面向算網融合的全光算力底座構建與實踐

李壯志 呂文琳 陸 源 張立明

1 中國聯合網絡通信有限公司山東省分公司 濟南 250002

2 山東省郵電規劃設計院有限公司 濟南 250031

引言

當前數字經濟化轉型大潮下，運營商一邊面臨著傳統B2C業務的人口紅利逐漸消失，收入增長放緩的現實，一邊又迎來了千行百業上云和數字化轉型帶來的新的收入增長機會。海量的數字化應用需要差異化、內生安全的算網基礎設施和使能平臺，運營商逐步開始以網促云和以網促算路線打造差異化的云網、算網競爭力，賦能全行業數字化轉型，在開拓新的收入增長點的同時進一步支撐數字經濟高質量發展。面向數字化轉型大潮，作為算網融合基礎設施之一的品質光網則是數字化經濟的基石，是推動各行各業數字化轉型的重要推手。

2021年中國聯通發布CUBE-Net3.0網絡創新體系，作為中國聯通未來5～10年網絡轉型的頂層架構設計，提出了算網一體、云光一體、確定性服務三大業務使命和一個基于AI和數據驅動的控管體系，構建“算網為基、數智為核、低碳集約、安全可控”的算網一體底座，將傳統的聯接服務升級到“聯接+感知+計算+智能”的“智能融合”服務，在整個轉型過程中全光網是使能算力即服務的關鍵能力[1]。某省聯通始終堅持“創新，與智慧同行”的理念和CUBE-Net架構的指引，網絡建設方面持續不斷地探索創新，全力服務省內新舊動能轉換及企業數字化轉型的需要，提出了“三步走”戰略，從智慧光網到智慧光云，再到邁向全光算力網絡時代，不斷夯實智慧光云城市底座，為企業和算力之間搭建數據高鐵，探索F5G+X的新場景服務于千行百業。

1 算網時代對全光底座的架構挑戰

算力網絡是一種根據業務需求，在云、網、邊之間按需分配和靈活調度計算資源、存儲資源以及網絡資源的新型信息基礎設施。算力是構建未來智能社會的基礎，未來10年，面向智能世界，計算與網絡將高速發展，未來會存在云、邊、端三級算力，三者協同發展[2]。如圖1，算力當前呈現的趨勢是從通用計算走向超算/AI，架構從“端—云”走向“端—邊—云”，云網時代的企業上云，云資源是企業IT必要的組成部分，大部分應用是聯接1個企業，架構是少量業務上公有云(非核應用)。算網時代的特征是從“聯接1個企業”到“聯接N個機器”，從“部分上云/算”到“根據業務類型上不同云/ 算”，從“帶寬”到“帶寬+時延+安全可信”。

高效算力對網絡的要求主要體現在“高速泛在”和“彈性協同”兩個方面，前者需要網絡能夠有強勁的運力來保障算力的供給，后者需要網絡能夠保障算力供給的敏捷性，體現算力均衡和算力隨選等能力。運營商層面，迫切需要打造一張面向未來算網融合的承載網絡，包括基于增強IP屬性的承載網(利用SRv6、算力信息感知技術等)和基于OTN技術的品質全光網(分組增強型技術、OSU切片技術等)[3]。OTN品質全光網作為入云/入算通道和云間通道的承載方式之一，將面臨著業務的動態性和不可預見性，而傳統的光網新增業務基本是采用滾動規劃的方式預測和建設，并且基于固定速率的接口采取逐層分離式管控，其“過設計”和“靜態化”等特性顯得承載效率低下，算網時代需要建立一個靈活、開放的全光算網底座架構，構建智能動態的基礎承載網絡。

如圖2所示，全光算力底座面臨的架構挑戰主要體現在以下四個方面。1)超寬互聯：從傳統的數字專線到云專線再到算網的發展過程中，點對點小帶寬專線將轉變成云間互聯、DCI互聯、邊云協同/邊邊協同等大帶寬電路，這就要求網絡具備超寬互聯的特性。2)確定體驗：業務體驗從傳統網絡的盡力轉發、業務質量不可視，到確定性體驗的轉變，需要重點提升流量、時延、抖動、丟包率等指標的全網感知能力。3)算網融合：隨著企業上云，算力變成一種資源，復雜的網絡交互需要全部在云上完成，網絡和算力需要互相感知并協同，例如OTN品質光網需要打通入云/入算通道，管理編排需要針對算力和網絡資源進行協同。4)泛在接入：無論是個人還是行業用戶均可以通過多種接入手段，包含OTN/PON/MSTP/ETH等一跳入算，高品質客戶可通過分組增強型光傳送網(PeOTN)實現彈性硬管道感知業務，動態調整保證安全和體驗[4]。

2 全光算力底座的分步構建策略

以某省聯通實踐為例，提出了面向未來全光算力底座的三步走戰略。第一步：從傳統業務到智慧光網，此階段主要聚焦超寬互聯；第二步：從智慧光網到智慧光云，此階段主要聚焦云網融合和泛在接入；第三步：打造全光算力底座，此階段主要完成算網融合和確定性體驗。某省聯通2019年創新推出了“SD-FAST”智慧光網，通過先進的分組增強型OTN技術、云網協同器和智慧管控引擎，為黨政軍、金融、醫療、制造等各行業，提供高品質的政企專線聯接方案。2020～2021年，率先開啟從智慧光網到智慧光云的探索和建設，提出了智慧“光云十六城”的建設規劃，通過強大的全光網與信創云、政務云、醫療云、金融云等融合，提供光云一體化的服務能力。2022年以來，某省聯通面向算網融合，開始打造一張確定性時延、確定性帶寬、確定性可用率的高品質全光算力底座網絡，在光算協同、邊端聯接、可視化運力等方面持續創新。

2.1 智慧光網的構建

戰略的第一階段是從傳統業務過渡到智慧光網。傳統OTN網絡各層基本背靠背連接，業務在不同層級分界點均上下調度，干線業務基本均為透傳，由本地設備進行打散。本地OTN承載傳統類型業務，基本是匹配業務網流向，為分段部署分段承載，OLT業務在縣局大二層節點落地，城域網業務在地市核心CR點落地。不同層面的對通方式為UNI對接，針對政企客戶專線等業務，缺乏端到端開通管理和業務調度能力，業務時延大，缺乏智控能力。

智慧光網目標是構建端到端一體化智控網絡，網絡層面技術手段主要解決背靠背上下業務效率低下、成本高和時延大的問題，跨域互聯由傳統小顆粒UNI對接轉變為100G NNI對接；同時面向5G、政企、DC布局，通過部署PeOTN技術來構建適應靈活業務承載的智慧光網。端到端一體化網絡的手段是通過三個一體化構筑端到端政企精品網全面領先，即國干省干一體化、省干本地一體化、市縣鄉穿通一體化。業務層面主要基于SDN技術部署單域控制器，同時部署網絡協同器并打通B/O域流程，制定“雙線”業務發展規劃，推出SDN化產品，細分行業應用場景，提供差異化產品。以某省聯通為例，打造了“SDFAST”智慧光網專線產品，具有快速響應(Flexible-provide)，彈性帶寬(Agile-bandwidth)，自助服務(Self-manageable)和時延可視(Time-visible)四大特點，為政企客戶提供了高品質的服務體驗。通過SD-FAST產品，OTN專線上升趨勢明顯，MSTP專線逐步遷移到OTN，騰退老舊SDH設備，實現綠色節能[5]。

智慧光網階段，通過雙平面構筑全光立體骨干網，雙節點雙路由，與本地網雙核心進行光電融合。某省聯通提出的“智慧光立方網絡”整體架構如圖3所示，通過與原省干一平面異局址所在的本地網核心MESH互聯建設省內骨干網二平面，并與原一平面進行ROADM光層對接打通，形成立體互聯燈籠網絡，打造出省內全光立體骨干網絡，全程全網全光ROADM智能一體，路由更加豐富，可以實現資源互補和多路徑保護，當某一段鏈路利用率較高時，可通過部分路徑立體繞行，均衡整個網絡資源利用率。

2.2 智慧光云的構建

戰略的第二階段是從智慧光網演進到智慧光云。智慧光云的目標是在智慧光網的基礎上進行前后的延伸，融入云端和末端，實現云管端協同，讓客戶入網即入云。具體到建網方式上，首先是向下深度覆蓋，末端建設就是要把全光錨點持續進行下沉，采用PeOTN-CO價值分級建網方法下沉節點深度覆蓋用戶熱點，使任何企業在2km范圍內都能接入智慧光云網絡，實現用戶便捷、高可靠接入，入網即入云[6]。第二是向上光云融合，實現光云一體，一跳入云，實現云池100%覆蓋，即智慧光云網絡覆蓋所有的云池，OTN實現100%預覆蓋，同時進行10GE預連接，隨時能開通云接入[7]。智慧光云網絡架構如圖4所示。

此外，通過定義智慧光云城市的指標來衡量基礎建設能力，從“連接密度”“確定體驗”“計算密度”三個維度分別定義了智慧光云城市的關鍵指標，如表1所示。在連接密度方面，定義了城區至少0.5個OTN節點每平方公里和每個鄉鎮至少1個OTN節點的覆蓋密度。在確定體驗方面，定義了可用率、時延、丟包率等硬性指標，提升服務標準。在計算密度方面，要求OTN光節點和云池100%進行覆蓋預連接配置，以實現快捷入云。

表1 智慧光云城市的關鍵指標

2.3 算網融合，打造確定性的全光算力網絡

戰略的第三階段是持續加強算網融合，打造確定性的全光算力網絡。算力已成為生產力，氣象預報、航空航天、圖像渲染、自動駕駛、智能制造等應用場景都需要海量的、實時的數據計算能力。算力網絡是搭建一張可以連接算力的網絡，讓需求端可以快速、無損地享用所有的算力供給。全光算力底座需要進行持續優化網絡，通過全光網絡的持續延伸，打造一張確定性時延、確定性帶寬、確定性可用率的高品質全光算力網絡，為算力的需求端和供給端提供大帶寬、高可靠、低時延、零丟包率、“0”抖動的超強運力“高鐵”，讓企業可以無時無刻都能享受到云端算力[8]。

如圖5，全光算力底座架構主要特征是：1)骨干網基于OXC和集群技術，實現大容量高速互聯和靈活調度，由當前單波100G/200G向單波400G/800G演進，滿足大算力節點聯接需求。2)城域層面引入OSU切片技術，滿足業務靈活入算能力，實現彈性帶寬運力應對算力洪峰。3)光算力錨點呈現多元化和差異化融合趨勢，通過OLT和OTN組合為光算力錨點，面向邊端聯接提供差異化接入方式。4)持續優化確定性體驗功能和網絡可視，基于帶寬、時延、距離、跳數等綜合權重打造直觀可視的運力地圖，精細化管控，實現算網高效調度。

3 全光算力底座關鍵能力

3.1 光算協同

未來會存在云(中心算力)、邊(邊緣算力)、端(智能終端)三級算力，三者存在協同關系，部分數據云端處理，部分數據邊緣處理，部分數據終端處理，同時會產生云邊、邊端、邊邊等協同數據。光算協同是針對上述算力資源的分步情況，通過OTN網絡來構建確定性體驗。網絡為計算服務，價值在于釋放算力，例如中心云與邊緣云品質互聯，構建邊云協同算網；工業互聯網、元宇宙等低時延業務在邊緣云閉環等。

如圖6，面向未來光算協同架構，需要在當前的云網架構基礎上作如下演進：1)在策略控制層引入算網統一編排模塊；在管控層引入算力感知模塊。算力統一編排根據算力資源和網絡資源進行業務協同編排并與云管平臺進行算力通告，通過網絡集中控制面分發各層級算力資源情況，由算力感知模塊將云邊端的算力進行管理協同。2)業務映射進全光網，需全光網具備業務切片功能(依托OSU技術實現)，基于業務互聯需求映射進OSU隧道，通過切片實現業務差異化隔離承載，OSU管道帶寬彈性調整、OSU動態拆建，助力算力靈活使用[9]。

光算協同架構創新建議探索三類感知技術：1)地址感知，一點靈活連多云。算力節點動態調度，業務報文基于算力節點地址自動調度到目的節點。2)應用感知，網絡按需服務。ONT/OLT應用感知，通告OTN(時延/帶寬需求)，OTN按需動態建/刪/無損調整OSU帶寬。3)算力感知，算力路由尋優。設備/SDN管控算力感知，并上報算網大腦，根據綜合業務需求、網絡信息、算力信息，計算最優算力路由，進行路由尋優調度。

3.2 邊端聯接

應用在哪里，算網的末梢就延伸到哪里。隨著OTN下沉至綜合業務接入點，邊端聯接能夠提供差異化產品和服務能力。如圖7所示，家寬和商務快線通過傳統PON方式接入OLT，高端組網和入云專線通過末端增加OTN-A設備實現端到端的品質全光網聯接。中端組網/入云專線(商務樓宇、智慧社區)建議采用OTN P2MP技術實現，通過OLT實現泛在接入，OLT內置P2MP支路板聯接末端CPE，配置超級上行板卡接入政企OTN，將OTN的高品質和PON的廣覆蓋這兩大優勢進行完美融合，實現商務樓宇和園區內企業品質專線的快速開通。

OTN P2MP解決方案的技術特點和價值包含以下幾點：1)基于時隙分配雙波長CPE，穩定低時延。采用類SDH時隙分配技術，用戶間時隙隔離。2)OLT切片，和家寬業務進行隔離，端到端硬管道，可以做到P2MP專線和ODN網絡的物理隔離。3)傳送和接入跨域管控，業務可端到端下發，SLA可視。

3.3 可視化運力

確定性體驗中的關鍵指標包括可用率、時延、丟包率等，其中時延是釋放算力潛能的核心指標之一。當前的時延測量技術局限于各個專業內，例如OTN網絡通過下插PM/TCM層的開銷實現時延測量，但從業務角度出發的端到端時延缺乏自動計算和可視化能力。

網絡時延影響的大小與網絡工作層級呈正比關系，即工作層級越低，時延約小。如表2所示，交換機和路由器的處理時延一般為1ms～10ms，而OTN網絡工作在OSI七層協議模型的L0/L1層，節點時延可達μs級別，L0層的光器件則可達ns級別，光網絡對比IP網絡時延有較大優勢。

表2 OSI對應網元時延

可視化運力作為全光算力網絡的一項確定性體驗指標，將支撐優質網絡能力轉化為領先市場競爭力，建議基于CO-DC進行時延圈層地圖開發，結合城域網架構配置按需優化。如圖8所示，全光算力網絡的時延可以歸納為設備時延和光纜路徑時延之和，光纜路徑單向時延為5μs/km，OTN設備站內時延通過配置不同板卡參數納入計算，采用SDN管控測量數據疊加路網模擬數據實現端到端時延測量。如果企業點所在位置沒有OTN設備，則則虛擬該企業的入網連接，默認采用IP技術接入，采用路網長度乘以光纜系數模擬光纜長度，上下業務IP轉發時延設置為0.2ms。傳輸網絡按OCH尋路，導入SDN控制器時延數據，尋時延最低路徑。

基于時延測量結果，可進行時延優化，建議如下：1)減少繞行：價值節點多路由。2)光層一跳直達：減少電層節點數。3)穩定低時延：忙閑時穩定，即OTN靠近用戶，方便用戶接入，減少IP轉發。4)簡化封裝：降低電節點時延。采取OSU封裝，簡化業務映射封裝層級(5層～3層)。

4 超算中心案例實踐

如圖9所示，某超算中心創建于2011年，主要提供海洋氣象、生物醫藥、物理化學、工業領域等應用服務，已經服務400多家單位，大力支撐某省數字經濟建設。超算中心全新裝配的計算機系統采用萬萬億次架構，峰位性能達到1.0706千萬億次浮點運算/秒，持續性能為0.796千萬億次浮點運算/秒，系統綜合水平處于當今世界先進行列。為解決省內其余地市科研單位到超算中心的算力調度能力，需要全光算力底座發揮運力能力。

當算力不再是問題時，距離和帶寬便成為限制大規模計算的障礙。某省聯通為超算中心搭建OSN 1800/9600的端到端PeOTN組網，為各地市到超算中心搭建端到端硬管道，實現帶寬零擁塞，零丟包；提供100G獨享帶寬和毫秒級超低時延，打破科研單位和超算中心之間的距離限制瓶頸，讓算力得到充分釋放。

5 結束語

打造面向算網融合的全光算力底座不可一蹴而就，需求的變化，架構的演進，技術的迭代，將共同驅動全光算網底座向開放、智能、集約化發展。在整個過程中，算力感知、算網編排、邊端聯接和確定性體驗是關鍵要素。整體目標是通過算網基礎設施層、算網統一編排層和運營服務層的不斷突破，最終實現算力網絡的目標架構。實現目標當前還存在問題和挑戰，諸如跨領域架構的協同技術尚未突破，產業和生態面臨挑戰，業界各方需要通力合作，困知勉行，共同推動算網融合技術發展和生態繁榮。