敖立：光網(wǎng)絡(luò )多維技術(shù)協(xié)同演進(jìn) 構建高品質(zhì)的算力承載光底座

  在近日召開(kāi)的“2022中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇”上，中國信息通信研究院總工程師敖立發(fā)表了題為《東數西算下的智能光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展及演進(jìn)》的演講。

  會(huì )上，敖立分享了“東數西算”背景下智能光網(wǎng)絡(luò )發(fā)展及演進(jìn)的七個(gè)主要方向，分別為：光纜網(wǎng)優(yōu)化、高速大容量、全光低時(shí)延、融合確定性、智能化管控、模塊高集成、光網(wǎng)絡(luò )安全，并分別對這七個(gè)方向進(jìn)行了闡述。

  敖立指出，目前，全球已經(jīng)進(jìn)入了數字經(jīng)濟時(shí)代，數據作為整個(gè)生態(tài)發(fā)展中的重要資源，正成為數字化轉型的重要驅動(dòng)力。而要想讓數據有價(jià)值，算力的支撐必不可少。從這個(gè)角度來(lái)看，未來(lái)算力基礎設施將是支撐我國數字化經(jīng)濟的的堅實(shí)基礎。

  基于此，我國在很多政策中都提及算力基礎設施是新興技術(shù)設施中很重要的組成部分。2022年2月，“東數西算”工程正式全面啟動(dòng)，國家發(fā)改委等部門(mén)聯(lián)合印發(fā)文件，同意在京津冀、長(cháng)三角、粵港澳大灣區、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏啟動(dòng)建設國家算力樞紐節點(diǎn)，并規劃10個(gè)國家數據中心集群。至此，“東數西算”8大算力樞紐和10個(gè)集群全部落地，全國一體化大數據中心體系完成總體布局設計，“東數西算”工程正式拉開(kāi)帷幕。

  “在用戶(hù)和算力基礎設施之間需要網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行大規模數據的傳輸，同時(shí)，基礎算力設施對網(wǎng)絡(luò )也提出了相應的要求。而高質(zhì)量的傳送網(wǎng)絡(luò )是連接用戶(hù)、算力設施以及相關(guān)應用的橋梁?！? 敖立強調。

  據悉，不同算力基礎設施的應用需求對網(wǎng)絡(luò )提出了不同的需求。在傳輸性能方面，需要超大容量、低時(shí)延、低抖動(dòng)等特征明確;在差異化承載方面，不同算力應用場(chǎng)景承載需求差異明顯;在敏捷性方面，需要滿(mǎn)足適配應急通信，存儲災備等應用場(chǎng)景。更重要的是，還要做到安全可靠，算力數據安全性要求至關(guān)重要，對承載算力應用數據的網(wǎng)絡(luò )安全需求也相應需要提升。

  敖立表示，從技術(shù)架構上來(lái)看，光網(wǎng)絡(luò )在橫向分為管道層、轉發(fā)層和管控層，縱向還有光網(wǎng)絡(luò )的安全。在光纖的通道層，需要進(jìn)一步優(yōu)化光纜網(wǎng)絡(luò )由，同時(shí)部署新型光纖以提供更長(cháng)距離更大容量傳輸性能。在轉發(fā)層，需要光網(wǎng)絡(luò )升級提供超大容量、全光低時(shí)延、低能耗、差異性承載等能力，以及進(jìn)一步提升模塊集成度。在管控層，能夠提供算網(wǎng)一體化管控調度、智能化運維能力，實(shí)現算力服務(wù)的敏捷提供。

  在他看來(lái)，在東數西算的需求下，我國智能光網(wǎng)絡(luò )需要在以下七個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展及演進(jìn)：

  一是光纜網(wǎng)演進(jìn)。目前，通信光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展已經(jīng)有近四十余年，現有的光纜網(wǎng)在全國布局完整，但其只適用于傳統的電信業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，不能滿(mǎn)足算力時(shí)代的需求。因此要依托現有光纜網(wǎng)絡(luò )基礎設施，增加骨干樞紐節點(diǎn)之間的連通度，保障網(wǎng)絡(luò )重要節點(diǎn)之間多路由的可達;支撐實(shí)現東數西算工程單向時(shí)延10-20ms要求。

  同時(shí)，為了適應算力時(shí)代的到來(lái)，光纜網(wǎng)的容量需要進(jìn)一步提升。運營(yíng)商從2016年開(kāi)始研究驗證G.654E光纖的應用價(jià)值，目前已經(jīng)進(jìn)入工程應用階段?？梢灶A見(jiàn)，東數西算將推動(dòng)G.654E光纖在骨干長(cháng)途光網(wǎng)絡(luò )的部署。同時(shí)，業(yè)界也在積極探索多芯光纖(MCF)、少模光纖(FMF)、空芯光纖等新型光纖及傳輸技術(shù)研究和試驗，整體處于產(chǎn)業(yè)初期。

  二是高速大容量。眾所周知，東數西算需要高速運力大動(dòng)脈:包括八個(gè)節點(diǎn)，十大DC集群,集群之間需要算力的調度，這就需要根據算力調度優(yōu)化承載網(wǎng)實(shí)現大規模計算數據的運輸。

  目前在國內，400G應用逐步提升，800G應用也開(kāi)始啟動(dòng)。據預測，未來(lái)幾年，400G應用將進(jìn)入大規模部署階段。

  另一方面而言，頻譜擴展和空分復用技術(shù)仍需持續演進(jìn)?，F在產(chǎn)業(yè)關(guān)注點(diǎn)以C+L擴展為主。已商用系統使用C波段，支持80波/96波，占用頻譜4THz左右。C波段拓展以及C+L波段拓展，目前產(chǎn)業(yè)正在開(kāi)展標準化研究。C波段120波系統已可商用，容量提升50%(相對于80波);C+L頻段擴展預期可實(shí)現總頻譜帶寬12THz，相對于80波100G，容量*3;同時(shí)也能看到，業(yè)界正在開(kāi)展面向更寬頻譜的S+C+L等波段擴展研究。

  SDM應用試點(diǎn)主要聚焦多芯復用?；谀Ｊ綇陀煤投嘈緩陀玫腟DM成為未來(lái)解決容量危機的潛在方案?；诙嘈緩陀玫腟DM技術(shù)已在海纜通信系統小規模應用，基于模式復用、以及模式復用+多芯復用的SDM關(guān)鍵技術(shù)目前還處于研究階段。

  三是全光低時(shí)延?，F如今，千行百業(yè)云化的趨勢驅動(dòng)著(zhù)網(wǎng)絡(luò )架構扁平化發(fā)展。因此，骨干光網(wǎng)需要滿(mǎn)足樞紐節點(diǎn)互聯(lián)、大容量傳輸與交換。具體而言要滿(mǎn)足大容量、長(cháng)距離、滿(mǎn)足連接需求;要達到20ms/10ms跨區/區域內時(shí)延圈;同時(shí)也要充分利用現網(wǎng)/新技術(shù)降低成本。因此，地域/區域網(wǎng)絡(luò )需要實(shí)現城域接入扁平化融合，這樣才能實(shí)現高效泛在的全光接入能力，以及面向區域的DC扁平直連，降低網(wǎng)絡(luò )端到端時(shí)延。

  此外，還涉及到多維光交叉技術(shù)?；诂F有電交叉技術(shù)的OTN設備單機容量持續演進(jìn)，單機容量的進(jìn)一步提升面臨著(zhù)槽位數量、容量以及功耗等的限制，全光交換成為解決超大容量的主要途徑。同時(shí)，面向多區域數據中心節點(diǎn)，部署ROADM/OXC全光網(wǎng)絡(luò )，可實(shí)現業(yè)務(wù)光層一跳直達，無(wú)需多次落地轉接，降低云邊互聯(lián)時(shí)延。

  四是融合確定性。算力時(shí)代的到來(lái)需要確定性的時(shí)延，保證時(shí)延是固定的。從這個(gè)角度來(lái)看，幾十年的TDM技術(shù)能夠提供確定性的時(shí)延，而在分組時(shí)代，時(shí)延是不確定的，未來(lái)TDM技術(shù)和分組技術(shù)需要融合發(fā)展，推動(dòng)確定性承載能力發(fā)展。

  目前來(lái)看，確定性網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)分為，網(wǎng)絡(luò )切片、資源預留、資源調度、保護和恢復、以及網(wǎng)絡(luò )同步。這些技術(shù)交叉融合，從不同的層面為網(wǎng)絡(luò )提供確定性的承載能力。

  五是協(xié)同智能管控。一方面面向實(shí)時(shí)及突發(fā)性的算力需求，要求承載網(wǎng)絡(luò )支持端到端的快速服務(wù)提供。另一方面也涉及到多層級算力調度需求，跨地域算力網(wǎng)絡(luò )范圍大、層級多、傳統分段式管理方式難以為繼，這就要求承載網(wǎng)絡(luò )支持多級、層次化、一體化管控及運維能力。

  它的未來(lái)發(fā)展有兩個(gè)方面工作要做：在技術(shù)層面，網(wǎng)絡(luò )模型、光口接口標準化工作至關(guān)重要。進(jìn)一步完善模型、接口標準化、實(shí)現接入網(wǎng)、城域和干線(xiàn)傳送網(wǎng)的資源信息收集及資源編排。同時(shí)，接口模型標準化需要考慮傳送網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò )等其他網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的協(xié)同管控，實(shí)現業(yè)務(wù)模型及管控數據的融合。

  在管理層面，打破以省為單位的網(wǎng)絡(luò )運維管理體系，形成以算力網(wǎng)絡(luò )為中心的運作體系。面向8大算力樞紐，部署管控系統，同時(shí)優(yōu)化現有運營(yíng)架構。以及，采用SDN管控技術(shù)，通過(guò)多層次管控協(xié)同，實(shí)現光網(wǎng)絡(luò )的靈活組網(wǎng)和統一調度。

  同時(shí)協(xié)同智能管控還需做到承載路由最優(yōu)化。一方面需要實(shí)現算力業(yè)務(wù)承載。光網(wǎng)絡(luò )和IP網(wǎng)絡(luò )需支持和算網(wǎng)協(xié)同編排運營(yíng)系統的協(xié)同，實(shí)現面向業(yè)務(wù)的算力和網(wǎng)絡(luò )資源分配自動(dòng)化及智能化，實(shí)現算力路由最優(yōu)化。另一方面，光網(wǎng)絡(luò )對算網(wǎng)業(yè)務(wù)承載管道流量進(jìn)行檢測，實(shí)現面向應急突發(fā)業(yè)務(wù)保障、業(yè)務(wù)潮汐流量調整等需求的快速業(yè)務(wù)提供和靈活帶寬調整。

  因此，光網(wǎng)絡(luò )的管控需要提供統一北向接口，實(shí)現算網(wǎng)資源及業(yè)務(wù)感知。支持承載網(wǎng)絡(luò )能力信息的上報，支撐算網(wǎng)資源調度。支持算網(wǎng)需求下發(fā)，解析業(yè)務(wù)SLA資源調度需求。對下，管控系統需要提供算力資源調度策略，提供最優(yōu)算力路由。支持多因子算路，滿(mǎn)足業(yè)務(wù)靈活需求支持網(wǎng)絡(luò )時(shí)延地圖，基于網(wǎng)絡(luò )時(shí)延、帶寬等信息生成算力承載路由。

  最后是人工智能的引入。隨著(zhù)AI智能化的進(jìn)一步引入，能夠幫助端到端的業(yè)務(wù)快速提供，業(yè)務(wù)流量預測、健康度評估和優(yōu)化、快速故障定位等能力，增強網(wǎng)絡(luò )的運維自動(dòng)化和自智化，進(jìn)一步提升承載網(wǎng)絡(luò )運維效能。

  敖立認為，人工智能的引入對運營(yíng)商來(lái)說(shuō)是一大挑戰：一方面要打通運營(yíng)系統，設備商管控系統、網(wǎng)絡(luò )設備之間全流程智能化運維。在此基礎之上，AI數據模型及數據集采接口標準化也至關(guān)重要。

  六是模塊高集成。數據中心內部光模塊發(fā)展趨勢是高速低成本、低功耗以及智能化。展開(kāi)來(lái)看，高速率體現在數據中心交換芯片吞吐量預計在2023年達到51.2Tb/s，ICP網(wǎng)絡(luò )架構整體向400G演進(jìn)。

  目前，業(yè)界正積極探索通過(guò)降低溫度和長(cháng)期可靠性等要求來(lái)降低成本，隨著(zhù)速率不斷提升，相關(guān)方案下沉趨勢明顯。同時(shí)，業(yè)界期望通過(guò)將光引擎與交換芯片合封來(lái)降低互聯(lián)SerDes功耗及成本，因此，光電合封技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。CPO最早將在2024年左右較為明顯的影響架構。此外，隨著(zhù)光模塊數量的急劇增加，OTT開(kāi)始關(guān)注光模塊的運維能力增強和質(zhì)量提升。

  現在，DCI正在把400ZR模塊當作關(guān)注的熱點(diǎn)。數據中心互聯(lián)應用需求強力推動(dòng)OIF 400ZR成為互聯(lián)的典型接口。在2022年3月的OFC會(huì )議上，OIF組織了數據涉及多產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節的互聯(lián)展示。此外，IEEE、OIF、IPEC、CCSA等組織目前正在加速推進(jìn)800G標準研制工作。

  另外一個(gè)特點(diǎn)是光電合封正成為綠色集成模塊重要的發(fā)展方向。如今，數據中心內部流量快速增長(cháng)，對交換機功耗、端口密度、速率等均面臨挑戰，因此，CPO成為重要發(fā)展方向。據測算，在25.6 Tb/s和51.2 Tb/s交換速率下，利用CPO技術(shù)，可減少50%空間，以及15-20%的功耗，能量效率明顯改善。

  七是光網(wǎng)絡(luò )的安全。光網(wǎng)絡(luò )安全主要體現在兩個(gè)方面，一是算力數據安全。政務(wù)、金融、醫療等數據涉及國家及個(gè)人敏感數據，企業(yè)核心生產(chǎn)數據等，對算力數據安全承載提出很高的要求。另一方面是承載網(wǎng)絡(luò )安全方面，算力的調度需要收集大量網(wǎng)絡(luò )信息及算力信息，數據集中增加了敏感信息泄露或被篡改的風(fēng)險，算力感知及算力承載對跨系統、跨域甚至是跨境的多場(chǎng)景點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )連接以及動(dòng)態(tài)連接機制，增加網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險。

  敖立指出，可以在管控層、傳送層、光纖光纜層共同提升光網(wǎng)絡(luò )的安全機制：在管控層，SDN集中式的管控架構，對管控系統安全性要求提升，需提供系統級的安全防護手段。同時(shí)，DCN網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)應隔離，通過(guò)運維手段，減少外部攻擊風(fēng)險，引入IP網(wǎng)絡(luò )安全機制對DCN網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行防護。在光傳送層，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)，對重要行業(yè)客戶(hù)、企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)和普通用戶(hù)進(jìn)行隔離。也可考慮靈活選擇L1/L2/l3層管道加密技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò )數據進(jìn)行加密保護，提升承載網(wǎng)絡(luò )的安全性。在光纖光纜層，通過(guò)非法竊聽(tīng)手段竊取網(wǎng)絡(luò )信息或者干擾網(wǎng)絡(luò )，可探索光纖網(wǎng)絡(luò )的竊聽(tīng)防御機制及應用。也可引入AI技術(shù)對光纖信號進(jìn)行探測，準確了解光纖網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行狀況，及時(shí)預警異常情況，增加網(wǎng)絡(luò )的安全性。