李壯志 呂文琳 陸 源 張立明

1 中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司山東省分公司 濟南 250002

2 山東省郵電規(guī)劃設計院有限公司 濟南 250031

引言

當前數(shù)字經(jīng)濟化轉型大潮下，運營商一邊面臨著傳統(tǒng)B2C業(yè)務的人口紅利逐漸消失，收入增長放緩的現(xiàn)實，一邊又迎來了千行百業(yè)上云和數(shù)字化轉型帶來的新的收入增長機會。海量的數(shù)字化應用需要差異化、內生安全的算網(wǎng)基礎設施和使能平臺，運營商逐步開始以網(wǎng)促云和以網(wǎng)促算路線打造差異化的云網(wǎng)、算網(wǎng)競爭力，賦能全行業(yè)數(shù)字化轉型，在開拓新的收入增長點的同時進一步支撐數(shù)字經(jīng)濟高質量發(fā)展。面向數(shù)字化轉型大潮，作為算網(wǎng)融合基礎設施之一的品質光網(wǎng)則是數(shù)字化經(jīng)濟的基石，是推動各行各業(yè)數(shù)字化轉型的重要推手。

2021年中國聯(lián)通發(fā)布CUBE-Net3.0網(wǎng)絡創(chuàng)新體系，作為中國聯(lián)通未來5～10年網(wǎng)絡轉型的頂層架構設計，提出了算網(wǎng)一體、云光一體、確定性服務三大業(yè)務使命和一個基于AI和數(shù)據(jù)驅動的控管體系，構建“算網(wǎng)為基、數(shù)智為核、低碳集約、安全可控”的算網(wǎng)一體底座，將傳統(tǒng)的聯(lián)接服務升級到“聯(lián)接+感知+計算+智能”的“智能融合”服務，在整個轉型過程中全光網(wǎng)是使能算力即服務的關鍵能力[1]。某省聯(lián)通始終堅持“創(chuàng)新，與智慧同行”的理念和CUBE-Net架構的指引，網(wǎng)絡建設方面持續(xù)不斷地探索創(chuàng)新，全力服務省內新舊動能轉換及企業(yè)數(shù)字化轉型的需要，提出了“三步走”戰(zhàn)略，從智慧光網(wǎng)到智慧光云，再到邁向全光算力網(wǎng)絡時代，不斷夯實智慧光云城市底座，為企業(yè)和算力之間搭建數(shù)據(jù)高鐵，探索F5G+X的新場景服務于千行百業(yè)。

1 算網(wǎng)時代對全光底座的架構挑戰(zhàn)

算力網(wǎng)絡是一種根據(jù)業(yè)務需求，在云、網(wǎng)、邊之間按需分配和靈活調度計算資源、存儲資源以及網(wǎng)絡資源的新型信息基礎設施。算力是構建未來智能社會的基礎，未來10年，面向智能世界，計算與網(wǎng)絡將高速發(fā)展，未來會存在云、邊、端三級算力，三者協(xié)同發(fā)展[2]。如圖1，算力當前呈現(xiàn)的趨勢是從通用計算走向超算/AI，架構從“端—云”走向“端—邊—云”，云網(wǎng)時代的企業(yè)上云，云資源是企業(yè)IT必要的組成部分，大部分應用是聯(lián)接1個企業(yè)，架構是少量業(yè)務上公有云(非核應用)。算網(wǎng)時代的特征是從“聯(lián)接1個企業(yè)”到“聯(lián)接N個機器”，從“部分上云/算”到“根據(jù)業(yè)務類型上不同云/ 算”，從“帶寬”到“帶寬+時延+安全可信”。

高效算力對網(wǎng)絡的要求主要體現(xiàn)在“高速泛在”和“彈性協(xié)同”兩個方面，前者需要網(wǎng)絡能夠有強勁的運力來保障算力的供給，后者需要網(wǎng)絡能夠保障算力供給的敏捷性，體現(xiàn)算力均衡和算力隨選等能力。運營商層面，迫切需要打造一張面向未來算網(wǎng)融合的承載網(wǎng)絡，包括基于增強IP屬性的承載網(wǎng)(利用SRv6、算力信息感知技術等)和基于OTN技術的品質全光網(wǎng)(分組增強型技術、OSU切片技術等)[3]。OTN品質全光網(wǎng)作為入云/入算通道和云間通道的承載方式之一，將面臨著業(yè)務的動態(tài)性和不可預見性，而傳統(tǒng)的光網(wǎng)新增業(yè)務基本是采用滾動規(guī)劃的方式預測和建設，并且基于固定速率的接口采取逐層分離式管控，其“過設計”和“靜態(tài)化”等特性顯得承載效率低下，算網(wǎng)時代需要建立一個靈活、開放的全光算網(wǎng)底座架構，構建智能動態(tài)的基礎承載網(wǎng)絡。

如圖2所示，全光算力底座面臨的架構挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下四個方面。1)超寬互聯(lián)：從傳統(tǒng)的數(shù)字專線到云專線再到算網(wǎng)的發(fā)展過程中，點對點小帶寬專線將轉變成云間互聯(lián)、DCI互聯(lián)、邊云協(xié)同/邊邊協(xié)同等大帶寬電路，這就要求網(wǎng)絡具備超寬互聯(lián)的特性。2)確定體驗：業(yè)務體驗從傳統(tǒng)網(wǎng)絡的盡力轉發(fā)、業(yè)務質量不可視，到確定性體驗的轉變，需要重點提升流量、時延、抖動、丟包率等指標的全網(wǎng)感知能力。3)算網(wǎng)融合：隨著企業(yè)上云，算力變成一種資源，復雜的網(wǎng)絡交互需要全部在云上完成，網(wǎng)絡和算力需要互相感知并協(xié)同，例如OTN品質光網(wǎng)需要打通入云/入算通道，管理編排需要針對算力和網(wǎng)絡資源進行協(xié)同。4)泛在接入：無論是個人還是行業(yè)用戶均可以通過多種接入手段，包含OTN/PON/MSTP/ETH等一跳入算，高品質客戶可通過分組增強型光傳送網(wǎng)(PeOTN)實現(xiàn)彈性硬管道感知業(yè)務，動態(tài)調整保證安全和體驗[4]。

2 全光算力底座的分步構建策略

以某省聯(lián)通實踐為例，提出了面向未來全光算力底座的三步走戰(zhàn)略。第一步：從傳統(tǒng)業(yè)務到智慧光網(wǎng)，此階段主要聚焦超寬互聯(lián)；第二步：從智慧光網(wǎng)到智慧光云，此階段主要聚焦云網(wǎng)融合和泛在接入；第三步：打造全光算力底座，此階段主要完成算網(wǎng)融合和確定性體驗。某省聯(lián)通2019年創(chuàng)新推出了“SD-FAST”智慧光網(wǎng)，通過先進的分組增強型OTN技術、云網(wǎng)協(xié)同器和智慧管控引擎，為黨政軍、金融、醫(yī)療、制造等各行業(yè)，提供高品質的政企專線聯(lián)接方案。2020～2021年，率先開啟從智慧光網(wǎng)到智慧光云的探索和建設，提出了智慧“光云十六城”的建設規(guī)劃，通過強大的全光網(wǎng)與信創(chuàng)云、政務云、醫(yī)療云、金融云等融合，提供光云一體化的服務能力。2022年以來，某省聯(lián)通面向算網(wǎng)融合，開始打造一張確定性時延、確定性帶寬、確定性可用率的高品質全光算力底座網(wǎng)絡，在光算協(xié)同、邊端聯(lián)接、可視化運力等方面持續(xù)創(chuàng)新。

2.1 智慧光網(wǎng)的構建

戰(zhàn)略的第一階段是從傳統(tǒng)業(yè)務過渡到智慧光網(wǎng)。傳統(tǒng)OTN網(wǎng)絡各層基本背靠背連接，業(yè)務在不同層級分界點均上下調度，干線業(yè)務基本均為透傳，由本地設備進行打散。本地OTN承載傳統(tǒng)類型業(yè)務，基本是匹配業(yè)務網(wǎng)流向，為分段部署分段承載，OLT業(yè)務在縣局大二層節(jié)點落地，城域網(wǎng)業(yè)務在地市核心CR點落地。不同層面的對通方式為UNI對接，針對政企客戶專線等業(yè)務，缺乏端到端開通管理和業(yè)務調度能力，業(yè)務時延大，缺乏智控能力。

智慧光網(wǎng)目標是構建端到端一體化智控網(wǎng)絡，網(wǎng)絡層面技術手段主要解決背靠背上下業(yè)務效率低下、成本高和時延大的問題，跨域互聯(lián)由傳統(tǒng)小顆粒UNI對接轉變?yōu)?00G NNI對接；同時面向5G、政企、DC布局，通過部署PeOTN技術來構建適應靈活業(yè)務承載的智慧光網(wǎng)。端到端一體化網(wǎng)絡的手段是通過三個一體化構筑端到端政企精品網(wǎng)全面領先，即國干省干一體化、省干本地一體化、市縣鄉(xiāng)穿通一體化。業(yè)務層面主要基于SDN技術部署單域控制器，同時部署網(wǎng)絡協(xié)同器并打通B/O域流程，制定“雙線”業(yè)務發(fā)展規(guī)劃，推出SDN化產(chǎn)品，細分行業(yè)應用場景，提供差異化產(chǎn)品。以某省聯(lián)通為例，打造了“SDFAST”智慧光網(wǎng)專線產(chǎn)品，具有快速響應(Flexible-provide)，彈性帶寬(Agile-bandwidth)，自助服務(Self-manageable)和時延可視(Time-visible)四大特點，為政企客戶提供了高品質的服務體驗。通過SD-FAST產(chǎn)品，OTN專線上升趨勢明顯，MSTP專線逐步遷移到OTN，騰退老舊SDH設備，實現(xiàn)綠色節(jié)能[5]。

智慧光網(wǎng)階段，通過雙平面構筑全光立體骨干網(wǎng)，雙節(jié)點雙路由，與本地網(wǎng)雙核心進行光電融合。某省聯(lián)通提出的“智慧光立方網(wǎng)絡”整體架構如圖3所示，通過與原省干一平面異局址所在的本地網(wǎng)核心MESH互聯(lián)建設省內骨干網(wǎng)二平面，并與原一平面進行ROADM光層對接打通，形成立體互聯(lián)燈籠網(wǎng)絡，打造出省內全光立體骨干網(wǎng)絡，全程全網(wǎng)全光ROADM智能一體，路由更加豐富，可以實現(xiàn)資源互補和多路徑保護，當某一段鏈路利用率較高時，可通過部分路徑立體繞行，均衡整個網(wǎng)絡資源利用率。

2.2 智慧光云的構建

戰(zhàn)略的第二階段是從智慧光網(wǎng)演進到智慧光云。智慧光云的目標是在智慧光網(wǎng)的基礎上進行前后的延伸，融入云端和末端，實現(xiàn)云管端協(xié)同，讓客戶入網(wǎng)即入云。具體到建網(wǎng)方式上，首先是向下深度覆蓋，末端建設就是要把全光錨點持續(xù)進行下沉，采用PeOTN-CO價值分級建網(wǎng)方法下沉節(jié)點深度覆蓋用戶熱點，使任何企業(yè)在2km范圍內都能接入智慧光云網(wǎng)絡，實現(xiàn)用戶便捷、高可靠接入，入網(wǎng)即入云[6]。第二是向上光云融合，實現(xiàn)光云一體，一跳入云，實現(xiàn)云池100%覆蓋，即智慧光云網(wǎng)絡覆蓋所有的云池，OTN實現(xiàn)100%預覆蓋，同時進行10GE預連接，隨時能開通云接入[7]。智慧光云網(wǎng)絡架構如圖4所示。

此外，通過定義智慧光云城市的指標來衡量基礎建設能力，從“連接密度”“確定體驗”“計算密度”三個維度分別定義了智慧光云城市的關鍵指標，如表1所示。在連接密度方面，定義了城區(qū)至少0.5個OTN節(jié)點每平方公里和每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)至少1個OTN節(jié)點的覆蓋密度。在確定體驗方面，定義了可用率、時延、丟包率等硬性指標，提升服務標準。在計算密度方面，要求OTN光節(jié)點和云池100%進行覆蓋預連接配置，以實現(xiàn)快捷入云。

表1 智慧光云城市的關鍵指標

2.3 算網(wǎng)融合，打造確定性的全光算力網(wǎng)絡

戰(zhàn)略的第三階段是持續(xù)加強算網(wǎng)融合，打造確定性的全光算力網(wǎng)絡。算力已成為生產(chǎn)力，氣象預報、航空航天、圖像渲染、自動駕駛、智能制造等應用場景都需要海量的、實時的數(shù)據(jù)計算能力。算力網(wǎng)絡是搭建一張可以連接算力的網(wǎng)絡，讓需求端可以快速、無損地享用所有的算力供給。全光算力底座需要進行持續(xù)優(yōu)化網(wǎng)絡，通過全光網(wǎng)絡的持續(xù)延伸，打造一張確定性時延、確定性帶寬、確定性可用率的高品質全光算力網(wǎng)絡，為算力的需求端和供給端提供大帶寬、高可靠、低時延、零丟包率、“0”抖動的超強運力“高鐵”，讓企業(yè)可以無時無刻都能享受到云端算力[8]。

如圖5，全光算力底座架構主要特征是：1)骨干網(wǎng)基于OXC和集群技術，實現(xiàn)大容量高速互聯(lián)和靈活調度，由當前單波100G/200G向單波400G/800G演進，滿足大算力節(jié)點聯(lián)接需求。2)城域層面引入OSU切片技術，滿足業(yè)務靈活入算能力，實現(xiàn)彈性帶寬運力應對算力洪峰。3)光算力錨點呈現(xiàn)多元化和差異化融合趨勢，通過OLT和OTN組合為光算力錨點，面向邊端聯(lián)接提供差異化接入方式。4)持續(xù)優(yōu)化確定性體驗功能和網(wǎng)絡可視，基于帶寬、時延、距離、跳數(shù)等綜合權重打造直觀可視的運力地圖，精細化管控，實現(xiàn)算網(wǎng)高效調度。

3 全光算力底座關鍵能力

3.1 光算協(xié)同

未來會存在云(中心算力)、邊(邊緣算力)、端(智能終端)三級算力，三者存在協(xié)同關系，部分數(shù)據(jù)云端處理，部分數(shù)據(jù)邊緣處理，部分數(shù)據(jù)終端處理，同時會產(chǎn)生云邊、邊端、邊邊等協(xié)同數(shù)據(jù)。光算協(xié)同是針對上述算力資源的分步情況，通過OTN網(wǎng)絡來構建確定性體驗。網(wǎng)絡為計算服務，價值在于釋放算力，例如中心云與邊緣云品質互聯(lián)，構建邊云協(xié)同算網(wǎng)；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、元宇宙等低時延業(yè)務在邊緣云閉環(huán)等。

如圖6，面向未來光算協(xié)同架構，需要在當前的云網(wǎng)架構基礎上作如下演進：1)在策略控制層引入算網(wǎng)統(tǒng)一編排模塊；在管控層引入算力感知模塊。算力統(tǒng)一編排根據(jù)算力資源和網(wǎng)絡資源進行業(yè)務協(xié)同編排并與云管平臺進行算力通告，通過網(wǎng)絡集中控制面分發(fā)各層級算力資源情況，由算力感知模塊將云邊端的算力進行管理協(xié)同。2)業(yè)務映射進全光網(wǎng)，需全光網(wǎng)具備業(yè)務切片功能(依托OSU技術實現(xiàn))，基于業(yè)務互聯(lián)需求映射進OSU隧道，通過切片實現(xiàn)業(yè)務差異化隔離承載，OSU管道帶寬彈性調整、OSU動態(tài)拆建，助力算力靈活使用[9]。

光算協(xié)同架構創(chuàng)新建議探索三類感知技術：1)地址感知，一點靈活連多云。算力節(jié)點動態(tài)調度，業(yè)務報文基于算力節(jié)點地址自動調度到目的節(jié)點。2)應用感知，網(wǎng)絡按需服務。ONT/OLT應用感知，通告OTN(時延/帶寬需求)，OTN按需動態(tài)建/刪/無損調整OSU帶寬。3)算力感知，算力路由尋優(yōu)。設備/SDN管控算力感知，并上報算網(wǎng)大腦，根據(jù)綜合業(yè)務需求、網(wǎng)絡信息、算力信息，計算最優(yōu)算力路由，進行路由尋優(yōu)調度。

3.2 邊端聯(lián)接

應用在哪里，算網(wǎng)的末梢就延伸到哪里。隨著OTN下沉至綜合業(yè)務接入點，邊端聯(lián)接能夠提供差異化產(chǎn)品和服務能力。如圖7所示，家寬和商務快線通過傳統(tǒng)PON方式接入OLT，高端組網(wǎng)和入云專線通過末端增加OTN-A設備實現(xiàn)端到端的品質全光網(wǎng)聯(lián)接。中端組網(wǎng)/入云專線(商務樓宇、智慧社區(qū))建議采用OTN P2MP技術實現(xiàn)，通過OLT實現(xiàn)泛在接入，OLT內置P2MP支路板聯(lián)接末端CPE，配置超級上行板卡接入政企OTN，將OTN的高品質和PON的廣覆蓋這兩大優(yōu)勢進行完美融合，實現(xiàn)商務樓宇和園區(qū)內企業(yè)品質專線的快速開通。

OTN P2MP解決方案的技術特點和價值包含以下幾點：1)基于時隙分配雙波長CPE，穩(wěn)定低時延。采用類SDH時隙分配技術，用戶間時隙隔離。2)OLT切片，和家寬業(yè)務進行隔離，端到端硬管道，可以做到P2MP專線和ODN網(wǎng)絡的物理隔離。3)傳送和接入跨域管控，業(yè)務可端到端下發(fā)，SLA可視。

3.3 可視化運力

確定性體驗中的關鍵指標包括可用率、時延、丟包率等，其中時延是釋放算力潛能的核心指標之一。當前的時延測量技術局限于各個專業(yè)內，例如OTN網(wǎng)絡通過下插PM/TCM層的開銷實現(xiàn)時延測量，但從業(yè)務角度出發(fā)的端到端時延缺乏自動計算和可視化能力。

網(wǎng)絡時延影響的大小與網(wǎng)絡工作層級呈正比關系，即工作層級越低，時延約小。如表2所示，交換機和路由器的處理時延一般為1ms～10ms，而OTN網(wǎng)絡工作在OSI七層協(xié)議模型的L0/L1層，節(jié)點時延可達μs級別，L0層的光器件則可達ns級別，光網(wǎng)絡對比IP網(wǎng)絡時延有較大優(yōu)勢。

表2 OSI對應網(wǎng)元時延

可視化運力作為全光算力網(wǎng)絡的一項確定性體驗指標，將支撐優(yōu)質網(wǎng)絡能力轉化為領先市場競爭力，建議基于CO-DC進行時延圈層地圖開發(fā)，結合城域網(wǎng)架構配置按需優(yōu)化。如圖8所示，全光算力網(wǎng)絡的時延可以歸納為設備時延和光纜路徑時延之和，光纜路徑單向時延為5μs/km，OTN設備站內時延通過配置不同板卡參數(shù)納入計算，采用SDN管控測量數(shù)據(jù)疊加路網(wǎng)模擬數(shù)據(jù)實現(xiàn)端到端時延測量。如果企業(yè)點所在位置沒有OTN設備，則則虛擬該企業(yè)的入網(wǎng)連接，默認采用IP技術接入，采用路網(wǎng)長度乘以光纜系數(shù)模擬光纜長度，上下業(yè)務IP轉發(fā)時延設置為0.2ms。傳輸網(wǎng)絡按OCH尋路，導入SDN控制器時延數(shù)據(jù)，尋時延最低路徑。

基于時延測量結果，可進行時延優(yōu)化，建議如下：1)減少繞行：價值節(jié)點多路由。2)光層一跳直達：減少電層節(jié)點數(shù)。3)穩(wěn)定低時延：忙閑時穩(wěn)定，即OTN靠近用戶，方便用戶接入，減少IP轉發(fā)。4)簡化封裝：降低電節(jié)點時延。采取OSU封裝，簡化業(yè)務映射封裝層級(5層～3層)。

4 超算中心案例實踐

如圖9所示，某超算中心創(chuàng)建于2011年，主要提供海洋氣象、生物醫(yī)藥、物理化學、工業(yè)領域等應用服務，已經(jīng)服務400多家單位，大力支撐某省數(shù)字經(jīng)濟建設。超算中心全新裝配的計算機系統(tǒng)采用萬萬億次架構，峰位性能達到1.0706千萬億次浮點運算/秒，持續(xù)性能為0.796千萬億次浮點運算/秒，系統(tǒng)綜合水平處于當今世界先進行列。為解決省內其余地市科研單位到超算中心的算力調度能力，需要全光算力底座發(fā)揮運力能力。

當算力不再是問題時，距離和帶寬便成為限制大規(guī)模計算的障礙。某省聯(lián)通為超算中心搭建OSN 1800/9600的端到端PeOTN組網(wǎng)，為各地市到超算中心搭建端到端硬管道，實現(xiàn)帶寬零擁塞，零丟包；提供100G獨享帶寬和毫秒級超低時延，打破科研單位和超算中心之間的距離限制瓶頸，讓算力得到充分釋放。

5 結束語

打造面向算網(wǎng)融合的全光算力底座不可一蹴而就，需求的變化，架構的演進，技術的迭代，將共同驅動全光算網(wǎng)底座向開放、智能、集約化發(fā)展。在整個過程中，算力感知、算網(wǎng)編排、邊端聯(lián)接和確定性體驗是關鍵要素。整體目標是通過算網(wǎng)基礎設施層、算網(wǎng)統(tǒng)一編排層和運營服務層的不斷突破，最終實現(xiàn)算力網(wǎng)絡的目標架構。實現(xiàn)目標當前還存在問題和挑戰(zhàn)，諸如跨領域架構的協(xié)同技術尚未突破，產(chǎn)業(yè)和生態(tài)面臨挑戰(zhàn)，業(yè)界各方需要通力合作，困知勉行，共同推動算網(wǎng)融合技術發(fā)展和生態(tài)繁榮。