淺談帶寬高速發(fā)展下大型互聯(lián)網(wǎng)應對策略

張桂玉，王保利，馬季春（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京100048）

0 前言

近年來，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務蓬勃發(fā)展，根據(jù)CNNIC最新發(fā)布的27次統(tǒng)計報告：截至2010年12月底，我國網(wǎng)民規(guī)模突破4.5億大關，達到4.57億，較2009年底增加7 330萬人；互聯(lián)網(wǎng)普及率攀升至34.3%，較2009年提高5.4%。

用戶數(shù)的持續(xù)增長直接帶來了運營商網(wǎng)絡帶寬的持續(xù)增加，中國聯(lián)通、中國電信兩大運營商，骨干網(wǎng)帶寬已經(jīng)分別由2005年的不足1T，增加到目前的20T及22T，增長了數(shù)十倍。

同時隨著用戶數(shù)的不斷增加以及全球IPv4地址分配完畢，中國各運營商不得不面對IPv4地址短缺的問題。

本文旨在上述背景下，針對如何更好地保證業(yè)務的發(fā)展并降低網(wǎng)絡的建設成本，提出大型互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡應對策略。

1 制定適合自身的網(wǎng)絡結構及優(yōu)化調整策略

1.1 網(wǎng)絡結構

根據(jù)國內(nèi)外大型互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡結構的分析，目前大型互聯(lián)網(wǎng)主要采用層次化網(wǎng)絡結構（如核心匯接）或扁平化直連結構。

1.1.1 層次化網(wǎng)絡結構

層次化網(wǎng)絡結構的特點是網(wǎng)絡分層設計，網(wǎng)絡有若干節(jié)點作為核心層，核心間采用網(wǎng)狀直連，連接在不同核心下的節(jié)點通過核心節(jié)點進行疏導。網(wǎng)絡示意如圖1所示。

層次化網(wǎng)絡結構具有網(wǎng)絡結構簡單、維護方便的優(yōu)點，而且由于層次化網(wǎng)絡的流量在經(jīng)過核心時帶寬可以復用，所以有時能節(jié)省成本；但是層次化網(wǎng)絡結構也有很多缺點。

圖1 層次化網(wǎng)絡結構示意

a）由于流量全部通過核心節(jié)點進行疏導，所以當核心節(jié)點出現(xiàn)故障時，對整個網(wǎng)絡會產(chǎn)生較大影響。

b）對核心設備的性能要求較高。

c）當所轉接流量較為分散時，電路轉接次數(shù)較多。

d）在流量轉接的過程中，可能導致傳輸迂回，降低效率。

1.1.2 扁平化直連結構

扁平化直連網(wǎng)絡結構的特點是網(wǎng)絡沒有明顯的核心，節(jié)點間采用直連電路。網(wǎng)絡示意如圖2所示。

圖2 扁平化網(wǎng)絡結構示意

扁平化網(wǎng)絡結構具有網(wǎng)絡時延小、流量流向疏導清晰的優(yōu)點，同時網(wǎng)絡的健壯性好，承載能力強，而且當網(wǎng)絡的帶寬需求較大時，直接互聯(lián)比經(jīng)過核心轉接節(jié)省端口。

扁平化網(wǎng)絡結構的主要缺點是互聯(lián)電路方向較多，網(wǎng)絡結構相對復雜。

1.2 優(yōu)化調整策略

運營商應從網(wǎng)絡流量、網(wǎng)絡流向、業(yè)務分布及傳輸組織、設備容量、網(wǎng)絡現(xiàn)狀、國際網(wǎng)絡發(fā)展趨勢等方面進行分析，結合自身特點，制定適合網(wǎng)絡發(fā)展的網(wǎng)絡結構優(yōu)化調整策略。

1.2.1 網(wǎng)絡流量因素

采用分層次的核心匯接結構，可以復用帶寬，但轉發(fā)的同時造成了流量的迂回，轉發(fā)的流量越大，迂回造成的浪費越大。從理論上看，當轉發(fā)的點到點流量都超過傳輸電路能提供的最大顆粒度時，迂回所造成的浪費必然大于復用所帶來的節(jié)約。

所以對于流量大的節(jié)點間連接采用直連方式效率更高，既可節(jié)省端口資源，又可減輕核心節(jié)點的轉發(fā)壓力。隨著節(jié)點間網(wǎng)絡流量的增加，流量大的節(jié)點之間宜采用扁平化的網(wǎng)絡直連結構。

1.2.2 網(wǎng)絡流向因素

當網(wǎng)絡流向比較集中時，將流量集中的節(jié)點設置為核心節(jié)點，流量效率較高。當網(wǎng)絡流向比較分散時，采用核心匯接結構必然會導致流量迂回中轉，造成浪費，更適宜采用扁平化直連結構。

現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)流量中P2P流量是主要的網(wǎng)絡流量，根據(jù)流量檢測，P2P流量通常會占50%～60%，占用骨干網(wǎng)大量出口帶寬。P2P服務模式下，網(wǎng)絡流量分布逐漸分散，不具備明顯集中的節(jié)點，流量流向隨著用戶數(shù)的增加持續(xù)增長。因此在主要節(jié)點之間宜采用扁平化的網(wǎng)絡直連結構。

1.2.3 業(yè)務分布及傳輸組織因素

受行業(yè)拆分、經(jīng)濟發(fā)展等因素影響，各運營商業(yè)務發(fā)展基本都呈區(qū)域性不平衡，而流量高的地區(qū)一般經(jīng)濟條件較好、業(yè)務量較好、傳輸資源也較為豐富，所以建議，在這樣的節(jié)點間可根據(jù)流量情況，采取扁平化的網(wǎng)絡直連結構；而對于業(yè)務量小、經(jīng)濟條件不發(fā)達的流量較小區(qū)域則采用層次化網(wǎng)絡結構。運營商應根據(jù)各節(jié)點流量的具體情況，進行整體網(wǎng)絡結構的調整及優(yōu)化。

1.2.4 設備容量因素

核心匯接結構的流量一般較為集中，由于主要流量都需要通過核心節(jié)點轉接，這樣對于核心節(jié)點的設備能力要求高。目前大容量的路由器設備發(fā)展受到各種硬件發(fā)展限制，例如光器件、內(nèi)存讀寫、單位功耗等，而且一般情況下，新的設備自發(fā)布后需要有2～3年的成熟期。

所以在網(wǎng)絡規(guī)模仍高速增長的情況下，不能完全寄希望于依靠單設備的硬件性能發(fā)展，而要通過網(wǎng)絡設計來解決流量快速增長的問題。針對流量快速增長的地區(qū)，通過網(wǎng)絡優(yōu)化以緩解目前網(wǎng)絡中每節(jié)點的流量壓力。 因此，為降低網(wǎng)絡對單設備容量的壓力，宜在流量壓力大的節(jié)點間采用扁平化直連結構。

1.2.5 網(wǎng)絡現(xiàn)狀因素

由于網(wǎng)絡現(xiàn)狀對于網(wǎng)絡優(yōu)化調整的成本起著直接的影響，所以網(wǎng)絡現(xiàn)狀因素也是考慮網(wǎng)絡優(yōu)化調整目標的重要因素。

1.2.6 國際趨勢因素

面對高速增長的互聯(lián)網(wǎng)流量和居高不下的網(wǎng)絡建設成本，國際大型互聯(lián)網(wǎng)運營商都趨向于采用扁平化的網(wǎng)絡以降低互聯(lián)網(wǎng)成本、提高效率，扁平化直連結構符合國際趨勢。

同時為了適應網(wǎng)絡結構的調整，流量策略也應進行相應的調整，網(wǎng)絡策略調整的原則在于在保持現(xiàn)有網(wǎng)絡策略的基礎上，進行適度調整，網(wǎng)絡策略要簡單、明晰，避免每次網(wǎng)絡結構調整后進行較多及較細粒度的網(wǎng)絡策略配置。

綜上所述，大帶寬下，大型互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡優(yōu)化調整方面應結合上述提到的因素，因地制宜制定相應的優(yōu)化調整目標。

2 以用戶數(shù)為基數(shù)進行網(wǎng)絡節(jié)點和帶寬擴容

網(wǎng)絡節(jié)點的設備擴容依據(jù)為網(wǎng)絡帶寬的擴容，而網(wǎng)絡帶寬主要與寬帶用戶數(shù)、每用戶平均帶寬、忙時集中系數(shù)、出省比例、中繼帶寬利用率、用戶平均帶寬占用率等有關。

事實上，隨著互聯(lián)網(wǎng)中P2P流量逐漸增加，使得整個網(wǎng)絡中個人用戶既是內(nèi)容提供者又是內(nèi)容的索取者，整個網(wǎng)絡的流量流向模型與用戶的分布關聯(lián)性更強，即與用戶數(shù)的規(guī)模成正比，對于整個網(wǎng)絡來說，整個網(wǎng)絡的流向與用戶關聯(lián)，更加分散；而非傳統(tǒng)C/S服務模式下，通常集中于傳統(tǒng)的信息源所在地，例如北京、上海、廣州等。

根據(jù)對網(wǎng)絡流量的分析，可以得出以下結論。

a）網(wǎng)絡流量與用戶數(shù)的發(fā)展有一定的關系，且隨著用戶量的增長，網(wǎng)絡流量呈增長趨勢。

b）從區(qū)域性的角度來說，長三角、珠三角、東三省等區(qū)域互訪流量相對較多，就是說地域對網(wǎng)絡流量是有一定影響的。

所以在網(wǎng)絡節(jié)點擴容中，應該考慮以用戶數(shù)為基數(shù)，結合各節(jié)點的區(qū)域及發(fā)展特點及網(wǎng)絡結構的調整方案對網(wǎng)絡節(jié)點進行擴容。

3 大容量設備及大顆粒度電路應用

網(wǎng)絡帶寬和設備的不斷增加及擴容，造成的能耗、空間需求的進一步增大，迫切需要持續(xù)做出更高容量的產(chǎn)品，更高容量的線路板和接口，在網(wǎng)絡流量增加的同時，傳輸及路由器技術也在同步發(fā)展，在現(xiàn)有40G速率的基礎上，IEEE于2010年2月正式發(fā)布了100GE的標準。

100G板卡的誕生、相關標準的制定及相關解決方案的推出及商用測試，為上述問題的解決提供了新的辦法。

在路由器方面，采用100G板卡及其設備，一方面可以提高單端口容量，另一方面可以采用路由器集群技術；在光纖容量上，一方面增加光纖的數(shù)目，另一方面提高單光纖系統(tǒng)本身的容量，適當減少網(wǎng)絡電路數(shù)量，提高匯聚的效率。

未來兩年，應該是100G端到端解決方案商用的關鍵時期，對于大型互聯(lián)網(wǎng)絡來說，100G、200G、400G及更大容量、更長距離系統(tǒng)的引入也將是未來發(fā)展中關鍵的技術策略。

4 存儲源下移以節(jié)約網(wǎng)絡帶寬

視頻業(yè)務以其隨時、隨意、隨便的操作效果和更佳的用戶體驗將吸引大量新增用戶。視頻業(yè)務引入電信網(wǎng)絡后，顛覆了以前的帶寬收斂模型，使得網(wǎng)絡帶寬的壓力劇增。導致接入網(wǎng)帶寬快速增長、城域網(wǎng)互聯(lián)接口不斷擴容。

視頻業(yè)務不遵循IP統(tǒng)計復用原則，大量的視頻應用將降低城域網(wǎng)的收斂比，增大城域帶寬需求。從經(jīng)驗數(shù)據(jù)來看，從業(yè)務到城域網(wǎng)匯聚層的收斂比中，互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)業(yè)務的收斂比為1∶10，而以IPTV為主業(yè)務的收斂比是1∶2。視頻和P2P帶來的帶寬壓力將重點體現(xiàn)在城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)上，需要采取措施優(yōu)化流量。一是要優(yōu)化視頻點播和時移電視流量，靜態(tài)存儲可部署在離用戶近的網(wǎng)絡節(jié)點以換取更多的帶寬；二是要優(yōu)化IPTV單播流量，緩存可以部署在不同的網(wǎng)絡位置實現(xiàn)不同程度的帶寬節(jié)省；三是優(yōu)化互聯(lián)網(wǎng)P2P流量，業(yè)務網(wǎng)關和DIP同時下移到網(wǎng)絡邊緣，實現(xiàn)P2P下載流量在城域網(wǎng)內(nèi)部本地疏導。

通過以上優(yōu)化措施，可以減少視頻流對帶寬的浪費，節(jié)約網(wǎng)絡帶寬，進而節(jié)約網(wǎng)絡成本。

5 制定IPv6引入策略，解決IPv4地址不足

IPv4是現(xiàn)有通用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的當前版本。事實證明，該版本穩(wěn)固耐用、便于實施，且能夠和多種協(xié)議及應用設備良好協(xié)同。盡管IPv4自20世紀80年代初首次確立以來就幾乎未曾改動，但是其始終支持互聯(lián)網(wǎng)的升遷，一直發(fā)展到目前的全球規(guī)模。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)服務不斷地突飛猛進，IPv4在互聯(lián)網(wǎng)的目前規(guī)模與復雜性面前已暴露其不足之處。IPv6是專為彌補這些不足而開發(fā)出來的，以便讓互聯(lián)網(wǎng)能夠進一步發(fā)展壯大。IPv6所解決的最重要問題就是增加IP地址的需要。

2011年3月IANA宣布IPv4地址分配完畢，對于中國運營商來說，IPv4地址短缺也成了必須要面對的問題。因此一方面需要加強剩余IP地址資源的合理規(guī)劃使用工作,另一方面應通過技術試驗、標準制定等一系列工作進一步推動IPv6的應用，做好IPv6相關地址資源的規(guī)劃工作。

IPv6的實施部署，涉及到終端、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)、支撐系統(tǒng)等各個層面的支持。除IPv6組網(wǎng)自身所需的技術，包括路由、組播、VPN等外，IPv4到IPv6的過渡演進過程中還需要相關過渡技術包括雙棧、隧道、翻譯等，運營商應針對目前互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展而IPv4地址不足的情況，制定IPv6的引入策略，并積極試點，為IPv4不足可能帶來的帶寬業(yè)務無法開展的問題做準備。

6 結束語

互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的時代，作為大型互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡提供者，應從網(wǎng)絡結構、網(wǎng)絡帶寬擴容、新技術應用等各個方面制定相應的技術策略，以最小建設成本保證業(yè)務的最好開展，同時為下一代互聯(lián)網(wǎng)做必要的準備。