软件定义分组传送网（SPTN）关键技术及应用研究

程伟强 中国移动通信有限公司研究院项目经理

王 磊 中国移动通信有限公司研究院技术经理

王敏学 中国移动通信有限公司研究院项目经理

1 引言

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）具有开放可编程、控制面集中、标准化协议3大优势，是网络演进的新方向。随着SDN技术深入研究的推进，已经对传送网、IP网、数据中心互联、移动核心网等产生了深远影响。

分组传送网（Packet Transport Network，PTN）作为新一代的传送网技术，占据全球50%以上的分组移动回传网络市场，并应用于电力、石油、铁路等行业。2009年起，中国移动率先部署全球最大规模的PTN网络，目前已在全国300多个城市部署超过90万端设备，主要用于无线基站回传和重要集团客户业务承载。

随着PTN的规模化应用，PTN网络在开通、运营维护环节遇到如下挑战亟待解决：

首先，PTN业务开通方面，不同厂家的PTN网络由各自的网管系统管理，综合网管通过工单系统，跨域业务需要由人工配置实现开通配置，业务开通效率低。

其次，PTN路由方面，在TD-LTE回传网中，核心L3 PTN由传统集中化网管提供静态路由功能，实现了超大规模网络路由的可管、可控、可规划，以及电信级的业务保障。但静态路由需人工配置，接口配置复杂，容易漏配置，路由数量多，维护难。

再次，传统网络无法向客户开放业务功能，如带宽自助调整、SLA自助查询等，难以实现电商化销售模式。

SPTN将SDN与PTN进行融合创新，为PTN网络提供智能化控制平面技术，能实现网络资源的灵活调度。引入SPTN控制平面技术，可进一步向传统PTN网络注入大带宽、智能化、高可靠的优势，能够提供灵活可控的大管道带宽定制，提供高质量的客户体验；能够实现集中化的控制平面、网络资源信息收集和智能的路径计算等能力；能够提供开放接口，使网络应用智能化；能够在转发平面实现保护和整网恢复相结合，提升网络可靠性。

本文从SPTN引入需求出发，首先提出SPTN总体架构及现网融合方案，其次深入探讨层次化控制器架构、功能和性能，北向接口及南向接口标准化等SPTN关键技术，最后介绍中国移动SPTN应用场景功能及SPTN发展规划。

2 SPTN总体架构

2.1 总体技术架构

PTN网络演进到SPTN网络，不仅涉及新设备和控制器的引入，同时也需要考虑现网设备和管理系统的演进。SPTN总体架构如图1所示。

图1 SPTN总体结构

首先，业务的转发处理，主要由现有PTN设备和新的SPTN设备执行，把由这些设备组成的数据平面统一称为传送平面，提供两点之间双向或单向的用户分组信息传送，也可以提供控制和网络管理信息的传送，并提供信息传输过程中的OAM和保护恢复功能。传送平面相关接口如图1所示，SQ、SO分别为传送设备PTN、SPTN设备与控制平面的接口。

其次，控制器组成了控制平面。SPTN网络将根据用途、地域、厂家等多种因素划分为多个单域，每个域由域控制器（Domain Controller，D-Controller）完成统一控制；同时，为了协调不同域控制器之间的交互，并向上层应用提供归一化的网络层体验，需要层次化超级控制器（Super Controller，S-Controller）来完成全网的协调和管理，实现网络资源跨域的协同控制。上层S-Controller通过调用D-Controller或下层S-Controller提供的北向接口，完成全网的协调和管理，实现网络资源跨域的协同控制。S-Controller与位于本层的D-Controller和下层的S-Controller（若有）通过北向接口实现信息交互。

控制平面相关接口如图1所示，Cij代表控制器之间的接口并且表现了控制器的级联和连接关系，其中i=0,1,2…n;j=1,2,…n,i!=j;当 i=0时 ，C0j代 表D-Controller与j级S-Controller之间的接口；当i=1时，C1j代表1级S-Controller与j级S-Controller之间的接口；以此类推，i=n时，Cnj代表n级S-controller与j级S-Controller之间的接口。

再次，管理平面仍延续EMS（Element Management System，网元管理系统）/SNMS（Sub-Network Management System，子网管理系统）、OSS（Operation Support System，运营支撑系统）以及BSS（Business Support system，业务支撑系统），完成对现有的PTN网络统一的网络管理和计费等功能，但需要根据SPTN的功能特性对其进行一定程度的升级改造。如图1所示，管理平面纵向与传送、控制、应用各平面均有接口。EMS/NMS通过与传送平面的接口I0完成对传送设备的管理，包括设备硬件管理、告警统计等功能，通过与控制平面D-Controller的接口I1完成管理和控制平面之间的信息同步。需要注意的是，目前D-Controller和EMS在物理上同设，因此这个接口为厂家私有接口。I2为OSS与控制平面接口，考虑到OSS信息的安全性，目前OSS仅与控制平面的S-Controller相连接；I3为OSS与APP服务器之间的接口，在物理上APP是属于OSS的一部分，便于实现自动工单下发等功能。

最后，各种网络应用组成了应用平面，通过调用控制层提供的北向接口API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）来对网络实施操作。APP服务器以及各种网络APP客户端通过调用控制平面提供的北向接口对网络进行操作。应用平面相关接口如图1所示：APP服务器与控制平面之间的接口NAi，在i=0,1,2…n;i=0时，NA0代表 APP服务器与D-Controller之间的接口；i=1时，NA1代表APP服务器与1级S-Controller之间的接口；以此类推，i=n时，NAn代表APP服务器与n级S-Controller之间的接口。APP服务器与APP客户端之间的接口I4、I5采用HTTP协议。

2.2 引入现网融合方案

由于SPTN控制平面需要与管理平面进行信息交互、数据库同步等工作，在部署SPTN控制系统时，最重要的问题是考虑如何在现网已有的管理平面架构中引入控制平面，以及划清两者的功能界面。

目前，PTN现网OSS系统如图2所示，主要包括综合资管、采集、集中故障、集中性能和运维交流平台等系统，主要以网络信息的分析与呈现为主，信息的走向主要是自下而上，即由设备通过网管上报给OSS系统。此外，OSS系统负责生成相应的工单，业务开通主要通过人工根据工单在网管进行操作配置，工作量大，效率较低。

图2 现网PTNOSS系统框架图

SPTN引入后整体架构如图3所示，控制器作为集中控制管理体系，控制流自上而下，实现业务的端到端资源管理、资源调度、业务自动发放和激活、路径的计算、全网流量的均衡、基于流量的运营；原OSS系统仍作为监控体系，控制流自下而上，进行集中故障、性能的监控。SPTN控制平面引入后，整体管控系统更加完整、丰富，能够进一步提高网络资源的利用率，打造开放、智能、健壮的分组传送网。

3 SPTN控制器关键技术

控制器在SDN体系结构中起着关键作用，是部署在网络设备之外的软件框架和部件，对数据平面硬件转发进行控制，并向更上层的应用提供服务。通过控制器对外提供的接口，外部应用可以通过应用接口对网络设备进行控制和管理。在基于SPTN的SDN网络应用场景中，控制器关键技术包括层次化控制结构、分布式部署、标准南北向接口、网络资源分片、策略控制等。

3.1 控制器层次化控制

控制器采用层次化控制结构，SPTN每个域由D-Controller完成统一控制；同时，S-Controller完成全网的协调和管理，实现网络资源跨域的协同控制，它可由多级级联完成。D-Controller控制本厂家资源，与S-Controller采用标准API互通；S-Controller具备跨厂家、跨域、资源协同功能，能够为不同的部门提供独立的操作界面，并提供策略配置，全局视角拓扑，最优化资源调度，充分利用每比特资源。

图3 SPTN引入OSS系统框架图

3.2 控制器分布式系统

SPTN控制器软硬件系统设计目标需满足以下两点基本要求：

首先，具有足够的可扩展性能，能在线实现规模及性能提升；

其次，能够对复杂问题进行高效计算，满足实时性要求。

图4 SPTN控制器架构图

SPTN的分布式部署架构见图4，其中业务应用层由多个虚拟机和业务配置组件组成；网络资源管理层屏蔽具体网络中网元、链路的差异，使得应用层不感知具体的网络硬件细节；分布式系统中间件提供分布式业务部署能力，包括基础通信、功能分布、数据分布、计算分布等。SPTN控制器基于并行算法，在集群内部协同控制器所在服务器的CPU对复杂问题进行高效计算，满足实时性要求，如网络的负载均衡、路径的动态恢复。SPTN控制器集群需具备动态弹性可伸缩功能，并需支持水平分布式和垂直分布式。

3.3 控制器层次及功能

在SPTN系统中，由控制器对网络进行集中控制。控制器完成网络拓扑和资源统一管理、网络抽象、路径计算、策略管理等功能，同时控制协议适配层和应用接口适配层，根据业务诉求为每个节点生成转发控制数据，并下发到各转发节点，控制网络的业务转发、保护恢复等行为。

从业务需求和技术实现的角度出发，SPTN控制器总体架构应包括北向接口协议适配层、业务层、策略层、网络结构层、资源抽象层以及南向接口协议适配层六个层次。同时还包括告警、性能、日志、数据库以及和控制信令通道接口模块等通用模块功能，如图5所示。

图5 SPTN控制器功能层次划分

北向接口协议适配层支持对业务适配的网络资源编程和控制接口，南向接口协议适配层完成对下层控制器、转发网元的控制。现有阶段，如果控制器和网管共存，可以采用控制器与网管的私有接口，不需要南向接口协议适配层。

资源抽象层通过收集网元信息，获取网络中网元、端口等状态信息。

网络结构层支持对网络进行抽象，屏蔽物理网络细节的能力，可以通过划分域内资源，将同一物理网络分为多个虚拟子网，提供给不同的用户。资源抽象层可提供物理网络抽象模型和虚拟网络抽象模型用于路径计算。

策略层完成策略管理功能，包括路由策略、保护恢复策略、QoS策略、OAM策略等控制策略。

业务层完成L2VPN、L3VPN、CES业务的建立与拆除，业务层使用策略层提供的各种策略完成业务寻路和保护恢复、QoS、OAM属性设置。

通用功能模块提供保障控制器正常、可靠工作必须的告警、性能、安全管理和日志查询功能。

S-SCN（SPTN Signal Control Network，SPTN控制网络）完成控制器与控制器之间以及控制器与网元之间安全可靠的传输通道。

控制器支持与管理平面互通的接口。

数据库负责业务、策略、资源、告警、性能等数据的存储和同步。

3.4 控制器性能

SPTN网络是一张大规模网络，每个APP需要服务数千万的客户，每个S-Controller需协调数十个域、数百万条业务，每个DController需管控数十万业务路径，传送平面包括数十万网元，因此控制器的性能必须具备可以在SPTN大规模组网环境下实时计算路由和负载均衡。首先，根据控制器所处的地位对其大体划分4个等级，其对应的路径计算能力和处理消息能力如表1所示。

4 SPTN标准化接口

表1 控制器性能表

4.1 标准化北向接口

北向接口是指控制器之间、控制器和APP之间的接口，目前中国移动采用RestConf接口标准。与此同时，管理平面仍然沿用Corba接口。Restconf是一种基于HTTP的接口协议，通过URI来描述资源，并通过GET/POST/PUT/DELETE 4个简单操作来描述功能，能很好地支持网络编程，目前业界推出的SDN控制器的北向API基本上都是基于Restconf的架构。SPTN控制平面的北向接口继承衍生了部分管理平面Corba接口的功能，但是从抽象的角度、层次、面向的功能、采用的方法论上都完全不一样，两者是独立的系统。

SPTN北向开放接口主要接口功能包括拓扑管理、业务控制、告警、性能监控以及安全管理等功能，如图6所示。

4.2 标准化南向接口

南向接口指转发设备与控制器之间的接口，目前PTN设备的南向接口基于Qx/SNMP，是厂家私有接口。对于新建满足SPTN标准的网络，需要支持基于ONF OpenFlow 1.3和OpenFlow Configuration 1.2扩展的标准南向接口。扩展主要针对MPLS-TP的OAM、APS、QoS等内容，具体扩展要求包括：

（1）转发Pipeline上要能够支持NNI到UNI侧的处理，以及UNI到NNI的处理，这个处理过程需使SPTN系统能够插入或者提取合适的OAM报文或者保护报文。

（2）对OAM的扩展：满足层次化的OAM要求，支持段层、PW层、LSP层以及业务层的各种OAM处理，以及不同厂家设备之间的互联互通，对OAM的扩展模块应置于传送设备，用硬件实现，以保证实时性。

（3）对线性保护倒换的扩展：线性保护需要运行较复杂的状态机，如果都运行在控制平面，50ms以内的快速保护倒换很难实现。在SPTN中建议将倒换状态机的运行作为黑盒放置于传送设备，该处理模块与OAM模块及OpenFlow Pipeline对接。同时，控制器运行协同机制，以保证保护倒换状态的一致性。

目前，针对SPTN的TTP（Table Typing Patterns）规范已经完成，并已成功进行基于不同芯片厂商、具有标准化南向接口的SPTN设备互联互通的演示。

图6 SPTN北向接口功能图

5 中国移动SPTN应用实践

SPTN是PTN网络的智能化演进，因此在引入之初，是为了解决PTN网络亟待解决的问题设计而生的。SPTN在现网应用的场景主要有LTE移动回传网络和政企专线两方面。

对于LTE移动回传网络，SPTN可提供运营商APP，简化网络运维和资源优化。中国移动已经在省公司试点SPTN提升L3 PTN网络运维，L3 PTN网络引入集中动态控制，优化回传网络资源配置，全局视角实现LTE回传配置自动化，简化运维，提高资源利用率，提高TD-LTE回传网络生存性，在L2转L3配置、新增基站配置、网络扩容等方面可提升75%效率，并可优化保护实现双归PW非同路由自动调整。

对于政企专线，业务开通过程中，SPTN可实现网络资源集中化控制，协调多层多域跨厂家资源，实现“T+0”业务开通；在客户体验方面，SPTN支持向用户开放部分网络资源，用户可自主发起业务、申请带宽调整，大客户自主安装APP，查看业务流量和SLA（Service-LevelAgreement，服务等级协议）；此外，SPTN除向政企用户提供传统的固定带宽专线服务外，还可以通过灵活的CIR（Committed Information Rate，保证带宽）、PIR（Peak Information Rate，峰值带宽）调度策略提供新型的专线业务，进一步提升客户体验。

6 SPTN发展与演进

SPTN为LTE移动回传网络和政企专线的网络运维、业务开通带来实实在在的好处，目前SPTN总体架构、引入策略、控制器架构、基本功能性能、北向接口已研究确定，未来将继续推进南向接口标准化，进行SPTN互联互通系统的规模现网试点，后续将在中国移动全网进行规模部署。

1 王磊,程伟强.城域传送网演进趋势.电信技术.2013,6

2 程伟强,王敏学,王磊.面向LTE规模商用的传送网新技术演进.电信网技术.2014

3 Li Han,Liu Sheng,Li Yunbo,Zhang Dechao,Cheng Weiqiang,WangLei.Requirements and Strategy of China Mobile on 100 Gbit/s Based Wavelength Division Multiplexing Systems.China Communications.4,2013

4 李晗,王磊,王敏学.LTE的抉择:PTN开始向L3功能演进.通信产业报.2011,7

5 王磊,王敏学,程伟强,李晗.TD-LTE回传网络和时间同步解决方案研究.电信网技术.2011,12

6 黄晓庆,唐剑峰,徐荣.PTN-IP化分组传送.北京邮电大学出版社.2009

7 IETF Standards Track.RESTCONF Protocol Draft-ietfnetconf-restconf-04.1,2015

8 程伟强,王敏学,张晴.城域POTN应用、设备和组网需求及分析.邮电设计技术.2015,3