5G時代背景下SDON智能光傳輸網(wǎng)絡研究

◆劉小波

5G時代背景下SDON智能光傳輸網(wǎng)絡研究

◆劉小波

（洛陽鐵路信息工程學校 河南 471000）

5G時代的光傳輸網(wǎng)絡更應突出智能化趨勢。本文結合對SDN化網(wǎng)絡結構的優(yōu)勢、特點分析，以及對SDON的智能光傳輸網(wǎng)絡構架分析發(fā)現(xiàn)，當今的SDON智能光傳輸網(wǎng)絡若存在亟待攻克的技術拓展問題，以及網(wǎng)絡安全問題。對于這些問題的解決，文章觀點是：SDON云化或可是一個有效路徑。

5G；SDN；SDON；云化

5G時代的網(wǎng)絡應用場景更加豐富，要求通信網(wǎng)絡重新定義其相關協(xié)議以及功能。而且通信網(wǎng)絡云化也是一個不可回避的趨勢，這更需要人們加深對通信網(wǎng)絡技術的研究。其中，SDON發(fā)展表現(xiàn)出了強勁勢頭，但是仍存在技術不成熟之處。本文著重展開對SDON技術方案及其云化技術的分析，有一定的現(xiàn)實意義。

1 SDN簡要介紹

隨著互聯(lián)網(wǎng)體系及信息技術的飛速發(fā)展，通信寬帶得以優(yōu)化，使通信網(wǎng)絡朝著多元化、智能化、科學化方向發(fā)展[1]。SDN的漢語全稱為軟件定義網(wǎng)絡。它的提出給網(wǎng)絡構架的創(chuàng)新帶來了新思路。它基于對集中控制手段的使用，在仍保留原IP轉發(fā)機制的條件下，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備（路由器、交換機等）的邏輯控制與數(shù)據(jù)轉發(fā)分離開來，從而解耦了數(shù)據(jù)層與控制層，進而使配置數(shù)據(jù)得以靈活轉發(fā)，以及網(wǎng)絡管理得以有序和高效。其中，網(wǎng)絡協(xié)議、控制器、可擴展技術三項，是其關鍵技術。

網(wǎng)絡協(xié)議方面：據(jù)當前的相關網(wǎng)絡協(xié)議研究來看，主要分為兩個方向。方向一是研究控制層和數(shù)據(jù)層的交互協(xié)議，方向二是研究控制層和應用層的交互協(xié)議。其中，前一個方向的研究居多。且在前一研究中，有廣泛認可度的是OpenFlow協(xié)議。這一協(xié)議中，出現(xiàn)了一個新的定義，即流表，其指的是數(shù)據(jù)轉發(fā)對數(shù)據(jù)結構的控制。流表是工具性的，能夠作為控制器統(tǒng)一管理網(wǎng)絡設備數(shù)據(jù)層的依托。

控制器方面：控制器在SDN架構中起到的作用是，使底層設備實現(xiàn)和上層應用的有效交互。在工作狀態(tài)下，它會基于所收到的網(wǎng)絡狀態(tài)等信息（由底層設備上傳），來進行對網(wǎng)絡資源的集中調(diào)度，以及進行有效的數(shù)據(jù)轉發(fā)。

可擴展技術方面：目前，SDN可拓展技術上還有待攻克。之所以需要進行SDN的技術拓展，是由于其實現(xiàn)對控制和數(shù)據(jù)的解耦以及集中管理的同時，會帶來控制層、數(shù)據(jù)層兩層之間交互頻繁的結果，不可避免會使SDN的控制器有超負荷情況出現(xiàn)。這就意味著SDN網(wǎng)絡架構的安全性受到挑戰(zhàn)，且同時會影響到其架構的性能發(fā)揮。那么其在應用于廣域網(wǎng)絡中時，就會處處受限。當前，分布式架構成為人們主攻的技術拓展研究方向。

2 SDN化網(wǎng)絡結構的優(yōu)勢及主要特點

2.1 SDN化網(wǎng)絡結構的優(yōu)勢

（1）通信網(wǎng)集中控制優(yōu)勢?，F(xiàn)代社會對寬帶網(wǎng)絡流量的需求是不斷擴增的，這要求電力通信網(wǎng)絡能夠在寬帶流量上不斷擴容，而且能適應復雜多變的技術應用環(huán)境。SDN化的網(wǎng)絡結構能夠集中控制光網(wǎng)絡和IP網(wǎng)絡之間的資源，這是對網(wǎng)絡容量擴充的體現(xiàn)，能使資源利用效率提高，并能緩解通信的成本壓力。以SDN技術為基礎的資源調(diào)度非常靈活，智能化程度較高。

（2）網(wǎng)絡資源虛擬化優(yōu)勢。SDN基于該優(yōu)勢，可強化光網(wǎng)絡的“軟網(wǎng)絡”能力，突顯出其基礎設備的優(yōu)點。其優(yōu)勢功能主要在于能夠在保證服務質(zhì)量的基礎上，滿足更多用戶的差異化需求，使通信網(wǎng)絡的效益最大化。

（3）網(wǎng)絡安全優(yōu)勢。SDN技術應用中的控制器，能夠統(tǒng)一控制、監(jiān)管、調(diào)節(jié)網(wǎng)絡環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)異常流量，抑或異常路由路徑（來自網(wǎng)絡外部的網(wǎng)絡攻擊，例如流量泛洪、DDoS等），繼而及時上報、及時處理。這就保證了網(wǎng)絡的安全性，使之具備一定的安全防范能力。

2.2 SDN化網(wǎng)絡結構的特點

（1）控制的集中性。即對網(wǎng)絡資源信息全面性獲取，并能夠結合業(yè)務需要，立足全局進行資源的集中性、合理化調(diào)配。集中性控制下，整個網(wǎng)絡運行均在虛擬化程序中，不必再進行物理設備的現(xiàn)場配置。

（2）接口開放。開放化的接口能夠支持用戶個性化開發(fā)網(wǎng)絡業(yè)務的需求，能夠促進業(yè)務的更新；而且，開放的南、北向接口，可無縫集成網(wǎng)絡與各項應用，進而使應用能夠向網(wǎng)絡反饋需求信息，以促進通信業(yè)務發(fā)展。

（3）網(wǎng)絡虛擬化。開放以及統(tǒng)一南向接口，使得底層網(wǎng)絡透明化地反映在上層應用中；邏輯網(wǎng)絡與物理網(wǎng)絡實現(xiàn)解耦，使邏輯網(wǎng)絡擺脫了設備物理位置的限制，其配置、遷移更加靈活，以業(yè)務需要為轉移。此外，邏輯網(wǎng)絡可實現(xiàn)用戶的定制網(wǎng)絡需求，也支持網(wǎng)絡的多用戶共享。

3 SDON智能光傳輸網(wǎng)絡構建要點

SDON（軟件定義光網(wǎng)絡），是在SDN基礎上，特別加入了OTN（光傳送網(wǎng)），以動態(tài)定制（對網(wǎng)絡個性編程）光網(wǎng)絡的技術。可見，SDON對網(wǎng)絡用戶的需求反饋，在SDN基礎上又進行了升級。它能夠使光網(wǎng)絡的功能、結構都圍繞著用戶來設計，依托于軟件編程實現(xiàn)個性化定制。SDON是一定程度上的對SDN的功能擴展，對資源利用的彈性更強，運維成本更低。軟件定義光網(wǎng)絡作為智能光網(wǎng)絡中最新一代網(wǎng)絡架構，其控制平面承載著諸多核心功能[2]。SDON智能光傳輸網(wǎng)絡構建有以下要點：

（1）方案分析

相關方案主要立足于對SDN+OTN的網(wǎng)絡架構進行層次劃分：

層一，APP應用層。該構架層面向客戶，屬SDN的上層設備應用，需依靠控制器通過開放的API來與APP實現(xiàn)接入。

層二，總控制器層。該構架層呈分布式布局，有一個多域控制器，下面包含了多個單域控制器。該構架層的上層應用是在APP應用和總控制器有機交互下形成的。

層三，單域控制器層。該構架層的控制器各自對應一個DCN，形成與子網(wǎng)的交互，最終呈現(xiàn)出分布式基礎上的網(wǎng)絡拓撲結構。

層四，設備層。該構架層是物理設備層，即由交換機、路由器等網(wǎng)絡底層的數(shù)據(jù)交換設備統(tǒng)一構成。

（2）核心要點

基于上述方案，SDON智能光傳輸網(wǎng)絡構建的核心點應落在SDN控制器、允許自定義編程的SDN傳送層兩方面。

SDN控制器乃SDN系統(tǒng)的精神主控，其相關研究主要在于三個方向：一是，SDN與OpenFlow協(xié)議，其對現(xiàn)有分布式控制架構進行了顛覆；二是采用PCE機制，使用PCEP協(xié)議；三是SDN和OpenFlow兼容ASON與PCE相關功能，以有機過渡到SDON。

SDN傳送層的可編程特性實現(xiàn)需要以SDN控制器為基礎，繼而還要依靠SDO和Flex Gnid器件的輔助。其中，SDO可達到補償算法與頻譜效率可編程目的；Flex Grid可達到柵格寬度與光譜形狀可編程目的。

（3）技術難點

盡管SDON基于對SDN和OTN的相加，使設備功能開發(fā)、網(wǎng)絡資源利用，均有了效率上的突破，也進一步降低了建網(wǎng)成本。但其還未能被廣泛地普及商用。這主要是因為其技術仍有不成熟之處。例如，在可擴展技術方面，就需要人們進一步研究，包括怎樣更高效協(xié)調(diào)網(wǎng)絡資源，怎樣確保端到端鏈接的低抖動、低延遲，怎樣跨管理域實現(xiàn)OVPN控制以及端到端業(yè)務鏈接，怎樣實現(xiàn)立足于用戶請求來動態(tài)地鏈接服務等，這些均屬于有待攻破的技術難點。

（4）安全問題

SDON表現(xiàn)出了網(wǎng)絡安全防范上的一定優(yōu)勢，主要是能夠做到對網(wǎng)絡動態(tài)路徑的保護，能靈活地對通道進行減配。SDON使光網(wǎng)絡所有的運行狀態(tài)都處在無縫監(jiān)控之下。一旦有哪個網(wǎng)絡通路、節(jié)點出現(xiàn)故障，SDON立即調(diào)配出新路線，迅速切換路徑，以避免出現(xiàn)對業(yè)務的影響。其路徑切換時間可控制在50ms內(nèi)。

當網(wǎng)絡問題表現(xiàn)為線路性能減退時，此時的網(wǎng)絡未曾中斷，則SDON不必啟動線路切換有關操作，僅需依托于網(wǎng)絡可編程功能，來合理修改光網(wǎng)絡參數(shù)即可，例如，可通過參數(shù)的變化來整體上調(diào)節(jié)網(wǎng)絡運行速率，達到動態(tài)路徑保護的目的。

然而，基于光網(wǎng)絡多業(yè)務qos差異化有關背景，SDON的安全問題就有了復雜性，在通信層面上存在受到安全攻擊的隱患，包括通信量攻擊、重放攻擊、消息篡改、竊聽攻擊等。這些安全問題與SDON控制平面技術的開放性不無關系。但如今，如何有效應對這些問題，仍是人們不斷研究的議題。筆者認為，在面臨安全威脅問題時，引入AI技術，實現(xiàn)對技術人員思維的模擬，進而在SDON中光速處理用戶需求、流程故障、安全攻擊等，或為可行；在SDON構架中建立以OpenFlow為基礎的安全交互機制，通過對信息反饋方式和數(shù)字簽名形式的優(yōu)化，來促使控制器節(jié)點與光交換機節(jié)點有機交互，以完成端對端的更直接的數(shù)據(jù)傳輸，從而減少過程性的安全威脅，也或為可行。

4 SDON云化

SDON網(wǎng)絡云化特點可表現(xiàn)在其架構組成上：

首先是基礎設施層。該層是基于虛擬化硬件計算資源、儲存資源等功能來運作。其次是網(wǎng)絡功能層。包括VNFM、控制器、云管理平臺、NMS。其中，VNFM是核心，能自動化管理VNF。云管理平臺起到協(xié)同管理各虛擬化資源，并為上一層提供信道的作用。最后是云協(xié)同編排層。該層主要包括IT及業(yè)務平臺、SDON網(wǎng)協(xié)同/業(yè)務編排。IT系統(tǒng)及業(yè)務平臺能使光傳輸網(wǎng)絡獲得由端到端故障發(fā)現(xiàn)、運營維護、自動化調(diào)度的能力。云網(wǎng)協(xié)同與業(yè)務編排的作用在于確保網(wǎng)絡由端到端的各項具體業(yè)務得以智能化編排。

SDON網(wǎng)絡得以云化后，將會成為網(wǎng)絡基礎設備實現(xiàn)和虛擬化云資源更敏感、更智能進行交互的強有力支撐，它能同時具備對“云”和對“端”的敏銳感知力，成為光傳輸網(wǎng)由簡單的管道提供者，向智能化云寬帶基礎設施轉化的驅動力量。

5 結語

綜上所述，5G時代下的通信網(wǎng)絡新發(fā)展要求，雖然是通信業(yè)務與應用創(chuàng)新發(fā)展的壓力，但同時也是動力。結合SDN及SDON相關技術分析我們發(fā)現(xiàn)，智能光網(wǎng)絡傳輸一直在追趕新的需求趨勢，將用戶需求滿足作為核心。因此，在SDON走向云化的同時，用戶需求的即時滿足、新需求的開發(fā)等將繼續(xù)成為SDON發(fā)展的動力。此外，我們通過SDON網(wǎng)絡云化，可以看出，其對“云”和對“端”的敏銳感知力增強，將有助于SDON安全問題的解決，即能夠更有效地捕捉到網(wǎng)絡危險信號。這或將成為后續(xù)有關SDON安全問題研究的一個切入點。

[1]韓冰. 光網(wǎng)絡傳輸技術在電信網(wǎng)中的應用分析[J]. 現(xiàn)代信息科技，2019.

[2]曾帥，錢志華，趙天烽，等. 生存性條件約束下的軟件定義光網(wǎng)絡控制器部署算法[J]. 電子與信息學報，2020，42（10）：2412-2419.