软件定义光接入网

赵永利　吴家林　张杰

提出一种基于软件定义的光接入网架构，可提升网络资源利用率，实现业务灵活接入与高效智能调度。该架构通过采用软件定义的光接入设备，可使接入网具备控制集中化、资源虚拟化、业务服务化等特点，进而降低网络运维成本，提升用户终端体验，为构建下一代简单、弹性、智能光接入网提供技术手段。

软件定义网络；光接入网；智能网络

In this paper， we propose software-defined optical access networks architecture， which can improve resource use in an optical access network. This architecture enables flexible service access and highly efficient scheduling. With this technology， we can make the network with centralized control， resource virtualization and business services. In this way， network construction costs can be reduced， and user terminal experience can be improved. This also promotes simple， intelligent next-generation optical access networks.

software defined network； optical access network； intelligent network

当前，由各种智能终端设备、各种云服务、以及庞大的光纤网络和无线通信网络共同构成的全球互联网爆发式发展，极大地刺激了网络业务的日益多样化与复杂化。同时随着用户对综合业务通信需求的与日俱增，以及定制化、差异化需求的出现，光网络的数据转发面朝着超长距离、超大容量、超高速率的方向发展，控制管理面则朝着智能灵活、软件定义、用户交互、安全可靠、高效节能的方向发展。开放化和低成本成为未来网络发展的核心目标。

同时随着互联网OTT（Over The Top）厂商的兴起，传统网络运营商逐步“被管道化”，面临“剪刀差”[1]困境。光接入网作为用户接入互联网的第一道门户，是用户网络体验的核心，是联系业务与用户的纽带。随着互联网服务驱动网络架构的变革，人们对光接入网提出了新的要求，需要进一步具备智能、开放、服务化等特点，而传统的光接入网架构与技术难以满足需求。

软件定义网络（SDN）是一种新型的网络架构，旨在将网络的控制与转发相分离，并对底层设备实现可编程化控制，从而达到网络开放与灵活配置的目标。SDN从架构上打破了传统依赖专有网元形成的封闭、僵化的控制体系，降低了设备生产的成本，并简化了运营，提高了网络运维的效率[2]。目前SDN技术在光网络中的应用也得到广泛的关注，并形成了系列关键技术[3-5]。

SDN技术为光接入网的发展提供了新的思路，如控制与转发分离、虚拟化以及集中控制等特点，使光接入网设备逐渐具备智能控制功能，进而支持由多台设备协同组网，提供集成服务的能力[6]。本文提出了基于SDN的光接入网架构，并对其涉及的关键技术进行了分析，设计了软件定义光接入网的典型应用场景。

1 软件定义光接入网架构

软件定义光接入网架构如图1所示，包括应用平面、控制平面、设备平面3个平面。

设备平面指底层网络设备，“傻瓜化”硬件只保留数据的转发、策略的执行。传统的路由计算、策略的分析生成功能上移到控制平面，设备平面通过集成OpenFlow协议向控制平面提供可编程接口[7]。目前设备平面与控制平面主流的通信协议是OpenFlow协议。

控制平面主要包括网络操作系统，其中系统内核提供基础的协议通信、系统服务管理。在网络操作系统中，以网络服务的形式完成控制平面的网络核心控制功能，比如网络拓扑结构、网络状态信息、异构网络虚拟化、用户认证、服务质量（QoS）保障、安全等模块。

应用平面通过控制平面北向应用编程接口（API）接口实现更加复杂的应用层功能，如故障监控、资源调度、业务定制等应用。

软件定义光接入网通常具有如下特点：

（1）控制集中化

随着对下一代互联网研究的深入，近年来软件定义网络成为国内外研究的热点[7-8]，软件定义网络实现了网络基础设施资源的集中可编程控制，通过控制器的集中管理，使网络策略可编程控制、网络资源可最优化分配。

集中式的控制架构，将数据转发层和控制层分离，接入节点的控制功能集中到控制器，通过硬件开放的可编程接口实现接入网节点“傻瓜化”，网络运维管理“集中化”，赋予网络运营商资源调配的灵活性，既可以减小网络运营者的管理成本，又可以让网络更敏捷。

（2）资源虚拟化

光接入网技术标准复杂，异构网络之间资源粒度和管理方式差异性较大，传统的接入网运营方式都是以家庭物理端口为单位，导致资源利用率低，资源调度困难等问题，基于软件可编程的虚拟化资源抽象机制，可以为网络控制层提供统一抽象的资源接口，实现全网资源的统一管理、灵活调度，提升资源利用率，增强用户体验，降低网络运营成本。

（3）业务服务化

随着三网融合以及VoIP、IPTV等业务的普及，接入网需要具备全业务运营的能力，并且需要根据不同的业务需求与用户需求采用不同的QoS与管理策略[9]。这在一定程度上加大了网络的管理运营难度，但是受到传统人工或半人工管理模式的限制，传统的光接入网资源管理存在一定的局限性，同时也不能实时满足业务动态变化的需求。

软件定义光接入网通过集中式控制器统筹全网资源，实时调度网络资源满足业务多样化需求，同时开放式网络架构为应用层提供统一抽象的接口，简化网络应用的部署，加速网络创新。

2 软件定义光接入网关键

技术

软件定义光接入网主要包括如下关键技术：

（1）网络集中式控制技术

软件定义集中控制网络将底层异构的物理网络抽象成统一的接口，以供上层应用进行统一的调度和管理。具体来讲，可以将传统的控制平面划分为两部分，一部分功能是与业务控制紧耦合，包括各种丰富的业务QoS策略和带宽资源配置策略。另一部分功能是与设备控制紧耦合，主要指实现数据传输必须具备的控制功能。其中，公共功能部分可从控制平面中分离出来，构成集中式的网络控制器，向下通过开放的接口协议与设备节点相连，向上作为网络操作系统，了解全网资源信息，支持全网业务策略，在此基础上可灵活实现控制平面功能的可重构性，能够很方便地扩展各种业务应用和网络运营功能。

（2）网络资源虚拟化技术

由于诸多原因，光接入网标准复杂，技术与设备更新换代速度慢，直接导致光接入网成为一个复杂的异构网络，利用软件定义统一控制架构可以解决不同类型网络的互连互通问题。然而，异构网络资源的最优化利用[10]才是未来网络追求的最终目标，其以网络资源的虚拟化为实现基础。通过网络资源的虚拟化技术，可以实现异构网络资源的统一管理和灵活调度。

针对以上问题，以异构网络资源的高效利用为目标，实现异构网络资源的统一抽象机理与映射机制，首先需要归一化不同形态资源粒度，比如时分复用无源光网络（TDM-PON）以时隙为粒度，波分复用无源光网络（WDM-PON）以波长为粒度等，然后研究网络资源调度算法和控制策略，通过集中式网络架构实时获取网络状态，结合资源分配策略达到全局最优化利用。

资源虚拟化技术目的在于实现光接入网资源的灵活调度，全局高效分配。接入网最核心的资源就是带宽资源，传统的带宽资源分配技术，比如动态带宽分配机制，根据终端的带宽需求以及预先制订的策略实现了光接入网局部带宽灵活配置[11]。然而这种光线路终端（OLT）内部的动态带宽分配机制并不能满足整个光接入网带宽灵活配置需求。一方面，传统的动态带宽分配机制依赖人工预先制订的参数策略，只能实现一定范围内的灵活性，实时性差，无法动态满足终端带宽需求；另一方面，传统的动态带宽分配机制只局限在单个OLT内部，缺乏多个OLT之间的带宽灵活配置。

基于控制集中化和资源虚拟化的带宽分配技术将突破传统网络架构的限制，以即时网络状态为支撑，洞悉网络流量变化，以全局视角调度全网资源，实现网络资源的高效利用和网络设施的科学建设。

（3）业务灵活接入与服务质量保障技术

光接入网业务日益多样化，为了节省网络成本以及高效利用大容量PON网络，运营商希望PON能够承载更多的业务，比如P2P、IPTV、语音通话、无线backhaul等等[12]，而受限于落后的网络业务QoS保障机制，运营商传统的运营方式无法满足业务定制化需求，逐渐沦为“管道”提供商，陷入“剪刀差”困境，如何向用户提供定制化业务，对实现光接入网智能化意义重大。

传统的光接入网标准对QoS做了相关的要求，包括对上行和下行业务流的业务分类，队列调度，带宽控制，保障在上行和下行方向均能根据服务等级协议（SLA）提供各种优先级业务的QoS[13]。满足了光接入网承载多种业务的能力，能够根据预先人工制订的策略针对不同的业务应用不同的QoS，即在目前的技术框架下，网络运营商可以通过网管软件人工实现业务QoS的固定设置，但是人工网管式的QoS管理技术有很多致命缺陷，无法满足日益增长的定制化需求。一是用户的需求时刻在变化，人工固定式管理交付速度慢，以天为计量单位[14]，无法满足迅速发展的网络可定制化的快速交付能力需求；二是人工网管制订的策略无法考虑到网络的实时状态，势必造成策略的局限性，只能根据过去的统计数据或者最坏情况去制订相关策略，没有合理地调度网络资源；三是人工网管式管理技术是分布式的，缺乏保障而且运营成本很高，网络信息和策略的汇聚和执行速度慢[15]，缺乏集中式全局视角和统一的业务交付平台，不能有效的利用网络资源向内容服务商和用户提供定制化业务。

软件定义网络将控制平面与数据转发平面分离，并通过API接口实现硬件可编程，为实现敏捷QoS控制机制提供可能。

为了统一高效的业务流管理，本文基于OpenFlow提出了Service-Flow控制机制，将传统的光接入网业务管理简化为PON设备根据控制器下发的Service-FlowTable匹配业务以及执行相应的QoS策略。PON设备将无法识别的业务上报给控制器，控制器通过下发Service-FlowTable自定义地修改业务QoS控制策略，Service-FlowTable包括业务匹配域、端口匹配域和自定义策略域。基于软件实现的控制器支持快速迭代开发，不断支持新业务以及新策略。

灵活的QoS保障技术为快速业务定制提供可能，业务定制层以应用形式部署在SDN应用平面，企业用户或管理员可以通过业务定制层提供的简单交互界面随时开通或修改定制业务服务，业务定制层实时更新定制业务库。业务QoS保障模块部署在控制平面，根据实时更新的业务策略与网络实时状态制订最佳的业务QoS优先级及带宽分配信息，控制平面与设备平面的通信协议基于标准的OpenFlow协议针对接入网进行适配。在设备平面中，将OpenFlow协议代理嵌入到底层接入网设备中，实现硬件可编程。

3 软件定义光接入网的

应用场景

软件定义光接入网主要有如下应用场景：

（1）全局可视化运维新模式

依赖于SDN的集中控制网络架构，将大幅简化网络运维复杂度，光接入网设备完全可以做到即插即用，而且网络故障的维护变为简单的硬件更换。

对于故障诊断方面，可以通过上层应用生成自动化的测试用例，通过集中控制器进行网络质量测试，并且可以任意指定测试的覆盖率等参数，相比传统测试仪器，不受地理位置的限制，更加快捷高效，并在用户发现问题之前就能发现网络故障以及性能瓶颈问题，提前解决问题，提高用户体验。

软件定义光接入网实现了可管、可视、可扩展的高效运维平台，打造网络资源与业务质量全局可视化的新运维模式，并且为业务升级和网络规划提供即时数据支撑，大大促进了业务创新进程。

（2）面向用户的网络资源分配

传统的接入网都是按照家庭物理端口为单位分配资源，没有统一的用户账号系统，落后的资源分配方式已经满足不了时代的发展，无法满足用户在任何地方享受同一标准的网络服务，而当前用户对于资源的灵活性需求越来越高；另一方面传统的基于物理端口的分配方式资源利用率低，在一个比较大范围的地理区域，总人口可以认为是相对固定的，但是人口流动性很大，同时总带宽需求是比较稳定的，也就是网络流量在不断迁移，而网络带宽却是固定的，为了满足网络流量的峰值和用户体验，必然造成网络带宽资源的极大浪费。如何让网络带宽随着网络流量的迁移而动态分配，是一个亟待解决的技术难题，传统的光接入网技术只能解决单一设备或者局部的资源分配，在更大范围的网络规模上，还没有可行的技术方案。

软件定义光接入网采用集中式控制架构，为全局资源最优化提供技术支撑，中央控制器掌握所有底层设备的实时流量信息和带宽资源分配，全局动态分配带宽，再加上应用层的用户集中认证应用，可以实现在接入网中面向用户的带宽分配机制，用户只需要购买一个账号就可以在任何网络覆盖的地方享受完全一样的有保障的网络服务，运营商也可以最大限度的提高网络资源利用率，大幅降低运营成本。而且用户账号系统是大数据时代的基石，有了账号才能区分用户行为，大数据才有意义，进一步可以提供更个性化的网络服务。

（3）业务服务定制接入网络

现在OTT业务面临差异化服务的需求，服务定制将确保面向用户的服务质量[12]。

2014年召开的中国未来网络产业高峰论坛上，刘韵洁院士提出了服务定制网络（SCN）的理念。阐释了未来网络发展趋势：网络控制与数据交换分离，强大的网络资源调度控制能力，网络为内容提供服务。同时这也是光接入网的发展趋势，软件定义光接入网将成为服务定制网络的接入门户。

互联网发展冲击着传统运营商网络，呈现出业务多样化趋势，因此要求网络具有区分服务的能力。而接入网是端到端区分服务能力的瓶颈，基于软件定义光接入网灵活的控制架构，利用业务灵活接入与QoS保障技术，构建服务定制网络的入口，打造共赢生态圈，对下一代光接入网的发展具有战略意义。

4 结束语

软件定义光接入网是接入网领域带宽提升之外的一个新兴而且重要的研究方向，具有很大的研究价值和产业空间。本文围绕光接入网控制集中化、资源虚拟化、业务服务化的新需求，从软件定义的视角研究集中式控制网络体系结构及构建方法，资源虚拟化抽象机制，以及定制业务QoS保障技术。在OTT业务和运营商的双重推动下，软件定义光接入网的应用将会成为未来接入网技术主流之一。

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