第一情报 ---信息产业

一种新兴的基于SDN的双向有线电视光接入网络实现方式

1、引言

 

SDN(软件定义网络)的核心技术理念是分离控制平面与数据转发平面。目前,SDN技术在双向有线电视网络光接入网(尤其是无源光网络PON)的应用尚处于初级探讨阶段,主要的技术难点就在于如何对光接入网络的控制平面与数据转发平面进行分离处理,下文就探讨一种新兴的相关解决方案

 

SDN业已成为现代通信网络的一个全新范式。最近几年,在企业园区网、运营商传输网这两大领域,SDN技术的应用均取得了重大进展。

 

SDN技术最早应用于基于分组交换的企业园区网络,可用于提高网络资源的利用效率,并降低网络的总体拥有成本。最近,SDN又被业界引入应用到运营商传输网领域,以提高光传输网络的资源利用效率。光传输网SDN可被视为ASON(自动交换光网络)与ASTN(自动交换传输光网络)的自然演进——ASONASTN中的光传输网络上层用于分布式路径计算的控制平面可完美地匹配SDN中分离控制平面与用户平面的技术理念。但是,相较于ASONASTN,光传输网SDN的创新之处在于集中式的路径计算(基于多层的网络可用性信息,SDN控制器作出路由与转发决策)。

 

目前,PON(无源光网络。包括IEEE1G-EPON10G-EPON100G-EPONITU-TGPONXG-PONXGS-PONNGPON2)是最重要的FTTH(光纤到户)接入网技术,而对于SDNPON中的应用的讨论刚处于初级阶段——主要的技术难点在于如何分离控制平面与数据转发平面。从而就引申出一个很值得探讨的技术问题:于PON中,SDN的边界应延伸至OLTPON的局端设备)还是ONUsPON的终端设备)?PON(无论是采取IEEE的标准还是采取ITU-T的标准)的控制与转发功能被垂直地集成于OLTONUs之间的一个近乎封闭的系统之中。

 

下文讨论把SDN技术应用于PON的第一步:提出一种新的从数据转发平面分离出光接入网络控制平面的方法。

 

2、光接入网的现状

 

光接入网的实现可分为如图1a)所示的有源以太光接入网(AON)及图1b)所示的PON。其中,有源以太网采取点到多点(从中心局或前端到用户家中)的光纤拓扑,而从MAC(媒介接入控制)层看来则是点到点网络。通过把有源以太网架构中的以太交换机更换成无源的ODN(光分配网络)即可成为PON。目前,基础网络运营商实际部署的FTTH光接入网,绝大多数采取的是基于TDM(时分复用)机制的PON

 

图1

有源及无源光接入网的组网架构[1]

 

现有的光网络(包括核心光网络与光接入网)的组网架构如图2所示。目前,大多数的核心光网络已经把控制平面与数据转发平面相分离——其控制平面基于MPLS(多协议标签交换)及/GMPLS(通用多协议标签交换)而构建,而其数据平面则运行分布式的路由协议。

 

图2

现有光接入网的架构[1]

 

部署于中心局或前端的边缘路由器可被视为网关——例如用于联接核心网与接入网的BNG(宽带网络网关)。可基于SDN技术理念来分离BNG的控制平面与数据平面。因此,核心光网络的MPLS/GMPLS控制平面就可被延伸至部署于中心局或前端的边缘路由器(如图3所示)。

 

图3

MPLS/GMPLS控制平面延伸至边缘路由器[1]

 

于是,SDN控制器就可将其控制功能延伸至边缘路由器或BNG。从而,剩下的需要解决的技术难题就是分离无源光接入网络(PON)的控制平面与数据转发平面,下文将对此进行详细探讨。

 

3、有源光接入网AON数据平面与控制平面的分离

 

如果光接入网采取AON组网,上文图3中的BNG就是有源以太交换机。IEEE 802.1D标准中所规范的以太物理层拓扑可以是点到点或网状网。如图4所示,由于采用生成树协议,以太拓扑就可被视为树形或分支。IEEE 802.1Q标准引入了VLAN(虚拟局域网)技术,IEEE 802.1ad标准引入了C-VID(用户VLAN标识)及S-VID(服务提供商VLAN标识)。

 

图4

以太网拓扑及虚拟化[1]

 

应用IEEE 802.1Q802.1ad标准,以太网可被虚拟化成VLAN。以太网的虚拟化提供了一种分离以太控制平面与数据转发平面的方式。IEEE 802.1ak所规范的MVRP(多VLAN注册协议)可被用作虚拟以太控制平面的多VLAN控制协议(如图5所示)。

 

图5

以太控制平面与数据平面[1]

 

MVRP是一个用于创建并管理VLANs的二层协议。其他的多VLAN控制协议还包括快速生成树协议、最短路径桥、多生成树协议(MSTP)等。如果把多VLAN控制协议用作为以太控制平面协议,SDN控制器就可将其控制功能延伸至核心光网络的MPLS/GMPLS控制平面、有源以太光接入网的以太控制平面。

 

4、核心光网络与有源以太光接入网的SDN视图

 

当基于VLANs分离以太数据平面与控制平面后,就可以创建出一个统一的SDN控制平面来对核心光网络与有源以太光接入网作统一管控,整个视图如图6所示。

 

图6

核心光网络与有源以太光接入网的SDN视图[1]

 

于其中,SDN控制平面通过南向的以太交换机APIs(应用编程接口)同交换和转发网元相联接,以获得对第一层的抽象(把设备商特有/私有的硬件接口抽象出来)。另外,SDN控制器也具有网络拓扑的全局视图——与其中,底层的有源以太接入网络部分就被抽象化为VLAN拓扑。另外,SDN控制平面也通过北向的APIs与上层的应用层相联接。

 

综上,总体上而言,这种统一的SDN控制平面把自动化配置延伸至有源以太光接入网,并从全网的视角来优化网络资源使用效率。采取OpenFlow协议,数据流转发决策可基于第二层到第四层的信息,例如MAC地址、VLAN标签、IP地址、TCP端口、UDP端口等的任意组合。

 

5、无源光接入网PON数据平面与控制平面的分离

 

OpenFlow控制器替代PON架构之中的DBA(动态带宽分配)这种方案有较多的问题:首先,DBA机制的作用在于提高PON网络上行方向的资源利用效率吗,即便如此,也不能说DBA是一种控制协议;其次,DBATDM PONOLT与众多ONUs之间的一个封闭协议(以GPON为例,当把DBA用于状态报告时,某个ONU将其传输缓冲区深度报告给OLTOLT相应地为该ONU分配上行传输时隙),所以,由于延迟较大,就不可能把DBA功能移至外部OpenFlow控制器;第三,EPONGPON中,业务的建立,分别有LLID(逻辑链路标识符)、GEM/XGEM端口标识符,而这两者同样是TDM PONOLT与众多ONUs之间的封闭参数,所以,由于延迟较大,就不可能将其移至外部OpenFlow控制器。

 

另外,由于PON架构里的DBALLIDGEM/XGEM端口标识符均为OLT与众多ONUs之间的封闭协议/参数等,对SDN控制器而言就是不可见的。

 

为了解决这一问题,TDM PON架构可被视为一个具有N+1个端口的分布式以太交换机(如图7所示):其中,OLT1个端口,所有ONUs则一共具有N个这样的端口。于是,这种分布式的以太交换机就可采取VLAN协议来进行虚拟化。而对于这种分布式的VLAN交换机,可以采取本文第3部分所提及的MVRP协议来分离控制平面及数据转发平面。从而,一个通用的SDN控制平面就既可管控核心光网络,又可管控无源光接入网PON,于是,上文第4部分所讨论的技术实现方式也就可同样地适用于无源光接入网PON的虚拟化。

 

图7

无源光接入网PON据平面与控制平面的分离[1]

 

6、结论

 

根据上文的讨论,VLANs可被用于对有源光接入网AON的虚拟化,MVRP协议可被用于AON的控制平面与数据转发平面的分离。而基于TDM机制的无源光接入网PON在总体架构上可被视为一个分布式的VLAN交换机,从而也就可采取MVRP协议来分离PON的控制平面与数据转发平面。综上,采取此种方式,就可建立既可管控核心光网络、也可管控光接入网络的统一的SDN控制平面。

 

 

参考文献

 

[1] Eugene Dai, Wei Dai. TOWARDS SDN FOR OPTICAL ACCESS NETWORKS[C].

2016 Spring Technical Forum Proceedings, 2016-06-20.

 

[2] 李远东. 双向有线电视网络接入网现状与趋势(十一):对于融合型双向有线电视网络接入网平台CCAP的虚拟化的探讨[EB/OL].

http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8666, 2015-05-29.

 

[3] 李远东. 双向有线电视网络SDN架构技术报告(一):背景与总体架构[EB/OL].

http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8742, 2015-07-31.

 


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