基于SDN的IP网络与光网络协同编排系统

2021-02-07 来源:中通服咨询设计研究院有限公司 鞠卫国 黄善国 袁源

1. 引言

IP网络与光网络的协同管控一直是通信网络发展的关键问题。如果这两个独立规划、管理与运营的网络能实现协同运维,会极大地提高通信网络整体的运行效率,并降低网络的整体建设维护复杂度和成本。软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)的出现为IP网络和光网络协同运维提供了新的解决办法。SDN是一种新型的网络技术,它的理念是分离网络的控制平面与数据转发平面,并实现可编程化控制。在SDN中,网络设备可以采用通用的硬件,而原来负责控制的操作系统将被提炼为独立的网络操作系统,由其负责对不同业务特性的适配,而且网络操作系统和业务特性以及硬件设备之间的通信都是可以通过编程实现的。

基于以上基础,业界提出通过IP网络SDN控制器与光网络SDN控制器之间的协同与编排的方式,实现两个网络的协同交互,以便实现快捷高效的业务开通、链路保护与故障处理。IP网络与光网络在建设、运维以及业务处理方面存在各自的特点。IP业务本身具有不确定性和不可预见性,IP业务的颗粒度多,对设备处理能力的要求精细。同时,IP网络组网灵活,业务配置便捷,策略的构建和下发迅速。相比而言,光网络处理粒度大,业务下发与策略配置由于需要与光器件适配因而不够便捷,同时不便于频繁地进行路径的建立与策略配置等工作。

2. IP网络与光网络协同编排系统

本文提出了基于SDN的IP网络与光网络协同编排系统,包括IP网络SDN控制器与光网络SDN控制器,如图1所示。

图1 IP网络与光网络协同编排系统示意

2.1 IP网络SDN控制器主要功能模块

IP网络SDN控制器(IP Network SDN Controller,IPSDN-C)包括业务处理模块、资源分析模块A、路由计算模块与策略配置模块。业务处理模块通过IPSDN-C中的SDN控制器北向接口接收来自上层的业务应用请求,在得到业务路径的源宿节点信息及带宽需求后,将其发送给路由计算模块和资源分析模块A。SDN控制器北向接口位于控制平面和应用之间,将控制器提供的网络能力和信息进行抽象并开放给应用层使用,一般业务请求中都包含基本的业务源宿节点,以及其他服务等级、保护策略、业务内容等信息。

资源分析模块A统计IP网络设备的使用状态,从而获取IP网络资源的使用情况。资源分析模块A通过IPSDN-C中的SDN控制器南向接口采集路由器的设备信息,包括网络节点、接口类型、物理链路和端口地址信息。路由计算模块根据光网络预配置光路信息、业务路径源宿节点信息、IP网络资源使用情况,并进行业务传输路径的计算,最终输出业务在IP网络的路由信息。

策略配置模块将路由计算模块输出的业务路由信息,通过南向接口协议传递给网络中的IP路由器,以保证传输路径的建立。

IPSDN-C中的SDN控制器通过南向接口进行链路发现拓扑管理、策略制订、表项下发操作,以完成对厂商设备的管理和配置。策略配置模块所用的南向接口协议偏重将SDN控制器最终计算得出的路由信息下发至路由设备,资源分析模块A所用的南向接口协议偏于收集路由设备及IP网络各链路的使用状态并将其上报至SDN控制器,供IP网络SDN控制器进行处理和分析。

2.2光网络SDN控制器主要功能模块

光网络SDN控制器(Optical Network SDN Controller,OPSDN-C)包括资源分析模块B、预配置模块与业务开通模块。资源分析模块B采集分析光网络资源的使用情况,并将光网络资源的使用的情况分发至IPSDN-C和预配置模块。资源分析模块B通过南向接口协议采集光网络设备的信息,包括网络节点、接口类型、物理链路、端口地址信息。预配置模块根据光网络资源使用的情况计算预配置光路,并将其记录存储在预配置光路表中。业务开通模块通过南向接口协议与光网络设备连接,设定预配置光路,当实际业务请求到达时,开通预配置光路。

业务路径源宿节点信息与带宽需求由业务处理模块提供,IP网络资源的使用情况由资源分析模块A提供,光网络预配置光路信息由光网络SDN控制器提供。

由于IP网络和光网络业务之间存在映射关系,光网络是作为IP数据流的承载通道存在的。IP数据会在光层的源节点被封装成适宜在光网络中传送的光信号,预配置光路在确定后,所对应的IP路由可以对应完成设置。

3. 基于协同编排系统快速开通路径的方法

本文还提出了基于SDN的IP网络与光网络协同路径的开通方法,具体包括以下步骤。

步骤1:OPSDN-C中的资源分析模块B对光网络资源进行分类。

步骤2:OPSDN-C中的预配置模块计算并设定光网络预配置光路。

步骤3:IPSDN-C接收业务建路请求,明确业务传输的源宿节点信息。

步骤4:如果现有的预配置光路能承载业务,进入步骤6;如果预配置光路不满足业务需求,则进入步骤5。

步骤5:IPSDN-C将业务请求发送至光网络SDN控制器,OPSDN-C中的预配置模块根据业务请求的带宽计算新的、满足带宽要求的预配置光路,并将结果反馈至IPSDN-C。

步骤6:IPSDN-C根据新的、满足带宽要求的预配置光路,设定IP路由信息,并将其下发至IP设备。

步骤7:IP路由与光路由设定完成后建立端到端路径的业务。

步骤8:OPSDN-C检测预配置光路的占用情况,预配置模块计算补充新的预配置光路,并将其更新至资源分析模块B和资源分析模块A。

步骤1包括:光网络资源被分为三类:第一类是已占用的光路资源,即已承载业务传输任务的资源;第二类是预配置的光路资源,这部分资源已经被分配给预配置光路,当需要承载的业务下发到达后,预配置光路就直接启动,完成光路的正式建路;第三类是未使用的资源,未使用的资源后期会被分配给预配置光路。

步骤2包括:业务开通模块对光网络预配置光路,预配置光路是指两个光节点间提前预配置好对应的光路由,OPSDN-C将这两个光节点间预配置的光路信息告知IPSDN-C,当这两个光节点产生了具体的数据传送请求,IPSDN-C根据预配置光路计算IP路由,再进行数据的处理与传输;此时,OPSDN-C的预配置模块需要维护预配置光路表,此表用于计算、存储任意两个光节点间预配置光路的路径信息与资源分配情况;当两个光节点间的预配置光路承载业务,资源被占用后,OPSDN-C中的预配置模块会根据网络整体资源的使用情况及时计算、构建新的预配置光路,预配置光路的计算与更新策略如下。

步骤2-1:统计每条光路资源的使用情况,设定资源预占用值α,即预配置光路占用带宽的大小,α建议设置5Gbit/s或更高;当光路空闲带宽低于α,则将该光路从网络拓扑中删除,同时更新生成新的光网络拓扑。

步骤2-2:基于步骤2-1生成的光网络拓扑用最短路径的算法计算任意两个光节点的路径,如果存在两条以上最短路径,则选取每条最短路径上资源使用率最高的一段链路比较,选择此处资源使用率较低的一条最短路径作为预配置光路;当预配置光路的资源被占用后,则重新统计每条光路资源的使用情况,并计算更新预配置光路。

算法流程如图2所示。这里需要说明的是,此处的光节点并不包含只是用来中继、放大或增强光信号的光传输透传节点,因为这些节点与IP节点一般不存在映射关系,并不影响IP网络路由的设定。

图2 算法流程

4.应用示例说明

网络中存在各种各样的数据传输业务需求,例如数据中心之间数据的分发与备份,企业各节点之间数据的交互,电信网络各节点之间专线传输线路的开通等。

以图3为例,设定IP网络中各个节点为电信网络中的核心路由器,这些路由器相互之间有建立传输专线的需求。一般而言,电信网络中数据设备与光传输设备“背靠背”连接,以便IP数据能被封装成光信号,进而在光网络中传输。此时,数据设备与光传输设备存在映射关系,在图3中,A-a、B-b、C-e、D-f、E-g、F-h表明数据设备与光传输设备之间的映射连接关系。光网络中c、d节点为光传输中继节点,在光网络进行预配置光路计算时,并不考虑在内。

图3 应用示意

基于本文提供的方法,资源分析模块A通过SDN南向接口协议采集路由器设备的型号,路由器设备的型号一般有华为的NE5000E、思科的CRS或者阿朗的7750设备;采集路由器端口数量与类型(包括10GE的端口还是40GE的端口)、各端口的使用情况;路由器之间的连接情况,下一跳是哪个节点。同样的,资源分析模块B通过南向接口协议采集传输设备的设备类型、利用率、连接情况等。

首先,光网络计算两个光节点间的预配置光路。例如a-h之间,最短路有两条为(a-e-g-h)[(a→b→d→(f)→h],因f节点为中继节点,不算正式跳数。(a-e-g-h)路径中资源使用率最高的链路为(a-e),资源使用率为55%,[(a→b→d→(f)→h)]路径中资源使用率最高的链路为(a-b),资源使用率为58%。我们选择路径(a-e-g-h)将其作为预配置光路,带宽为5Gbit/s,这条预配置光路会同步到OPSDN-C与IPSDN-C。这条预配置光路便可以为IP网络中A-F节点的数据流传输提供传输光路。

当IPSDN-C接收A-F节点业务建路请求后,发现已经有预配置光路a-h,就通告OPSDN-C需要占用这条光路传输业务,同时新建的IP路由表根据预配置光路的信息而设定为A:(A→C→E→F)。当a-h之间的预配置光路(a→e→g→h)被占用后,OPSDN-C更新资源使

用情况,发现此时该条光路的使用率已经变得很高,无法提供大于5Gbit/s的带宽,就重新计算了一条预配置光路,此时最短路径为[a→b→d→(f)→h],则构建预配置光路为B:[a→b→d→(f)→h],带宽5Gbit/s,将其作为IP网络中A-F节点的数据流传输光路,并分发告知到IPSDN-C。

当IP网络SDN控制器再次接收新的A-F节点业务建路请求后,就使用预配置光路B:[a→b→d→(f)→h],同时新建的IP路由表根据预配置光路的信息而设定为B:(A→B→D→F)。现业务路径的快速开通,提升资源利用率与网络运维效率,实现IP网络和光网络的有效协同。本文希望提出的系统与方法能为业界推动IP网络和光网络的融合提供一定的参考价值。