大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代光纖通信技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)
來源:《重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》,作者付亞偉
摘 要:隨著信息通信技術(shù)及各種高速帶寬業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展,對承載這些業(yè)務(wù)的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)在功能及網(wǎng)絡(luò)靈活性、擴(kuò)展性方面提出了更高要求,其必須在實(shí)現(xiàn)大容量、超高速傳送的同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化轉(zhuǎn)型。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined networking,SDN)技術(shù)被視作具有顛覆性的網(wǎng)絡(luò)革命技術(shù),必將促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)智能化轉(zhuǎn)型。闡述了SDN基本概念及其功能;分析光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,介紹將SDN技術(shù)應(yīng)用于光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的軟件定義光網(wǎng)絡(luò)(software defined optical networking,SDON)概念及其特性;提出了解決光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、靈活性和平滑升級的方法,即引入SDN技術(shù)向SDON演進(jìn);分析大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代光纖通信的發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞:軟件定義網(wǎng)絡(luò);軟件定義光網(wǎng)絡(luò);光纖傳輸網(wǎng)絡(luò);大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代;發(fā)展趨勢
0 引 言
隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展,寬帶中國、三網(wǎng)融合等國家戰(zhàn)略的實(shí)施,大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智慧城市建設(shè)的推進(jìn)以及5G移動(dòng)網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè),種類繁多的各種創(chuàng)新應(yīng)用將應(yīng)運(yùn)而生,超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能制造、高頻實(shí)時(shí)交易、新興移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等需求將越來越多,呈現(xiàn)出業(yè)務(wù)種類繁多,帶寬需求極速增長的局面。與此同時(shí),無論是對傳輸速率、帶寬,還是網(wǎng)絡(luò)的可靠性、時(shí)延等都提出了更高要求,由此催生出承載這些業(yè)務(wù)需求的光纖通信新技術(shù)、新應(yīng)用,以適應(yīng)大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的業(yè)務(wù)發(fā)展新需求。
近年來,光纖通信技術(shù)發(fā)展迅速,光纖通信系統(tǒng)傳輸容量快速增長,研究表明[1]單模光纖中波分復(fù)用(wavelength division multiplexing,WDM)的傳輸總?cè)萘恳呀?jīng)達(dá)到115 Tbit/s,單載波凈接口速率已經(jīng)超過1 Tbit/s。隨著高速帶寬業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展,對承載這些業(yè)務(wù)的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)在其功能及其網(wǎng)絡(luò)靈活性、擴(kuò)展性方面也提出了更高要求,因此,在實(shí)現(xiàn)大容量、超高速傳送的同時(shí),光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)必須插上智能靈活的“翅膀”,以實(shí)現(xiàn)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)智能化轉(zhuǎn)型。而引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined networking,SDN)技術(shù),實(shí)現(xiàn)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送層的變革和擴(kuò)展層的重構(gòu),即優(yōu)化分配光網(wǎng)絡(luò)傳送層的頻譜資源,改進(jìn)控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法,使光網(wǎng)絡(luò)變得更加靈活智能高效,已經(jīng)成為近年來光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵研究課題[2]。國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)對此做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[2-3]針對光網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)路由計(jì)算和頻譜分配問題分別提出了基于頻譜連續(xù)度的路由和頻譜分配算法,以及功率高效的調(diào)制格式分配算法;針對實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)資源充分利用的問題,提出了基于OpenFlow的光路資源自適應(yīng)調(diào)整方案和非對稱的調(diào)制格式及頻譜分配算法方案,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能配置,使路由資源配置更靈活,有效降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率。文獻(xiàn)[3]還針對業(yè)務(wù)需求差異化問題,提出了面向服務(wù)的軟件定義光網(wǎng)絡(luò)解決方案,即通過對特定的功能進(jìn)行解耦,將其作為獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能模塊提供給業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)需求的精準(zhǔn)適配。文獻(xiàn)[4]則著重研究了OpenFlow協(xié)議向光域擴(kuò)展的策略和對分組網(wǎng)和光網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)不同技術(shù)域內(nèi)路徑建立的策略。文獻(xiàn)[5]提出了一種面向服務(wù)定制(service-customized network,SCN)的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),SCN基于SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片,為業(yè)務(wù)提供差異化端到端服務(wù)質(zhì)量保障。
近年來業(yè)界在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中引入SDN技術(shù)的研究工作進(jìn)展順利,特別是在網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化研究、帶寬自主設(shè)定、自動(dòng)路由配置和網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)調(diào)整等方面研究成果喜人,加速了光纖傳輸系統(tǒng)SDN化進(jìn)程,促進(jìn)了軟件定義光網(wǎng)絡(luò)(software defined optical networking,SDON)的商用。本文通過對SDN/SDON的介紹,結(jié)合光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析,旨在進(jìn)一步闡明光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)智能化轉(zhuǎn)型之必然,SDON是光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演進(jìn)的方向。
1 SDN概念及其功能
大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代不僅對傳輸網(wǎng)絡(luò)速率、帶寬、時(shí)延、高可靠性等方面提出更高要求,同時(shí)對網(wǎng)絡(luò)連接的快速、高效、智能化要求更高。現(xiàn)有的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力不足,不能滿足云業(yè)務(wù)和其業(yè)務(wù)鏈重組要求,其靈活性、擴(kuò)展性均不能滿足未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要,SDN技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這方面的不足,它為解決現(xiàn)有光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的不足提供了一種新的方法和途徑,即引入SDN技術(shù)來改善光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的功能和靈活性,這樣的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)稱為SDON,它與SDN有類似的功能。
1.1 SDN基本概念
SDN是2008年美國斯坦福大學(xué)提出的一種軟件集中控制、網(wǎng)絡(luò)開放的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[6],其核心在于借助OpenFlow協(xié)議[7]實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離,通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口和利用軟件編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制和管理,通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速鏈接,為網(wǎng)絡(luò)及其資源的充分利用提供了非常高的想象空間,有效提高網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率,是一個(gè)創(chuàng)新開放的平臺(tái)[6]。SDN的概念如圖1,在SDN網(wǎng)絡(luò)中,SDN集中控制器通過不同的應(yīng)用程序、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、流量負(fù)載等策略使得更改路由和切換變得更加容易,實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置和管理。SDN控制器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)抽象的轉(zhuǎn)發(fā)模型,該模型主要包括圖1中一個(gè)使用全球網(wǎng)絡(luò)作為輸入的f(Map)轉(zhuǎn)發(fā)功能,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)映射到控制器中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和轉(zhuǎn)發(fā),而控制信息通過安全的控制通道傳播,交換機(jī)則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。
SDN概念的提出,促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)智能化的轉(zhuǎn)型,經(jīng)過近幾年的發(fā)展,已從原狹義的SDN發(fā)展到更加廣義的開放、創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其基本目標(biāo)是結(jié)構(gòu)開放、快速創(chuàng)新,核心是控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離,通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)連接的集中控制及其網(wǎng)絡(luò)資源的開放,最終通過IT創(chuàng)新把封閉的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放的創(chuàng)新平臺(tái)[6]。
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圖1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)
Fig.1 Software defined networking
1.2 SDN架構(gòu)及其功能
SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和架構(gòu)[8]。SDN技術(shù)的出現(xiàn)將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟硬件一體化模式轉(zhuǎn)化為底層高性能轉(zhuǎn)發(fā)/存儲(chǔ)+上層智能化集中控制的架構(gòu),其最具代表性的就是控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離,并實(shí)現(xiàn)軟件的可編程控制,典型架構(gòu)[6]如圖2,其中,底層為基礎(chǔ)設(shè)施層,即標(biāo)準(zhǔn)化、通用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,主要負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集;中間層為控制層,即具有可編程能力的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)備,主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)平面資源的編排,維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹顟B(tài)信息等;上層為應(yīng)用層,即面向客戶的各種業(yè)務(wù)及應(yīng)用。
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圖2 SDN典型架構(gòu)
Fig.2 Typical architecture of SDN
SDN具有控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件標(biāo)準(zhǔn)化通用化以及軟件可編程集中控制應(yīng)用等特性,具備以下主要功能。
1)處于底層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件標(biāo)準(zhǔn)化通用化,因此網(wǎng)絡(luò)硬件只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ),以及與業(yè)務(wù)特性解耦,采用相對價(jià)廉的商用架構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)。
2)通過軟件可編程來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的控制和管理,設(shè)備的種類及功能由軟件配置來確定,網(wǎng)絡(luò)的控制、運(yùn)行由服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)。
3)實(shí)時(shí)配置路由、流量、QoS等網(wǎng)絡(luò)參數(shù),實(shí)現(xiàn)定制業(yè)務(wù)的快速開通,縮短各類業(yè)務(wù)及應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間。
2 光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
2.1 光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀
1)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。現(xiàn)有光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過近三十年的發(fā)展,通常由不同時(shí)期、不同制式、不同廠家的大量功能單一、專用的硬件設(shè)備構(gòu)成,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且一旦建成,就難以變動(dòng),網(wǎng)絡(luò)靈活性、擴(kuò)展性不足,不能滿足應(yīng)用層新應(yīng)用和新商業(yè)模式對資源及帶寬的快速配置需求,以及按天或按小時(shí)計(jì)算的動(dòng)態(tài)連接及多變的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求。
2)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)不匹配。現(xiàn)有的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)只要新業(yè)務(wù)、新功能一上馬,往往就需要進(jìn)行擴(kuò)容或增加新的設(shè)備、系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)資源共享利用率低,與業(yè)務(wù)難以協(xié)同和融合,滿足不了大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用多樣化新需求,導(dǎo)致對客戶需求響應(yīng)緩慢。
3)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及運(yùn)營成本高。隨著運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,不同廠商、不同設(shè)備的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)導(dǎo)致建設(shè)和運(yùn)營成本居高不下。而面對大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)新興業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)資源和容量的動(dòng)態(tài)變化需求,以現(xiàn)有到局(站)進(jìn)行手工配置為主的解決方式根本無法實(shí)現(xiàn)對這些新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的快速支撐。
2.2 下一代光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的特征
光纖通信技術(shù)的發(fā)展,其關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)力來自新興業(yè)務(wù)的需求[9]。隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G移動(dòng)網(wǎng)等業(yè)務(wù)無疑將逐漸成為未來的主要業(yè)務(wù),而支撐這些業(yè)務(wù)發(fā)展的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò),將受其驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)全新的技術(shù)及其架構(gòu)的轉(zhuǎn)型。
未來的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)在新興業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)下演進(jìn),其核心需求是超帶寬、低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)高可靠性和業(yè)務(wù)快速發(fā)放以及開放協(xié)同,所有這些都將成為下一代光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的典型特征[9]。
1)超帶寬
光纖通信具有高帶寬、低損耗、抗干擾、低成本等優(yōu)勢,帶寬一直是其發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。從準(zhǔn)同步數(shù)字系列(plesiochronous digital hierarchy,PDH)到同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy,SDH),尤其是進(jìn)入WDM時(shí)代,光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量在不斷擴(kuò)大,而隨著互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)流量的高速增長,對帶寬的需求必將越來越大。因此,為滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展需求,必須不斷探索更加有效的突破性技術(shù)。
2)低時(shí)延
隨著超高清視頻業(yè)務(wù)、電子商務(wù)業(yè)務(wù)、5G移動(dòng)通信和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)[10]等這些對時(shí)延要求非常苛刻的業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),能否滿足低時(shí)延業(yè)務(wù)需求將直接影響運(yùn)營商未來發(fā)展。
3)高可靠性
現(xiàn)有光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全保障主要是通過多種保護(hù)和恢復(fù)技術(shù)來實(shí)現(xiàn),包括設(shè)備各功能模塊的高度可靠、1+1/1:1系統(tǒng)備份,網(wǎng)絡(luò)層面的恢復(fù)機(jī)制等。未來的網(wǎng)絡(luò)及其業(yè)務(wù)如智能制造、實(shí)時(shí)金融、智慧交通等等對網(wǎng)絡(luò)可靠性要求極高,一旦網(wǎng)絡(luò)中斷將對其所承載的業(yè)務(wù)帶來嚴(yán)重影響。因此,要求網(wǎng)絡(luò)具備更加可靠的保護(hù)功能和預(yù)防措施,毫秒級中斷恢復(fù)將成為網(wǎng)絡(luò)的必備功能。
4)業(yè)務(wù)及應(yīng)用快速適配
現(xiàn)有的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)要開通一項(xiàng)業(yè)務(wù)或連接,需要到局(站)現(xiàn)場進(jìn)行大量的手工操作,往往需要較長的開通時(shí)間。在大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,新興業(yè)務(wù)的呈現(xiàn)追求的是具備實(shí)時(shí)按需提供不同業(yè)務(wù)定制所需的路由、安全、策略、QoS、流量等,下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)“分鐘級”甚至“秒級” 的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)開通,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力對業(yè)務(wù)和應(yīng)用的快速適配,這也是下一代光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征之一。
5)開放協(xié)調(diào)
未來大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將出現(xiàn)業(yè)務(wù)的多樣化和應(yīng)用的復(fù)雜化,對承載這些業(yè)務(wù)的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)來說也將提出更高的開放、協(xié)同要求。不同的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間需要更多的互聯(lián)互通,進(jìn)行多點(diǎn)多域協(xié)同,以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速匹配,提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。
3 SDON概念及其優(yōu)勢
當(dāng)前的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò),硬件設(shè)備由不同的供應(yīng)商生產(chǎn),各自有專用接口和相應(yīng)的分布式控制協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜,不利于管理、定制和優(yōu)化,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商也面臨著高額的資本支出和高額的運(yùn)營成本。而將SDN的靈活性與下一代光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)大容量、超高速、低能耗等特點(diǎn)相結(jié)合,將形成大容量、超高速、低能耗、靈活智能的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò),即SDON。
3.1 SDON概念
SDON實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和物理傳輸/交換系統(tǒng)分離,2個(gè)平面由一個(gè)公共開放的接口連接,網(wǎng)絡(luò)的智能控制和管理由集中控制器實(shí)現(xiàn);高靈活性的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支撐不同的網(wǎng)絡(luò)需求[11-12],如圖3。其核心就是實(shí)現(xiàn)集中控制以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面分離,通用開放的接口,網(wǎng)絡(luò)切片和底層網(wǎng)絡(luò)虛擬化,使網(wǎng)絡(luò)通過可編程控制實(shí)現(xiàn)了可控可管。
在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中引入SDN 技術(shù)[13], 構(gòu)建靈活、開放、虛擬化的可編程光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)[14],實(shí)現(xiàn)用戶[15]自主帶寬設(shè)定、自動(dòng)路由配置和資源動(dòng)態(tài)調(diào)整等功能,快速靈活地調(diào)配全網(wǎng)資源,從根本上解決光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、靈活性和平滑升級問題。但在IP網(wǎng)絡(luò)中基于OpenFlow的成熟SDN技術(shù)不能直接簡單地移植到光網(wǎng)絡(luò)中,SDON還需要在技術(shù)方面有所突破,即解決好SDON的物理硬件技術(shù)、控制器技術(shù)以及通用接口問題[11]。
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圖3 SDON結(jié)構(gòu)
Fig.3 Structure of SDON
3.2 SDON優(yōu)勢
SDN技術(shù)的引入,其關(guān)鍵之處是實(shí)現(xiàn)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化以及軟件可編程集中控制,提升網(wǎng)絡(luò)靈活性、擴(kuò)展性。SDON相對于傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)勢。
1)支持靈活多樣的業(yè)務(wù)定制和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。軟件可編程控制和強(qiáng)大靈活的路由計(jì)算功能可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下路由及連接控制策略,滿足大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代多種新興業(yè)務(wù)的快速部署和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。
2)網(wǎng)絡(luò)資源利用最大化。通過軟件可編程集中控制,實(shí)現(xiàn)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)資源按需動(dòng)態(tài)調(diào)整,提高網(wǎng)絡(luò)整體性能和網(wǎng)絡(luò)資源利用效率[15]。
3)有效降低建設(shè)成本和運(yùn)行管理費(fèi)用。由于SDON實(shí)現(xiàn)了控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟硬件分離,避免了傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的重復(fù)建設(shè),有效降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本;同時(shí),其具有控制策略軟件化能力,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化、自動(dòng)化管理,從而簡化了運(yùn)維管理工作,大幅度節(jié)約了運(yùn)維費(fèi)用。
4)支持網(wǎng)絡(luò)平滑升級。由于實(shí)現(xiàn)了控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離以及網(wǎng)絡(luò)的軟件可編程控制,有利于網(wǎng)絡(luò)的智能化和底層硬件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化通用化,實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備產(chǎn)商及不同類型設(shè)備的互聯(lián)互通,弱化了頂層應(yīng)用對底層設(shè)備供應(yīng)商的依賴性,使其網(wǎng)絡(luò)的升級可以通過軟件的方式來完成,確保了網(wǎng)絡(luò)升級的平滑過渡。
4 大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代光纖通信發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)
光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力源于網(wǎng)絡(luò)本身所承載的種類繁多的各種業(yè)務(wù)。近年來,隨著寬帶、高清視頻、云業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,帶寬需求呈高速增長趨勢,給光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來巨大壓力;同時(shí)各類新興業(yè)務(wù)的出現(xiàn)對光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)指標(biāo)也提出了更高要求,要求網(wǎng)絡(luò)支持多種不同傳輸特性要求的業(yè)務(wù),因此適應(yīng)未來業(yè)務(wù)發(fā)展需求的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該是靈活且具有多適應(yīng)性,能夠根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)支撐;例如針對云計(jì)算業(yè)務(wù),采用分層架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算,從而降低信令開銷和減少業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延;而對于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),采用更加簡化的架構(gòu)以降低網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度,從而降低網(wǎng)絡(luò)成本,進(jìn)而節(jié)省物聯(lián)網(wǎng)用戶的成本。在如今光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署的形勢下,要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提升,其主要手段是在傳輸速率上下功夫,即平滑升級到高速、超高速光纖傳輸系統(tǒng),并朝著[14]高速率傳輸、大容量交換、智能化控制、多業(yè)務(wù)分組化和軟件可編程方向發(fā)展,文獻(xiàn)[14]描述了未來光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展5大趨勢,本文不再贅述。綜合光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面。
4.1 SDON是光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向
SDN架構(gòu)和技術(shù)對光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了革命性影響。現(xiàn)有的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面是合二為一的,沒有實(shí)現(xiàn)集中控制,無法實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的集中控制和管理。因此,對網(wǎng)絡(luò)資源難以做到動(dòng)態(tài)調(diào)整和管理,難以實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶需求進(jìn)行可編程的操作和網(wǎng)絡(luò)資源的按需分配,網(wǎng)絡(luò)中的新業(yè)務(wù)部署周期較長。而SDON具備控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離,并利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)可編程集中控制和管理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的重構(gòu)和智能編排,使得光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備可以采用標(biāo)準(zhǔn)通用的高容量服務(wù)器、交換機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備,降低了光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本,提高了網(wǎng)絡(luò)智能化運(yùn)營水平。SDN技術(shù)的引入將對光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展5大趨勢中的智能化控制、多業(yè)務(wù)分組化和軟件可編程發(fā)展趨勢產(chǎn)生直接影響,因此,在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中引入SDN而形成的SDON必將成為下一代光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。SDON和現(xiàn)行光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)特性比較,詳見表1。
4.2 光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)向SDON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)
近年來,SDN不僅成功應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)CP/SP(content provider/service provider)的數(shù)據(jù)中心互聯(lián),而且正逐步實(shí)現(xiàn)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。從SDN角度來看,初期光層和數(shù)據(jù)層的控制器各自分開、通過標(biāo)準(zhǔn)接口和協(xié)議相互協(xié)同,起到流量工程和多層優(yōu)化功能,后期將通過統(tǒng)一控制器集中控制,完成所有流量和策略任務(wù)[11],如圖4。
表1 SDON和現(xiàn)行光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)特性比較
Tab.1 Characteristic comparison between SDON and current optical fiber transmission networks
圖片
圖片
圖4 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向SDON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)變
Fig.4 Transition from existing network to?
SDON network architecture
在SDN技術(shù)的影響下,光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)正朝著全光化、智能化方向發(fā)展,SDON不但給傳統(tǒng)業(yè)務(wù)注入了新的活力,還能很好地匹配和適應(yīng)新興業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的需求,滿足客戶動(dòng)態(tài)按需請求等業(yè)務(wù)的快速發(fā)放;受業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng),未來的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)將在新興業(yè)務(wù)的引領(lǐng)下朝超帶寬、低時(shí)延、高可靠性、業(yè)務(wù)快速發(fā)放和開放協(xié)同5大網(wǎng)絡(luò)特性演進(jìn)。
4.3 面臨的挑戰(zhàn)
SDON代表著下一代光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向,但SDN技術(shù)目前比較成熟的應(yīng)用主要基于IP網(wǎng)絡(luò),因此SDON的應(yīng)用仍然面臨著重大挑戰(zhàn)[16],還需對以下問題進(jìn)行重點(diǎn)研究。
1)統(tǒng)一定義不同光傳輸技術(shù)和兼容分組交換技術(shù)的光傳輸和交換粒度,以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)底層設(shè)備資源通過虛擬化技術(shù)進(jìn)行抽象再重新整合封裝,這是實(shí)現(xiàn)SDON底層設(shè)備資源[17]動(dòng)態(tài)靈活調(diào)度的關(guān)鍵,其益處在文獻(xiàn)[18]中討論。
2)在目前的技術(shù)狀態(tài)下,OpenFlow不支持電路交換,如何將OpenFlow擴(kuò)展到光傳輸網(wǎng)絡(luò)中是重點(diǎn)研究的內(nèi)容,即如何實(shí)現(xiàn)在分組網(wǎng)絡(luò)+電路網(wǎng)絡(luò)中利用OpenFlow進(jìn)行光網(wǎng)絡(luò)控制[19]。
3)原有的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)在帶寬的調(diào)度分配方面受不同技術(shù)制式、廠家設(shè)備采用大量私有協(xié)議和信息格式等的影響。因此,要處理好使用多個(gè)操作系統(tǒng)來處理跨技術(shù)帶寬分配和由異構(gòu)技術(shù)域組成的網(wǎng)絡(luò)中的流量映射問題。
4)充分考慮不同光傳輸技術(shù)在功率、損耗、交換限制等方面的物理特性[20]。
5 結(jié)束語
未來的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)將承載云互聯(lián)、超高清視頻等種類繁多、應(yīng)用多樣化的多種業(yè)務(wù),這些應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的核心需求將是超帶寬、低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)的高可靠性、業(yè)務(wù)快速發(fā)放和開放協(xié)同。同時(shí),隨著光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,還將面臨異構(gòu)化、擴(kuò)展性等方面的問題。因此,根據(jù)前述對SDON的分析,光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)向SDON架構(gòu)演進(jìn)已成為必然。另外,由于國內(nèi)幾大電信運(yùn)營商在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面積累了近三十年的建設(shè)投入,形成了龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)行光纖傳輸網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)設(shè)備涉及多廠商、多制式甚至存在多個(gè)傳輸平面,所以將SDON應(yīng)用于公眾網(wǎng)的過程將會(huì)比較復(fù)雜,必須要制定光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的長期發(fā)展戰(zhàn)略和具體演進(jìn)步驟,以確保網(wǎng)絡(luò)的平滑升級。
審核編輯:符乾江
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