基于SPN 算力網絡承載底座的探索實踐研究

唐 宗

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著數字經濟時代的到來，切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）算力網絡承載底座成為實現大規模數據處理和高速網絡服務的關鍵。文章系統性地探討SPN 承載底座的理論架構、性能優化、關鍵技術應用及其在實際環境中的部署實踐，旨在為網絡系統設計提供創新方案，為網絡服務提供商建設高速網絡指明方向。

1 SPN 算力網絡的架構與特性

1.1 架構設計

在SPN 算力網絡承載底座的架構設計中，要綜合考慮整體的網絡架構，以實現高度的模塊化和靈活性[1]。通過融合多層次的網絡元素，構成了一個多維度的網絡體系，以支持算力資源的動態調度和高效利用。SPN 算力網絡的架構設計如圖1 所示。

SPN 節點布局遵循統一的網絡布線原則，以確保數據流的最優路徑選擇和負載均衡。每個節點都配備了先進的計算單元和存儲資源，且通過虛擬化技術實現了資源的彈性擴展。在網絡的核心層面，SPN 利用了端到端的基于IPv6 轉發平面的段路由（Segment Routing IPv6，SRv6）技術，不僅增強了路徑的智能化選擇，還提高了數據傳輸的安全性和可靠性。同時，E2EI-OAM 機制的引入，即操作（Operation）、管理（Administration）、維護（Maintenance），確保了全網絡的可觀測性和可管理性，可實時監控網絡的運行狀態，迅速定位故障位置。

1.2 性能特征

SPN 算力網絡承載底座的性能特征是網絡結構設計中的關鍵要素。網絡架構為這些性能指標的實現提供了堅實的基礎[2]。第一，SPN 的高吞吐量能力得益于其先進的網絡布線和智能化路徑選擇機制。該點在SRv6 的實現中尤為突出，SRv6 不僅確保了數據包的快速傳輸，還通過其內建的流量工程優化了網絡負載，降低了網絡擁塞和通信延遲。第二，SPN 的低延遲特性得到了E2EI-OAM 的支撐。E2EI-OAM 通過連續監控和優化網絡等操作，確保了數據流的實時性和時效性，尤其適用于對實時性要求較高的應用場景，如金融交易和遠程醫療。第三，在可靠性方面，SPN 的多節點、多路徑架構提供了內在的冗余，降低了單點故障的風險。第四，SPN在安全性上采用了多層防護機制，包括物理安全、網絡加密和訪問控制等，以確保數據傳輸的安全性和網絡操作的授權性。第五，SPN 的可擴展性得益于虛擬化技術和NCE-SPN+管理平臺的集成，可以按需分配并動態調整網絡資源，以適應計算需求的變化。這種靈活性不僅體現在物理資源的擴展上，還體現在網絡服務的適應上，如移動電話網絡（Mobile Telecommunication Network，MTN）的融入使網絡能夠覆蓋更廣泛的地理區域和服務類型。

2 SPN 承載底座的關鍵技術

2.1 MTN 切片技術

在SPN 算力網絡承載底座的構建中，MTN 切片技術起著重要作用，為實現網絡資源的動態劃分和靈活管理提供了技術保障。MTN 切片技術通過虛擬化劃分物理網絡資源，可以個性化定制網絡功能和服務。在SPN 架構下，MTN 切片能夠針對不同的服務需求提供定制化的網絡拓撲和資源配置，從而確保服務質量（Service Quality，QoS）達到最優[3]。以MTN切片技術為基礎，SPN 算力網絡采用了先進的網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）和軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術，從而對網絡資源進行精細化管理。例如，通過對SPN中的數據流進行智能化分析，MTN 切片技術能夠動態調整網絡帶寬和延遲參數，滿足高并發計算任務的實時性要求。同時，MTN 切片在物理資源不足時，可以通過調度算法進行跨切片資源調配，實現資源的彈性擴展。

2.2 SRv6 技術

SRv6 技術在SPN 算力網絡承載底座中扮演著重要角色，通過引入段路由的概念，極大地增強了網絡的可編程性和靈活性。

在SPN 架構中，SRv6 技術使每個數據包的傳輸路徑不再由網絡中的每個轉發節點獨立決定，而是由源節點根據預定義的路徑（即段）來指定。該機制顯著提升了數據包的路由效率，降低了路由的復雜性和網絡延遲。具體來說，SRv6 能夠在數據包的IPv6頭部插入一個段列表，其中包含一系列的IPv6 地址，每個地址代表一個網絡段。數據包在網絡中的轉發是基于該列表進行的，每到達一個段，網絡設備就會處理并移除該段，然后將數據包轉發到下一個段。這種方式允許網絡設計者實現精細的流量工程，如避開網絡擁堵區域、優先通過具有高計算能力的節點，從而滿足不同應用對延遲的敏感性要求。

在性能參數方面，SRv6 技術通過縮短包頭處理時間、提升轉發效率，能夠實現更低的包轉發延遲[4]。SRv6 的狀態無關特性為網絡的可擴展性提供了條件，簡化了網絡的維護和升級過程。SRv6 還提高了網絡的安全性和隔離性，通過為每個網絡服務創造獨立的段路徑，實現了服務之間的邏輯分離。這樣即使在多租戶環境下，不同服務間的數據流也不會互相干擾，確保租戶數據的私有性和安全性。SPN 算力網絡在采用SRv6 技術的同時，必須解決與其相關的挑戰，如段列表的長度限制和網絡設備的兼容性。為了克服這些挑戰，網絡設備制造商和服務提供商需要共同推動SRv6 標準的發展，并優化網絡設備的硬件和軟件，以支持更復雜的段路由操作。

3 SPN 應用實踐案例分析

3.1 實際部署

基于SPN 算力網絡承載底座的部署實踐，特別是結合SRv6 技術和MTN 通道的創新應用，展現了網絡設計和實施的前瞻性。在SPN 算力網絡中，通過MTN 通道實現的邏輯隔離和資源優化，確保了各計算任務的高效執行。特別是在大規模數據中心互聯和高頻交易系統中，SRv6 技術的引入，極大地提升了數據傳輸效率和可靠性[5]。SRv6 和MTN 服務化能力開放結構如圖2 所示。

圖2 SRv6 和MTN 服務化能力開放結構

某金融服務提供商部署了SPN 網絡以支持高頻交易平臺。同時，將SRv6 技術應用于該場景，通過優化數據包的傳輸路徑，降低了交易執行延遲，確保了交易系統的實時性和可靠性。部署結果表明，利用SRv6 技術，該平臺的交易延遲降低了50%，交易執行的準確性和效率均得到了顯著提升。

然而，這些實際部署案例面臨著諸多挑戰，包括網絡設備的SRv6 兼容性、MTN 通道的配置復雜性、在動態環境中維持穩定性和高性能的需求等。為克服這些挑戰，要不斷優化網絡配置，采用自動化工具來監測和管理網絡狀態，實現動態調整網絡策略，以應對實時流量變化。

3.2 性能評估

在SPN 算力網絡的性能評估領域，定量分析是關鍵。通過設定一系列的性能指標，包括延遲、吞吐量、包丟失率、錯誤率以及資源利用率等，來全面評估SPN 的運行效果。通過實時監控和分析工具對這些指標進行跟蹤，以確保網絡性能符合預定的QoS 標準。以跨國數據中心互聯的SPN 部署案例為例，性能評估結果表明，在引入SRv6 和MTN 通道技術后，端到端的平均延遲從原來的10 ms 降低到了2 ms，網絡吞吐量增加了40%，達到了40 Gb/s，而包丟失率則降至0.01%。此外，網絡的錯誤率保持在0.001%以下，資源利用率提升至75%，比傳統網絡架構提高了約30%[6]。金融服務提供商的高頻交易平臺性能評估結果顯示，引入SPN 后，顯著改善了交易響應時間的一致性，99%的交易響應時間低于1 ms，這對于高頻交易而言至關重要。同時，系統的可用性評分提高到了99.999%，意味著系統的年停機時間不超過5 min。具體數據參數如表1 所示。

表1 性能評估參數

4 SPN 未來發展趨勢與挑戰

SPN 算力網絡承載底座作為支撐現代計算需求的基礎設施，其未來的發展方向將聚焦于可擴展性、智能化管理和安全性。隨著物聯網（Internet of Things，IoT）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、大數據以及邊緣計算等技術的快速發展，SPN 需要處理的數據量將以指數級增長[7]。據估算，到2030 年，全球數據量將達到175 ZB，對SPN 的處理能力和傳輸效率提出了更高的要求。未來，SPN 將集成更先進的NFV 和SDN 技術，以實現更靈活的網絡資源分配和自動化的服務保障。同時，SPN 將采用更先進的加密技術和更細粒度的訪問控制來強化網絡安全，特別是在保護關鍵基礎設施和敏感數據方面[8]。SPN 未來發展趨勢如表2 所示。

表2 SPN 性能未來發展趨勢

未來，SPN 的發展將面臨更多挑戰，包括但不限于如何應對日益增長的數據處理需求、保障網絡的高可靠性和低延遲、如何確保網絡的安全性和隱私性等。此外，隨著技術的進步，新的標準和協議將不斷涌現，會對SPN 的兼容性和適應性提出更高要求。在此過程中，如何平衡技術創新與成本效益、如何確保網絡的可持續發展，將是網絡設計師和運營商需要面對和解決的重要問題。

5 結 論

通過深入研究與實踐分析可知，SPN 算力網絡承載底座在現代網絡服務中具有強大潛力和關鍵作用。例如，SPN 網絡在高性能、低延遲和高可靠性方面具有顯著優勢。未來SPN 網絡將面臨技術挑戰和市場需求變化，包括數據量增長、安全性提升、自動化與智能化管理等。文章研究內容能夠為網絡設計人員和運營商提供一定的指導，為實現更加高效和安全的網絡服務奠定了堅實的理論與實踐基礎。隨著技術的不斷進步，SPN 算力網絡承載底座的優化和創新將持續引領網絡技術的發展潮流，為數字化社會的發展提供堅實的支撐。