他重要的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行協(xié)調(diào)，如CPU、存儲(chǔ)和可視化的顯示設(shè)備等；廣播/多播能力等。

　　● 對(duì)光網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)抽象封裝，即如何將光網(wǎng)絡(luò)物理層資源模型進(jìn)行數(shù)學(xué)模型抽象化的提取，特別需要考慮光網(wǎng)絡(luò)資源與傳輸模式有自身的物理特性限制，比如區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)的光網(wǎng)絡(luò)物理層損耗：由于光信號(hào)傳輸本身的特性，色散、偏振模色散以及增益抖動(dòng)等各種物理層光信道損傷的累積等，如何將這些光網(wǎng)絡(luò)物理層損耗抽象提取到光網(wǎng)絡(luò)虛擬層中。

　　● 虛擬化的光網(wǎng)絡(luò)資源映射問題，為虛擬光網(wǎng)絡(luò)服務(wù)VONS中的虛擬節(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路分配運(yùn)行時(shí)所需的物理資源，設(shè)計(jì)出針對(duì)不同映射分配策略的優(yōu)化求解目標(biāo)函數(shù)（如基礎(chǔ)設(shè)施資源負(fù)載均衡、網(wǎng)絡(luò)貨幣收益最大化、最大化資源的使用效率、可服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)化、終端用戶數(shù)量最大化等）、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化算法等，滿足用戶對(duì)光網(wǎng)絡(luò)使用的個(gè)性化、性能、效益等需求。

　　以上都是光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)亟待解決的問題。光網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)研究任重道遠(yuǎn)，但它所能帶來的效益和價(jià)值是不可估量的，代表了SDON技術(shù)發(fā)展的前進(jìn)方向。