超寬帶網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)放大了人的社會屬性，隨著網(wǎng)絡(luò)空間的擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)將成為人們工作和生活的有機(jī)組成部分。未來，在授權(quán)范圍內(nèi)，任何人均可通過互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地平等地獲得所需的服務(wù)與信息。此時，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對用戶呈現(xiàn)出更多的“透明”特性（即用戶在獲得服務(wù)與信息時無需感覺到網(wǎng)絡(luò)的存在）。這就對底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提出更高要求，無論在覆蓋范圍、接入帶寬、網(wǎng)絡(luò)安全方面，還是在可靠性與擴(kuò)展性等方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

作為信息時代的基礎(chǔ)設(shè)施，寬帶是國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是衡量國家競爭力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。2010年，聯(lián)合國寬帶委員會成員簽署了《基于寬帶的未來》的宣言，寬帶接入被視為公民的基本法律權(quán)利。目前，已經(jīng)有近百個國家和地區(qū)啟動了國家寬帶計劃。

互聯(lián)網(wǎng)與信息化進(jìn)程相伴而生，工業(yè)化與信息化融合進(jìn)程為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展注入新的活力。人—人、人—物乃至物—物相連將是未來互聯(lián)網(wǎng)的主要形態(tài)。因此，融合承載、規(guī)模擴(kuò)展、綠色環(huán)保、安全可信以及超寬帶接入(100Mbit/s以上)等將成為未來互聯(lián)網(wǎng)背景下網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的基本要求。

本文從未來互聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的需求著手，以超寬帶網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)為研究對象，在分析研究超寬帶網(wǎng)絡(luò)基本要求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對超寬帶網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 超寬帶網(wǎng)絡(luò)基本要求

技術(shù)的發(fā)展必須以人為本，網(wǎng)絡(luò)亦然。超寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展必須以滿足用戶信息化需求為中心，具體表現(xiàn)在：

（1）超大規(guī)模超寬帶接入

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及富媒體等技術(shù)的規(guī)模發(fā)展與應(yīng)用，用戶和終端規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。若以城域網(wǎng)為單位，用戶規(guī)模超千萬、終端規(guī)模超億將成為未來寬帶網(wǎng)絡(luò)的重要特征。視頻業(yè)務(wù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的快速發(fā)展極大地推動了用戶對帶寬需求的增長，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，帶寬仍將是用戶的首要需求。人均帶寬100Mbit/s將是未來寬帶接入的基本要求。

（2）廣泛覆蓋

隨著信息化與工業(yè)化融合進(jìn)程的推進(jìn)，隨時隨地、任意終端與任意方式的安全接入已成為用戶對信息服務(wù)的基本需求。網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍與物理空間的趨同成為大勢所趨，泛在接入成為超寬帶網(wǎng)絡(luò)的基本要求之一。

（3）融合承載

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的豐富與發(fā)展，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)—業(yè)務(wù)緊密契合的“煙囪式”網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式難以為繼，基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)融合承載趨勢不可逆轉(zhuǎn)。在ALL-IP架構(gòu)下，包括視頻、音頻、數(shù)據(jù)以及移動等所有應(yīng)用與業(yè)務(wù)均應(yīng)通過同一張網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)融合承載。

（4）超高可靠性

承載可靠性是多業(yè)務(wù)融合承載的基本條件。超寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的超高可靠性指標(biāo)（99.9999%）。滿負(fù)荷情況下，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵鏈路故障倒換時間應(yīng)小于50ms。

（5）綠色節(jié)能

綠色節(jié)能是實(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。超寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營過程中，必須從降低每比特能耗和提升每比特承載效率兩方面著手，提升網(wǎng)絡(luò)效能，切實(shí)降低單位能耗。

（6）安全可信

互聯(lián)網(wǎng)的開放性和泛在性正在將網(wǎng)絡(luò)和信息安全提升到前所未有的高度。安全可信的網(wǎng)絡(luò)對于互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)健康發(fā)展至關(guān)重要。在打造超寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的同時，需要建立用戶/網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)全方位安全保障體系，打造端到端一體化安全保障能力，實(shí)現(xiàn)超寬帶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的用戶、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的安全保障。

（7）平滑演進(jìn)

網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)是網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。超寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，應(yīng)該從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可重用、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可擴(kuò)展以及網(wǎng)絡(luò)能力可升級等方面保證網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)。

（8）智能管控

用戶體驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)效能是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中的兩個關(guān)鍵命題。向用戶提供“按需”（On-Demand）的用戶體驗(yàn)是未來互聯(lián)網(wǎng)的典型特征?！鞍葱琛庇脩趔w驗(yàn)要求網(wǎng)絡(luò)資源具備智能管控與調(diào)配能力，而這種智能管控能力則依賴于用戶—網(wǎng)絡(luò)—業(yè)務(wù)的有效協(xié)同。

（9）IPv6技術(shù)和業(yè)務(wù)使能

未來，海量終端的接入以及“永遠(yuǎn)在線”的業(yè)務(wù)特性，需要超寬帶網(wǎng)絡(luò)具備足夠的尋址空間。IPv4地址空間難以滿足超寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，因此超寬帶網(wǎng)絡(luò)必須是IPv6技術(shù)和業(yè)務(wù)使能的網(wǎng)絡(luò)。

3　超寬帶網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

超寬帶網(wǎng)絡(luò)體系通過將網(wǎng)絡(luò)的傳送、計算與存儲等三類能力的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)對未來互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)力支撐。一個完整的超寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要高效承載、可靠保障、安全可信、智能管控、綠色節(jié)能和體驗(yàn)提升等關(guān)鍵技術(shù)支撐。安全可信與智能管控技術(shù)涉及到用戶、網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)等多個層面的協(xié)同及資源調(diào)度。本文主要從網(wǎng)絡(luò)承載角度對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析研究，對安全可信與體驗(yàn)提升等技術(shù)不進(jìn)行詳細(xì)敘述。

3.1　高效承載技術(shù)

ALL-IP架構(gòu)下，支撐高效承載的關(guān)鍵技術(shù)包括IPoE，IP與傳輸協(xié)同以及網(wǎng)絡(luò)—平臺協(xié)同等。

（1）IPoE基于DHCP協(xié)議擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)廣域的IP報文認(rèn)證、授權(quán)、計費(fèi)和有效傳輸。相對于目前廣泛使用的PPPoE而言，IPoE的優(yōu)勢不僅在于封裝結(jié)構(gòu)的簡化，而且在于組播分發(fā)效率的提升：PPPoE接入方式下，由于用戶與接入控制網(wǎng)關(guān)之間是PPP連接，組播報文的復(fù)制只能以每用戶為單位，實(shí)際效果類似于單播承載；IPoE方式下，組播報文基于端口或VLAN復(fù)制，如果結(jié)合跨VLAN組播，可實(shí)現(xiàn)更高效率的組播分發(fā)。大規(guī)模直播業(yè)務(wù)條件下，IPoE方式可實(shí)現(xiàn)組播復(fù)制點(diǎn)由接入控制網(wǎng)關(guān)向接入網(wǎng)絡(luò)等位置的下移，進(jìn)一步提高組播分發(fā)效率。

（2）IP與傳輸協(xié)同主要指IP與OTN的協(xié)同，此種方式下，通過路由器上引入通道化OTN技術(shù)或OTN上引入VLAN子接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路由器與OTN設(shè)備在物理接口上的互通，并通過GMPLS協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量的統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)IP層與光層有效協(xié)同條件下的流量優(yōu)化承載。為滿足超寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)承載需求，必須提升OTN的資源調(diào)度和靈活組網(wǎng)能力，具體而言，就是通過增強(qiáng)OTN設(shè)備的端口匯聚和流量匯聚能力，實(shí)現(xiàn)更加靈活的資源調(diào)度，目前EOO（Ethernet Over OTN）等技術(shù)就是典型代表。

（3）網(wǎng)絡(luò)—平臺協(xié)同目前主要指基于CDN的視頻內(nèi)容推送。根據(jù)IBM公司的研究成果，過去25年中，存儲成本以平均每周3%的速度下降，遠(yuǎn)快于網(wǎng)絡(luò)帶寬成本的下降速度；另一方面，就近獲取視頻內(nèi)容的方式可顯著提升用戶體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)—平臺協(xié)同就是基于“存儲換帶寬”理念，將CDN平臺引入網(wǎng)絡(luò)，在緩解帶寬壓力的同時，進(jìn)一步提高用戶體驗(yàn)。CDN的智能分片和內(nèi)容智能“拉取”技術(shù)可進(jìn)一步提升內(nèi)容推送效率，是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。此外，將CDN功能集成到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)—業(yè)務(wù)更加有機(jī)協(xié)同，成為該領(lǐng)域的主要趨勢。

3.2　業(yè)務(wù)可靠性保障技術(shù)

承載可靠性是業(yè)務(wù)可靠性的根本保障，由于IP網(wǎng)絡(luò)的“盡力而為”特性，IP綜合承載條件下的可靠性始終是IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中重點(diǎn)關(guān)注的問題。IP網(wǎng)絡(luò)可靠性主要通過快速故障檢測和拓?fù)?設(shè)備冗余實(shí)現(xiàn)。

由于不同網(wǎng)元/鏈路在網(wǎng)絡(luò)中的角色定位不同，在可靠性保障方面的作用也不盡相同。從關(guān)鍵網(wǎng)元/鏈路入手，有的放矢，提升網(wǎng)絡(luò)可靠性，是超寬帶網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的重點(diǎn)。在超寬帶網(wǎng)絡(luò)中，接入控制設(shè)備不僅承擔(dān)著流量轉(zhuǎn)發(fā)和控制功能，而且承擔(dān)著用戶管理的部分功能，是業(yè)務(wù)可靠性保障環(huán)節(jié)最重要的網(wǎng)元。因此，接入控制設(shè)備可靠性是超寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可靠性的重要保障。接入控制設(shè)備可靠性主要通過跨機(jī)箱無縫熱備技術(shù)實(shí)現(xiàn)?？鐧C(jī)箱無縫熱備技術(shù)原理如圖1所示，在用戶信息同步的基礎(chǔ)上，結(jié)合VRRP和BFD等技術(shù)，在滿負(fù)荷情況下可保證關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵鏈路故障倒換時間小于50ms。以此為基礎(chǔ)，配合快速路由收斂等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)視頻、音視等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的超高可靠性指標(biāo)（99.9999%）。

圖1　跨機(jī)箱無縫熱備技術(shù)原理

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的發(fā)展，為更大范圍實(shí)施可靠性保障提供了可能，目前出現(xiàn)的接入控制設(shè)備池化和集群等相關(guān)技術(shù)，可以在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠性保障。

3.3　綠色節(jié)能技術(shù)

綠色節(jié)能體現(xiàn)在設(shè)備研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與運(yùn)營等環(huán)節(jié)。高集成度、低能耗和大容量是設(shè)備研發(fā)的基本要求，在設(shè)備架構(gòu)設(shè)計之外，芯片工藝水平對設(shè)備能耗的影響非常明顯。通常，工藝水平的提升會實(shí)現(xiàn)能耗的實(shí)質(zhì)下降。目前，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的芯片工藝主要集中在65nm水平，未來將向45nm和32nm工藝水平過渡。超寬帶網(wǎng)絡(luò)以光網(wǎng)技術(shù)為主構(gòu)建，在提升網(wǎng)絡(luò)容量的同時提升網(wǎng)絡(luò)效能：在接入部分以PON技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)全場景全業(yè)務(wù)接入，而在骨干部分則通過IP—傳輸協(xié)同等方式實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)承載。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營過程中，主要通過打造用戶—網(wǎng)絡(luò)—業(yè)務(wù)一體化智能協(xié)同體系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)營水平的提升和能耗的下降。

3.4　體驗(yàn)提升技術(shù)

人們對用戶體驗(yàn)的永恒追求是驅(qū)動信息化社會發(fā)展的原動力。視頻業(yè)務(wù)在所有互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中對用戶體驗(yàn)要求最高。因此，用戶體驗(yàn)提升主要集中在視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)提升方面。由于視頻業(yè)務(wù)的長連接、高帶寬以及用戶體驗(yàn)敏感等特點(diǎn)，大規(guī)模視頻業(yè)務(wù)的開展對網(wǎng)絡(luò)容量和承載能力都帶來極大挑戰(zhàn)。視頻體驗(yàn)提升主要基于視頻增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

視頻增強(qiáng)技術(shù)通過視頻業(yè)務(wù)處理和存儲，實(shí)現(xiàn)視頻內(nèi)容的重傳和緩存。基于視頻增強(qiáng)技術(shù)，視頻切換時間可大大縮短，畫面質(zhì)量得以大幅提高。視頻增強(qiáng)技術(shù)在提升視頻用戶體驗(yàn)的同時，通過IP和存儲技術(shù)協(xié)同，縮短流量路徑，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量模型優(yōu)化，提升了帶寬效率。未來，視頻業(yè)務(wù)功能會逐漸集成在網(wǎng)元設(shè)備上。

基于視頻增強(qiáng)技術(shù)的部署，還可通過隨流檢測等方式形成對視頻業(yè)務(wù)的實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對視頻故障的快速定界和定位。

4　結(jié)束語

決定未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。超寬帶網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的繼承和革新。相對于傳統(tǒng)寬帶網(wǎng)絡(luò)，超寬帶網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)的傳送、計算與存儲能力有機(jī)融合，能更好地滿足未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求。超寬帶網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營和發(fā)展依賴于寬帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，只有有效整合產(chǎn)業(yè)鏈的力量，超寬帶網(wǎng)絡(luò)才能步入更加快速和健康的發(fā)展軌道，才能更好地支持未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。