算力时代全光网架构研究报告（2024年）

算力时代全光网架构研究报告 (2024年) 中国信息通信研究院技术与标准研究所2024年9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，本院将追究其相关法律责任。 前言 随着行业数字化转型的深入及人工智能（AI）大模型技术的发展，AI在千行百业中的融合应用日益丰富，企业及家庭用户对算力资源的需求快速增长，数字经济已进入以人工智能+算力为核心生产力要素的算力时代。全光网作为运送和支撑调度算力资源的关键底座，其重要性日益凸显。算力时代下，各类算力应用场景向全光网提出新需求挑战，如多级数据中心间的算间互联带来大容量、低时延及云边协同，以及企业及家庭用户入云用算带来便捷接入、安全可靠及灵活敏捷等需求，全光网亟需加速演进，逐步升级网络架构和传输能力，支撑各级算力资源的灵活互联和用户高品质应用入算。 面向支撑算力创新应用、赋能行业数智化转型发展的愿景，本报告详细分析了算力时代下的高品质联云入算、城市内算力互联、枢纽间算力互联以及网络智能化调度四大需求，总结了稳定大带宽、安全高可靠、确定低时延，以及智能化服务等全光网发展四大特征，包括，提出算力时代的全光网目标架构和关键技术体系：一是通过全光DCA（数据中心接入），提供灵活高品质入算能力，以网促算；二是通过全光DCI（数据中心互联）实现数据中心高效互联，以网强算；三是通过光电融合DCN（数据中心网络）助力提高算力资源利用效率，以网补算；四是通过灵活一体调度的智能管控平台，使能算网高效敏捷调度。期望通过本报告研究成果，为我国全光网技术创新、融合应用及产业生态发展提供参考，助力我国数字经济持续高质量发展。 一、算力时代推动全光网高质量创新发展1 二、算力时代全光网发展的四大需求特征2 (一)高品质联云入算，开启万兆光网接入时代3 (二)城市内算力互联，打造1ms全光接入时延圈7 (三)枢纽间算力互联，构筑高速可靠全光底座8 (四)网络智能化调度，使能算网高效协同发展10 三、算力时代全光网目标架构和关键技术11 (一)算力时代全光网目标架构11 (二)以网促算，全光DCA实现用户高品质入算12 (三)以网强算，全光DCI实现数据中心高效互联17 (四)以网补算，光电融合DCN助力突破算力瓶颈22 (五)灵活一体调度的智能管控平台25 四、总结与展望28 图1基于全光接入网络的智慧汽车工厂6 图2全球相干光传输网络带宽增长10 图3全光网的目标架构12 图4万兆智慧家庭的高品质入算方案14 图5中小企业的全光网络入算方案15 图6大企业高品质专线入算方案16 图7枢纽间互联骨干网立体扩容18 图8光电保护协同提升网络可靠性19 图9光电联动技术实现业务快速发放20 图10算力接入1ms城市的城域全光网架构21 图11DCN采用OXC的光电混合组网方案23 图12全光网多维灵活感知26 表目录 表1多业务并发场景网络需求4 表2XR教室对网络指标的诉求5 表3智能制造企业的工业自动化系统带宽需求7 一、算力时代全光网高质量创新发展 人工智能发展对算网融合服务能力提出更高要求。国际货币基金组织认为，人工智能将促进全球经济增长，影响全球近40%的工作，企业和个人用户对人工智能和算力服务的需求，将会像用水用电一样成为必需，对算力服务的及时性、便捷性和可靠性，也会有更高要求。另一方面，大模型训练对计算资源的需求急剧增加，然而数据中心受到地域空间、供电能力、供需不均衡等制约，多个数据中心实现分布式算力集群需高质量的通信网络提供连接，协同调度发挥最大的效能。 各国积极探索实践算力时代的全光网络技术创新。纵观全球，各主要国家和地区均将光网络建设作为提升数字经济建设的基础之一，如中国的《算力基础设施高质量发展行动计划》，欧盟的《2030数字罗盘》，美国联邦的宽带公平接入与部署计划（BEAD）、联邦通讯委员会的连接美国基金（CAF），以及新加坡《数字蓝图》等，都通过产业政策、科研计划、发展蓝图等多种形式，加强数字基础设施底座的光纤通信网络建设，以获得更高品质的算力联接和应用。各国的科研机构、企业都在探索实践算力时代的全光网络技术创新，美国最大科研网络能源科学网络（ESnet6）、中国未来网络试验设施（CENI）、欧盟国家研究和教育网络（GÉANT），日本NTT牵头成立以6G为目标的创新型光和无线网络（IOWN）全球联盟并推动建设全光子网络 （APN），都在开展面向算力和未来6G时代的超高速率、超大容量、灵活调度和绿色节能的光网络新技术创新研究。 我国运营商积极开展算力时代全光网络发展建设。中国移动提出 “4+N+31+X”的算力网络总体布局，发布九州算力光网目标网架构，实现全球首个400G全光骨干传送网规模商用，持续深化三级低时延算力服务圈，畅通“东数西算”大动脉。中国电信围绕国家一体化大数据中心优化网络结构，近期启动骨干400GROADM设备集采，构建“四区六轴八枢纽多通道”的低时延骨干光网络底座，支撑算力枢纽间全光高速互联。中国联通已形成“1+N+X”智算梯次布局，加快建设“新八纵八横”国家骨干网，基于400G构建全光算力互联网，提供超高安全、超低时延、超高可靠、超大带宽、超长距离、灵活可调、绿色节能的高品质连接，赋能人工智能+时代高质量发展。 本报告分析研判国内外全光网络发展的需求趋势，从用户入算网络（DCA）、数据中心互联网络（DCI）、数据中心网络（DCN）到智能管控平台，分析提出全光运力的目标网络架构和关键技术体系，总结明确了算力时代的全光网络发展方向，并对未来应用场景做出展望。 二、算力时代全光网发展的四大特征 面向算间互联带来的大容量、低时延及云边协同需求，用户入算带来的便捷接入、安全可靠及灵活敏捷需求，一体化算力调度带来的算网协同及资源智管需求，现有全光网需持续向超大带宽、超低时延、安全可靠、泛在覆盖、灵活敏捷、智能管控等方向发展，全面升级网络架构和传输能力，通过全光网构建高效泛在全光运力，打造覆盖全国的“1ms”、“5ms”、“20ms”三级时延圈，实现各级算力资源的高效灵活互联和用户高品质应用入算。 算力时代全光网呈现出四大需求特征，一是稳定大带宽，根据各 行业数字化、智能化应用需求，提供稳定充足的大带宽以支撑数据流量的激增，包括未来低收敛或不收敛的大象流。二是安全高可靠，提供高可靠高安全的网络连接，确保智算业务随时在线流转，保障各行业应用顺畅和数据信息安全。三是确定低时延，降低传输链路时延和时延抖动，支撑分布式智算集群的创新验证，提高行业应用的业务体验。四是智能化服务，提供自动化、智能化的光网络资源调度和运维管理服务，支持算力业务敏捷开通和高效可视运维，满足各行业数智化发展的业务需求。 （一）高品质联云入算，开启万兆光网接入时代 各国政府和运营商都积极拥抱万兆全光接入时代的到来。新加坡政府于2023年发布“数字联接蓝图（DCB）”，提出五年内实现国内宽带接入10Gbps无缝链接，包括固定光接入、Wi-Fi和无线通信；2024年发布“数字企业蓝图（DEB）”，计划在未来五年内，通过人工智能解决方案、云端和集成化解决方案、提高网络恢复能力、提升员工技能，让5万家中小企业受益。2024年4月沙特通信部正式发布万兆社会规划，包括万兆到个人、万兆到家庭和万兆到企业，指出光网络作为基础设施是实现沙特“2030愿景”的关键。日本NTT在2024年发布了100G大带宽的光专线入云连接，让客户可以通过NTT提供的光专线，接入全日本70多个NTT数据中心，为云运营商和互联网服务提供商（ISP）提供大容量骨干网和云服务平台，实现远程工厂机器操作、多点CAD协同、远程医疗等云服务。截至2024年7月底，中国固定互联网宽带接入用户总数达6.56亿户，其中1000Mbps 及以上接入速率的用户为1.9亿户，较2023年末净增2684万户，占总用户数的29%。在高速率用户持续增长拉动下，家庭户均接入带宽达491.5Mbps/户，同比增长16.6%。到2024年中，包括北京、上海等19个省份、直辖市的运营商发布万兆家宽场景的试点应用。据不 完全统计，全球已有超过50家运营商提供了万兆光纤宽带服务，万兆时代已经来临。 万兆全光接入网络满足家庭、园区、企业等各类终端和业务对带宽、时延、安全的综合需求。 1.智慧家庭超千兆网络需求 终端类型增加及业务类型丰富，促使家庭网络带宽需求提升。随着家庭业务类型的丰富、家庭终端的多样化及并发数量的增加，以及业务体验品质的提升，家庭多业务并发对超千兆甚至万兆家宽需求日益显现。个人及智能家庭终端类型日益丰富，如8K电视、裸眼3D电视、XR头盔、家庭云盘等推动带宽需求不断增长，新兴智能家居终端如智能门锁、智能音箱、扫地机器人等，也提出新的网络带宽需求。此外，家庭交互视频和云服务业务类型不断丰富，如XR直播、AR/VR视频、云办公、云存储和云游戏等，都对业务体验提出新的需求。据宽带发展联盟研究，高质量裸眼3D、8K云游戏、在线存储等家庭业务所需带宽已达到5千兆，见表1。 表1多业务并发场景网络需求 业务类型 分辨率 帧率 (FPS) 平均码率 (Mbps) 视点数 时延需求(ms) 带宽需求 (Mbps) 裸眼3D光场屏点播（16k） 15360×14400 60 868 60视点 ≤15 ≥1736 业务类型 分辨率 帧率 (FPS) 平均码率 (Mbps) 视点数 时延需求(ms) 带宽需求 (Mbps) CloudVR强交互业务(8K) 7680×4320 60 ≥270 2视点 ≤15 ≥540 浅压缩云游戏(8K) 7680×4320 120 ≥800 单视点 ≤10 ≥1600 在线云存储 / / / / ≤15 ≥1000 智能看家 1920×1080 / / / / ≥20 智能音箱 / / / / ≤150 ≥54 家庭总带宽需求 ≥4950 来源：宽带发展联盟《家宽多业务并发体验分级白皮书》（2023年） 2.智慧园区万兆网络需求 教育信息化、智能化发展推动校园带宽快速增长。随着智能化教学设备普及率逐步提升，教学领域XR虚拟仿真教学设备采用8K以上高分辨率，单台设备需要配置160Mbps带宽，每间教室30台带宽需求近5Gbps；考虑视频直播、电子课件下载，无线投屏等多媒体系统的带宽叠加，未来XR教学教室带宽需求会接近万兆，如表2所示。当前普教类中小学出口带宽在500~1Gbps左右，大专院校出口带宽为1~10Gbps左右，主流以10Gbps为主，随着XR教学普及单个教室带宽需要10Gbps，学校出口带宽预计达到20Gbps到100Gbps以上。 表2XR教室对网络指标的诉求 业务 并发终端 单点带宽（Mbps） 总带宽（Mbps） 电子书包 WEB 30 2.5 75 视频直播（4K） 30 35 1050 课件下载 30 16 480 教学业务 无线投屏（4K） 4~6 35 210 其它 录播（4K） 4 35 140 XR（8K） 30 160 4800 每教室总带宽诉求 6755 来源：中国信息通信研究院 3.智慧工厂万兆网络需求 AI算力向制造行业边缘延伸，推动万兆工业园区网络建设。智能汽车、智能制造等领域的生产企业，将越来越多依赖边缘AI算力来实现制造流程的数字化和智能化升级。图3给出了汽车制造企业采用全光网络的工厂连接方案示意图，利用3D机器视觉现场检验及远控中心的AI智能分析技术，对生产过程中的关键零部件进行实时分析，可大幅降低产品部件缺陷，提升装配行为规范性及生产效率。汽车工厂的一条产线长度超过一公里，覆盖上千个点位，采用3D机器视觉+AI质检分析，每个点位需要配置1Gbps带宽，整个工厂需采用10Gbps组网，并且设备和线路需配置1+1冗余保护，保证全时在线。 边缘算力中心 AI质检分析 OTN 核心交换机 双发选收OLT GE到信息点位 高清