云網協同時代運營商IP承載網發展

朱永慶，黃曉瑩，張文強

（1. 中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2. 中國電信集團公司，北京 100032）

云網協同時代運營商IP承載網發展

朱永慶1，黃曉瑩1，張文強2

（1. 中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2. 中國電信集團公司，北京 100032）

IP承載網作為Internet的重要基礎設施，在云網協同發展背景下其作用越發重要。萬物互聯時代，IP承載網的演進逐步從以網絡擴展為中心向以用戶為中心轉變。在對運營商IP承載網絡現狀分析的基礎上，結合業務與技術研究，提出了基于“體驗圈”的網絡發展思路。“體驗圈”從流量的區域匯聚特性切入，以用戶體驗為核心對架構進行優化，同時，對傳輸層以及應用層的協同提出建議。

IP承載網；軟件定義網絡；體驗圈；IP—傳輸協同

1 引言

IP承載網由IP骨干網、城域網與IDC（internet data center，互聯網數據中心）等構成，與用戶網絡共同構成了Internet的主體。作為用戶網絡的連接紐帶與承載平臺，IP承載網在Internet的發展過程中發揮了至關重要的作用。云計算、視頻、物聯網等業務的發展以及SDN（software defined networking，軟件定義網絡）、NFV（network functions virtualization，網絡功能虛擬化）等技術的出現催生了“云網協同”時代。長期以來，IP承載網一直在業務需求與技術發展等因素的推動下持續平穩演進。在云網協同發展的今天，業務與技術都出現了新的變化，并為IP承載網的發展帶來新的機遇與挑戰，因此需要深入探討。

2 互聯網業務發展趨勢

互聯網誕生于20世紀70年代，隨著網絡空間與物理空間的逐步融合，互聯網正在從最初的單純數據通信網絡逐步向“萬物互聯（internet of everything，IoE）”網絡演進。這個過程伴隨著IDC設施的云化以及終端類型的多樣化。現階段，3類互聯網業務推動著互聯網發展。

· 云計算相關業務：云計算是一種技術，更是一種理念。在云計算出現之前，盡管IP網絡具有傳送、計算與存儲等功能，但長期以傳送功能為主。云計算技術的出現，極大加速了IP網絡功能向計算、存儲等領域的拓展，使得“云”“網”逐步融合進而形成“XaaS（一切皆服務）”的態勢。云計算相關應用的出現與發展進一步推動了網絡東西向流量的增長，使網絡流量流向呈現變化快、突發性強以及更加離散等特征，對網絡的資源動態配置能力提出了極高要求。

· 視頻業務：視頻是當今第一大互聯網應用。思科公司2016年發布的VNI（visual networking index）報告顯示，2020年互聯網視頻流量將占全球互聯網流量的 79%。用戶對視頻體驗的不斷追求推動著視頻業務向超高清和沉浸感體驗發展，4K、8K、VR（virtual reality，虛擬現實）以及 AR（augmented reality，增強現實）等視頻應用將不斷涌現，帶來更加極致的視頻體驗。相對于其他業務，互聯網視頻具有大流量、高感知、長連接和高并發的特點，且在熱點效應下極易出現突發的“大象流”，對IP承載網絡產生非常大的沖擊，需要網絡具有較強的彈性承載能力。

· 物聯網相關應用：物聯網擴大了互聯網的內涵，顛覆了傳統的網絡應用思路，豐富了終端類型，將催生出更加豐富、更深層次的網絡應用和業務。從現有需求與技術發展來看，未來一段時間，物聯網仍以M2M（machine-to-machine）通信為主（數據量小，本地連接較多），盡管連接數量巨大，甚至出現部分可靠性、即時性需求，但還不足以對現有IP網絡形成較大沖擊。未來，5G場景下物聯網應用是否出現“井噴式”發展并對IP承載網產生較大影響，需要持續關注。

由此可見，云計算、視頻等業務所導致的高通量、高突發、高并發、長連接以及流量流向離散等流量行為，將對IP網絡產生深遠影響。盡管可以通過CDN部署、DC分布化等方式緩解流量對網絡的沖擊，但在業務云化的趨勢下，仍難以通過局部優化實現云網協同發展，需要從IP網絡整體架構尋求解決之道。

3 IP承載網絡現狀及挑戰

IP承載網涵蓋骨干網、城域網、IDC等網絡，是信息傳輸的高速通道。云網協同需要IP骨干網、城域網以及IDC的共同推進，其協同演進及發展對實現云網協同至關重要。

3.1 IP承載網現狀

IP承載網中，城域網及IDC網絡除流量轉發外，主要承擔用戶、應用及網絡資源的聚合角色，通常屬于區域性網絡，需要IP骨干網作為連接紐帶。IP骨干網屬于跨地域網絡，各運營商運營理念以及發展思路的不同導致了IP骨干網形態的差異。從業務運營的角度，IP骨干網可分為單一網絡融合承載與多業務分離承載兩類。單一網絡融合承載將所有業務承載在同一張IP骨干網上（必要時可根據業務質量實施差異化承載），美國AT&T的IP骨干網即屬此類網絡。多業務分離承載則是根據業務定位，將不同服務質量要求的業務承載在不同 IP骨干網上，中國電信利用ChinaNet和CN2分別承載不同業務，就是在IP骨干網層面實施多業務分離承載的范例。另外，根據拓撲結構，IP骨干網又可分為匯聚型網絡和格狀網絡。匯聚型網絡設計的前提在于網絡中存在流量規模較大的核心節點，因而匯聚型網絡的普通節點通常通過核心節點實現流量交互，而較少關注節點間距離等因素。格狀網絡則將節點間距離作為主要設計參數，不設置核心節點，相鄰節點間保證絕對可達（但不強調所有節點全連接）。隨著IP流量持續增長以及網絡架構優化等因素，上述兩種拓撲結構有逐步融合的趨勢。

3.2 IP承載網面臨挑戰

盡管運營方式與網絡拓撲不同，但隨著業務發展與IP流量的持續增長，運營商IP承載網絡的發展進入一個瓶頸期，主要體現在以下幾方面。

（1）擴展性不足

網絡應用日益豐富與IP流量的不斷增長需要網絡持續擴展。IP承載網的擴展性主要取決于網絡容量的可擴展性，而容量的擴展則體現為節點規模的擴展與節點自身的擴展。IP網絡屬于分布式網絡，每個節點都同時擔負著路由決策與轉發功能，當節點數量較大時，業務布放速度與網絡收斂速度會受到較大影響。因此，在IP承載網中，節點數量相對穩定，通常不會出現數量大幅增加的情況，網絡的擴展性更多依賴于節點自身的擴展。IP承載網的節點由路由器組成，受限于散熱、芯片工藝等技術的發展，路由器一般2～3年容量提升一倍，其容量的提升速度低于全球IP流量的增長速率。集群路由器（通過中央框、線卡框的方式擴展路由器容量，而對外呈現為單臺路由器）的出現可在一定程度上緩解此矛盾，盡管集群路由器容量理論上可達到64個線卡框（線卡框在非集群狀態下可作為獨立路由器使用，因此64個線卡框的集群路由器容量相當于64臺獨立路由器）甚至更高，但由于集群路由器對機房的空間、電源和承重都有極高的要求，因此，在工程實現上，單機房集群路由器通常不超過9個線卡框，這對網絡擴展性提出了較大挑戰。

（2）業務適配性差

傳統IP承載網強調網絡的高速轉發功能，較少考慮對上層業務的適配，主要表現在：IP網絡遵循TCP/IP協議棧的分層原則，上層應用與IP層相對獨立，難以根據IP網絡資源等信息優化配置。這樣不僅容易導致局部網絡性能劣化，也不利于業務體驗的提升；路由器等傳統網元強調互聯接口與協議的標準化，采用封閉的軟硬件設計方式，網絡能力與硬件能力強相關，網絡—應用之間缺乏有效的協同/溝通機制。當新業務對網絡提出新的能力要求時，通常需要升級甚至替換IP網元才能滿足要求。

（3）流量調度手段有限

有效的流量調度可實現網絡資源利用率以及業務體驗的提升，是網絡運營能力的重要體現。隨著業務云化，大規模分布式計算使得流量的突發性及離散性增強，網絡需具備更智能的流量調度能力。目前，IP網絡采用PHB（per hop behavior，逐跳轉發）方式，各節點獨立決策，因此，無法實現流量的全局調度。另外，IP路由協議在路由決策時幾乎不考慮鏈路質量、帶寬以及時延等參數（OSPF、ISIS等鏈路狀態協議在設計之初考慮了相關因素，但并未真正付諸應用。MPLS轉發依賴于路由協議所確定的可達性，也不能從根本上解決該問題），對網絡資源缺乏全局動態感知，從而無法對流量實施有效動態調度。

4 新技術的影響

IP網絡的發展是一個技術與業務雙輪驅動的過程。近年來，隨著軟硬件技術特別是IT技術的發展，催生了虛擬化等一系列新技術，為IP網絡的發展注入了新的活力。以虛擬化為代表的一系列新技術開始改變信息化基礎設施的構建理念，同時影響著IP網絡的發展方向。

4.1 虛擬化技術

虛擬化本質上是在對軟硬件資源邏輯抽象的基礎上，通過對邏輯單元、流程等以更靈活顆粒度進行優化組合，從而實現功能重構和性能增強的一種方式。IP網絡目前諸多問題的根源在于其基于傳統網元的分布式組網方式以及“面向問題”的發展模式（目前IETF有效的標準文檔超過8 000個，基本都是針對特定問題而提出的協議標準），而虛擬化技術則為 IP網絡后續的發展提供了技術基礎。虛擬化技術目前可分為計算虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化3類。網絡虛擬化基于物理拓撲對網絡連通能力進行抽象，可實現網絡資源的多層次靈活隔離、共享與快速部署。網絡虛擬化與服務器虛擬化、存儲虛擬化等技術結合，可充分發揮IP網絡的計算與存儲能力，從而大大提升網絡彈性與可擴展性。虛擬化技術也將推動云網協同進程，在對IP承載網架構產生深遠影響的同時，進一步加速了網絡流量流向的離散與突變趨勢，對網絡的敏捷度與響應能力提出更高要求。

4.2 SDN技術

SDN定義了一種在轉控分離模式下信令、資源等信息的交互機制。這種機制保證了上層應用通過可編程接口與下層網絡資源的交互效率，從而使網絡更高效、敏捷，同時提升集約能力。

SDN在實踐過程中逐漸發展出三大流派。以ONF（Open Networking Foundation，開放網絡基金會）為代表的革命派，主張對網絡進行根本性變革，網絡控制層被完全抽離，網絡節點只做純粹的數據交換。從產業鏈的支持力度看，該模式短時間內難以在IP承載網推廣。由設備廠商主導的overlay派，主張通過疊加的邏輯平面屏蔽底層網絡細節，目前主要應用于數據中心互聯，解決云環境下數據中心的擴展性問題，尚未在運營商IP網絡有成熟商用。由設備廠商主導的改良派，提出通過開放網絡設備接口的方式向上層應用提供適配的資源與能力（網絡節點仍可保留一定程度的控制平面與自主控制權）。這種方式對現有網絡改動較少，較適合在過渡期間引入部署（初期聚焦于局部流量調度，通過引入集中化的控制技術，提升流量調度的靈活性）。

4.3 NFV技術

NFV是由運營商主導提出的網絡功能虛擬化技術，旨在通過軟硬件解耦的方式，降低設備成本并提升資源調度能力和業務部署靈活性。NFV進一步加速了IT與CT技術的融合，為IP網絡的發展提供新的思路。

目前，基于x86架構的NFV解決方案，其處理能力遠低于基于NP/ASIC的專用網絡設備，主要適用于計算密集型和業務功能豐富的應用場景（如 vRR、vCPE、vBNG 等）。核心路由器等以高速轉發功能為主的IP承載網網元，在通用硬件或開源硬件技術取得突破之前，不會NFV化。

5 IP承載網絡演進思路

在可預見的未來，“Everything over IP, IP over everything”仍是互聯網發展的基調。IP網絡在過去的演進過程中始終強調分層解耦以及自身容量和效率的提升，在與上層應用、底層資源的協同方面較為欠缺，整體運行效率難以最優化。云網協同背景下，網絡發展逐漸轉向以用戶體驗為中心，多業務融合承載將成為主流。為滿足互聯網的發展需求，IP承載網的發展需要聚焦在網絡架構優化、IP—傳輸協同、網絡—應用協同等方面。

5.1 架構優化

云網協同條件下，網絡服務的即時性成為用戶體驗的第一要素。長期以來，IP承載網的核心訴求是對數據分組的快速和可靠轉發，流量整體優化是其主要目標。長期以來，IP承載網的架構優化以網絡規劃周期內流量的宏觀效率提升為基礎，IP骨干網、城域網、IDC優化缺乏有效協同，架構保持相對穩定但難以應對短期內流量與應用大幅度的變化。為提升包括即時性在內的用戶體驗，同時應對流量的快速變化，需要以“體驗圈”為核心推動IP承載網的組網優化。

IP網絡中，體驗圈即具有相同/相似流量與用戶特征、以特定地域范圍為核心形成的網絡區域。體驗圈所涵蓋的區域，其經濟、文化或政治聯系較為緊密，用戶之間溝通頻繁，內容源相對集中，用戶行為與流量特征也存在一定相似性。一般來講，流量匯聚比例超過50%即可從IP網絡角度劃分為同一區域。以此類區域為基礎進行網絡架構調整，將使網絡流量流向更為有序和集中，從而可保證區域內的用戶體驗。在現有網絡架構下，IP骨干網通常與IDC、城域網相連。組建體驗圈，即將具有相同/相似流量特征的IP骨干網、IDC和城域網通過一定的連接法則聚合，形成特定地域范圍內、具有較高網絡體驗的網絡體系。由于流量、用戶等特征的趨同性，通過把內容源、骨干網、城域網有效地組織起來，可以更好地適應流量的變化。IP骨干網作為體驗圈的重要組成部分，是連接體驗圈內各網絡區域（如城域網與IDC間、IDC之間以及城域網之間等）的重要通道。因此，基于體驗圈的 IP承載網絡優化應以骨干網為切入點。

具體而言，在骨干網內首先根據體驗圈所確定的地域范圍設置區域中心節點。區域中心節點是IP骨干網的樞紐節點，負責圈內外流量的疏導與轉接。為保證區域內主要流量（如大型城域網訪問大型IDC、大型城域網間互訪等）不發生路徑繞轉，區域中心節點應設置在大型 IDC或城域網所在地市。考慮到組網頑健性等因素，在同一體驗圈內需至少部署一對骨干網區域中心節點。為擴大體驗圈的覆蓋范圍及提升連接效率，除區域中心節點外，某些區域還存在區域接入節點。區域接入節點可基于行政區域、地域范圍和節點重要性等因素設置，該類節點主要負責本地流量的接入與轉發，通常不與區域外節點連接。為保證體驗圈內的流量效率，同一體驗圈內的節點連接原則為：中心節點之間全互聯；接入節點采用雙歸方式與一對或多對中心節點連接；接入節點間可根據流量規模按需互聯，最終形成星型或半網狀連接。

體驗圈內，區域中心節點、接入節點構成了IP骨干網的區域性網絡。體驗圈內的城域網、IDC等則根據流量規模、重要性等確定與區域中心節點或接入節點的連接方式。通常情況下，為保證不同區域之間流量路徑最短，區域中心節點之間可采用全網狀（full mesh）方式互聯。基于體驗圈的IP承載網模型如圖1所示。

圖1 基于體驗圈的IP承載網模型

以體驗圈為核心的架構優化已在實際網絡建設中實施。以西南某區域為例，該區域內所有省份流量匯聚比例達62%，屬典型的體驗圈區域。將該區域看作一個整體進行各網絡架構協同設計，將使帶寬布放更有效率。具體來講，則是以區域為整體進行連接優化，提升區域內連通比例，適當減少跨區域長途連接。區域內設置IP骨干網雙核心，所有省份的接入節點雙掛核心，城域網、IDC網絡通過骨干接入節點實現區域內互聯；區域外，采用核心雙節點一體化設計，以區域為對象實現跨區域連接與流量疏導。優化后區域呈現明顯統一的組織特性，區域內連接度提升，區域間連接以區域為單位通過核心節點實施。架構優化后，區域內流量本地化比例得到較大提升，用戶體驗更佳。

可以看出，體驗圈的構建過程是將IP骨干網、城域網以及IDC網絡作為整體實施優化的過程。它以資源的有效聚合為優化依據，最終會促進資源的進一步優化部署。而以體驗圈為中心的IP承載網架構相對傳統的格狀網絡或匯聚型網絡，在適應流量變化與提升用戶體驗方面更勝一籌。同時，以體驗圈為基礎的組網架構，對傳輸網絡也提出了新的需求。

5.2 IP—傳輸協同

為減少IP流量的物理路徑繞轉，需要IP—傳輸協同組網，以保證IP—傳輸之間的網絡拓撲一致。組網協同屬于靜態協同方式。在組網協同的基礎上，為實現更為精細與動態的資源調度，使傳輸資源更好地服務于IP流量承載，需要通過技術手段實現資源協同。資源協同主要解決3個方面的問題：首先，傳輸技術為了適配IP業務統計復用的特性，開始逐步引入分組化內核，打破既有的波分、時分復用方式，通過復用方式的多樣性提升數據鏈路層及以下層次資源的整體利用率；其次，通過更靈活的容器和封裝/映射技術提高數據分組在傳輸單元的承載效率，從而實現任意顆粒度IP寬帶業務在傳輸網絡中的有效承載；第三，通過IP層與傳輸層協同調度的方式，提升從物理層到網絡層資源的整體利用率。

IP層與傳輸層協同調度的目的是，通過IP層與傳輸層間有效的信息互通實現資源的動態按需分配，同時提升流量傳輸效率和網絡生存性。為實現 IP層與傳輸層之間的協同調度，業界提出GMPLS（generalized multiprotocol label switching，通用多協議標簽交換）協議，試圖通過統一的控制平面實現對IP層、傳輸層各層次用戶平面（或稱為轉發平面）的協同調度。但是，GMPLS主要以UNI（user network interface，用戶網絡接口）作為IP—傳輸之間信息互通的機制，并未定義能力抽象的架構，加大了控制層的復雜性，從而導致擴展性不足，因而未能實現規模部署。隨著SDN概念的提出，基于SDN的IP—傳輸協同方案成為業界熱點。這種方案需要在IP層與傳輸層分別部署SDN控制器（controller）實現能力抽象；同時，為避免GMPLS實現的復雜性，通過協同編排器（orchestrator）或更高層面的控制器實現IP層與傳輸層控制器的信息交互與統籌決策。與IP—傳輸協同相似的解決方案，還有IP—傳輸融合。該技術通常將IP與傳輸集成在同一設備中，通過IP提供彩光接口或IP over OTN等方式實現。這種方式可在一定程度上（尤其在單廠商設備組網時）降低投資成本，但對網絡運維要求較高（缺乏傳統的IP與傳輸專業運維界面），且標準化程度較低，難以廣泛應用。

目前，IP—傳輸已實現組網協同，而IP與傳輸正分別進行SDN場景與相關技術的驗證，未來將引入統一的控制面，通過南北接口與兩專業控制器分別對接，從而實現更深層次的調度協同。

5.3 網絡—應用協同

網絡—應用協同可實現網絡承載效率與應用部署的整體優化，進一步提升用戶體驗。云網協同背景下，網絡—應用協同主要體現在組網協同與能力開放兩方面。

為實現網絡—應用的協同組網，通常利用CDN實現“存儲換帶寬”與“內容就近推送”，為視頻業務的規模開展奠定基礎。在網絡應用日益豐富的形勢下，還需要以網絡能力開放的方式支持更多業務與應用的部署。網絡能力開放就是在網絡分層解耦的基礎上，將網絡能力抽象、封裝以供用戶和上層應用調用的一種網絡—應用協同方式。以往，單個網元的用戶管理、路徑管理、業務管理、網元管理以及轉發能力等被封閉在“盒子（box）”中，以此為基礎的網絡資源的調配、業務部署等工作通常工作量大且難以全局最優。為了實現網絡—應用協同，需要逐步將網元的相關能力抽象出來，并通過封裝方式提供給上層應用。網絡能力開放使得上層應用可對底層資源進行快速調用，加快業務上線速度，高效率的業務運轉將進一步優化運營商的資源配置。

現階段，網絡能力開放還處于初級階段，主要在 BGP、PCEP等協議擴展的基礎上將路徑決策能力抽象、封裝，供上層應用或客戶使用，是對現有流量調度能力的提升，屬于增強型能力開放。目前，現網主要基于增強型能力開放的方式實現局部網絡的協同調度（如在區域核心節點間部署集中控制器，利用BGP flowspec、PCEP等較成熟的南向接口協議對出口設備進行策略下發，實現特定場景下的局部流量調度）。未來，需要將網元的業務管理、用戶管理等能力向上層開放，實現網絡可編程，從而實現網絡資源多維度以及多顆粒度的調度。

隨著網絡能力的逐步開放，網元形態逐漸向通用化、軟件化演進。但是，大帶寬、高可用以及低功耗等特性仍是IP承載網的基本要求，目前虛擬化技術網元還不能滿足需求。因此，在可預見的未來，IP承載網網元仍然會維持目前實體的形態，技術發展仍聚焦于高容量低功耗的關鍵技術。

6 結束語

滿足用戶與業務需求始終是運營商IP承載網發展的核心訴求。盡管云網協同對IP承載網提出新的挑戰，基于TCP/IP架構的IP承載網的演進仍將在現有基礎上漸進式發展。本文提出的以“體驗圈”為理念的IP承載網架構優化以及應用—網絡—傳輸協同的解決方案，從用戶需求的角度切入，推動IP骨干網、城域網及IDC架構的統籌優化，并已在現網中得到應用且取得良好成效。未來，將進一步通過網絡—應用協同能力的提升推動云網融合發展，為Internet的規模、高效發展奠定基礎。

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Development of carrier’s IP bearer network in cloud-network coordinated era

ZHU Yongqing1, HUANG Xiaoying1, ZHANG Wenqiang2
1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China 2. China Telecom Corporation, Beijing 100032, China

IP bearer network is one of the basic internet infrastructures. It plays a more and more important role in the cloud-network coordinated era. Entering the era of everything interconnected, the IP beaer network evolution has changed from network-centric to user-centric. Combined the current situation of the IP bearer network with the research of related technologies and service, some suggestions on IP bearer network development based on the concept of “experience circle” were given. The “experience circle” concept came from the research on traffic regional aggregation, which offered a way to optimize the IP bearer network based on user’s experience, as well as suggestions on IP-transport synergy and application coordination.

IP bearer network, software defined networking, experience circle, IP-transport synergy

TN919

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017256

2017?03?31；

2017?08?28

朱永慶（1974?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，長期從事IP網絡研究工作，主要研究方向為網絡重構、SDN/NFV技術的發展應用等。

黃曉瑩（1980?），女，中國電信股份有限公司廣州研究院工程師，主要從事中國電信骨干網絡規劃工作。

張文強（1979?），男，中國電信集團公司網絡發展部高級工程師，長期從事IP網絡規劃、研究工作。