软件定义光网络的机遇与挑战
2022-06-09
摘要： 提出软件定义光网络（SDON）是一种将软件定义技术融入到光通信网络的新型网络，代表了未来的光网络发展方向，其关键技术涉及到软件定义光传输、交换和联网等，其主要特征包括控制面与传送面分离、硬件通用化、协议标准化、光网行为软件可控、光网应用灵活快捷等。SDON在支撑新一代光网络向智能高效、灵活调度、虚拟重构等方向发展进程中将发挥重要作用，应用前景广阔，但目前尚处在发展初级阶段，仍面临很多挑战和问题。
关键词： 光网络；软件定义；传输；交换；联网
Abstract： A software-defined optical network （SDON） is a new kind of network in which software-defined technology is integrated into optical communication networks. This is a promising trend for future optical networks. The key technologies are related to software-defined optical transmission， switching， and networking. The main features are control and transport separation， hardware universalization， protocol standardization， controllable optical network operation， and flexible optical networks application. SDON will play an important role in the development of next-generation intelligent optical networks forwards to high efficiency， flexible scheduling， and virtual reconstruction. However， there are many challenges and problems for SDON in the primary stage.
Key words： optical networks； software defined； transmission； switching； networking
软件定义网络（SDN）是业界近期的热点话题之一，而光层上的软件定义网络称为软件定义光网络（SDON），同样引起了人们的广泛关注[1-5]。在2014年3月举行的全球光纤通信大会（OFC 2014）上，业界专家将SDON列为了首选焦点话题，可见其影响力之大。
1 SDON的出现
随着网络新业务的不断涌现，各种信息交互量与日俱增，对于传送业务的光网络而言，满足高速、宽带、长距的超大容量传送需求是其追求的永恒主题。但同时由于业务属性的变化，尤其是业务的多样性、动态性和突发性，对光网络的智能性提出了新挑战，如高突发业务要求光网络具备动态适应能力，大规模联网要求光网络具备灵活扩展能力，变带宽提供要求光网络具备弹性调节能力等。
为实现智能光网络，业界开展了长期的探索与实践。到目前为止，智能光网络已经历了3个重要的发展阶段（图1）。
（1）自动交换光网络（ASON）的提出（2000年）。
ASON首次将光网络分成传送、控制、管理3个平面，并通过引入控制平面（以GMPLS协议为基础），采用分布信令/分布路由方式，重点解决连接控制等难题，以满足自动交换的功能需求[6-9]。但由于ASON在大规模连接控制、复杂路径计算、网络开放性、设备互通性、以及降低成本等方面存在局限性[10]，而且GMPLS的标准也过于庞杂，因此ASON在应用推广上受到较大影响。
（2）基于路径计算单元（PCE）光网络的提出（2006年）。
为更好地适应多层多域大规模光网络的特点，互联网工程任务组（IETF）将路径计算功能从控制层分离出来，以独立的单元形态即路径计算单元出现[11-14]。 PCE采用分布信令/集中路由方式，重点解决受约束的层间和域间路径选择与计算的难题，以满足大规模多层域的功能需求。但PCE主要定位于路径计算，功能比较单一，并且还需要与其他技术协同应用。
（3）SDON的提出（2011年）。
SDON可以为各种光层资源提供统一的调度和控制能力，根据用户或运营商需求，利用软件编程方式进行动态定制，重点解决功能扩展的难点，从而实现快速响应请求、高效利用资源、灵活提供服务的目的，满足多样化复杂化的需求。SDON的主要特征在于其支持业务处理、控管策略和传输器件具备可编程控制的能力，从而完成光网络元素状态的可编程调谐[15]，因此SDON更加适合多层域多约束的光网络控制，可有效提高运维效率和降低成本。
2 SDON带来的技术进步
SDON的技术特征主要表现为光路传输调节可编程、光路灵活交换可编程、光路自动联网可编程等方面[4]，具体表现为：
·光路传输调节可编程。通过光收发机波长、输入输出功率、调制格式、信号速率以及光放大器的增益范围等参数的在线调节，使得光路可以成为一个物理性能可感知、可调节的动态系统。
·光路灵活交换可编程。通过支持灵活栅格的可编程可重构型光分插复用设备（ROADM）技术，打破了传统波长通道固定栅格划分，可支持全光汇聚与流量疏导，从而实现高谱效率、速率灵活的光路配置和带宽管理。
·光路自动联网可编程。SDON能够实现异构设备的自动联网，通过将器件、算法、策略与协议进行可编程控制，完成异构网络资源统一控制与网络整体行为动态调谐，并且可以通过开放的北向接口支持多种灵活的业务应用。
我们可以从不同的视角来分析SDON的意义以及其技术进步给人们带来的影响：
·传输视角。SDON可以支持光传输损伤感知与质量评估，支持光传输可调单元的参数选择，并且支持光传输的数字信号处理（DSP）算法性能控制。
·应用视角。SDON可支持北向编程接口，结构开放便于提供新业务、支持资源分片组合，策略开放便于新业务区分。
·网络视角。SDON可支持光网络的异构互联互通，支持光网络的统一控制调度，支持光网络的分层多域优化，支持光网络弹性多约束路由与频谱分配（RSA），支持光网络灵活运维和升级，支持光网络层资源虚拟化，以提升资源利用效率。
3 SDON带来的市场新应用
面对网络结构、业务种类、带宽速率、成本效率等多方面的挑战，SDON能在一定程度上有效提升网络的综合性能，并能够降低成本、增加灵活和提升效率（C.A.P）（图2），下面通过3个案例说明SDON的优势。
·在光接入、光传输、光交换、光联网等方面均可带来好的收益。例如：将OTN、ROADM等光设备采用统一灵活的节点架构，实现硬件处理通用化、软件控制功能化，可减少设备制造成本并降低运营商的网络建设成本和网络运营成本等。
·将网络应用开放化，可为数据中心定制光层流量均衡方案，为虚拟运营商提供光虚拟专网（OVPN），为新业务部署提供即时带宽，为企业和个人客户灵活定制网络业务生成环境等。
·将光层器件和设备可软件编程控制，实现自定义速率与码型等，可为业务应用提供弹性管道，提升网络运营效率，同时也便于实现网络与设备的可扩展与平滑升级。
4 SDON面临的问题与挑战
SDON作为一项新技术，目前处在发展的初级阶段，会面临诸多问题，尤其是在光层上实现“可编程控制与资源虚拟化”更具有挑战性。
关键词： 光网络；软件定义；传输；交换；联网
Abstract： A software-defined optical network （SDON） is a new kind of network in which software-defined technology is integrated into optical communication networks. This is a promising trend for future optical networks. The key technologies are related to software-defined optical transmission， switching， and networking. The main features are control and transport separation， hardware universalization， protocol standardization， controllable optical network operation， and flexible optical networks application. SDON will play an important role in the development of next-generation intelligent optical networks forwards to high efficiency， flexible scheduling， and virtual reconstruction. However， there are many challenges and problems for SDON in the primary stage.
Key words： optical networks； software defined； transmission； switching； networking
软件定义网络（SDN）是业界近期的热点话题之一，而光层上的软件定义网络称为软件定义光网络（SDON），同样引起了人们的广泛关注[1-5]。在2014年3月举行的全球光纤通信大会（OFC 2014）上，业界专家将SDON列为了首选焦点话题，可见其影响力之大。
1 SDON的出现
随着网络新业务的不断涌现，各种信息交互量与日俱增，对于传送业务的光网络而言，满足高速、宽带、长距的超大容量传送需求是其追求的永恒主题。但同时由于业务属性的变化，尤其是业务的多样性、动态性和突发性，对光网络的智能性提出了新挑战，如高突发业务要求光网络具备动态适应能力，大规模联网要求光网络具备灵活扩展能力，变带宽提供要求光网络具备弹性调节能力等。
为实现智能光网络，业界开展了长期的探索与实践。到目前为止，智能光网络已经历了3个重要的发展阶段（图1）。
（1）自动交换光网络（ASON）的提出（2000年）。
ASON首次将光网络分成传送、控制、管理3个平面，并通过引入控制平面（以GMPLS协议为基础），采用分布信令/分布路由方式，重点解决连接控制等难题，以满足自动交换的功能需求[6-9]。但由于ASON在大规模连接控制、复杂路径计算、网络开放性、设备互通性、以及降低成本等方面存在局限性[10]，而且GMPLS的标准也过于庞杂，因此ASON在应用推广上受到较大影响。
（2）基于路径计算单元（PCE）光网络的提出（2006年）。
为更好地适应多层多域大规模光网络的特点，互联网工程任务组（IETF）将路径计算功能从控制层分离出来，以独立的单元形态即路径计算单元出现[11-14]。 PCE采用分布信令/集中路由方式，重点解决受约束的层间和域间路径选择与计算的难题，以满足大规模多层域的功能需求。但PCE主要定位于路径计算，功能比较单一，并且还需要与其他技术协同应用。
（3）SDON的提出（2011年）。
SDON可以为各种光层资源提供统一的调度和控制能力，根据用户或运营商需求，利用软件编程方式进行动态定制，重点解决功能扩展的难点，从而实现快速响应请求、高效利用资源、灵活提供服务的目的，满足多样化复杂化的需求。SDON的主要特征在于其支持业务处理、控管策略和传输器件具备可编程控制的能力，从而完成光网络元素状态的可编程调谐[15]，因此SDON更加适合多层域多约束的光网络控制，可有效提高运维效率和降低成本。
2 SDON带来的技术进步
SDON的技术特征主要表现为光路传输调节可编程、光路灵活交换可编程、光路自动联网可编程等方面[4]，具体表现为：
·光路传输调节可编程。通过光收发机波长、输入输出功率、调制格式、信号速率以及光放大器的增益范围等参数的在线调节，使得光路可以成为一个物理性能可感知、可调节的动态系统。
·光路灵活交换可编程。通过支持灵活栅格的可编程可重构型光分插复用设备（ROADM）技术，打破了传统波长通道固定栅格划分，可支持全光汇聚与流量疏导，从而实现高谱效率、速率灵活的光路配置和带宽管理。
·光路自动联网可编程。SDON能够实现异构设备的自动联网，通过将器件、算法、策略与协议进行可编程控制，完成异构网络资源统一控制与网络整体行为动态调谐，并且可以通过开放的北向接口支持多种灵活的业务应用。
我们可以从不同的视角来分析SDON的意义以及其技术进步给人们带来的影响：
·传输视角。SDON可以支持光传输损伤感知与质量评估，支持光传输可调单元的参数选择，并且支持光传输的数字信号处理（DSP）算法性能控制。
·应用视角。SDON可支持北向编程接口，结构开放便于提供新业务、支持资源分片组合，策略开放便于新业务区分。
·网络视角。SDON可支持光网络的异构互联互通，支持光网络的统一控制调度，支持光网络的分层多域优化，支持光网络弹性多约束路由与频谱分配（RSA），支持光网络灵活运维和升级，支持光网络层资源虚拟化，以提升资源利用效率。
3 SDON带来的市场新应用
面对网络结构、业务种类、带宽速率、成本效率等多方面的挑战，SDON能在一定程度上有效提升网络的综合性能，并能够降低成本、增加灵活和提升效率（C.A.P）（图2），下面通过3个案例说明SDON的优势。
·在光接入、光传输、光交换、光联网等方面均可带来好的收益。例如：将OTN、ROADM等光设备采用统一灵活的节点架构，实现硬件处理通用化、软件控制功能化，可减少设备制造成本并降低运营商的网络建设成本和网络运营成本等。
·将网络应用开放化，可为数据中心定制光层流量均衡方案，为虚拟运营商提供光虚拟专网（OVPN），为新业务部署提供即时带宽，为企业和个人客户灵活定制网络业务生成环境等。
·将光层器件和设备可软件编程控制，实现自定义速率与码型等，可为业务应用提供弹性管道，提升网络运营效率，同时也便于实现网络与设备的可扩展与平滑升级。
4 SDON面临的问题与挑战
SDON作为一项新技术，目前处在发展的初级阶段，会面临诸多问题，尤其是在光层上实现“可编程控制与资源虚拟化”更具有挑战性。