大数据互联网时代光纤通信技术的发展与挑战

大数据互联网时代光纤通信技术的发展与挑战

来源：《重庆邮电大学学报(自然科学版)》，作者付亚伟

摘 要：随着信息通信技术及各种高速带宽业务的飞速发展，对承载这些业务的光纤传输网络在功能及网络灵活性、扩展性方面提出了更高要求，其必须在实现大容量、超高速传送的同时实现网络智能化转型。软件定义网络(software defined networking，SDN)技术被视作具有颠覆性的网络革命技术，必将促进网络技术的发展，促进网络智能化转型。阐述了SDN基本概念及其功能；分析光纤传输网络的现状及发展趋势，介绍将SDN技术应用于光纤传输网络的软件定义光网络(software defined optical networking，SDON)概念及其特性；提出了解决光纤传输网络扩展性、灵活性和平滑升级的方法，即引入SDN技术向SDON演进；分析大数据互联网时代光纤通信的发展及面临的挑战。

关键词：软件定义网络；软件定义光网络；光纤传输网络；大数据互联网时代；发展趋势

0 引 言
随着信息通信技术的发展，宽带中国、三网融合等国家战略的实施，大数据、云计算、智慧城市建设的推进以及5G移动网、下一代互联网的建设，种类繁多的各种创新应用将应运而生，超高清视频、虚拟现实、智能制造、高频实时交易、新兴移动互联网业务等需求将越来越多，呈现出业务种类繁多，带宽需求极速增长的局面。与此同时，无论是对传输速率、带宽，还是网络的可靠性、时延等都提出了更高要求，由此催生出承载这些业务需求的光纤通信新技术、新应用，以适应大数据互联网时代的业务发展新需求。

近年来，光纤通信技术发展迅速，光纤通信系统传输容量快速增长，研究表明[1]单模光纤中波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)的传输总容量已经达到115 Tbit/s，单载波净接口速率已经超过1 Tbit/s。随着高速带宽业务的飞速发展，对承载这些业务的光纤传输网络在其功能及其网络灵活性、扩展性方面也提出了更高要求，因此，在实现大容量、超高速传送的同时，光纤传输网络必须插上智能灵活的“翅膀”，以实现光纤传输网络智能化转型。而引入软件定义网络(software defined networking，SDN)技术，实现光纤传输网络传送层的变革和扩展层的重构，即优化分配光网络传送层的频谱资源，改进控制层的网络结构和实现方法，使光网络变得更加灵活智能高效，已经成为近年来光网络组网技术领域的关键研究课题[2]。国内外团队对此做了大量的研究工作。文献[2-3]针对光网络中动态路由计算和频谱分配问题分别提出了基于频谱连续度的路由和频谱分配算法，以及功率高效的调制格式分配算法；针对实现光网络资源充分利用的问题，提出了基于OpenFlow的光路资源自适应调整方案和非对称的调制格式及频谱分配算法方案，实现了网络动态性能配置，使路由资源配置更灵活，有效降低网络阻塞率。文献[3]还针对业务需求差异化问题，提出了面向服务的软件定义光网络解决方案，即通过对特定的功能进行解耦，将其作为独立的虚拟网络功能模块提供给业务，实现对业务需求的精准适配。文献[4]则着重研究了OpenFlow协议向光域扩展的策略和对分组网和光网络两个不同技术域内路径建立的策略。文献[5]提出了一种面向服务定制(service-customized network，SCN)的未来网络架构，SCN基于SDN技术实现网络切片，为业务提供差异化端到端服务质量保障。

近年来业界在光纤传输网络中引入SDN技术的研究工作进展顺利，特别是在网络功能虚拟化研究、带宽自主设定、自动路由配置和网络资源动态调整等方面研究成果喜人，加速了光纤传输系统SDN化进程，促进了软件定义光网络(software defined optical networking，SDON)的商用。本文通过对SDN/SDON的介绍，结合光纤传输网络技术发展趋势进行了分析，旨在进一步阐明光纤传输网络智能化转型之必然，SDON是光纤传输网络发展演进的方向。

1 SDN概念及其功能
大数据互联网时代不仅对传输网络速率、带宽、时延、高可靠性等方面提出更高要求，同时对网络连接的快速、高效、智能化要求更高。现有的光纤传输网络虚拟化能力不足，不能满足云业务和其业务链重组要求，其灵活性、扩展性均不能满足未来网络的发展需要，SDN技术的出现弥补了这方面的不足，它为解决现有光纤传输网络的不足提供了一种新的方法和途径，即引入SDN技术来改善光纤传输网络的功能和灵活性，这样的光纤传输网络称为SDON，它与SDN有类似的功能。

1.1 SDN基本概念
SDN是2008年美国斯坦福大学提出的一种软件集中控制、网络开放的创新网络架构[6]，其核心在于借助OpenFlow协议[7]实现控制与数据转发分离，通过标准化的接口和利用软件编程实现网络的集中控制和管理，通过网络虚拟化能力实现网络快速链接，为网络及其资源的充分利用提供了非常高的想象空间，有效提高网络资源的使用效率，是一个创新开放的平台[6]。SDN的概念如图1，在SDN网络中，SDN集中控制器通过不同的应用程序、服务质量(QoS)、流量负载等策略使得更改路由和切换变得更加容易，实现对网络资源的优化配置和管理。SDN控制器实现了一个抽象的转发模型，该模型主要包括图1中一个使用全球网络作为输入的f(Map)转发功能，使整个网络映射到控制器中实现数据交换和转发，而控制信息通过安全的控制通道传播，交换机则实现数据包转发。

SDN概念的提出，促进了网络智能化的转型，经过近几年的发展，已从原狭义的SDN发展到更加广义的开放、创新的网络架构，其基本目标是结构开放、快速创新，核心是控制和转发分离，通过软件编程实现对网络连接的集中控制及其网络资源的开放，最终通过IT创新把封闭的网络转变为开放的创新平台[6]。

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图1 软件定义网络
Fig.1 Software defined networking

1.2 SDN架构及其功能
SDN是一种新型的网络技术和架构[8]。SDN技术的出现将传统的网络设备软硬件一体化模式转化为底层高性能转发/存储+上层智能化集中控制的架构，其最具代表性的就是控制和数据转发分离，并实现软件的可编程控制，典型架构[6]如图2，其中，底层为基础设施层，即标准化、通用的网络设备，主要负责基于流表的数据处理、转发和状态收集；中间层为控制层，即具有可编程能力的网络服务设备，主要负责处理数据平面资源的编排，维护网络拓扑、状态信息等；上层为应用层，即面向客户的各种业务及应用。

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图2 SDN典型架构
Fig.2 Typical architecture of SDN

SDN具有控制和数据转发分离、网络设备硬件标准化通用化以及软件可编程集中控制应用等特性，具备以下主要功能。

1)处于底层的网络设备硬件标准化通用化，因此网络硬件只负责数据转发和存储，以及与业务特性解耦，采用相对价廉的商用架构就可以实现。

2)通过软件可编程来实现对网络的控制和管理，设备的种类及功能由软件配置来确定，网络的控制、运行由服务器来实现。

3)实时配置路由、流量、QoS等网络参数，实现定制业务的快速开通，缩短各类业务及应用的响应时间。

2 光纤传输网络现状及发展趋势
2.1 光纤传输网络现状
1)网络复杂。现有光纤传输网络经过近三十年的发展，通常由不同时期、不同制式、不同厂家的大量功能单一、专用的硬件设备构成，网络结构复杂，而且一旦建成，就难以变动，网络灵活性、扩展性不足，不能满足应用层新应用和新商业模式对资源及带宽的快速配置需求，以及按天或按小时计算的动态连接及多变的网络业务需求。

2)网络和业务不匹配。现有的光纤传输网络只要新业务、新功能一上马，往往就需要进行扩容或增加新的设备、系统，网络资源共享利用率低，与业务难以协同和融合，满足不了大数据互联网业务和应用多样化新需求，导致对客户需求响应缓慢。

3)网络建设及运营成本高。随着运营商网络的发展，不同厂商、不同设备的建设和运行维护导致建设和运营成本居高不下。而面对大数据互联网新兴业务对网络资源和容量的动态变化需求，以现有到局(站)进行手工配置为主的解决方式根本无法实现对这些新技术、新业务的快速支撑。

2.2 下一代光纤传输网络的特征
光纤通信技术的发展，其关键的驱动力来自新兴业务的需求[9]。随着信息产业的高速发展，大数据、互联网、物联网、5G移动网等业务无疑将逐渐成为未来的主要业务，而支撑这些业务发展的光纤传输网络，将受其驱动而实现全新的技术及其架构的转型。

未来的光纤传输网络在新兴业务驱动下演进，其核心需求是超带宽、低时延、网络高可靠性和业务快速发放以及开放协同，所有这些都将成为下一代光纤传输网络的典型特征[9]。

1)超带宽

光纤通信具有高带宽、低损耗、抗干扰、低成本等优势，带宽一直是其发展的主要驱动力。从准同步数字系列(plesiochronous digital hierarchy，PDH)到同步数字体系(synchronous digital hierarchy，SDH)，尤其是进入WDM时代，光纤通信系统的传输容量在不断扩大，而随着互联网等业务流量的高速增长，对带宽的需求必将越来越大。因此，为满足未来业务发展需求，必须不断探索更加有效的突破性技术。

2)低时延

随着超高清视频业务、电子商务业务、5G移动通信和移动互联网业务[10]等这些对时延要求非常苛刻的业务的迅速发展，网络时延性能将面临严峻挑战，能否满足低时延业务需求将直接影响运营商未来发展。

3)高可靠性

现有光纤传输网络的安全保障主要是通过多种保护和恢复技术来实现，包括设备各功能模块的高度可靠、1+1/1:1系统备份，网络层面的恢复机制等。未来的网络及其业务如智能制造、实时金融、智慧交通等等对网络可靠性要求极高，一旦网络中断将对其所承载的业务带来严重影响。因此，要求网络具备更加可靠的保护功能和预防措施，毫秒级中断恢复将成为网络的必备功能。

4)业务及应用快速适配

现有的光纤传输网络要开通一项业务或连接，需要到局(站)现场进行大量的手工操作，往往需要较长的开通时间。在大数据互联网时代，新兴业务的呈现追求的是具备实时按需提供不同业务定制所需的路由、安全、策略、QoS、流量等，下发到网络中，实现“分钟级”甚至“秒级” 的实时业务开通，实现网络能力对业务和应用的快速适配，这也是下一代光纤传输网络的关键特征之一。

5)开放协调

未来大数据互联网时代将出现业务的多样化和应用的复杂化，对承载这些业务的光纤传输网络来说也将提出更高的开放、协同要求。不同的光纤传输网络系统间需要更多的互联互通，进行多点多域协同，以实现业务的快速匹配，提高网络资源的利用率。

3 SDON概念及其优势
当前的光纤传输网络，硬件设备由不同的供应商生产，各自有专用接口和相应的分布式控制协议，网络极其复杂，不利于管理、定制和优化，同时网络运营商也面临着高额的资本支出和高额的运营成本。而将SDN的灵活性与下一代光纤传输网络大容量、超高速、低能耗等特点相结合，将形成大容量、超高速、低能耗、灵活智能的光纤传输网络，即SDON。

3.1 SDON概念
SDON实现网络控制系统和物理传输/交换系统分离，2个平面由一个公共开放的接口连接，网络的智能控制和管理由集中控制器实现；高灵活性的网络设备支撑不同的网络需求[11-12]，如图3。其核心就是实现集中控制以及数据转发平面与控制平面分离，通用开放的接口，网络切片和底层网络虚拟化，使网络通过可编程控制实现了可控可管。

在光纤传输网络中引入SDN 技术[13]， 构建灵活、开放、虚拟化的可编程光纤传输网络[14]，实现用户[15]自主带宽设定、自动路由配置和资源动态调整等功能，快速灵活地调配全网资源，从根本上解决光纤传输网络扩展性、灵活性和平滑升级问题。但在IP网络中基于OpenFlow的成熟SDN技术不能直接简单地移植到光网络中，SDON还需要在技术方面有所突破，即解决好SDON的物理硬件技术、控制器技术以及通用接口问题[11]。

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图3 SDON结构
Fig.3 Structure of SDON

3.2 SDON优势
SDN技术的引入，其关键之处是实现光纤传输网络设备硬件标准化、通用化以及软件可编程集中控制，提升网络灵活性、扩展性。SDON相对于传统传输网络具有如下优势。

1)支持灵活多样的业务定制和网络创新。软件可编程控制和强大灵活的路由计算功能可实现复杂环境下路由及连接控制策略，满足大数据互联网时代多种新兴业务的快速部署和网络创新。

2)网络资源利用最大化。通过软件可编程集中控制，实现光纤传输网络资源按需动态调整，提高网络整体性能和网络资源利用效率[15]。

3)有效降低建设成本和运行管理费用。由于SDON实现了控制和数据转发软硬件分离，避免了传输网络节点设备的重复建设，有效降低网络建设成本；同时，其具有控制策略软件化能力，实现网络智能化、自动化管理，从而简化了运维管理工作，大幅度节约了运维费用。

4)支持网络平滑升级。由于实现了控制与转发分离以及网络的软件可编程控制，有利于网络的智能化和底层硬件设备的标准化通用化，实现了不同设备产商及不同类型设备的互联互通，弱化了顶层应用对底层设备供应商的依赖性，使其网络的升级可以通过软件的方式来完成，确保了网络升级的平滑过渡。

4 大数据互联网时代光纤通信发展及其面临的挑战
光纤传输网络发展的驱动力源于网络本身所承载的种类繁多的各种业务。近年来，随着宽带、高清视频、云业务的迅速发展，带宽需求呈高速增长趋势，给光纤传输网络带来巨大压力；同时各类新兴业务的出现对光纤传输网络各项指标也提出了更高要求，要求网络支持多种不同传输特性要求的业务，因此适应未来业务发展需求的光纤传输网络架构应该是灵活且具有多适应性，能够根据不同的业务特点提供相应的网络支撑；例如针对云计算业务，采用分层架构以实现边缘计算，从而降低信令开销和减少业务传输时延；而对于物联网业务，采用更加简化的架构以降低网络管理的复杂度，从而降低网络成本，进而节省物联网用户的成本。在如今光纤传输网络大规模部署的形势下，要实现网络资源的高效利用和网络质量的提升，其主要手段是在传输速率上下功夫，即平滑升级到高速、超高速光纤传输系统，并朝着[14]高速率传输、大容量交换、智能化控制、多业务分组化和软件可编程方向发展，文献[14]描述了未来光纤传输网络技术发展5大趋势，本文不再赘述。综合光纤传输网络技术发展趋势，应重点关注以下几个方面。

4.1 SDON是光纤传输网络发展方向
SDN架构和技术对光纤传输网络产生了革命性影响。现有的光纤传输网络控制和数据转发平面是合二为一的，没有实现集中控制，无法实现对网络的集中控制和管理。因此，对网络资源难以做到动态调整和管理，难以实现根据用户需求进行可编程的操作和网络资源的按需分配，网络中的新业务部署周期较长。而SDON具备控制与数据转发分离，并利用网络功能虚拟化技术和网络可编程集中控制和管理实现网络功能的重构和智能编排，使得光纤传输网络的硬件设备可以采用标准通用的高容量服务器、交换机和存储设备，降低了光纤传输网络构建成本，提高了网络智能化运营水平。SDN技术的引入将对光纤传输网络技术发展5大趋势中的智能化控制、多业务分组化和软件可编程发展趋势产生直接影响，因此，在光纤传输网络中引入SDN而形成的SDON必将成为下一代光纤传输网络的发展方向。SDON和现行光纤传输网络特性比较，详见表1。

4.2 光纤传输网络向SDON网络架构演进
近年来，SDN不仅成功应用于互联网CP/SP(content provider/service provider)的数据中心互联，而且正逐步实现光纤传输网络中的应用。从SDN角度来看，初期光层和数据层的控制器各自分开、通过标准接口和协议相互协同，起到流量工程和多层优化功能，后期将通过统一控制器集中控制，完成所有流量和策略任务[11]，如图4。

表1 SDON和现行光纤传输网络特性比较

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

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图4 现有网络向SDON网络架构转变
Fig.4 Transition from existing network to 
SDON network architecture

在SDN技术的影响下，光纤传输网络正朝着全光化、智能化方向发展，SDON不但给传统业务注入了新的活力，还能很好地匹配和适应新兴业务对网络的需求，满足客户动态按需请求等业务的快速发放；受业务的驱动，未来的光纤传输网络将在新兴业务的引领下朝超带宽、低时延、高可靠性、业务快速发放和开放协同5大网络特性演进。

4.3 面临的挑战
SDON代表着下一代光纤传输网络的发展方向，但SDN技术目前比较成熟的应用主要基于IP网络，因此SDON的应用仍然面临着重大挑战[16]，还需对以下问题进行重点研究。

1)统一定义不同光传输技术和兼容分组交换技术的光传输和交换粒度，以实现网络底层设备资源通过虚拟化技术进行抽象再重新整合封装，这是实现SDON底层设备资源[17]动态灵活调度的关键，其益处在文献[18]中讨论。

2)在目前的技术状态下，OpenFlow不支持电路交换，如何将OpenFlow扩展到光传输网络中是重点研究的内容，即如何实现在分组网络+电路网络中利用OpenFlow进行光网络控制[19]。

3)原有的光纤传输网络在带宽的调度分配方面受不同技术制式、厂家设备采用大量私有协议和信息格式等的影响。因此，要处理好使用多个操作系统来处理跨技术带宽分配和由异构技术域组成的网络中的流量映射问题。

4)充分考虑不同光传输技术在功率、损耗、交换限制等方面的物理特性[20]。

5 结束语
未来的光纤传输网络将承载云互联、超高清视频等种类繁多、应用多样化的多种业务，这些应用对网络的核心需求将是超带宽、低时延、网络的高可靠性、业务快速发放和开放协同。同时，随着光纤传输网络规模的不断扩大，还将面临异构化、扩展性等方面的问题。因此，根据前述对SDON的分析，光纤传输网络向SDON架构演进已成为必然。另外，由于国内几大电信运营商在光纤传输网络建设方面积累了近三十年的建设投入，形成了庞大且结构复杂的现行光纤传输网络，网络设备涉及多厂商、多制式甚至存在多个传输平面，所以将SDON应用于公众网的过程将会比较复杂，必须要制定光纤传输网络的长期发展战略和具体演进步骤，以确保网络的平滑升级。

审核编辑：符乾江