大數據互聯網時代光纖通信技術的發展與挑戰

來源：《重慶郵電大學學報(自然科學版)》，作者付亞偉

摘 要：隨著信息通信技術及各種高速帶寬業務的飛速發展，對承載這些業務的光纖傳輸網絡在功能及網絡靈活性、擴展性方面提出了更高要求，其必須在實現大容量、超高速傳送的同時實現網絡智能化轉型。軟件定義網絡(software defined networking，SDN)技術被視作具有顛覆性的網絡革命技術，必將促進網絡技術的發展，促進網絡智能化轉型。闡述了SDN基本概念及其功能；分析光纖傳輸網絡的現狀及發展趨勢，介紹將SDN技術應用于光纖傳輸網絡的軟件定義光網絡(software defined optical networking，SDON)概念及其特性；提出了解決光纖傳輸網絡擴展性、靈活性和平滑升級的方法，即引入SDN技術向SDON演進；分析大數據互聯網時代光纖通信的發展及面臨的挑戰。

關鍵詞：軟件定義網絡；軟件定義光網絡；光纖傳輸網絡；大數據互聯網時代；發展趨勢

0 引 言
隨著信息通信技術的發展，寬帶中國、三網融合等國家戰略的實施，大數據、云計算、智慧城市建設的推進以及5G移動網、下一代互聯網的建設，種類繁多的各種創新應用將應運而生，超高清視頻、虛擬現實、智能制造、高頻實時交易、新興移動互聯網業務等需求將越來越多，呈現出業務種類繁多，帶寬需求極速增長的局面。與此同時，無論是對傳輸速率、帶寬，還是網絡的可靠性、時延等都提出了更高要求，由此催生出承載這些業務需求的光纖通信新技術、新應用，以適應大數據互聯網時代的業務發展新需求。

近年來，光纖通信技術發展迅速，光纖通信系統傳輸容量快速增長，研究表明[1]單模光纖中波分復用(wavelength division multiplexing，WDM)的傳輸總容量已經達到115 Tbit/s，單載波凈接口速率已經超過1 Tbit/s。隨著高速帶寬業務的飛速發展，對承載這些業務的光纖傳輸網絡在其功能及其網絡靈活性、擴展性方面也提出了更高要求，因此，在實現大容量、超高速傳送的同時，光纖傳輸網絡必須插上智能靈活的“翅膀”，以實現光纖傳輸網絡智能化轉型。而引入軟件定義網絡(software defined networking，SDN)技術，實現光纖傳輸網絡傳送層的變革和擴展層的重構，即優化分配光網絡傳送層的頻譜資源，改進控制層的網絡結構和實現方法，使光網絡變得更加靈活智能高效，已經成為近年來光網絡組網技術領域的關鍵研究課題[2]。國內外團隊對此做了大量的研究工作。文獻[2-3]針對光網絡中動態路由計算和頻譜分配問題分別提出了基于頻譜連續度的路由和頻譜分配算法，以及功率高效的調制格式分配算法；針對實現光網絡資源充分利用的問題，提出了基于OpenFlow的光路資源自適應調整方案和非對稱的調制格式及頻譜分配算法方案，實現了網絡動態性能配置，使路由資源配置更靈活，有效降低網絡阻塞率。文獻[3]還針對業務需求差異化問題，提出了面向服務的軟件定義光網絡解決方案，即通過對特定的功能進行解耦，將其作為獨立的虛擬網絡功能模塊提供給業務，實現對業務需求的精準適配。文獻[4]則著重研究了OpenFlow協議向光域擴展的策略和對分組網和光網絡兩個不同技術域內路徑建立的策略。文獻[5]提出了一種面向服務定制(service-customized network，SCN)的未來網絡架構，SCN基于SDN技術實現網絡切片，為業務提供差異化端到端服務質量保障。

近年來業界在光纖傳輸網絡中引入SDN技術的研究工作進展順利，特別是在網絡功能虛擬化研究、帶寬自主設定、自動路由配置和網絡資源動態調整等方面研究成果喜人，加速了光纖傳輸系統SDN化進程，促進了軟件定義光網絡(software defined optical networking，SDON)的商用。本文通過對SDN/SDON的介紹，結合光纖傳輸網絡技術發展趨勢進行了分析，旨在進一步闡明光纖傳輸網絡智能化轉型之必然，SDON是光纖傳輸網絡發展演進的方向。

1 SDN概念及其功能
大數據互聯網時代不僅對傳輸網絡速率、帶寬、時延、高可靠性等方面提出更高要求，同時對網絡連接的快速、高效、智能化要求更高。現有的光纖傳輸網絡虛擬化能力不足，不能滿足云業務和其業務鏈重組要求，其靈活性、擴展性均不能滿足未來網絡的發展需要，SDN技術的出現彌補了這方面的不足，它為解決現有光纖傳輸網絡的不足提供了一種新的方法和途徑，即引入SDN技術來改善光纖傳輸網絡的功能和靈活性，這樣的光纖傳輸網絡稱為SDON，它與SDN有類似的功能。

1.1 SDN基本概念
SDN是2008年美國斯坦福大學提出的一種軟件集中控制、網絡開放的創新網絡架構[6]，其核心在于借助OpenFlow協議[7]實現控制與數據轉發分離，通過標準化的接口和利用軟件編程實現網絡的集中控制和管理，通過網絡虛擬化能力實現網絡快速鏈接，為網絡及其資源的充分利用提供了非常高的想象空間，有效提高網絡資源的使用效率，是一個創新開放的平臺[6]。SDN的概念如圖1，在SDN網絡中，SDN集中控制器通過不同的應用程序、服務質量(QoS)、流量負載等策略使得更改路由和切換變得更加容易，實現對網絡資源的優化配置和管理。SDN控制器實現了一個抽象的轉發模型，該模型主要包括圖1中一個使用全球網絡作為輸入的f(Map)轉發功能，使整個網絡映射到控制器中實現數據交換和轉發，而控制信息通過安全的控制通道傳播，交換機則實現數據包轉發。

SDN概念的提出，促進了網絡智能化的轉型，經過近幾年的發展，已從原狹義的SDN發展到更加廣義的開放、創新的網絡架構，其基本目標是結構開放、快速創新，核心是控制和轉發分離，通過軟件編程實現對網絡連接的集中控制及其網絡資源的開放，最終通過IT創新把封閉的網絡轉變為開放的創新平臺[6]。

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圖1 軟件定義網絡
Fig.1 Software defined networking

1.2 SDN架構及其功能
SDN是一種新型的網絡技術和架構[8]。SDN技術的出現將傳統的網絡設備軟硬件一體化模式轉化為底層高性能轉發/存儲+上層智能化集中控制的架構，其最具代表性的就是控制和數據轉發分離，并實現軟件的可編程控制，典型架構[6]如圖2，其中，底層為基礎設施層，即標準化、通用的網絡設備，主要負責基于流表的數據處理、轉發和狀態收集；中間層為控制層，即具有可編程能力的網絡服務設備，主要負責處理數據平面資源的編排，維護網絡拓撲、狀態信息等；上層為應用層，即面向客戶的各種業務及應用。

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圖2 SDN典型架構
Fig.2 Typical architecture of SDN

SDN具有控制和數據轉發分離、網絡設備硬件標準化通用化以及軟件可編程集中控制應用等特性，具備以下主要功能。

1)處于底層的網絡設備硬件標準化通用化，因此網絡硬件只負責數據轉發和存儲，以及與業務特性解耦，采用相對價廉的商用架構就可以實現。

2)通過軟件可編程來實現對網絡的控制和管理，設備的種類及功能由軟件配置來確定，網絡的控制、運行由服務器來實現。

3)實時配置路由、流量、QoS等網絡參數，實現定制業務的快速開通，縮短各類業務及應用的響應時間。

2 光纖傳輸網絡現狀及發展趨勢
2.1 光纖傳輸網絡現狀
1)網絡復雜。現有光纖傳輸網絡經過近三十年的發展，通常由不同時期、不同制式、不同廠家的大量功能單一、專用的硬件設備構成，網絡結構復雜，而且一旦建成，就難以變動，網絡靈活性、擴展性不足，不能滿足應用層新應用和新商業模式對資源及帶寬的快速配置需求，以及按天或按小時計算的動態連接及多變的網絡業務需求。

2)網絡和業務不匹配。現有的光纖傳輸網絡只要新業務、新功能一上馬，往往就需要進行擴容或增加新的設備、系統，網絡資源共享利用率低，與業務難以協同和融合，滿足不了大數據互聯網業務和應用多樣化新需求，導致對客戶需求響應緩慢。

3)網絡建設及運營成本高。隨著運營商網絡的發展，不同廠商、不同設備的建設和運行維護導致建設和運營成本居高不下。而面對大數據互聯網新興業務對網絡資源和容量的動態變化需求，以現有到局(站)進行手工配置為主的解決方式根本無法實現對這些新技術、新業務的快速支撐。

2.2 下一代光纖傳輸網絡的特征
光纖通信技術的發展，其關鍵的驅動力來自新興業務的需求[9]。隨著信息產業的高速發展，大數據、互聯網、物聯網、5G移動網等業務無疑將逐漸成為未來的主要業務，而支撐這些業務發展的光纖傳輸網絡，將受其驅動而實現全新的技術及其架構的轉型。

未來的光纖傳輸網絡在新興業務驅動下演進，其核心需求是超帶寬、低時延、網絡高可靠性和業務快速發放以及開放協同，所有這些都將成為下一代光纖傳輸網絡的典型特征[9]。

1)超帶寬

光纖通信具有高帶寬、低損耗、抗干擾、低成本等優勢，帶寬一直是其發展的主要驅動力。從準同步數字系列(plesiochronous digital hierarchy，PDH)到同步數字體系(synchronous digital hierarchy，SDH)，尤其是進入WDM時代，光纖通信系統的傳輸容量在不斷擴大，而隨著互聯網等業務流量的高速增長，對帶寬的需求必將越來越大。因此，為滿足未來業務發展需求，必須不斷探索更加有效的突破性技術。

2)低時延

隨著超高清視頻業務、電子商務業務、5G移動通信和移動互聯網業務[10]等這些對時延要求非常苛刻的業務的迅速發展，網絡時延性能將面臨嚴峻挑戰，能否滿足低時延業務需求將直接影響運營商未來發展。

3)高可靠性

現有光纖傳輸網絡的安全保障主要是通過多種保護和恢復技術來實現，包括設備各功能模塊的高度可靠、1+1/1:1系統備份，網絡層面的恢復機制等。未來的網絡及其業務如智能制造、實時金融、智慧交通等等對網絡可靠性要求極高，一旦網絡中斷將對其所承載的業務帶來嚴重影響。因此，要求網絡具備更加可靠的保護功能和預防措施，毫秒級中斷恢復將成為網絡的必備功能。

4)業務及應用快速適配

現有的光纖傳輸網絡要開通一項業務或連接，需要到局(站)現場進行大量的手工操作，往往需要較長的開通時間。在大數據互聯網時代，新興業務的呈現追求的是具備實時按需提供不同業務定制所需的路由、安全、策略、QoS、流量等，下發到網絡中，實現“分鐘級”甚至“秒級” 的實時業務開通，實現網絡能力對業務和應用的快速適配，這也是下一代光纖傳輸網絡的關鍵特征之一。

5)開放協調

未來大數據互聯網時代將出現業務的多樣化和應用的復雜化，對承載這些業務的光纖傳輸網絡來說也將提出更高的開放、協同要求。不同的光纖傳輸網絡系統間需要更多的互聯互通，進行多點多域協同，以實現業務的快速匹配，提高網絡資源的利用率。

3 SDON概念及其優勢
當前的光纖傳輸網絡，硬件設備由不同的供應商生產，各自有專用接口和相應的分布式控制協議，網絡極其復雜，不利于管理、定制和優化，同時網絡運營商也面臨著高額的資本支出和高額的運營成本。而將SDN的靈活性與下一代光纖傳輸網絡大容量、超高速、低能耗等特點相結合，將形成大容量、超高速、低能耗、靈活智能的光纖傳輸網絡，即SDON。

3.1 SDON概念
SDON實現網絡控制系統和物理傳輸/交換系統分離，2個平面由一個公共開放的接口連接，網絡的智能控制和管理由集中控制器實現；高靈活性的網絡設備支撐不同的網絡需求[11-12]，如圖3。其核心就是實現集中控制以及數據轉發平面與控制平面分離，通用開放的接口，網絡切片和底層網絡虛擬化，使網絡通過可編程控制實現了可控可管。

在光纖傳輸網絡中引入SDN 技術[13]， 構建靈活、開放、虛擬化的可編程光纖傳輸網絡[14]，實現用戶[15]自主帶寬設定、自動路由配置和資源動態調整等功能，快速靈活地調配全網資源，從根本上解決光纖傳輸網絡擴展性、靈活性和平滑升級問題。但在IP網絡中基于OpenFlow的成熟SDN技術不能直接簡單地移植到光網絡中，SDON還需要在技術方面有所突破，即解決好SDON的物理硬件技術、控制器技術以及通用接口問題[11]。

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圖3 SDON結構
Fig.3 Structure of SDON

3.2 SDON優勢
SDN技術的引入，其關鍵之處是實現光纖傳輸網絡設備硬件標準化、通用化以及軟件可編程集中控制，提升網絡靈活性、擴展性。SDON相對于傳統傳輸網絡具有如下優勢。

1)支持靈活多樣的業務定制和網絡創新。軟件可編程控制和強大靈活的路由計算功能可實現復雜環境下路由及連接控制策略，滿足大數據互聯網時代多種新興業務的快速部署和網絡創新。

2)網絡資源利用最大化。通過軟件可編程集中控制，實現光纖傳輸網絡資源按需動態調整，提高網絡整體性能和網絡資源利用效率[15]。

3)有效降低建設成本和運行管理費用。由于SDON實現了控制和數據轉發軟硬件分離，避免了傳輸網絡節點設備的重復建設，有效降低網絡建設成本；同時，其具有控制策略軟件化能力，實現網絡智能化、自動化管理，從而簡化了運維管理工作，大幅度節約了運維費用。

4)支持網絡平滑升級。由于實現了控制與轉發分離以及網絡的軟件可編程控制，有利于網絡的智能化和底層硬件設備的標準化通用化，實現了不同設備產商及不同類型設備的互聯互通，弱化了頂層應用對底層設備供應商的依賴性，使其網絡的升級可以通過軟件的方式來完成，確保了網絡升級的平滑過渡。

4 大數據互聯網時代光纖通信發展及其面臨的挑戰
光纖傳輸網絡發展的驅動力源于網絡本身所承載的種類繁多的各種業務。近年來，隨著寬帶、高清視頻、云業務的迅速發展，帶寬需求呈高速增長趨勢，給光纖傳輸網絡帶來巨大壓力；同時各類新興業務的出現對光纖傳輸網絡各項指標也提出了更高要求，要求網絡支持多種不同傳輸特性要求的業務，因此適應未來業務發展需求的光纖傳輸網絡架構應該是靈活且具有多適應性，能夠根據不同的業務特點提供相應的網絡支撐；例如針對云計算業務，采用分層架構以實現邊緣計算，從而降低信令開銷和減少業務傳輸時延；而對于物聯網業務，采用更加簡化的架構以降低網絡管理的復雜度，從而降低網絡成本，進而節省物聯網用戶的成本。在如今光纖傳輸網絡大規模部署的形勢下，要實現網絡資源的高效利用和網絡質量的提升，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，并朝著[14]高速率傳輸、大容量交換、智能化控制、多業務分組化和軟件可編程方向發展，文獻[14]描述了未來光纖傳輸網絡技術發展5大趨勢，本文不再贅述。綜合光纖傳輸網絡技術發展趨勢，應重點關注以下幾個方面。

4.1 SDON是光纖傳輸網絡發展方向
SDN架構和技術對光纖傳輸網絡產生了革命性影響。現有的光纖傳輸網絡控制和數據轉發平面是合二為一的，沒有實現集中控制，無法實現對網絡的集中控制和管理。因此，對網絡資源難以做到動態調整和管理，難以實現根據用戶需求進行可編程的操作和網絡資源的按需分配，網絡中的新業務部署周期較長。而SDON具備控制與數據轉發分離，并利用網絡功能虛擬化技術和網絡可編程集中控制和管理實現網絡功能的重構和智能編排，使得光纖傳輸網絡的硬件設備可以采用標準通用的高容量服務器、交換機和存儲設備，降低了光纖傳輸網絡構建成本，提高了網絡智能化運營水平。SDN技術的引入將對光纖傳輸網絡技術發展5大趨勢中的智能化控制、多業務分組化和軟件可編程發展趨勢產生直接影響，因此，在光纖傳輸網絡中引入SDN而形成的SDON必將成為下一代光纖傳輸網絡的發展方向。SDON和現行光纖傳輸網絡特性比較，詳見表1。

4.2 光纖傳輸網絡向SDON網絡架構演進
近年來，SDN不僅成功應用于互聯網CP/SP(content provider/service provider)的數據中心互聯，而且正逐步實現光纖傳輸網絡中的應用。從SDN角度來看，初期光層和數據層的控制器各自分開、通過標準接口和協議相互協同，起到流量工程和多層優化功能，后期將通過統一控制器集中控制，完成所有流量和策略任務[11]，如圖4。

表1 SDON和現行光纖傳輸網絡特性比較

Tab.1 Characteristic comparison between SDON and current optical fiber transmission networks

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圖4 現有網絡向SDON網絡架構轉變
Fig.4 Transition from existing network to?
SDON network architecture

在SDN技術的影響下，光纖傳輸網絡正朝著全光化、智能化方向發展，SDON不但給傳統業務注入了新的活力，還能很好地匹配和適應新興業務對網絡的需求，滿足客戶動態按需請求等業務的快速發放；受業務的驅動，未來的光纖傳輸網絡將在新興業務的引領下朝超帶寬、低時延、高可靠性、業務快速發放和開放協同5大網絡特性演進。

4.3 面臨的挑戰
SDON代表著下一代光纖傳輸網絡的發展方向，但SDN技術目前比較成熟的應用主要基于IP網絡，因此SDON的應用仍然面臨著重大挑戰[16]，還需對以下問題進行重點研究。

1)統一定義不同光傳輸技術和兼容分組交換技術的光傳輸和交換粒度，以實現網絡底層設備資源通過虛擬化技術進行抽象再重新整合封裝，這是實現SDON底層設備資源[17]動態靈活調度的關鍵，其益處在文獻[18]中討論。

2)在目前的技術狀態下，OpenFlow不支持電路交換，如何將OpenFlow擴展到光傳輸網絡中是重點研究的內容，即如何實現在分組網絡+電路網絡中利用OpenFlow進行光網絡控制[19]。

3)原有的光纖傳輸網絡在帶寬的調度分配方面受不同技術制式、廠家設備采用大量私有協議和信息格式等的影響。因此，要處理好使用多個操作系統來處理跨技術帶寬分配和由異構技術域組成的網絡中的流量映射問題。

4)充分考慮不同光傳輸技術在功率、損耗、交換限制等方面的物理特性[20]。

5 結束語
未來的光纖傳輸網絡將承載云互聯、超高清視頻等種類繁多、應用多樣化的多種業務，這些應用對網絡的核心需求將是超帶寬、低時延、網絡的高可靠性、業務快速發放和開放協同。同時，隨著光纖傳輸網絡規模的不斷擴大，還將面臨異構化、擴展性等方面的問題。因此，根據前述對SDON的分析，光纖傳輸網絡向SDON架構演進已成為必然。另外，由于國內幾大電信運營商在光纖傳輸網絡建設方面積累了近三十年的建設投入，形成了龐大且結構復雜的現行光纖傳輸網絡，網絡設備涉及多廠商、多制式甚至存在多個傳輸平面，所以將SDON應用于公眾網的過程將會比較復雜，必須要制定光纖傳輸網絡的長期發展戰略和具體演進步驟，以確保網絡的平滑升級。

審核編輯：符乾江