軟件定義光網(wǎng)絡如何解決故障恢復和資源分配問題

　　軟件定義也就是sdn技術，把控制層面和數(shù)據(jù)平面分離。意思是網(wǎng)絡管理者不直接操作底層的設備了，而是通過編程的方式，讓一個叫控制器的程序去操作交換機等設備。

　　這樣做的好處就是，可以極大地增強控制層的靈活性。比如原來，網(wǎng)絡管理員要為一個路由器配置防火墻，那么就得登上這個設備來設置一些規(guī)則，而這些規(guī)則一般是一段時間保持不變的，改起來也很麻煩，因為每個設備的指令都不同。但是借助sdn之后，你就可以直接在控制層面操作這些設備，設計隨便任何各種轉(zhuǎn)發(fā)和路由的規(guī)則，設計新的網(wǎng)絡協(xié)議，提供各種各樣的服務，實現(xiàn)很多的安全方案等等。

　　傳統(tǒng)IP分組交換網(wǎng)使用域內(nèi)路由協(xié)議（Interior Gateway Protocol，IGP）和域間路由協(xié)議（Border Gateway Protocol，BGP）實現(xiàn)了完美的互聯(lián)，構建了全球范圍內(nèi)的大規(guī)模Internet。但是，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，新業(yè)務層出不窮，業(yè)務需求也千變?nèi)f化，傳統(tǒng)分布式的網(wǎng)絡已不堪重負。同時，由于控制平面與數(shù)據(jù)平面集于一身的特征，傳統(tǒng)網(wǎng)絡也面臨網(wǎng)絡擁塞、設備復雜、運維困難、新業(yè)務部署慢等諸多問題。軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Networking，SDN）打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的垂直集成，通過控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的方式實現(xiàn)了控制邏輯集中、開放網(wǎng)絡編程接口的特點，為網(wǎng)絡注入了新的活力，使得網(wǎng)管可以對網(wǎng)絡進行靈活地配置與重配置。

　　SDN的可編程性和開放性也為光網(wǎng)絡的革新提供了新的機會。光網(wǎng)絡在經(jīng)歷了時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）、波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）之后也趨于走向未來的基于正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）的靈活的彈性光網(wǎng)絡（Elastic Optical Networks，EONs）。然而，EONs繼續(xù)為網(wǎng)絡用戶提供大容量傳輸?shù)耐瑫r，也對光網(wǎng)絡的靈活管控提出了新的挑戰(zhàn)。因此，SDN和EONs的結(jié)合（SD-EONs，架構如下圖所示）會是未來光控制平面的有力解決方案之一，本文將從軟件定義光網(wǎng)絡中的故障恢復和資源分配兩個方面做簡短的介紹。

　　圖（a）SD-EONs網(wǎng)絡架構;（b）BV-WSS結(jié)構;（c）OF-AG結(jié)構;（d）ER結(jié)構;（e）光流表

　　一、故障恢復

　　任何網(wǎng)絡都應該具有故障的容忍能力，當然光網(wǎng)絡也不例外，恢復力也是光網(wǎng)絡中最渴望的屬性之一。在SD-EONs中，恢復力通?？梢苑譃楸Ｗo策略和恢復策略。保護是一種先驗式的策略，而恢復是一種反應式的策略。保護策略是預先規(guī)劃的，無論網(wǎng)絡故障是否發(fā)生，它們總是一直存在著。文獻1中提供了一種環(huán)網(wǎng)的保護策略，利用流表的優(yōu)先級來預先下發(fā)高優(yōu)先級的工作流表和低優(yōu)先級的保護流表。網(wǎng)絡正常工作時使用高優(yōu)先級的流表，一旦網(wǎng)絡發(fā)生故障立即切換到低優(yōu)先級的流表來恢復網(wǎng)絡的通信。保護策略的好處就是故障恢復的時間非常短，因為整個過程不需要額外的信息交互。缺點就是保護路徑再次發(fā)生故障時無法恢復通信，此外對于大規(guī)模復雜的網(wǎng)絡拓撲設計完善的保護算法的難度也非常大?；謴筒呗孕枰O計感知故障的方法，同時也要設計用于故障恢復的算法。文獻2中利用探測包的方式動態(tài)地監(jiān)測網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)，一旦節(jié)點或鏈路發(fā)生故障，光代理模塊會將故障信息反饋給控制器，控制器中的故障恢復應用運行動態(tài)的路由算法DAPSP（Dynamic All Pairs Shortest Paths）通過重路由的方式來恢復通信。當然，在軟件定義的光網(wǎng)絡中，控制器的故障也不容忽視，因為一旦控制器發(fā)生故障很可能會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓。文獻3設計了一種主從控制器的方案來加強控制平面的魯棒性。主從控制器之間周期性的同步網(wǎng)絡的狀態(tài)信息。在正常工作狀態(tài)下，使用主控制器來管控網(wǎng)絡，一旦主控制器發(fā)生故障，從控制器立即接管網(wǎng)絡的控制與管理。

　　二、資源分配

　　EONs利用光正交頻分復用（Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OOFDM）技術可以根據(jù)不同帶寬的業(yè)務請求按需動態(tài)的分配頻譜資源，并將頻譜資源分成許多細粒度的頻隙，同時還可以根據(jù)請求的需要把頻隙進行拆分與聚合，這樣就能夠節(jié)約頻譜資源，從而提高頻譜資源的利用率。EONs最明顯的特征就是彈性可變，多調(diào)制模式類型的轉(zhuǎn)發(fā)器能夠根據(jù)業(yè)務類型自主地選擇最佳的調(diào)制等級。在SD-EONs中設計路由與頻譜分配算法應該注意頻譜連續(xù)性、頻譜一致性和頻譜沖突性三個約束。頻譜連續(xù)性：是指為每個業(yè)務分配的頻譜槽必須是連續(xù)的，中間沒有間隔;頻譜一致性：是指對于一個業(yè)務來說，在光路徑經(jīng)過的光鏈路上，應采用相同序號的光譜資源;頻譜沖突性：是指不同業(yè)務之間需要一定的保護帶寬，用以保證每條業(yè)務連接請求所占用的頻譜間隙不重疊，確保信號在傳輸、處理過程中不會相互干擾。文獻4設計了一個基于頻譜效率與連通度（Spectral Efficiency and Connectivity，SEC）的路由調(diào)制等級和光譜分配（Routing， Modulation Level and Spectrum Allocation，RMLSA）的算法SEC-RMLSA來提升SD-EONs的業(yè)務承載能力。

　　光流表

　　在光設備中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)應該按照光流表來進行操作。一個簡單的光流表由輸入端口（In Port）、輸出端口（Out Port）、中心頻率（Central Frequency，CF）、頻譜槽寬度（Slot Width，SW）和調(diào)制格式（Modulation Format，MF）組成。在這里介紹一種基于Flow_Mod消息擴展光流表的簡單方法。

　　小提示：

　?。。捍蠖舜鎯?C：char，字符型;B：一個字節(jié)長度，無符號字符型;I：4個字節(jié)長度，int型;H：兩個字節(jié)長度;Q：八個字節(jié)長度;x：padding;3x：3個字節(jié)的padding;5s：5個字節(jié)的字符串。在光設備中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)應該按照光流表來進行操作。一個簡單的光流表由輸入端口（In Port）、輸出端口（Out Port）、中心頻率（Central Frequency，CF）、頻譜槽寬度（Slot Width，SW）和調(diào)制格式（Modulation Format，MF）組成。在這里介紹一種基于Flow_Mod消息擴展光流表的簡單方法。

　　步驟1

　　目錄：ryu/ryu/ofproto/ofproto_v1_3.py

　　首先，先需要把ofp_action_output中的協(xié)議格式重新定義，即將原來末尾的6x填充域重定義為3個HHH的格式，分別用于存儲中心頻率、頻譜槽寬度和調(diào)制格式。

　　步驟2

　　目錄：ryu/ryu/ofproto/ofproto_v1_3_parser.py

　　接著，在解析和序列化函數(shù)中分別添加中心頻率、頻譜槽寬度、調(diào)制格式3個變量。

　　步驟3

　　目錄：在你所開發(fā)的應用中。

　　最后，將擬設計算法輸出的3個參數(shù)加載到action中的末尾。以及將封裝好的Flow_Mod消息發(fā)送給光代理。如圖所示的結(jié)果，利用Wireshark抓到的Flow_Mod消息。