敖立：光網(wǎng)絡多維技術(shù)協(xié)同演進 構(gòu)建高品質(zhì)的算力承載光底座

  在近日召開的“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(shù)西算下的智能光網(wǎng)絡的發(fā)展及演進》的演講。

  會上，敖立分享了“東數(shù)西算”背景下智能光網(wǎng)絡發(fā)展及演進的七個主要方向，分別為：光纜網(wǎng)優(yōu)化、高速大容量、全光低時延、融合確定性、智能化管控、模塊高集成、光網(wǎng)絡安全，并分別對這七個方向進行了闡述。

  敖立指出，目前，全球已經(jīng)進入了數(shù)字經(jīng)濟時代，數(shù)據(jù)作為整個生態(tài)發(fā)展中的重要資源，正成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力。而要想讓數(shù)據(jù)有價值，算力的支撐必不可少。從這個角度來看，未來算力基礎設施將是支撐我國數(shù)字化經(jīng)濟的的堅實基礎。

  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(shù)西算”工程正式全面啟動，國家發(fā)改委等部門聯(lián)合印發(fā)文件，同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏啟動建設國家算力樞紐節(jié)點，并規(guī)劃10個國家數(shù)據(jù)中心集群。至此，“東數(shù)西算”8大算力樞紐和10個集群全部落地，全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系完成總體布局設計，“東數(shù)西算”工程正式拉開帷幕。

  “在用戶和算力基礎設施之間需要網(wǎng)絡進行大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，同時，基礎算力設施對網(wǎng)絡也提出了相應的要求。而高質(zhì)量的傳送網(wǎng)絡是連接用戶、算力設施以及相關(guān)應用的橋梁?！? 敖立強調(diào)。

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

  敖立表示，從技術(shù)架構(gòu)上來看，光網(wǎng)絡在橫向分為管道層、轉(zhuǎn)發(fā)層和管控層，縱向還有光網(wǎng)絡的安全。在光纖的通道層，需要進一步優(yōu)化光纜網(wǎng)絡由，同時部署新型光纖以提供更長距離更大容量傳輸性能。在轉(zhuǎn)發(fā)層，需要光網(wǎng)絡升級提供超大容量、全光低時延、低能耗、差異性承載等能力，以及進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(diào)度、智能化運維能力，實現(xiàn)算力服務的敏捷提供。

  在他看來，在東數(shù)西算的需求下，我國智能光網(wǎng)絡需要在以下七個方面進一步發(fā)展及演進：

  一是光纜網(wǎng)演進。目前，通信光網(wǎng)絡的發(fā)展已經(jīng)有近四十余年，現(xiàn)有的光纜網(wǎng)在全國布局完整，但其只適用于傳統(tǒng)的電信業(yè)務和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，不能滿足算力時代的需求。因此要依托現(xiàn)有光纜網(wǎng)絡基礎設施，增加骨干樞紐節(jié)點之間的連通度，保障網(wǎng)絡重要節(jié)點之間多路由的可達;支撐實現(xiàn)東數(shù)西算工程單向時延10-20ms要求。

  同時，為了適應算力時代的到來，光纜網(wǎng)的容量需要進一步提升。運營商從2016年開始研究驗證G.654E光纖的應用價值，目前已經(jīng)進入工程應用階段?？梢灶A見，東數(shù)西算將推動G.654E光纖在骨干長途光網(wǎng)絡的部署。同時，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(shù)西算需要高速運力大動脈:包括八個節(jié)點，十大DC集群,集群之間需要算力的調(diào)度，這就需要根據(jù)算力調(diào)度優(yōu)化承載網(wǎng)實現(xiàn)大規(guī)模計算數(shù)據(jù)的運輸。

  目前在國內(nèi)，400G應用逐步提升，800G應用也開始啟動。據(jù)預測，未來幾年，400G應用將進入大規(guī)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(xù)演進?，F(xiàn)在產(chǎn)業(yè)關(guān)注點以C+L擴展為主。已商用系統(tǒng)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)正在開展標準化研究。C波段120波系統(tǒng)已可商用，容量提升50%(相對于80波);C+L頻段擴展預期可實現(xiàn)總頻譜帶寬12THz，相對于80波100G，容量*3;同時也能看到，業(yè)界正在開展面向更寬頻譜的S+C+L等波段擴展研究。

  SDM應用試點主要聚焦多芯復用?；谀Ｊ綇陀煤投嘈緩陀玫腟DM成為未來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(tǒng)小規(guī)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。

  三是全光低時延。現(xiàn)如今，千行百業(yè)云化的趨勢驅(qū)動著網(wǎng)絡架構(gòu)扁平化發(fā)展。因此，骨干光網(wǎng)需要滿足樞紐節(jié)點互聯(lián)、大容量傳輸與交換。具體而言要滿足大容量、長距離、滿足連接需求;要達到20ms/10ms跨區(qū)/區(qū)域內(nèi)時延圈;同時也要充分利用現(xiàn)網(wǎng)/新技術(shù)降低成本。因此，地域/區(qū)域網(wǎng)絡需要實現(xiàn)城域接入扁平化融合，這樣才能實現(xiàn)高效泛在的全光接入能力，以及面向區(qū)域的DC扁平直連，降低網(wǎng)絡端到端時延。

  此外，還涉及到多維光交叉技術(shù)。基于現(xiàn)有電交叉技術(shù)的OTN設備單機容量持續(xù)演進，單機容量的進一步提升面臨著槽位數(shù)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，面向多區(qū)域數(shù)據(jù)中心節(jié)點，部署ROADM/OXC全光網(wǎng)絡，可實現(xiàn)業(yè)務光層一跳直達，無需多次落地轉(zhuǎn)接，降低云邊互聯(lián)時延。

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

  目前來看，確定性網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)分為，網(wǎng)絡切片、資源預留、資源調(diào)度、保護和恢復、以及網(wǎng)絡同步。這些技術(shù)交叉融合，從不同的層面為網(wǎng)絡提供確定性的承載能力。

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

  它的未來發(fā)展有兩個方面工作要做：在技術(shù)層面，網(wǎng)絡模型、光口接口標準化工作至關(guān)重要。進一步完善模型、接口標準化、實現(xiàn)接入網(wǎng)、城域和干線傳送網(wǎng)的資源信息收集及資源編排。同時，接口模型標準化需要考慮傳送網(wǎng)和IP網(wǎng)絡等其他網(wǎng)絡技術(shù)的協(xié)同管控，實現(xiàn)業(yè)務模型及管控數(shù)據(jù)的融合。

  在管理層面，打破以省為單位的網(wǎng)絡運維管理體系，形成以算力網(wǎng)絡為中心的運作體系。面向8大算力樞紐，部署管控系統(tǒng)，同時優(yōu)化現(xiàn)有運營架構(gòu)。以及，采用SDN管控技術(shù)，通過多層次管控協(xié)同，實現(xiàn)光網(wǎng)絡的靈活組網(wǎng)和統(tǒng)一調(diào)度。

  同時協(xié)同智能管控還需做到承載路由最優(yōu)化。一方面需要實現(xiàn)算力業(yè)務承載。光網(wǎng)絡和IP網(wǎng)絡需支持和算網(wǎng)協(xié)同編排運營系統(tǒng)的協(xié)同，實現(xiàn)面向業(yè)務的算力和網(wǎng)絡資源分配自動化及智能化，實現(xiàn)算力路由最優(yōu)化。另一方面，光網(wǎng)絡對算網(wǎng)業(yè)務承載管道流量進行檢測，實現(xiàn)面向應急突發(fā)業(yè)務保障、業(yè)務潮汐流量調(diào)整等需求的快速業(yè)務提供和靈活帶寬調(diào)整。

  因此，光網(wǎng)絡的管控需要提供統(tǒng)一北向接口，實現(xiàn)算網(wǎng)資源及業(yè)務感知。支持承載網(wǎng)絡能力信息的上報，支撐算網(wǎng)資源調(diào)度。支持算網(wǎng)需求下發(fā)，解析業(yè)務SLA資源調(diào)度需求。對下，管控系統(tǒng)需要提供算力資源調(diào)度策略，提供最優(yōu)算力路由。支持多因子算路，滿足業(yè)務靈活需求支持網(wǎng)絡時延地圖，基于網(wǎng)絡時延、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AI智能化的進一步引入，能夠幫助端到端的業(yè)務快速提供，業(yè)務流量預測、健康度評估和優(yōu)化、快速故障定位等能力，增強網(wǎng)絡的運維自動化和自智化，進一步提升承載網(wǎng)絡運維效能。

  敖立認為，人工智能的引入對運營商來說是一大挑戰(zhàn)：一方面要打通運營系統(tǒng)，設備商管控系統(tǒng)、網(wǎng)絡設備之間全流程智能化運維。在此基礎之上，AI數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)集采接口標準化也至關(guān)重要。

  六是模塊高集成。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光模塊發(fā)展趨勢是高速低成本、低功耗以及智能化。展開來看，高速率體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心交換芯片吞吐量預計在2023年達到51.2Tb/s，ICP網(wǎng)絡架構(gòu)整體向400G演進。

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

  現(xiàn)在，DCI正在把400ZR模塊當作關(guān)注的熱點。數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應用需求強力推動OIF 400ZR成為互聯(lián)的典型接口。在2022年3月的OFC會議上，OIF組織了數(shù)據(jù)涉及多產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的互聯(lián)展示。此外，IEEE、OIF、IPEC、CCSA等組織目前正在加速推進800G標準研制工作。

  另外一個特點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(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量快速增長，對交換機功耗、端口密度、速率等均面臨挑戰(zhàn)，因此，CPO成為重要發(fā)展方向。據(jù)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)絡的安全。光網(wǎng)絡安全主要體現(xiàn)在兩個方面，一是算力數(shù)據(jù)安全。政務、金融、醫(yī)療等數(shù)據(jù)涉及國家及個人敏感數(shù)據(jù)，企業(yè)核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，對算力數(shù)據(jù)安全承載提出很高的要求。另一方面是承載網(wǎng)絡安全方面，算力的調(diào)度需要收集大量網(wǎng)絡信息及算力信息，數(shù)據(jù)集中增加了敏感信息泄露或被篡改的風險，算力感知及算力承載對跨系統(tǒng)、跨域甚至是跨境的多場景點對點網(wǎng)絡連接以及動態(tài)連接機制，增加網(wǎng)絡安全風險。

  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)絡的安全機制：在管控層，SDN集中式的管控架構(gòu)，對管控系統(tǒng)安全性要求提升，需提供系統(tǒng)級的安全防護手段。同時，DCN網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)應隔離，通過運維手段，減少外部攻擊風險，引入IP網(wǎng)絡安全機制對DCN網(wǎng)絡進行防護。在光傳送層，通過網(wǎng)絡切片技術(shù)，對重要行業(yè)客戶、企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務和普通用戶進行隔離。也可考慮靈活選擇L1/L2/l3層管道加密技術(shù)，對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行加密保護，提升承載網(wǎng)絡的安全性。在光纖光纜層，通過非法竊聽手段竊取網(wǎng)絡信息或者干擾網(wǎng)絡，可探索光纖網(wǎng)絡的竊聽防御機制及應用。也可引入AI技術(shù)對光纖信號進行探測，準確了解光纖網(wǎng)絡進行狀況，及時預警異常情況，增加網(wǎng)絡的安全性。