摘要：認(rèn)為在大數(shù)據(jù)時(shí)代，管道技術(shù)將向?qū)拵Щ葸M(jìn)以提高傳輸速度；管道架構(gòu)將向扁平化演進(jìn)以降低系統(tǒng)延時(shí)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)的引入使管道向虛擬化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的控制；多管道技術(shù)組合則可以使管道向智能化發(fā)展。這些方案均可以實(shí)現(xiàn)寬帶化和實(shí)時(shí)性傳輸，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)服務(wù)的高速、暢行無(wú)阻的傳送。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；管道技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)

Abstract： In the big-data era， broadband pipeline technology can improve speed； flattened pipeline architecture can reduce system delay； and software-defined networks （SDN） allow pipelines to be virtually developed so that network traffic can be better controlled； multipipe technology is also used for intelligent pipeline development. All these technologies improve pipe transmission so that big-data services can be transmitted without interruption at high speed.

Key words： big data； pipe technology； network architecture； SDN

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2013） 04-0054-04

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、社交媒體、網(wǎng)絡(luò)視頻、企業(yè)服務(wù)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)等服務(wù)的飛速發(fā)展，全球的數(shù)據(jù)正呈爆炸式的增長(zhǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）報(bào)告指出：2012年已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，2013年全面引爆大數(shù)據(jù)，2020年全球?qū)碛泄灿?jì)約35 ZB的海量數(shù)據(jù)，由此可知我們已經(jīng)邁進(jìn)了大數(shù)據(jù)時(shí)代。大數(shù)據(jù)有4個(gè)特征，即超量、高速、多樣性和價(jià)值，其中高速的特性不僅僅要求大數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，而且還要求其可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳送，以增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。大數(shù)據(jù)還要依賴(lài)于管道網(wǎng)絡(luò)傳輸。每個(gè)人都是數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)者，同時(shí)也是數(shù)據(jù)的使用者，用戶(hù)體驗(yàn)要求用戶(hù)能在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)接入，并能實(shí)現(xiàn)任意呼叫以及在任意瀏覽地貢獻(xiàn)和分享大數(shù)據(jù)服務(wù)，因此大數(shù)據(jù)將推動(dòng)管道技術(shù)演進(jìn)，促使管道網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)的高速暢行無(wú)阻傳送需求[1]。

數(shù)據(jù)傳送管道滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳送的需求，它主要是通過(guò)管道技術(shù)演進(jìn)提升管道傳輸帶寬化，以解決海量大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。

1管道技術(shù)演進(jìn)

寬帶化是管道發(fā)展的必然趨勢(shì)。一方面大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息爆炸和海量數(shù)據(jù)促使傳送管道必須越來(lái)越寬；另一方面用戶(hù)體驗(yàn)要求數(shù)據(jù)的傳送必須越來(lái)越快。因此無(wú)論是光纖傳輸還是無(wú)線(xiàn)接入都要通過(guò)技術(shù)演進(jìn)來(lái)提高傳輸效率以實(shí)現(xiàn)寬帶化。

圖1所示為數(shù)字光纖傳輸技術(shù)演進(jìn)過(guò)程。第一代數(shù)字光纖傳輸技術(shù)采用時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)，傳輸速率達(dá)到2.5 Gbit/s；第二代則采用密集波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，傳輸速率到了1.6 Tbit/s；第三代采用多域復(fù)用技術(shù)，包括密集型光波復(fù)用（DWDM）、正交頻分復(fù)用（OFDM）、偏振復(fù)用（PDM）、正交相移鍵控（QPSK）和相干檢測(cè)等技術(shù)，傳輸速率達(dá)到了16 Tbit/s；從下一代數(shù)字光纖傳輸?shù)焦饴?lián)網(wǎng)的演進(jìn)，將采用自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速率還將大幅提升。因此，在數(shù)字光纖傳輸技術(shù)演進(jìn)中，傳輸能力每十年增長(zhǎng)千倍，同時(shí)不斷采用新技術(shù)，如新的調(diào)制技術(shù)、相干接收和超強(qiáng)前向糾錯(cuò)等，使光纖的傳輸能力越來(lái)越強(qiáng)。受到大數(shù)據(jù)時(shí)代的強(qiáng)烈需求推動(dòng)，數(shù)字光纖傳輸將向超高速方向發(fā)展[2-3]。

無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膶拵Щ饕ㄟ^(guò)兩方面實(shí)現(xiàn)：增加傳輸頻譜帶寬以及提高頻譜效率。目前無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)就是空口帶寬逐步增寬，如移動(dòng)通信從3G到長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）再到LTE-A的演進(jìn)，最明顯就是空口占用頻譜帶寬在增大；在提高頻譜效率方面，當(dāng)前業(yè)界主要采用高階調(diào)制和多天線(xiàn)技術(shù)，而新技術(shù)方面如角動(dòng)量通信技術(shù)還處于初期的研究階段。另外無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展受頻譜占用等客觀(guān)因素的影響，技術(shù)逐步向高頻段發(fā)展，如5 GHz、45 GHz、60 GHz、可見(jiàn)光通信等。

移動(dòng)通信在經(jīng)過(guò)2G基于電路域和窄帶技術(shù)革新后，就逐步向分組域和移動(dòng)寬帶方向演進(jìn)，到了LTE階段，就完全實(shí)現(xiàn)基于分組域并且移動(dòng)寬帶化。以移動(dòng)寬帶LTE技術(shù)演進(jìn)為例，如表1所示，其中LTE采用的空口最大頻譜帶寬是20 MHz，而到了LTE-A階段，通過(guò)載波聚合技術(shù)可以使空口最大頻譜帶寬達(dá)到100 MHz；在多天線(xiàn)方面，LTE階段最高支持4×4配置，而LTE-A階段則最高支持8×8[4-5]?；谏鲜黾夹g(shù)演進(jìn)，峰值速率從LTE階段的300 Mbit/s提高到LTE-A的1 Gbit/s，頻譜效率也從LTE階段的15 bps/Hz增加到LTE-A階段的30 bps/Hz。

Wi-Fi技術(shù)的演進(jìn)如表2所示。Wi-Fi技術(shù)從802.11n逐漸地演進(jìn)到了802.11ac/ad，除了使用頻率因客觀(guān)因素導(dǎo)致的差異外，在技術(shù)演進(jìn)方面，通過(guò)增加空口信道頻譜傳輸帶寬、采用高階調(diào)制和多天線(xiàn)技術(shù)都可以提升Wi-Fi的傳輸能力。Wi-Fi的傳輸能力從802.11n的600 Mbit/s到802.11ac/ad的7 Gbit/s，正向著超寬帶傳輸演進(jìn)。

2 管道架構(gòu)演進(jìn)

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，用戶(hù)體驗(yàn)要求管道網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酶?，除了通過(guò)技術(shù)演進(jìn)提高傳輸效率和傳輸帶寬外，還要降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，減少網(wǎng)元數(shù)量和數(shù)據(jù)交換次數(shù)。因此管道網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也需要進(jìn)一步演進(jìn)，盡可能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化和扁平化。

圖2所示為3種無(wú)源FTTH的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議，其中圖2（A）是基于時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）技術(shù)，是當(dāng)前采用的技術(shù)和架構(gòu)，而圖2（B）和圖2（C）是谷歌光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議方案，分別是點(diǎn)到點(diǎn)直連到戶(hù)和基于波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）技術(shù)。在圖2（A）中，從中心機(jī)房到無(wú)源光分路器間，多用戶(hù)共享光纖和帶寬，這種架構(gòu)的缺陷是很難增加帶寬，用戶(hù)各自帶寬同時(shí)都受限；另外也很難升級(jí)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槎嘤脩?hù)共享收發(fā)器，協(xié)議方面采用以太網(wǎng)到PON再到以太網(wǎng)的協(xié)議棧，需要兩次協(xié)議棧轉(zhuǎn)換。圖2（B）采用光纖直接從中心機(jī)房到用戶(hù)，即點(diǎn)到點(diǎn)架構(gòu)，每個(gè)用戶(hù)獨(dú)占帶寬資源，無(wú)光分路器，為了降低工程成本，可以通過(guò)使用大芯數(shù)光纜來(lái)實(shí)現(xiàn)此方案；圖2（C）則是基于WDM-PON技術(shù)，采用波分復(fù)用技術(shù)使每個(gè)用戶(hù)到中心機(jī)房都有一根虛擬光纖。圖2（B）和圖2（C）整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都基于以太網(wǎng)協(xié)議，這種架構(gòu)是一種局域網(wǎng)向城域網(wǎng)絡(luò)延伸方案，谷歌的這種P2P模式是一種跨越式發(fā)展，可以使每戶(hù)帶寬達(dá)到1 Gbit/s。

為了降低系統(tǒng)時(shí)延，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也需要向扁平化演進(jìn)。圖3所示為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)從3G到LTE的架構(gòu)變化，從圖3（A）的3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)到圖3（B）的LTE架構(gòu)，明顯減少了一層網(wǎng)元，因?yàn)閳D3（B）中LTE網(wǎng)絡(luò)是eNodeB直接連接到核心網(wǎng)，而圖3（A）中3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是首先由NodeB匯聚到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC），再進(jìn)一步匯聚到核心網(wǎng)。這種三層架構(gòu)不但會(huì)造成系統(tǒng)延時(shí)長(zhǎng)，而且還會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，增高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本。

對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，可以通過(guò)引入內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。盡管互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是基于IP協(xié)議的網(wǎng)狀架構(gòu)，但是它卻受制于管道約束。一方面從信源到信宿除了有物理上的距離外，還要經(jīng)過(guò)多重路由，因此延時(shí)不受控制；另一方面大數(shù)據(jù)傳輸對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)提出挑戰(zhàn)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。因此一味提高傳輸帶寬并不能完全解決實(shí)際問(wèn)題。為了使數(shù)據(jù)傳輸更快、更穩(wěn)定，需要在網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)服務(wù)器方式，這樣使用戶(hù)就近獲取所需內(nèi)容，解決互聯(lián)網(wǎng)擁擠問(wèn)題，提高用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站的相應(yīng)速度，提升用戶(hù)體驗(yàn)。

圖4所示CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)分為中心節(jié)點(diǎn)、區(qū)域節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)，用戶(hù)終端就近直接訪(fǎng)問(wèn)邊緣節(jié)點(diǎn)，不必訪(fǎng)問(wèn)中心節(jié)點(diǎn)和區(qū)域節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)基于緩存服務(wù)器，是中心節(jié)點(diǎn)的一個(gè)透明鏡像，距用戶(hù)僅一跳。因此這種架構(gòu)，可以降低系統(tǒng)延時(shí)，增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。

CDN的主要特點(diǎn)是可以使管道帶寬得到優(yōu)化，并且提供自動(dòng)生成服務(wù)器的遠(yuǎn)程鏡像Cache服務(wù)器，即邊緣節(jié)點(diǎn)，從而使遠(yuǎn)程用戶(hù)可以直接就近訪(fǎng)問(wèn)邊緣節(jié)點(diǎn)。這樣以來(lái)一方面可以減少因遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)帶來(lái)的帶寬需求，分擔(dān)管道網(wǎng)絡(luò)流量，減輕中心節(jié)點(diǎn)負(fù)載；另一方面可以減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，提高用戶(hù)存取訪(fǎng)問(wèn)速度，增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。CDN的鏡像服務(wù)，消除不用管道運(yùn)營(yíng)商之間互聯(lián)造成的瓶頸，實(shí)現(xiàn)跨運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)加速。廣泛分布在管道網(wǎng)絡(luò)上的CDN節(jié)點(diǎn)，也是一種節(jié)點(diǎn)的冗余備份，可以有效抵抗和降低網(wǎng)絡(luò)攻擊的影響，保證較好的服務(wù)質(zhì)量。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，CDN的發(fā)展趨勢(shì)首先是邊緣節(jié)點(diǎn)逐步下沉，離用戶(hù)越來(lái)越近。在圖5中可發(fā)現(xiàn)CDN的發(fā)展趨勢(shì)：CDN邊緣節(jié)點(diǎn)距離光纖路終端（OLT）、核心網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)、邊緣路由器等網(wǎng)元設(shè)備越來(lái)越近。另外未來(lái)CDN功能集成到一些網(wǎng)元設(shè)備中也是一種必然趨勢(shì)。

總之，管道架構(gòu)的演進(jìn)方法無(wú)論是通過(guò)減少網(wǎng)元數(shù)量實(shí)現(xiàn)架構(gòu)扁平化，還是增加CDN服務(wù)器，都是圍繞用戶(hù)體驗(yàn)來(lái)展開(kāi)的。只有數(shù)據(jù)以最快速度傳送到用戶(hù)終端，才能讓用戶(hù)享受于大數(shù)據(jù)時(shí)代的高質(zhì)量服務(wù)。

3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)是管道發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越龐大，但數(shù)據(jù)流向也越來(lái)越不確定，技術(shù)更新和大數(shù)據(jù)需求要求管道網(wǎng)絡(luò)有更多的彈性、智能、可擴(kuò)展性以及自動(dòng)化能力，因此需要引入全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念。在這樣的背景下，新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)引入了軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN技術(shù)，其核心是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離，網(wǎng)絡(luò)集中控制，資源調(diào)度、軟硬件解耦以及功能虛擬化等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活調(diào)度和智能控制，提升用戶(hù)體驗(yàn)，提高網(wǎng)絡(luò)利用效率。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)解耦了數(shù)據(jù)、控制及應(yīng)用平面，通過(guò)支持可編程和分片化來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離，如圖6所示。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的主要特征包括：控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制平面集中化、轉(zhuǎn)發(fā)平面通用化、軟件可編。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)際是將管道虛擬化，使其脫離具體的硬件和廠(chǎng)家設(shè)備，并將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)變成一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)，由控制器統(tǒng)一控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源分配和調(diào)度。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)使管道設(shè)備的軟硬件分離，改變了現(xiàn)有管道軟硬件捆綁的產(chǎn)業(yè)鏈。軟件定義網(wǎng)絡(luò)一方面降低了對(duì)通用硬件的依賴(lài)門(mén)檻，但也加大了對(duì)軟件的依賴(lài)程度，另外安全問(wèn)題、集中控制的可靠性問(wèn)題等都是軟件定義網(wǎng)絡(luò)需要考慮解決的。

4多管道組合方式及管道

智能化管理

管道技術(shù)是多樣性的，無(wú)論是有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)，單一的管道模式并不能滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求，多種管道技術(shù)以同樣的目的但用不同方式向用戶(hù)提供大數(shù)據(jù)服務(wù)。大數(shù)據(jù)時(shí)代是基于多種管道組合方式向用戶(hù)傳送服務(wù)，使用戶(hù)能在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)任意瀏覽和任意呼叫。如圖7所示，多種細(xì)的管道匯聚成更粗的管道，每種管道都將在各自方向演進(jìn)，提升各自管道的功能和性能，進(jìn)而使管道變的越來(lái)越粗，以滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)時(shí)代的寬帶需求[6]。

管道技術(shù)演進(jìn)一方面滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)對(duì)帶寬化和用戶(hù)體驗(yàn)的需求，另一方面可以提高管道的利用效率，提升管道的智能化，實(shí)現(xiàn)基于用戶(hù)需求和行為的智能資源匹配。管道運(yùn)營(yíng)商也要從粗放型經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)向精細(xì)化管理，以支撐新型業(yè)務(wù)發(fā)展，為用戶(hù)提供按需、靈活的體驗(yàn)和更便捷的個(gè)性化服務(wù)。管道的智能化還包括多管道間的協(xié)同機(jī)制，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)、在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的不同需求。因此，智能化管理是大數(shù)據(jù)時(shí)代管道技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，這樣才能合理有效地分配管道資源，提高其利用效率[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)其承載的管道技術(shù)提出了更高的性能要求，以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的用戶(hù)體驗(yàn)需求，為此，管道技術(shù)方面將向?qū)拵Щ葸M(jìn)以提高傳輸速度，管道架構(gòu)方面將扁平化演進(jìn)以降低系統(tǒng)延時(shí)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)使管道資源向虛擬化演進(jìn)，多管道技術(shù)組合使管道向智能化管理演進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] LAM C F. FTTH look ahead -- Technologies architectures[R].Mountain View， CA，USA： Google Inc.

[2] 鄔賀銓.大數(shù)據(jù)時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[C]// CCSA第11次會(huì)員大會(huì)， 2012年12月18日，北京.

[3] 3GPP TS 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）： Overall description[S].

[4] 3GPP TS 25.401： UTRAN Overall Description[S].

[5] 馬滿(mǎn)倉(cāng)，鄭建勇，郭靜，等.WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE82.11ac/ad及前期關(guān)鍵技術(shù)[J].電信技術(shù)，2012（4）：75-77.

[6] 趙慧玲，徐向輝. 智能管道發(fā)展總體思路探討[J].中興通訊技術(shù)， 2012（1）：4-7.

作者簡(jiǎn)介

朱曉光，中興通訊股份有限公司高級(jí)工程師；長(zhǎng)期從事通信產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)規(guī)劃、綜合方案、戰(zhàn)略規(guī)劃等工作；累計(jì)申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利40余項(xiàng)。

陳偉，中興通訊股份有限公司一級(jí)主任高工、光網(wǎng)絡(luò)總監(jiān)；長(zhǎng)期從事有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)規(guī)劃。

江華，中興通訊首席架構(gòu)師、戰(zhàn)略規(guī)劃部副部長(zhǎng)、“移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”學(xué)術(shù)委員會(huì)主任；長(zhǎng)期從事通信產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)劃、應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化工作。