全光运力研究报告（2022年）

全光运力研究报告 (2022年) 中国信息通信研究院技术与标准研究所2022年12月 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。 前言 我国国民经济和社会发展“十四五”规划和2035远景目标纲要指出，要布局建设信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施等新型基础设施。以千兆光网和5G网络为代表的网络基础设施是信息基础设施的重要组成部分，其提供的强大数据运送能力，即运力，成为支撑数字经济发展的关键要素之一。以OTN技术为支撑的全光运力具备超大带宽、超低时延、安全可靠等原生技术优势，在新一轮数字经济发展中成为提供运力的坚实底座。 本研究报告立足数字经济发展对运力的需求以及全光运力在其中发挥的核心作用等，研判全光运力算间互联、用户入算、运力管控等三个方面需求，探讨全光运力未来目标架构，在此基础上剖析面向超大带宽、超低时延、安全可靠、泛在覆盖、灵活敏捷、智能管控、绿色节能等七大典型特征的关键技术，初步构建全光运力评估指数。建议产业各方协同推进全光运力技术、标准化及产业多维合作，助力数字经济高质量发展。 目录 一、全光运力发展背景1 (一)运力协同支撑数字经济加速发展1 (二)OTN全光技术构筑运力坚实底座2 二、全光运力需求特性3 (一)算间互联：超大带宽、超低时延、高效协同3 (二)用户入算：便捷接入、安全可靠、灵活敏捷7 (三)运力管控：跨域大网管控、算网协同、资源智管9 三、全光运力目标架构10 四、全光运力关键技术11 (一)超大带宽11 (二)超低时延14 (三)安全可靠16 (四)泛在覆盖18 (五)灵活敏捷20 (六)智能管控22 (七)绿色节能24 五、全光运力评估指数25 六、全光运力未来展望27 图目录 图1信息基础设施提供算力和运力2 图2“冷、温、热”数据业务时延需求5 图3云、边数据中心互联需求6 图4全光运力目标架构11 图5高速线路技术方案12 图6频谱扩展技术线路13 图7全光运力时延优化规划15 图8全光交叉OXC系统16 图9光电切片隔离17 图10单节点光电保护协同18 图11OTNP2MP组网技术架构19 图12波长数扩展技术20 图13全光运力多维灵活感知21 图14光电协同调度22 图15多因子算路技术23 图16光纤链路质量检测系统24 图17全光运力多层次节能技术25 图18全光运力指数1.026 表目录 表1各省数据中心规划及出局带宽预估4 表2新型光纤G.654.E与G.652.D典型参数对比13 表3全光运力指数27 一、全光运力发展背景 (一)运力协同支撑数字经济加速发展 新一轮科技革命和产业变革正在席卷全球，产业数字化深入发展，数字经济成为支撑经济增长的重要引擎。在数字经济时代，大数据的运送、计算、加工产生新动能，赋能行业新应用、催生新业态、推动生产力发展。数据要素的往复循环，支撑了各种不同场景的创新应用和数字化转型，带来了全新的发展模式。 信息基础设施提供蓬勃的算力和运力，成为数字经济发展的坚实基础。围绕加强数字化转型，我国国民经济和社会发展“十四五”规划和2035远景目标纲要指出，要布局建设信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施等新型基础设施，其中信息基础设施包括以千兆光网、5G为代表的通信网络基础设施，以人工智能、云计算等为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施，见图1。算力基础设施提供超强算力，通信网基础设施提供强大数据运力，算力和运力赋能千行百业，成为支撑数字经济发展的关键能力。 来源：中国信息通信研究院 图1信息基础设施提供算力和运力 (二)OTN全光技术构筑运力坚实底座 政务、医疗、金融、教育等行业数字化加速转型带来算力的旺盛需求，对运力相应也提出了高效、可靠和确定性等高品质要求，以光传送网络（OTN）技术为主要支撑的全光运力具备超大带宽、超低时延、安全可靠等原生技术优势，使其在新一轮数字经济发展中的价值日益凸显，成为运力的核心和坚实底座。 加快发展和建设全光运力，已成为业界多方关注焦点。2022年2月，国家发改委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合印发通知，同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点，“东数西算”工程正式全面启动，优化东西部间互联网络和枢纽节点间直连网络是其中一项重要的任务。国家“十四五”规划提出发展“千兆光网”，工业和信息化部《信息通信业十四五规划》进一步对全光运 力的发展提出了明确的要求和目标，“部署骨干网200G/400G超大容量光传输系统，打造P比特级骨干网传输能力，引导100G及更高速率光传输系统向城域网下沉，加快光传送网（OTN）设备向综合接入节点和用户侧延伸部署。”地方政府也高度重视OTN全光运力的发展，山东、湖北、陕西、广西、云南、安徽等地的双千兆协同发展行动计划中，相继提出“推广部署全光交叉（OXC）”、“加速100G/200Gbps及以上超高速光传输系统向城域网下沉，光传送 （OTN）节点进一步向网络边缘延伸”等要求。2021年11月，中国电信发布《全光网2.0技术白皮书》，指出建设云网融合的新型信息基础设施，全光网是新型信息基础设施的基石。2021年11月，中国移动发布《算力网络白皮书》，提出网络基于全光底座和统一IP承载技术，实现云边端高速互联，满足数据高效、无损传输需求。2022年5月，中国联通发布《算力时代的全光底座白皮书》，提出数字经济的发展依赖运力和算力，对全光底座的发展进行了系统阐述。 二、全光运力需求分析 产业数字化正在成为数字经济发展的重要引擎，千行百业加速上云，其中具备大带宽、低时延、安全可靠等内生特性的全光运力不可或缺，同时在算间互联、用户入算、运力管控等方面提出了新的需求。 (一)算间互联：超大带宽、超低时延、高效协同 1.枢纽间互联提升超大带宽需求 数据中心带宽大幅增长，对运力枢纽出口带宽带来巨大挑战。“东数西算”工程将在全国设立8个算力枢纽、十大数据中心集群，将东部算力需求有序引导到西部，促进东西部之间算力高效互补和协同联动。受新基建、数字化转型等国家政策推动以及企业降本增效需求驱动，我国数据中心近年来发展迅速，截至2022年6月底， 全国在用数据中心机架总规模超过590万，服务器规模近2000万台，近五年年均复合增速超过30%。其中，大型数据中心机架规模增长更为迅速，占比达到80%1。根据部分省市发布的枢纽集群建设规划，预计十大集群节点规划规模总计超500万机架，到2025年单个枢纽节点的出局带宽将超过百T（见表1）。2021年各省市互联网省际出口带宽统计中广东达到100Tbps量级，其余省市均为几十Tbps量级，西部地区的宁夏则仅有9.62Tbps，各省市现有省际出口带宽无法满足未来运力枢纽节点的出局带宽需求。另一方面，西部枢纽以服务全国算力需求为主，出省带宽预计超70%，当完成规划的机架数时，预计骨干网带宽将增加1000T以上，对枢纽之间运力带宽同样提出了巨大挑战。 表1各省数据中心规划及出局带宽预估 枢纽 2025年机架规划 （万架） 每机架带宽 （Mbps） 2025年出局带宽预估 （Tbps） 2021年互联网省际出口带宽现状 （Tbps） 广东韶关 50 ~500 180 97.1（广东） 长三角上海 28 ~500 100 67.2（上海） 宁夏中卫 66 ~500 230 9.62（宁夏） 甘肃庆阳 30 ~500 110 23.4（甘肃） 贵州贵安 80 ~500 280 31.5（贵州） 1数据来源：中国信息通信研究院《数据中心白皮书2022》 来源：工业和信息化部《2021年通信业年度统计数据》 2.算间互联催生确定性低时延需求 数据中心互联需要稳定与可靠的低时延。按照业务对时延的敏感性差异，可划分为热业务、温业务和冷业务，三类业务调度需求不同，如数据中心双活的热业务时延要求1ms~2ms，而AI训练、异地灾备等冷业务时延需求不敏感，见图2。网络时延越低，可牵引更多的业务到西部集群。《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》中明确提出，枢纽之间数据中心端到端单向网络时延原则上应在20ms范围内。 来源：中国信息通信研究院 图2“冷、温、热”数据业务时延需求 全光运力需面向数据中心布局优化端到端时延。部分枢纽集群所在地，不是传统的中心城市，网络层级较低、使得枢纽间的互联还存在路由绕行等情况。据全球互联网网络感知平台统计数据，我国骨干网络网内平均时延为32.97ms，骨干网络网间平均时延为37.14ms，与东数西算枢纽之间的时延要求存在较大差距。全光运力亟需对东西部枢纽节点之间及地市数据中心的互联路由进行优化，完善枢纽及地市数据中心直连网络，通过光缆拓扑优化及光层交叉 调度，减少路由绕行，弥补时延短板。 3.算间高效协同催生组网架构优化 云、边多数据中心协同，要求全光运力进一步优化组网架构。随着边缘计算在智慧交通、安防监控、工业互联网等场景中的应用越来越广泛，大量经过处理的数据需要从边缘节点汇集到数据中心云，以完成进一步的大数据分析挖掘、数据共享和算法模型的训练。同时，边缘节点存储的大量数据，也需要备份到云端，防止边缘节点故障导致数据丢失。全光运力作为连接云、边数据中心的纽带和桥梁，需要提供灵活调度能力，如图3所示，以匹配云与云、云与边、边与边之间存在高效协同需求。随着数据中心间东西向互联流量持续增大，全光运力迫切需要围绕数据中心布局进行网络重构，增强东西向流量业务疏导能力，由“南北向”为主向“南北向+东西向”转变，逐步向网状化、立体化组网方式演进。 来源：中国信息通信研究院图3云、边数据中心互联需求 (二)用户入算：便捷接入、安全可靠、灵活敏捷 1.用户便捷接入催生网络泛在覆盖需求 用户实现便捷接入算力需要运力实现泛在覆盖，支撑业务快速开通。受疫情影响，居家办公、远程教育、远程考试已经逐渐成为生活常态，个人用户及政府、金融、教育等机构用户广泛分布在城市内不同地理位置，需要快速接入网络获取算力服务以满足差异化的应用需求。以广东省某市的政务外网建设为例，其目标是实现市-镇-村三级全覆盖，总计有超过1400个政务部门需要接入网络，从而实现政务各部门的“网”通、“数”通、应用“融”通，为企业、群众提供丰富的政务应用服务。为满足泛在覆盖需求，全光运力应进一步向城市边缘延伸，提高覆盖能力，在满足家庭、企业高品质服务需求的同时为用户提供便捷全光运力接入能力。 2.政企核心业务急需高安全、低时延保障 数字政府要求网络安全可靠。“十四五”规划强调，要提高数字政府建设水平，推动政务信息化共建共享，完善国家电子政务网络，集约建设政务云平台和数据中心体系，推进政务信息系统云迁移。数字政府服务涉及到的部门众多、数据量庞大，如何保障业务的安全可靠性，成为首要问题。企业核心业务需要大带宽、低时延、高安全的网络承载。金融企业要求极致低时延并确保数据安全。金融系统高频交易要求极致低时延。根据市场研究公司TABBGroup评估，在金融电子交易中，交易处理时间（包括电脑系统处理及网络传输时间）比竞争对手慢5ms，将损失1%的利润，慢10ms则损失扩大到 10%。同时，为保证金融信息系统的数据免受网络攻击，其核心交易数据需要确保数据安全。智慧医疗需要大带宽低时延高安全保障。智慧医疗将医疗影像系统（PACS）部署在云端，单个患者的CT影像数据通常包含500张左右图片，资料大小高达GB量级，医生阅片要求秒级打开，要保证这些数据在云和各种终端之间流畅转移，需要大带宽、低时延、高安全的网络给予保障。全光运力面向企业核心业务，可利用大颗粒波长管道、全光转发、业务硬隔离、丰富的保护恢复机制等特性，满足大带宽、低时延、高安全承载需求。 3.新型应用助推网络灵活敏捷能力提升 大数据分析和科学计算等新型业务要