第一情报 ---信息产业

下一代电信传输网综述

1、背景

 1)电信传输网现状

 自诞生以来,传输网就一直是整个电信网络的基础,为电信网络所承载的通信/信息业务/服务提供透明、可靠、高效的传输平台与通道。为此,电信传输网支持着运行于其上的各个层次的网络/协议(如ATMTDM、以太网、IP等),从而全面地支持着由通信网络运营商所提供的各种信息业务/服务。 

传统上,要进行电信传输网的网络规划、部署、配置并开通启动运行于其上的各个客户服务层等,就需要进行大量的人工分析,还需要在多个网络部署及配置的现场进行手动操作(即分布式手动操作),如此一来,部署于整个电信传输网中的包括网络拓扑结构、链路容量、通道路由在内的网络容量矩阵的配置就必须是保守的、相对静态的。所以,电信传输网就一直被视为/设计为是与其上的各个客户服务层解耦的——而且在运行方面,很大程度上独立于各个上层应用。 

23大外部驱动因素将给传统的电信传输网带来革命性影响

在过去的几十年里,全新的、可扩展的而且低成本的电信业务不断被推向市场,在此过程中,与网络相关的光学技术的持续发展发挥着非常重要的作用。在未来,这一良性循环将继续保持下去。所以,可以断言的是,与网络相关的光学技术的持续发展同外部诸多驱动因素相互间的紧密结合,将会对下一代电信传输网的形成产生最大的影响。

具体而言,上述(笔者注:详见本文背景部分第2)节的第1自然段)的外部驱动因素主要包括以下3个:

 (1)视频无处不在:当下,视频正日益成为人们随时、随地进行在线学习、信息分享、信息娱乐、市场营销、通信等诸多活动(笔者注:有的是仅线上,有的是线上与线下相结合)的主流方式。 

2)面向的自动化组网:为使各个分布式数据中心和各个企业数据中心互相连接,就产生了对于自动化组网服务的新需求。 

3)将网络虚拟化:通过网络功能的虚拟化和网络连接的自动化,对电信传输网的构建方式进行变革。 

综上,视频、云、NFVNetwork Function Virtualization,网络功能虚拟化)这三大主要的外部驱动因素已经作为一个整体在深刻地影响着ICTInformation Communication Technology,信息通信技术)产业。事实上,人们也普遍认同这个趋势。但是,一些业内人士却尚未认识到这个趋势将会给位于运营商网络协议栈底层的、传统上与上层应用独立的电信传输网带来哪些显著影响。 

其实,相关的影响是存在的,而且是显著的。在推动电信传输网从静态化到动态化的转变过程中,网络智能将发挥出更加核心及在线(笔者注:即实时)的作用。在ICT产业领域及ICT之外的许多其他产业领域,为了使网络运行、设备操作或业务提供更加的简化、自动化,各种解决方案的价值重心正在积极地向软件化转变。因此,任何有关下一代电信传输网的研究都必须充分考虑到软件驱动虚拟化的这一改变给上层的服务层及网络层自身很多部分所带来的转变。 

但是,要充分认识到上述的对下一代电信传输网的影响,就首先需要了解通信业务环境的根本改变以及由此对更广泛的网络整体所带来的变革。 

3)下一代电信传输网 

综上,很值得关注的是,随着新兴的、先进的软件虚拟化以及自动化技术的出现与高速发展,电信传输网的发展趋势是,其构建和运行传输网络与通信/信息业务的方式正在发生着转变:上述(笔者注:详见本文背景部分第1)节的第2自然段)的电信传输网独立于网络其他部分的传统模式,将逐渐并最终被一种全新的、更加具有相互关联性的模式(笔者注:即未来的电信传输网与其上所承载的应用的独立性将会越来越小)所取代。 

目前,100 Gbit/s光传输网刚迈入“黄金”发展期,而对于未来的超100 Gbit/s(如400 Gbit/s1 Tbit/s)光传输网,只是提升传输速率、增加传输距离、提高网络调度的智能化是远远不够的。随着“去电信化”成为业界的共识,以及云计算、数据中心、大数据等新兴业务的迅速普及,加之软件定义网络等新的网络架构的出现,只完成传输任务的“静态”光传送网需要向更加动态与智能的方向发展。

4)本文所要讨论的主要内容

本文要深入讨论的是电信传输网转型的3破坏性驱动力(它们将产生一系列相互关联的变化,从而最终可由此确定出下一代电信传输网的设计需求),并在此基础上提出未来网络架构及下一代电信传输网的转型愿景(主要是以使用场景实例的方式,来分别说明以传输为中心的下一代电信传输网、跨层集成的下一代电信传输网的实施方案),然后对将在相关转型中起到核心作用的、正在变化的网络属性和相关技术发展方向进行论述(列举了下一代电信传输网自上而下的一系列需求,并提出了逐步实现这一愿景的一个示范性演进路线)。 

2、将导致传统电信传输网变革的3大外部驱动因素 

1)视频业务的高速发展及其给网络带来的巨大影响 

1)视频业务的高速发展趋势 

在可以预见的未来,人们对各种新的应用的需求将成为驱动网络容量增长的主导因素——而在所有这些新的应用类型之中,视频将是导致网络数据流量增长的引擎。如图1所示,贝尔实验室保守估计,2012~2017年,视频业务的数据流量将增长7.2倍(这是因为人们的学习方式、娱乐喜好、信息娱乐消费习惯等正在逐渐向视频方式转移,通过各种固定的、便携的、可移动的终端设备随时、随地的接入由专业机构(如广播电视台)制作的视频、商务视频、用户自制视频内容),在此驱动之下:骨干网的数据流量将增长3.2倍,城域网的数据流量将增长5.6倍。 

1  2012年到2017年,城域网络与骨干网络各自的数据流量增长趋势

来源:贝尔实验室。   

但是,与此同时,视频消费者的观念也正在发生显著的变化——越来越多的视频业务用户的付费意愿较低。这就在很大程度上培育出以互联网广告来驱动视频业务发展的商业模式,通过以零直接成本形式给人们提供海量的免费视频内容,最大程度地吸引观众眼球、提高点击量,从而获得广告主青睐。 

2)给网络带来的影响:城域网络虚拟化边缘节点架构 

上述巨大的视频业务数据流量需求加上较低的单位带宽(每比特)收益意味着,疯狂增长的视频业务数据流量将给网络(尤其是传输网络)带来巨大的单位带宽成本(包括CAPEXOPEX)压力,从而推动着视频内容的更高效的分发方式的出现以及分布式CDNContent Delivery Network,内容分发网络)这种覆盖网络在现网的部署。 

目前,分布式的CDN通常跨地理区域部署于城市中心(CDN中心节点)或区域中心(CDN区域节点),这样可以减少到终端用户的信息传输延迟,并降低骨干网络的流量负载。而如图2所示,分布式CDN的边缘节点则进一步被下沉部署到城域网络的虚拟化边缘节点,用于承载热门内容,从而更进一步地降低了城域网络的流量负载及信息传输时延。而正是由于视频业务数据流量的不断增长,驱动着城域网络向边缘节点虚拟化的架构演进。 

2  城域网分布式虚拟边缘节点架构

来源:参考文献【1

 此外,为了将本地的网络用户接入到CDN,图2中,还需在城域网络的虚拟化边缘节点部署IP网关(即BNGBroadband Network Gateway,宽带网络网关)或将来的移动网络网关)及相关功能。 

另外,更深入的研究图2,我们可以看出,在将来,城域网络的虚拟化边缘节点是大量甚至海量部署的。于是,这就带来了建设成本、维护成本、时间成本问题。所以,为了降低城域网络虚拟化边缘节点的成本,边缘节点内的许多或绝大多数分布式功能模块将被虚拟化,并通过GPPGeneral Purpose Processor,通用处理器)进行统一的操作与运行。其中,灵活且自动的SDNSoftware Defined Networking,软件定义网络)控制可以以相同的数据速率使这些虚拟化的分布式功能模块互相连接,并能对由于城域网流量越来越分散所导致的实时、动态变化进行实时、灵活的响应及处理。 

历史上,网络中的数据流量主要由电话及宽带专线业务产生,此背景下,城域网及核心网的流量模型都是高度网状的。而当国际互联网业务由集中式的数据中心承载逐渐成为主导模式的时候,城域网络的数据流量就变得高度集中。目前,虚拟化数据中心架构(包括内容缓存、IP网关、vNFVirtualized Network Function,虚拟化网络功能)、各种延迟敏感型业务应用)被下沉部署到城域网边缘,此背景下,这些巨量或海量的分布式边缘虚拟节点的北向流量模型将再一次变成网状,而且动态变化的特性更为明显。因此,网状(指的是流量模型)核心网与集中化边缘之间的分界线就下沉到这些新型分布式虚拟化边缘节点,并在最优网状化传输网络和最优集中化传输网络之间形成新的分界线。 

此外,值得一提的是,虽然分布式CDN能减少爆炸式增长的视频业务数据流量对城域网虚拟化边缘节点的影响,却使得接入网或汇聚网下行方向数据流量增大甚至急剧增大。 

3)总结 

综上,视频业务的高速增长将导致网络拓扑的改变、网络流量模式的改变、业务对网络需求的实时变更,从而,这些变更对于电信传输网的灵活适应性、高端可扩展性、成本优化的需求变得越来越重要并显著地增强。此外,对于电信运营商的客户乃至运营商自身的网络,云服务和网络虚拟化变革趋势都将产生更为广泛的影响,并给传输网络带来更大的压力,这些会在下文详细述及。 

 2)以SDN构建速网络 

1)何为速网络? 

随着云模型以及包括面向大众消费者与企业用户的IaaSInfrastructure-as-a-Service,底层基础设施即服务)、PaaSPlatform-as-a-Service,平台即服务)、SaaSSoftware-as-a-Service,软件即服务)在内的多种云计算服务类型的出现,越来越多的网络应用正在从运行于专用网络上的专用数据中心移植到通用的、具有虚拟化及多租户架构的云数据中心。此外,将企业的私有数据中心资产与虚拟私有云所具有的弹性能力相结合的混合云也代表着一种非常有前途的商业模式。而为了实现这些分布式云数据中心节点的价值,这些分布式的企业和云数据中心节点的互联响应必须能达到与云数据中心的自身响应在同一个时间范围内——这就是所谓的速。 

2SDN使速网络可成现实 

目前的网络包含众多手动配置步骤以及基于每一层、每一个域的片断化操作的烟囱,所以并不能完美地满足IT基础架构的速度与灵活性要求。同时,这样的网络还限制了云服务虚拟化部署、互联、移动的灵活性和效率,从而了阻碍了云服务的商用发展。因此,为实现在云世界里的价值,网络就必须演进成允许各种应用程序也能够像云计算资源及云存储资源那样流畅地使用网络。 

这种新型的网络运行模式随着可对网络进行控制的SDN的出现变得可能。如图3所示,SDN控制框架通过从对网络、云、应用的触发或通过标准化的应用编程接口API,让网络拓扑结构与状态的发现、网络各层之间的协调、基于策略的网络连接配置等变得更加的自动化和虚拟集中化。 

3  SDN的控制架构

来源:参考文献【1 

这些云节点之间的网络连接可能是直接通过大容量、低时延的第零层/第一层传输网络,也可能是通过更常用的第二层/第三层虚拟专用网络VPN。然而对于任何一种网络连接方式,若要提供高级别动态弹性容量能力,就必须要求网络拥有快速、自动地调整传输层网络容量矩阵的能力,还必须要求能将网络弹性空间容量动态地运用于路由以从中获取最大效益。 

面向云转换的SDN发展最初关注的焦点,已经主要在IP、以太网以及数据中心网络内的第二层/第三层实现。然而,现在有一个被广泛接受的观点:为了充分实现云转换,光传输层必须被纳入SDN/云的框架内。除了作为网络层的基础,传输层在以下几个方面也扮演着重要角色: 

1)将传输层用于数据中心互联,可以提供具有多协议客户支持的波分复用服务; 

2)传输层为以太网和其他数据中心相关客户提供高速网络连接; 

3)传输层为各个IP路由器提供光互连。 

将传输层纳入到SDN/云架构,还可实现对网络中多个层次的、全局的可视,从而可以实时控制网络资源,进而可以大大提高运营效率并更快速地传输端到端的信息服务。 

为了将传输层适当地纳入到SDN框架内,就需要传输网络能够实时地提供网络资源和拓扑信息(从而,SDN框架可利用这些信息和能力来集中地执行多层/跨层的网络规划、计算及优化),并且能够满足上层各个应用通过标准化应用编程接口API所提出的网络服务需求(SDN可通过实时定义相关策略把相关上层应用承载到网络基础设施(包括分组光网络、第零层、第一层),以满足上层应用对网络的需求)。 

这样,SDN控制就引入了配置模型以支持弹性网络的要求,改变当前网络的静态资源消耗现状,并通过标准化的应用可编程接口API来代替私有接口和手动的整合流程,从而可提高自动化的效率。这些功能需要被集成到所有网络层,并被应用到所有类型的网络服务。 

33个应用案例 

为了更直观的说明上述这些概念,有必要列出一些特定的应用案例。下文将描述将SDN应用于传输服务的3个应用案例,并作出相关总结。而更多地涉及到包括多个网络层面与业务层面的跨层联网的垂直整合的应用案例将在下文的可编程的虚拟化网络一节中予以阐述。 

动态连接矩阵 

动态连接矩阵这种将SDN应用于传输网络的形式,使得用户能够通过广域网WAN动态地管理各个业务接入点(比如在其数据中心里的10 GE端口和虚拟私有云数据中心)之间的连接矩阵。此时,网络资源被用来快速而灵活地响应应用程序的请求,并减轻IT系统的维护压力。这种需求可以被自发地同时改变或按预先的设定而改变(比如,当备份或数据同步等用户行为或预先设定的事件发生时,系统可根据昼夜数据流量模式的统计数据的变化及时进行响应)。其中所涉及的传输服务包括:标准的带宽业务、专门定制的低时延或加密业务(这类业务专门面向金融机构用户)。 

相关业务实现中最重要的环节是,用户可以通过SDN框架获得网络的抽象化视图,并进而通过该视图来自主操控其付费购买所获得的网络资源。另一方面,由于SDN具有多租户管理机制,各个用户对网络资源的自主操控就是相互独立从而互不影响的。 

在图4所示的示例中,当企业用户检测到网络拥塞时,就可以通过自动化的应用编程接口APIIT部门的员工半手工地操作,产生一个变更广域网容量矩阵的请求。收到相关请求后,SDN集中式资源管理器就及时检查判断该请求是否符合服务策略,确定并验证响应这个变更请求所需的相关资源是否具有可用性。然后,通过SDN控制器配置相关的网元分配,并调整相关网络资源。这样,就保证了在各用户所使用网络资源之间完整的隔离,而各个用户就都能够无时延地直接管理自己的虚拟传输网络的连接参数,从而就避免了通过服务提供商订购服务的接口的复杂性和主要由排队、等待新服务启动等过程造成的时延。 

4  动态容量应用案例

来源:参考文献【1

 此外,这个解决方案对于给需要灵活地连接横跨某些地理范围的其他服务提供商提供按需服务也是很有应用价值的。 

传输容量弹性化 

把传输容量弹性化是另一种类型的具有一定灵活性的传输业务。这项业务能使客户可以自行灵活修改点对点连接链路的带宽数值,将其调整至所订购的最大容量或服务访问点的最大接口速率。考虑到要在相同的第零层/第一层基础设施之上复用传输多个业务,这就需要所需的弹性网络容量资源可以有效地被这些业务共享,而且可以被分配给特定的按需服务以响应弹性服务请求。 

由此可见,这个应用案例可应用于类似云数据流量突发的场景(比如在流量高峰时段,客户需要从服务提供商的数据中心租用更多额外的资源,或者为所预见到的工作负载迁移而预留额外的资源)。 

在如图5所示的示例中,正常的运行情况下,在企业用户和云数据中心之间建立数据率适中的1 Gbit/s的传输连接是足够的,但这却完全不能满足快速迁移临界云工作负载的峰值带宽容量需求(5Gbit/s)。此时,就需要考虑到链路的扩容问题。而对于企业用户而言,与其扩容到5 Gbit/s(此时只有很小部分的时间(流量峰值时间)能够用完5 Gbit/s,绝大多数时间只能用到1Gbit/s,从而会造成很大的浪费),还不如仅固定地订购其大多数时候使用到的最大容量(即1Gbit/s),而对于相对不常使用的动态弹性突发容量(即其余4 Gbit/s在峰值时间突发的流量),则灵活给网络运营商支付溢价进行临时订购。这种请求机制和突发容量的临时弹性分配类似于上文所述的动态连接矩阵。但值得注意的是,路径的变化可能需要同时响应企业用户的容量扩展请求。

 

5  传输网的弹性传输容量应用案例

来源:参考文献【1 

对业务的服务质量保证 

通过可编程的SDN控制也可促进以自动与灵活的方式在网络中执行多种类型的操作——比如业务的服务质量保证功能。该应用案例可以通过在部分网络中,对业务监测与服务水平协议SLA动态地设置测量点进行探测,从而实现针对协调业务服务质量保证进行网络控制。相关设置可能是通过分析、终端用户的服务请求、维护/诊断工具来触发,或者可能永久被如图6所示的关键的红线服务所触发。

 

6  传输网服务质量保证的应用案例

来源:参考文献【1

6中,通过业务保证应用来编程的其中一个中间监测点MIPMaintenance domain Intermediate Points,维护域中间节点)检测到光网络层的性能降低,这表明该服务的提供已经或可能将很快不能满足其服务水平协议SLA需求。相关系统就利用现有的监测点和编程,设置额外的监测点,将这部分性能恶化的光网络段列举出来,然后告知SDN控制器需要将此服务迁移到另外一条光网络段。所列举出的性能已恶化的光网络段将被从可用网络段的列表中删除,然后在一个方便的时间窗口内进行维护直至恢复。这样,重要客户的服务就不会被中断(从而保证了业务服务质量),而且还可以避免由于网络受到攻击而进行人工紧急处理、手动故障定位等而导致的巨大成本。 

总结 

通过对以上3个具体应用案例的分析,可以明确的是,云服务和弹性网络将最终推动业界一直在期冀的按需分配带宽机制成为主流。然而,让网络具备自动和智能的源动力不仅来自于自动传输服务这一项,更有下文将要讨论的相关因素。 

3)可编程的虚拟化网络 

资源(包括计算资源和存储资源)的虚拟化,使得人们对传统IT资源的使用方式发生了革命性的变化——人们可以在全球任何一个有网络连接的地方对相关资源发起使用请求,并可以被公平、按需、合理地满足。同时,IT资源虚拟化还能使网络运营商在网络建设与运维成本方面的节约、运营效率的提高等方面获得最大的收益。相关的实例就是在云数据中心部署软件定义网络SDN 

而实际上,如果将相关的并经过一定优化的虚拟化延伸至应用到传输网络,也可在网络运营效率方面获得可观的效益,并使得网络功能与连接等发生革命性变化:灵活、自动化、弹性。 

在全球ICT产业飞速发展的背景下,电信传输网络IT化、设备中部分功能软件化、硬件标准化是大势所趋——这是由于网络中数据流量(尤其是视频流量)的迅猛增长要求网络资源的利用率也能同步提高(现有的网络架构及网络能力存在对网络资源的调度与配置的灵活性不足、新业务及新应用的开通周期长、对网络运营维护的要求高等一系列显著问题),这就迫切的需要引入新的技术与架构,于是,对作为网络云化体系重要支柱的SDNNFV的相关研究在近期就得到了如火如荼的发展。 

事实上,使得IT基础架构与服务的供应方式发生重大变革的基于云的虚拟化技术也在改变网络服务提供商自己的网络功能。此外,近来,业界对NFVNetwork Functions Virtualization,网络功能虚拟化)的研究热情日益高涨。NFV通过采用虚拟化技术,将传统的通信网络设备与硬件解耦(即软硬件分离),从而基于通用的计算、存储、网络设备来实现电信网络功能,采用标准化的虚拟技术,通过标准的大容量服务器、交换机等承载各种网络功能,实现软件的灵活加载,进而可提高网络建设、管理及维护的效率(采用了NFV之后:新业务的上线与更新就可从传统的硬件建设过程缩短为软件加载过程,于是,周期被大大缩短;再结合云计算与云存储资源池的规模优势,实现多种业务的资源共享与集中管理,从而可大幅提升管理与维护效率)。 

由此可见,SDNNFV是网络连接与网络节点的关系,因为SDN是一种新型(相对于采用IP协议的传统网络)的网络连接方式,以集中控制、能力开放的网络架构根据具体的上层应用来高效地调度整个底层网络的资源,提升网络服务的虚拟化能力。 

具体地,可以被虚拟化的网络功能包括管理层平面(如业务支撑系统BSS、运营支撑系统OSS、网元管理系统EMS、网络管理系统等NMS)的相关功能、控制层平面(如策略与计费PCRF、移动管理实体MMEIP多媒体子系统呼叫与会话控制IMS CSCF等)的相关功能以及数据平面(入侵防御系统IPS、入侵检测系统IDS、防火墙、移动网关等)的相关功能,而且数据平面相关功能被虚拟化的程度将取决于特定应用对吞吐性能的要求。此外,这些网络虚拟化功能将在数据中心或者分布在多个数据中心的不同虚拟机集中实现,从而要求必须具有快速可编程性,并且要求各个虚拟机具有相同的可编程速率。上述NFV虚拟机的运行是通过云管理系统自动进行的,不同虚拟机之间的网络连接也是自动的。部署SDN就可以达到此目的——此时,SDNNFV云管理系统协同地工作。 

从本质上来说,一旦相关网络功能被虚拟化,而且与各个网络层的互联能够自动完成建立,网络也就实现可编程化了。这样,基础网络运营商在网络规划、网络部署、网络扩容、网络优化等方面的灵活性和运维效率将会得到显著的提高。这也将使得以下这种应用场景成为可能:基础网络运营商通过开放并提供底层可编程网络的应用编程接口API,云应用提供商以及其他第三方服务供应商就可以获得一定的可编程云网络能力,从而可以在此基础上更好、更高效地提供自己的服务。这就将使得网络可编程性被推进到一个全新的高度,为基础网络运营商及其客户开创全新的商业模式、提供新型业态的服务提供了非常大的机遇。 

上述的关于网络虚拟化及网络功能虚拟化的美好发展前景,都将建立在两项网络功能得以实现的基础之上: 

1)在云节点和用户(可能位于全球任何一个有网络连接的地方)之间自动地、基于策略驱动地建立虚拟专用网络VPN 

2)除了提供直接的传输服务,还能根据众多虚拟专用网络VPN的需求,动态地迁移和配置网络传输容量矩阵。 

此外,为了更好地理解网络虚拟化及网络功能虚拟化的优势以及之间的相关性,可以针对不同的应用场景进行讨论和分析,以下就通过3个典型的应用案例,更细致地分析多层之间的协调和网络的可编程性,并进行总结。 

1)跨层网络优化 

如图7所示,SDN的一个重大特点就是它具有整张网络包括多层拓扑逻辑和业务信息等在内的全局视图。这对于需要在IP和光网络中跨层部署新的业务操作是至关重要的,因为SDN控制器可以和PCE引擎协同,依据成本和性能的权衡考量,在跨层的拓扑纵深中为新业务的端到端呈现计算和规划出一条最优传输路径。此外,更为重要的是,SDN还能保证优化的时效性,通过对网络状态的实时重新评估(至于何时执行网络配置的重新优化,可以根据系统预设的时间窗口,也可根据内容/服务提供商的动态触发指令,相关时间间隔,可能是分钟级别的,也可以有数周的跨度),了解业务在网络中运行的动态变化,并依此对先前已建立的服务连接重新进行资源配置和路径规划更新。这样,就可以在保证所有上层业务的服务水平协议SLA的前提下,实现更高的网络资源利用率。 

 

7  多层网络优化的应用案例

来源:参考文献【1

 此外,把具有更高灵活性、可编程的光学器件/设备(比如WSSWavelength Selective Switches,波长选择开关)、波长可调谐激光收发设备等)应用到电信传输网,就可以进一步地协调网络物理层的资源,从而可以实现更加精确的网络资源配置以满足相关数据流量的需求。

 而且,光网络物理层的重新编程,是SDN控制器根据网络负载情况(分组数据流量、光层物理资源)等跨层网络信息进行光传输信道优化而进行的。光网络物理层的重新编程应能在分钟级别的时间窗口内完成,主要的重编程对象包括光信道参数(如编码及调制方式)的自适应变更、光信道/链路的路由及动态、实时重新路由。

 光网络重编程最突出的优点在于,它使得包括业务传输可用性、分组数据传输有效性、资源利用率在内的多层网络运营可以得到最大程度的提升及优化。值得强调的是,光网络重编程之所以可以提升业务传输的可用性,是因为当一部分的光网络资源被用于当前的信息传输时,剩余的网络资源被虚拟化成资源池,以响应新的业务传输对于相应网络资源的请求。 

2)弹性的企业网络 

上文相关部分所述的传输容量弹性化阐述了容量按需可变的传输服务这样一个典型的应用案例。而进一步地,当一张可编程网络的各个维度以一种集成的方式被呈现时,网络可编程化就将具有巨大的价值。比如,以图8中所示的一个大型企业的网络为例,其将具有以下4个方面的创新功能:

  

8  企业弹性容量的应用案例

来源:参考文献【1

 1)由网络运营商数据中心高效提供的弹性、可扩展的防火墙、负载均衡、入侵检测等虚拟化的网络功能;

 2)纵跨不同类型数据中心,支持各种虚拟化企业应用的IP虚拟专用网络VPN自动组建的功能;

 3)基于用户需求及云数据中心负载情况,可自动完成全弹性广域网WAN组建的功能;

4)基于软件定义实现的虚拟专用网络VPN,能够为小型企业网站甚至是个人移动用户提供成本低廉、高度安全的接入服务能力。 

这样,企业用户(无论是大型企业,还是中、小、微企业)便可以组建一个完整的企业级IT生态系统,而且,该生态系统可以根据网络需求而扩展,具有容量收缩或网络重配置的功能,向企业用户所有的、分布于不同地理区域的网络端点提供安全等级相同的虚拟化服务。如此优化过的网络几乎不存在资源浪费,因此,企业用户将可以大获裨益。而对于基础网络运营商,通过出租更有价值的弹性容量以及向提供混合云服务,同样将可得到很大的收益。 

3)全球范围内的自动化云网络

 在前述的弹性企业应用案例中,大型内容/服务提供商和大型企业将是上文所述弹性的企业网络的主要潜在用户。然而,其中的许多企业在多个国家/地区乃至全球范围内都有分支运营机构,这就超出了单个基础网络运营商的服务范围。在静态配置的电信传输网里,全球性网络是由全球不同基础网络运营商的不同网络经由人工手动的方式拼凑组合起来的,那么,如何才能使这些大型企业的弹性网络在全球范围内取得端到端的网络自动化效果呢? 

这种端到端的网络自动化需求可以通过在全球范围内由各区域的基础网络运营商联合,以联邦、多个个体、多个商业模式代理等形式组建起SDN控制网络联邦来实现。不论采用何种商业模式,SDN资源的发现、管理和控制都需要如图9所示的SDN对等管理和对等接口机制来实现。跨国企业可以通过为其提供服务的首要基础网络运营商的网络可编程API来对其全球范围内的弹性网络(整体网络,或者仅针对某一新兴应用的虚拟切片服务)灵活进行创建或者修改操作。而首要基础网络运营商或代理机构需要通过抽象地获得其他地域基础网络运营商的网络资源并协调获取。一旦这种端到端的网络中的网络链路生效,每一个基础网络运营商都要在其所辖的自治域网络内为自动化SDN分配其事先承诺的网络资源,并完成网络间互联节点的组建。最后,通过BGPBorder Gateway Protocol,边界网关协议)联盟,大规模、自动化地给承载企业用户各种云应用及虚拟化网络功能的多个虚拟专用网络VPN分配IP地址。 

 

9  全球范围内云网络应用案例

来源:参考文献【1 

4)总结

 综上,视频、云计算和网络虚拟化这3个主要驱动力将戏剧性、系统性地影响到基础网络运营商的传输网络,而且这种影响力还将不断地深化——直至影响到最底层的传输网络。 

而网络控制的自动化、配置的动态化以及多层间的协同工作与优化,还将深刻地改变下一代传输系统在网络需求和技术上的演进方向。很有必要对这一点进行详细阐述。下文将就此对未来完全以视频、云计算、网络功能虚拟化为核心的下一代传输网络进行自上而下的愿景展望。 

3、下一代传输网络自上而下的愿景 

虽然上述所有对传输网络提出的新的需求并不能从根本上改变用以支持传输层进一步演进的光通信技术与微波技术,但它们却在很大程度上影响这些技术被采用的优先级、能获得最大收益的领域、对经济价值的定位。一些长期被业界期望的但并没有获得大规模部署的有关灵活性与多层次能力的需求将会是可编程网络所必须满足的。而对于另一些纯粹仅关注光层的技术,如果不是未来网络大的发展愿景所必须的,其优先级将被降低到相对次要的位置。 

本节将描绘下一代传输网的愿景。相关展望并不是试图在所有的先进传输技术中挑选最优者,而是面向将来的以视频应用为主导、以云为中心、虚拟化的网络,为下一代电信传输网络定义最重要的一些特征或者实现这些特征所需的很有发展潜力的技术。以下就从成本效益、灵活性、可控性、可扩展性、可操作性这5个方面对下一代传输网络进行展望,并作出总结。 

1)成本效益 

随着平均每个用户的数据流量(尤其是视频业务的数据流量)增长超过了基础网络运营商收入的增长速率,传输网的成本效益就必须被列为各个优先级之首。这在视频业务需求达到了网络汇聚边缘的最大容量时显得非常迫切,同时对于城域网络也是至关重要的。 

由于城域网波分复用WDM占到了总WDM市场的一半以上,因此城域网具有强劲的、进一步专业化的驱动力来优化光收发设备和光子器件的集成。专门为城域核心网及城域汇聚网的相关演进要求而进行优化的光子集成电路/光子芯片、新型光信号调制、甚至是可提供子波长级别灵活性的新型光层网络架构,都有可能推动网络经济规模的扩大和弹性容量灵活性的提高,从而最终将使得一系列全新的、容量高度弹性的网络应用场景成为可能。 

在核心网,通过采用更加先进的相干光处理和光子子系统设计来获得更高的传输速率,将可持续、大规模地压低长距离传输的单位带宽成本。循着这一技术路线发展,网络可以获得全局的多层次的资源管理和优化所带来的显著的成本优势,从而让网络连接以更高的利用率运行、可在有相关需求时能够快速并且自动地将空闲的网络资源就近分配给网络拥塞节点。 

2)灵活性 

灵活性与成本效益往往是相互对立的,但两者都是未来的传输网络所必须具备的。由于传输网络的成本主要来源于OEOOptical-Electrical-Optical,光--光)信号转换设备(对应于IP路由器端口),为了低成本、灵活、动态地组网,传输网络就最终必须建立在光层之上。值得注意的是,OTN L1Optical Transport Network Layer 1,光传输网第一层)复用和交换将继续被用于路由器端口与密集波分复用DWDM线路速率之间的更细粒度的服务以及速率适配。这意味着,在充分考虑整体网络弹性服务的需求和链路利用效率的提高时,比一般可重构光分插复用器ROADM更为昂贵的、完全灵活的多自由度ROADM(采用可调谐DWDM收发组件实现)将被证明是构建可编程网络所必须的模块。此外,对于单个网络或网络自治域之间的互连,光子交叉连接也将是非常重要的。 

基于分布式的数据中心与虚拟化城域网边缘功能,无论是在数据中心内部还是在数据中心之间的高容量灵活交换需求,都将使得在SDN控制下的光子交叉连接和动态低时延的光学性能显得越来越重要。由于带宽成本压力极大,加之更细粒度需求的存在,在这些节点的下游,经济性与弹性的容量就成为巨大的挑战。创造性地与类似PONPassive Optical Network,无源光网络)架构的组合、光突发技术、经过成本优化的中距离传输光调制、统一的SDN流量控制,都将是终极光层解决方案的基本考量。 

3)可控性 

虽然传输网络动态数据平面的灵活性在逐步增加,但被控制对象的类型以及施加于它们的操作并不是与目前的完全不同,显著的变化将仅包括以下两个方面:

 1)变化的频率和数量(这些将影响到控制平面所要求的性能); 

2)把对光层的控制功能适配和集成到更大的多层SDN控制框架之内。

 对此可以举例理解:OpenFlow虽然被设计成面向流量/分组,但却被扩展以控制光网络。然而,端到端的广域网WAN解决方案的实际部署中极有可能使用多种新的或现有的协议,并且还在SDN控制协议栈中不同程度的涉及到网元管理系统EMS和网络管理系统NMS 

由于传输网络资源将被集中地监控、管理并与IP层联合进行优化,可控性方面的考虑也将向上延伸,比如还可以通过网络可编程应用接口API公共抽象模型给第三方提供自动化的带宽自助服务。通过以弹性传输容量机制满足来自内部和外部的动态传输需求,下一代传输网络的规模经济效益将得到增强。

 4)可扩展性

 相干光处理算法、速率、成本方面的不断进步将持续驱动DWDM线路速率增长(从当前主流的100 Gbit/s增长到400 Gbit/s,进而达到1 Tbit/s甚至更高),此外,下一代传输网的可扩展性、密度、单位带宽成本效益也将随之增长。对于实现光纤资源紧缺的核心网络的高端可扩展性,可采用通过在单根光纤中传输多个模式的SDMSpace Division Multiplexing,空分复用)技术来提高单纤的传输总容量的方式——即使这样会提高对光收发设备的成本投入。 

此外,光子交叉连接也将有助于通过最大限度地提高数据中心电子交换设备的利用率、改善大容量低时延的关键数据流量的性能来对大型数据中心进行扩容。 

5)可操作性 

SDN控制框架为许多应用(此处主要指的是网络控制应用)在现网的部署带来了可能,比如可结合所部署的先进的分析技术,通过网络中的各个监测点,来进行业务监控、故障诊断、预测性运维警报以及其他网络优化。因此,下一代传送网络需要支持的监控资源是更强大、更具有可编程性的,并能够将相应的数据实时开放给SDN控制框架。反过来,这些扩展工具可以使得传输网络的操作及运行更加的自动化。 

6)总结 

可以从上述对下一代传输网在成本效益、灵活性、可控性、可扩展性、可操作性这5个方面的特性的展望中得出如是结论: 

1)评估电信传输网先进性的一些传统因素(包括线路速率、网络覆盖范围、网络容量、单位带宽成本),对于考量下一代电信传输网在成本可控的前提下应对数据流量增长仍然是至关重要的; 

2)传输的自动化、与以可编程云网络作为基础网络层的其他网络部分的协调,将是定义下一代电信传输网的两个关键因素。 

下文将着重探讨实现这一愿景的可采取的演进路线。 

4、下一代传输网的演进 

传输网的演进路径不仅受限于技术可行性,而且还在很大程度上受到可操作性(是否易于实现)、相对利润(商业模式的价值)以及具有基础网络运营商特质的一些限制条件(可升级性、重置投资周期)的影响。因此,每个电信运营商的下一代传输网的具体演进路线就将会有很大的不同。所以,此处仅就各电信运营商的共性来讨论相关的演进路线。 

下面的场景代表各个电信运营商在部署下一代可编程的云网络时可能会涉及到的下一代传输网演进阶段。 

1)部署集成OTNDWDM控制功能的灵活的DWDM系统 

1)具体描述 

将骨干网及城域核心网的光层升级到基于可重构光分插复用器ROADM,并通过SDN(或pre-SDN综合网络管理)来集成第一层(OTN交换)和第零层(DWDM)的资源管理与控制。

 2)可行性 

由于有现成的一些技术可用,而且作为向下一代传输网演进的第一步,对大多数电信运营商来说,在单域进行集成更容易操作和实现,该系统就具有较大的可行性。 

3)新近全球首次试验的结果

lightwaveonline20141010日发布的一条消息,OIFOptical Internetworking Forum,光互联论坛)、ONFOpen Networking Foundation,开放网络基金会)联合电信运营商(包括中国移动、中国电信、TELUSVerizonDeutsche Telekom)、技术研究组织(包括KDDI研发实验室、Orange R&D、中国信息通信技术研究院)、设备提供商(包括ADVAAlcatel-LucentCienaCoriant、烽火通信、Fujitsu、华为、NEC美洲分部、中兴)联合完成了为期7周的、全球首次聚焦于具体应用场景的传输网SDN试验(试验网络横跨亚洲、欧洲、北美),成功地验证了SDN可在多个电信运营商多层次的、部署了由多个设备提供商生产的数通设备的网络环境中用于满足支持云突发流量的弹性带宽需求,实现了传输网SDN跨域、跨厂商、多层次、端到端的典型传输业务互通,但发现尚存在18个需要解决的技术问题。 

2)部署集成NFV云管理功能的SDN(可以与第一步并列) 

1)具体描述 

创建策略驱动的、自动化的SDN/NFV环境来协调计算、存储、IP/VPN网络资源,从而支持虚拟化的网络功能。 

2)可行性 

可在IP网络层实现网络自动化,以便部署最初阶段的NFV和自动化的IP业务,并部署分布式的、虚拟化的城域网络边缘节点。

 3)部署IP和光集成的SDN 

1)具体描述 

把与光相关的第一层(OTN交换)和第零层(DWDM)的控制功能集成到以策略驱动的SDN控制框架之中。 

2)可行性 

可实现动态地提供弹性的虚拟专用网络VPN和传输服务、光学表达以及多层优化。 

4)下一阶段:长期可扩展性和优化 

1)具体描述 

在核心网,容量上可升级到1 Tbit/s,并根据需要部署SDN。而在光接入网、汇聚网中部署具有成本优势及灵活性优势的光通信技术/架构。 

2)可行性

 可以解决数据流量长期不断增长的问题,给大多数网络端点提供更富有弹性的容量支撑。

 综上,面向可编程的云网络的演进过程将是渐进的,不可能一蹴而就。作为一个整体,网络自身的改变及其相关运作方式的改变(尤其是传输网络的改变),需要经过多个转型的阶段。但是最终,下一代传输网将可以更快地响应用户/客户请求、更加注重以业务为导向、具有更高的运营效率,基础网络运营商及其用户/客户都将从中获益。 

5、总结 

光传输网络深深地植根于物理光子世界,因此永远不会完全地受制于NFVGPP虚拟化。未来,大部分基于光的数据平面仍将通过各种已有方式来实现(尽管其中将具有更加综合与复杂的技术,并支持创新的光层架构)。然而,控制和管理这些网络的方式、用于改变网络路由连接和容量的时间窗口、与其他网络和服务层相互作用的程度均将会发生引人注目的变化。 

视频业务数据流量的主导地位、有效地满足提供视频业务的迫切需求、云服务和基于云计算的企业业务的兴起、匹配云计算的速度以保持网络相关性的必要性需求、网络功能向虚拟化的转变、用以完善虚拟化的网络自动化需求,这些都将是下一代电信传输网的驱动因素以及必备要素。 

参考文献: 

[1] Sparks, A K, Tancevski, L. the Next Generation of Transport Networks[J]. Telecom Science, 2014, 59(8): 1-11. 

[2] Stephen Hardy. OIF and ONF enjoy joint Transport SDN demonstration success[EB/OL]. [2014-10-11]. http://www.lightwaveonline.com/articles/2014/10/oif-and-onf-enjoy-joint-transport-sdn-demonstration-success.html?cmpid=EnlDailyOctober132014.


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下一代电信传输网综述2014-10-27

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