喬 楚

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引 言

隨著云計(jì)算、虛擬化、人工智能等為代表的新興技術(shù)領(lǐng)域的不斷突破和革新，為傳統(tǒng)通信產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展持續(xù)注入新動(dòng)力。全球電信運(yùn)營商紛紛布局網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)開始加速向極簡、敏捷、開放的云化架構(gòu)過渡轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)力主要來自以下兩個(gè)方面：

首先，網(wǎng)絡(luò)決定業(yè)務(wù)已成為過去，業(yè)務(wù)引領(lǐng)網(wǎng)絡(luò)才是未來。從傳統(tǒng)語音、短信到AR/VR（Augmented Reality/Virtual Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)）、IoT連接（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）、車聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務(wù)，一張網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)滿足大帶寬、海量連接和低時(shí)延等不同業(yè)務(wù)需求，這就要求運(yùn)營商將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源有機(jī)整合，打造一張彈性解耦的云化網(wǎng)絡(luò)。

其次，運(yùn)營商降本增效迫在眉睫。國內(nèi)運(yùn)營商體量龐大，從設(shè)備占地、能耗到設(shè)備加速更迭淘汰、長期受制于廠家技術(shù)壟斷，過高的運(yùn)營成本導(dǎo)致運(yùn)營商背負(fù)沉重負(fù)擔(dān)。

1 何為“云化網(wǎng)絡(luò)”

1.1 “云化”定義

對(duì)云化網(wǎng)絡(luò)的普遍理解，是運(yùn)營商打造以云化數(shù)據(jù)中心（Data Center，DC）為核心的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的計(jì)算和存儲(chǔ)資源池化，使得租戶可實(shí)時(shí)、按需、動(dòng)態(tài)地申請(qǐng)池化后的資源，實(shí)現(xiàn)各種云業(yè)務(wù)的靈活部署和資源遷移。而從宏觀上看，網(wǎng)絡(luò)云化則包含更深的含義：

（1）資源上云：把網(wǎng)絡(luò)功能逐步遷移至云環(huán)境中部署，充分發(fā)揮云資源效能。

（2）網(wǎng)絡(luò)為云：網(wǎng)絡(luò)為云提供所需的一切基礎(chǔ)資源與服務(wù)，智能管理，統(tǒng)一調(diào)度，最終實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)協(xié)同、網(wǎng)隨云動(dòng)。

（3）業(yè)務(wù)入云：業(yè)務(wù)應(yīng)用按需定制，全面云化部署，通過借助云端平臺(tái)化管理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的集中調(diào)度來獲得效率的提升甚至商業(yè)模式的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)從隨選向隨愿進(jìn)一步演進(jìn)。

1.2 “云化”典型特征

（1）硬件資源池化

資源池化是網(wǎng)絡(luò)云化的基礎(chǔ)，主要包括：DC的計(jì)算和存儲(chǔ)資源池化、網(wǎng)絡(luò)帶寬資源池化等，資源池化的最大優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管控分離，池化后的網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)資源得到最大程度的釋放和共享，徹底打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的廠家煙囪架構(gòu)[1]。

（2）軟硬全解耦，管控分離

以O(shè)verlay方式部署的網(wǎng)絡(luò)控制器，可對(duì)池化后的轉(zhuǎn)發(fā)層硬件資源進(jìn)行統(tǒng)籌安排與管理?；贑loud Native的網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)時(shí)完成業(yè)務(wù)功能與變更；并配以編排器的資源智能調(diào)度策略，合理分配和使用池化資源，為云上業(yè)務(wù)最大限度地提供電信級(jí)業(yè)務(wù)質(zhì)量保障。此外，基于PaaS（Platform as a Service，平臺(tái)即服務(wù)）實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化開發(fā)及接口標(biāo)準(zhǔn)化，能夠極大縮短業(yè)務(wù)開發(fā)和上線周期。

（3）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營自動(dòng)化

云化網(wǎng)絡(luò)能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)自我深度學(xué)習(xí)，挖掘運(yùn)維行為規(guī)律，促使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維工作從被動(dòng)維護(hù)向主動(dòng)運(yùn)營轉(zhuǎn)變，逐步實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)自運(yùn)行、自優(yōu)化和自修復(fù)，減少人工干預(yù)，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營維護(hù)效率。

2 運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的云化需求

隨著云化思想逐步融入通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，構(gòu)建以云化數(shù)據(jù)中心為核心的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的主要目標(biāo)方向。租戶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地的申請(qǐng)、變更和釋放池化后的所需資源，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的靈活配置和遷改。實(shí)質(zhì)上，對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)而言，云化重構(gòu)主要為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶來兩大改變：一是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從物理網(wǎng)絡(luò)向虛擬化網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變，各級(jí)網(wǎng)元被抽象為邏輯對(duì)象，過濾掉繁復(fù)的物理層協(xié)議，面向網(wǎng)絡(luò)北向開放出標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)調(diào)用接口，而網(wǎng)絡(luò)控制器面向底層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化網(wǎng)元提供全生命周期管理；二是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式由“靜”至“動(dòng)”，云化網(wǎng)絡(luò)可按照用戶意愿動(dòng)態(tài)調(diào)整所需配置，且整個(gè)策略調(diào)整過程可由網(wǎng)絡(luò)控制器自動(dòng)完成資源編排與下發(fā)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中主要的南-北向流量開始向東-西向流量過渡，節(jié)點(diǎn)間流量互穿場景增多，未來云化DC布局規(guī)劃面臨新的需求：

（1）支持超低時(shí)延數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，滿足DC內(nèi)部海量服務(wù)器間、虛機(jī)間的東-西向互穿流量的快速交互需要。

（2）支持虛機(jī)資源的動(dòng)態(tài)遷移與調(diào)度管理，網(wǎng)絡(luò)可感知相應(yīng)的資源遷移以及資源調(diào)度后發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)位置變更，并可自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重配置，減少人工運(yùn)維干預(yù)。

（3）支持為不同租戶動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建邏輯隔離資源、滿足特定SLA、QoS需求的可彈性伸縮的虛擬網(wǎng)絡(luò)切片[2]。

（4）網(wǎng)絡(luò)具備智能化的負(fù)載均衡機(jī)制，支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌啡萘孔哉{(diào)整，適配網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)時(shí)變化需求。

（5）支持DC以低成本、高擴(kuò)展性方式平滑擴(kuò)容，且DC擴(kuò)展時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境自部署，不影響其他在網(wǎng)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3 運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)云化實(shí)現(xiàn)方式

3.1 網(wǎng)絡(luò)云化架構(gòu)

由于SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)主要強(qiáng)調(diào)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、集中控制和可編程的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這些特點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)云化的訴求高度契合。因此，采用基于SDN架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方案成為當(dāng)前運(yùn)營商研究和探索網(wǎng)絡(luò)全云化演進(jìn)方案時(shí)的主要思路。云化DC可基于Spine-Leaf架構(gòu)+SDN控制器方式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的資源調(diào)度，使用Overlay技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化（架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示）。

圖1 DC虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)思路

（1）快速轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

云化網(wǎng)絡(luò)中的流量模型較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，傳統(tǒng)樹形網(wǎng)絡(luò)中帶寬收斂的南-北向流量模式使得骨干鏈路帶寬壓力巨大，無法滿足DC內(nèi)部及跨DC的流量快速轉(zhuǎn)發(fā)需求。此外，隨著服務(wù)器大規(guī)模集群化和虛擬化，海量的數(shù)據(jù)交換使得DC內(nèi)部的東-西向流量倍增。未來如何使用一種更加扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提升轉(zhuǎn)發(fā)效率成為主要訴求，Spine-Leaf架構(gòu)成為理想選擇。

Spine-Leaf是兩層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組建的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其最大優(yōu)勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)延遲更低且網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好。Spine等效于傳統(tǒng)架構(gòu)中的核心交換機(jī)，由高端口密度、高吞吐量的三層交換機(jī)組成，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需要可擴(kuò)展多臺(tái)Spine交換機(jī)來均衡分?jǐn)倶I(yè)務(wù)壓力。而Leaf交換機(jī)采用Full Mesh方式與所有Spine交換機(jī)相連，網(wǎng)絡(luò)中任意兩臺(tái)Leaf交換機(jī)間或更準(zhǔn)確的說是任意兩臺(tái)Leaf下的服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互路徑跨數(shù)均保持一致（Leaf-Spine-Leaf），最大限度發(fā)揮服務(wù)器數(shù)據(jù)交互效能。當(dāng)然，同一臺(tái)Leaf交換機(jī)下的服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互除外。同時(shí)，又因?yàn)镕ull Mesh組網(wǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不受單機(jī)故障影響。

（2）基于SDN的統(tǒng)一調(diào)度

以O(shè)verlay的方式在底層快速轉(zhuǎn)發(fā)的物理網(wǎng)絡(luò)上部署集中控制的SDN網(wǎng)絡(luò)控制器，北向通過開放接口與業(yè)務(wù)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同交互，通過控制器收集不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的實(shí)時(shí)需求；同時(shí)南向?qū)崟r(shí)采集底層網(wǎng)元及鏈路資源信息，經(jīng)控制器統(tǒng)籌編排計(jì)算出最優(yōu)業(yè)務(wù)路徑，并完成對(duì)底層硬件資源的實(shí)時(shí)映射，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)度，滿足業(yè)務(wù)的個(gè)性化需求[3]。

（3）業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)分離

虛擬化本質(zhì)是將業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)分離，以便于在一張物理網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)邏輯切片。業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)對(duì)用戶的不同類型數(shù)據(jù)包增加不同的目標(biāo)和源業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)信息報(bào)文頭并完成統(tǒng)一封裝；而轉(zhuǎn)發(fā)層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部僅依據(jù)目標(biāo)地址信息完成快速轉(zhuǎn)發(fā)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)完成解封裝后，再向目標(biāo)用戶推送原始數(shù)據(jù)報(bào)文。目前針對(duì)DC內(nèi)部業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)如何分離的問題，業(yè)界已有諸多通過Overlay方式能夠?qū)崿F(xiàn)的解決辦法，如以TRILL、SPB（Shortest Path Bridging，最短路徑橋接）等為代表的CT方案（Communication Technology，通信技術(shù)），以及VxLAN、NvGRE等為代表的IT方案（Information Technology，信息技術(shù)）[4]。

3.2 云化熱點(diǎn)舉措

（1）分布式網(wǎng)絡(luò)面向用戶下沉

如自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及工業(yè)智能制造等對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)需求量急劇增加，傳統(tǒng)大區(qū)集中式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將很難繼續(xù)支撐此類業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)時(shí)延要求。通過在更靠近用戶側(cè)的市縣級(jí)網(wǎng)絡(luò)邊緣部署邊緣DC實(shí)現(xiàn)就近卸載本地流量的目的，進(jìn)而提高應(yīng)用需求的處理速度，打造極近用戶的分布式網(wǎng)絡(luò)將成為運(yùn)營商面對(duì)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的主要解決方案。

（2）網(wǎng)絡(luò)連接及承載能力規(guī)?；?/p>

隨著業(yè)務(wù)場景擴(kuò)大和豐富，傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)不再只為手機(jī)、PAD、PC等電子設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，一切可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)施均成為潛在承載對(duì)象。網(wǎng)絡(luò)泛在連接趨勢(shì)愈發(fā)明顯，新型網(wǎng)絡(luò)需具備強(qiáng)大的信息轉(zhuǎn)發(fā)交互能力來應(yīng)對(duì)海量的接入需求。運(yùn)營商將進(jìn)一步擴(kuò)大邊緣及區(qū)域DC的單點(diǎn)通信能力建設(shè)，這些能力涵蓋邊緣云計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)及通信交互及配套網(wǎng)絡(luò)安全等等。此外，加速引入和完善虛擬化網(wǎng)絡(luò)控制器，實(shí)現(xiàn)新老網(wǎng)絡(luò)資源的自動(dòng)化統(tǒng)籌編排和調(diào)配，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維自動(dòng)化程度，建立網(wǎng)絡(luò)自檢測、自排障與自修復(fù)的新運(yùn)維機(jī)制。

（3）網(wǎng)絡(luò)需具備定制化服務(wù)能力

垂直行業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求更加清晰，網(wǎng)絡(luò)場景更聚焦更復(fù)雜，運(yùn)營商在面對(duì)智能電網(wǎng)、水務(wù)、醫(yī)療、教育等行業(yè)客戶時(shí)，將針對(duì)不同客戶提供具有不同帶寬、時(shí)延、安全指標(biāo)要求的網(wǎng)絡(luò)解決方案。這就要求運(yùn)營商將在物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上創(chuàng)建多個(gè)邏輯隔離的端到端的切片子網(wǎng)，為垂直市場提供定制化的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)及解決方案。屆時(shí)，切片子網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)端到端的資源切分，一個(gè)切片同時(shí)涵蓋核心網(wǎng)、IP承載網(wǎng)側(cè)、傳輸網(wǎng)以及無線網(wǎng)資源，并由各自的網(wǎng)絡(luò)切片管理器完成資源的協(xié)同編排和部署。

3.3 現(xiàn)網(wǎng)云化面臨的挑戰(zhàn)

盡管運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)云化后可預(yù)見很多優(yōu)勢(shì)，但是受限于現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度等種種內(nèi)外部因素，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)云化重構(gòu)尚面臨諸多挑戰(zhàn)：

（1）專有硬件數(shù)量龐大，短期更替難度大

眼下運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)主要依賴于設(shè)備廠家定制化開發(fā)的專用網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備。此類設(shè)備雖性能強(qiáng)大，但由于其受制于廠家專有因素：設(shè)備功能較為單一、硬件成本高、設(shè)備尚未達(dá)到退網(wǎng)年限等，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方短期內(nèi)難以完成在網(wǎng)設(shè)備的云化更替。

（2）CT與IT各有側(cè)重，云化模式無法照搬

盡管運(yùn)營商在制定網(wǎng)絡(luò)云化重構(gòu)的戰(zhàn)略時(shí)，已充分借鑒IT軟件化部署的思想，但由于CT業(yè)和IT業(yè)的立足點(diǎn)有根本性的不同（如：對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求、云平臺(tái)的架構(gòu)要求等），無法照搬IT架構(gòu)模式克服傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的短板和復(fù)雜性，如何在保證電信骨干網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的前提下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備云化及網(wǎng)絡(luò)扁平化架構(gòu)改造將成為運(yùn)營商下一步探索的重點(diǎn)。

（3）接口私有化，異廠家資源管理與編排難度大

網(wǎng)絡(luò)云化重構(gòu)的技術(shù)架構(gòu)、控制器與轉(zhuǎn)發(fā)層硬件資源的接口仍處于私有化階段，業(yè)界也尚未出臺(tái)統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。各廠家間私有協(xié)議、接口的存在，將使得現(xiàn)網(wǎng)云化重構(gòu)規(guī)模時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制器難以對(duì)異廠家間轉(zhuǎn)發(fā)層資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和編排，底層硬件資源仍容易被單一廠家長期鎖定，并最終形成另一個(gè)封閉的網(wǎng)絡(luò)煙囪。如何為云化后的平臺(tái)系統(tǒng)建立良好的移植性和兼容性成為眼下難題。

在網(wǎng)絡(luò)云化重構(gòu)中，如SDN/NFV的跨域編 排（Software Defined Network/Network Function Virtualization，軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）、容器和微服務(wù)模式等內(nèi)容均有待長期實(shí)踐。在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中，由于CT、IT系統(tǒng)的內(nèi)部復(fù)雜性一時(shí)難以克服，對(duì)外服務(wù)的質(zhì)量和速率要求又存在差異，將導(dǎo)致公有云和運(yùn)營商的私有云短期內(nèi)還無法合并建設(shè)，傳統(tǒng)網(wǎng)元與虛擬化網(wǎng)元仍會(huì)面臨長期共存的局面，如何使現(xiàn)網(wǎng)以點(diǎn)帶面、循序漸進(jìn)式的平滑演進(jìn)將值得運(yùn)營商未來不斷探索與嘗試。

4 結(jié) 語

隨著眼下業(yè)務(wù)形態(tài)的形成，未來網(wǎng)絡(luò)極簡的格局也逐漸清晰。區(qū)域DC和極近用戶的邊緣DC構(gòu)成的兩級(jí)扁平網(wǎng)絡(luò)共同確保更低的端到端時(shí)延；在大帶寬、多連接、高精度業(yè)務(wù)的促進(jìn)下，網(wǎng)絡(luò)去差異化格局進(jìn)一步加劇，一張網(wǎng)絡(luò)承接多業(yè)務(wù)的泛連接需求不可避免；此外，運(yùn)營商還會(huì)更多的面向垂直市場提供定制化網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)和解決方案，助力挖掘垂直行業(yè)市場潛在價(jià)值，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈與垂直行業(yè)跨界發(fā)展。當(dāng)然，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的云化重構(gòu)需歷經(jīng)長期實(shí)踐論證才能被逐步實(shí)現(xiàn)和完善，未來的云化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最終會(huì)向著扁平化、泛連接、個(gè)性化的全云化方向不斷演進(jìn)。