—— 传输SDN中采用OTN的技术分析
如今的电信服务提供商需要网络具有更高的容量与更加动态的网络基础结构，以满足云和移动性两方面的需求。他们认识到，原有的静态、手动分配的网络已无法提供所要求的服务。举例来讲，企业用户正在使用公共云和私有云，因而需要其网络能满足弹性的按需计算和存储的要求。电信服务提供商吸取了数据中心行业的经验教训，正积极探索利用软件定义网络(SDN)的技术来应对云计算和移动性带来的挑战。近期的一次调查中，97%的电信服务提供商表示打算部署SDN，81%表示将为多层传送及光传送网部署SDN。本文讨论了光传输SDN的需求以及支持光传送网络(OTN)交换的OTN体系结构如何提高交付动态网络基础设施的灵活性，从而在动态网络基础设施中充分发挥传输SDN的全部潜力。
将SDN延伸至传输
SDN的总原则包括：数据和控制平面的分离、面向流/电路的数据平面、集中化的管理和控制、硬件抽象和虚拟化、网络可编程性以及基于开放标准。
SDN自有的集中化管理和控制保证提供如下优势：更快的业务资源调配;更加明智的网络管理决策决定网络资源更加有效的利用;优化的网络全局视图;技术上的独立性;以及功能强大的新业务为客户提供更佳的灵活性与控制。
SDN 原本只是为基于分组的网络而设计，在分组网络上，管理、控制及转发/数据平面操作均在本地节点上进行，并且，每个节点均自动转发分组。对于像城域以太网(MetroEthernet)或中国的分组传送网(PTN)这样的分组交换网络域，SDN具有巨大的价值—包括中国移动在内的电信服务提供商最早将于2015年部署基于SDN的PTN。
随着时间的推移，传输网络已经以不同于分组交换网络的方式向前演进。从历史上看，分组交换网络一直有一个包含网络管理系统(NMS)的集中式管理平面。此外，大多数网络服务提供商已经采用了自动交换光网络(ASON)架构，该架构采用通用多协议标签交换(GMPLS)协议作为其光传送控制平面。此控制平面在逻辑上位于管理平面和传送数据平面之间。光控制平面含有一组位于每个传送网络元件(NE)之上的应用程序，能实现如路径计算、网络拓扑结构、资源和能力发现等功能。因此，每个传输NE都可以访问完整的网络拓扑和可用的资源， 为最终业务提供支持。基于ASON和GMPLS的光传送网的分布式控制平面提供了包括生存能力、状态的准确性及快速恢复的优点。
依据所部署的保护和恢复方案的不同，光传送网的保护切换时间一般可达到50ms或更低，或者在采用GMPLS的网状网络上，恢复时间最快可达100ms～200ms。需要一个与底层NE紧密耦合的分布式控制平面才能实现这样的性能级别。因此，今天的大多数电信服务提供商均一致认为，他们不期望有或不想要对光控制平面进行完全集中化。事实上，Verizon等领先的电信服务提供商的意见是，希望其供应链在供应商设备范畴内的控制层持续进行创新。
从控制平面的角度来看，通过从GMPLS移至SDN，运营商寻求的是多供应商在异构传输网络以及跨多网络层级之间的互通性，从而充分利用多层协调及优化带来的益处。因此，对于传输SDN，服务提供商可能会利用经过验证的分散式控制的优异性能，同时利用SDN的层次化架构及其开放的北向和南向接口和调配层，来实现跨越多个供应商域和多个网络层级的端到端路径调配。
中国移动、中国电信和Verizon等服务提供商以及开放网络论坛(ONF)等行业机构均提出了一种架构，其中OEM域控制器将在每个供应商的域内管理光传输NE，同时对一个通用网络调配器(父级“超级”控制器)提供开放北向接口。网络调配器将光传输层的细节信息抽象出来，同时通过为客户SDN应用(即OSS/BSS、网络优化等)提供开放接口来实现端到端的业务资源调配。调配器将方便各个OEM域控制器按从东到西的方向进行彼此通信，从而实现多供应商之间的互通。
有了该架构，也可以在每个域中安置多种技术的控制器，以充分利用融合的分组光学设备(即P-OTP) 。因此，L2/MPLS-TP控制器可以控制P-OTP的分组功能，而光学/L1控制器则可以控制单个域内P-OTP的WDM/OTN特点。调配器能够与这些不同的技术控制器连接，并助力实现多层级的优化和互通。
光传送网的分层SDN架构将使电信运营商能够利用业内的最佳技术选择，并采用切实可行的方法来实现：在利用已安装的基地/投资的同时，实现网络的可编程性;简化的多层控制;异构NE部署中的通用性;端到端应用程序的认知;网络效率更优。最终，这些目标的实现将导致物理光网络资源的抽象，从而实现光网络虚拟化—OTN即服务。
应用案例驱动电信服务提供商转向传输SDN
尽管多个行业论坛和标准工作组已经设想、讨论并记述了许多传输SDN的应用案例，电信服务提供商关注的重点还是能为云连接市场提供新的盈利机会以及能解决其当务之急的方案，比如能将网络效率最大化，从而降低CAPEX和OPEX的那些方案。这些早期的应用案例包括有：按需分配带宽、IP和光网络的多层优化、虚拟传输网。
按需分配带宽—一种新型的云服务(如亚马逊的虚拟私有云等)以及应用程序( 如VMware的DistanceVMotion等)导致了进出地理位置上分散的数据中心的数据量日益庞大。这些云服务和应用程序正在推动新的网络流量模式的产生，新的模式均有别于传统的、稳定的数据复制或流量负载均衡。
因此，数据中心通信带宽往往会超过均值20倍之多。购买固定租用/专用线路服务来提供峰值带宽既浪费又不经济。传输SDN让电信服务提供商能够提供按需分配光传送带宽的业务，允许企业客户建立并按照需求暂时或永久性地、动态地重新调整其数据中心之间的连接，而只需为实际使用到的带宽付费。
服务提供商的益处：可以添加灵活的新服务并相应增加营收。一个中央SDN控制器与带宽管理应用程序进行交互，可以在光层按需设立连接。物理网络的要求：底层的物理传送网络需要能够在波长和亚波长级别动态地调整和交换容量。
IP和光网络的多层优化—对大多数电信服务提供商而言，IP/MPLS和传输在运作上仍然作为网络的独立层级，除了IP/MPLS作为传输层的客户以外，之间的协调极少。这很大程度上是由于路由器与不同NMS的光传送设备之间分别独立的调配过程。因此，传送层被IP/MPLS层假定为静态的层(哑管道之上的IP)。
IP/MPLS 流量可能受到1+1保护， 结果是IP 网络的效率不会超过40%。针对以上挑战，传输SDN提供了一个解决方案，即使用单个多层控制器连接到路由器和传输NE，或单独IP和传输域控制器分别连接到路由器和传输NE，并在它们之上加入调配层来进行路径计算和恢复管理。后一种情况下，每个IP和传送控制器的北向接口将是基于开放API的，并将提供详细的拓扑结构、分配的服务和性能相关的信息给调配层，以便找到更高效的路由或创建快速/低延迟的路由等。
运营商得到的益处：IP/MPLS和传输优化意味着资本支出的缩减(通过减少过度调配的需要)、较高的网络可用性和质量，以及跨越不同的网络域、不同路由器和传送供应商之间的互通性。
物理网络的要求：IP和光多层优化进一步驱动了灵活的次波长网络通道化的需要，并为融合的多层传送平台开辟了新的可能性。
虚拟传送网—传输网络对许多企业而言具有战略意义，可以在多个不同办公室或数据中心之间提供互连，以实现基于云的虚拟计算和存储功能。绝大多数的企业无法负担构建自己专用的光网(采购自己的光传输设备、租赁暗光纤以及雇用专门的技能团队来维护并运营该网络)。因此，将IP/MPLS VPN的概念延伸到具备光VPN服务的传输层存在着巨大的市场空间。
然而，由于供应商特定的NMS、来自不同供应商跨端到端路径的网元，以及最终用户缺乏通过应用门户的可配置性，这项服务的实现目前并非易事。通过由网络虚拟化而创建抽象的物理网络视图，传输SDN让电信服务提供商得以克服这些挑战。
软件定义传输网将OpenFlow架构进行延伸，从而允许电信服务提供商的物理传输网络划分成多个虚拟传输网络。实现的手段是通过控制数据平面接口(CDPI)和控制虚拟网络接口(CVNI)的OpenFlow扩展。
有了这些扩展，服务提供商可以为每个用户创建其物理网络的虚拟切片。此外，可以通过这些虚拟的拓扑结构隐藏网络的多层、多供应商的特点，并且用户可以自行管理和控制其端到端的虚拟光网络。可以通过门户或由用户自己的控制器来完成用户控制并管理自己的网络切片。
服务提供商的益处：虚拟传输网络让服务提供商可以便利地共享物理网络资源，以提供新的增值服务，如供给内部和外部用户的动态、自我管理的光学VPN等。
物理网络的要求：光传输网络需要支持以波长和亚波长级别调配光路，并且每个光路具备丰富的OA&M功能，且能支持动态地上下扩展光路的端到端带宽。
在所述的应用案例中有一个共同的主题，即下一代光传送网的光子层和电子层均需要有更强的灵活性。如果灵活性不够好，应用案例的价值对电信运营商就很有限。
光传输层对SDN的要求
为了实现软件可编程性并实现传输SDN的应用案例，光传送网需要比传统的设计更为灵活。为在光子层和电子层实现所需要的灵活性，关键的网络需求包括：灵活的CDC ROADM、Flex网格和超级通道、自适应速率调制、OTN交换、L2分组光集成。
灵活的CDC ROADM—无色、无方向、无竞争的(CDC)可重构光分插复用器(ROADM)克服了三个光网络的主要局限，这些局限主要是由第一代ROADM造成的。“无色”的特性让分插波长的自动化成为可能，从而使任意波长/颜色可以完全通过软件控制分配到任意端口。“无方向”的特性使得可以完全通过软件控制，对任一给定ROADM节点的任意波长以任意方向进行路由，从而消除对方向的依赖性以及对分插组和转发器在出口方向手动重新布线的需要。“无竞争”的特性解决了第一代ROADM的第三个局限性，方法是在任一给定的分插结构通过辅助实现无阻塞波长的架构(相同波长的多个副本)。因此在重新配置的过程中，波长不会互相“碰撞”。CDC ROADM实现了一个灵活度更高的光层，与另一个生态系统中的部件Flex网格协调工作。
Flex 网格和超级通道— 灵活WDM网格(“Flex网格”)解决方案通过为100 Gbps 及更大的波长灵活分配网络中的光频谱，大大增加了现有的光纤容量。传统上，ITU - T以50 GHz 的信道间隔定义了WDM网格，这对整个行业均适用，包括10Gbps、40Gbps和初始的100Gbps光通道等。Flex网格以更为精细的12.5GHz的信道间隔重新定义了WDM网格，从而在现有光纤上将更多的通道密集地“包”在一起。例如，可以将最新最好的100Gbps相干解决方案压缩到只占据37.5 GHz的频谱。因此， Flex网格使得服务提供商可以将光纤容量增加33%，从8.8Tbps增至11.7Tbps。Nx12.5GHz频道的总和称为超级通道，并可以由不同数量的光载波和调制方案针对不同的日速率进行灵活定义。例如，400Gbps光学日速率信道可以灵活地定义为两个光载波DP - 16 QAM 调制的超级通道， 或取决于范围要求， 定义为四光载波DP- QPSK调制的超级通道。
针对相干波长的自适应速率调制—不同的相干波长调制技术可以在频谱效率(光纤容量)和整体光范围(OSNR)上做出一定折中，用来实现不同的传输速率。例如，100Gbps的行业标准是DP-QPSK，其频谱效率为2位/符号，可以支持超过2,000公里的传输范围。
更高级别的调制技术( 如DP -MQAM)可以支持更高的传输速率，并实现更大的光谱效率，但代价是在提出再生需要之前，最大光范围会有所牺牲。例如，频谱效率为4位/符号的DP-16QAM调制可以支持200Gbps(相比DP-QPSK，光纤容量翻倍)，但实际上能支持的范围只有600～800公里。而DP - 8QAM 则可以支持150Gbps，范围则超过1,000公里。下一代的相干DSP让服务提供商能用软件配置多种不同的调制技术，以根据网络范围、光谱要求和客户端速率服务请求灵活地支持不同的传输速率。
虽然这些要求提高了光传输网络的灵活性，但仅仅这些还不够。例如，只专注于实现光层的灵活性的话，就意味着当试图实现虚拟传输网络或按需提供带宽时，只能提供粗的带宽粒度。
软件定义传输网中采用OTN的好处
从历史上看，OTN是管理DWDM网络的实际协议，但一直仅限于FEC和QA&M功能的框架协议。它只是最近才被定义并用作深层通道化的及可切换的网络层。作为网络层，OTN扮演了几个关键角色：梳理、交换及带宽调整，IP/分组和多业务融合以及保护。
OTN梳理、交换及带宽调整—虽然SDN并不是OTN部署的先决条件，架构上带有OTN交换的光传输网为传输SDN添加了更多的灵活度。虽在传输网中部署100G解决了整体带宽的问题，进入传送网的大多数客户流量仍然是10G或更低。
作为一个基于标准的网络层，OTN为每100G的物理波长提供了相当于最高可达80个“虚拟”的次波长线路。这些虚拟的光线路可以支持它们自己独立的网络时间(彼此异步)，并有独立的OA&M，以便推动电信级的、确定性的带宽服务。
涉及到资源调配，这些次波长线路可以是真正“虚拟”的，因为它们是按照端到端“路径”的角度来创建和监测的，与WDM网络拓扑结构、波长段或承载的速率均无关。这些虚拟线路每个都可按照小至1.25Gbps的粒度(ODU0线路)和最高达到100G波长(ODU4线路)的全带宽进行调配。
此外，一旦这些线路进行了分配，就可以按照1.25Gbps(一条ODUflex线路)的增量对其进行缩放，并且如果需要，甚至不会发生任何流量撞击(G.HAO—ODU flex的无撞击调整)。基于标准的向上或向下动态调节每个线路带宽的机制是G.HAO的真正价值所在。现代的P-OTP部署采用的是第三代OTN处理器，该处理器位于线卡之上，硬件和软件上均集成有对G.HAO 的支持。
因此，每个P-OTP节点将能够参与支持跨越整个传送网络的可切换和可扩展的虚拟光线路。传输SDN可以利用这些OTN功能来实现虚拟传送网络(图1)和按需分配带宽的两种应用案例(图2)。
IP/分组和多业务融合—设计作为网络层的OTN，旨在网络中透明地传输任何客户业务。从客户业务的角度来看，这意味着该业务进行端到端传送时， 客户根本不知道传送层的存在。OTN内在即支持对以太网(最高100G)、SONET/SDH(最高OC-768/STM-256)和恒定比特率(CBR) 的客户业务(如FC和视频等)的传送。
此外，由于现代的P-OTP具有IP分组交换的功能，OTN可用于直接提供IP业务，而无需以太网MAC封装层。IP分组流可利用通用框架协议(GFP)直接映射到可调的虚拟线路(ODUflex)，GFP协议让变长的客户分组能够承载在确定的线路上。由于不再需要以太网MAC封装，IP 服务可以更加有效地在更多的带宽上进行传送。对于超过10Gbps或40 Gbps的大型IP分组流来说，尤其如此。直接映射到OTN上，克服了在多个10G或40G以太网链路上进行以太网链路聚合(LAG)的低效率问题。
将IP进行GFP映射到OTN线路，可以作为IP/MPLS和光域之间协调的调适功能，以支持传输SDN的多层优化的应用案例因此顺理成章，全球的许多电信服务提供商均在采用P-OTP部署OTN交换的网络，并将OTN作为汇聚IP、以太网、SONET/SDH和多服务流量的网络层。
分组光集成—现代的城域网和核心光传输平台的构架设计在硬件级支持分组和OTN处理/梳理和交换功能。虽然市面上有很多不同厂商推出了多种多样的分组光传输平台(P-OTPs)，但最常见的平台架构依赖于一个基于分组的中央交换矩阵，该矩阵能交换数据包或ODUk流，并带有可插拔的线卡，能支持OTN多路复用/映射或分组处理等。
OTN流在交换之前，采用行业标准的分组矩阵上的OTN(OPF)协议进行了分组。此外，线卡一般都支持集成的WDM光纤。P-OTP与系统级软件相结合，提供了一个灵活的、集成的平台，为网络服务提供商提供L0(光层)、L1(OTN)和L2-L3(以太网&IP/MPLS)功能。通过在单一的传输NE上支持这三种能力，服务提供商可以受益于不同网络层的灵活使用，以实现成本、带宽和保护功能的优化。
保护—基于OTN交换的传输网络的生存能力大大提升。例如，OTN层的保护功能提供了非常快速的电路交换( 低于50 ms ) ， 而在光子层的保护往往会超过200 ms ，在IP 分组层(如MPLS快速重路由)的保护可以具有不确定性，且恢复时间更长。除了支持线性保护(1+1，1: N 等) ，OTN还支持共享的网状保护，该方法采用网状的网络架构来共享保护和恢复资源，以将成本降至最低。
