第一章绪论
1.1研究背景
近年来，互联网技术的飞速发展改善了人类生活的方方面面，互联网应用产品已经成为现代智慧生活的必备品。在大数据与云计算技术的支撑下，短视频、直播、电子商务等互联网业务的诞生不断地丰富人们的生活方式。伴随着万物互联时代的到来，传统的电信业也逐渐被颠覆，人与人的远程交流不再局限于短信和电话等传统方式，而是采用更为便捷的视频、语音等方式。用户选择的改变也导致通信网络所承载的封闭式的语音业务逐渐衰落，相反，灵活弹性的数据业务占据网络业务的主导地位，随之而来的是，通信网络的带宽需求激增，上层 IP 网络对带宽需求的“超摩尔定律”增长给底层的物理光网络带来巨大挑战。
数据业务的增长使得底层光网络技术不断向智能化演进，根据现有光网络每年的流量增长速率可以预测，未来几年内，激增的流量将会耗尽当前光网络中所有的频谱资源[1]。然而，底层物理光网络设备成本高且难以扩展，并且设备故障会对网络造成严重的损害。另外，基于固定栅格的传统光网络缺乏提供各种切片所需的灵活性，如何充分利用现有的网络资源构建更灵活的网络是一个值得思考的技术方向。为了应对当前互联网业务的爆炸式增长，研究人员将目光投向于网络虚拟化技术，期望改善网络日渐僵化的现状。光网络虚拟化[2][3]是指在一个共享的底层物理网络资源之上创建一个或多个虚拟网络，同时不同虚拟光子网资源又可以被独立地管理与调度。光网络虚拟化使得传统网络架构向动态化、多元化演进，研究人员普遍认为通过将网络虚拟化技术引入光层可解决目前光网络中僵化问题。在这种网络架构中，用户可以根据自身需求灵活地配置网络，真正意义上摆脱底层硬件设备的束缚以及繁琐复杂的网络配置流程，从而实现软件管理网络的目标。
软件定义光网络[4]（SDON, Software Defined Optical Network）正是实现光网络虚拟化的一种高效方案。SDON 架构由软件定义网络[5][6]（SDN, Software Defined Network）架构演进而来。传统 IP 网络架构根据预先定义的策略配置网络，网络出现故障时只能通过运维人员重新手动配置，并且网络结构是垂直整合的，即控制和数据平面紧紧捆绑在一起，随着业务的需求飞速增长，这种网络架构逐渐变得臃肿。如图 1.1 所示，SDN 是一种新的网络架构，SDN将网络的控制逻辑与路由器和交换机分离，促进网络控制集中化，SDN 具有可编程能力，通过交换机和 SDN 控制器之间明确定义的编程接口实现控制平面和数据平面的分离, 简化了网络管理，促进网络向智能化演进。
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1.2研究现状
传统光网络不断向智能光网络演进，然而当前光传送网仍存在难以灵活控制、资源利用率低等不足，为此，国内外对基于软件定义的光网络架构及 SDON 南向接口协议 OpenFlow等协议的光扩展进行重点研究。
SDON 是一种将光网络中的设备控制平面和数据转发平面进行分离的新型网络架构。在这种架构中，网络交换机仅做简单的转发设备，控制逻辑由集中式的控制器实现。控制器相当于整个网络架构的操作系统，
SDON 简化了资源策略实施和网络配置。SDON 可以提供足够大的带宽，2014 年，我国的电信移动联通三大运营商开始对 SDON 的商用化进行实验，传送网 SDN 开始从理论研究走向原型系统开发与试验测试。同年 8-9 月，光互联论坛（OIF）与 ONF 联合全球多个电信运营商、通信设备商以及科研机构，组织开展了基于 SDN 的光传送网络原型和互操作性演示。
起初，OpenFlow 基于以太网交换机，具有内部流表和用于添加或删除流表项的标准化接口。随着学术界和工业界的不断研究，
OpenFlow 协议由最初的 v1.0 版本迅速更新到 v1.6 版本。当前，思科、华为等通信厂商已经研发出基于 OpenFlow 协议的 SDN 交换机，并逐步应用于数据中心网络。然而，OpenFlow 诞生之初便是应用于 IP 网络，若想在光网络中实现软件定义网络的功能，必须将 OpenFlow 协议向光层面进行扩展。文章[8]讨论了将 SDN 应用于基于电路的传输网络的可行性，首先确定了传输网络对 SDN 的需求，基于 SDN 的光传送网将是改进传送网的推动因素，并提出对 OpenFlow v1.1 的扩展，以实现对多技术传输层中交换机的控制。文章[9]将弹性光网络与 SDN 结合，研究了如何处理光网络中的频谱碎片，并提出了以 OpenFlow 控制的在线频谱重构算法。
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第二章光网络智能化趋势分析
2.1智能光网络技术演进
最初光网络仅具备简单光纤传输链路功能，经过多年的发展，当前光网络已经具备容量大、距离长、可靠性高等优点，并且利用光和电子控制技术实现多节点网络互联和灵活调度。第一代光网络 SDH/SONET 首次实现了全球统一的光网络互联技术，第二代光网络 OTN 以波分复用 WDM 技术为基础、在 SDH/SONET 分层基础上添加光层，并将交换、选路等功能置于光层实现，简化电复用段层的复杂度，解决了 WDM 光网络中无波长/子波业务调度能力。全光网络作为下一代光网络被寄予厚望，在全光网络中，网络端到用户节点之间的数据传输和交换整个过程全在光域进行，无须光-电-光的转换过程。然而，由于当前全光交换技术和全光交叉连接（OXC）技术仍不成熟，国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）暂时搁置全光网络的概念，转而研究更为现实的光传输网络——自动交换光网络（ASON，Automatically Switched Optical Network）。随后逐步由基于路径计算单元（PCE，Path Computation Element）的网络演进到软件定义光网络。
(一) ASON
传统网络中，当需要加大用户的带宽时，就需要建立从用户到服务提供商的新连接。然后，需要服务提供商手动规划和配置网络中的路由，这样的流程不仅耗时，还会浪费带宽。带宽是网络传输中宝贵的资源，未来光网络的期望是能够尽快有效地处理资源。ASON 首次将整个光网络分为传输平面、控制平面和管理平面 3 个独立的逻辑功能平面。2001 年，国际互联网工程任务组（IETF）提出将通用多协议标志交换协议（GMPLS）技术作为 ASON 的实现技术[19]，ASON/GMPLS 将拓扑发现、资源分配等功能从管理平面分离，形成分布式控制平面。然而 GMPLS 协议过于复杂，严重缺乏灵活性，无法从服务的角度跨越分组和电路网络，导致 IP 网络和传送网都没有使用该协议[20]。ASON 传输平面的异构性导致控制平面和管理平面的异构性，各种传输、交换标准和技术（例如 SDH、WDM、OTN）的长期共存以及各种设备制造商的不同设备结构和接口使得难以实现网络互连。另外，网络中信令风暴可能导致计算复杂，网络规模的扩大引发控制信息泛滥进而导致信令负载、路径计算和连接控制的复杂性增加。
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2.2 SDON 技术
2.2.1 SDN 分层架构
ONF 对 SDN 的描述为：SDN 是一种支持动态和弹性管理的新型网络架构，是实现高带宽和动态网络管理的理想架构。SDN 将网络中的控制平面和数据平面解耦分离，对数据平面的网络资源进行抽象化，支持通过统一的接口对网络进行编程控制[24]。SDN 通过抽象每个独立的网络层，为网络控制和监控应用程序提供了底层网络基础架构的简化视图。SDN 架构[24]包含基础设施层、控制层、应用层和编排层，每层独立运行，允许多种解决方案在同一层内共存，例如，基础设施层可以由任何可编程网络设备构建。
（1）基础设施层：基础设施层包括用于虚拟或物理硬件中的有效载荷数据流量转发（数据平面）的环境。通过南向接口（SBI）协议，数据平面将其网络设备信息提供给控制平面。在传统网络中，控制机制嵌入在基础设施内，即基础设施层的网络设备具有决策制定能力，执行如切换和路由等网络动作。另外，传统网络元件中的转发动作是基于拓扑信息自主建立的，该拓扑信息通常通过专有的供应商特定算法获得。因此，传统网络元件的配置通常不能在没有服务中断的情况下重新配置，从而限制了网络灵活性。相反，SDN 解耦自主控制功能，例如转发算法和网络节点邻近发现，并将这些控制功能从基础设施移动到集中控制的逻辑节点，即控制器。网络元件（如交换机）仅作为控制器指令的哑开关，这种解耦降低了网络元件的复杂性并改善了可重配置性。
（2）控制层：控制层是 SDN 网络的操作系统，提供网络的可编程能力。SDN 控制器是一个逻辑实体，用于根据应用层要求识别用于配置网络基础结构的南向指令。为了有效地管理网络，SDN 控制器可以从基础设施层请求信息，例如流量统计、拓扑信息、邻接关系以及来自网络节点的链路状态等。除此之外，SDN 控制器还可以提供高级功能，例如虚拟化、应用程序调度和数据库管理。典型的开源 SDN 控制器包括 NOX/POX、Ryu、Floodlight[26]和OpenDaylight 等。
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第三章OpenFlow 光扩展消息设计...................................... 16
3.1OpenFlow 技术实现 ........................................ 16
3.1.1 OpenFlow 端口 ...................................... 16
3.1.2 OpenFlow 流表 ............................... 17
第四章SDON 架构设计与实现 ...................... 29
4.1基于 OFA 的 SDON 架构设计 ........................................ 29
4.2OpenFlow 代理模块 ................................. 30
4.3基于 Open vSwitch 的 OFA 设计 ................................... 31
第五章 SDON 实验验证与分析 ..................................... 37
5.1实验环境搭建 .................................. 37
5.1.1 Mininet 介绍 ...................................... 37
5.1.2 网络测试环境搭建 ...................................... 38
第五章 SDON 实验验证与分析
5.1实验环境搭建
5.1.1Mininet 介绍
Mininet[52]是一个网络模拟工具，可以实现在单个 Linux 内核上运行一组终端主机、交换机和路由器。它使用轻量级虚拟化使单个系统看起来像一张完整的网络。Mininet 上显示的所有设备都是真实的，只是它们由软件而不是硬件创建。Mininet 运行于 SDN 架构的基础设施层，支持 OpenFlow 协议和 Open vSwitch，实现了硬件抽象层，能够使多个开发人员能够同时在同一拓扑上独立工作。Mininet 自带交换机、主机和控制器，同时能够装载 Open vSwitch、NOX\POX\RYU\Floodlight\OpenDaylight 等 控 制 器 ， 可 以 运 行 在 多 种 操 作 系 统 上（windows\linux\Mac OS）,具有很强的系统兼容性。Mininet 可以在不同类型的拓扑中设置任意数量的主机、控制器和交换机。本文采用 Wireshark 抓包获取 SDON 中的所有网络设备并观察光控制器与 Open vSwitch 之间的信令流程。
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第六章 总结与展望
6.1论文总结
SDN 架构使网络可编程性能够支持多层、多技术、多供应商通信，并提供对网络资源的智能管理。SDON 旨在将光传送网集成在 SDN 架构内以利用光传输网络的优点，例如低干扰、长距离和具有较低功耗的高容量传输。在光传送网应用 SDN 是一个重要的研究方向，尽管诸多研究机构已在传送网上扩展 OpenFlow 协议，但目前的研究还处于起步阶段。光传送网络仍由静态网络管理系统配置，且应用和客户层网络相互分离。因此，传送网络不能提供动态业务，例如根据服务要求快速开通、修改和拆除电路连接。SDN 在传送网中的应用使网络能够从多系统分离式架构发展为以 SDN 控制器为中心的集中式架构，实现传送网络从手动静态网络管理配置到实时动态智能控制的突破，提高业务开放速度，简化网络配置和运营维护。本文针对光传送网以及通用光网络拓扑资源收集，对 OpenFlow 进行扩展并验证，主要的研究如下：
（1）分析了 OpenFlow 协议的技术实现，提出了基于 TLV 格式的 OpenFlow 扩展模型，具体到光网络业务配置，提出了新增消息类型 Topo_Request/Reply 和修改消息类型Flow_Mod/Multipart_Reply。Topo_Request/Reply 用于请求和获取光网络拓扑资源，修改已有消息类型用于添加光传输端口扩展和流匹配字段扩展，匹配字段扩展实现了对底层光路径的创建、拆除和修改功能。
（2）提出协议的扩展仅仅处于理论层面的创新，对于光网络来说，还需要设计对应的软件模块进行实现所提出的扩展。本文提出了基于 OFA 的 SDON 架构，并基于 Floodlight 控制器上做扩展开发，借助于 OpenFlowJ-Loxi 库，对需要扩展的内容进行封装，重新编译生成 jar文件。对于作为代理设备的 Open vSwitch，本文也设计了相应的光扩展模块，在与上层控制器通信的模块添加了所涉及的扩展代码，而在与底层光网络通信部分，选择用 Mininet 来模拟光网络。
（3）由于 SDON 发展还处于起步阶段，本文没有使用专业的硬件设备或软件工具对SDON 对光网络架构所做的改善进行性能验证。本文通过自定义拓扑结构产生底层光网络，搭建了 4 个经过修改后的 Open vSwitch，使用 Wireshark 网络检测工具进行抓包，最终对所提出的扩展进行验证并分析。
参考文献（略）