浅谈带宽高速发展下大型互联网应对策略

2011-07-27张桂玉王保利马季春中讯邮电咨询设计院有限公司北京100048

邮电设计技术 2011年8期

关键词：网络流量层次化扁平化

张桂玉，王保利，马季春（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京100048）

0 前言

近年来，互联网业务蓬勃发展，根据CNNIC最新发布的27次统计报告：截至2010年12月底，我国网民规模突破4.5亿大关，达到4.57亿，较2009年底增加7 330万人；互联网普及率攀升至34.3%，较2009年提高5.4%。

用户数的持续增长直接带来了运营商网络带宽的持续增加，中国联通、中国电信两大运营商，骨干网带宽已经分别由2005年的不足1T，增加到目前的20T及22T，增长了数十倍。

同时随着用户数的不断增加以及全球IPv4地址分配完毕，中国各运营商不得不面对IPv4地址短缺的问题。

本文旨在上述背景下，针对如何更好地保证业务的发展并降低网络的建设成本，提出大型互联网网络应对策略。

1 制定适合自身的网络结构及优化调整策略

1.1 网络结构

根据国内外大型互联网网络结构的分析，目前大型互联网主要采用层次化网络结构（如核心汇接）或扁平化直连结构。

1.1.1 层次化网络结构

层次化网络结构的特点是网络分层设计，网络有若干节点作为核心层，核心间采用网状直连，连接在不同核心下的节点通过核心节点进行疏导。网络示意如图1所示。

层次化网络结构具有网络结构简单、维护方便的优点，而且由于层次化网络的流量在经过核心时带宽可以复用，所以有时能节省成本；但是层次化网络结构也有很多缺点。

图1 层次化网络结构示意

a）由于流量全部通过核心节点进行疏导，所以当核心节点出现故障时，对整个网络会产生较大影响。

b）对核心设备的性能要求较高。

c）当所转接流量较为分散时，电路转接次数较多。

d）在流量转接的过程中，可能导致传输迂回，降低效率。

1.1.2 扁平化直连结构

扁平化直连网络结构的特点是网络没有明显的核心，节点间采用直连电路。网络示意如图2所示。

图2 扁平化网络结构示意

扁平化网络结构具有网络时延小、流量流向疏导清晰的优点，同时网络的健壮性好，承载能力强，而且当网络的带宽需求较大时，直接互联比经过核心转接节省端口。

扁平化网络结构的主要缺点是互联电路方向较多，网络结构相对复杂。

1.2 优化调整策略

运营商应从网络流量、网络流向、业务分布及传输组织、设备容量、网络现状、国际网络发展趋势等方面进行分析，结合自身特点，制定适合网络发展的网络结构优化调整策略。

1.2.1 网络流量因素

采用分层次的核心汇接结构，可以复用带宽，但转发的同时造成了流量的迂回，转发的流量越大，迂回造成的浪费越大。从理论上看，当转发的点到点流量都超过传输电路能提供的最大颗粒度时，迂回所造成的浪费必然大于复用所带来的节约。

所以对于流量大的节点间连接采用直连方式效率更高，既可节省端口资源，又可减轻核心节点的转发压力。随着节点间网络流量的增加，流量大的节点之间宜采用扁平化的网络直连结构。

1.2.2 网络流向因素

当网络流向比较集中时，将流量集中的节点设置为核心节点，流量效率较高。当网络流向比较分散时，采用核心汇接结构必然会导致流量迂回中转，造成浪费，更适宜采用扁平化直连结构。

现有互联网流量中P2P流量是主要的网络流量，根据流量检测，P2P流量通常会占50%～60%，占用骨干网大量出口带宽。P2P服务模式下，网络流量分布逐渐分散，不具备明显集中的节点，流量流向随着用户数的增加持续增长。因此在主要节点之间宜采用扁平化的网络直连结构。

1.2.3 业务分布及传输组织因素

受行业拆分、经济发展等因素影响，各运营商业务发展基本都呈区域性不平衡，而流量高的地区一般经济条件较好、业务量较好、传输资源也较为丰富，所以建议，在这样的节点间可根据流量情况，采取扁平化的网络直连结构；而对于业务量小、经济条件不发达的流量较小区域则采用层次化网络结构。运营商应根据各节点流量的具体情况，进行整体网络结构的调整及优化。

1.2.4 设备容量因素

核心汇接结构的流量一般较为集中，由于主要流量都需要通过核心节点转接，这样对于核心节点的设备能力要求高。目前大容量的路由器设备发展受到各种硬件发展限制，例如光器件、内存读写、单位功耗等，而且一般情况下，新的设备自发布后需要有2～3年的成熟期。

所以在网络规模仍高速增长的情况下，不能完全寄希望于依靠单设备的硬件性能发展，而要通过网络设计来解决流量快速增长的问题。针对流量快速增长的地区，通过网络优化以缓解目前网络中每节点的流量压力。因此，为降低网络对单设备容量的压力，宜在流量压力大的节点间采用扁平化直连结构。

1.2.5 网络现状因素

由于网络现状对于网络优化调整的成本起着直接的影响，所以网络现状因素也是考虑网络优化调整目标的重要因素。

1.2.6 国际趋势因素

面对高速增长的互联网流量和居高不下的网络建设成本，国际大型互联网运营商都趋向于采用扁平化的网络以降低互联网成本、提高效率，扁平化直连结构符合国际趋势。

同时为了适应网络结构的调整，流量策略也应进行相应的调整，网络策略调整的原则在于在保持现有网络策略的基础上，进行适度调整，网络策略要简单、明晰，避免每次网络结构调整后进行较多及较细粒度的网络策略配置。

综上所述，大带宽下，大型互联网在网络优化调整方面应结合上述提到的因素，因地制宜制定相应的优化调整目标。

2 以用户数为基数进行网络节点和带宽扩容

网络节点的设备扩容依据为网络带宽的扩容，而网络带宽主要与宽带用户数、每用户平均带宽、忙时集中系数、出省比例、中继带宽利用率、用户平均带宽占用率等有关。

事实上，随着互联网中P2P流量逐渐增加，使得整个网络中个人用户既是内容提供者又是内容的索取者，整个网络的流量流向模型与用户的分布关联性更强，即与用户数的规模成正比，对于整个网络来说，整个网络的流向与用户关联，更加分散；而非传统C/S服务模式下，通常集中于传统的信息源所在地，例如北京、上海、广州等。

根据对网络流量的分析，可以得出以下结论。

a）网络流量与用户数的发展有一定的关系，且随着用户量的增长，网络流量呈增长趋势。

b）从区域性的角度来说，长三角、珠三角、东三省等区域互访流量相对较多，就是说地域对网络流量是有一定影响的。

所以在网络节点扩容中，应该考虑以用户数为基数，结合各节点的区域及发展特点及网络结构的调整方案对网络节点进行扩容。

3 大容量设备及大颗粒度电路应用

网络带宽和设备的不断增加及扩容，造成的能耗、空间需求的进一步增大，迫切需要持续做出更高容量的产品，更高容量的线路板和接口，在网络流量增加的同时，传输及路由器技术也在同步发展，在现有40G速率的基础上，IEEE于2010年2月正式发布了100GE的标准。

100G板卡的诞生、相关标准的制定及相关解决方案的推出及商用测试，为上述问题的解决提供了新的办法。

在路由器方面，采用100G板卡及其设备，一方面可以提高单端口容量，另一方面可以采用路由器集群技术；在光纤容量上，一方面增加光纤的数目，另一方面提高单光纤系统本身的容量，适当减少网络电路数量，提高汇聚的效率。

未来两年，应该是100G端到端解决方案商用的关键时期，对于大型互联网络来说，100G、200G、400G及更大容量、更长距离系统的引入也将是未来发展中关键的技术策略。

4 存储源下移以节约网络带宽

视频业务以其随时、随意、随便的操作效果和更佳的用户体验将吸引大量新增用户。视频业务引入电信网络后，颠覆了以前的带宽收敛模型，使得网络带宽的压力剧增。导致接入网带宽快速增长、城域网互联接口不断扩容。

视频业务不遵循IP统计复用原则，大量的视频应用将降低城域网的收敛比，增大城域带宽需求。从经验数据来看，从业务到城域网汇聚层的收敛比中，互联网上网业务的收敛比为1∶10，而以IPTV为主业务的收敛比是1∶2。视频和P2P带来的带宽压力将重点体现在城域网和骨干网上，需要采取措施优化流量。一是要优化视频点播和时移电视流量，静态存储可部署在离用户近的网络节点以换取更多的带宽；二是要优化IPTV单播流量，缓存可以部署在不同的网络位置实现不同程度的带宽节省；三是优化互联网P2P流量，业务网关和DIP同时下移到网络边缘，实现P2P下载流量在城域网内部本地疏导。

通过以上优化措施，可以减少视频流对带宽的浪费，节约网络带宽，进而节约网络成本。

5 制定IPv6引入策略，解决IPv4地址不足

IPv4是现有通用互联网协议的当前版本。事实证明，该版本稳固耐用、便于实施，且能够和多种协议及应用设备良好协同。尽管IPv4自20世纪80年代初首次确立以来就几乎未曾改动，但是其始终支持互联网的升迁，一直发展到目前的全球规模。然而，随着互联网与互联网服务不断地突飞猛进，IPv4在互联网的目前规模与复杂性面前已暴露其不足之处。IPv6是专为弥补这些不足而开发出来的，以便让互联网能够进一步发展壮大。IPv6所解决的最重要问题就是增加IP地址的需要。

2011年3月IANA宣布IPv4地址分配完毕，对于中国运营商来说，IPv4地址短缺也成了必须要面对的问题。因此一方面需要加强剩余IP地址资源的合理规划使用工作,另一方面应通过技术试验、标准制定等一系列工作进一步推动IPv6的应用，做好IPv6相关地址资源的规划工作。

IPv6的实施部署，涉及到终端、接入网、城域网、骨干网、支撑系统等各个层面的支持。除IPv6组网自身所需的技术，包括路由、组播、VPN等外，IPv4到IPv6的过渡演进过程中还需要相关过渡技术包括双栈、隧道、翻译等，运营商应针对目前互联网迅速发展而IPv4地址不足的情况，制定IPv6的引入策略，并积极试点，为IPv4不足可能带来的带宽业务无法开展的问题做准备。