基于SPN 算力网络承载底座的探索实践研究

唐 宗

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着数字经济时代的到来，切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）算力网络承载底座成为实现大规模数据处理和高速网络服务的关键。文章系统性地探讨SPN 承载底座的理论架构、性能优化、关键技术应用及其在实际环境中的部署实践，旨在为网络系统设计提供创新方案，为网络服务提供商建设高速网络指明方向。

1 SPN 算力网络的架构与特性

1.1 架构设计

在SPN 算力网络承载底座的架构设计中，要综合考虑整体的网络架构，以实现高度的模块化和灵活性[1]。通过融合多层次的网络元素，构成了一个多维度的网络体系，以支持算力资源的动态调度和高效利用。SPN 算力网络的架构设计如图1 所示。

SPN 节点布局遵循统一的网络布线原则，以确保数据流的最优路径选择和负载均衡。每个节点都配备了先进的计算单元和存储资源，且通过虚拟化技术实现了资源的弹性扩展。在网络的核心层面，SPN 利用了端到端的基于IPv6 转发平面的段路由（Segment Routing IPv6，SRv6）技术，不仅增强了路径的智能化选择，还提高了数据传输的安全性和可靠性。同时，E2EI-OAM 机制的引入，即操作（Operation）、管理（Administration）、维护（Maintenance），确保了全网络的可观测性和可管理性，可实时监控网络的运行状态，迅速定位故障位置。

1.2 性能特征

SPN 算力网络承载底座的性能特征是网络结构设计中的关键要素。网络架构为这些性能指标的实现提供了坚实的基础[2]。第一，SPN 的高吞吐量能力得益于其先进的网络布线和智能化路径选择机制。该点在SRv6 的实现中尤为突出，SRv6 不仅确保了数据包的快速传输，还通过其内建的流量工程优化了网络负载，降低了网络拥塞和通信延迟。第二，SPN 的低延迟特性得到了E2EI-OAM 的支撑。E2EI-OAM 通过连续监控和优化网络等操作，确保了数据流的实时性和时效性，尤其适用于对实时性要求较高的应用场景，如金融交易和远程医疗。第三，在可靠性方面，SPN 的多节点、多路径架构提供了内在的冗余，降低了单点故障的风险。第四，SPN在安全性上采用了多层防护机制，包括物理安全、网络加密和访问控制等，以确保数据传输的安全性和网络操作的授权性。第五，SPN 的可扩展性得益于虚拟化技术和NCE-SPN+管理平台的集成，可以按需分配并动态调整网络资源，以适应计算需求的变化。这种灵活性不仅体现在物理资源的扩展上，还体现在网络服务的适应上，如移动电话网络（Mobile Telecommunication Network，MTN）的融入使网络能够覆盖更广泛的地理区域和服务类型。

2 SPN 承载底座的关键技术

2.1 MTN 切片技术

在SPN 算力网络承载底座的构建中，MTN 切片技术起着重要作用，为实现网络资源的动态划分和灵活管理提供了技术保障。MTN 切片技术通过虚拟化划分物理网络资源，可以个性化定制网络功能和服务。在SPN 架构下，MTN 切片能够针对不同的服务需求提供定制化的网络拓扑和资源配置，从而确保服务质量（Service Quality，QoS）达到最优[3]。以MTN切片技术为基础，SPN 算力网络采用了先进的网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）和软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术，从而对网络资源进行精细化管理。例如，通过对SPN中的数据流进行智能化分析，MTN 切片技术能够动态调整网络带宽和延迟参数，满足高并发计算任务的实时性要求。同时，MTN 切片在物理资源不足时，可以通过调度算法进行跨切片资源调配，实现资源的弹性扩展。

2.2 SRv6 技术

SRv6 技术在SPN 算力网络承载底座中扮演着重要角色，通过引入段路由的概念，极大地增强了网络的可编程性和灵活性。

在SPN 架构中，SRv6 技术使每个数据包的传输路径不再由网络中的每个转发节点独立决定，而是由源节点根据预定义的路径（即段）来指定。该机制显著提升了数据包的路由效率，降低了路由的复杂性和网络延迟。具体来说，SRv6 能够在数据包的IPv6头部插入一个段列表，其中包含一系列的IPv6 地址，每个地址代表一个网络段。数据包在网络中的转发是基于该列表进行的，每到达一个段，网络设备就会处理并移除该段，然后将数据包转发到下一个段。这种方式允许网络设计者实现精细的流量工程，如避开网络拥堵区域、优先通过具有高计算能力的节点，从而满足不同应用对延迟的敏感性要求。

在性能参数方面，SRv6 技术通过缩短包头处理时间、提升转发效率，能够实现更低的包转发延迟[4]。SRv6 的状态无关特性为网络的可扩展性提供了条件，简化了网络的维护和升级过程。SRv6 还提高了网络的安全性和隔离性，通过为每个网络服务创造独立的段路径，实现了服务之间的逻辑分离。这样即使在多租户环境下，不同服务间的数据流也不会互相干扰，确保租户数据的私有性和安全性。SPN 算力网络在采用SRv6 技术的同时，必须解决与其相关的挑战，如段列表的长度限制和网络设备的兼容性。为了克服这些挑战，网络设备制造商和服务提供商需要共同推动SRv6 标准的发展，并优化网络设备的硬件和软件，以支持更复杂的段路由操作。

3 SPN 应用实践案例分析

3.1 实际部署

基于SPN 算力网络承载底座的部署实践，特别是结合SRv6 技术和MTN 通道的创新应用，展现了网络设计和实施的前瞻性。在SPN 算力网络中，通过MTN 通道实现的逻辑隔离和资源优化，确保了各计算任务的高效执行。特别是在大规模数据中心互联和高频交易系统中，SRv6 技术的引入，极大地提升了数据传输效率和可靠性[5]。SRv6 和MTN 服务化能力开放结构如图2 所示。

图2 SRv6 和MTN 服务化能力开放结构

某金融服务提供商部署了SPN 网络以支持高频交易平台。同时，将SRv6 技术应用于该场景，通过优化数据包的传输路径，降低了交易执行延迟，确保了交易系统的实时性和可靠性。部署结果表明，利用SRv6 技术，该平台的交易延迟降低了50%，交易执行的准确性和效率均得到了显著提升。

然而，这些实际部署案例面临着诸多挑战，包括网络设备的SRv6 兼容性、MTN 通道的配置复杂性、在动态环境中维持稳定性和高性能的需求等。为克服这些挑战，要不断优化网络配置，采用自动化工具来监测和管理网络状态，实现动态调整网络策略，以应对实时流量变化。

3.2 性能评估

在SPN 算力网络的性能评估领域，定量分析是关键。通过设定一系列的性能指标，包括延迟、吞吐量、包丢失率、错误率以及资源利用率等，来全面评估SPN 的运行效果。通过实时监控和分析工具对这些指标进行跟踪，以确保网络性能符合预定的QoS 标准。以跨国数据中心互联的SPN 部署案例为例，性能评估结果表明，在引入SRv6 和MTN 通道技术后，端到端的平均延迟从原来的10 ms 降低到了2 ms，网络吞吐量增加了40%，达到了40 Gb/s，而包丢失率则降至0.01%。此外，网络的错误率保持在0.001%以下，资源利用率提升至75%，比传统网络架构提高了约30%[6]。金融服务提供商的高频交易平台性能评估结果显示，引入SPN 后，显著改善了交易响应时间的一致性，99%的交易响应时间低于1 ms，这对于高频交易而言至关重要。同时，系统的可用性评分提高到了99.999%，意味着系统的年停机时间不超过5 min。具体数据参数如表1 所示。

表1 性能评估参数

4 SPN 未来发展趋势与挑战

SPN 算力网络承载底座作为支撑现代计算需求的基础设施，其未来的发展方向将聚焦于可扩展性、智能化管理和安全性。随着物联网（Internet of Things，IoT）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、大数据以及边缘计算等技术的快速发展，SPN 需要处理的数据量将以指数级增长[7]。据估算，到2030 年，全球数据量将达到175 ZB，对SPN 的处理能力和传输效率提出了更高的要求。未来，SPN 将集成更先进的NFV 和SDN 技术，以实现更灵活的网络资源分配和自动化的服务保障。同时，SPN 将采用更先进的加密技术和更细粒度的访问控制来强化网络安全，特别是在保护关键基础设施和敏感数据方面[8]。SPN 未来发展趋势如表2 所示。

表2 SPN 性能未来发展趋势

未来，SPN 的发展将面临更多挑战，包括但不限于如何应对日益增长的数据处理需求、保障网络的高可靠性和低延迟、如何确保网络的安全性和隐私性等。此外，随着技术的进步，新的标准和协议将不断涌现，会对SPN 的兼容性和适应性提出更高要求。在此过程中，如何平衡技术创新与成本效益、如何确保网络的可持续发展，将是网络设计师和运营商需要面对和解决的重要问题。

5 结 论

通过深入研究与实践分析可知，SPN 算力网络承载底座在现代网络服务中具有强大潜力和关键作用。例如，SPN 网络在高性能、低延迟和高可靠性方面具有显著优势。未来SPN 网络将面临技术挑战和市场需求变化，包括数据量增长、安全性提升、自动化与智能化管理等。文章研究内容能够为网络设计人员和运营商提供一定的指导，为实现更加高效和安全的网络服务奠定了坚实的理论与实践基础。随着技术的不断进步，SPN 算力网络承载底座的优化和创新将持续引领网络技术的发展潮流，为数字化社会的发展提供坚实的支撑。