敖立：光網(wǎng)絡多維技術協(xié)同演進 構建高品質(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，從技術架構上來看，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仍需持續(xù)演進。現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)關注點以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關鍵技術目前還處于研究階段。

  三是全光低時延?，F(xiàn)如今，千行百業(yè)云化的趨勢驅(qū)動著網(wǎng)絡架構扁平化發(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?；诂F(xiàn)有電交叉技術的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技術和分組技術需要融合發(fā)展，推動確定性承載能力發(fā)展。

  目前來看，確定性網(wǎng)絡關鍵技術分為，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：在技術層面，網(wǎng)絡模型、光口接口標準化工作至關重要。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。以及，采用SDN管控技術，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，光電合封技術成為研究熱點。CPO最早將在2024年左右較為明顯的影響架構。此外，隨著光模塊數(shù)量的急劇增加，OTT開始關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，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，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，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，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。