云網(wǎng)融合的統(tǒng)一承載網(wǎng)技術(shù)

侯 欣

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 概 述

所謂“云網(wǎng)融合”，指的是“云計(jì)算”和“通信網(wǎng)絡(luò)”的融合。云計(jì)算包括計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和軟硬件的配套，通信網(wǎng)絡(luò)則包括運(yùn)營(yíng)商的接入網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、承載網(wǎng)及核心網(wǎng)等[1]。從技術(shù)角度來(lái)看，“云網(wǎng)融合”就是在云計(jì)算中引入通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在通信網(wǎng)絡(luò)中引入云計(jì)算技術(shù)。目前，主要的云計(jì)算服務(wù)提供商和通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商還是分屬IT行業(yè)和通信行業(yè)，也可以說(shuō)云網(wǎng)融合將會(huì)促進(jìn)這兩個(gè)行業(yè)相互融合。

在傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)劃分中，傳送網(wǎng)注重傳送，具備業(yè)務(wù)QoS保證、OAM、高安全等特性，由于是剛性的傳輸通道，帶寬利用率不高。IP承載網(wǎng)則專注于承載，帶寬可以復(fù)用，利用率高，部署靈活，QoS、OAM、可靠性等方面逐漸得到了完善。運(yùn)營(yíng)商原來(lái)的承載網(wǎng)和傳輸網(wǎng)是以端局或模塊局、接入網(wǎng)點(diǎn)機(jī)房為服務(wù)對(duì)象的。隨著核心網(wǎng)的云化，很多網(wǎng)絡(luò)功能單元已經(jīng)以軟件化的方式存在于數(shù)據(jù)中心，承載網(wǎng)和傳輸網(wǎng)的主要服務(wù)對(duì)象已是各種不同的數(shù)據(jù)中心。這些數(shù)據(jù)中心可能是原來(lái)網(wǎng)絡(luò)的核心局點(diǎn)，也可能是原來(lái)網(wǎng)絡(luò)的模塊局或接入站點(diǎn)（邊緣數(shù)據(jù)中心）。

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)用戶特別是視頻用戶的總數(shù)及流量不斷激增。IEEE帶寬評(píng)估報(bào)告稱，每秒將會(huì)有1×106min的視頻內(nèi)容流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)帶寬尤其是骨干網(wǎng)帶寬每18個(gè)月翻1倍，到2020年年底，全球IP流量將達(dá)到每年2.3 ZB?？梢灶A(yù)見(jiàn)未來(lái)以數(shù)據(jù)中心為核心的網(wǎng)絡(luò)要能提供超大數(shù)據(jù)帶寬，要能實(shí)現(xiàn)數(shù)以千億計(jì)的“物”的連接，要能提供便捷穩(wěn)定的用戶體驗(yàn)，要能提供豐富多樣的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和無(wú)縫覆蓋，乃至向所有用戶提供隨選功能。承載網(wǎng)和傳輸網(wǎng)由于服務(wù)對(duì)象的改變，自身必須要有相適應(yīng)的技術(shù)進(jìn)步，要能低成本地高效連接各個(gè)數(shù)據(jù)中心并實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)度、智能體驗(yàn)。正是在這樣的背景下，傳送網(wǎng)和IP承載網(wǎng)取長(zhǎng)補(bǔ)短、相互統(tǒng)籌協(xié)同，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的統(tǒng)一承載網(wǎng)，并繼續(xù)融合。

2 面向云網(wǎng)融合的承載網(wǎng)技術(shù)

當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)需要打破軟硬一體、轉(zhuǎn)控一體的限制，承載網(wǎng)絡(luò)要根據(jù)各類云服務(wù)需求按需開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與云的敏捷打通、按需互聯(lián)，并體現(xiàn)出智能化、自服務(wù)、高速以及靈活等特性。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型不是一個(gè)一蹴而就的過(guò)程，對(duì)于面向云網(wǎng)融合的承載網(wǎng)絡(luò)，需要關(guān)注以下幾個(gè)方面的技術(shù)，有序推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2.1 高帶寬承載

5G的峰值傳輸速率將能達(dá)到10 Gb/s，是目前4G的上百倍，VR、8K高清等網(wǎng)絡(luò)視頻直播業(yè)務(wù)也對(duì)視頻接入端的帶寬要求提出了更高要求。作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)，運(yùn)營(yíng)商在5G時(shí)代初期首先面臨的壓力是帶寬提速。對(duì)于統(tǒng)一承載網(wǎng)來(lái)說(shuō)，提速最終要體現(xiàn)在不斷提升骨干光傳送網(wǎng)的帶寬和核心路由器的吞吐量。

在骨干光傳送網(wǎng)方面，目前100G波分已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，下一步主要在于進(jìn)一步提升現(xiàn)網(wǎng)單波長(zhǎng)速率（從100G到200G或400G ）、引入靈活格柵（Flex Grid）等技術(shù)，這樣可以降低波分間隔，以便在C、L波段中容納更多的波長(zhǎng)，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的容量。其他的前沿波分技術(shù)有空分復(fù)用（SDM）技術(shù)、概率星座整形（PCS）技術(shù)等。其中，貝爾實(shí)驗(yàn)室的概率星座整形（PCS）技術(shù)，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行智能整形，獲得整形增益，使特定光路逼近香農(nóng)極限的最大容量。在2019年最新的外場(chǎng)試驗(yàn)中，通過(guò)多個(gè)波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了50.8 Tb/s的傳輸速率，每波長(zhǎng)凈信息速率達(dá)1.3 Tb/s。

核心路由器單端口速率從100M、GE、2.5G、10GE到當(dāng)前主流的100GE，仍然跟不上流量增長(zhǎng)對(duì)設(shè)備容量的需求。目前，核心路由器單端口速率正向400GE邁進(jìn)。2020年6月，華為攜手中國(guó)移動(dòng)率先完成P比特核心路由器NetEngine 5000E-20新一代小型化光模塊封裝QSFP-DD的400GE端口測(cè)試，完全滿足商用標(biāo)準(zhǔn)要求，并于7月8日在江蘇移動(dòng)無(wú)錫IDC出口路由器成功商用部署了基于QSFP-DD封裝的單端口400GE。

2.2 IP和光融合

運(yùn)營(yíng)商傳統(tǒng)的IP承載網(wǎng)與光傳送網(wǎng)絡(luò)是分開(kāi)規(guī)劃和建設(shè)的。例如，IP網(wǎng)和光網(wǎng)分別可以部署自己的保護(hù)機(jī)制，如在IP層實(shí)施快速重路由（FRR），而在光層部署了1+1的子網(wǎng)連接保護(hù)（SNCP）。這樣實(shí)際上整體網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且兩種保護(hù)之間需要進(jìn)行協(xié)同，以避免兩者同時(shí)倒換。統(tǒng)一承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和融合，首先就是IP與光的融合。例如，通過(guò)統(tǒng)籌規(guī)劃IP層和光層的保護(hù)分工，可以節(jié)省一部分網(wǎng)絡(luò)資源。另外，較低層的IP節(jié)點(diǎn)所處理的業(yè)務(wù)中會(huì)有許多可旁路的轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，通過(guò)合理的路由規(guī)劃讓這些業(yè)務(wù)在光層就進(jìn)行旁路，不僅可以降低IP層的處理負(fù)荷，而且可以節(jié)省IP層與光層的接口數(shù)量，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)扁平化，降低了網(wǎng)絡(luò)的整體硬件投資[2]。

2.3 光和電融合

光和電的融合主要是指光骨干傳送網(wǎng)光層和電層的統(tǒng)籌規(guī)劃。在電層終結(jié)信號(hào)有很多好處，調(diào)度方便，性能監(jiān)控完善，傳送性能有保障，但純電交叉的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)不斷提速的情況下面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。例如，一個(gè)6維的純電交叉節(jié)點(diǎn)，每個(gè)維度的容量是80×100G共8 T，那么交叉容量將達(dá)到6×8 TB共48 TB，如果每波長(zhǎng)的速率提升到400G，容量就會(huì)達(dá)到192 TB，這對(duì)目前單臺(tái)電交叉設(shè)備的制造要求已經(jīng)極高，何況容量提升后的供電和散熱要求也難以滿足。

可重構(gòu)光分插復(fù)用（ROADM）設(shè)備可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)業(yè)務(wù)智能快速調(diào)度，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，在電層上搭建以ROADM為架構(gòu)的光層調(diào)度平面，可在光層實(shí)現(xiàn)大顆粒業(yè)務(wù)的調(diào)度，直接把任意一個(gè)波長(zhǎng)從任意一個(gè)方向交換到任意的另一個(gè)方向[3]。目前成熟的32維ROADM結(jié)合超100G已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)每秒P比特級(jí)別的交叉容量，遠(yuǎn)超現(xiàn)有的電交叉設(shè)備的交叉能力。另外，由于ROADM器件本身功耗低，配套容易滿足，網(wǎng)絡(luò)的整體投資下降、運(yùn)維成本降低。目前，ROADM主要發(fā)展方向包括增加維度，通過(guò)光纖編織技術(shù)形成全光背板，具有波長(zhǎng)無(wú)關(guān)（Colorless）、方向無(wú)關(guān)（Directionless）、競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)（Contentionless）、波道間隔可調(diào)（FlexGrid）特性，波段擴(kuò)展至C+L波段等。目前主流做法是由光層ROADM負(fù)責(zé)調(diào)度100G以上的大顆粒業(yè)務(wù)，100G以下的小顆粒業(yè)務(wù)則由電交叉負(fù)責(zé)，光電混合各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，逐漸演化發(fā)展解決實(shí)際應(yīng)用。

2.4 智能網(wǎng)絡(luò)

智能化是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大趨勢(shì)。運(yùn)營(yíng)商都在探索通過(guò)網(wǎng)絡(luò)智能化運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)自動(dòng)化部署、資源智能化管理和分配、網(wǎng)絡(luò)故障智能分析定位及預(yù)測(cè)等。相比傳統(tǒng)的局站互聯(lián)，云網(wǎng)融合下的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)對(duì)承載網(wǎng)的智能化提出了更高的要求，以軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）為代表的智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是運(yùn)營(yíng)商未來(lái)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)[4]。

傳統(tǒng)局站的連接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)非常穩(wěn)定，流量變化很小，而云數(shù)據(jù)中心間連接的流量、流向都可能頻繁發(fā)生變化。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連接操作涉及運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)受理和后端處理多個(gè)部門，通過(guò)工單流轉(zhuǎn)完成一條電路的建立一般耗時(shí)數(shù)天，無(wú)法適應(yīng)云時(shí)代的要求。例如，云視頻、大型的直播需求或其他網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)事件引起的流量爆發(fā)，事先預(yù)測(cè)非常困難，電路和帶寬部署時(shí)間很緊急。另外，對(duì)一些帶寬需求高、時(shí)間短的電路需求，承載網(wǎng)絡(luò)預(yù)留專門的剛性通道來(lái)滿足往往利用率低下。

SDN的3個(gè)基本特征是控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、邏輯集中控制和開(kāi)放的API接口。簡(jiǎn)而言之，SDN將控制權(quán)分離出來(lái)集中管理，屏蔽了底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求通過(guò)開(kāi)放接口自定義網(wǎng)絡(luò)路由和傳輸規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)靈活部署和智能配置。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)實(shí)現(xiàn)與底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無(wú)關(guān)，SDN的應(yīng)用還便于跨廠家設(shè)備調(diào)度[5]。

IP網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生時(shí)的分布式體系使其天生具有很強(qiáng)的生存能力，但因?yàn)閼?yīng)用層和控制層相互沒(méi)有打通，使得IP網(wǎng)絡(luò)的全局性較差，運(yùn)維困難。IP承載網(wǎng)引入SDN技術(shù)后，業(yè)務(wù)配置、帶寬調(diào)整都可以根據(jù)既定的策略自動(dòng)由軟件完成，既節(jié)約了時(shí)間，也降低了運(yùn)維成本，還減少了人工出錯(cuò)的可能性。從逐步演進(jìn)的角度來(lái)看，目前SDN可以與傳統(tǒng)的網(wǎng)管系統(tǒng)協(xié)同配合，SDN負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自動(dòng)部署和智能調(diào)整，而網(wǎng)管系統(tǒng)則負(fù)責(zé)故障管理和質(zhì)量監(jiān)控，兩者共享數(shù)據(jù)庫(kù)以保證數(shù)據(jù)的一致性，從協(xié)同逐漸走向融合。

ROADM作為物理層設(shè)備，也具備可編程功能，但對(duì)波長(zhǎng)的配置如果是人工按事先規(guī)劃好的進(jìn)行，其就是一個(gè)靜態(tài)的不靈活的網(wǎng)絡(luò)，引入SDN控制平面統(tǒng)籌控制IP層和光層，才能形成一個(gè)靈活、便捷的智能化網(wǎng)絡(luò)。另外，光標(biāo)簽技術(shù)在ROADM系統(tǒng)上已得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)可智能管理ROADM系統(tǒng)內(nèi)成百上千的波道，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)追蹤、錯(cuò)連檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)度等智能化功能。

3 結(jié) 論

在云網(wǎng)融合的背景下，運(yùn)營(yíng)商傳統(tǒng)的IP承載網(wǎng)和傳輸網(wǎng)將加速融合，形成統(tǒng)一的大承載網(wǎng)，通過(guò)引入SDN等智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在IP+光和光+電等方面不斷協(xié)同、直至融合，最終形成一個(gè)能提供高速帶寬承載能力、提供敏捷高效靈活部署能力、提供直觀可視智能運(yùn)維體驗(yàn)的統(tǒng)一承載網(wǎng)，云網(wǎng)融合、網(wǎng)隨云動(dòng)。同時(shí)，通信運(yùn)營(yíng)商和云計(jì)算服務(wù)提供商逐漸走向統(tǒng)一，通信技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)必將深度融合，為社會(huì)發(fā)展提供更大的便利。