光网络面临三大困扰 集成控制架构有效提升网络性能

    电信IP化已经成为全球发展趋势，以“客户（Customer）、应用（Application）、数据（Data）”为中心的CAD三要素将构成未来业务驱动的核心内容。作为未来的光网络，不仅要具备“用户驱动”能力，同时“业务驱动”的能力也不能掉以轻心。要做到两手抓，两手都要硬，首先要解决当前光网络所面临的问题。

    三座大山困扰当前

    目前光网络所面临的三个问题，首当其冲的就是如何进一步提高光网络的灵活性和可扩展性。未来业务具有多样性和时变性，这要求传送网具备更加灵活的带宽接入能力，也就意味着未来传送网需要提供多种粒度的业务接口，并能够通过智能的控制，灵活地为高动态化的业务提供适应的带宽需求。与此同时，网络的分层、分域虽然在很大程度上解决了大规模光网络的可扩展性，但是多层多域光网络本身仍旧面临着一定的体系扩展性问题。这里的网络扩展性，既指网络规模的可扩展，即域的数量增加或者是域内节点数量增加，又指网络负载的可扩展，即节点对之间的业务量增加。前者体现为空间上，后者则体现在时间上。多层多域光网络的体系结构面临的扩展性问题，即在时间或者空间上扩展后，如何保证端到端的业务性能。具体包括路由的可得性、路径计算的收敛时间、建路时间、生存性和资源利用率等方面的性能。当前的多层多域网络架构还不能很好地解决上述网络扩展所带来的问题，需要在新的体系架构上做出优化设计。

    如何将光层的通道服务模式发展为光层与电层的统一调度模式，也是光网络发展的一大困扰。长期以来，骨干网被分为两层：骨干路由器IP承载网（IP层）和骨干光传送网（光层）。两层一直分别独立地发展，主要关联点集中在光层为IP层提供静态配置的物理链路资源，而其他的联系却很少。IP层看不到光层的网络拓扑和保护能力；光层也无法了解IP层的动态业务需求。随着业务的迅速增长，IP层的路由器面临着巨大的扩容与处理压力。如何通过光层与电层的统一调度来降低IP层路由器的处理压力，进而降低网络成本和功耗是当前网络亟待解决的一个问题。

    同时，要如何架构未来的业务驱动和用户驱动型光网络，真正实现业务网与传送网的融合，也是一个关键问题。宽带网络视频、实时流媒体通信、大容量文件传输、存储区域网络等带宽和时变业务的出现，以及用户对高质量服务保障的需求，无不驱动着传送网向具有综合业务支撑能力的方向发展。多业务和用户驱动的本质可以概括为传送网由封闭到开放、由他控到自律的发展模式问题。要在充分利用光网络的现有资源来满足业务动态化需求的同时，又可以保证传送网本身的可控、可管，以达到业务网与传送网的融合，是未来光网络发展的难点。

    展望未来光网络

    关键问题的提出，不仅会激发技术人员的智慧，也驱动着光网络向更好的方向去发展。随着近年来互联网业务的爆炸式发展，数据业务已经成为了传送网的主要服务对象，其带宽需求已经大大超出了传统的话音业务和专线业务，数据业务量以每年50%～100%的速度增长，骨干网的带宽需求每9个月就会翻一倍。长期以来，光网络一直扮演底层传输的角色，随着用户需求内容的扩大和网络智能手段的发展，传送网必将与业务网进一步交融，在光层直接提供动态、灵活、可控的新型业务成为目前光网络发展的必然趋势。光网络不仅承载传统的话音业务和专线业务，还要承载各种宽带业务、虚拟光专用网业务、移动业务和多媒体业务，支撑如网格计算、文件下载、视频点播、存储区域网等新的应用。数据类业务增加了带宽颗粒的灵活性，并且提出对业务分级的需要，以面对新型业务所表现出的动态、突发、差异、多变的特点。因此，面向复杂业务应用的深度分析与控制是未来光网络与业务融合的发展趋势。

    目前各种各样的交换技术、功能各异的网络层面，以及不同的系统平台，为光网络提供了异构的网络环境，包括SONET/SDH网络、OTN网络、PTN网络、光以太网等。ASON构建在各种传送技术之上，采用平面化手段对传送网的功能主体进行分类，形成控制、管理和传送平面彼此交互的结构体系，解决了以会话控制为基础的电路型连接的动态建立、维护与拆除问题。利用独立的控制平面，ASON能够在两个客户网元（如IP路由器、ATM交换机等）之间建立具有固定带宽的传输通道。但是，ASON仅仅实现了面向连接的网元节点自动化交换和管理功能，并没有给出面向业务提供的一致性方案。运营商只能根据其商业策略和环境定义自己的业务模型，形成各自独立的业务接入体系，这无疑增加了调研和开发成本，并且增大了体系之间的互通难度。如何将这些网络耦合在一起，使之能够高效地实现智能互联与集成控制成为了目前亟需解决的问题，同时也是下一代光网络发展的必然趋势。

    此外，网络的结构和功能可能随着网络的需求而随时发生变化。一个可重构的网络可以灵活地根据自己的要求对网络进行配置，这样能够极大地提高网络维护成本，提高生产效率。比如网络的拓扑发生了变化，网络中的域进行了重新划分，或业务应用发生了改变，这时不但要求网络中这些变化能够快速完成，而且需要整个网络能迅速地感知变化，并做出同步调整。当前的网络因为智能化不够，并且缺乏统一的控制机制，还很难做到这一点。因此下一代光网络的发展将朝着网络的高可重构性与控制流归一化方向进行。

    所以只有通过全面覆盖承载网的各个层次，使基于不同传送技术的网络实现统一控制，并建设具有更高业务要求和应用能力的业务驱动型传送网，这样才可以推动光网络的全新发展。

    基于GMPLS+PCE的控制架构

    现在的智能光网络架构可以分为四个平面：传送平面、控制平面、管理平面和业务平面。如图1所示传送平面负责用户数据和一些控制、管理信息的传送；管理平面执行传送平面、控制平面、业务平面的管理功能，并从整体上协调平面间的关系；控制平面主要通过信令网的支持，接收用户网络或者管理平面的要求，控制传送平面进行自动的交叉连接。而业务平面的引入使业务扩展和业务定制成为可能。通过业务平面，可以实现业务交换与业务控制相分离，使业务生成独立于业务运行环境。业务交换与业务控制相分离改变了由交换系统提供不同新增业务的传统方式。交换系统将只负责交换和接入功能，不会为新业务的引入做任何改动，从而实现了业务由业务平面集中提供的要求。业务生成独立于智能光网络的业务运行环境，使得业务的提供不依赖于业务平面相关设备的供应商，独立的业务运行环境为业务的快速提供奠定了基础。

    针对基于GMPLS的分布式控制平面的路径计算方面的不足，IETF工作组自2006年提出了路径计算单元（PCE）的概念。同时还规范了一系列与PCE相关的RFC标准，例如PCE发现需求、PCE通信协议（PCEP）、基于PCE的后向回溯路径计算过程等。利用集中式与分布式相协同的优势，PCE适合网络的跨层跨域设计，支持端到端的多约束路径计算能力，在资源分配和选路优化方面具有较强的优势。

    然而，当前的智能组网结构在异构网络的控制效能以及业务的灵活接入能力方面仍显不足。随着对下一代互联网络研究的深入，近年来网络虚拟化成为国外研究的热点。通过网络虚拟化技术，可以使人们更好的发挥网络基础设施资源的优势，通过统一的资源管理平台，使网络资源的利用率达到最优化。基于虚拟化的网络体系结构能使业务快速有效的接入并且按照业务需求独立的进行操作，这些过程都是基于同一个物理平台上。在每一个虚拟网络上，赋予业务提供者节点调配的灵活性，既可以减小网络运营者的管理成本，又可以让网络更具活力。因此，面向多业务应用的光网络集成控制将成为未来光网络发展前进的方向。

    面向多业务应用的集成控制架构

    光网络控制集成化可以将底层异构的物理网络抽象成统一的接口，以供上层应用进行统一的调度和管理。具体来讲，可以将传统的控制平面划分为两部分：一部分功能是与业务控制紧耦合，包括各种丰富的业务策略和各种资源配置协议；另一部分功能是与交换控制紧耦合，主要指实现节点交换必须具备的控制功能。其中，公共功能部分可从控制平面中分离出来，构成集中式的网络控制器，向下通过开放的接口协议与设备节点相连，向上相当于一个“网络操作系统”，了解全网资源信息，支持全网业务策略。在此基础上可灵活实现控制平面功能的可重构性，以及分组与光层的集成控制，能够很方便地扩展各种业务应用和网络运营功能。

    集成化控制中心的实现方案可以分为控制中心全集中实现方案和多控制中心协作方案两种。前者是单控制中心对全网做集中式控制，后者是在多控制中心之间实现相互协作，通过控制协议在多控制中心之间进行资源调配。

    单控制中心实现方案如图2所示。在这种实现模式下，全网的硬件控制、资源调度与业务解析完全由单控制中心完成，规则简单，能有效控制接口统一。但由于所有的控制功能均集成到了一个控制中心，会造成控制中心的负荷较重，特别是在大规模网络和复杂业务应用情况下会存在效率问题。此外单控制中心方案对网络的安全性存在极大的风险，一旦控制中心受到攻击，将造成整个网络瘫痪。

    针对全集成化光网络控制架构存在的问题，基于控制中心集群的光网络控制架构即云控制中心，如图3所示，得到了发展。它将多个控制中心互连，通过扩展Openflow协议实现控制中心集群的统一控制，从而实现云控制的功能。在用户和交换设备看来，对于具体的控制中心位置并不知晓，其具体控制操作由控制中心完成。这样既可以通过多个控制中心的协作提高全网的控制效率，又可以实现全网控制的高可靠性保障。