现代交换技术-08章-新型网络交换技术

第八章新型网络交换技术第八章新型网络交换技术本章内容：光交换技术

SDN技术

NFV技术本章重点：

光交换系统、SDN体系架构

NFV体系架构光→电光→电光→电电交换电→光电→光电→光光交换光信号电信号电信号光信号光信号光信号8.1.1光交换概述当交换设备采用电交换机时，光信号要先变成电信号才能送入到电交换机，从电交换机送出的电信号又要先变成光信号才能送上传输线路，因此如果采用光交换机，这些光电变换过程都可以省去了。8.1光交换技术半导体光放大器控制电流入射光出射光入射光控制电流出射光8.1光交换技术8.1.2光交换器件1．半导体光开关半导体光放大器用来对输入的光信号进行光放大，并且通过控制放大器的偏置信号来控制其放大倍数。当偏置信号为“0”时，输入的光信号将被器件完全吸收，使得器件的输出端没有任何光信号输出，相当于“关断”。当偏置信号不为“0”且具有某个定值时，输入的光信号便会被适量放大而出现在输出端上，相当于“导通”。耦合波导开关光信号通道控制电极

交叉连接

平行连接8.1.2光交换器件2．光波导开关耦合波导开关是利用铌酸锂（LiNbO3）材料制作的。有一个控制电极、两个输入端和两个输出端。在铌酸锂基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导（即光通道）；再焊上电极，它便可以作为光交换元件了。当两个很接近的波导进行适当的耦合时，通过这两个波导的光束将发生能量交换，并且其能量交换的强度随着耦合系数、平行波导的长度和两波导之间的相位差而变化。

硅衬底平面光波导开关2．光波导开关波导芯Si衬底薄膜倒相级(a)沿AB线截面B包层A4

交叉连接平行连接2(b)逻辑表示314231其交换原理是：基于硅介质波导内的热—电效应，平时偏压为“0”时，器件处于交叉连接状态。当加热波导臂时（0.4W），它可以切换到平行连接状态。优点是：插入损耗小、稳定性好、可靠性高、成本低，适合于大规模集成；缺点是：响应速度较慢。8.1.2光交换器件液晶光交换是利用液晶片、极化光束分离器或光束调相器等器件来实现光交换的技术。液晶光开关的原理是基于液晶材料的电光效应。液晶片的作用是旋转入射光的极化角，当电极上没有电压时，经过液晶片的光线的极化角（偏振态）为90°，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。3．液晶光开关8.1.2光交换器件基本思想是依靠微型电磁铁或者压电器件驱动光纤或者反射光的光学元件发生机械移动，使得光信号改变光纤通道。典型做法是利用绝缘层上的硅片生长一层多晶硅，然后镀金制成反射镜，再通过化学刻蚀或者反应离子刻蚀方法除去中间的氧化层，保留反射镜的转动支架，通过静电力使微镜发生转动。特点是体积小、集成度高，并可像集成电路那样大规模生产；但其插入损耗、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标较差。4．微机电系统光开关8.1.2光交换器件

i放大器激光器探测器入射光(a)直接转换控制(b)调制转换外调制器出射光

j入射光出射光

i

j5．波长转换器包括直接波长转换和外调制器波长转换两种。直接波长转换是将波长为

i的输入光信号先由光电探测器转变为电信号，然后，再去驱动一个波长为

j的激光器，使得输出波长成为

j的出射光信号。外调制器的方法是一种间接的波长转换，即在外调制器的控制端上施加适当的直流偏置电压，使得波长为

i的入射光被调制成波长为

j的出射光。8.1.2光交换器件6．光存储器其原理是利用双稳态激光二极管对输入光信号的响应和保持特性来存储光信号。当双稳定激光器的输入光信号强度超过阀值时，事先有适当偏置的激光器可产生受激辐射，对输入光进行放大，其响应时间小于10-9s；当输入光去掉后，其发光状态也可以保持，直至有复位信号到来才停止发光，因受激辐射状态和复位状态都是可保持的，因此具有双稳定特性。

8.1.2光交换器件7．光调制器目前广泛光调制器均采用强度调制-—直接检波系统，其方法有两类：直接调制和间接调制。直接调制（又称为内调制）就是直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。间接调制（又称为外调制）就是不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制（实际上起到一个开关的作用）。

8.1.2光交换器件(c)2×2光开关1×2光开关分路器开关器件合路器(b)(a)8.1.3光交换网络一、空分光交换网络1．光纤型空分光交换其最基本单元是2×2的光交换模块，在输入端具有两根光纤，在输出端也具有两根光纤，可以完成平行连接和交叉连接两种状态。这样的光开关有三种实现方案。是一个2×2光开关，如基于铌酸锂（LiNbO3）晶体的定向耦合器。是四个l×2光交换开关（Y分叉器）用光纤互连起来组成的2×2光交换模块。由四个1×2光耦合器和四个1×1光开关器件构成。10°旋转交叉连接状态异常光束90°旋转平行连接状态双折射片双折射片偏振控制双折射片双折射片偏振控制正常光束212正常光束异常光束12121212正常光束异常光束正常光束异常光束1212一、空分光交换网络2．自由空间型光交换8.1.3光交换网络A输入线输出线BCD01230123把4个2×2基本交叉连接单元连接起来，就可组成一个4×4的交换单元。每一个输入端到输出端都有一条路径、且只有一条路径。可以按照空分Banyan结构的构成过程把多个2×2交叉连接单元互连来实现更大规模的交换网络。1时隙互换234143212341432二、时分光交换网络光时分复用和电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙，N个基带信道复用成高速光数据流进行传输。光时分交换是基于光时分复用中的时隙互换原理实现的，是指把N路时分复用信号中各个时隙的信号互换位置。

8.1.3光交换网络T/2T/41T/4T/22×2光开关1T/2T/2T/4T/4……(b)(d)t1T×1光开关或耦合器1×T光开关t1…tTt1…tT1×T光开关T×1光开关或耦合器t2tT…111…o1oo2ooo3oo…oT…(a)(c)…

1,…,

N光分束器光波复用器F-P滤波器波长转换器F-P滤波器波长转换器波长解复用…12N

1…

N

1

N…

i

j三、波分光交换网络其工作原理为：首先由光分束器把输入的多波长光信号功率均匀地分配到N个输出端上，它可以采用熔拉锥型­—多耦合器件，或者采用硅平面波导技术制成的耦合器；然后，N个具有不同波长选择功能的法布里—玻罗（F-P）滤波器或者相干检测器从输入的光信号中检出所需的波长输出，虚线框中的模块组合相当于波长解复用器的功能；再由波长转换器把输入波长光信号转换成想要交换输出的波长的光信号；最后通过光波复用器把完成波长交换的光信号复用在一起，经由一条光纤输出。8.1.3光交换网络

1电接收机调谐电流星型耦合器单频激光器光调谐接收器数据输入数据输出

2

N……

1…

N

1′

2′

N′N×N阵列型波长交换系统：从各个单路的原始信号开始，先用各种不同波长的单频激光器将各路输入信号变成不同波长的输出光信号，把它们复合在一起，构成一个波分多路复用信号，然后再由各个输出线上的处理部件从该多路复用信号中选出各个单路信号来，从而完成交换处理。1TSITSIST→T′(a)TST结构(b)STS结构T′→T2N…NNTSITSITSITSI12N…12N…12N…STSITSITSIST→T′11N′N′四、混合型光交换网络8.1.3光交换网络四、混合型光交换网络（c）波分+空分+波分把输入信号波分解复用，再对每个波长的信号分别应用一个空分光交换模块，完成空间交换后再把不同波长的信号波分复用起来，从而完成空分+波分光交换功能。8.1.3光交换网络四、混合型光交换网络（d）声光可调谐滤波器根据控制信号的不同，将一个或多个波长的信号从一个端口滤出，而其他波长的信号从另一端口输出。8.1.3光交换网络1．光电路交换机制（OCS）光交换系统：由控制单元、交换单元、输入接口和输出接口四部分组成。交换单元：一般有光电路交换、光分组交换和光突发交换等交换机制。8.1.4光交换系统1．光电路交换机制（OCS）8.1.4光交换系统OCS交换机制分为三个阶段：（1）光链路建立阶段，需要经过请求与应答确认两个处理过程来完成双向的带宽申请；（2）光链路保持阶段，链路始终被该通信双方占用，不允许其他通信方共享该链路；（3）光链路拆除阶段，通信的任意一方首先发出断开信号，另一方收到断开信号后进行确认，链路资源就被真正释放。2．光分组交换机制（OPS）8.1.4光交换系统OPS：每个分组的信头中都必须包含自己的选路信息，分组交换的信息传递如下：首先由控制单元对分组的信头信息进行处理；然后根据信头信息向交换单元发送控制信号；其他信息（数据净荷）则不需要由控制单元处理，直接送给交换单元进行交换。2．光分组交换机制（OPS）8.1.4光交换系统输入接口主要完成对输入数据信号的整形、定时和再生；检测信号的漂移和抖动；检测分组的信头和有效载荷；分组同步及交换时隙对准；分组信头的分离，并传送给控制单元处理；外部传输至内部交换光时延（或者波长）的转换。2．光分组交换机制（OPS）8.1.4光交换系统控制单元主要完成对信头信息处理，并进行信头更新（标记交换）；借助网络管理系统及时更新信息转发表，将新的信头控制信息传给输出接口。2．光分组交换机制（OPS）8.1.4光交换系统交换单元按照控制单元的控制信号指示对信息有效载荷进行交换操作。2．光分组交换机制（OPS）8.1.4光交换系统输出接口主要完成对输出数据信号的整形、定时和再生；接收来自控制单元控制信息，给数据信息有效载荷添加新的信头；分组描绘和再同步；根据需要将内部交换至外部传输的时延（或者波长）转换；调整均衡输出功率，以便适应不同交换通路及插入损耗的需要。3．光突发交换机制（OBS）8.1.4光交换系统OBS：基本信息单元（突发）由控制分组（BCP相当于分组交换中的分组头）与突发数据（BDP即净载荷）两部分组成。突发数据与控制分组的传输相分离，每个控制分组对应于一个突发数据。控制分组占用一个或几个波长，突发数据则占用所有其它波长，实现了物理传输信道的分离。3．光突发交换机制（OBS）8.1.4光交换系统控制分组可以先于突发数据传输，为随后的突发数据预留资源和建立传输通路，以弥补控制分组在OBS交换节点的处理过程中O-E-O转换及电处理造成的时延。ASON网络从逻辑上划分为三个平面：控制平面、传送平面和管理平面。控制平面主要由路由选择、信令转发以及资源管理等功能模块组成，各个控制单元相互联系共同构成信令网络，用于传送控制信令信息，各个功能模块和信令系统协同工作，实现连接的自动化和有效的保护恢复机制。传送平面由一系列实体组成，就是OTN网络（各节点包括OXC和OADM等设备），是业务传送的通道，可以提供用户信息端到端的单向或者双向传输；具有分层特点，包括光信道层（OCH）、光复用层（OMS）和光传输段层（OTS）。管理平面完成传送平面、控制平面和整个系统的维护功能，是控制平面的一个补充，包括性能管理、故障管理、配置管理和安全管理功能。8.1.5光交换在ASON中的应用ASON可以提供三种类型的连接：永久连接（PC）、交换连接（SC）和软永久连接（SPC）。8.1.5光交换在ASON中的应用PC路径：由管理平面根据连接请求及网络资源利用情况预先计算；然后通过NMI-T向各网元发送交叉连接命令进行统一指配；最终由传送平面各网元设备的动作完成通路的建立过程。ASON可以提供三种类型的连接：永久连接（PC）、交换连接（SC）和软永久连接（SPC）。8.1.5光交换在ASON中的应用SC路径：SC的连接请求首先由终端用户向控制平面发起；然后在控制平面内通过信令和路由消息的动态交互，在连接终端A和B之间计算一条可用的通路；最终通过控制平面与传送平面各网元的交互完成连接的建立过程。ASON可以提供三种类型的连接：永久连接（PC）、交换连接（SC）和软永久连接（SPC）。8.1.5光交换在ASON中的应用SPC：介于永久和交换之间的一种分段的混合连接方式，由管理平面和控制平面共同完成。用户到网络的部分由管理平面直接配置；网络部分的连接则通过管理平面向控制平面发起请求，然后由控制平面控制完成。8.2.1SDN概述SDN是一种新型的网络设计理念，通过将网络控制与网络转发解耦合，构建开放可编程的网络体系结构；将部分或全部网络功能软件化，更好地开放给用户，让用户更好地使用和部署网络，以适应快速变化的云计算业务。SDN认为不应无限制地增加网络的复杂度，需要对网络进行抽象以屏蔽底层复杂度，为上层提供简单的、高效的配置与管理。SDN旨在实现网络互联和网络行为的定义和开放式的接口，支持未来各种新型网络体系结构和新型业务的创新。8.2SDN技术8.2.1SDN概述8.2SDN技术传统的网络设备（交换机、路由器）的固件是由设备制造商锁定和控制。SDN将网络控制与物理网络拓扑分享，可摆脱硬件对网络架构的限制。8.2.1SDN概述SDN具有三个显著特征：转控分离、集中控制、开放可编程。从架构的角度出发，SDN需要实现控制平面与数据平面分离，控制逻辑集中管理；从业务的角度上看，低层网络资源被集中控制，抽象成服务，实现了应用程序与网络物理设备解耦；从网络运营的角度看，网络可以通过编程的方式来访问，实现应用程序对网络的维护和配置，节约运营成本。8.2SDN技术（1）转控分离传统网络设备的控制与转发是不分离的，设备之间通过控制协议交互转发信息。SDN：解耦传统网络设备中耦合的控制平面（CP）与转发平面（DP）；转发平面（DP）依旧由分布式的网络设备组成，网络设备上只保留转发平面（转发表项）；控制平面（CP）被抽象集中到了控制器，通过控制器实现网络统一部署和网络自动化。转控分离是SDN最核心的设计理念，为控制与转发的处理实体提供了独立部署的能力。8.2.1SDN概述（2）集中式控制SDN控制器集中了所有的网络控制功能。SDN可以通过其内部的各种程序控制网络资源管理、路径计算，然后下属以路由表给转发器就可以了。SDN控制器实现了对基础网络设施的抽象，屏蔽了底层硬件的复杂性；SDN控制器既是管理控制者的角色，又是服务提供者的角色。转控分离是实现集中式控制的先决条件，SDN把网络流量的管理层与底层控制流量的数据层分隔开来，但保持着管理层与数据层之间的联系。这种分隔意味着在进行网络的整体设计时，可以不用考虑底层物理资源，而是只在管理层进行灵活、智能的调整。8.2.1SDN概述SDN网络分为应用、控制、转发三层分离的架构。控制功能被转移到了服务器，上层应用、底层转发设施被抽象成多个逻辑实体。8.2.2SDN的整体架构一、SDN网络体系架构8.2.2SDN的整体架构应用层应用层（也称业务层）主要是体现用户意图的各种上层应用程序。应用层中不同的应用逻辑通过控制层开放的API管理能力来控制设备的报文转发功能。一、SDN网络体系架构8.2.2SDN的整体架构控制层控制层由SDN控制软件组成，与下层可用OpenFlow协议通信。负责网络的内部交换路径和边界业务路由的生成，并负责处理网络状态变化事件。控制层为应用提供的编程接口（北向接口NBI）。控制底层设备的转发行为通过南向接口（SBI）。一、SDN网络体系架构8.2.2SDN的整体架构转发层由转发器和连接器的线路构成基础转发网络。负责执行用户数据的转发。转发过程中所需要的转发表项是由控制层生成的。二、SDN架构下的接口8.2.2SDN的整体架构北向接口NBI介于控制器与上层APP之间。主要提供Restful、netconf协议功能。是一种开放的API、设备私有接口。二、SDN架构下的接口8.2.2SDN的整体架构南向接口SBI介于控制器与下层转发器之间。提供OpenFlow、BGP、PCEP等协议功能。二、SDN架构下的接口8.2.2SDN的整体架构东西向接口用于SDN控制器跨域互联的接口，运行BGP协议。一是通过简单的修改或升级控制器程序就能提供新业务。二是为SDN控制器跨域互联及SDN控制器分层部署提供了接口。一、数据中心场景8.2.3SDN的应用场景在数据中心物理网络基础上，对不同的数据中心资源进行虚拟化，单个数据中心的网络能力可以合成为一个统一的网络能力池（云数据中心）。可行的解决方案：在数据中心出口部署支持SDN技术的路由器设备，可实时监控链路的带宽利用率和应用流量，并将监控结果提交给数据中心控制器；数据中心控制器集中控制各个数据中心出口的路由器设备，统一调配多个数据中心出口的链路和业务的流量流向，以便根据当前的业务需求和链路情况进行链路资源调整，提升链路带宽资源的利用率。二、城域骨干网场景8.2.3SDN的应用场景在城域骨干网中，可以将边缘的接入控制设备功能（除路由转发之外）都提升到城域网控制器中实现，并可以采用虚拟化的方式实现业务的灵活快速部署。网络控制器需要支持各种远端设备的自动发现和注册，支持远端节点与主控节点间的保活功能，并能够将统筹规划之后的策略下发给相应的远端设备进行转发。边缘的接入控制设备只实现用户接入的物理资源配置。多台边缘设备可以虚拟成一台接入控制设备，将同一个城域网（或者分区域）虚拟化成为单独的网元，网管人员如同配置一台边缘路由器一样，实现统一配置和业务开通，并进行批量的软件升级。三、接入网场景8.2.3SDN的应用场景可行的解决方案：将与光线路终端（OLT）相连的远端节点（包括MDU、DSLAM等）变成只保留数据面的简单设备，实现流转发，将这些节点的控制面上移到独立的控制器或者OLT当中，远端节点的参数配置均由控制器来下发。远端节点支持流转发，当有新的业务或需要在接入节点中启用新的特性时，很大一部分特性可以直接通过对流表的配置来实现，而不需要进行软件升级，这样大大加快了业务的部署速度；即使有些新业务在现有的控制面不能支持，也只是需要升级控制面，而不需要升级大量的远端节点。四、数据中心安全8.2.3SDN的应用场景SDN支持更有针对性的保护并简化防火墙管理，可以通过添加虚拟防火墙来创建分布式防火墙系统，以便实现虚拟机保护。该额外的防火墙安全层有助于防止一个虚拟机中的漏洞跳转到另一个虚拟机。SDN集中控制和自动化使得管理员能够查看、修改和控制网络活动，以降低违规风险。8.3.1NFV概述网络功能虚拟化（NFV）于2013年在ETSI由13家运营商发起研究，是云计算在IT业取得巨大成功的大背景下提出的。NFV工作目标是增强系统灵活性，实现网络及应用的快速部署、灵活扩容和缩容。NFV的关键核心是通过虚拟化技术、基于通用IT硬件实现电信功能节点的软件化，被认为是未来通信网络的基础技术。NFV试图打破传统电信设备的竖井式体系，将通信网元功能分层解耦并引入新的管理与编排（MANO）管理体系实现网元全生命周期管理。8.3NFV技术8.3.1NFV概述NFV具有四个显著特征：虚拟化：指将一台物理计算机系统虚拟化为一台或多台虚拟计算机系统。每个虚拟计算机系统都拥有自己的虚拟硬件，来提供一个独立的虚拟机执行环境。通信IT基础设施：采用统一的标准化IT计算、存储、网络基础硬件。云化管理：NFV使设置在一个数据中心机房中的各虚拟通信网元，通过统一的虚拟资源层，部署到共享的通信云资源池（服务器、存储系统等）中，实现应用和业务的生命周期管理，以及虚拟资源配置等功能。网络自动化：与SDN结合，使用SDN技术自动化配置网络。8.3NFV技术8.3.2NFV的整体架构8.3NFV技术基础设施（NFVI）由通用硬件资源和云操作系统一起构成，包括硬件资源、虚拟化层和虚拟机。提供虚拟化和计算、存储、网络、I/O通用资源池化的能力。NFVI支持上层VNF的运行，为上层VNF提供运行环境。8.3.2NFV的整体架构8.3NFV技术虚拟网络功能块（VNFs）VNFs包括虚拟网络功能（VNF）、网元管理系统（EMS）、运维和商业