云網融合的統一承載網技術

侯 欣

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 概 述

所謂“云網融合”，指的是“云計算”和“通信網絡”的融合。云計算包括計算能力、存儲能力和軟硬件的配套，通信網絡則包括運營商的接入網、無線網、傳輸網、承載網及核心網等[1]。從技術角度來看，“云網融合”就是在云計算中引入通信網絡技術，在通信網絡中引入云計算技術。目前，主要的云計算服務提供商和通信網絡服務提供商還是分屬IT行業和通信行業，也可以說云網融合將會促進這兩個行業相互融合。

在傳統的通信網絡劃分中，傳送網注重傳送，具備業務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承載網則專注于承載，帶寬可以復用，利用率高，部署靈活，QoS、OAM、可靠性等方面逐漸得到了完善。運營商原來的承載網和傳輸網是以端局或模塊局、接入網點機房為服務對象的。隨著核心網的云化，很多網絡功能單元已經以軟件化的方式存在于數據中心，承載網和傳輸網的主要服務對象已是各種不同的數據中心。這些數據中心可能是原來網絡的核心局點，也可能是原來網絡的模塊局或接入站點（邊緣數據中心）。

近年來，互聯網用戶特別是視頻用戶的總數及流量不斷激增。IEEE帶寬評估報告稱，每秒將會有1×106min的視頻內容流經網絡，網絡帶寬尤其是骨干網帶寬每18個月翻1倍，到2020年年底，全球IP流量將達到每年2.3 ZB。可以預見未來以數據中心為核心的網絡要能提供超大數據帶寬，要能實現數以千億計的“物”的連接，要能提供便捷穩定的用戶體驗，要能提供豐富多樣的網絡服務和無縫覆蓋，乃至向所有用戶提供隨選功能。承載網和傳輸網由于服務對象的改變，自身必須要有相適應的技術進步，要能低成本地高效連接各個數據中心并實現靈活調度、智能體驗。正是在這樣的背景下，傳送網和IP承載網取長補短、相互統籌協同，形成優勢互補的統一承載網，并繼續融合。

2 面向云網融合的承載網技術

當前運營商網絡需要打破軟硬一體、轉控一體的限制，承載網絡要根據各類云服務需求按需開放網絡能力，實現網絡與云的敏捷打通、按需互聯，并體現出智能化、自服務、高速以及靈活等特性。網絡轉型不是一個一蹴而就的過程，對于面向云網融合的承載網絡，需要關注以下幾個方面的技術，有序推進網絡轉型發展。

2.1 高帶寬承載

5G的峰值傳輸速率將能達到10 Gb/s，是目前4G的上百倍，VR、8K高清等網絡視頻直播業務也對視頻接入端的帶寬要求提出了更高要求。作為基礎網絡的承載網，運營商在5G時代初期首先面臨的壓力是帶寬提速。對于統一承載網來說，提速最終要體現在不斷提升骨干光傳送網的帶寬和核心路由器的吞吐量。

在骨干光傳送網方面，目前100G波分已經得到普遍應用，下一步主要在于進一步提升現網單波長速率（從100G到200G或400G ）、引入靈活格柵（Flex Grid）等技術，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，從而提升整個系統的容量。其他的前沿波分技術有空分復用（SDM）技術、概率星座整形（PCS）技術等。其中，貝爾實驗室的概率星座整形（PCS）技術，通過對信號進行智能整形，獲得整形增益，使特定光路逼近香農極限的最大容量。在2019年最新的外場試驗中，通過多個波長實現了50.8 Tb/s的傳輸速率，每波長凈信息速率達1.3 Tb/s。

核心路由器單端口速率從100M、GE、2.5G、10GE到當前主流的100GE，仍然跟不上流量增長對設備容量的需求。目前，核心路由器單端口速率正向400GE邁進。2020年6月，華為攜手中國移動率先完成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端口測試，完全滿足商用標準要求，并于7月8日在江蘇移動無錫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

運營商傳統的IP承載網與光傳送網絡是分開規劃和建設的。例如，IP網和光網分別可以部署自己的保護機制，如在IP層實施快速重路由（FRR），而在光層部署了1+1的子網連接保護（SNCP）。這樣實際上整體網絡資源浪費嚴重，而且兩種保護之間需要進行協同，以避免兩者同時倒換。統一承載網的網絡架構進行優化和融合，首先就是IP與光的融合。例如，通過統籌規劃IP層和光層的保護分工，可以節省一部分網絡資源。另外，較低層的IP節點所處理的業務中會有許多可旁路的轉發業務，通過合理的路由規劃讓這些業務在光層就進行旁路，不僅可以降低IP層的處理負荷，而且可以節省IP層與光層的接口數量，促進了網絡扁平化，降低了網絡的整體硬件投資[2]。

2.3 光和電融合

光和電的融合主要是指光骨干傳送網光層和電層的統籌規劃。在電層終結信號有很多好處，調度方便，性能監控完善，傳送性能有保障，但純電交叉的設備在網絡不斷提速的情況下面臨的挑戰越來越大。例如，一個6維的純電交叉節點，每個維度的容量是80×100G共8 T，那么交叉容量將達到6×8 TB共48 TB，如果每波長的速率提升到400G，容量就會達到192 TB，這對目前單臺電交叉設備的制造要求已經極高，何況容量提升后的供電和散熱要求也難以滿足。

可重構光分插復用（ROADM）設備可實現波長級業務智能快速調度，在實際網絡中，在電層上搭建以ROADM為架構的光層調度平面，可在光層實現大顆粒業務的調度，直接把任意一個波長從任意一個方向交換到任意的另一個方向[3]。目前成熟的32維ROADM結合超100G已經可以實現每秒P比特級別的交叉容量，遠超現有的電交叉設備的交叉能力。另外，由于ROADM器件本身功耗低，配套容易滿足，網絡的整體投資下降、運維成本降低。目前，ROADM主要發展方向包括增加維度，通過光纖編織技術形成全光背板，具有波長無關（Colorless）、方向無關（Directionless）、競爭無關（Contentionless）、波道間隔可調（FlexGrid）特性，波段擴展至C+L波段等。目前主流做法是由光層ROADM負責調度100G以上的大顆粒業務，100G以下的小顆粒業務則由電交叉負責，光電混合各自發揮優勢，逐漸演化發展解決實際應用。

2.4 智能網絡

智能化是整個網絡發展的大趨勢。運營商都在探索通過網絡智能化運營，實現業務自動化部署、資源智能化管理和分配、網絡故障智能分析定位及預測等。相比傳統的局站互聯，云網融合下的數據中心互聯對承載網的智能化提出了更高的要求，以軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）為代表的智能網絡技術是運營商未來網絡運營的關鍵技術[4]。

傳統局站的連接網絡架構相對非常穩定，流量變化很小，而云數據中心間連接的流量、流向都可能頻繁發生變化。傳統網絡的連接操作涉及運營商業務受理和后端處理多個部門，通過工單流轉完成一條電路的建立一般耗時數天，無法適應云時代的要求。例如，云視頻、大型的直播需求或其他網絡熱點事件引起的流量爆發，事先預測非常困難，電路和帶寬部署時間很緊急。另外，對一些帶寬需求高、時間短的電路需求，承載網絡預留專門的剛性通道來滿足往往利用率低下。

SDN的3個基本特征是控制轉發分離、邏輯集中控制和開放的API接口。簡而言之，SDN將控制權分離出來集中管理，屏蔽了底層網絡設備的差異，可以根據業務需求通過開放接口自定義網絡路由和傳輸規則，從而實現靈活部署和智能配置。結合網絡功能虛擬化（NFV）技術實現與底層網絡設備無關，SDN的應用還便于跨廠家設備調度[5]。

IP網絡產生時的分布式體系使其天生具有很強的生存能力，但因為應用層和控制層相互沒有打通，使得IP網絡的全局性較差，運維困難。IP承載網引入SDN技術后，業務配置、帶寬調整都可以根據既定的策略自動由軟件完成，既節約了時間，也降低了運維成本，還減少了人工出錯的可能性。從逐步演進的角度來看，目前SDN可以與傳統的網管系統協同配合，SDN負責網絡業務的自動部署和智能調整，而網管系統則負責故障管理和質量監控，兩者共享數據庫以保證數據的一致性，從協同逐漸走向融合。

ROADM作為物理層設備，也具備可編程功能，但對波長的配置如果是人工按事先規劃好的進行，其就是一個靜態的不靈活的網絡，引入SDN控制平面統籌控制IP層和光層，才能形成一個靈活、便捷的智能化網絡。另外，光標簽技術在ROADM系統上已得到廣泛應用，該技術可智能管理ROADM系統內成百上千的波道，實現業務追蹤、錯連檢測、自動調度等智能化功能。

3 結 論

在云網融合的背景下，運營商傳統的IP承載網和傳輸網將加速融合，形成統一的大承載網，通過引入SDN等智能網絡技術，在IP+光和光+電等方面不斷協同、直至融合，最終形成一個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維體驗的統一承載網，云網融合、網隨云動。同時，通信運營商和云計算服務提供商逐漸走向統一，通信技術和云計算技術必將深度融合，為社會發展提供更大的便利。