软件定义网络(software defined networking,SDN)[1]是一种新兴的网络体系结构,它具有很好的灵活性、易管理性、经济性和可拓展性.该架构将网络的控制平面和转发平面分离,可将底层硬件设施资源抽象化为应用程序和网络服务,并且实现了网络控制的可编程性.SDN给可编程网络带来了一场革命性变革,已经成为工业界和学术界的一个热门研究领域[2].目前SDN的典型应用场景是大规模数据中心[3],SDN可用于解决数据中心规模的急剧增长给管理和运维所带来的困难和挑战.目前,亚马逊、微软、谷歌[4]、Facebook[5]等行业巨头的商业数据中心网络都已部署SDN.需要注意的是,虽然SDN一定程度上对传统网络进行了一些颠覆性创新,但是SDN并非寻求与传统网络产生冲突,相反,它可以与传统网络技术很好地兼容互补并共存.
在本文关注的电信网络领域,由于电信网络运营商收入的增长率未能跟上其业务增长速率和资金投入的增长率,从而导致利润被大大挤压,迫使运营商必须重新思考他们的商业模式和网络设计.SDN具有在提高服务部署速度的同时显著降低总拥有成本(TCO)的潜力.举例来说,家庭宽带连接需要大量的初期建设投资和持续的高投资来提高数据速率.而基于SDN实现的切片可以帮助降低部署成本,因为它允许不同租户的服务共享底层物理网络,这样多个服务提供商可分担底层物理网络部署成本.例如,一个互联网服务供应商可以和一个供电公司共同分担入户宽带的部署安装成本并提供宽带服务和远程智能计费服务.另一方面,在增强型家用网关(NERG[6])方案中,运营商开始分析新部署场景的需求,就是将部分或大多数的家庭网关功能转移到运营商的网络中,以此达到降低部署和运营成本的目的.
学术界和工业界已在SDN领域开展了大量的研究工作,但是关于SDN在接入网中的实现及SDN对接入网影响的研究却很少.接入网有其自身的特殊属性.首先,接入网场景存在各种各样的接入技术共部署,如同轴电缆、数字用户线路(DSL)、数字用户专线(DDN)、以太网、无源光纤网络(PON)、宽带无线接入等.不同的接入技术不仅增加了组网的复杂性,也给运营商带来运维困难和成本问题.其次,接入设备和用户驻地设备(CPE)数以百万计,如何高效地维护如此庞大数量的设备,这对运营商来说也是一个极大的挑战.因此,如何合理地解决运营商面临的这些关键难题已成为了接入网引入SDN的主要驱动因素.基于此洞察,本文基于SDN理念提出了一种新的接入网体系结构设计,它将网络实体的控制面和数据面分离开来,实现了高效的网络控制和管理,并提供了高扩展性和定制化支持.
本文主要的创新和贡献点可概括为5点:
1)提出了一种新的软件定义接入网架构,名为SDVAN.
2)SDVAN提供了一种可以支持接入节点定制化和网络切片的实际解决方案.
3)设计并实现了一种可编程的数据平面,不仅可以更好地使能网络虚拟化,也进一步支持了多租户和多接入模式.
4)所提出的线路交换(line switching)方案实现了更好的资源利用率和更高的能耗效率.
5)在各种网络条件和不同需求下,对SDVAN系统进行了大量实验验证和性能评估,表现优异.
1 相关工作
作为数据面和控制面间的开放接口,Open Flow协议[7]最早是由斯坦福大学[8]提出并开发的,该协议现由开发网络基金会(ONF)[1]制定.分离数据平面和控制平面的基本思想目前已被广泛接受,软件定义接入网络(software-defined access network,SDAN)[9]的概念引入正是为了在宽带接入场景中能够受益于软件定义网络和网络功能虚拟化(network function virtualization,NFV)的优点.在SDAN中,宽带接入的接入控制和管理功能被虚拟化,从而可以实现流水线操作,加速服务创建和增强宽带用户满意度,尤其是在多运营商共存的场景下.
在集中控制器的接口/协议扩展和优化方面,已有大量的研究工作.Pakzad等人[10]对基于SDN控制器实现的拓扑发现机制的效率进行了评估,并提出了简单实用的修改方案,以达到显著提高效率和降低控制开销的目的.Azzouni等人[11]发现OFDP在安全性、效率和功能上存在严重的局限性,提出了一种新的具有内置安全特性的发现协议sOFTD,它比传统的OFDP具有更高的效率.Xiong等人[12]提出了一种新的基于队列理论的OpenFlow网络性能分析模型,根据分组转发性能建立了Open Flow网络的排队模型,并求解了其平均包滞留时间的闭式表达式和相应的概率密度函数.Sharma等人[13]提出了OpenFlow的带内控制、排队和故障恢复机制.此外,他们还阐述了在包含不同版本Open Flow的现有软件包中实现这些功能的实际挑战.
针对SDN控制器的设计与实现,Oktian等人[14]研究了SDN控制器系统的不同设计方法.他们将这些方法划分成了几个设计选项,每个设计选项都可能会影响多个SDN问题,例如可伸缩性、健壮性、一致性和隐私性,他们进一步分析了每个模型在这些问题上的利弊.Dixit等人[15]提出了一种灵活的分布式控制器体系结构ElastiCon,其中控制器池根据流量情况动态增长或收缩,流量可以在控制器之间动态迁移.为了实现这种流量迁移,作者设计了一种符合OpenFlow协议标准的交换机转移协议.Wang等人[16]对动态控制器分配问题进行了研究,目标是最小化控制平面的平均响应时间.作者通过将此问题描述为一个具有转移的稳定匹配问题,提出了一种分层的两阶段算法,将匹配理论和联合博弈中的关键概念结合起来,有效地解决了这个问题.Bholebawa等人[17]主要评估了2种支持OpenFlow的控制器,即POX——基于Python的控制器[18]和Floodlight——基于Java的控制器[19].他们基于模拟器Mininet[20]进行了大量的仿真实验,测试了在不同网络拓扑上2种控制器在网络吞吐量和往返延迟的性能表现.与现有的工作不同,本研究工作的目的不是集中在协议/接口增强或控制器设计上,而是将现有的网络功能(包括接入控制、流量工程、QoS控制等)进行抽象提取,并利用SDN/NFV技术灵活地创建多个控制/转发实例,为不同的虚拟网络运营商(VNO)提供服务.
在网络定制化方面,一些研究者尝试将SDN概念引入传统接入网,目前主要致力于解决3个网络管理的问题,包括:允许频繁更改网络条件和状态、基于高级语言提供对网络灵活配置的支持,以及为执行网络诊断和故障排除提供更好的可见性和控制功能.为了解决目前网络中存在的网络配置和管理问题,Kim等人[21]采用SDN技术从多个方面对网络管理机制进行了改进.除了系统本身之外,各种SDN原型的部署[22-25]也证实了SDN如何改进通用网络管理任务,并在校园网和运营商网络中实现业务应用.
此外,在接入网中,尤其是PON系统中,网络切片技术的相关应用研究也已得到了广泛关注和讨论[25-30],当前该领域的主要研究方向是针对多个并发网络应用(如5G X-Haul、物联网服务、低延迟应用等)的物理层协议或跨层协议优化设计.
与上述现有接入网中的网络定制/分层解决方案不同,本文受OpenRAN[31]和C-RAN[32]概念的启发,致力于将物理接入能力和软件处理能力解耦.通过虚拟化技术、池化机制以及接入节点软件处理功能的切片化,使解耦后的接入网体系结构可以通过软件定义的方式支持需求定制化的同时也为多种接入技术(如ADSL,VDSL,G.fast,EPON,GPON,x GPON)、多协议和多租户提供极大的灵活性和兼容性.
2 研究动机和问题陈述
目前网络运营商面临着一个非常具有挑战性的问题,即收入增长率远远落后于数据流量和成本的增长率.这些增长率的差异导致了巨大的收入差距.为了缩小收入差距,实现可持续的商业模式,一个重要的途径就是通过优化网络架构和个性化的服务提供来增加每位的收入.在竞争激烈的电信行业中,为了提供差异化服务,网络运营商很愿意部署实施私有的优化协议,从而为用户提供越来越多的定制化服务.这一诉求促使运营商考虑将底层网络基础设施进行抽象,以此提供不同级别的标准应用程序编程接口.SDN技术正好可以满足这一要求.将物理设备的大部分复杂功能实现转移到一个集中的计算池中,可以更简单地管理这些功能,并以软件定义的方式高效地支持定制需求.因此,可以以一种IT方式实时地对电信网络进行编程或重新编程.运营商可以方便地定制他们的环境,以实现快速的服务创新.
缩小收入差距的另一种方法是借助网络虚拟化和网络切片技术来降低每位的成本.网络虚拟化提供了一种强大的资源共享的网络运行模式,每个网络都是为特定目的而定制的,可同时在共享的底层设备上运行.利用网络虚拟化的优势,网络供应商即可拥有一个支持多租户的物理接入网络,其接入网络可以被其他服务供应商或网络租户使用.这样,接入网作为一个高度复用的共享环境,可以同时向多个不同的租户提供按需使用且具有不同网络特性的网络资源.每个租户都将拥有自己的专用网络实例,该实例提供了与物理网元相同的完整功能.运行在物理接入节点上的多个具有完整功能的虚拟接入节点(virtual access node,v AN)实例将会提供给不同的租户.如图1所示,每个租户将拥有独立的虚拟接入节点(access node,AN),这些虚拟节点可以看作是具备全部功能的接入节点;RG表示家庭网关(residential gateway).
Fig.1 Virtual instances on physical access node
图1 物理接入节点上的虚拟实例
尽管网络定制和虚拟化能够有效地帮助运营商增加收入和提供差异化服务,但在网络定制和虚拟化的实际部署和实施过程中,运营商仍有许多技术问题需要解决.主要的棘手问题有6个方面:
1)什么样的网络架构才能够更好地实现可编程性、自动化和定制化,并有助于运营商构建高扩展、灵活的网络,以适应不断变化的业务需求?
2)什么方法可以提供无需配置单个设备或等待供应商发布即可提供新网络功能和服务的能力?
3)如何在物理设备上动态创建虚拟实例,同时提供灵活性支持?通过什么方法来管理、控制、维护这些虚拟实例,同时降低运营成本?
4)如何支持多租户的定制需求?例如,让一个多用户居住单元(multiple dwelling unit,MDU)同时为多个租户服务.如何为不同的租户提供灵活的基带协议和可配置的数据包处理?
5)如何在没有专用处理板(线路终端板)的情况下同时支持不同的接入技术(如ADSL,G.fast,EPON)?例如,一个虚拟接入节点可能在某一时刻支持ADSL协议,而在另一时刻它可能支持G.fast协议(甚至EPON).
6)如何支持各种部署场景下的端口/链路动态配置?如何动态改变MDU或光线路终端(OLT)中物理端口的服务对象?这意味着一个MDU/OLT物理端口可以在某个时刻为某一个虚拟网络运营商(VNO)服务,在另一时刻为其他VNO服务.
这些新出现的问题促使业界不断探索新的方案,以使企业和运营商能够实现理想的网络可编程性、自动化和网络控制能力,并使他们能够构建高度可扩展和灵活的网络,以适应不断变化的业务需要.实现了控制平面和数据平面网络解耦的SDN已经被认为是一种可以应对这些挑战的解决方案.从接入网的角度来看,如图2所示,SDN概念可以提供一个更加智能化和自动化的网络框架,有助于快速提供服务,并支持多种接入技术,图2中ONU表示光网络单元(optical network unit).基于这些观察结果,本文旨在设计一种新的基于SDN的固定接入网体系结构,该体系结构能够提供经济高效的网络控制和管理,并具有较高的可扩展性和对定制化的支持.
Fig.2 SDN implementation on access network
图2 SDN在接入网中的实现
3 SDVAN:软件定义的虚拟接入网络设计
本节介绍一种新型的基于软件定义的虚拟化接入网络(software defined virtualized access network,SDVAN)体系结构,并详细介绍其可定制的控制平面和可编程的数据平面的关键特性.与当前紧密耦合的体系结构相比,SDVAN使接入节点成为简单的转发节点,而物理节点的功能简化使转发硬件变得更加灵活、弹性且即插即用.如图3所示,在这种新体系结构SDVAN中,我们将所有接入节点的控制平面抽象并集中至一个接入控制器实现,物理接入节点的复杂度大大简化.
Fig.3 New architecture design for access node
图3 接入节点的新架构设计
3.1 可定制的控制平面设计
3.1.1 概 述
控制平面作为整个系统的大脑集中部署在中央计算池中,如图3所示,传统接入节点的控制功能将被抽象出来并集中放置控制器实现.其控制功能模块主要包括带宽控制、流量工程、接入控制、QoS/QoE增强和网络切片等.对应于每个接入节点,将在中央计算池中创建一个独立的AN控制器实例,如图4所示.由于它以软件定义的方式运行,因此将会更加容易地创建或更新策略以满足定制需求.另外,由于所有控制实例共享虚拟化的中央计算池资源而不是专用的物理资源,因此计算资源利用率将会变得更高.
Fig.4 Multiple AN controller instances
图4 多个AN控制器实例
为了支持多租户,控制平面允许针对单个接入节点为多个租户创建多个独立的AN控制器实例,如图5所示.每个租户的AN控制器实例相互独立工作,不会产生干扰或冲突.相应地,在AN中将按需创建多条基于Open Flow的转发规则(或流表)[7],每条转发规则在逻辑上彼此独立.每个AN控制器只能管理自己的流表,从而可以确保不同租户之间策略空间的相互隔离.此外,由于不同租户的AN控制器实例是独立创建和运行的,因此每个租户都具有部署自己的控制平面协议或服务的能力.转发规则也可以动态地、自动化地进行定制.
Fig.5 Multiple instances created for different tenants
图5 为不同租户创建的多个实例
3.1.2 要解决的问题
虽然关于SDN在电信网中的应用已经有不少研究和讨论,但据我们所知,目前尚没有可行的解决方案来支持接入节点的定制化和切片.目前接入网中现有的最好解决方案是以线路终端(LT)板或端口的粒度复用或共享接入节点.如图6所示,部分LT板预留给一个租户,部分LT板预留给其他租户.但是,不同的租户必须共享接入节点的相同控制平面,从而在许多方面不可避免地导致效率低下.总体而言,当前现有解决方案的问题可以总结为5个方面:
Fig.6 Dedicated LT/Link supporting for different tenants
图6 针对不同租户的专用LT/Link
1)当前接入节点紧密耦合的体系结构不支持网络定制化.当运营商想要提供新的网络功能和服务时,他们必须一一配置各个设备,或者等待供应商发布.
2)垂直集成的硬件和软件使接入节点变得相当复杂且难以操作.此外,封闭的专有系统给创新带来了天然障碍.
3)由于不同的租户可能具有不同的甚至冲突的定制化要求(例如,不同的DHCP池、AAA、QoE),因此在配置和管理接入节点以同时满足所有租户的要求方面存在很大困难.
4)在当前接入节点的紧密耦合架构下,很难实现不同租户控制平面的隔离.
5)无法为特定用户动态地自动化定制特定需求.由于缺乏灵活性和开放性,现有的接入节点硬件体系结构无法完全满足这些要求.
3.1.3 控制平面设计
在本文所提出的新架构SDVAN中,多个虚拟接入节点(v ANs)将为不同的租户服务,以支持他们的定制化要求,同时确保租户间的隔离.从系统实现的角度来看,虚拟节点的控制平面功能和数据平面功能是在2个物理网元上执行的,如图7所示.但是,从租户的使用角度来看,这种功能上的解耦是感知不到的,租户并不知晓具体哪个物理网络节点上执行哪个功能.
Fig.7 v AN composition
图7 v AN的构成
如图3所示,整个系统逻辑上分为2个部分,即集中部署的控制平面和分布式可编程的数据平面.其中,接入节点的抽象的控制功能集中部署在中央计算池中.控制平面除了实现接入节点的基本控制功能之外,还可以通过一些增强的功能模块(包括带宽控制、流量工程、接入控制、QoS增强和网络切片)来增强控制器的功能.控制平面每个模块的具体角色和职责为:
1)带宽控制模块负责调度和管理用户链路上的具有优先级的流量,提供特定的带宽控制服务.
2)流量工程模块用于控制和保证接入节点上的转发行为和性能,例如计算最优转发规则、在接入节点安装相应的流表以及VLAN标签配置和管理等.
3)接入控制模块由一些传统的AN功能组成,例如,身份验证、IGMP、ARP和DHCP.
4)应用感知的QoS模块负责资源优化和服务质量的保证.对于每个特定的流,将根据预先定义的服务质量要求生成一组QoS需求参数(例如,保证数据速率、最大数据速率、等待时间、丢包率等).这些生成的QoS参数随后将发送到相应的接入节点.通过这种方式,接入节点可以根据QoS参数和优先级对不同的业务进行调度,以保证不同需求的不同业务的服务质量,并实现应用感知的QoS的业务调度.
5)网络切片是一个特定的模块,旨在确保每个租户拥有独立的操作空间和资源空间.当同一接入节点对应多个控制器时,网络切片模块应保证资源隔离,避免潜在的冲突.
将接入节点的控制功能抽象化和集中化的好处是多方面的,可以基于软件定义的方式方便、高效地升级并增强控制功能.网络能够快速有效地调整和适应不同租户的定制需求,从而加快新业务的上线时间,实现快速创新,提高竞争力.需要注意的是,由于控制平面和数据平面在物理上是分离的,控制平面上的变化不会直接影响数据平面的转发连续性.只有数据平面的访问节点通常只执行简单的数据转发,而不执行任何复杂或消耗资源的操作.因此,接入节点将更简单,更小巧,更便宜,这将有助于简化运维并降低运营成本.
3.2 可编程的数据平面设计
3.2.1 概 述
网络虚拟化很好地实现了对多租户的支持,在底层共享资源之上可以同时运行多个虚拟网络实例,且每个虚拟实例都是为特定目的和要求定制的.反过来,实现数据平面可编程也可进一步促进网络虚拟化,从而在单个接入节点上实现多个虚拟实例.此外,它还为不同的接入技术(如ADSL,VDSL,G.fast,EPON,GPON等)、多协议和多租户提供了高度的灵活性.可编程数据平面主要包括3个要点:
1)将物理接入和软件处理的设计解耦
为了简化硬件并为可编程性提供更大的灵活性和可行性,如图8所示,SDVAN的数据平面新引入了一种新型的内部交换组件Inner Switch.Inner Switch的主要功能是用来识别来自不同物理端口(例如ADSL/PON端口)的数字信号并将其转发到相应的处理单元.流表空间可用于定义切片和v AN控制等操作.
2)虚拟接入节点的灵活定制
虚拟接入节点是在IT COTS(commercial offthe-shelf)硬件资源GPP(general purpose processing)池上创建的,而不是专用的专有硬件(LT板).不同的虚拟实例通过软件方式实现可重构的基带协议或定制化的数据包处理机制.它将有助于为不同的接入技术或不同的VNO提供独立隔离的虚拟接入节点.
Fig.8 Programmable data plane
图8 可编程的数据平面
3)硬件切片及可编程性
通常,虚拟化系统通常使用所谓的Hypervisor来实现资源的共享和隔离.但本文采用了不同的实现思路,提出了一种宏编程概念,以抽象(高级)可编程的方式实现硬件资源的分片操作,并简化网络的配置和操作.如图9所示为网络抽象信息模型,其可以很容易地通过高级语言实现硬件可编程.在该模型中定义了大量的基本操作接口,编程人员可以很方便地进行调用和集成.
Fig.9 Example of programmable network abstract information model
图9 可编程的网络抽象信息模型示例
3.2.2 要解决的问题
图10展示了一个数字用户线路接入复用器(DSLAM)的典型结构.目前,在如图10所示的接入节点(DSLAM)系统设计中,用户线路与线路卡(线路接口模块)是绑定的,每个线路接口模块(LIM)接入48条ADSL链路.但是,将用户线路和线路卡进行绑定存在3个问题和缺点:
Fig.10 DSLAM architecture
图10 DSLAM架构
1)灵活性低.每条用户线路物理连接一个专用线卡,当需要调整时只有在现场才能对其进行更改.更糟糕的是,该专用线卡对应的一组用户线路(通常是48个链接)必须一起更改,而单独更改一个用户线路是非常困难的.
2)可靠性差.一旦线路卡发生故障,所有用户线路必须手动切换至另一线路卡.
3)资源利用率低且能耗效率低.DSLAM线卡的用户线路静态分配机制在资源利用率和功耗方面都存在严重问题.如图11所示,部分用户线路被分配给一个线路卡,另一部分用户线路连接到另一个线路卡,用户线路一旦分配完成,就不能再更改映射.即使一个线路卡上只有一条活跃用户线路,该线路卡也必须完全通电并以满载状态消耗电能,而且线路卡上仅有的活跃用户线路也无法被迁移和聚合到另一个线路卡.因此,传统的机制不支持用户线路的动态调度,在低负载的情况下会导致线路卡上的资源利用率低且能耗问题严重.
Fig.11 Binding of user line and LT board
图11 用户线路和LT板的绑定
目前,接入网大多由现有运营商专门部署,在基础设施建设和接入网络部署方面投入了极高的费用.移动通信新运营商(greenfield operator)或其他运营商想要将其服务扩展到同一地区,则必须部署自己的专用接入网络基础设施,即便事实上现有运营商部署的基础设施未充分利用,地下还有许多未使用的光纤以及其他接入资源.这种模式存在着投资浪费、资源利用率低、资源无法共享等缺点.此外,手动更改客户线路的成本很高,客户不可能在不同的运营商之间自由地进行动态选择.针对这些问题,本文旨在通过架构优化,实现一个支持多租户、资源共享和灵活切片的虚拟接入网.具体来说,就是在接入网中物理接入节点上实现不同的全功能v AN实例提供给不同的租户专用.如图12所示,每个租户会有一个v AN,并且该逻辑节点具备接入节点的全功能,例如完整的VLAN空间、地址空间、MPLS/PW标签空间等.如图13所示,一个MDU可由多个租户共享,而来自MDU不同物理端口的流量应该定向到不同的虚拟接入节点(v AN实例).
Fig.12 Multi-tenancy support in access network(Link Sharing)
图12 接入网实现支持多租户(链路共享)
Fig.13 Multi-tenancy support in access network(MDU sharing)
图13 接入网实现支持多租户(MDU共享)
如第2节所述,目前还没有一个可行的解决方案来支持多租户并且为每个租户提供功能齐全的实例.目前最佳的解决方案是在LT板或端口粒度上复用或共享接入节点.如图14所示,部分LT板/物理链接为一个租户预留,其他为另一个租户预留.然而,为了避免冲突和混乱,每个租户只能有部分VLAN空间和地址空间.图15描绘了不同的租户共享一个LT板,同时使用不同的端口来区分彼此流量的场景.这意味着一个租户必须预留一个物理端口以及一个ONU、一个物理链路,不同租户的流量不能通过同一个MDU/物理链路/端口传输,否则OLT将无法区分它们,更无法用不同的基带协议来处理.此外,与图14所示的场景类似,每个租户仅被提供部分VLAN空间和地址空间.
Fig.14 Dedicated ONU/LT/Link supporting for different tenants
图14 针对不同租户的专用ONU/LT/Link
Fig.15 Dedicated ONU/Port/Link supporting for different tenants
图15 针对不同租户的专用ONU/Port/Link
在传统的接入网中,各种不同的接入技术(从ADSL到VDSL,从EPON到GPON)将在相当长的时间内共存甚至相互协作.接入技术的多样性不但增加了组网复杂度、硬件维护的成本,也增加了网络运维的复杂性.当运营商想要变更线路接入技术时(例如,从ADSL到VDSL或G.fast),必须手动升级接入设备(至少是LT板).如果运营商想要部署一个专用的或定制化的(可能是不标准的)协议或者功能特性是相当困难的,他们必须等待设备供应商生产专用的处理板(LT板).由于软硬件高度耦合、设备封闭私有、生态系统依赖标准化等原因,电信专用网络往往缺乏灵活性,运营商不得不经常需要更换硬件(如LT板)来支持新的协议或定制化的功能,造成极大的投资浪费和资源浪费.
3.2.3 线路交换(line switching)方案设计
本节将介绍一种新型设计的线路交换(line switching)模型.为了在不同线路卡之间灵活地进行用户线路切换,DSLAM系统中引入了一种微机电(micro-electromechanical)线路交换(line switch)功能模块.线路交换连接了所有的用户线路和线路卡端口,并将用户线路和线路卡解耦.如图16所示,用户线路可以在不同线路卡之间动态切换.通过这种方法,运营商可以很容易地将活跃的用户线路调度和聚合到一些指定的LT板上,并将其它线路设置为休眠状态来降低能耗节省能源.
Fig.16 Line switching introduced in DSLAM system
图16 DSLAM系统引入线路交换
线路交换是一个由电控光开关控制的全光交换器件,可以把它看作是一个简单版本的全光交换机.如图17所示,它负责将用户线路动态地聚合到某一LT板上接口,形成多对一的光路通道.由于PON系统中固有的时分多址调度机制,因此对于汇聚到同一LT板的多个用户端口来说,不会存在时域冲突;而对于汇聚到不同LT板的用户端口来说,可以通过设置不同的波长来交换传输.
Fig.17 Line switch design
图17 线路交换设计
目前学术界以及产业界中已有很多将光交换技术引入到PON系统中的实例[33-34],并且已经在实际系统中得到验证.这些方案的基本思想都是在OLT和ONU之间引入光交换设备,主要用于链路备份、多协议兼容、系统容量增加等目的.空分光交换技术就是在空间域上对光信号进行交换,其基本原理是将光交换元件组成门阵列开关,并适当控制门阵列开关,即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路.空分光交换的可信器件是光开关,采用电光型开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点,因此有很好的应用前景.
本文所引入的光交换器件是在OLT设备内部实现的,用于动态汇聚ONU流量到少量的LT板卡,从而减少活跃LT板卡的数目,进而节省能源消耗.通过设计一定的线路调度算法,可以根据不同线路卡的工作负荷对不同用户线路的流量进行聚合和迁移,从而更有效地利用LT板端口资源,提高利用率.在当前的DSLAM系统中,端口占用是随机的,依赖于用户线路的状态.如果一块LT板的所有端口都处于空闲状态,那这块LT板将进入休眠状态.一块LT板空闲的概率计算为
P{所有端口都空闲}＝P{一个端口空闲}n.
假设一个端口空闲的概率为0.5,给定n＝48,那么所有端口都空闲的概率为(0.5)48＝3.5×10－15.可以看出,正常情况下连接到一个线路卡上的所有用户线路全都空闲的概率非常低,因此LT板进入休眠状态的概率极其微小.然而,如图18左图所示,通常一个LT板并不总是满负荷工作,如果大部分的LT板都在低负载下工作,其能耗效率是非常低下的,因为不管LT板是低负载还是高负载工作,只要LT板全通电其功耗基本是额定的.比较而言,如图18右图所示,通过采用我们新提出的线路交换方案,在满足资源需求并保证性能的前提下,可以将活跃用户线路自动聚合到部分LT板上,并将空闲的LT板设置为休眠状态,以降低能耗.
Fig.18 Contrast of port occupancy
图18 端口占用对比
如何在动态条件下实现不同网络运营商之间的流量隔离是一个关键问题.通常的解决方案是为不同的运营商预留不同的LT板,但这种方法在动态环境下并不可行,因为很难预先分配不同用户线路的所有权.比如,用户线路A在某一时刻属于一个网络运营商,而在另一个时间可能会被其他网络运营商使用.这就要求用户线路A能够实时地从一个线路卡动态地切换到另一个线路卡.然而,在现有的DSLAM解决方案中,用户线路与线路卡之间的连接只能以线路组的粒度进行改变.也就是说,同一个线路卡上的48条用户线路必须一起更改,而不能单独进行某一条用户线路的更改.相比之下,我们提出的线路交换方案可以通过快速切换机制实现LT板之间的灵活无缝切换.图19的时序图描述了详细的切换过程.假设LT板A是源LT板,LT板B是目的LT板,则每个LT板将在线路交换后更新端口信息.另外,由于线路开关是电路控制的,因此也可以由远程SDN控制器控制,控制器可以根据特定的意图和需求发出特定的指令.通过外部接口,用户线路就可以根据需求灵活地进行动态切换.
Fig.19 Handover procedure from LT A to LT B
图19 从LT A到LT B的切换流程
3.2.4 基于可编程硬件实现网络切片方案设计
可编程的数据平面实现了对接入技术多样性和多版本的支持,同时实现了对多租户的支持.如第1节和3.1节所述,物理接入端口与软件处理单元的分离将为不同的接入技术提供灵活性.此外,如图20所示,v AN实例将在可编程硬件上创建,而非传统的物理LT板,这消除了物理访问媒质和软件处理的绑定.协议相关的软件处理将由v AN执行,通过软件定义的方式实现快速更新.
Fig.20 Multiple v AN instances created on physical AN entity
图20 在物理AN上创建多个v AN实例
此外,系统还设计了一个内部交换模块(inner switch),其作用是识别来自不同物理端口的数字信号并将其重定向到相应的v AN.每个v AN实例都是按需创建的,它是一个具有完整逻辑空间的逻辑独立接入节点.Hypervisor会在计算资源池上创建一系列逻辑分区,并负责控制和隔离共享同一个逻辑分区的多个实体.这些由通用处理器组成的计算资源池由Hypervisor进行管理和调度.v AN实例以基于软件的方式实现可重构的基带协议、定制化的数据包处理机制,以及v AN之间的隔离.例如,当运营商需要将其协议从ADSL改为VDSL时,他们只需要更新v AN实例,而在现有的传统方案中,运营商必须对硬件(如LT板)进行手动更改.此外,在网络切片场景中,不同的租户可以共享回传网络(backhaul)基础设施以及物理接入节点,并在每个物理设备上为每个租户创建一个v AN实例.除此之外,如图21所示,多租户可以共享一个MDU,而且MDU上的不同端口可以为不同的租户服务.为了区分同一接入节点上同一物理端口(图21中用黑点表示)上传输的不同租户的流量,我们在v AN实例上设计了针对不同租户的虚拟端口,实现了更细粒度的流量区分.例如,如图21所示,来自租户A的端口的流量被标识为虚拟端口1,然后被重定向到容纳虚拟端口1的v AN实例A上.
Fig.21 Virtual port identity
图21 虚拟端口标识
4 实验与结果
本节将通过大量的仿真实验来评估所提出的解决方案在各种网络条件下的性能表现.根据不同的流量发生概率来分析活跃LT板数量以及资源利用率情况.需要说明的是,只要某一用户线路活跃,而无论其流量大小,则该用户线路就需要被汇聚到某一LT板卡进行处理,即该用户线路需要占用LT板的一个汇聚端口.所以在我们的仿真实验中,用户端口流量的具体大小以及流量模式等变量对于实验结果没有直接影响,我们只需要考虑该端口是否有流量产生.
4.1 符号与定义
假设L是每个DSLAM的LT数量,K是每个LT的端口数.符号N Active_LT表示活跃(active)LT板的数量,变量p用于表示LT板上一个物理端口处于活跃状态的概率.在传统的解决方案中,现有DSLAM架构中活跃LT数量的概率分布Pr与n的关系为
表1总结了相关符号及其描述.
Table 1 Notations and Descriptions
表1 符号及其描述
?
相比较而言,在我们的解决方案中,活跃LT板数量的概率分布为
4.2 实验结果
本节介绍了系统实验评估的结果,实验主要对比分析了线路交换与传统DSLAM方案在LT板使用量、资源利用率、能源节约等方面的性能表现.在实验中,对比标准的DSLAM场景,假设总共的LT板数目为16块,每块LT板所能汇聚的用户线路为64路.由于用户端口流量的大小和模式对于最终的实验结果没有影响,所以实验中无需具体的流量模型来产生用户端流量数据.在该实验中我们通过Matlab仿真软件设定用户端口活跃的概率取值区间为[0.01,0.20],分别计算活跃的LT板数量以及资源利用率.
4.2.1 活跃LT板数量
Fig.22 Active LT number under varying load
图22 不同负载场景下的活跃LT板数量
活跃LT板的数量会直接影响到整个设备的资源利用率和能量消耗.图22给出了在不同流量负载情况下的活跃LT板所需数量的实验结果.在传统的DSLAM体系结构中,当活动概率增加时,活动LT板的数量急剧增加,当活动概率仅为0.01时,就已经达到最大值16.相比之下,在我们提出的线路交换方案中,即使是0.20,活动LT板数量仍然只有4个(实验中LT板总数量默认为16个).这有效证明了线路交换解决方案可以使用较少的LT板实现更高的资源利用率.
图23从另一个角度给出了DSLAM和线路交换在不同流量负载情况下活跃LT板比率的比较.同样地,当活动概率P＝0.01时,DSLAM方案的所有LT板都处于活跃状态,而线路交换方案的活跃LT板比率仅为6.25%.随着P值增加,活跃LT板数量会逐步增加,但增长比较缓慢,线路交换仍具有明显的优势.比如在相同的活动概率P＝0.10的情况下,与DSLAM方案相比,线路交换方案可以减少80%以上的活动板数量.这意味着在不影响性能的情况下,线路交换使用更少的LT板,因此更多的LT板可以进入休眠状态,从而节省更多的能源消耗.
Fig.23 Active board ratio under varying load
图23 不同负载场景下的活跃LT板比率
4.2.2 资源利用率
在我们的线路交换方案中,可以基于所设计的线路调度算法根据不同线卡的负载情况将不同用户的流量进行迁移和汇聚,以此提高部分线卡的利用率,同时可以将空闲出来的线卡设置为休眠状态以此达到降低能耗的目的.图24展示了DSLAM和线路交换2种方案在资源利用率方面的实验对比结果.实验表明:我们所提出的线路交换方案比传统的DSLAM系统在资源利用率方面具有明显的优势.比如,当每个端口活跃的概率为0.10时,线路交换方案的平均资源利用率是传统DSLAM的7倍以上.
Fig.24 Average LT resource utilization
图24 LT板平均资源利用率
4.2.3 能源节约
线路交换方案有效地提升了硬件资源利用率,并尽可能地使更多的LT板进入睡眠状态,从而最大程度地降低了功耗.根据最近发布的欧洲宽带设备能耗管理准则[35]的要求,每个DSLAM端口在满功率情况下功耗应低于1.3W.基于该数据,我们假设每个DSLAM端口的功耗为1.3W,并且每度电(k W·h)的价格为0.1美元.假如某个运营商拥有500万个用户,则每年的耗电量成本为413.4万美元.相比来说,基于4.2.1节的实验结果,线路交换方案可以减少80%的活跃LT板数量,所以采用线路交换方案该运营商每年的电费仅需83万美元,每年可减少330万美元的电量费用开支.
由于线路交换是一个电控光交换设备,其功耗仅仅限于控制器等少量电路产生,具体的光交换则是由一个无源物理器件实现,根据相关文献数据[36-39],目前的工艺水平下,线路交换作为电控光开关的功耗在3 m W乃至小于1 m W,而每个LT板的功耗至少12.5 W[40-41].假设一个OLT设备里有12个LT板,则LT板的总功耗是12.5W×12＝150 W,是线路交换功耗(假设取上限值3 m W)的150 W/0.003 W＝50 000倍.因此,由于引入线路交换而产生的额外的功耗成本相对于关闭部分LT板休眠节能所产生的效益几乎可以忽略不计.
此外,对于汇聚到某一LT板卡的用户线路来说,即使LT板满配,它们仍然遵循标准的PON系统中下行带宽上行时隙等控制协议,因此对于用户带宽和时延等QoS参数并没有影响.
图25描述了随着端口占用概率P∈[0,0.20]的变化,在低流量负载情况下活跃LT板的能耗情况.根据实验结果,相比DSLAM方案,线路交换方案大大降低了设备能耗.比如在P＝0.10时能耗降低了80%以上,随着P值增加,能耗节省幅度会略有减少,这是因为端口占用概率的增加意味着活跃LT板的数量会增加,比如P值增加到0.20时,线路交换方案相比DSLAM方案可以节省70%的能耗.此外,图26描述了高流量负载情况下活跃LT板的能耗情况.在高负载场景下(P值较大),相比DSLAM方案线路交换方案仍然可以节省5%～30%的能量.从图25和图26的2个实验结果可以得出,相比传统的DSLAM方案,线路交换方案大大降低了能耗,尤其是在低流量负载场景下.
Fig.25 Power consumption of active LT boards under light traffic load
图25 活跃LT板在轻负载场景下的能耗
Fig.26 Power consumption of active LT boards under middle/high traffic load
图26 Active LT板在中/高负载场景下的能耗
4.2.4 方案对带宽/时延的影响分析
文献[36-37]中同样指出,光开关所带来的时延往往在纳秒级(10－9 s),而传统OLT的处理转发时延一般在微秒级(10－6 s),端到端时延一般是毫秒级(10－3 s)到秒级.现有的PON协议是下行广播,收到包后就广播转发到所有端口,因此下行只有物理转发时延,转发时延完全取决于硬件;本方案所引入的光开关所带来的时延在纳秒级,因此本文的方案对转发时延的影响非常有限,几乎可以忽略不计,即使通过OPNET等通用仿真器进行仿真也只能仿真到毫秒级别.
此外,PON上行带宽是动态分配的,上行时延取决于各个ONU的上行数据情况,每125μs轮询一次,根据OLT给ONU分配的上行时隙,轮到哪个ONU的上行时隙,就由哪个ONU发,此时上行时延就依赖于有几个ONU有数据需要上行,以及轮询到目标ONU的等待时间来决定.本方案没有改动任何上下行控制协议,因为该部分转发时延不会受到影响.
同理,关于带宽的开销,无论LT板满配与否,系统总带宽以及用户带宽取决于PON系统的物理层协议机制以及ONU的上下行调度算法,而这些在我们的方案中都没有涉及改动,给定优先级及网络资源需求的情况下,不管是否采用了线路交换,单个用户的调度空间都是一样的,因此本方案对于实际带宽指标并没有产生影响.
4.2.5 方案实际部署可行性分析
本文中引入的线路交换本质是一个电控空分光交换装置,其开关矩阵按要求建立物理通道,使输入端任意信道与输出端任意信道进行相连,完成信息的交换.空分光交换技术就是在空间域上对光信号进行交换,其基本原理是将光交换元件组成门阵列开关,并适当控制门阵列开关,即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路.空分光交换的可信器件是光开关,采用电光型开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点,电控光开关以及光交换器件已经在很多的实际系统中得到应用和验证[33-34].本文所提出的方案跟现有方案的主要差别在于本文所提出的方案是实现在OLT设备内部,从这一点上来说,线路交换的方案和以上文献方案具有同样的可实现性和实用性.区别在于,本文的方案通过电控光交换技术实现ONU流量的动态汇聚从而减少活跃LT板卡的数目,进而节省能源消耗.
5 结 论
将控制功能抽象化并集中化实现可以将物理设备的复杂性转移到集中计算池中,使这些控制功能更容易管理,并以软件定义的方式有效地支持定制化需求.基于该理念,本文提出了一种全新的软件定义的虚拟接入网络体系结构SDVAN,实现了具有高扩展性、高资源利用率、低功耗的高效网络管理.多个接入节点控制器实例的创建和隔离有助于跨多租户实现虚拟接入节点的创建和资源共享.与传统的接入节点设计不同,SDVAN将物理的接入端口与软件处理单元分离,并进一步将传统的专有接入节点设备简化为可编程的虚拟节点,使物理设备更简单、更稳定.同时,得益于所实现的网络切片能力,运营商每次更新接入技术时将不再依赖升级物理硬件.此外,新方案还为不同的接入技术(如ADSL,VDSL,G.fast,EPON,GPON)、多协议和多租户提供了极大的灵活性.实验结果表明,与现有的DSLAM解决方案相比,SDVAN的LT板使用数量降低了80%,平均资源利用率提升了5倍以上,节能30%以上,进一步证明了SDVAN的可行性和高效性.
[1]Open Networking Foundation.Software defined standards[S/OL].[2021-03-29].https://opennetworking.org/software-defined-standards
[2]Wang Ting,Hamdi M,Chen Jie.Enforcing timely network policies installation in OpenFlow-based software defined networks[C]//Proc of 2017 IEEE Int Conf on Communications(ICC).Piscataway,NJ:IEEE,2017:16.doi:10.1109/ICC.2017.7996447
[3]He Rongxi,Lei Tianying,Lin Ziwei.Multi-constrained energy-saving routing algorithm in software-defined data center networks[J].Journal of Computer Research and Development,2019,56(6):12191230(in Chinese)(何荣希,雷田颖,林子薇.软件定义数据中心网络多约束节能路由算法[J].计算机研究与发展,2019,56(6):1219 1230)
[4]Jain S,Kumar A,Mandal S,et al.B4:Experience with a globally-deployed software defined WAN[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2013,43(4):314
[5]Kreutz D,Ramos F M V,Verissimo P E,et al.Softwaredefined networking:A comprehensive survey[J].Proceedings of the IEEE,2014,103(1):1476
[6]Ben Azzouz L,Jamai I.SDN,slicing,and NFV paradigms for a smart home:A comprehensive survey[J].Transactions on Emerging Telecommunications Technologies,2019,30(10):e3744
[7]Open Networking Foundation.OpenFlow switch specifications[EB/OL].[2021-03-29].https://www.opennetworking.org/sdn-resources/onf-specifications
[8]Mc Keown N,Anderson T,Balakrishnan H,et al.OpenFlow:Enabling innovation in campus networks[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2008,38(2):69 74
[9]Kerpez K J,Cioffi J M,Ginis G,et al.Software-defined access networks[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(9):152159
[10]Pakzad F,Portmann M,Tan W L,et al.Efficient topology discovery in OpenFlow-based software defined networks[J].Computer Communications,2016,77:5261
[11]Azzouni A,Trang N T M,Boutaba R,et al.Limitations of Open Flow topology discovery protocol[C]//Proc of 2017 16th Annual Mediterranean Ad Hoc Networking Workshop(Med-Hoc-Net).Piscataway,NJ:IEEE,2017:1 3
[12]Xiong Bing,Yang Kun,Zhao Jinyuan,et al.Performance evaluation of Open Flow-based software-defined networks based on queueing model[J].Computer Networks,2016,102:172185
[13]Sharma S,Staessens D,Colle D,et al.In-band control,queuing,and failure recovery functionalities for Open Flow[J].IEEE Network,2016,30(1):106112
[14]Oktian Y E,Lee S G,Lee H J,et al.Distributed SDN controller system:A survey on design choice[J].Computer Networks,2017,121:100111
[15]Dixit A,Hao Fang,Mukherjee S,et al.Towards an elastic distributed SDN controller[C]//Proc of the 2nd ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Software Defined Networking.New York:ACM,2013:712
[16]Wang Tao,Liu Fangming,Guo Jian,et al.Dynamic SDN controller assignment in data center networks:Stable matching with transfers[C]//Proc of IEEE INFOCOM 2016—The 35th Annual IEEE Int Conf on Computer Communications.Piscataway,NJ:IEEE,2016:1 9
[17]Bholebawa I Z,Dalal U D.Performance analysis of SDN/OpenFlow controllers:POX versus floodlight[J].Wireless Personal Communications,2018,98(2):16791699
[18]Noxrepo.POX[EB/OL].[2021-03-29].https://github.com/noxrepo/pox
[19]Big Switch Network.Floodlight Open Flow controller[EB/OL].[2021-03-29].https://opennetworking.org/onos/
[20]Lantz B,Brandon H,Nikhil H,et al.Mininet:An instant virtual network on your laptop(or other pc)[EB/OL].[2021-03-29].http://mininet.org
[21]Kim H,Feamster N.Improving network management with software defined networking[J].IEEE Communications Magazine,2013,51(2):114119
[22]Alvarez P,Slyne F,Bluemm C,et al.Experimental demonstration of SDN-controlled variable-rate fronthaul for converged LTE-over-PON[C]//Proc of 2018 Optical Fiber Communications Conf and Exposition(OFC).Piscataway,NJ:IEEE,2018:1 3
[23]Kosmetos E,Matrakidis C,Stevdas A,et al.An SDN architecture for PON networks enabling unified management using abstractions[C]//Proc of 2018 European Conf on Optical Communication(ECOC).Piscataway,NJ:IEEE,2018:1 3
[24]Parol P,Pawlowski M.Towards networks of the future:SDN paradigm introduction to PON networking for business applications[C]//Proc of 2013 Federated Conf on Computer Science and Information Systems.Piscataway,NJ:IEEE,2013:829836
[25]Hwang I S,Tesi C,Pakpahan A F,et al.Software-defined time-shifted IPTV architecture for locality-awareness TWDM-PON[J].Optik,2020,207:164179
[26]Schneir J R,Xiong Yupeng.Cost analysis of network sharing in FTTH/PONs[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(8):126134
[27]Uzawa H,Honda K,Nakamura H,et al.Dynamuic bandwidth allocation scheme for network-slicing-based TDMPON toward the beyond-5G era[J].IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,2019,12(2):A135A143
[28]Liang Dong,Gu Rentao,Guo Qize,et al.Demonstration of multi-vendor multi-standard PON networks for network slicing in 5G-oriented mobile network[C]//Proc of Asia Communications and Photonics Conf.Guangzhou,Guangdong:Optical Society of America,2017.doi:org/10.1364/ACPC.2017.M3B.5
[29]Gu Rentao,Zhang Shizong,Ji Yuefeng,et al.Network slicing and efficient ONU migration for reliable communications in converged vehicular and fixed access network[J].Vehicular Communications,2018,11:5767
[30]Zhang Lin,Zhang Min,Song Chuang,et al.Service-aware network slicing supporting delay-sensitive services for 5G fronthaul[C]//Proc of 2018 23rd Opto-Electronics and Communications Conf(OECC).Piscataway,NJ:IEEE,2018:1 2
[31]Yang Mao,Li Yong,Jin Depeng,et al.OpenRAN:A software-defined RAN architecture via virtualization[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2013,43(4):549550
[32]Checko A,Christiansen H L,Yan Ying,et al.Cloud RAN for mobile networks—A technology overview[J].IEEE Communications Surveys＆Tutorials,2014,17(1):405 426
[33]Chuan N B,Ab-Rahman M S,Premadi A.Design architecture of optical switching device for PON[C]//Proc of 2009 IEEE 9th Malaysia Int Conf on Communications(MICC).Piscataway,NJ:IEEE,2009:387 391
[34]Finn J.Automated fiber optical switching in FTTP PON access networks[C]//Proc of 2009 Conf on Optical Fiber Communication.Piscataway,NJ:IEEE,2009:1 5
[35]Bertoldi P.EU code of conduct on energy consumption of broadband equipment:Version 6[R].Luxembourg:Publications Office of the European Union,2017.doi:10.2760/602762
[36]Van Campenhout J,Green W M J,Vlasov Y A.Design of a digital,ultra-broadband electro-optic switch for reconfigurable optical networks-on-chip[J].Optics Express,2009,17(26):2379323808
[37]Dong Po,Qian Wei,Liang Hong,et al.Low power and compact reconfigurable multiplexing devices based on silicon microring resonators[J].Optics Express,2010,18(10):98529858
[38]NTT Advanced Technology Corporation.Intelligent optical switch[EB/OL].[2021-03-29].https://www.ntt-at.com/product/optical-switch/application.html
[39]Fiber Smart Networks.FiberSmart Lab Use Case[EB/OL].[2021-03-29].https://www.fibersmart.net/lab-case6
[40]Nokia Corporation.Alcatel 7302 ISAM system product description[EB/OL].[2021-03-29].https://www.nokia.com/networks/products/73027330-isam-fttn-etsi/＃overview
[41]Zhang Yi,Chowdhury P,Tornatore M,et al.Energy efficiency in telecom optical networks[J].IEEE Communications Surveys＆Tutorials,2010,12(4):441 458
