软件定义多维光网络研究进展与展望资源-CSDN文库

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2020 年 1 月 Journal on Communications January 2020

第 41 卷第 1 期通信学报 Vol.41

No.1

软件定义多维光网络研究进展与展望

郭磊

，张旭

1,2

，侯维刚

，刘业君

，张琦涵

1,2

，曹子峥

（1. 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065；

2. 东北大学计算机科学与工程学院，辽宁沈阳 110169；3. 埃因霍芬理工大学电气工程学院，埃因霍芬 999025）

摘要：为了满足多样化的业务需求，基于架构按需节点和多核光纤的软件定义多维光网络将实现可定制化的网

络服务。针对多维网络资源管控问题，首先，介绍了软件定义多维光网络的架构；接着，评述了软件定义多维光

网络的使能技术；最后，展望了软件定义智能多维光网络的发展方向。

关键词：软件定义光网络；多维光网络；智能控制与管理；架构按需节点；多核光纤

中图分类号：TN929.11

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.1000−436x.2020010

Research progress and prospect of software-defined

multi-dimensional optical network

GUO Lei

, ZHANG Xu

1,2

, HOU Weigang

, LIU Yejun

, ZHANG Qihan

1,2

, CAO Zizheng

1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

2. School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110169, China

3. Department of Electrical Engineering, Eindhoven University of Technology, Eindhoven 999025, the Netherlands

Abstract: To meet diverse business needs, both architecture on demand (AoD) nodes and multi-core fibers (MCF) based

software-defined multi-dimensional optical networks will enable customizable network services. Aiming at the problem

of management and control for multi-dimensional network resources, the architecture of software-defined mul-

ti-dimensional optical networks was introduced firstly. Then, the enabling technologies to support the implementation of

software-defined multi-dimensional optical networks were presented. Finally, the development direction of soft-

ware-defined intelligent multi-dimensional optical networks was proposed and analyzed.

Key words: software-defined optical network, multi-dimensional optical network, intelligent control and management,

architecture on demand node, multi-core fiber

1 引言

光纤通信技术由于其传输带宽大、抗干扰性强和

信号衰减小等诸多优点，已成为骨干网中主要的通信传

输媒介。基于光纤通信技术的光网络，必将成为未来信息

社会中的主要网络技术之一。然而，随着 5G

[1-2]

、物联

网（ IoT, Internet of things）

[3-4]

、大数据（ BD, big data）

[5]

、

云计算（CC, cloud computing）

[6]

等技术的发展，新兴

的网络业务层出不穷，人们在网络上进行购物、社交、

娱乐以及金融等相关的活动，这对光网络各方面的能

力提出了新的需求，促使光网络技术同时向深度与广

度 2 个方向发展。

在光网络发展历程中，基于通用多协议标签交

换（GMPLS, generalized multi-protocol label

switching）

[7]

的自动交换光网络（ASON, automatic

switching optical network）技术能够以分布式控制的

收稿日期：2019–10–08；修回日期：2019–12–12

通信作者：张旭，zhangxu_neu@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61775033, No.61771120, No.61801105）

Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (No.61775033, No.61771120, No.61801105)

第 1 期郭磊等：软件定义多维光网络研究进展与展望 ·153·

方式动态实现光路的建立与拆除。然而，基于

GMPLS 的传统分布式控制机制面临收敛时间长、

协议复杂、控制效率低等问题。为此，路径计算单

元（PCE, path computation element）

[7]

从分布式控

制平面中被剥离出来，促成了光路计算从分布式

到集中式的演化。但是，PCE 仍然需要节点上加

载的控制平面的配合来维护全局的网络视图，这种分

布式与集中式相结合的方式难以高效率地满足日益

增长的业务需求。同时，对于光正交频分复用和空分

复用等新型的光复用技术，传统光网络管控平面很难

快速改变固有的控制逻辑。因此，软件定义光网络

（SDON, software-defined optical network）被提出

[8]

，

其将传统传送平面的转发和控制分离，北向接口对接

业务应用，南向接口对接网络连接，利用软件可编程

的方式对光网络基础设施进行灵活管理，从而高效利

用网络资源以满足多样化的业务需求，实现智能的自

动控制与升级维护。

空分复用（SDM, space division multiplexing）

技术（例如多核光纤、多模/少模光纤、多核少模光

纤等）的出现将光网络资源的维度从时间和频率

2 个维度扩展到了时间、频率和空间多个维度。其

中，在基于多核光纤的软件定义多维光网络方面，

文献[9]展示了利用 12 核光纤实现 0.52 Pbit/s 级别的

跨洋传输系统，其传输距离能够达到 8 830 km。在基

于多模/少模光纤的软件定义多维光网络方面，

文献[10]使用支持 6 个模式的折射率渐变少模光纤

实现了 138 Tbit/s 的传输系统，其传输距离能够达到

590 km；同时，文献[11]利用 10 个模式的弱耦合少模

光纤实现了 257 Tbit/s 的传输速率。在基于多核少模

光纤的软件定义多维光网络方面，文献[12]利用特殊

设计的 19 核 6 模光纤实现了 10.16 Pbit/s 的单纤传输

速率，总频谱效率高达 1 099.9 bit/(s·Hz)

−1

。此外，架

构按需（AoD, architecture on demand）技术的出现从

节点层面进一步开放了节点的功能灵活度，使网络节

点的功能模块化，并动态合成所需功能的光节点。

因此，基于 AoD+SDM 组合的软件定义多维光

网络具有以下特性。

1) 节点功能的可定制化。AoD 节点可以根据

不同的需求动态地组合成所需的功能架构，进而提

供不同维度的网络功能。同时，网络开发者也可以

利用节点可编程的特性重新配置节点功能，进而大

大地提高了网络节点功能的灵活性。

2) 网络资源维度的多样化。SDM 光纤的引入，

一方面大幅增加了网络容量的承载能力，另一方面

也扩展了网络资源的维度，在原有时间和频率资源

维度的基础上又增加了空间维度，提高了网络资源

的多维性，丰富了多维网络资源池的构建。

3) 控制平面的逻辑集中化。得益于 SDON 集

中式架构的优势，AoD+SDM 组合的软件定义多维

光网络同样继承了控制与转发分离的网络形式，这

样所有的控制功能被集中到了顶端的控制平面，形

成了网络集中管控的局面。

但是，现有研究大多只解决了小规模组网和传输

的问题，针对未来大规模组网和应用的软件定义多维

光网络仍有许多问题，特别是网络的可扩展性问题、

网络状态的测量问题以及网络决策的智能问题等尚

未解决。

2 软件定义多维光网络架构

软件定义多维光网络架构如图 1 所示，主要包

含数据平面、控制平面和应用平面。

数据平面包括负责转发数据流的光转发节点

和光代理模块。光转发节点只负责数据的转发，光

代理模块通过南向接口与控制平面进行通信，向下

可以根据控制器的指令配置光节点的交叉连接，向

上可以将数据平面的网络状态上传到控制平面。常

见的南向接口协议包括扩展的 OpenFlow 、

MPLS-TP（multi-protocol label switching-transport

profile）、NETCONF（network configuration proto-

col）、OpenConfig 模型接口以及 OpenROADM MSA

（open reconfigurable optical add/drop multiplexer and

multi-source agreement）接口。

控制平面包含逻辑集中的光网络控制器。控制

器包含连接功能、拓扑资源、信令功能等多个功能

模块，负责整个网络的拓扑维护、资源控制以及应

用管理等操作，并通过北向接口为应用平面提供网

络操作系统层面的支持。

应用平面包括各种类型的网络应用。在应用平

面中，各种新兴的网络功能、路由与资源分配方案

等都可以实现，例如，路由与波长分配（RWA,

routing and wavelength assignment）算法

[13]

，路由、

波长与时隙分配（RWTA, routing, wavelength and

timeslot assignment）算法

[14]

，路由与频谱分配（RSA,

routing and spectrum assignment）算法

[15-16]

以及路由、

调制等级与频谱分配（RMLSA, routing, modulation

level and spectrum assignment）算法

[17-18]

等，从而完

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