云网融合的统一承载网技术

侯 欣

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

1 概 述

所谓“云网融合”，指的是“云计算”和“通信网络”的融合。云计算包括计算能力、存储能力和软硬件的配套，通信网络则包括运营商的接入网、无线网、传输网、承载网及核心网等[1]。从技术角度来看，“云网融合”就是在云计算中引入通信网络技术，在通信网络中引入云计算技术。目前，主要的云计算服务提供商和通信网络服务提供商还是分属IT行业和通信行业，也可以说云网融合将会促进这两个行业相互融合。

在传统的通信网络划分中，传送网注重传送，具备业务QoS保证、OAM、高安全等特性，由于是刚性的传输通道，带宽利用率不高。IP承载网则专注于承载，带宽可以复用，利用率高，部署灵活，QoS、OAM、可靠性等方面逐渐得到了完善。运营商原来的承载网和传输网是以端局或模块局、接入网点机房为服务对象的。随着核心网的云化，很多网络功能单元已经以软件化的方式存在于数据中心，承载网和传输网的主要服务对象已是各种不同的数据中心。这些数据中心可能是原来网络的核心局点，也可能是原来网络的模块局或接入站点（边缘数据中心）。

近年来，互联网用户特别是视频用户的总数及流量不断激增。IEEE带宽评估报告称，每秒将会有1×106min的视频内容流经网络，网络带宽尤其是骨干网带宽每18个月翻1倍，到2020年年底，全球IP流量将达到每年2.3 ZB。可以预见未来以数据中心为核心的网络要能提供超大数据带宽，要能实现数以千亿计的“物”的连接，要能提供便捷稳定的用户体验，要能提供丰富多样的网络服务和无缝覆盖，乃至向所有用户提供随选功能。承载网和传输网由于服务对象的改变，自身必须要有相适应的技术进步，要能低成本地高效连接各个数据中心并实现灵活调度、智能体验。正是在这样的背景下，传送网和IP承载网取长补短、相互统筹协同，形成优势互补的统一承载网，并继续融合。

2 面向云网融合的承载网技术

当前运营商网络需要打破软硬一体、转控一体的限制，承载网络要根据各类云服务需求按需开放网络能力，实现网络与云的敏捷打通、按需互联，并体现出智能化、自服务、高速以及灵活等特性。网络转型不是一个一蹴而就的过程，对于面向云网融合的承载网络，需要关注以下几个方面的技术，有序推进网络转型发展。

2.1 高带宽承载

5G的峰值传输速率将能达到10 Gb/s，是目前4G的上百倍，VR、8K高清等网络视频直播业务也对视频接入端的带宽要求提出了更高要求。作为基础网络的承载网，运营商在5G时代初期首先面临的压力是带宽提速。对于统一承载网来说，提速最终要体现在不断提升骨干光传送网的带宽和核心路由器的吞吐量。

在骨干光传送网方面，目前100G波分已经得到普遍应用，下一步主要在于进一步提升现网单波长速率（从100G到200G或400G ）、引入灵活格栅（Flex Grid）等技术，这样可以降低波分间隔，以便在C、L波段中容纳更多的波长，从而提升整个系统的容量。其他的前沿波分技术有空分复用（SDM）技术、概率星座整形（PCS）技术等。其中，贝尔实验室的概率星座整形（PCS）技术，通过对信号进行智能整形，获得整形增益，使特定光路逼近香农极限的最大容量。在2019年最新的外场试验中，通过多个波长实现了50.8 Tb/s的传输速率，每波长净信息速率达1.3 Tb/s。

核心路由器单端口速率从100M、GE、2.5G、10GE到当前主流的100GE，仍然跟不上流量增长对设备容量的需求。目前，核心路由器单端口速率正向400GE迈进。2020年6月，华为携手中国移动率先完成P比特核心路由器NetEngine 5000E-20新一代小型化光模块封装QSFP-DD的400GE端口测试，完全满足商用标准要求，并于7月8日在江苏移动无锡IDC出口路由器成功商用部署了基于QSFP-DD封装的单端口400GE。

2.2 IP和光融合

运营商传统的IP承载网与光传送网络是分开规划和建设的。例如，IP网和光网分别可以部署自己的保护机制，如在IP层实施快速重路由（FRR），而在光层部署了1+1的子网连接保护（SNCP）。这样实际上整体网络资源浪费严重，而且两种保护之间需要进行协同，以避免两者同时倒换。统一承载网的网络架构进行优化和融合，首先就是IP与光的融合。例如，通过统筹规划IP层和光层的保护分工，可以节省一部分网络资源。另外，较低层的IP节点所处理的业务中会有许多可旁路的转发业务，通过合理的路由规划让这些业务在光层就进行旁路，不仅可以降低IP层的处理负荷，而且可以节省IP层与光层的接口数量，促进了网络扁平化，降低了网络的整体硬件投资[2]。

2.3 光和电融合

光和电的融合主要是指光骨干传送网光层和电层的统筹规划。在电层终结信号有很多好处，调度方便，性能监控完善，传送性能有保障，但纯电交叉的设备在网络不断提速的情况下面临的挑战越来越大。例如，一个6维的纯电交叉节点，每个维度的容量是80×100G共8 T，那么交叉容量将达到6×8 TB共48 TB，如果每波长的速率提升到400G，容量就会达到192 TB，这对目前单台电交叉设备的制造要求已经极高，何况容量提升后的供电和散热要求也难以满足。

可重构光分插复用（ROADM）设备可实现波长级业务智能快速调度，在实际网络中，在电层上搭建以ROADM为架构的光层调度平面，可在光层实现大颗粒业务的调度，直接把任意一个波长从任意一个方向交换到任意的另一个方向[3]。目前成熟的32维ROADM结合超100G已经可以实现每秒P比特级别的交叉容量，远超现有的电交叉设备的交叉能力。另外，由于ROADM器件本身功耗低，配套容易满足，网络的整体投资下降、运维成本降低。目前，ROADM主要发展方向包括增加维度，通过光纤编织技术形成全光背板，具有波长无关（Colorless）、方向无关（Directionless）、竞争无关（Contentionless）、波道间隔可调（FlexGrid）特性，波段扩展至C+L波段等。目前主流做法是由光层ROADM负责调度100G以上的大颗粒业务，100G以下的小颗粒业务则由电交叉负责，光电混合各自发挥优势，逐渐演化发展解决实际应用。

2.4 智能网络

智能化是整个网络发展的大趋势。运营商都在探索通过网络智能化运营，实现业务自动化部署、资源智能化管理和分配、网络故障智能分析定位及预测等。相比传统的局站互联，云网融合下的数据中心互联对承载网的智能化提出了更高的要求，以软件定义网络（Software Defined Network，SDN）为代表的智能网络技术是运营商未来网络运营的关键技术[4]。

传统局站的连接网络架构相对非常稳定，流量变化很小，而云数据中心间连接的流量、流向都可能频繁发生变化。传统网络的连接操作涉及运营商业务受理和后端处理多个部门，通过工单流转完成一条电路的建立一般耗时数天，无法适应云时代的要求。例如，云视频、大型的直播需求或其他网络热点事件引起的流量爆发，事先预测非常困难，电路和带宽部署时间很紧急。另外，对一些带宽需求高、时间短的电路需求，承载网络预留专门的刚性通道来满足往往利用率低下。

SDN的3个基本特征是控制转发分离、逻辑集中控制和开放的API接口。简而言之，SDN将控制权分离出来集中管理，屏蔽了底层网络设备的差异，可以根据业务需求通过开放接口自定义网络路由和传输规则，从而实现灵活部署和智能配置。结合网络功能虚拟化（NFV）技术实现与底层网络设备无关，SDN的应用还便于跨厂家设备调度[5]。

IP网络产生时的分布式体系使其天生具有很强的生存能力，但因为应用层和控制层相互没有打通，使得IP网络的全局性较差，运维困难。IP承载网引入SDN技术后，业务配置、带宽调整都可以根据既定的策略自动由软件完成，既节约了时间，也降低了运维成本，还减少了人工出错的可能性。从逐步演进的角度来看，目前SDN可以与传统的网管系统协同配合，SDN负责网络业务的自动部署和智能调整，而网管系统则负责故障管理和质量监控，两者共享数据库以保证数据的一致性，从协同逐渐走向融合。

ROADM作为物理层设备，也具备可编程功能，但对波长的配置如果是人工按事先规划好的进行，其就是一个静态的不灵活的网络，引入SDN控制平面统筹控制IP层和光层，才能形成一个灵活、便捷的智能化网络。另外，光标签技术在ROADM系统上已得到广泛应用，该技术可智能管理ROADM系统内成百上千的波道，实现业务追踪、错连检测、自动调度等智能化功能。

3 结 论

在云网融合的背景下，运营商传统的IP承载网和传输网将加速融合，形成统一的大承载网，通过引入SDN等智能网络技术，在IP+光和光+电等方面不断协同、直至融合，最终形成一个能提供高速带宽承载能力、提供敏捷高效灵活部署能力、提供直观可视智能运维体验的统一承载网，云网融合、网随云动。同时，通信运营商和云计算服务提供商逐渐走向统一，通信技术和云计算技术必将深度融合，为社会发展提供更大的便利。