郑小平+华楠

摘要：围绕光承载网和IP数据网的互通问题展开论述，并基于对光承载网和IP数据网不同交换特点和定位的分析，提出了基于软件定义光/包交换混合网络的统一控制架构和关键技术，实现了跨IP数据网和光承载网的快速端到端无缝业务建立。

关键词：网络异构化；网络动态互通；光承载网；IP数据网；软件定义网络；光/包交换混合网络

Abstract： This paper discusses problem of connection between a core optical transport network and IP networks. We present a unified control architecture that uses some key technologies for hybrid packet-optical networks based on the analysis of their different switching features and positions to finally realize fast and seamless end-to-end connection.

Key words：network heterogeneity； dynamic network inter-connection； core optical transport networks； IP networks； software-defined networks； hybrid packet-optical networks

1 引言

随着以信息技术为核心的新一轮科技革命正在孕育兴起，网络基础设施建设成为保障国民经济正常运行和创新驱动发展的先导力量。Cisco数据表明[1]，未来全球网络的流量和联网的终端数将急剧上涨。考虑到云计算服务、云存储服务等新型数据业务的快速发展，网络带宽的需求将会持续高速增长。业务的高带宽需求推动网络朝着大容量、大规模、动态化和异构化方向发展。

网络的容量和规模不断扩大，其控制和管理将变得异常困难。同时，业务的动态实时性需求也给大规模网络的管控机制提出了新的要求。当前，应对这种变化的主流思想是对网络进行分域控制和管理。网络根据功能用途、地理位置、管理区域和设备类型等因素被划分为多个独立的子网（域）。每个子网拥有私密的物理拓扑、技术细节、运营策略，且有可能属于不同的网络运营商，呈现出明显的异构化特征。梅特卡夫定律告诉我们，网络的价值与网络规模的平方成正比，这就要求这些异构子网实现动态互通，以创造其最大价值。然而，网络异构化严重影响了网络动态互通，成为了阻碍网络发展的重大“瓶颈”[2-3]。网络异构化是一个广泛的概念，它包含多个层次的含义，如核心光承载网的异构化、光承载网与IP数据网的异构化、固网与无线/移动网络的异构化等等。解决网络异构化带来的网络互通问题需要循序渐进，而并非一蹴而就的过程。

1.1 核心光承载网的异构互通

随着核心光承载网规模的扩大和光通信技术的发展，其传送平面、控制平面和管理平面不同程度地出现了异构化的趋势。传送平面的异构化来源于交换技术的不同和设备制造商的实现技术不同，控制平面的异构化来源于控制技术的发展程度不同，管理平面的异构化来源于底层资源的表述不同。在目前的多域光网络环境中，子网传送平面之间可以实现互通，保证光信号在异构传送设备间顺利地收发。然而，子网间的动态互通仍不能实现，主要在于异构子网控管平面之间不能实现互通[4-5]。

可实现多域光网络动态互通的典型架构主要有集中式的统一网络管控架构（GNMS）[6]和分布式的外部网间接口（E-NNI）管控架构[7]。

集中式管控架构采用集中控制器通过统一的北向接口连接各个子网的管控平面，从而实现全网集中控制和管理。在该架构中，集中控制器知晓全网资源信息，可在最大程度上实现跨域路由优化。然而，集中控制器存储所有子网的资源和业务信息，不仅破坏了子网信息私密性，同时向集中控制器同步全网信息也极大增加了控制器负担，限制了网络扩展性。此外，由于各子网控管平面的私有接口和信令协议不同，北向接口开发的难度大，集中控制器设计也非常复杂。

与集中式管控架构不同，基于E-NNI的分布式架构通过子网间两两适配的方式实现互通，有利于网络扩展，而采用子网拓扑抽象有利于降低子网间交互的信息量。然而，由于不同厂商的域内私有信令协议不同，因此很难定义一个满足异构光网络要求的通用域间信令接口，尤其是在多厂商情况下该问题更加显著。即便E-NNI架构可以解决现有光网络的异构互通问题，也难以保证其同样适用于未来新出现的网络技术。

为克服上述架构的缺陷，解决异构光承载网的动态互通问题，我们在2011年提出了基于域间连接控制单元（ICCE）和路径计算单元（PCE）的异构光网络管控架构（PIONEER）[8]及其关键技术[9-12]。PIONEER是一种域内集中与域间分布相结合的管控架构。该架构在通用域间管控平面中采用统一的域间通信协议，并引入适配平面消除了不同子网之间的异构性，从而能够在保证良好子网信息私密性和网络扩展性的前提下实现异构子网互通。2014年，我们基于PIONEER架构在商用设备平台上实现了全球首次跨3个设备商路由域的端到端动态连接建立[13-14]。

1.2 光承载网和IP数据网的互通

随着移动通信、宽带接入、数据中心、云计算等数据业务的飞速发展，IP数据网的重要性与日俱增，仅实现核心光承载网的异构互通是远远不够的。为了支持端到端数据业务的动态按需建立和灵活资源调度，光承载网和IP数据网的互通与融合至关重要且迫在眉睫：离开了光网络的大带宽通道建立，IP数据网将面临高成本、高能耗和扩展性的“瓶颈”；同样，没有IP数据网的支持，光网络过大的交换粒度将导致其巨大的带宽资源无法被充分利用，并难以实现业务调度的高实时性和灵活性[15]。

然而，由于基于分组交换的IP数据网和基于电路交换的光承载网的交换机制和组网模式有本质不同，二者的动态互通和统一控制难度非常大，需要面对众多技术挑战。

近年来，在IP网络领域兴起的软件定义网络（SDN）概念为解决光承载网与IP数据网的互通融合提供了可行思路。然而，与单一IP网络的控制不同，光/包交换统一控制架构需要考虑光网络物理层的限制，例如光功率、物理损伤、信号可达性、连接建立速率、可用带宽、交换粒度等[16]因素。同时，由光网络与IP网络的业务建立方式和延时差异导致的业务建立和故障恢复时的协同控制问题也是需要解决的“瓶颈”问题。已有研究表明，商用光承载网的业务建立延时即使在小规模情况下也将至少达到几百毫秒到几秒量级[13-14]，这对于IP数据网来说明显过高，构成光网络与IP网络互通的巨大障碍。

针对上述光网络与IP网络互通问题，本文将对我们提出的基于软件定义光/包交换混合网络的统一控制架构和基于该架构的光网络资源缓存技术进行介绍分析。

2 基于软件定义的光/包交换

混合网络的统一控制架构

2.1 光/包交换混合网络统一控制架构

为了将基于IP网络的SDN控制架构扩展至可支持光/包交换混合网络，我们提出了全新的“超级虚拟路由器”概念。如图1所示[17]。我们将每一个连通的同构或异构光承载网视作一个“超级虚拟路由器”，并通过一个支持OpenFlow协议的虚拟路由器代理与SDN控制器相连。采用这种架构，无需对现有基于IP网络的SDN架构和协议进行本质改变或扩充便可实现光/包交换混合网络的统一控制。同时，该架构保留了现有光承载网的控制平面，规避了SDN控制器对存在物理层限制的光承载网的动态控制难题。

2.2 网络实验和结果分析

我们搭建了光/包交换网络实验平台验证所提出的基于软件定义的光/包交换混合网络的统一控制架构。实验平台搭建如图2所示，其包含2个IP路由域和一个光传送网（OTN）域。其中，IP路由域由盛科V330 OpenFlow交换机和PC终端组成；在OTN域，通过思科商用交换机模拟OTN交换节点。整个光/包交换混合网络由一个POX开源SDN控制器进行集中控制。

在该实验平台上，我们实现了从终端2到终端14的FTP业务和视频业务的建立，并得到了其平均业务延时。我们对延时构成进行了分段统计（如图3所示），可以很明显看到，无论是FTP业务还是视频业务，IP域和OTN域之间均存在着巨大的业务建立延时差异，后者贡献了全部端到端延时的绝大部分。为了消除延时差异的负面影响并实现低延时光/包交换混合网络，我们在所提出的光/包交换混合网络统一控制架构中引入了光网络的资源缓存技术。

3 核心光承载网的资源缓存

技术

3.1 光/包交换统一控制网络的资源

缓存

光网络资源缓存的概念于2008年被提出，其目的是吸收高强度瞬时业务负载对光网络的冲击[18]。我们将这个概念引入基于软件定义的光/包交换混合网络的统一控制架构中，以消除IP数据网和光承载网之间的巨大业务建立延时差异，从而实现快速无缝的业务建立。

基于资源缓存的光/包交换混合网络业务建立如图4所示。我们利用光网络的一小部分资源建立“缓存区”（其余资源构成“负载区”），在缓存区预先为每个光网络边缘节点对（对应“超级虚拟路由器”的一组出入端口）建立一定带宽的固定通道。

当IP数据业务请求光网络带宽时，首先利用这些固定通道为其提供临时连接并传输数据（图4（a））。由于该操作不存在建路过程，仅需对原/宿节点的入/出端口进行配置，因此延时很短。与此同时，利用光网络控制平面在负载区为上述业务建立新通道，当新通道建立完成后，将缓存区的临时连接切换至负载区的新通道，完成整个业务建立流程（图4（b））。需要指出的是，由于切换过程不改变光网络对IP网络端口的配置，因此该过程对SDN控制器而言是不透明的，也就是说，SDN控制器对虚拟路由器和普通路由器的控制不存在本质区别。

如果IP数据业务集中到达导致光网络缓存区无可用资源提供临时连接，则直接在负载区为该IP数据业务建立新通道，这将大大增加端到端业务建立延时。可见，缓存区大小的分配对网络性能影响十分重大。缓存区分配过大会导致网络资源的浪费，而过小会增加业务平均建立延时，降低缓存作用。因此，需要建立分析模型确定合适的缓存区大小。

3.2 缓存命中率（BHR）分析模型

我们定义缓存命中率（BHR）[phit]描述缓存区的利用效率，它被定义网络业务在缓存区成功建立的概率。如果可以推导出[phit]和业务到达率[λ]、服务率[μ]和缓存区大小n的解析关系，便可得到在一定业务强度下，满足BHR下限的最小缓存区大小。

对于每一个节点对l，其在缓存区的业务建立过程可以用M/G/n/n Markov排队模型来描述。可以证明，其系统稳态概率和M/M/n/n模型相同。我们用[plk]表示节点对l连续时间Markov链在状态k的稳态概率（方程1）。其中，[λl]和[μl]分别表示节点对l的业务到达率和服务率。根据Markov链所有状态的稳态概率和为1（方程2），可得[pl0]的表达式（方程3），进而推得节点对l的缓存命中率[plhit]（方程4）。全网缓存命中率[phit]可通过[plhit]的数学期望求得（方程5），其中，L和p（l）分别表示网络中节点对的数量以及业务出现在节点对l的概率。如果业务均匀分布在各个节点对，则p（l）=L-1，且各节点对的到达率相同为[λ]。

3.3 性能仿真及分析

我们对采用了资源缓存技术的光/包交换混合网络统一控制架构的性能进行了网络仿真，并与理论结果进行了对比。仿真采用14节点NSFNET拓扑，同时假定所有IP数据业务均为GbE业务（在光承载网中映射为ODU0），符合泊松过程，并均匀分布在各个节点对。缓存区的大小设定为ODU0的整数倍。负载区的连接建立时间由实际信令传输延时、路径计算时间、节点处理时间以及开关配置时间组成，后三者设备参数分别设置为1 ms、200 ms和5 ms[13]。

图5对比了缓存区大小为1（ODU0）时缓存命中率的仿真与理论值。可以看到，由3.2节的BHR模型计算得到的理论值和仿真结果的吻合度相当高。当业务强度增加时，BHR值明显减小，此时需要增加缓存区大小以获得更高的缓存命中率。

图6统计了采用和不采用资源缓存技术时，端到端业务建立延时的分布。可以看到，资源缓存技术显著降低了业务建立延时，且低延时业务的比例随着缓存区增大而提高。

4 结束语

网络异构化包含多层次的含义，即包括核心光承载网的异构化也包括光承载网与IP数据网的异构化。解决网络的异构互通问题是一个循序渐进的过程。目前，核心光承载网异构互通的解决方案和关键技术逐渐成熟，然而，由于交换机制的不同，IP数据网与光网络的动态互通难度非常大，目前尚未解决。本文围绕光承载网和IP数据网的互通问题展开论述，并对我们提出的基于软件定义光/包交换混合网络的统一控制架构进行了介绍，并且实现了IP数据网和光承载网控制的无缝融合。此外，本文还介绍了基于统一控制架构的光网络资源缓存技术，极大的降低了光/包交换混合网络的端到端业务建立延时。

参考文献

[1] Index， Cisco Visual Networking. The zettabyte era [R]. San Jose， CA， May 30 （2012）.

[2] PAOLUCCI F， CUGINI F， GIORGETTI A， et al. A Survey on the path computation element （PCE） architecture [J]. IEEE Commun. Surv. Tutorials， 2013， 15（4）： 1-23

[3] 华楠， 郑小平. 大容量光网络异构互联及控管研究 [J]. 中兴通讯技术， 2011， 17（6）： 5-9

[4] 鲁睿， 郑小平， 华楠. 多域异构光网络互连互通管控机制 [J]. 清华大学学报： 自然科学版， 2013， 67 （7）： 982-990

[5] SUBRAMANIA S. Implementing a network control plane [C]//Proceedings of the IEEE/OSA OFC/NFOEC 2011， NTuC1 （2011）

[6] FERMAINT D J. Global network management system （GNMS） [C]//Proceedings of the IEEE Military Communications Conference 1994： 660-663

[7] OIF. OIF-E-NNI-Sig-02.0. OIF E-NNI signaling specification [S]. OIF， 2009

[8] LU R， WANG L， LI Q， et al. Implementation of PCE-based management and control plane for heterogeneous optical networks [C]//Proceedings of the IEEE/OSA OFC/ NFOEC 2011： NTuC2

[9] SHANG S， HUA N， WANG L， et al. A hierarchical path computation element （PCE）-based k-random-paths routing algorithm in multi-domain WDM networks [J]. Optical Switching and Networking， 2011， 8（4）： 235-241

[10] ZHENG X. Key technologies of dynamic control in multi-domain heterogeneous optical networks [C]//Proceedings of the OSA Advanced Photonics， 2013： NW1C.4

[11] HUA N， ZHENG X. Perspectives and challenges for future dynamic optical networks [C]//Proceedings of the IEEE ICOCN 2014：S41.2

[12] LIU W， HUA N， ZHENG X， et al. Intelligent inter-domain connection provisioning for multi-domain multi-vendor optical networks [J]. IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking （JOCN）， 2015， 7（3）： 176-192

[13] ZHENG X， HUA N. Achieving inter-connection in multi-vendor multi-domain heterogeneous optical networks [C]//Proceedings of the IEEE/IEICE OECC/ACOFT， 2014： TH12C.1

[14] LIU W， CHEN X， HUA N， et al. A distributed stateful pce-based architecture for providing end-to-end connections in multi-domain multi-vendor optical networks [C]//Proceedings of the ECOC， 2014： P.6.14

[15] PARULKAR G， TOFIGH T， LEENHEER M D. SDN control of packet-over-optical networks [C]//Proceedings of the IEEE/OSA OFC， 2015： W1G.4

[16] GRINGERI S. Extending software defined network principles to include optical transport [J]. IEEE Commun. Mag.， 2013， 51（3）： 32-40

[17] ZHENG X， HUA N. Achieving heterogeneous packet-optical networks inter-connection with a software-defined unified control architecture [C]//Proceedings of the IEEE ICOCN， 2015： invited paper

[18] HUA N， ZHENG X. Resource buffering schemes for dynamic traffic grooming in wavelength-routed WDM mesh networks [C]//Proceedings of the IEEE/OSA OFC/NFOEC， 2008： OThQ7