運營商網絡云化重構思路淺析*

喬 楚

（四川通信科研規劃設計有限責任公司，四川 成都 610041）

0 引 言

隨著云計算、虛擬化、人工智能等為代表的新興技術領域的不斷突破和革新，為傳統通信產業的加速發展持續注入新動力。全球電信運營商紛紛布局網絡轉型戰略，傳統通信網絡開始加速向極簡、敏捷、開放的云化架構過渡轉型，轉型驅動力主要來自以下兩個方面：

首先，網絡決定業務已成為過去，業務引領網絡才是未來。從傳統語音、短信到AR/VR（Augmented Reality/Virtual Reality，增強現實/虛擬現實）、IoT連接（Internet of Things，物聯網）、車聯網等新型業務，一張網絡需要同時滿足大帶寬、海量連接和低時延等不同業務需求，這就要求運營商將現有網絡資源有機整合，打造一張彈性解耦的云化網絡。

其次，運營商降本增效迫在眉睫。國內運營商體量龐大，從設備占地、能耗到設備加速更迭淘汰、長期受制于廠家技術壟斷，過高的運營成本導致運營商背負沉重負擔。

1 何為“云化網絡”

1.1 “云化”定義

對云化網絡的普遍理解，是運營商打造以云化數據中心（Data Center，DC）為核心的基礎網絡，并將數據中心內部的計算和存儲資源池化，使得租戶可實時、按需、動態地申請池化后的資源，實現各種云業務的靈活部署和資源遷移。而從宏觀上看，網絡云化則包含更深的含義：

（1）資源上云：把網絡功能逐步遷移至云環境中部署，充分發揮云資源效能。

（2）網絡為云：網絡為云提供所需的一切基礎資源與服務，智能管理，統一調度，最終實現云網協同、網隨云動。

（3）業務入云：業務應用按需定制，全面云化部署，通過借助云端平臺化管理實現網絡資源的集中調度來獲得效率的提升甚至商業模式的創新，實現業務從隨選向隨愿進一步演進。

1.2 “云化”典型特征

（1）硬件資源池化

資源池化是網絡云化的基礎，主要包括：DC的計算和存儲資源池化、網絡帶寬資源池化等，資源池化的最大優勢在于實現網絡的管控分離，池化后的網絡硬件基礎資源得到最大程度的釋放和共享，徹底打破傳統網絡的廠家煙囪架構[1]。

（2）軟硬全解耦，管控分離

以Overlay方式部署的網絡控制器，可對池化后的轉發層硬件資源進行統籌安排與管理。基于Cloud Native的網絡控制器實時完成業務功能與變更；并配以編排器的資源智能調度策略，合理分配和使用池化資源，為云上業務最大限度地提供電信級業務質量保障。此外，基于PaaS（Platform as a Service，平臺即服務）實現平臺化開發及接口標準化，能夠極大縮短業務開發和上線周期。

（3）網絡運營自動化

云化網絡能夠充分利用網絡大數據優勢實現自我深度學習，挖掘運維行為規律，促使網絡運維工作從被動維護向主動運營轉變，逐步實現業務自運行、自優化和自修復，減少人工干預，提升網絡運營維護效率。

2 運營商網絡的云化需求

隨著云化思想逐步融入通信網絡建設，構建以云化數據中心為核心的基礎網絡成為網絡演進的主要目標方向。租戶實時動態地的申請、變更和釋放池化后的所需資源，實現各種業務的靈活配置和遷改。實質上，對于傳統運營商網絡而言，云化重構主要為傳統網絡帶來兩大改變：一是實現傳統網絡從物理網絡向虛擬化網絡的轉變，各級網元被抽象為邏輯對象，過濾掉繁復的物理層協議，面向網絡北向開放出標準化的服務調用接口，而網絡控制器面向底層轉發網絡的虛擬化網元提供全生命周期管理；二是網絡服務模式由“靜”至“動”，云化網絡可按照用戶意愿動態調整所需配置，且整個策略調整過程可由網絡控制器自動完成資源編排與下發。傳統網絡中主要的南-北向流量開始向東-西向流量過渡，節點間流量互穿場景增多，未來云化DC布局規劃面臨新的需求：

（1）支持超低時延數據轉發，滿足DC內部海量服務器間、虛機間的東-西向互穿流量的快速交互需要。

（2）支持虛機資源的動態遷移與調度管理，網絡可感知相應的資源遷移以及資源調度后發生的網絡位置變更，并可自動進行網絡重配置，減少人工運維干預。

（3）支持為不同租戶動態地創建邏輯隔離資源、滿足特定SLA、QoS需求的可彈性伸縮的虛擬網絡切片[2]。

（4）網絡具備智能化的負載均衡機制，支持網絡拓撲和鏈路容量自調整，適配網絡流量實時變化需求。

（5）支持DC以低成本、高擴展性方式平滑擴容，且DC擴展時實現環境自部署，不影響其他在網服務器及網絡設備。

3 運營商網絡云化實現方式

3.1 網絡云化架構

由于SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）技術主要強調控制與轉發分離、集中控制和可編程的網絡環境，這些特點與網絡云化的訴求高度契合。因此，采用基于SDN架構的網絡演進方案成為當前運營商研究和探索網絡全云化演進方案時的主要思路。云化DC可基于Spine-Leaf架構+SDN控制器方式實現統一的資源調度，使用Overlay技術實現網絡虛擬化（架構設計如圖1所示）。

圖1 DC虛擬化架構設計思路

（1）快速轉發網絡架構

云化網絡中的流量模型較傳統網絡發生變化，傳統樹形網絡中帶寬收斂的南-北向流量模式使得骨干鏈路帶寬壓力巨大，無法滿足DC內部及跨DC的流量快速轉發需求。此外，隨著服務器大規模集群化和虛擬化，海量的數據交換使得DC內部的東-西向流量倍增。未來如何使用一種更加扁平化的網絡架構提升轉發效率成為主要訴求，Spine-Leaf架構成為理想選擇。

Spine-Leaf是兩層網絡設備組建的扁平化網絡架構，其最大優勢是網絡延遲更低且網絡擴展性好。Spine等效于傳統架構中的核心交換機，由高端口密度、高吞吐量的三層交換機組成，根據網絡實際需要可擴展多臺Spine交換機來均衡分攤業務壓力。而Leaf交換機采用Full Mesh方式與所有Spine交換機相連，網絡中任意兩臺Leaf交換機間或更準確的說是任意兩臺Leaf下的服務器間的數據交互路徑跨數均保持一致（Leaf-Spine-Leaf），最大限度發揮服務器數據交互效能。當然，同一臺Leaf交換機下的服務器間的數據交互除外。同時，又因為Full Mesh組網，整個網絡結構也不受單機故障影響。

（2）基于SDN的統一調度

以Overlay的方式在底層快速轉發的物理網絡上部署集中控制的SDN網絡控制器，北向通過開放接口與業務平臺進行協同交互，通過控制器收集不同業務對網絡資源的實時需求；同時南向實時采集底層網元及鏈路資源信息，經控制器統籌編排計算出最優業務路徑，并完成對底層硬件資源的實時映射，從而實現業務與網絡資源的統一調度，滿足業務的個性化需求[3]。

（3）業務與網絡分離

虛擬化本質是將業務與網絡分離，以便于在一張物理網絡上實現邏輯切片。業務節點對用戶的不同類型數據包增加不同的目標和源業務節點信息報文頭并完成統一封裝；而轉發層網絡內部僅依據目標地址信息完成快速轉發，目標節點完成解封裝后，再向目標用戶推送原始數據報文。目前針對DC內部業務與網絡如何分離的問題，業界已有諸多通過Overlay方式能夠實現的解決辦法，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），以及VxLAN、NvGRE等為代表的IT方案（Information Technology，信息技術）[4]。

3.2 云化熱點舉措

（1）分布式網絡面向用戶下沉

如自動駕駛、遠程醫療以及工業智能制造等對網絡時延敏感的業務需求量急劇增加，傳統大區集中式的網絡架構將很難繼續支撐此類業務對網絡的基礎時延要求。通過在更靠近用戶側的市縣級網絡邊緣部署邊緣DC實現就近卸載本地流量的目的，進而提高應用需求的處理速度，打造極近用戶的分布式網絡將成為運營商面對時延敏感業務的主要解決方案。

（2）網絡連接及承載能力規模化

隨著業務場景擴大和豐富，傳統通信網絡不再只為手機、PAD、PC等電子設備提供網絡連接服務，一切可聯網設備設施均成為潛在承載對象。網絡泛在連接趨勢愈發明顯，新型網絡需具備強大的信息轉發交互能力來應對海量的接入需求。運營商將進一步擴大邊緣及區域DC的單點通信能力建設，這些能力涵蓋邊緣云計算服務、存儲及通信交互及配套網絡安全等等。此外，加速引入和完善虛擬化網絡控制器，實現新老網絡資源的自動化統籌編排和調配，提升網絡運維自動化程度，建立網絡自檢測、自排障與自修復的新運維機制。

（3）網絡需具備定制化服務能力

垂直行業對網絡的需求更加清晰，網絡場景更聚焦更復雜，運營商在面對智能電網、水務、醫療、教育等行業客戶時，將針對不同客戶提供具有不同帶寬、時延、安全指標要求的網絡解決方案。這就要求運營商將在物理網絡基礎上創建多個邏輯隔離的端到端的切片子網，為垂直市場提供定制化的網絡切片服務及解決方案。屆時，切片子網將實現端到端的資源切分，一個切片同時涵蓋核心網、IP承載網側、傳輸網以及無線網資源，并由各自的網絡切片管理器完成資源的協同編排和部署。

3.3 現網云化面臨的挑戰

盡管運營商網絡云化后可預見很多優勢，但是受限于現網規模、網絡復雜程度等種種內外部因素，運營商網絡云化重構尚面臨諸多挑戰：

（1）專有硬件數量龐大，短期更替難度大

眼下運營商現網主要依賴于設備廠家定制化開發的專用網絡硬件設備。此類設備雖性能強大，但由于其受制于廠家專有因素：設備功能較為單一、硬件成本高、設備尚未達到退網年限等，網絡建設方短期內難以完成在網設備的云化更替。

（2）CT與IT各有側重，云化模式無法照搬

盡管運營商在制定網絡云化重構的戰略時，已充分借鑒IT軟件化部署的思想，但由于CT業和IT業的立足點有根本性的不同（如：對網絡性能的要求、云平臺的架構要求等），無法照搬IT架構模式克服傳統通信網絡的短板和復雜性，如何在保證電信骨干網絡性能指標的前提下實現網絡設備云化及網絡扁平化架構改造將成為運營商下一步探索的重點。

（3）接口私有化，異廠家資源管理與編排難度大

網絡云化重構的技術架構、控制器與轉發層硬件資源的接口仍處于私有化階段，業界也尚未出臺統一的行業標準。各廠家間私有協議、接口的存在，將使得現網云化重構規模時，網絡控制器難以對異廠家間轉發層資源進行統一管理和編排，底層硬件資源仍容易被單一廠家長期鎖定，并最終形成另一個封閉的網絡煙囪。如何為云化后的平臺系統建立良好的移植性和兼容性成為眼下難題。

在網絡云化重構中，如SDN/NFV的跨域編 排（Software Defined Network/Network Function Virtualization，軟件定義網絡/網絡功能虛擬化）、容器和微服務模式等內容均有待長期實踐。在網絡演進過程中，由于CT、IT系統的內部復雜性一時難以克服，對外服務的質量和速率要求又存在差異，將導致公有云和運營商的私有云短期內還無法合并建設，傳統網元與虛擬化網元仍會面臨長期共存的局面，如何使現網以點帶面、循序漸進式的平滑演進將值得運營商未來不斷探索與嘗試。

4 結 語

隨著眼下業務形態的形成，未來網絡極簡的格局也逐漸清晰。區域DC和極近用戶的邊緣DC構成的兩級扁平網絡共同確保更低的端到端時延；在大帶寬、多連接、高精度業務的促進下，網絡去差異化格局進一步加劇，一張網絡承接多業務的泛連接需求不可避免；此外，運營商還會更多的面向垂直市場提供定制化網絡切片服務和解決方案，助力挖掘垂直行業市場潛在價值，推動產業鏈與垂直行業跨界發展。當然，運營商網絡的云化重構需歷經長期實踐論證才能被逐步實現和完善，未來的云化網絡架構最終會向著扁平化、泛連接、個性化的全云化方向不斷演進。