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2023-06-19
设计与分析：光与无线混合接入的汇聚光网络架构
【摘要】：本节面向光与无线网络中PON与汇聚环形光网络互联场景的高时延问题，提出了一种去OLT化网络架构，并分析了该架构下的链路状态及其提升时延特性的优势。图4-3一般接入汇聚光网络与DAON架构链路状态对比DAON为一个由SDN控制器集中控制的混合网络。因此，与传统的接入汇聚光网络相比，DAON特有的链路状态可以实现更低的通信时延。
本节面向光与无线网络中PON与汇聚环形光网络互联场景的高时延问题，提出了一种去OLT化网络架构，并分析了该架构下的链路状态及其提升时延特性的优势。
在现存架构中，汇聚环形光网络和PON是光与无线网络中最常见的光组网方案。汇聚环形光网络与PON互联的网络架构如图4-1所示。汇聚环形光网络包含核心路由器和边缘路由器。核心路由器通常为汇聚路由器（Aggregation Router，AGR），边缘路由器通常为波长选择开关（Wavelength Selective Switch，WSS）。其中，AGR的功能为汇聚数据并连接核心网，WSS的功能为光交换。常见的PON是一个通过光纤连接的树形网络，包含一个OLT、一个分光器以及多个光网络单元（ONU）。其中，OLT与ONU分别连接汇聚网络与用户，为终端用户提供光接入服务。OLT作为网关被部署在两个光网络的边缘，负责PON的管理、控制、协议转换以及数据汇聚。OLT中的O/E/O转换与轮询过程存在于两个全光网络之间，对于网络时延性能有着明显的影响。
图4-1 普通PON与汇聚环形光网络互联架构
基于SDN驱动的PON[20-22]中的控制器可以实现大部分与OLT相似的控制功能，这极大地弱化了OLT在此类网络中的重要性，使得去OLT化成为可能，并有望成为实现更低端到端时延的有效解决方案。本章所提出的DAON架构如图4-2所示，分为数据层与控制层两个层面：数据层包括支持OpenFlow与OBS技术的ONU（OpenFlow and OBS enable ONU，OFBS-ONU）、支持OpenFlow与OBS技术的WSS（OpenFlow and OBS-enabled WSS，OFBS-WSS）、支持OpenFlow与OBS技术的AGR（OpenFlow and OBS-enabled AGR，OFBS-AGR）以及分光器；控制层包括一个SDN控制器。DAON架构为基于时分复用与波分复用混合的灵活PON（TDM/WDM Flex-PON）[20-22]与汇聚环形光网络互联架构的进一步优化设计。其中，TDM/WDM Flex-PON为最有希望实现的下一代光接入方案，汇聚环形光网络为最常用的汇聚光网络方案。DAON架构中作为网关的OLT被移除，由此建立了一个混合光网络，同时，引入SDN编排来补偿去OLT化导致的网络控制功能缺失。
图4-2 DAON架构
在数据层，去OLT化的PON直接通过光纤连接到OFBS-WSS上，以此在OFBS-ONU与OFBS-AGR间构筑全光链路，网络架构也变成了包含一个环与树形光纤链路的混合型光网络。为了避免数据冲突，在数据层的汇聚部分采用WDM，而在接入部分采取WDM与TDM混合的复用方式。
人们在控制层部署了SDN控制器，通过扩展OpenFlow协议来控制DAON架构下的全局网络设备。SDN控制器部署并集成到DAON地理中心的OSBF-WSS中，以最大限度地减少信令时延差。SDN控制器通过现有光纤中的安全通道与所有其他的OFBS-ONU、OFBS-WSS和OFBS-AGR连接。安全通道占用一部分波长，与数据通道在同一根光纤中共存。在OFBS-WSS和OFBS-AGR中采用基于SDN的OBS技术来实现光交换功能。
通过扩展DAON中每一个设备的功能模块，可以有效地支撑SDN编排与OBS技术。SDN编排不但能消除不统一的网络协议带来的融合阻碍，为全局提供统一的控制与管理功能，还能简化OBS的控制过程[23]。
DAON中的链路状态相对于传统的接入汇聚网络发生了一定变化，并在传输方面显示出了巨大优势。图4-3对比了DAON与传统的接入汇聚光网络中的链路状态。在传统的光与无线网络架构中，接入网与汇聚网是完全相互独立的，且每个网络都通过WSS和分光器等全光设备支持透明化传输。ONU、OLT与AGR是网络中的网关以及汇聚节点。在这些设备中的静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM）被用来存储与汇聚业务数据，所以存在E/O或者O/E/O转换过程。由OLT中O/E/O转换所导致的时延已经成为传输过程中不可忽略的一部分。
图4-3 一般接入汇聚光网络与DAON架构链路状态对比
DAON为一个由SDN控制器集中控制的混合网络。数据层的设备与SDN之间的交互通过安全信道来实现。为了弥补OLT缺失带来的不良影响，OLT的控制管理功能被迁移到了SDN控制器上，并且增强了OFBS-ONU与OFBS-AGR上的汇聚能力。当业务流通过DAON传输时，基于SDN编排可以在OFBS-ONU和OFBS-AGR之间构建全光通信链路。由于消除了OLT中的O/E/O转换延迟和轮询延迟，DAON对时敏业务的服务质量将大大提高。因此，与传统的接入汇聚光网络相比，DAON特有的链路状态可以实现更低的通信时延。
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