云網融合場景下傳輸網絡架構研究

摘要：云網融合是云計算技術與通信網的結合，即在通信網絡中引入云計算，以及在云計算中引入通信技術，也可稱為云的網絡化或網絡的云化，而兩者融合的核心便是傳輸網絡架構。本文首先對傳輸網絡架構進行分析，并基于云網融合背景，從發展路徑、葉脊網絡架構、融合承載架構、OTN網絡架構、新型城域網五個方面對其傳輸網絡架構進行研究，以供相關人員參考。

關鍵詞：云網融合場景；傳輸網絡架構；云計算；通信網絡

云網融合的最終目標是實現云中有網、網中有云。當前，云網融合最為典型的便是5G網絡，5G核心網已經完全云化。5G通信技術的大容量、高速率、低時延的特點使得大型設備的聯網成為可能，其數據存儲、處理的速率更快。因此，云計算技術的發展需要依仗5G通信技術的支持，如今5G通信已然成為云網融合的關鍵推動力量。目前，國內電信運營商依托于自身的網絡基礎建設優勢，推出了云網一體化的服務。然而，傳輸架構作為其重要的構成部分，需要進行優化。下文將對傳輸網絡架構現狀進行分析。

一、分析傳輸網絡架構現狀

國內電信運營商的基站類業務包括CDMA、GSM、LTE、5G等。其中，CDMA與GSM的業務流向較為單一，均是從基站某單元歸屬至基站控制器或網絡控制器，與其他業務相比，其顆粒較小。LTE與前者相比，其業務流向更為廣泛、帶寬更大、時延更低，其承載網通常會支持三層路由功能。而5G則是基于LTE的全面提升，其時延更低、帶寬更大，具有高精度的時間同步，對于網絡切片有更為嚴格的要求，其應用場景更為豐富，但對傳輸網絡也提出了更高要求。

在傳統的傳輸網絡架構中，SDH是主流技術，承載著大量CDMA和GSM業務。然而，隨著業務方向的逐漸細化和大顆粒技術的發展，SDH逐漸退出了通信領域。取而代之的是IP化無線接入承載網，這種傳輸架構在LTE中得到廣泛應用。目前，光傳輸網絡（OTN）已成為云網融合下的主要承載平臺。最近幾年，SDH承載的CDMA和GSM業務逐漸遷移到了PTN，其業務量也在持續下降。國內電信運營商已經開始對舊設備進行退網，并對資源進行調整。IP化無線接入承載網以核心層、匯聚層和接入層為傳輸架構，主要業務為政企專線。其核心層和核心網采用高密度端口和強匯聚能力的通信設備進行組網。匯聚相關業務后，由接入層與就近基站進行業務接入。目前，OTN主要部署在匯聚層和核心層，其業務類型為大顆粒業務。然而，光傳輸網絡相關設備的價格較為昂貴，耗能較高，因此國內大部分地區未完成光傳輸網絡的大面積覆蓋。在當前的傳輸網絡架構中，SDH、IP化無線接入承載和光傳輸網絡同時存在，三者處于相互封閉狀態。此外，業務開通難度較高，建立傳輸通道耗時極長，其業務調整也較為笨重。在云網融合的背景下，如何優化傳輸網絡架構是當前亟待解決的問題。因此，下文將以當下主流技術為切入點，探索云網融合下傳輸網絡架構建設的具體路徑。

二、基于云網融合場景研究傳輸網絡架構發展建設路徑

基于目前主流技術，從云間互聯、通信云以及云業務入手，探索云網融合背景下的發展路徑。同時，簡述葉脊網絡架構、智能城域網、光傳輸網絡、新型城域網的傳輸網絡構建策略。

（一）云網融合下傳輸網絡架構的發展路徑

云計算與通信網絡的融合需要傳輸網絡能夠匹配云計算相關業務的需求，例如自動開通和動態調整等云業務。為實現這一點，應從精簡網絡架構入手，將業務功能、資源池和網元盡可能虛擬化。云間互聯、通信云和云業務是云網融合最典型的應用場景，下文將從這三個方面入手，簡述傳輸網絡架構的構建路徑。[1]。

1.云間互聯

云間互聯的含義是不同網絡云之間的互聯互通。在基于 5G 通信技術的核心網架構中，將處于不同地域的數據中心利用網絡互相串聯，完成相應的業務部署。此過程中，不同數據中心會進行交互，進而產生 DCI，即互聯網絡。隨著大數據、搜索及云計算技術的興起，多個數據中心需要進行協同運算，而運算過程中產生的軟件架構解耦需要部署在數據中心不同的虛擬機中。這使得運算中產生了大量橫向數據傳輸，而虛擬機的部署與遷移還將進一步增加通信流量。在傳統網絡傳輸架構中，當通信流量過高時，不同層級的交換機會產生較大的流量迂回，這增加了 DCI 的承載壓力。針對此情況，在構建傳輸網絡架構方面，應與數據中心的架構相互匹配，以數據中心自身的網絡架構為基準，對傳輸網絡架構進行建設，并連接固定通道。但此種建設方式難度較高，時效性較差，難以滿足云計算對于靈活性方面的要求。

2.通信云

通信云是基于5G通信技術下云網融合的典型產物。它以云計算技術為架構，以通信技術虛擬化與SDN作為關鍵技術，構建了一種共享程度較高、容量可調、架構靈活的網絡云平臺。5G云化是此方面的核心應用，主要用于增強型寬帶、大型設備通信和低延時通信等場景。這三種應用場景對通信技術的帶寬、時延和穩定性提出了更為嚴格的要求，目前只有5G技術能夠滿足。為了實現上述三類應用場景的要求，5G通信技術將核心網進行了云化，并加入了SDN和虛擬化技術。虛擬化技術將網元進行虛擬化，使得數據中心軟硬解耦。而SDN技術則將云化后的網絡進行調度。兩者互相結合，形成了簡潔、高效、智能的網絡云化架構[2]。

3.云業務

云業務面向個人客戶，包括8K視頻、VR、云游戲、云電腦、云盤等強交互業務。這些高品質云業務對人們的生活產生了巨大影響。例如云盤的出現顯著提高了數據傳輸效率，而VR、云電腦、云游戲等業務則對網絡的穩定性、速率和時延有更高的要求。以VR業務為例，它對時延的最低要求為20ms。當客戶轉動頭盔時，需要將原本客戶視角以外的內容快速推送至頭盔中的黑邊部分，以提供良好的視覺體驗。而云游戲、云電腦對時延的要求更高，如果時延不能滿足客戶需求，游戲界面和電腦界面很容易出現卡頓、遲滯等問題。除了時延外，這些云業務對于丟包率也有更高的要求。如果丟包率不能滿足需求，就會出現馬賽克和花屏現象。除個人客戶外，政企客戶也是云業務的主要客戶。隨著云計算和大數據的發展，企業市場競爭尤為激烈，對網絡傳輸的時延和傳輸通道的建立時間有更為嚴格的要求。對于軍事、金融和科技等價值較高的行業，傳統網絡傳輸架構已經難以滿足其要求。當高價值行業與客戶進行對接時，傳統網絡傳輸架構在開通跨區域業務時會調用多層級網絡進行積極配合，這使得業務調度靈活性交叉，但也存在連纖、跳纖等問題。因此，網絡傳輸架構的優化是解決上述問題的關鍵。本文將從葉脊網絡架構、智能城域、光傳輸網絡和新型城域等四個方面探討網絡傳輸架構的優化[3]。

（二）葉脊網絡架構

上文提到，當前數據中心所采用的網絡傳輸架構存在建設成本高、帶寬利用率低，時延較大的問題。而且，當大規模流量迂回現象產生時，還會給數據中心相關服務器帶來較大的承載壓力。基于上述問題，葉脊網絡架構被提出。此種架構有著極高的擴展性和可靠性，目前在云計算數據中心中廣泛應用。所謂葉脊架構，其組成結構分為葉子層和脊椎層。葉子層包括用于連接存儲設備以及服務器的交換機，也被稱為葉交換機。脊椎層包括用于路由轉發的三層交換機，也被稱為脊交換機，此部分為該網絡架構中的骨干。在此網絡傳輸架構中，每臺葉交換機均會與脊交換機相互連接。此種設計方法可有效提升數據的傳輸效率，可大幅度提高計算機集群性能。傳統網絡傳輸架構的三層架構，即核心層、匯聚層、核心層，存在較多路徑冗余，進而形成諸多不必要的環路。此外，由于此架構主要設計目的是方便南北向流量，東西向流量支持較少，這使得流量迂回的規模較大，浪費了核心交換機資源，進而增加了時延。而葉脊網絡架構可有效減少客戶的等待時間，技術人員可以根據實際情況擴展帶寬。首先，葉脊網絡架構的所有鏈路均連接至脊交換機中，而脊交換機之間、葉交換機之間并不存在相互連接的鏈路。相對于傳統三層架構而言，此種縱向連接方式極大程度減少了尋找設備以及等待連接的所需時間，進而提高了流量瓶頸，降低了時延。此外，葉脊網絡機構可構建在數據中心的第二層或第三層中。因此，若帶寬不足時，技術人員可額外增加脊交換機，將其下行鏈路連接至葉交換機中，進而達到擴展帶寬的目的。此舉還可有效降低收斂比。

在葉脊網絡架構的實際構建方面，應當注意葉交換機與脊交換機兩者的比例、葉層至脊層的鏈路以及架構的構建位置。首先，針對兩者比例方面。由于葉脊網絡架構的端點是與葉交換機相互連接，因此葉交換機的部署數量應當以網絡端點的接口數為準。同時，由于葉交換機需要連接至脊交換機中，因此脊交換機端口密度應當以架構中葉交換機的數量為準。此外，脊交換機還與葉交換機之間的吞吐量及ECMP相關。其次，關于葉層至脊層的鏈路方面。此鏈路指的是葉層至脊層的上行鏈路，通常為10G/40G。為了確保不會因主機數量的增加產生阻塞，應保證上行鏈路的傳輸速率大于下行鏈路的傳輸速率。最后，考慮構建位置方面。該網絡架構可構建在數據中心的第二層，即VLAN層或第三層，即子網中。在構建葉脊網絡架構時，技術人員需要考慮網絡架構的構建位置。若選擇在VLAN層中構建，應允許VLAN跨越至任何地方，同時保證MAC地址遷移的靈活性。而在子網中構建時，則應為網絡架構提供較為優越的擴展性和較短的收斂時間。此外，還需保證其具備扇形發散的等價多路徑和ECMP功能。具體結構如圖1所示。

（三）以智能城域網為基礎的融合承載架構

除了架構的優化之外，為了降低傳輸架構的承載壓力和維護成本，引入以智能城域網為基礎的融合承載架構是非常必要的。在這方面，需要采用STN技術來優化網絡傳輸架構。為了實現這一點的普及，需要在IP化無線接入承載網的基礎上加入容量較大的STN設備，并以IPv6技術和以太網技術為基礎重新構建承載網，以實現基站回傳業務和云專線業務的融合承載。

在實際構建方面，需要從接入方式、合并方式和承載方式入手。①接入方式方面：在接入層，仍然保留傳統的接入方式，對于固定業務則以就近原則接入光傳輸網絡相關設備。如果是LTE或GSM業務，則采用STN-A接入。此部分需要根據具體端口數量和流量進行靈活搭配。②合并方式方面：在匯聚層，原本承載網的MSE和BRAS會與IP RAN-B進行組合，并利用STN-B代替原本的MSE和IP RAN-B。而接入層所采用的光傳輸網絡相關設備則就近接入至STN-B設備中。③承載方式方面：在核心層，技術人員需要將原本承載固定業務的相關設備，如CR、ER和STN設備進行連接，由新設備進行統一承載。然后將STN-B向下連接至相關業務設備，向上連接至云化后的網絡，以此增強網絡傳輸架構的承載性能[4]。

（四）OTN網絡架構

對于一些高價值行業來說，數據傳輸時延有較高的要求，但傳統傳輸網絡架構中傳輸節點過多，擴容難度大，時延較高。為了解決這個問題，可以采用光分插復用技術，即ROADM技術。這種技術可以實現光交換能力，但在擴容時需要人力對光纖進行準確對接。在云網融合的背景下，客戶需求經常會發生變化，而該項技術在建立通道時會不斷增設光纖，增加后期維護難度，調度較難。因此，未來可以引入OXC，即全光交換技術。這種技術通過光背板代替了ROADM技術中的光纖連接，顯著增加了配置的靈活性。技術人員可以通過相關網管軟件實現業務渠道的快速開通，進而為客戶提供大容量、低時延、長距離的開放網絡。此外，該項技術能夠為交換機提供高達320-640TB的容量，能夠滿足大容量調度需求，有效降低組網成本。

（五）新型城域網

新型城域網是運營商提出的新型組網理念，它以動態的形式連接城內節點，并形成家庭、5G、政企專線的新型承載平面，作為網絡傳輸架構中的承載平面。結合當前的云網融合形式，該理念采用Spine-Leaf架構，與傳統南北方向的組網方式不同，該架構能夠滿足云業務的承載需求，并對網絡協議進行統一化。

該架構的整體架構暫定為葉脊結構、融合承載設備、OXC集群，最終實現業務的統一化，實現數據的無阻塞轉發和端口的自動開通與運維，從而達到自動化部署的目的[5]。

三、結論

綜上所述，云網融合是將云計算技術與通信技術相互融合，實現云中有網、網中有云。雖然云網融合依托于5G通信技術，但由于云業務對時延和速率的需求較高，傳統的三層網絡傳輸結構難以滿足客戶需求。因此，本文提出了應用葉脊網絡架構、OTN網絡架構以及融合承載架構的優化方案，以加速云網融合。相關人員可以從上述方案入手，對當前的網絡傳輸架構進行優化。

作者單位：吳強強 王晰 朱學謙 中國聯通甘肅省分公司

參" 考" 文" 獻

[1]吳思遠，畢紫航，孫雷. 5G-TSN協同網絡架構與關鍵傳輸流程研究[J]. 郵電設計技術，2022，（03）：29-35.

[2]吳佳騄，劉恒. 云網融合場景下的傳輸網絡架構探討[J]. 通信技術，2022，55（01）：70-76.

[3]周劉俊，楊玉龍，劉劍波. 智能變電站信息采集與數據傳輸的網絡架構及其優化設計[J]. 科學技術創新，2021，（30）：50-52.

[4]顧榮生，尹祖新，王麗瓊. 傳輸網絡架構演進思路探討[J]. 郵電設計技術，2021，（06）：18-23.

[5]劉中健，郝斌，萬奇. 面向未來的電信骨干網絡架構研究[J]. 電信工程技術與標準化，2021，34（06）：15-19.