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)

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(lái)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(duì)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(shì)，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(jí)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(shì)

0 引 言
隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶中國(guó)、三網(wǎng)融合等國(guó)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(lái)越多，呈現(xiàn)出業(yè)務(wù)種類繁多，帶寬需求極速增長(zhǎng)的局面。與此同時(shí)，無(wú)論是對(duì)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(lái)，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(zhǎng)，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(guò)1 Tbit/s。隨著高速帶寬業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，對(duì)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(lái)光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵研究課題[2]。國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)對(duì)此做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[2-3]針對(duì)光網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)路由計(jì)算和頻譜分配問(wèn)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(duì)實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)資源充分利用的問(wèn)題，提出了基于OpenFlow的光路資源自適應(yīng)調(diào)整方案和非對(duì)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(duì)業(yè)務(wù)需求差異化問(wèn)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(guò)對(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(lái)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(guò)對(duì)SDN/SDON的介紹，結(jié)合光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(duì)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(duì)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(lái)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(lái)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(guó)斯坦福大學(xué)提出的一種軟件集中控制、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)近幾年的發(fā)展，已從原狹義的SDN發(fā)展到更加廣義的開(kāi)放、創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其基本目標(biāo)是結(jié)構(gòu)開(kāi)放、快速創(chuàng)新，核心是控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接的集中控制及其網(wǎng)絡(luò)資源的開(kāi)放，最終通過(guò)IT創(chuàng)新把封閉的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)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)?、狀態(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(duì)價(jià)廉的商用架構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)。

2)通過(guò)軟件可編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)確定，網(wǎng)絡(luò)的控制、運(yùn)行由服務(wù)器來(lái)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(kāi)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(shì)
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(guò)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(duì)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?，F(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(duì)客戶需求響應(yīng)緩慢。

3)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本高。隨著運(yùn)營(yíng)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(yíng)成本居高不下。而面對(duì)大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)新興業(yè)務(wù)對(duì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(wú)疑將逐漸成為未來(lái)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(lái)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(kāi)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(shì)，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(zhǎng)，對(duì)帶寬的需求必將越來(lái)越大。因此，為滿足未來(lái)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(duì)時(shí)延要求非?？量痰臉I(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(yíng)商未來(lái)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(guò)多種保護(hù)和恢復(fù)技術(shù)來(lái)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(lái)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(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性要求極高，一旦網(wǎng)絡(luò)中斷將對(duì)其所承載的業(yè)務(wù)帶來(lái)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(jí)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(kāi)通一項(xiàng)業(yè)務(wù)或連接，需要到局(站)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的手工操作，往往需要較長(zhǎng)的開(kāi)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(jí)”甚至“秒級(jí)” 的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力對(duì)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(kāi)放協(xié)調(diào)

未來(lái)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(duì)承載這些業(yè)務(wù)的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)也將提出更高的開(kāi)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(shì)
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(yíng)商也面臨著高額的資本支出和高額的運(yùn)營(yíng)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(jí)問(wèn)題。但在IP網(wǎng)絡(luò)中基于OpenFlow的成熟SDN技術(shù)不能直接簡(jiǎn)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(wèn)題[11]。

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圖3 SDON結(jié)構(gòu)
Fig.3 Structure of SDON

3.2 SDON優(yōu)勢(shì)
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(duì)于傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)勢(shì)。

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(guò)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(jiǎn)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(jí)。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(duì)底層設(shè)備供應(yīng)商的依賴性，使其網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)可以通過(guò)軟件的方式來(lái)完成，確保了網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的平滑過(guò)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(lái)，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(zhǎng)趨勢(shì)，給光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)巨大壓力；同時(shí)各類新興業(yè)務(wù)的出現(xiàn)對(duì)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(lái)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(duì)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(kāi)銷和減少業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延；而對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，采用更加簡(jiǎn)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(shì)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(jí)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(lái)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展5大趨勢(shì)，本文不再贅述。綜合光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)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(méi)有實(shí)現(xiàn)集中控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的集中控制和管理。因此，對(duì)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(zhǎng)。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(yíng)水平。SDN技術(shù)的引入將對(duì)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展5大趨勢(shì)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(shì)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(jiàn)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(lái)，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(lái)看，初期光層和數(shù)據(jù)層的控制器各自分開(kāi)、通過(guò)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(guò)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

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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(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，滿足客戶動(dòng)態(tài)按需請(qǐng)求等業(yè)務(wù)的快速發(fā)放；受業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)，未來(lái)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(kāi)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(duì)以下問(wèn)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(guò)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(lái)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(wèn)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(yǔ)
未來(lái)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(duì)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(kāi)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(wèn)題。因此，根據(jù)前述對(duì)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(guó)內(nèi)幾大電信運(yùn)營(yíng)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(guò)程將會(huì)比較復(fù)雜，必須要制定光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)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(jí)。

審核編輯：符乾江