城域传送网SDN化的演进分析

王 健，梁 灿/Wang Jian,Liang Can

（中国移动通信集团设计院有限公司上海分公司 上海200060）

1 引言

软件定义网络（software defined network,SDN）通过将网络设备控制平面与数据平面分离，实现网络流量的灵活控制。SDN 技术的出现为通信网络组网及应用提供了良好的平台。此外，SDN 技术具备按需使用传输网络计算和存储资源的能力，基于分布式云架构的新型应用也可以按需使用运营商基于SDN 技术的网络资源。

2 SDN 与OpenFlow 技术架构体系

SDN 诞生于美国GENI 项目资助的斯坦福大学Clean Slate 课题。研究团队提出OpenFlow的概念，后续基于OpenFlow 给网络带来可编程的特性，SDN的概念应运而生。

ONF 提出的SDN 架构主要包括应用层、控制层和基础转发层，如图1所示。

具体实现上，可能会在ONF SDN 架构上增加协同层，以负责提供北向接口，实现网络业务间协同以及域间协同，如网管和控制器间的协同，PTN 和WDM控制器间的协同等。

OpenFlow 是一个转发表的管理协议，要在现有网络基础上加入新的特色比较困难，主要体现在以下几方面：

①很难加入线速转发接口；

②算法完全做到分布式很难，尤其是在协议层定义时；

③新的协议必须在现有的机制下才能够实现；

④必须能在有多种约束限制和异构网络中适用。

目前网络模型的MAC 层和IP 层能做到很好的抽象，但由于网络拓扑、协议、算法和控制处理的复杂度太高（因为有太多的复杂功能加入到体系结构中，如OSPF、BGP、组播、区分服务、流量工程、NAT、防火墙、MPLS、冗余层等），对于控制接口来说并没有起到作用。SDN 提出控制层面的抽象，可以对控制层进行简单、正确的抽象。SDN 给网络设计规划与管理提供了极大的灵活性，可以选择集中式或是分布式控制，对微量流（如校园网的流）或是聚合流（如主干网的流）进行转发时的流表项匹配，可以选择虚拟实现或是物理实现。

（1）OpenFlow 端口

· 物理端口，即设备上物理可见的端口；

· 逻辑端口，在物理端口基础上由Switch 设备抽象出来的逻辑端口，如为tunnel 或者聚合等功能而实现的逻辑端口；

· OpenFlow 定义的端口。OpenFlow 目前共定义 了 ALL、CONTROLLER、TABLE、IN_PORT、ANY、LOCAL、NORMAL 和FLOOD 等8 种 端口，其中，后3 种为非必需的端口，只在混合型的OpenFlow Switch中存在。

（2）流表

OpenFlow 通过用户定义或预设的规则来匹配和处理网络分组。一条OpenFlow的规则由匹配域（match fields）、优先级（priority）、处理指令（instructions）和统计数据（如counters）等字段组成，如图2所示。

在一条规则中，可以根据网络包在L2、L3 或者L4等网络报文头的任意字段进行匹配，如以太网帧的源MAC 地址，IP 分组的协议类型和IP 地址，或者TCP/UDP的端口号等。目前OpenFlow的规范中还规定了Switch 设备厂商可以选择通配符进行匹配。

（3）通信通道

OpenFlow 规范定义了OpenFlow Switch 如何与Controller 建立连接、通信以及相关消息类型的通信通道。OpenFlow 规范中定义了3 种消息类型。

第一种是Controller/Switch 消息，是指由Controller发起、Switch 接收并处理的消息，主要包括Features、Configuration、Modify-State、Read-State、Packet-out、Barrier和Role-Request 等消息。这些消息主要由Controller 来对Switch 进行状态查询和修改配置等操作。

第二种是异步（Asynchronous）消息，是指由Switch发送给Controller、用来通知Switch 上发生的某些异步事件的消息，主要包括Packet-in、Flow-Removed、Port-status 和Error 等。如当某一条规则因为超时而被删除时，Switch 将自动发送一条Flow-Removed 消息通知Controller，以方便Controller 作出相应的操作，如重新设置相关规则等。

第三种是对称（Symmetric）消息，顾名思义，这些都是双向对称的消息，主要用来建立连接、检测对方是否在线等，包括Hello、Echo 和Experimenter 这3 种消息。

3 SDN 技术在城域传送网中的应用

3.1 切入点

运营商的演进路径各不相同，主要有以下3 种途径。

其一，通过SDN 集成OTN 和WDM，在城域传送网单个管理域集成L0 和L1的资源管理和控制功能。

其二，建立策略驱动的自动化SDN 环境，协调计算、存储网络资源，支持虚拟化的网络功能。

其三，通过SDN 集成光层和IP 层，实现跨层（L0/L1/L2/L3）的资源优化和弹性传送业务。

目前中国移动将SDN 与PTN 结合，推出了SPTN的架构，如图3所示。随着100 G 系统的开展应用，进一步尝试实现SDN 与OTN 结合。以SPTN 为例，SPTN网络的发展规划分为2 个阶段。

（1）第一阶段：兼容现网

接口选择：由于现网已有大量PTN 设备，南向接口均非OpenFlow，因此沿用现有Qx/SNMP 接口。

控制器实现：Domain Controller 与网管紧耦合实现SDN；依靠Super Controller管理多厂家D-Controller，定义统一的feature，简化S-Controller。

（2）第二阶段：可支持OpenFlow

推动南向接口标准化，新建SPTN 采用标准化接口，可以采用OpenFlow。

APP 应面向运营商和客户分别考虑，既满足灵活性要求，又要安全可靠。

3.2 具体应用

（1）结合城域传送网组网需求

随着未来LTE 发展引入COMP 等功能后，将提出CRAN的明确需求，同时，未来LTE 单站带宽不断提升，PTN 承载网络也将向扁平化方向演进，采用Mesh 结构组网，如图4所示。然而，全Mesh 组网后，业务的流向将突破现有端到端的静态业务配置方式，目前以维护电路为主的传送网运维人员将难以适应。

引入SDN 后，可为各种拓扑结构和流向需求的业务提供灵活的开通方式，大幅简化网络运维复杂度。

（2）结合集客专线需求

目前的集客专线主要面临的问题有以下几方面。

· 网管配置业务效率较低；跨地市、跨省专线需多厂家网管协调配置，周期长。

· 集客业务扩容及路径调整频繁，每次调整均需拆除业务路径，重新规划建立；PTN 网管工具无法动态完成带宽调整。

· 集客业务具有潮汐效应，导致流量不均衡；集客业务地理分布不均匀，导致业务密集区域带宽紧张，稀疏区域带宽充裕。

· 运营商不同业务部门需要独立管理运营相应的网络资源；集团客户需要呈现和管理自己的租用网络。

总体来说，需要对传送网提出快速开通、业务调整灵活、高效利用网络资源、网络虚拟化的要求。

如图5所示，通过SDN的引入，实现集客业务的快速发放、业务带宽的实时调整以及业务质量的可视监控；通过部署网管集中控制和控制器控制，结合协同器完成端到端集客业务拉通。

可以按需部署各类APP 应用，实现集客业务申请、开通、调整、网络状态及性能实时呈现等功能，具体实现的功能有以下几方面：

图3 SPTN 架构

图4 PTN 承载网络结构向扁平化演进需求示意

· 客户APP 方式实现业务申请、调整的简化；

· 业务SLA 面向客户呈现；

· 专网视图面向客户呈现；

· 业务带宽的快速申请和调整；

· 业务发放速度从月到天。

（3）PTN L3 配置优化

结合SDN的应用，通过SDN 控制器实现算法，可实现PTN L3网络的配置简化。

EPC 组Pool 对PTN L3网络带来的需求及面临的问题有以下几方面：

· 城域L3 PTN 节点与区域内所有EPC 路由可达；

· 城域L3 PTN 节点之间需要规划用于S1-flex 流量调度带宽；

· 落地PTN 之间需要与所有SGW、PGW 路由可达，并规划用于S1-flex的流量调度带宽；

· 从后续扩展考虑，需预留带宽以承载不同机房间SGW、PGW 间的流量(S5 接口)。

PTN L3网络维护管理带来的需求及面临的问题有以下几方面：

· L3 PTN 因带宽需求增加，需频繁调整。

· L3 PTN网络与L2 PTN网络融合，保护配置调整。

引入SDN 后，PTN网络可解决静态L3 VPN 配置的问题，实现流量流向的动态调节，实现网络安全性的提升。

· 静态L3 VPN 问题：需要手工配置，但是引入分布式控制平面会带来其他问题，如网络轻载、边缘节点负载不均衡、可靠性差等；引入SDN从全网视角调度资源，能够实现全局最优。

· 流量、流向灵活调度问题：LTE 快速发展，带来了网络流量和流向调整频繁，采用SDN 能够满足动态调整要求。

· 保护、恢复问题：现有L3 PTN 仅能实现主备保护，引入SDN，能够实现多点故障保护恢复。

（4）智能SDN时钟

结合SDN，在网管控制器采用时钟算法并下发，实现时钟数据部署的免规划、免配置以及维护阶段加减点免配置和智能故障定位。

时钟部署面临的问题有以下几方面。

· 部署： 同步以太、1588v2、1588ACR 等时钟特性，在时钟网规划及配置上专业性较强、工作量大、易出错。具体如时间网规划、上下游跟踪关系、主从关系、各种参数配置等。

· 维护：网络拓扑调整时，需重新规划和配置。

·时钟环：时钟环会引起全网时钟震荡，靠目前的人工规划时钟网来避免成环存在一定风险。

引入SDN 后，可节省客户在部署和维护中的工作量，节省技术储备、人力投入，并减少人为错误的发生，并能有效避免时钟成环，如图6所示。

4 SDN 技术在城域传送网下阶段的应用设想

随着SDN 概念的发展和推广，其研究和应用领域也得到了不断拓展。目前，关于SDN 与传输技术相结合的研究领域主要体现在以下几方面。

（1）按需创建业务

问题：云业务分布在多个不同地理位置，因此端到端云业务集成后呈现给远程用户非常困难，耗时耗力。

解决方案： 通过为每一业务组合动态创建来加速部署并降低运营成本。

SDN的作用：计算出最优化的路由，将网络连接集成在一起，从而取消耗时的手工路由配置工作。业务对应的网络拓扑保存在SDN的资源管理器中而不是传输设备中，这样可以避免因为传输设备需要大量的CPU 资源而进行网络硬件升级。

（2）动态多层网络优化

问题：网络流量波动性和不可预测性日益加剧，进行网络流量工程的时间窗口过于分散，常常是几个月，导致网络的可用性和业务质量下降。即使一个很小的网络变动，运营商都必须对每一网络层面进行隔离监测，线下进行实施结果分析。

图5 集客业务自动发放流程示意

图5 时钟智能配置维护示意

解决方案：允许用户明确连接要求，如延迟、抖动和带宽。然后实时判决满足此网络属性的路径和业务。提供基于实时策略的办法来跟踪SLA 并实现流量工程在网络各层的自动化。

SDN的作用：可按需部署第三方应用，访问并分析存储在资源管理器中的全网拓扑和状态信息。分析结果后用来动态触发网络策略，实现网络资源的重新部署，如ODU 容器大小的调整或业务与光通道之间的映射。

5 结束语

相比较而言，尽管网络虚拟化以及城域传送网的虚拟化得到了诸多发展，但还有很多问题亟需解决。SDN 尽管不是专门为网络虚拟化而生，但它们具备的标准化和灵活性却给网络虚拟化的发展带来了无限可能，这项技术也将不断发展成熟，并最终应用到运营商网络中。

1 汤进凯，张奇，王健.下一代光传送网技术发展与应用探讨.电信科学，2009（10A）:192~195

2 龚倩，邓春胜，王强等.PTN 规划建设与运维实战.北京：人民邮电出版社，2010

3 Tim Szigeti,Christina Hattingh.端到端QoS网络设计.北京：人民邮电出版社，2007