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2023光电融合服务定制广域网白皮书

2023光电融合服务定制广域网白皮书

版权声明 本白皮书版权属于网络通信与安全紫金山实验室及其合作单位所有并受法律保护,任何个人或是组织在转载、摘编或以其他方式引用本白皮书中的文字、数据、图片或者观点时,应注明“来源:网络通信与安全紫金山实验室等”。否则将可能违反中国有关知识产权的相关法律和法规,对此网络通信与安全紫金山实验室有权追究侵权者的相关法律责任。 编写说明 主要编写单位: 网络通信与安全紫金山实验室北京邮电大学 主要编写人员: 肖玉明、黄韬、张晨、汪硕、谢人超、朱海龙、刘江、刘韵洁 前言 随着数字化经济的强力驱动,互联网创新发展与新一轮工业革命形成历史性交汇,推动互联网由传统消费领域向生产领域转型,催生出如工业互联网、算力互联网等新兴业务场景,从超大带宽、超低时延抖动、零丢包、万亿级连接等方面对网络服务质量(QoS)提出全新诉求。然而,当前广域网在应对上述需求时面临容量受限、质量难承诺与资源效率不足等挑战,难以提供“按需定制”的服务能力,其根本原因在于光传送与数通领域长期独立发展,未能形成有效合力。因此广域网技术体系应进一步面向光电融合演进升级,从传统带宽驱动的通道式网络向业务驱动的定制化网络演进,构建网络即服务 (NaaS)的新型承载模式。 本白皮书结合广域网业务与技术发展需求,提出了光电融合的服务定制广域网架构(CustomWAN),聚焦多维QoS量化可承诺的核心目标,构建光电传送弹性化、拓扑融合可重构、分组跨层确定性等多项基本能力,解决光电融合组网与统一调度问题,围绕用户个性化需求提供灵活的资源适配能力,实现用户与用户、用户与云/边数据中心间的高质量互联。本白皮书旨在通过构建CustomWAN目标架构,推动业界共同努力,加速推进广域网的技术演化与产业升级,全力建设国际领先的信息通信网络,为网络强国、制造强国、“东数西算”等重大国家战略贡献力量。 目录 前言I 目录II 一、背景1 (一)广域网发展新挑战1 (二)光电融合新机遇2 二、传统广域网技术综述4 (一)组网结构5 (二)新型光/电传送技术7 (三)数通技术10 三、业界光电融合技术方案20 1.Cisco:RoutedOpticalNetworking(RON)20 2.Juniper:ConvergedOpticalRoutingArchitecture(CORA)21 3.华为:基于NCE的IP+光协同22 4.中兴:基于SDN的IP+光协同24 四、CustomWAN的技术创新与探索25 (一)技术目标25 (二)总体架构31 (三)关键技术34 (四)业务调度流程46 五、经济模型与定价机制46 (一)运营商传统定价模型47 (二)面向QoS的服务定价模型48 六、总结与展望50 (二)CustomWAN的不足与未来展望51 附录A:术语与缩略语53 参考文献56 (一)CustomWAN的优势51 一、背景 广域网作为支撑信息时代的核心基础设施,强力推动了21世纪初消费型互联网的创新繁荣。但随着数字经济的快速发展,广域网在应用场景与技术能力上面临全新挑战。本章将重点分析广域网的新型业务需求与技术发展趋势。 (一)广域网发展新挑战 随着与实体经济的加速渗透融合,全球互联网已逐步由消费型向生产型转变,并催生出诸多新型业务场景,如工业互联网、算力互联网、全息通信等。传统消费型业务对服务质量(QoS,QualityofService)并不敏感,而新兴业务场景对时延、抖动、丢包等QoS指标提出了全新诉求: (1)工业互联网是对传统制造业生产管理过程实现数字化的新型生产模式,通过传感器采集设备生产数据,经由网络传输至云端进行存储、分析与处理,并由云端PLC(ProgrammableLogicController)向现场设备发送远程控制指令,从而提升企业生产效率、降低成本与风险。为实现上述愿景,广域网将面临超低时延抖动、万亿级连接等严峻挑战; (2)算力互联网是一种基于互联网的算力资源共享模式,其通过网络集群优势突破单点算力的性能极限,实现跨异地数据中心的高 质量互联,从而提升算力的整体规模,支持如超算、智算等算力密集型应用需求。然而,算力互联的实现要求网络提供超大带宽、超低时延、零丢包的承载能力,满足业务对算力“随需使用”与“跨异地无感知”的需求; (3)新型消费互联网是一种基于数字化手段的全新服务模式,以扩展现实(XR,eXtendedReality)技术为代表,通过使用计算、显示、传感等设备,对环境与人物进行数字化模拟,实现人与虚拟现实环境间的智能交互。如图1-1所示,以VR游戏人机交互为例,其要求网络传输的往返时延被压缩至6ms以内,从而保证终端与云端的渲染、编解码、动作捕捉等处理要求。为实现上述目标,广域网将面临超大带宽、超低时延的承载挑战。 图1-1VR游戏人机交互时延预算 (二)光电融合新机遇 为支撑工业互联网、算网、新型消费互联网等业务的高效运转,广域网应重点围绕QoS质量保证进行演进,以提供“按需定制”的网 络承载能力。按需定制体现了“网络即服务(NaaS)”的思想,其允 许应用主动向网络提出定性/定量的QoS需求,同时要求网络对于差异化需求给予服务质量承诺。解决广域QoS问题存在两种思路:一是提升传输容量,类似于拓宽“马路”;另一是强化网络调度能力,类似于通过路口“红绿灯”调控各方向流量。其中,传输容量是保证QoS性能的前提,因为时延、抖动等指标都是传输能力的附属产物,若带宽充足即可避免节点排队、拥塞等问题。运营商的传统解决方式便是基于该思想,通过不断拓宽马路来减少拥堵,却一定程度上忽视了红绿灯调度逻辑的重要性。事实上,网络容量升级势必增加可观的成本投入,并且随着业务增多,若缺乏有效的红绿灯调度,即使马路再宽也难以完全避免拥堵问题。因此,广域网靠单纯提升速率已无法满足未来需求,而是应将NaaS作为广域网演进的新思路,使其能够提供类似云计算服务的弹性带宽、确定性传输能力,从而定量地满足用户QoS需求。 从技术实现角度来看,光传送技术是拓宽马路的重要手段,且原生具备时延、抖动等确定性能力,但同时也面临带宽粒度大与资源低效等问题;数通技术是强化红绿灯逻辑的重要手段,提供分组承载与统计复用能力,但却面临非确定的承载缺陷。随着新兴业务的持续驱动,光与数通领域都在不断尝试克服自身短板。例如,光传送不断向细粒度演进,形成如OSU(OpticalServiceUnit)、FGU(FineGranularityUnit)等小颗粒技术;在数通方面,以DIP、DetNet为代表的分组确定性技术,通过结合分组交换与电路交换思想,在保证调度灵活性的 同时提升确定性能力。然而,光与数通两者长期处于独立发展的状态,导致在独立面对按需定制要求时存在诸多问题。一方面,光通道再细仍是刚性管道,并且无法区分同一管道内的不同业务,因此其资源效率受限且无法解决逐业务确定性的问题;另一方面,数通不感知底层光路的选择与变化,而光路更改可能导致时延变化甚至违约,从而无法真正意义上承诺QoS质量。为克服光与数通各自短板,构建未来广域NaaS能力,必须推进光电融合进程。 光电融合并非新话题,但当时缺乏足够的需求驱动,因此运营商只将其作为网络预规划的手段而非在线调度方式,并且主要面向选路与带宽分配,不具备多维QoS量化可承诺的承载能力。然而,当下新兴业务对服务质量的要求日益严格,同时上升至理论高度来看,NaaS与按需定制的实现也对光电融合提出了必然诉求,因此光电融合将迎 来窗口期机遇。为实现上述目标,未来广域网应深入推进光电融合进 程,强化光域技术实现大容量、长距离的数据传输,融合光、电传送特质提供灵活组网与弹性资源能力,构建广域网操作系统对业务需求 /属性与光电资源进行建模,支持面向路由器队列与缓存的精准调控,最终实现服务定制的承载愿景。 二、传统广域网技术综述 光传送与数通技术是实现广域网长距离、大容量、灵活承载的基础,为分析光电领域各自的技术优势,本章重点围绕组网结构、光传 送与数通等方面对当前广域网技术展开讨论。 (一)组网结构 1.IP-over-WDM组网结构(IPoWDM) SDH在上世纪90年代承担了话音与数据业务的传输任务,但随着业务体量的急速增长,其容量受限、成本高的劣势逐渐显露。波分复用技术(WDM,WavelengthDivisionMultiplexing)的出现解决了SDH的困境,其提供多波长的共纤传输能力,极大拓展了单纤容量,且设备造价远低于新建光缆线路。在IP-over-WDM初始阶段,路由器通过外部WDM设备实现光电转换,并且不支持光层交换,因此不具备波长路由能力。 光传输技术发展推动了学术界对IP-over-WDM的研究改善,并逐步引入光层交换能力,形成如图2-1所示的组网结构。其中,IP层由核心路由器构成实现业务流量汇聚,光层由光转发器与光线路系统组成,为上层提供基于波长交换的光连接,光线路中需部署光放大器以保障长距传输。在发送端,路由器与光转发设备相连完成光电转换,从而将业务流调制到对应的光载波上,不同载波经复用器耦合实现共纤传输;接收端基于波长交换实现对应波长的下路操作,并经光电变换传递至路由器不同接口。 综上所述,IPoWDM系统实现简单,支持对码率、数据格式的透明传输且扩容便捷,是一种经济有效的广域承载解决方案,但面临带 宽粒度过大、调度灵活性不足的问题。 图2-1IPoWDM组网结构 2.IP-over-OTN组网结构(IPoOTN) 为解决传统WDM对于子波长调度能力不足、管理僵化的问题,通过借鉴SDH中TDM与OAM理念,并结合WDM形成了OTN (OpticalTransportNetwork)技术体制。OTN定义了多种速率等级的容器,满足不同带宽粒度的承载要求,同时引入电交叉能力以实现子波长级的路由调度,同时保留了光交叉能力实现在站点内各方向之间波长信号的自由调度。此外,OTN在帧结构中引入丰富的监控开销,提供从光层到电层的多级监控能力。IP-over-OTN组网结构如图2-2所示,IP层由核心路由器构成,OTN电层引入ODU容器提供基于子波长的交叉能力,OTN光层提供基于波长的交叉能力,核心路由器与OTN之间通过以太网接口相连。对于大带宽业务,可通过OTN电层或光层直通对端,回避IP层的转发处理,在减少路由器过境流量的同时降低端到端时延。 相比于IPoWDM,传统IPoOTN具备更高的调度灵活性与资源效率,但仍存在如下不足:i)从业务角度而言,ODU带宽粒度仍较大(吉比特级),导致底层通道资源效率与连接数受限;ii)IP与光层各自独立算路,整体算路效率与优化性能较低。 图2-2IPoOTN组网结构 (二)新型光/电传送技术 1.分组切片网(SPN) 如图2-3所示,该方案采用IP-over-FlexE-over-WDM组网结构, 通过FlexE构建1.5层时隙通道,实现物理层与MAC层速率解耦, 提供类似于OTN的TDM低时延电交叉能力,但其封装更为简洁高效。ITU-T标准规范时隙粒度为5Gbps,与ODU速率处于同级别。 为向下拓展Sub-1G速率粒度,SPN提出了基于GFU(FineGrainedUnit)的小颗粒通道能力,通过综合考虑芯片设计的复杂度、大小、成本、功耗等因素,将时隙粒度定为10Mb/s。总体而言,SPN具备如下优势:i)顺应业务以太化发展趋势,扩展支持主流以太口,与IP、 MPLS等分组技术高度兼容,可保护已有技术投资;ii)提供时隙交叉能力,支持低时延承载;iii)支持多速率的端到端通道构建,提供通道的连通性检测与性能监测能力;iv)支持小颗粒通道带宽的无损调整。 虽然SPN优势巨大,但仍存在如下不足:i)SPN虽能通过构建端到端时隙通道保证路由与带宽的确定性,但无法解决同一时隙通道内的逐流确定性问题。其原因是SPN确定性的实现绕过了分组层,因此从根本上无法解决“分组”的问题。当然,SPN可通过分配冗余带宽来保证确定性,但这会导致资源效率下降;ii)时

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