基于超寬帶網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的出現放大了人的社會(huì )屬性，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )空間的擴展，網(wǎng)絡(luò )將成為人們工作和生活的有機組成部分。未來(lái)，在授權范圍內，任何人均可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地平等地獲得所需的服務(wù)與信息。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò )基礎設施對用戶(hù)呈現出更多的“透明”特性（即用戶(hù)在獲得服務(wù)與信息時(shí)無(wú)需感覺(jué)到網(wǎng)絡(luò )的存在）。這就對底層網(wǎng)絡(luò )基礎設施提出更高要求，無(wú)論在覆蓋范圍、接入帶寬、網(wǎng)絡(luò )安全方面，還是在可靠性與擴展性等方面，都遠遠超出傳統的網(wǎng)絡(luò )標準。

作為信息時(shí)代的基礎設施，寬帶是國家經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的重要基礎，也是衡量國家競爭力的重要標準之一。2010年，聯(lián)合國寬帶委員會(huì )成員簽署了《基于寬帶的未來(lái)》的宣言，寬帶接入被視為公民的基本法律權利。目前，已經(jīng)有近百個(gè)國家和地區啟動(dòng)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(lái)互聯(lián)網(wǎng)的主要形態(tài)。因此，融合承載、規模擴展、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(lái)互聯(lián)網(wǎng)背景下網(wǎng)絡(luò )基礎設施的基本要求。

本文從未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò )基礎設施的需求著(zhù)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 )基本要求的基礎上，重點(diǎn)對超寬帶網(wǎng)絡(luò )體系架構中的關(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(mǎn)足用戶(hù)信息化需求為中心，具體表現在：

（1）超大規模超寬帶接入

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及富媒體等技術(shù)的規模發(fā)展與應用，用戶(hù)和終端規模進(jìn)一步擴大。若以城域網(wǎng)為單位，用戶(hù)規模超千萬(wàn)、終端規模超億將成為未來(lái)寬帶網(wǎng)絡(luò )的重要特征。視頻業(yè)務(wù)以及虛擬現實(shí)等技術(shù)的快速發(fā)展極大地推動(dòng)了用戶(hù)對帶寬需求的增長(cháng)，在未來(lái)相當長(cháng)的一段時(shí)間內，帶寬仍將是用戶(hù)的首要需求。人均帶寬100Mbit/s將是未來(lái)寬帶接入的基本要求。

（2）廣泛覆蓋

隨著(zhù)信息化與工業(yè)化融合進(jìn)程的推進(jìn)，隨時(shí)隨地、任意終端與任意方式的安全接入已成為用戶(hù)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(zhù)網(wǎng)絡(luò )應用的豐富與發(fā)展，傳統的網(wǎng)絡(luò )—業(yè)務(wù)緊密契合的“煙囪式”網(wǎng)絡(luò )建設模式難以為繼，基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )融合承載趨勢不可逆轉。在A(yíng)LL-IP架構下，包括視頻、音頻、數據以及移動(dòng)等所有應用與業(yè)務(wù)均應通過(guò)同一張網(wǎng)絡(luò )實(shí)現融合承載。

（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 )應能實(shí)現關(guān)鍵業(yè)務(wù)的超高可靠性指標（99.9999%）。滿(mǎn)負荷情況下，關(guān)鍵節點(diǎn)和關(guān)鍵鏈路故障倒換時(shí)間應小于50ms。

（5）綠色節能

綠色節能是實(shí)現寬帶網(wǎng)絡(luò )可持續發(fā)展的必要條件。超寬帶網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)過(guò)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(zhù)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(kāi)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)持續健康發(fā)展至關(guān)重要。在打造超寬帶網(wǎng)絡(luò )基礎設施的同時(shí)，需要建立用戶(hù)/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)現超寬帶網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的用戶(hù)、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 )可持續發(fā)展的重要保障。超寬帶網(wǎng)絡(luò )建設過(guò)程中，應該從網(wǎng)絡(luò )設備可重用、網(wǎng)絡(luò )架構可擴展以及網(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(hù)體驗與網(wǎng)絡(luò )效能是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵命題。向用戶(hù)提供“按需”（On-Demand）的用戶(hù)體驗是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的典型特征。“按需”用戶(hù)體驗要求網(wǎng)絡(luò )資源具備智能管控與調配能力，而這種智能管控能力則依賴(lài)于用戶(hù)—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(lái)，海量終端的接入以及“永遠在線(xiàn)”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(mǎn)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(guò)將網(wǎng)絡(luò )的傳送、計算與存儲等三類(lèi)能力的有機融合，實(shí)現對未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的強力支撐。一個(gè)完整的超寬帶網(wǎng)絡(luò )架構需要高效承載、可靠保障、安全可信、智能管控、綠色節能和體驗提升等關(guān)鍵技術(shù)支撐。安全可信與智能管控技術(shù)涉及到用戶(hù)、網(wǎng)絡(luò )與業(yè)務(wù)等多個(gè)層面的協(xié)同及資源調度。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，對安全可信與體驗提升等技術(shù)不進(jìn)行詳細敘述。

3.1　高效承載技術(shù)

ALL-IP架構下，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)議擴展，可實(shí)現廣域的IP報文認證、授權、計費和有效傳輸。相對于目前廣泛使用的PPPoE而言，IPoE的優(yōu)勢不僅在于封裝結構的簡(jiǎn)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(hù)與接入控制網(wǎng)關(guān)之間是PPP連接，組播報文的復制只能以每用戶(hù)為單位，實(shí)際效果類(lèi)似于單播承載；IPoE方式下，組播報文基于端口或VLAN復制，如果結合跨VLAN組播，可實(shí)現更高效率的組播分發(fā)。大規模直播業(yè)務(wù)條件下，IPoE方式可實(shí)現組播復制點(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(guò)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)現路由器與OTN設備在物理接口上的互通，并通過(guò)GMPLS協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )流量的統一調度，實(shí)現IP層與光層有效協(xié)同條件下的流量?jì)?yōu)化承載。為滿(mǎn)足超寬帶網(wǎng)絡(luò )架構和業(yè)務(wù)承載需求，必須提升OTN的資源調度和靈活組網(wǎng)能力，具體而言，就是通過(guò)增強OTN設備的端口匯聚和流量匯聚能力，實(shí)現更加靈活的資源調度，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的視頻內容推送。根據IBM公司的研究成果，過(guò)去25年中，存儲成本以平均每周3%的速度下降，遠快于網(wǎng)絡(luò )帶寬成本的下降速度；另一方面，就近獲取視頻內容的方式可顯著(zhù)提升用戶(hù)體驗。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(shí)，進(jìn)一步提高用戶(hù)體驗。CDN的智能分片和內容智能“拉取”技術(shù)可進(jìn)一步提升內容推送效率，是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。此外，將CDN功能集成到網(wǎng)絡(luò )設備實(shí)現網(wǎng)絡(luò )—業(yè)務(wù)更加有機協(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 )構建過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。IP網(wǎng)絡(luò )可靠性主要通過(guò)快速故障檢測和拓撲/設備冗余實(shí)現。

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，接入控制設備不僅承擔著(zhù)流量轉發(fā)和控制功能，而且承擔著(zhù)用戶(hù)管理的部分功能，是業(yè)務(wù)可靠性保障環(huán)節最重要的網(wǎng)元。因此，接入控制設備可靠性是超寬帶網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)可靠性的重要保障。接入控制設備可靠性主要通過(guò)跨機箱無(wú)縫熱備技術(shù)實(shí)現?？鐧C箱無(wú)縫熱備技術(shù)原理如圖1所示，在用戶(hù)信息同步的基礎上，結合VRRP和BFD等技術(shù)，在滿(mǎn)負荷情況下可保證關(guān)鍵節點(diǎn)和關(guān)鍵鏈路故障倒換時(shí)間小于50ms。以此為基礎，配合快速路由收斂等技術(shù)，可實(shí)現視頻、音視等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的超高可靠性指標（99.9999%）。

圖1　跨機箱無(wú)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，目前出現的接入控制設備池化和集群等相關(guān)技術(shù)，可以在更大范圍內實(shí)現可靠性保障。

3.3　綠色節能技術(shù)

綠色節能體現在設備研發(fā)、網(wǎng)絡(luò )設計與運營(yíng)等環(huán)節。高集成度、低能耗和大容量是設備研發(fā)的基本要求，在設備架構設計之外，芯片工藝水平對設備能耗的影響非常明顯。通常，工藝水平的提升會(huì )實(shí)現能耗的實(shí)質(zhì)下降。目前，網(wǎng)絡(luò )設備的芯片工藝主要集中在65nm水平，未來(lái)將向45nm和32nm工藝水平過(guò)渡。超寬帶網(wǎng)絡(luò )以光網(wǎng)技術(shù)為主構建，在提升網(wǎng)絡(luò )容量的同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò )效能：在接入部分以PON技術(shù)為主實(shí)現全場(chǎng)景全業(yè)務(wù)接入，而在骨干部分則通過(guò)IP—傳輸協(xié)同等方式實(shí)現光網(wǎng)承載。在網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)過(guò)程中，主要通過(guò)打造用戶(hù)—網(wǎng)絡(luò )—業(yè)務(wù)一體化智能協(xié)同體系，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )整體運營(yíng)水平的提升和能耗的下降。

3.4　體驗提升技術(shù)

人們對用戶(hù)體驗的永恒追求是驅動(dòng)信息化社會(huì )發(fā)展的原動(dòng)力。視頻業(yè)務(wù)在所有互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中對用戶(hù)體驗要求最高。因此，用戶(hù)體驗提升主要集中在視頻業(yè)務(wù)體驗提升方面。由于視頻業(yè)務(wù)的長(cháng)連接、高帶寬以及用戶(hù)體驗敏感等特點(diǎn)，大規模視頻業(yè)務(wù)的開(kāi)展對網(wǎng)絡(luò )容量和承載能力都帶來(lái)極大挑戰。視頻體驗提升主要基于視頻增強技術(shù)實(shí)現。

視頻增強技術(shù)通過(guò)視頻業(yè)務(wù)處理和存儲，實(shí)現視頻內容的重傳和緩存?；谝曨l增強技術(shù)，視頻切換時(shí)間可大大縮短，畫(huà)面質(zhì)量得以大幅提高。視頻增強技術(shù)在提升視頻用戶(hù)體驗的同時(shí)，通過(guò)IP和存儲技術(shù)協(xié)同，縮短流量路徑，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )流量模型優(yōu)化，提升了帶寬效率。未來(lái)，視頻業(yè)務(wù)功能會(huì )逐漸集成在網(wǎng)元設備上。

基于視頻增強技術(shù)的部署，還可通過(guò)隨流檢測等方式形成對視頻業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)監控，實(shí)現對視頻故障的快速定界和定位。

4　結束語(yǔ)

決定未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本是網(wǎng)絡(luò )基礎設施。超寬帶網(wǎng)絡(luò )是在傳統寬帶網(wǎng)絡(luò )基礎上的繼承和革新。相對于傳統寬帶網(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融合，能更好地滿(mǎn)足未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求。超寬帶網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)和發(fā)展依賴(lài)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(lái)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。