基于软件定义网络技术的宽带接入网演进方案研究

□ 文 范清栋 王克铨 陈国信 曾秋辉 陈 兢

1 GPON存在的问题

目前，宽带运营的方式主要以带宽出租为主，这种粗放的运营方式既无法提供高附加值的增值业务，也无法进行端到端的差异化运营，更无法满足用户在网络质量、业务体验等方面的需求，主要问题如下：

（1）GPON组网结构复杂，设备部署分散，类型繁多，业务与BAIS、OLT、MDU等设备强耦合，导致了用户无法快速接入、故障无法快速定位、网络运维成本高等问题。

（2）GPON作为宽带接入网，与骨干网扁平化和融合程度不足，网间协议转换复杂，传输效率低下，缺乏统一的资源管控和调度能力。

（3）GPON对大流量、高保障等业务承载能力弱，缺少有效的端到端QoS保障机制。现有QoS机制各自为阵，没有将接入网和城域网、骨干网无缝的衔接起来。

（4）GPON在业务运营方面自动化程度不足，需大量人力物力支撑，运营成本高，操作周期长，用户体验差。

（5）GPON设备量大，分布广，能耗高，对运营商降本增效形成巨大挑战。

鉴于以上问题，亟待一种手段突破技术瓶颈，解决GPON面临的带宽利用率低、业务体验差、部署低效、运维复杂等问题，实现网络资源与业务热点的协同，提升网络效率和用户满意度。

2 SDN技术特点

软件定义网络技术（SDN）是一种比较先进的网络虚拟化方式，是下一代网络演进的一个重要方向。它通过将网络抽象化，将网络控制与数据转发进行分离，同时面向应用层提供开放的软件接口，支撑应用对网络能力的直接调用，实现网络可编程。此外，SDN通过硬件的标准化、通用化，摆脱了对传统网络架构的限制，使控制策略具备全局视角，使数据转发更加高效。SDN技术的控制与转发分离、虚拟灵活、共享开放、全局管控等特点，为网络的设计、部署和管理带来了极大的灵活性和便捷性，有效解决了新业务接入、网络安全、运营支撑等问题。SDN应用架构如图1所示。

SDN技术特点归纳如下：

（1）敏捷高效——通过集中控制平面进行业务的统一配置和管理，使新业务开发、上线和迭代更加便捷，业务发布周期大幅缩短；此外，转发和控制的分离也使得业务变更更容易实现，业务部署更加灵活，开发、运维和采购成本也因此大幅降低。

图1 SDN应用架构

（2）弹性运营——由应用驱动网络实现资源的自动配置，为精细化流量运营提供技术支撑，从而实现多业务大容量资源的边缘接入、差分服务以及快速转发。

（3）智能管控——借助网络功能虚拟化技术（NFV）提供的资源扩展能力，实现用户数据的即时采集和分析，并通过对应的网络变更策略，按照不同的忙闲时段，自动开闭网元和链路，大大节约网络运营成本。

（4）简化运维——通过提供横向、纵向虚拟化技术，简化网络拓扑逻辑，同时将传统网络中运行的OSPF、BGP、MPLS等协议拟合为一种网络协议，极大地降低运维难度。

（5）开放共享——转发平面与应用接口协议的开放和共享，使SDN具备了纵向编程和横向联动能力，用户不仅可以通过控制器对转发设备进行配置，还可以根据需求进行定制开发，这将大大促进业务创新，提升用户体验。

软件定义网络技术（SDN）是一种比较先进的网络虚拟化方式，是下一代网络演进的一个重要方向。

3 应用SDN改造GPON

通过SDN控制器、配置代理等方法将不同架构的GPON设备虚拟化，并将设备管理、业务编排等功能统一集中运行在管理服务器上，实现设备配置、资源管理、数据采集等设备管理功能，和业务调度、业务配置等业务管理功能的“双集中”，将现有GPON网络改造成为一张弹性、敏捷、智能的宽带网络，简化网络结构，降低硬件成本，主要步骤如下：

3.1 OLT功能虚拟化

（1）实现单台OLT设备的虚拟化。应用NFV方法，将OLT主控板的控制功能移植到X86服务器上运行，用专用软件模拟主控板，用白盒交换机模拟交换板，从而将OLT拆分成多个功能模块，然后通过SDN虚拟化技术，将L4-L7层功能交由控制器及网络编排层实现，从而实现OLT的控制功能和转发功能的分离，涉及到的功能模块包括：ONU绑定和认证、OAM、用户VLAN配置、SIPALG功能、DHCP Ser/Relay功能、IGMP代理功能、路由收敛功能、数据统计功能、DPI检测功能等。

图2 GPON基于SDN技术的演进架构

（2）实现OLT设备的“多对一”和“一对多”虚拟。在接入域设置接入控制器vOLT，根据业务需求，将物理设备逻辑虚拟成多台设备，并通过多视图技术，对物理OLT实现集中控制，从而达到满足客户对资源差异化需求的目的。

（3）在OLT流量转发方面，可通过Openflow机制，对转发路径、Qos等参数进行统一计算，并根据流表，实现二层MAC转发和三层路由转发。在ODN侧的业务接入方面，可通过SDO技术，根据OLT所分布的网格，对PMD、PHY、波长进行软件定义，并实现MAC层和物理层资源的编程，从而实现对光纤资源的充分利用。此外，还可以在现有DBA技术上，进行PON口光功率和码率调整，以便满足业务对网络的差异化需求。

（4）在网络简化方面，可通过OLT直连BAIS的方式，并通过vOLT集中控制的方式，减少网络层次和逻辑结构，实现网络扁平化，提升维护效率。

3.2 引入虚拟ONU

实现ONU虚拟化，并将vOLT作为vONU的集中控制器，从而建立从OLT直达用户的逻辑管道，达到管控用户通过ONU实现接入的目的，具体包括两种方式：

（1）代理控制方式。vONU统一按照FTTH的方式接入OLT代理，vONU用户业务的VLAN、GEM-PORT等参数规划和业务开通流程应全归一化为FTTH方式，这样将大大简化网络结构。

（2）直接控制方式。由控制器直接控制MDU、ONT等设备，vONU通过去除单个MDU、ONT的带宽收敛、数据交换等特性，将这些功能交由vOLT统一实现，由vOLT统一处理不同MDU、ONT之间的资源竞争。该方法解决了MDU、ONT等设备缺少带外控制通道和冗余连接的问题，但可能因MDU、ONT等设备数量庞大造成对网络效率和控制器处理性能的影响。

3.3 搭建GPON网络SDN四层架构

按照SDN四层架构重新架构GPON网络，如图2所示。

各层的功能特性如下：

（1）应用层

应用层利用北向接口开放的API开发程序，进行业务发放。需要说明的是：一个物理接入设备可以同时存在多个OTT网络，某用户在某一时刻可以同时访问不同的OTT网络，所以数据平面的物理设备要有强大的数据处理能力和可编程能力，支持不同的OTT网络之间进行快速的业务分发、业务隔离等功能，同时支持OTT业务资源的灵活部署和网络扩展，并兼顾公平性。

（2）协同层

协同层主要作用是业务编排和协同，向应用层提供API程序开发接口，并支持接入网业务抽象和跨域协同，同时按照业务功能和性能要求组建逻辑业务网络。此外，协同层需要在将基础网络中的各项网络功能和资源虚拟化后，基于不同的OTT应用开发API，制订差异化业务策略，组建和创新逻辑业务网络，支持客户的按需使用和快速响应。在接入网与城域网之间，协同层通过解耦业务和物理网络，为业务应用和个性化编程提供统一平台。

（3）控制层

控制层是SDN技术架构的核心，它通过屏蔽接入设备的参数、功能、性能等技术差异，将网络进行抽象和虚拟，形成标准的开放架构和网络模型，负责网络全局管理和对转发平面设备的统一控制。它支持协同层中各业务模块的设置和调整要求，为协同层提供网络拓扑、资源状态等服务，它也支持协同层不同OTT业务的并发需求以及对资源和功能的灵活划分和调度，能够将不同的逻辑分片适配给不同的业务应用和客户。北向接口作用是与上层应用进行数据交互和提供支撑，南向接口使用Open Flow协议，作用是通过流表机制，控制数据转发，用于控制转发平面的转发行为和资源调度。

（4）转发层

转发层主要作用对业务进行感知、调度和监测，并实现MAC寻址、以太转发以及本地维护功能，转发平面的设备接收上层的指令并依据指令进行数据转发。在GPON中，业务将在转发层中被分发和传输，用户对资源的访问也将以最短路径和最短时间实现。

图3 基于SDN技术的集中管控和运维机制

SDN技术或将引发下一次互联网技术革命，为未来的GPON网络发展带来无限可能

3.4 建立端到端集中管控和运维机制

基于SDN虚拟技术，将GPON接入网和城域网、骨干网进行融合，不仅建立端到端的转发路径和管控机制，也避免了多次协议转换，从而实现基于网络整体的统一管理和端到端的QoS保障机制，使得网络变得更加可视化、可评估、可预测，如图3所示。在流量调度方面，通过基于对业务热点、用户偏好以及网络状况的深度监测和准确掌控，可实现对网络资源的集中管理和分配，形成全局视角下的流量调度策略。此外，在网络运维方面，通过可视化界面，运维人员可以直观的评估网络运行状态，在网络运维、资源调度、QoS保证、节能环保、第三方调用等方面，可实现更加灵活、更加多元地操作和配置。

4 结束语

SDN技术是电信网络未来演进的一个重要方向，它必将重新定义GPON网络基础架构，这有助于突破GPON接入网设备通用性不足、网络基础能力弱、运维难度大等问题的制约。基于SDN的GPON网络也必将具备跨层的全网视野，这使其能够快速调度全网资源，集中控制数据转发，实现网络的可编程、可管控和业务的自动部署。从这个角度上说，SDN技术或将引发下一次互联网技术革命，为未来的GPON网络发展带来无限可能。■