光网络模型及其应用软件定义网络管理

文摘

软件定义网络正逐渐融入光网络。这里,它承诺简化和统一的网络管理光纤网络允许操作的自动化任务尽管高度多样化的和特定于供应商的商业系统的复杂性和模拟光传输的性质。常见的抽象和接口软件定义的基本组件光学网络。目前,光纤网络的模型是可用的。他们都声称提供开放和厂商无关的光学设备的管理。在这项工作中,我们调查和比较最重要的模型和提出的目的接口用于创建虚拟拓扑集成现有模型中的生态系统。

1。介绍

软件定义网络的提高(SDN)是导致网络运营的范式转变。控制和数据的分离平面推(逻辑上)集中控制器的开发实体。这些控制器负责飞机的配置数据。在光网络中,每个供应商都有自己的封闭的网络管理系统(NMS)通过专有接口与访问设备。这一事实导致网络中供应商岛屿。即使NMS是一个集中的实体,它有一个更广泛的范围比一个控制器和缺乏标准化模型和open-southbound和northbound-interfaces为止。此外,光学设备是模块化的,导致节点约束基于硬件配置。与当前的基于ip的网络,光学领域最常见的部署电路交换。假设每个(交叉)输入和输出端口之间的连接是可行的,与分组交换网络,并不适用于现实的光学网络模型,通过供应商和运营商。在一个物理网络的层面上,模拟自然会导致网络的约束; for example, optical signal-to-noise ratio, crosstalk, and dispersion affect the maximum signal reach. They have to be taken into account, before setting up services through the network, and therefore need to be modeled correctly.

5克将在下一代移动网络中引入灵活性。他们需要SDN原则支持灵活控制和自动化基础设施的网络管理任务。引入一个新的概念,5 g,是创建服务意识到片(1,2]。预计特定用例或应用程序将得到专业的网片和同意的属性。他们将使用一个共同的或共享的基础设施,这是使用网络虚拟化技术的能力。常用的软件,对虚拟化网络,被称为网络管理程序(3]。它代表之间的中介层硬件和北行的客户端控制器。它创建虚拟拓扑,使其客户,并适当地将传入的控制命令。由于光学传输网络是当代著名的核心网络的一部分和下一代移动网络部署,他们需要支持一个类似的功能(4]。那些光网络管理程序将能够维持光资源和公开多个片租户。在光学领域中,新的开放和标准化接口的要求,一方面,允许应用程序请求和控制网片,另一方面,统一的控制硬件来自不同的供应商。

各种各样的光网络模型,涵盖各个方面,近年来已经出版。范围从通用光学网络元素的描述,为了统一配置过程,编制网络控制器模型,允许全网管理服务(5]。的一个因素导致这越来越多的模型是杨的造型语言6]。杨便于建立模型,可以很容易地应用于协议(7)以及代码生成。所有模型都建立一个开放的目标统一网络管理基本功能的光学设备,独立的供应商,而不是使用封闭nms专有接口。的适用性SDN光纤网络依赖这样的配置和拓扑模型以供光学域或控制器包括光网络在多畴的SDN环境。出于这个原因,现有的管理模式移植到杨,例如,ITU-T G.874.1(11/2016),并接受一个统一的过程;也就是说,他们是基于ONF核心模型(8)和遵循相同的造型指南。运营商希望优化其业务通过统一模型,假设与简化网络管理全局视图控制器通过自动化,使其更有活力的和有效的。

文献[9)全面调查技术SDN应用到光纤网络包括虚拟化和编排。它的结论是,简化管理策略是必需的,但是不包括集中的光网络管理模型。我们的工作旨在缩小这个差距。我们调查最相关的模型定义的标准化机构和开放的行业联盟和描述它们。我们专注于专业模型,试图捕捉光网络的属性和抽象他们一组的参数最小公分母。我们给的概述建立和目前最成熟的。此外,我们确定虚拟拓扑创建作为目前描述的差距并提出一种新的模式关闭。

工作的结构如下。首先,我们介绍一个常见的术语。节3,我们一组网络管理功能列表表示模型的应用领域。然后我们介绍和评估选定的光学模型。最后,我们目前的意图模型虚拟拓扑创建节6。

2。常见的术语

我们提供一些常用的一般定义术语,映射到更具体的定义在模型的比较。

图被定义为一组顶点相连的边缘。网络拓扑结构是一个图,它包含节点(顶点)和链接(边缘)。的模型,认为单向链接,否则如果没有声明。一个通用节点包含一个终止点(TPs)数量的链接。链接TPs,也称为端点代表附件点链接。一般来说,他们没有分配到任何特定的层,即使一些模型定义为特殊用途,并将它们分配给层。链接代表两个链接TPs之间的邻接的两个不同的节点。路径列表遍历节点和链接按一定的顺序排列。提出模型的精确定义不同,例如,路径的端点的类型。虚拟拓扑,有时称为抽象或定制的,是指一个网络视图,这是不同于底层物理网络拓扑。 This is typically achieved by hiding details of the underlying network. A network slice is a portion of a network, similar to a virtual topology, which is created according to a set of requirements, for example, capacity, latency, and availability. The difference is that the slice is provisioned from the start and used by services sharing common characteristics.

3所示。网络管理功能

我们已经识别出一套应用领域的光学模型基于基础设施提供商的观点。供应商管理他的网络需要不同的粒度级别的操作。一方面,计算路径和安装服务最好全网视图上执行。另一方面,特定于设备的设置和监控需要细粒状节点视图访问每个设备。路由和频谱分配(RSA),两者的结合可能需要确定内部节点约束以及网络约束。

从一个SDN控制器的角度来看,第一个也是最重要的任务是建立一个拓扑。这意味着发现设备和链接的管理基础设施。许多任务的先决条件,依靠网络范围。其中一个是路径计算,进行网络的拓扑表示。这表示需要注意的约束。在许多情况下,计算是通过一个专门的路径计算元素(PCE),但它也可以是控制器接口模型的一部分。在后续步骤中,计算路径通常用于建立服务或优化目前的作业。最好,服务上执行设置网络范围、定义端点和一些约束,NMS相似。然而,这是可以做到在每个设备的基础上,主要增加了复杂性。单个设备的配置也很重要,配置新设备,改变纤维地图,或定义端口功能。 In addition, monitoring is a major task for operations. On a device level, optical characteristics can be captured, for example, signal properties, and evaluated. If a controller or an NMS aggregates monitoring data from different sources, additional information and metrics with a network scope can be calculated, for example, the location of a fiber break by correlating alarms.

网络的虚拟化是越来越感兴趣的领域。虚拟网络需要映射到物理同行和暴露给客户端。同样,(虚拟)的配置和服务请求需要翻译硬件指令。直观的方式请求虚拟网络意图实现的接口。意图指定的用户希望实现而不需要知道它是如何实现的。虽然我们专注于光纤网络,我们不想忽略其他网络层边缘并简要考虑转型,需要有效的多层操作。最后,网络管理应该能够适应新的技术。当前发展的一个例子是标准化的灵活密集波分复用网格,它需要额外的频谱分配的参数。网络管理功能和作业范围归纳在表格1。

4所示。可用的模型

我们将调查四个选择模型,目前受到最多关注供应商之间,供应商和运营商。模型是ONF传输API (TAPI), IETF TE拓扑,OpenConfig, OpenROADM。

4.1。ONF TAPI

开放网络基金会(ONF)定义了一个应用程序编程接口(API)运输网络,称为运输API (10]。ONF核心信息模型(8),它描述了一个通用的网络模型,作为一个起点。TAPI公开相关信息的应用程序和控制器。

拓扑网络资源被定义为一组由节点和链接,包括扩展逻辑TPs从核心模型(见图1)。三个逻辑TP TAPI中定义的类型。Node-edge-points封面对内方面,转发功能。节点的入口点和出口点,端点负责封装。服务端点关心的是所面临的外在方面。他们提供了一个抽象视图到客户端并可以映射到多个node-edge-points。最后一个类型是connection-end-points。他们连接的入口和出口方面,代表启用转发功能,客户机-服务器与node-edge-points的关系。

TAPI覆盖一组5个控制平面的功能和服务。的拓扑服务关心的是拓扑信息的检索。不同粒度的定义,从整个拓扑个人node-edge-point细节。的连接服务是服务端点之间用于创建和管理服务。连接是实现底层连接代表转发行为和与connection-end-points相关联。可以递归地建立和控制线路连接。在更高的层次,一个途径是在底层拓扑连接的列表。在最低层,它们对应于一个开关矩阵。服务接口不需要先验知识的拓扑。的路径计算服务的主要目的是计算和优化的点对点的路径。的虚拟网络服务允许用户请求虚拟网络拓扑对服务端点之间基于流量约束。要通过预留资源,可以实现控制的客户端。最后,通知服务是一个最新的添加到模型中。通知类型目前仅限于创建和删除对象和改变参数值和状态。警报造型和性能监控定于下一个版本。

4.2。IETF TE拓扑

TE(交通工程)拓扑结构后,提出了分层的进口依赖图进行了总结2。

4.2.1。准备网络和网络拓扑结构

的IETF-network(11)描述了简单网络层次结构及其相互关系。一个网络是由节点和支持网络。网络可能支持网络对应于衬底网络。定义的节点相对于多个网络的网络,且不能被重用。节点可能支持节点,这是一个支持网络的一部分。

的IETF-network-topology定义在相同的(草案11]对纯网络模型进行扩展,添加终止点连接的节点和链接。因此,拓扑是支持,而前面定义的层次结构。终止点和链接可能支持相同类型的实体。保持一般自然,没有限制特定的实现,例如,物理或逻辑端口。

4.2.2。TE拓扑

的IETF-TE-topology(12)描述了一种存储交通工程数据在TE数据库(TED)。表示支持路径计算清楚物理约束的同时保持独立于协议的。香草TE拓扑结构定义了一个通用视图的一个给定的网络,发现使用任何可用的技术或协议。一般来说,TE拓扑数据的控制平面表示平面拓扑。拓扑提供者可以为客户端创建一个虚拟拓扑叠加,叫做抽象拓扑在这种情况下。

TE拓扑包含TE和节点的链接。TE节点代表一个或多个潜在的一小部分节点和绑定到特定的拓扑。多层TE节点可以分解成一个客户机和服务器层。转换是由那些层节点之间的联系。一个连接矩阵显示链接TPs之间的有效联系。计算TE路径描述潜在连接的节点和链接。TE拓扑可以构建层次结构中一个衬底拓扑作为基地覆盖拓扑。

4.2.3。技术特定的扩展

实现一个网络表示,TE拓扑需要增强技术的具体细节。

的IETF-WSON-topology(13)添加一个描述impairment-unaware WSONs(波长交换光网络)。我们的目标是支持路由和波长分配。重要的扩展是固定和可重构光节点的节点类型和增强WSON连接矩阵来描述可用的交叉连接。

flexi-grid扩展(IETF-flexi-grid-TED / IETF-flexi-media-channel)定义在[14]。它包含两个定义:TED定义flexi-grid设备和媒体通道描述路径。TED部分定义了三种类型的flexi-grid节点:节点,应答机,切割的应答器。节点代表一个波长切换基于连接矩阵。转发器定义传输参数,例如,调制格式。实际的电网信息存储在链接。独立的媒体通道描述扩展了泰德表示路径定义包括频谱的分配。

4.3。OpenConfig

OpenConfig (http://www.openconfig.net/(访问31.03.2017])是由网络运营商项目定义模型驱动的网络管理接口,这是独立于供应商的。模型试图捕获配置和状态参数。此外,性能监控模型的核心部分。我们只考虑五个模型相关的光学传输(0.4.0版)。

的openconfig-transport-type模型类型和身份为光学设备的集合。第一个通用数据元素中定义openconfig-transport-line-common。光学线端口分配一个特定类型,也就是说,在添加或删除。光学监控通道(OSC)配置了可用的OSC接口。

的openconfig-optical-amplifier部署模型描述光学放大器传输线路系统的一部分,例如,EDFA和拉曼。增益参数,输出功率和操作方式,可以配置和实际获得的价值观和捕获输入功率。

终端systems-client和行是定义在openconfig-terminal-device。后的终端系统描述客户线方向。相反的方向是隐式的。物理端口代表一个物理,可插入端端口的设备运行状态和性能监控。每个物理端口都有一个或多个物理通道。他们的主要目的是允许个人监督渠道,建立完整的端口容量。从模型的角度来看,逻辑通道入口定义了贡献收发器和物理通道。逻辑通道是一个用于代表逻辑梳理元素分组。他们被分配到另一个逻辑通道,以添加另一个阶段的多路复用(或多路分解),或一个光学通道,这对应于线路侧传输和分配一个载波波长或频率。协议类型定义的两个逻辑通道是以太网和光纤传输网络(OTN)。 In general, the model assumes that the NMS will verify correct combinations of protocols.

最后,openconfig-wavelength-router模型包含一个定义为光学传输线路系统节点或ROADMs(可重构光学Add-Drop多路复用器)。波长路由器被定义为一个可配置的开关元件。媒体频道所描述的是一个上下的频率,因此指定频带。这个媒体通道指定一个输入和输出端口,从而定义了流内部的节点。

4.4。OpenROADM

OpenROADM是ROADM的行动定义一个白盒模型基于光学设备,可以通过一个控制平面,即OpenROADM控制器(15]。它创建一个网络视图,这个视图抽象通用设备表示特定于供应商的设备,可用于服务实例化或路径的计算。造型是紧密耦合的结构ROADM节点,导致两个基本构建块,方向/学位和添加/删除组。方向或学位的块连接到另一个ROADM节点度和内部结构在另一边。添加/删除组是一个单位,允许添加和删除波长之间的纤维和客户端端口。在模型中,客户端端口分组基于共享风险组(SRGs)。连接客户端设备,包括转发器和路由器,叫做尾巴。

度有两种类型的(逻辑)TPs: TPs和连接。小道的TPs面临一定程度的相邻ROADM并终止光学多路复用部分(OMS)轨迹。连接TPs(茶多糖),另一方面,是用来连接添加/删除港口和通过内部表达交通节点。

添加/删除组是一个构造组成的波长选择开关(WSSs)、放大器和分割/组合器发射和接收信号。转发器连接添加/删除端口和连接点(CP)正面临度。添加/删除组被分配一个或多个分析取决于硬件配置。每一个分析包含CPs的一对。此外,各种警报和性能度量可以在这个水平。

逻辑连接链接是一个工具来表示构件之间的连接/布线。它们覆盖外部度和内部布线之间的连接度和SRGs之间。表达链接是用于交通流量,在内部传递到另一个港口(CTP)从一个学位。连接图是基于输入从计划。波长表示为扇出连接点。每个波长收到自己的节点。它使终止点的数量的每个方向可用波长数。

服务的路径计算可以反面或节点之间进行。在第二种情况下,适当的SRGs和转发器返回(如果可用)。服务是纯粹wavelength-based忽略任何其他参数。只能应用于路由约束影响路径计算的结果,例如,多样性,包容,和排斥。

5。为光网络的评估模型

模型评估基于先前提出的管理功能。评价总结表2。

我们从模型的分类根据(16]。TAPI和TE拓扑网络服务的标准模型。OpenROADM OpenConfig,另一方面,在网络模型元素水平和特定于供应商的定义,即使OpenROADM可以被视为有一个网络范围在某种程度上;调查的三个模型能够代表拓扑。只有缺乏OpenConfig链接或等效的概念实体。这使得它不适合路径计算的。虽然TAPI提供一个应用程序接口检索路径,TE拓扑和OpenROADM表示,可以用来执行实际的计算。计算路径可以通过安装TAPI的连接服务或服务OpenROADM的远程过程调用。TE拓扑只能与一个活跃的结合使用有状态的PCE管理服务。OpenConfig不能这样的全网业务没有额外的实体与拓扑的知识。 However, both device-oriented models, that is, OpenConfig and OpenROADM, are able to configure individual network elements. The TE Topology is limited to the information available for the path computation, whereas the TAPI focuses on network-wide operations and the individual devices are out of scope. Notifications and performance monitoring are management tasks that the network element scoped protocols support very well. Being intended for a TED representation, the TE Topology does provide notification mechanisms about changes. To some extent, the same is true for the TAPI and further extensions towards alarms and performance monitoring are planned. Virtual topologies are only supported by the TAPI and TE Topology. At the edge of the optical network, interworking with other layers is required. The TAPI defines a set of known signals, for example, OTN and Ethernet. The generic TE Topology requires extensions to support any technology specifics but is very flexible in using them. OpenConfig comprises models for many protocols, like IP, Ethernet, and MPLS. The interworking takes place at an individual device level. Finally, OpenROADM supports transponders and pluggables at its edge. For external devices, additional information needs to be handed over to the controller.

最后一点,我们调查,是当前发展的考虑。我们选择灵活的DWDM网格作为一个例子,已经被标准化但还没有被广泛部署。大多数的模型没有提供任何信息灵活网格场景的适用性。因此,我们需要评估当前的定义和调整。TAPI,一个非常通用的定义提供了一个中央频率或波长。这并不足以描述灵活网格,但它可以增加的起点。TE的拓扑中,专门的扩展已经可用。OpenConfig而言,一个频率值/光学通道是可用的。因此,它不能代表新网格没有变化。OpenROADM专注于捕捉ROADMs的一代。 Particularly the representation of wavelengths by individual connection points makes an adaptation very hard without major changes of the model.

所有提出的模型有一个特定的应用领域。支持网络虚拟化,我们绘制了模型通用光网络管理程序体系结构(图3rhs)。管理程序需要客户之间的调停人的角色的SDN控制器和网络元素。从顶部开始,TAPI涵盖范围广泛的应用程序所需的接口和控制器。这意味着它是一个很好的适合hypervisor的北向的API,这需要全网业务的支持。一般来说,IETF-TE-topology撒开的网络是一个可扩展的表示。这使它适用于管理程序的内部表示。覆盖是适合为客户创建虚拟拓扑。的功能通常是添加一个附加PCE hypervisor接管了。对于网络的配置元素,也就是说,南行接口,OpenConfig和OpenROADM是可能的解决方案。的光学部分OpenConfig仍在初期阶段,侧重于单个组件的配置和监控光学传输系统。 Many parts of the optical model are currently undefined. OpenROADM provides a device as well as a network view. It is very operations-oriented, meaning that all components have associated management parameters like physical location and vendor information.

提出的两个模型,即TAPI TE拓扑,允许创建虚拟拓扑。在[17,18),为网络虚拟化定义接口被确定为一个关键的研究挑战。到目前为止,仍然没有直接的方法为客户或应用程序定义了一个拓扑只需表明他或她的意图。网络嵌入相比,创建一个虚拟光网络拓扑结构,然后可以由客户控制SDN控制器,不包括网络中节点的任务。潜在的端点连接分配给客户事先由基础设施提供者。主要任务是创建链接基于impairment-aware RSA为了获得拓扑。

6。意图模型定义一个虚拟网络拓扑

创建虚拟拓扑的基础技术,使光传输网络的虚拟化和切片为多个租户和场景,例如,网络切片5 g。目前的工作(19提到两种方法来创建一个虚拟拓扑:第一个是直接定义的拓扑模型,另一个是基于一个流量矩阵,尚未定义的结构。支持第一种方法TE拓扑和TAPI遵循一种方法类似于第二个。文献[20.使用图)显示一个intent-based网络定义。端点被分组在政策领域(节点)和通过政策连接(链接)。没有详细的参数、节点的分配和交换模型已经出版。在[21),三组的虚拟拓扑意图介绍了高层的政策。一个拓扑意图描述端点之间的连接。端点意图捕捉端点之间的关系的要求,如带宽。最后,意图延长链的前一个链接网络功能。不幸的是,没有详细给出了意图或他们的造型和拟议的架构只适用于开关。

当前的解决方案创建虚拟拓扑,如手动进入网络布局,过于复杂,容易出错,最重要的是不能轻易定义和修改客户端。客户应该能够表达他的拓扑请求基于一组简单的意图。我们认为这个接口一块失踪在软件定义光学网络管理和提出一个意图界面模型来解决这个问题。生成的拓扑结构可以表示、交换和控制基于现有TE拓扑和TAPI光学模型。的基本输入虚拟拓扑创建(图3、lh)分配客户端端口,提供者约束,和客户的意图,通过一个应用程序编程接口。提供者的约束范围的工作但是他们可能定义的抽象级别通过调整网络的可见性的细节。

我们建议的模型允许用户定义虚拟拓扑表达需求的形式建模语言中定义的意图和它是杨。模型由两个主要数据入口点:端点和拓扑。的端点路径代表了国家,用户不能更改。它包含一个列表的所有端点分配给客户端查询界面。重要的是给客户一个方式来访问这些信息作为起点为他的虚拟拓扑请求。任务将由供应商维护基于现有协议。端点本身是通用的,可以代表节点,模块,或港口,根据层次的抽象接口应用。可以通过添加额外的信息,比如,用户友好的描述。从的角度虚拟拓扑创建,只需要一个独特的端点标识符。

进行配置,因此创建中存储的数据拓扑子树。这个顶级元素包含安装拓扑为这个特定的用户的列表。这些拓扑包含一个标识符以及意图的列表。拓扑的唯一性标识符是实施的关键属性列表,也适用于其他标识符。个人意图把一组端点与这些端点所需要满足的要求。这些参数包括专用带宽,只保留,和灵活的带宽,这是与他人分享,并不总是可用的。都是表达兆比特/秒,从而给用户一个简单的方法来定义拓扑基于比特率,而不是等着他熟悉技术细节,如灵活的WDM网格和调制格式。此外,参数解决属性可用的路径,即链接在虚拟拓扑,包括。那些包括并行路径的最小数量和剥离的需求,例如,链接或节点不相交。也可以请求一个光学保护。最后,并行连接的最大数量是包括在内。它定义了多少连接可能是活跃在任何给定的时间点上。这意味着定义潜在的链接连接但只有一定数量的人在同一时间可由用户提供。基于一个或多个这样的意图组,创建一个拓扑和接触客户的SDN控制器,然后能够控制需求的虚拟网络。分配一个例子端点和一个拓扑算法基于一个意图所示1。如果我们的杨模型被用来定义一个RESTCONF接口,JSON表示将匹配响应请求的当前配置虚拟拓扑。例子对应客户的拓扑如图3。

下一步就是定义一个创造者(图算法的虚拟拓扑3)能收集个人的意图,结合,创建一个虚拟拓扑。创建的虚拟拓扑中,技术细节和需要考虑物理约束和网络嵌入策略,超出了工作的范围,可以应用。重点是创建一个工作流,能够从意图和提供一个虚拟拓扑,它映射到物理网络的一部分。这意味着,实现完整的体系结构如图3是需要能够评估实验的方法。在后续步骤中,这个基本模型可以扩充支持网络切片通过添加额外的参数,如可用性或延迟,以及配置虚拟网络。

7所示。结论

在本文中,我们调查了光学软件定义网络管理模型。我们已经介绍了光纤网络最流行的模型和评价,也就是说,ONF运输API, IETF-TE-topology OpenConfig, OpenROADM。我们已经解释了各自的优点和缺点,显示他们的应用领域映射组件的通用光网络管理程序。通过这样做,我们发现了一个差距的使用和定义虚拟拓扑和提出一个意图界面模型来关闭它。目的接口需要一组由用户需求,转换到虚拟拓扑,和手在控制用户的SDN控制器。基于这个接口,软件和算法用于创建虚拟拓扑可以开发。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

部分这项工作得到了欧盟的资助下地平线2020研究和创新计划资助协议。645127 (ACINO)和欧洲研究理事会(ERC)的赞助下欧盟地平线2020研究和创新计划(批准的协议。647158 - flexnet)。

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