光模块系列报告之四：光通信网络：网络架构升级看算力产业需求确定性

证券研究报告 光通信网络：网络架构升级看算力产业需求确定性 ——光模块系列报告之四 强大于市（维持） 长城证券产业金融研究院分析师侯宾 执业证书编号：S1070522080001 分析师姚久花 执业证书编号：S1070523100001 时间：2023年12月29日 核心观点 网络架构持续迭代优化，端口速率适配数据传输速率超更高发展：随着网络由4G发展至5G，5G基站建设催生电信侧网络架构升级，由两层架构升级到传统数据中心三层架构；5G时代数据中心需求明显增加，东数西算“东西向”流量占据主导地位，催生更加扁平化的叶脊网络架构升级；AI时代下由于更高传输速率要求，无收敛比Fat-Tree得到广泛应用。我 们认为，随着通信协议的升级，下游应用场景及AI高速发展，数据传输速率要求越来越高，且网络核心层速率滞后底层 算力基础设施速率发展，当前光模块向800G/1.6T发展，驱动网络架构不断升级演变，端口速率进入400/800G升级迭代周期。 网络架构升级带动算力产业需求确定性：从网络架构由4G到AI时代升级迭代可知，网络架构不断适应数据传输性能，各 端口收敛比逐渐趋于优化，对应机柜与光模块比数量逐渐增多；当前AIGC发展趋势确定，Fat-Tree无收敛比带宽较前几 轮来看，对应算力底层基础设设施配比数增加，长期看好光模块/AI服务器/交换机及芯片下游需求旺盛情况。 AIGC生态革命下，算力基础设施长期空间广阔：据TrendForce报告数据显示，全球光模块到2025年市场规模为113亿美元 AI服务器市场规模318亿美元，主要由Microsoft、Google、Meta、AWS占据绝大份额；交换机市场主要由海外主导，我国 商用交换机芯片占比较低，当前国产化替代加速，份额有望加速提升。 推荐标的：AI服务器/交换机：中兴通讯、紫光股份、浪潮信息、中科曙光、锐捷网络、星网锐捷；交换机芯片：盛科通信；服务器/交换机代工：共进股份、菲菱科思、工业富联、海能达。 风险提示：高算力发展不及预期、宏观经济波动风险、全球贸易波动风险、行业竞争风险。 www.cgws.comwww.cgws.com|2 光通信网络架构升级演变复盘 www.cgws.com 4G时代下的无线网架构，网络收敛比为3:1 二层结构无线接入网，基站与核心网直接相连 4G网络通常采用分层的网络结构，其中包括核心网和无线接入网。在无线接入网中，通常采用二层结构。这意味着网络基站（如LTE基站）之间通过交换机连接，形成一个扁平的网络拓扑，其中每个基站都可以直接与核心网连接。这种结构旨在提供高速数据传输和较低的延迟，其网络收敛比为3:1。 图表1：4G网络架构图 图表2：4G通信网络架构图 数据来源：意瑞联科技官微，长城证券产业金融研究院 数据来源：李晶辉,陈沛.4G通信网络架构和关键技术分析[J].信息技术与信息 www.cgws.com 化,2015(07):101-102.，长城证券产业金融研究院4 5G时代下的网络架构 5G移动通信逻辑架构： 5G移动通信的逻辑架构图是由：手机-接入网-承载网-核心网-承载网-接入网-手机；在接入网中，主要通过无线接入网（即基站）传输。 在5G网络中，接入网被重构为CU、DU和AAU，前传、中传、回传是它们间不同实体之间的连接。 图表4：5G移动通信逻辑架构图表5：5G网络部署形态 数据来源：光纤在线，长城证券产业金融研究院数据来源：光纤在线，长城证券产业金融研究院 组网分为中心级，汇聚级，区域级和接入级 5G承载网的首要目标则是为生成的空口数据提供泛在的连接，高效满足不同类型业务数据的Qos。5GNR要求的大带宽、低时延和高可靠性等性能指标，最终是5G承载网协同作用的结果。此外，网络连接调度、组网保护和管理控制等关键特性也由5G承载网得以实现。 图表3：5G承载组网架构 5G网络的组网视图，分为中心级、汇聚级、区域级和接入级中心级负责控制、管理和调度功能，汇聚级包括控制面网络功能，区域级承载数据流和移动边缘计算，接入级包含无线接入网的CU和DU功能。 收敛方式：根据电信《5G时代光传送网白皮书》中对于城域OTN网络架构的设计，若以5G成熟期为目标市场，在节点数方面，省干层:核心层:汇聚层:接入层=4:20:400:10000。 图表6：5G网络组网视图 数据来源：中国信通院《5G承载网络架构和技术方案白皮书》，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com 数据来源：中国信通院《5G网络架构设计白皮书》，长城证券产业金融研究院5 5G时代下的网络架构 图表8：基于SBA的5G核心网架构 5G核心网采用服务化架构，将摒弃隧道建立的模式,控制面所有NF之间的交互采用服务化接口，同一种服务可以被多种NF调用，降低NF之间接口定义的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。 图表7：5G无线接入网 数据来源：中国信通院《5G网络架构设计白皮书》，长城证券产业金融研 究院 数据来源：长焜科技官微，长城证券产业金融研究院 5G无线接入网通过引入接入网和应用服务器的双向交互，实现无线信道与业务的动态匹配。双向交互体现在，一方面接入网可以向应用服务器提供接入网络状态信息，比如当前服务用户可用的吞吐量信息，从而对应服务器进行速率估计和应用速率适配；另一方面，应用服务器可以向接入网络传递相关应用信息，比如视频加速请求信息，接入网可以提供服务适配，进行服务等级动态升级。通过无线智能感知功能增强，能够提高业务感知和路由决策的效率，能够实现业务的灵活分发和跨网关平滑的业务迁移。5G接入网数据吞吐量更大。 www.cgws.com6 5G通信市场网络架构对应光模块需求测算 5G基站：光模块数目=1：8.5，光模块市场需求约为2672万只。 依据我国工信部数据，截止至2023年8月底我国5G基站数量为313.8万座。 根据《5G时代光传送网技术白皮书》所提供的三大技术方案，假设光纤直连：无源WDM：有源WDM/OTN/SPN=7:1:2，测算得出总前传所需光模块数量为1882.80万个。 根据电信《5G时代光传送网白皮书》中对于城域OTN网络架构的设计，在节点数按照收敛比4:20:400:10000=省干层:核 心层:汇聚层:接入层，接口数按照30:23:5:1=省干层:核心层:汇聚层:接入层，测算得出光模块数量为：中传（接入层）为627.6万个，回传（汇聚层+核心层）为154.3896万个，省干网（省干层）为7.5312万个；共计约为2672万个。 图表9：5G光模块需求测算 5G前传市场光模块数量测算 技术方案光纤直连无源WDM有源WDM/OTN/SPN采用光模块种类25G10km灰光25G20km彩光25G20km灰光5G基站数量（万座）313.8 每个基站扇面数（个）3 每个扇面所需光模块数(个)2 比例70%10%20% 光模块数量（万个）1318.0188.3376.6 总前传所需光模块数量（万个）1882.8 5G中传、回传以及省干网市场光模块数量测算 OTN网络接入层汇聚层核心层省干层 采用光模块种类25GSFP2840km100GQSFP2840km200GCFP2-DCO80km400GCFP2-DCO80km 节点数(万个)313.812.5520.62760.12552 接口数(个)152330 每条链路光模块数(个)2 光模块数量(万个)627.6125.528.97.5 对应5G承载网中传回传省干网 其中，依据《5G承载光模块白皮书》对应的封装方案，光模块种类上： 前传主要为25G； 接入层（中传）为25G；汇聚层（回传）为100G；核心层（回传）为200G；省干层（省干网）为400G。 数据来源：工信部、《5G时代光传送网技术白皮书》，长城证券产业金融研究院测算 www.cgws.comwww.cgws.com|7 5G数据中心传统三层拓扑网络架构具备高收敛比 传统三层架构具备高收敛比 传统数据中心采用接入-汇聚-核心的三层架构，其带宽逐层收敛。通过配置较高的收敛比，利用统计复用（平均1/10的服务器同时工作，则可只配置1/10的总上行带宽，收敛比是10:1）以此节约组网成本。 根据中际旭创2021年8月发布的定增募集说明书，在传统的三层网络架构中，光模块数为机柜数的8.8倍。 图表10：传统数据中心三层交换机网络 图表11:传统三层网络架构的带宽逐层收敛 数据来源：Al-FaresM,LoukissasA,VahdatA“AScalable,CommodityDataCenterNetworkArchitecture”.ACMSIGCOMM(2008)，长城证券产业金融研究院 数据来源：中际旭创《向特定对象发行A股股票募集说明书》，长城证券产业金融 研究院 www.cgws.com8 网络架构扁平化需求催生叶脊拓扑架构发展 网络架构层数减少，更加扁平化。 传统数据中心是为.com应用设计的，这些流量大多是客户端和服务器之间的通信。而随着分布式计算、大数据兴起，这些应用会在数据中心的服务器之间产生大量的流量，因此网络架构更加趋向于扁平化。 叶脊二层架构相对于传统三层架构其优势在于低延迟、扩展性好、带宽利用率高等，基于这样的特性的同时也带动更高的光模块用量。 图表13：传统三层网络结构和两层叶脊结构的区别 图表12:叶脊数据中心交换机网络 数据来源：腾讯全球数据生态大会、长城证券产业金融研究院 叶脊架构网络效率更高，对应光模块需求更多。叶脊网络架构扩大了接入层和汇聚层，可以大大提高网络的效率，特别是高性能计算集群或高频流量通信设备的互联网 络。 与传统的三层架构相比，网络的脊部分水平增长，约束了网络的层数。例如，通过双向脊网络可以支持多达6000台主机；通过4路脊网络可以建立网络多达12000台主机网络；通过16路脊网络可以建立超过100,000台10-GbE主机。 数据来源：中际旭创《向特定对象发行A股股票募集说明书》，长城证券产业金融研究院 随着叶脊网络架构的普及，数据中心的光模块需求将从25G/100G向50G/200G/400G提升，同时叶脊架构下单机柜需要配置的光模块数量也将显著增加,根据中际旭创定增募集说明书数据，叶脊架构中，光模块数为机柜数的44/48倍。 www.cgws.com9 数据中心“东西向”流量占据主导，网络架构扁平化趋势更加明显 数据中心流量可分为南北向和东西向，东西向占据主导 数据中心流量可分为南北向流量和东西向流量，南北向流量指数据中心之外的客户端到数据中心服务器之间的流量，以及数据中心服务器访问互联网的流量，东西向流量指数据中心内服务器之间的流量，以及不同数据中心间的流量。2021年东西流量占85%，其中数据中心内部的流量占71.5%，数据中心之间的流量占13.6%。 随着5G的快速发展，出现爆款应用带动流量数据的快速提升，加速催化数据中心侧对于数据中心间的数据传输的能力和要求，东西向流量成为主导，网络架构扁平化趋势更加明显。 图表14：南北向流量和东西向流量示意 数据来源：山石网科知识库，长城证券产业金融研究院 图表15：数据中心“东西向”流量占主导 数据来源：CiscoGlobalIndex2015-2020，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com10 AI网络中东西流量迅速增加，催生新一轮网络架构升级需求 AI网络中东西向流量急剧增长，通信带宽急需升级。 南北向流量主要来自公有云业务，如用户云端存储和计算需求。由图13可以发现数据中心内部流量占比达77%，AI大模型训练的流量主要源自GPU之间的传输，即内部流量，因此东西向流量占比更大，对通信性能要求更高，因此带宽升级需求尤为紧迫。 Fat-Tree架构满足网络带宽不收敛，较为适合AI大模型训练。 无阻塞胖树（Fat-Tr