基于SDN的传送网政企专线解决方案研究

卢曌，高兴平（中国通信建设集团设计院有限公司，西安 710119）



基于SDN的传送网政企专线解决方案研究

卢曌，高兴平
（中国通信建设集团设计院有限公司，西安 710119）

本文分析了目前政企专线业务面临的问题，结合SDN思想和体系结构特点，提出了以虚拟化光网络技术为核心的SDN政企专线解决方案，并深度解析了方案中应用层通信、资源池映射和业务映射路由策略这3大关键技术的实现方式，为SDN专线业务提供了清晰透彻的研究思路和行之有效的建设方案。

政企专线；SDN；虚拟光网络；资源池；业务映射路由

1 目前政企专线面临的问题

目前，政企专线业务主要通过两种方式承载，一种是接入网+IP城域网方式，这种方式接入便捷，造价低廉，适应政企上网或普通企业内部的VPN业务；另一种方式采用传送网承载，由OTN、MSTP、IP RAN/PTN和裸光纤等系统提供传输通道，在网络/信息安全性、传送实时性和保护倒换时间等方面都具有较为完备质量保障，能够满足政府、银行、金融、公安、政法等高端业务的高品质传送要求；这类专线也是本文的研究目标。

虽然传送网专线具有一定的质量保障措施，但随着政企带宽从10～100 Mbit/s级别向10吉比特以太网跨越，电子商务/金融、网络游戏等业务广泛普及，以及高端客户对业务管理、带宽配置和响应速度的要求不断提高，现有专线方案已经体现出了诸多不足，具体如下。

（1）人工配置业务，效率低下；难以满足频繁的业务扩容和路径调整的要求。

（2）对于跨地市、跨省专线，网络结构和资源使用情况复杂，业务配置难度大；且需多厂家网管协调配置，操作繁琐，实现周期过长。

（3）专线经营、管理的各环节都采用固定模式，面对层出不穷的新业务和实时调整的带宽需求，很难做到及时反馈。

（5）虽然现网部分设备具备QoS能力，但大多未配置控制平面，缺乏全网资源调度，难以根本解决路由拥塞、路径劣化等问题。

2 基于SDN的传送网专线功能架构

在传送网中引入SDN体系，能够有效解决上述问题。SDN网络具备用户自主带宽/功能设定、自动路由/链接配置、网络资源动态调整等功能，可以大幅度提高网管集中控制能力和效率，快速灵活的调配全网资源，从而提供安全、可靠、便捷、灵活的传输通道，满足政企客户的个性化和感知度要求。

SDN专线以虚拟化光网络架构为核心，其功能结构与SDN理论体系的对应关系如图1所示。

图1　虚拟化光网络与SDN理论体系对应关系示意图

虚拟化光网络架构的管理层等效于SDN的应用层，可以采用通用语言实现用户自主编程，并通过开放的北向接口与下层网络进行交换，完成企业客户带宽实时调整、网络结构个性化建立、专网/专线视图呈现和其它业务创新等管理、输入和控制功能。

虚拟化光网络架构的网络虚拟层对应SDN的控制层，可以细分为虚拟资源池和虚拟光网络（VON）两个子层；虚拟资源池根据虚拟策略，从实际物理网络中选取满足建网限制条件资源集合，作为构建VON的基础；而VON由用户要求、路由策略和流量工程等因素共同驱动，选用资源池内的节点、路由和带宽等资源，生成虚拟光网络。该层面根据应用层要求，制定相应的网络配置策略，设置物理网络的各项参数和链接，实现路由选择和业务端到端发放，是整个系统传输质量、资源利用率和响应速度的关键。

虚拟化光网络架构的物理层对于SDN数据转发层，包括网络管理控制设备和物理网络两部分，其中网络管理控制设备由统一控制器和各个子网的网管系统组成，各网管将其所辖物理网络的拓扑结构、设备接口、带宽资源和波道配置等具体细节输出至统一控制器，由统一控制器进行汇总和抽象，为虚拟资源池提供信息。物理网络则根据网络连接距离、带宽和结构等要素配置物理信道参数，例如频谱带宽、编码格式、传输速率、电域带宽等，是实现各类业务功能最基础的环节。

3 业务流程和专线实现方式

相对传统政企专线业务流程，特别是政法、公安等跨省市的大规模网络，SDN专线实现起来更加快捷、便利，更加贴近用户，可以大幅缩减业务开通时间，提高运维效率，同时选择恰当的收敛及路由方法，也可以很好的认证网络QoS，满足用户传输质量和运营商开展智能管道的要求。具体业务流程对比如图2所示。

图2　传统和SDN专线业务流程对比示意图

实现SDN专线一般可以分为6步，具体如下。

（1）政企客户通过应用层写入对网络结构、带宽需求和业务管理等要求。

（2）应用层服务器选择相应网络，通过北向接口将用户信息传送给控制层。

（3）控制层将相应信息通知物理层的统一控制器，由其收集物理层信息，反馈给控制层。

（4）根据统一控制器的信息，控制层进行资源抽象，根据限制条件和相关算法形成资源池。

（5）综合考虑用户要求、路由策略和流量工程等因素，控制层在资源池的基础上进行VON映射，形成虚拟网络。

（6）上报应用层，满足用户要求则完成连接；不满足用户则调整资源池，重新进行网络映射。

4 关键技术解析

实现基于SDN的传送网政企专线涉及3项关键技术，分别是应用层通信、资源池收敛、业务映射路由，后两者结合起来称为光网络虚拟化技术。在专线建设过程中，这3项技术的实现方式如图3所示。

4.1 应用层通信

应用层操作系统一般设置在用户侧，控制层设备一般设置在运营商机房，二者使用的操作系统、语言类型等软件环境难以统一，故而通信过程中需要屏蔽下层系统结构和运行方式。

在目前的各类主流通信方式中，Web Service操作界面统一、简便，将服务直接提供给终端，不必关心具体的实施细节，可满足的通信应用层和控制层之间的通信要求；同时相对于RMI、DOCM、CORBA等方式，Web Service具备异构平台的互通性、广泛的软件复用能力和普适的通信能力等优势，更能够适应政企业务灵活、多变，所处环境各异的特点；加之该技术已经广泛普及，便于用户学习和使用，因此适宜作为当前应用层通信的主流技术。

图3　SDN专线关键技术实现方式示意图

4.2 资源池收敛

对于专线来说，在全网中选择业务通道的范围太大，路由计算极为复杂，且很多路由过于迂回，根本不具备可实施性；因此可以根据用户要求和网络情况，设置一定的限制因素，选择满足要求的资源集合作为资源池，以之为基础进行专线建设。

资源池收敛包括节点和链路收敛两部分内容。节点收敛用来匹配用户的收发信节点，限制条件包括节点位置、交叉时隙、接口资源、波道配置等因素。当单一节点资源不能满足业务需求时，可以虚拟合并临近资源，抽象为同一节点。在实际操作中，宜选用“贪心算法”（即在对问题求解时，总是做出当前最好的选择；并不考虑整体最优，是某种意义上的局部最优解）进行映射，选择最具备优势的节点进行匹配，从而划定网络范围，直接限制网络规模。

链路收敛负责实现专线拓扑关系集合，并保证虚链路请求的带宽资源得到满足。不同于节点映射，资源池和最终结构基本一致；而链路的可选范围很多，限制条件包括衰耗、色散、路径跳数、时延等因素，其中时延表达专线质量最为直观，因此，我们可以限定时延门限，通过KSP算法（基于Dijkstra的最短路径算法；用于计算一个节点到其它所有节点的最短路径，主要特点是以起始点为中心向外层扩展，直到扩展到终点为止），框选满足条件的路径，形成路径资源池。需要注意的是，为了便于资源调度，优化全网性能，同一专线可以拆分为多条链路，映射到不同的物理路径上，从而实现资源灵活分配，避免链路过载、拥塞等情况，但这种多径传输的方式需要设置时延差阈值，以满足系统要求，保证传输质量。

在实际组网中，用户就近接入临近局站，途经的节点资源可以根据网络规模以区县或乡镇为单位进行收敛。链路收敛可以根据节点间组网要求，将节点间链路组合成不同的单元，需要注意的是各单元之间需要区分实际物理路径是否相同，以满足设置业务保护的需要。

4.3 业务映射路由策略

目前政企业务IP化的方向已经明确，业务流量在信息化潮流中飞速增长，为了降低信道造价，用户需要对电路需求进行精细化管理；这就使带宽配置变得实时可变，而带宽需求起伏不定会造成网络流量频繁波动，使部分区域流量过载，形成拥塞；而另一些区域却资源闲置，带宽充裕。因此，在选择业务映射路由时，不仅要针对个体用户考虑传输距离、路径跳数、链路带宽等建设要点，还要站在全局角度统筹资源配置，避免顾此失彼，使各类业务需求得到统一调度，满足智能管理和QoS的要求。

业务路由映射由SDN控制层实现，控制层的建设理念主要包括PureSDN/Openflow和SDN+PCE两种，PureSDN/Openflow的核心思想是建立标准的控制平面，控制平面与数据平面分离；可以从根本上解决光网络扩展性、灵活性和平滑升级的问题。然而，目前的传送网多种技术体制并存，各个本地传输网和传输干线也都相对独立建设，造成各个网络在结构建设、资源配置、路由计算和连接控制等方面形形色色、千差万别。因此，在SDN控制器选择方面应重点考虑兼容现有网络和域间信息屏蔽性的要求，而SDN+PCE的路由方式基于GMPLS控制平面，适应各类异构网络的域间通信，相对于PureSDN/Openflow更适合网络平滑演进，因此在现阶段宜采用SDN+PCE方式承载政企业务。

为提高传输质量，避免网络拥塞和链路劣化，可以对SDN+PCE结构进行扩展，加入拥塞避免路径计算模块（CA-RCE，主要作用是收集拥塞信息，与CE和PCC交互，更新可用网络拓扑，协同PCC计算业务路径）和拥塞评估模块（CE，主要作用是实时更新并评估网络数据，设置拥塞阀值，向CA-RCE发送网络拥塞信息），通过设置拥塞阈值，实现全网动态业务流量均衡，具体扩展结构和业务实现流程如图4所示。

图4　PCE扩展结构业务实现流程示意图

该扩展结构具备业务带宽多路径分配、流量工程和QoS，可以实现带宽自动调整，拥塞/链路劣化自动选路，网络平面自动调度的功能。具体业务实现步骤如下。

（1）CC收到业务连接请求，转发给PCC和CA -RCE，计算网络拥塞概率，交由CE评估。

（2）同时OSPF-TE（基于流量工程的开放式最短路径优先协议）收集全网拥塞信息，上报给CE，作为设置阈值的参考；CE根据网络情况设置相应阀值，并对CA-RCE输入信息进行评估，完成后更新数据库，把超过阈值的节点或链路列表发送给CA-RCE 。

（3）CA-RCE收到列表后，更新虚拟拓扑，为连接请求计算路径。

（4）CA-RCE将计算得到的路径返回给CC，信令协议RSVP-TE（基于流量工程的资源预留协议）从源节点开始，逐跳为该连接预留资源。

（5）若所选链路此时具备足够的传输资源，则业务连接建立，否则业务被阻塞，重新开始计算。

5 物理层可编程模块分析

不同于数据网，光网络中波长配置、信号速率、频谱连续度、光纤损耗等诸多参数在实际传输系统中相互联系、相互制约，使得光网络的智能调度实现起来更为复杂，为了适应网络虚拟化的趋势，物理层灵活可调逐步成为研究热点。

目前，数字信号处理（DSP）技术的广泛应用为光层和软件定义网络搭建了一座桥梁，通过这座桥梁，上层建网思想和光层物理参数能够紧密衔接，传输系统动态可调的概念也得以落实，更加适应未来政企客户带宽和业务方向动态可变的特点。分析设备结构，可以发现可编程模块主要应用在光收/发信机、光滤波器、光域交叉和电域交叉4个方面，其网络功能要求和作用具体如下。

可编程光收/发信机的成熟形态应采用通用硬件结构，通过DSP和软件定义光模块技术，根据系统传输距离、非线性效应和信噪比要求等限制因素，选择和调整相应的传输速率、调制格式、前向纠错编码方式和子载波数目等参数，实现逻辑系统与实际工程的最佳匹配，提高传输质量、网络灵活性和业务变化的耐受能力。

超100 Gbit/s系统和灵活频谱光网络的提出和逐步试用，打破了传统波长按照50/100 GHz通道间隔划分的传统。滤波器可以根据实际需要，对频谱栅格宽度和滤波形状进行编程，根据ITU-T G.694.1要求，栅格宽度以12.5 GHz为最小颗粒，按其倍数配置实际滤波带宽。

为适应业务和运维要求，可编程的光交换节点应具备方向无关、波长无关、竞争无关和栅格无关等特征的高度可重构结构。光交叉矩阵基于滤波集成组件技术，支持网络中不同间隔和码型信号的灵活交叉处理，同时具备光通道功率控制和色散控制能力。该结构可支持全光汇聚与疏导，为实现高效频谱利用、灵活的光路配置和便捷的带宽管理提供了有力的技术支撑。

可编程的电交叉节点需要对信号进行3R处理，主要完成灵活的电域调度和封装映射功能。为配合波分系统中灵活频谱栅格技术的推广，ITU-T 6.709标准引入了ODUflex功能，可以实现各类颗粒业务的灵活映射，同时通过ODUflex和ODUCn功能，可以实现映射容器大小可编程。在交叉连接方面，电交叉节点根据路由策略选择连接方向，根据流量工程要求配置链路和节点资源，配合控制平面完成业务连接和网络搭建。

6 SDN传输专线展望

随着”大数据”和“互联网+”逐步融入各行各业，社会全面信息化的速度明显加快，各企事业单位内部及其之间的信息交互愈加频繁，流量起伏和流向变化难以规律性描述；而基于SDN的传输专线应运而生，切合生产生活深度信息化的趋势，能够快捷、方便的提供安全可靠、质量稳定的信息通道，起到提高沟通效率和资源利用率的效果，成为高品质专线业务有力的技术支撑，在未来必将获广泛应用，并体现出卓越的市场价值。

Based on the transport network of SDN business services for enterprise solution for research

LU Zhao， GAO Xing-ping
（China International Telecommunication Construction Group Design Institute Co.， Ltd.， Xi’an 710119， China）

In this paper， analysis of the current business services for enterprise and government are faced with the problem， combining with the characteristics of SDN thought and system structure， put forward to SDN enterprise virtualization optical network technology as the core line solution， and in depth analysis of the program implementation application-layer communications， resource pools mapping， and service mapping routing policies of the three key technologies， provides a clear thorough study SDN special business ideas and effective construction plan.

business services for enterprise and government； SDN； virtual optical networks； resource pool； business mapping routing

TN929.5

A

1008-5599（2016）06-0080-05

2016-01-05