大數據時代的管道技術演進

摘要：認為在大數據時代，管道技術將向寬帶化演進以提高傳輸速度；管道架構將向扁平化演進以降低系統延時；軟件定義網絡的引入使管道向虛擬化發展，實現對網絡流量的控制；多管道技術組合則可以使管道向智能化發展。這些方案均可以實現寬帶化和實時性傳輸，實現大數據服務的高速、暢行無阻的傳送。

關鍵詞：大數據；管道技術；網絡架構；軟件定義網絡

Abstract： In the big-data era， broadband pipeline technology can improve speed； flattened pipeline architecture can reduce system delay； and software-defined networks （SDN） allow pipelines to be virtually developed so that network traffic can be better controlled； multipipe technology is also used for intelligent pipeline development. All these technologies improve pipe transmission so that big-data services can be transmitted without interruption at high speed.

Key words： big data； pipe technology； network architecture； SDN

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2013） 04-0054-04

隨著移動互聯網、電子商務、社交媒體、網絡視頻、企業服務網以及物聯網等服務的飛速發展，全球的數據正呈爆炸式的增長。互聯網數據中心（IDC）報告指出：2012年已經開始進入大數據時代，2013年全面引爆大數據，2020年全球將擁有共計約35 ZB的海量數據，由此可知我們已經邁進了大數據時代。大數據有4個特征，即超量、高速、多樣性和價值，其中高速的特性不僅僅要求大數據能實現實時處理，而且還要求其可以實現實時傳送，以增強用戶體驗。大數據還要依賴于管道網絡傳輸。每個人都是數據的貢獻者，同時也是數據的使用者，用戶體驗要求用戶能在任意時間、任意地點接入，并能實現任意呼叫以及在任意瀏覽地貢獻和分享大數據服務，因此大數據將推動管道技術演進，促使管道網絡滿足大數據的高速暢行無阻傳送需求[1]。

數據傳送管道滿足大數據實時性傳送的需求，它主要是通過管道技術演進提升管道傳輸帶寬化，以解決海量大數據時代的數據傳輸問題。

1管道技術演進

寬帶化是管道發展的必然趨勢。一方面大數據時代的信息爆炸和海量數據促使傳送管道必須越來越寬；另一方面用戶體驗要求數據的傳送必須越來越快。因此無論是光纖傳輸還是無線接入都要通過技術演進來提高傳輸效率以實現寬帶化。

圖1所示為數字光纖傳輸技術演進過程。第一代數字光纖傳輸技術采用時分復用（TDM）技術，傳輸速率達到2.5 Gbit/s；第二代則采用密集波分復用（WDM）技術，傳輸速率到了1.6 Tbit/s；第三代采用多域復用技術，包括密集型光波復用（DWDM）、正交頻分復用（OFDM）、偏振復用（PDM）、正交相移鍵控（QPSK）和相干檢測等技術，傳輸速率達到了16 Tbit/s；從下一代數字光纖傳輸到光聯網的演進，將采用自動交換光網絡技術，傳輸速率還將大幅提升。因此，在數字光纖傳輸技術演進中，傳輸能力每十年增長千倍，同時不斷采用新技術，如新的調制技術、相干接收和超強前向糾錯等，使光纖的傳輸能力越來越強。受到大數據時代的強烈需求推動，數字光纖傳輸將向超高速方向發展[2-3]。

無線傳輸的寬帶化主要通過兩方面實現：增加傳輸頻譜帶寬以及提高頻譜效率。目前無線傳輸的發展趨勢就是空口帶寬逐步增寬，如移動通信從3G到長期演進（LTE）再到LTE-A的演進，最明顯就是空口占用頻譜帶寬在增大；在提高頻譜效率方面，當前業界主要采用高階調制和多天線技術，而新技術方面如角動量通信技術還處于初期的研究階段。另外無線通信的發展受頻譜占用等客觀因素的影響，技術逐步向高頻段發展，如5 GHz、45 GHz、60 GHz、可見光通信等。

移動通信在經過2G基于電路域和窄帶技術革新后，就逐步向分組域和移動寬帶方向演進，到了LTE階段，就完全實現基于分組域并且移動寬帶化。以移動寬帶LTE技術演進為例，如表1所示，其中LTE采用的空口最大頻譜帶寬是20 MHz，而到了LTE-A階段，通過載波聚合技術可以使空口最大頻譜帶寬達到100 MHz；在多天線方面，LTE階段最高支持4×4配置，而LTE-A階段則最高支持8×8[4-5]。基于上述技術演進，峰值速率從LTE階段的300 Mbit/s提高到LTE-A的1 Gbit/s，頻譜效率也從LTE階段的15 bps/Hz增加到LTE-A階段的30 bps/Hz。

Wi-Fi技術的演進如表2所示。Wi-Fi技術從802.11n逐漸地演進到了802.11ac/ad，除了使用頻率因客觀因素導致的差異外，在技術演進方面，通過增加空口信道頻譜傳輸帶寬、采用高階調制和多天線技術都可以提升Wi-Fi的傳輸能力。Wi-Fi的傳輸能力從802.11n的600 Mbit/s到802.11ac/ad的7 Gbit/s，正向著超寬帶傳輸演進。

2 管道架構演進

在大數據時代，用戶體驗要求管道網絡傳輸得更快，除了通過技術演進提高傳輸效率和傳輸帶寬外，還要降低網絡延時，減少網元數量和數據交換次數。因此管道網絡架構也需要進一步演進，盡可能實現網絡簡化和扁平化。

圖2所示為3種無源FTTH的網絡架構和協議，其中圖2（A）是基于時分復用無源光網絡（TDM-PON）技術，是當前采用的技術和架構，而圖2（B）和圖2（C）是谷歌光纖網絡架構和協議方案，分別是點到點直連到戶和基于波分復用無源光網絡（WDM-PON）技術。在圖2（A）中，從中心機房到無源光分路器間，多用戶共享光纖和帶寬，這種架構的缺陷是很難增加帶寬，用戶各自帶寬同時都受限；另外也很難升級網絡，因為多用戶共享收發器，協議方面采用以太網到PON再到以太網的協議棧，需要兩次協議棧轉換。圖2（B）采用光纖直接從中心機房到用戶，即點到點架構，每個用戶獨占帶寬資源，無光分路器，為了降低工程成本，可以通過使用大芯數光纜來實現此方案；圖2（C）則是基于WDM-PON技術，采用波分復用技術使每個用戶到中心機房都有一根虛擬光纖。圖2（B）和圖2（C）整個網絡架構都基于以太網協議，這種架構是一種局域網向城域網絡延伸方案，谷歌的這種P2P模式是一種跨越式發展，可以使每戶帶寬達到1 Gbit/s。

為了降低系統時延，移動通信網絡架構也需要向扁平化演進。圖3所示為移動網絡從3G到LTE的架構變化，從圖3（A）的3G網絡架構到圖3（B）的LTE架構，明顯減少了一層網元，因為圖3（B）中LTE網絡是eNodeB直接連接到核心網，而圖3（A）中3G網絡架構是首先由NodeB匯聚到無線網絡控制器（RNC），再進一步匯聚到核心網。這種三層架構不但會造成系統延時長，而且還會降低系統穩定性，增高網絡建設和維護成本。

對于互聯網架構，可以通過引入內容分發網絡（CDN）來提高網絡傳輸性能。盡管互聯網架構是基于IP協議的網狀架構，但是它卻受制于管道約束。一方面從信源到信宿除了有物理上的距離外，還要經過多重路由，因此延時不受控制；另一方面大數據傳輸對骨干網絡提出挑戰，任何一個環節都可能影響數據傳輸的速度和穩定性。因此一味提高傳輸帶寬并不能完全解決實際問題。為了使數據傳輸更快、更穩定，需要在網絡中通過增加節點服務器方式，這樣使用戶就近獲取所需內容，解決互聯網擁擠問題，提高用戶訪問網站的相應速度，提升用戶體驗。

圖4所示CDN網絡架構。該架構分為中心節點、區域節點和邊緣節點，用戶終端就近直接訪問邊緣節點，不必訪問中心節點和區域節點，邊緣節點基于緩存服務器，是中心節點的一個透明鏡像，距用戶僅一跳。因此這種架構，可以降低系統延時，增強用戶體驗。

CDN的主要特點是可以使管道帶寬得到優化，并且提供自動生成服務器的遠程鏡像Cache服務器，即邊緣節點，從而使遠程用戶可以直接就近訪問邊緣節點。這樣以來一方面可以減少因遠程訪問帶來的帶寬需求，分擔管道網絡流量，減輕中心節點負載；另一方面可以減少網絡延時，提高用戶存取訪問速度，增強用戶體驗。CDN的鏡像服務，消除不用管道運營商之間互聯造成的瓶頸，實現跨運營商的網絡加速。廣泛分布在管道網絡上的CDN節點，也是一種節點的冗余備份，可以有效抵抗和降低網絡攻擊的影響，保證較好的服務質量。

隨著大數據時代的來臨，CDN的發展趨勢首先是邊緣節點逐步下沉，離用戶越來越近。在圖5中可發現CDN的發展趨勢：CDN邊緣節點距離光纖路終端（OLT）、核心網、網關、邊緣路由器等網元設備越來越近。另外未來CDN功能集成到一些網元設備中也是一種必然趨勢。

總之，管道架構的演進方法無論是通過減少網元數量實現架構扁平化，還是增加CDN服務器，都是圍繞用戶體驗來展開的。只有數據以最快速度傳送到用戶終端，才能讓用戶享受于大數據時代的高質量服務。

3 軟件定義網絡

全IP網絡是管道發展的基礎，隨著大數據時代的到來，網絡越來越龐大，但數據流向也越來越不確定，技術更新和大數據需求要求管道網絡有更多的彈性、智能、可擴展性以及自動化能力，因此需要引入全新的網絡架構設計理念。在這樣的背景下，新網絡架構設計引入了軟件定義網絡SDN技術，其核心是將網絡設備控制面與數據面分離，網絡集中控制，資源調度、軟硬件解耦以及功能虛擬化等，從而實現對網絡流量的靈活調度和智能控制，提升用戶體驗，提高網絡利用效率。

軟件定義網絡解耦了數據、控制及應用平面，通過支持可編程和分片化來實現轉發和控制分離，如圖6所示。軟件定義網絡的主要特征包括：控制轉發分離、控制平面集中化、轉發平面通用化、軟件可編。

軟件定義網絡實際是將管道虛擬化，使其脫離具體的硬件和廠家設備，并將整個網絡變成一個數據轉發平臺，由控制器統一控制整個網絡的資源分配和調度。

軟件定義網絡使管道設備的軟硬件分離，改變了現有管道軟硬件捆綁的產業鏈。軟件定義網絡一方面降低了對通用硬件的依賴門檻，但也加大了對軟件的依賴程度，另外安全問題、集中控制的可靠性問題等都是軟件定義網絡需要考慮解決的。

4多管道組合方式及管道

智能化管理

管道技術是多樣性的，無論是有線還是無線，單一的管道模式并不能滿足大數據時代的需求，多種管道技術以同樣的目的但用不同方式向用戶提供大數據服務。大數據時代是基于多種管道組合方式向用戶傳送服務，使用戶能在任何時間、任何地點實現任意瀏覽和任意呼叫。如圖7所示，多種細的管道匯聚成更粗的管道，每種管道都將在各自方向演進，提升各自管道的功能和性能，進而使管道變的越來越粗，以滿足大數據時代的寬帶需求[6]。

管道技術演進一方面滿足大數據對帶寬化和用戶體驗的需求，另一方面可以提高管道的利用效率，提升管道的智能化，實現基于用戶需求和行為的智能資源匹配。管道運營商也要從粗放型經營轉向精細化管理，以支撐新型業務發展，為用戶提供按需、靈活的體驗和更便捷的個性化服務。管道的智能化還包括多管道間的協同機制，以滿足不同用戶、在不同應用場景下的不同需求。因此，智能化管理是大數據時代管道技術發展的必然趨勢，這樣才能合理有效地分配管道資源，提高其利用效率[6]。

5 結束語

大數據時代對其承載的管道技術提出了更高的性能要求，以滿足日益增長的用戶體驗需求，為此，管道技術方面將向寬帶化演進以提高傳輸速度，管道架構方面將扁平化演進以降低系統延時，軟件定義網絡使管道資源向虛擬化演進，多管道技術組合使管道向智能化管理演進。

參考文獻

[1] LAM C F. FTTH look ahead -- Technologies architectures[R].Mountain View， CA，USA： Google Inc.

[2] 鄔賀銓.大數據時代的網絡技術與應用[C]// CCSA第11次會員大會， 2012年12月18日，北京.

[3] 3GPP TS 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）： Overall description[S].

[4] 3GPP TS 25.401： UTRAN Overall Description[S].

[5] 馬滿倉，鄭建勇，郭靜，等.WLAN標準IEEE82.11ac/ad及前期關鍵技術[J].電信技術，2012（4）：75-77.

[6] 趙慧玲，徐向輝. 智能管道發展總體思路探討[J].中興通訊技術， 2012（1）：4-7.

作者簡介

朱曉光，中興通訊股份有限公司高級工程師；長期從事通信產品研發、技術規劃、綜合方案、戰略規劃等工作；累計申請發明專利40余項。

陳偉，中興通訊股份有限公司一級主任高工、光網絡總監；長期從事有線網絡技術研究、產品開發和市場規劃。

江華，中興通訊首席架構師、戰略規劃部副部長、“移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室”學術委員會主任；長期從事通信產品的技術規劃、應用研究和產業化工作。