超宽带网络体系架构中的关键技术

1 引言

互联网的出现放大了人的社会属性，随着网络空间的扩展，网络将成为人们工作和生活的有机组成部分。未来，在授权范围内，任何人均可通过互联网随时随地平等地获得所需的服务与信息。此时，网络基础设施对用户呈现出更多的“透明”特性（即用户在获得服务与信息时无需感觉到网络的存在）。这就对底层网络基础设施提出更高要求，无论在覆盖范围、接入带宽、网络安全方面，还是在可靠性与扩展性等方面，都远远超出传统的网络标准。

作为信息时代的基础设施，宽带是国家经济社会发展的重要基础，也是衡量国家竞争力的重要标准之一。2010年，联合国宽带委员会成员签署了《基于宽带的未来》的宣言，宽带接入被视为公民的基本法律权利。目前，已经有近百个国家和地区启动了国家宽带计划。

互联网与信息化进程相伴而生，工业化与信息化融合进程为互联网的发展注入新的活力。人—人、人—物乃至物—物相连将是未来互联网的主要形态。因此，融合承载、规模扩展、绿色环保、安全可信以及超宽带接入(100Mbit/s以上)等将成为未来互联网背景下网络基础设施的基本要求。

本文从未来互联网对网络基础设施的需求着手，以超宽带网络相关技术为研究对象，在分析研究超宽带网络基本要求的基础上，重点对超宽带网络体系架构中的关键技术进行了研究。

2 超宽带网络基本要求

技术的发展必须以人为本，网络亦然。超宽带网络的发展必须以满足用户信息化需求为中心，具体表现在：

（1）超大规模超宽带接入

随着物联网、云计算以及富媒体等技术的规模发展与应用，用户和终端规模进一步扩大。若以城域网为单位，用户规模超千万、终端规模超亿将成为未来宽带网络的重要特征。视频业务以及虚拟现实等技术的快速发展极大地推动了用户对带宽需求的增长，在未来相当长的一段时间内，带宽仍将是用户的首要需求。人均带宽100Mbit/s将是未来宽带接入的基本要求。

（2）广泛覆盖

随着信息化与工业化融合进程的推进，随时随地、任意终端与任意方式的安全接入已成为用户对信息服务的基本需求。网络覆盖范围与物理空间的趋同成为大势所趋，泛在接入成为超宽带网络的基本要求之一。

（3）融合承载

随着网络应用的丰富与发展，传统的网络—业务紧密契合的“烟囱式”网络建设模式难以为继，基于IP技术的网络融合承载趋势不可逆转。在ALL-IP架构下，包括视频、音频、数据以及移动等所有应用与业务均应通过同一张网络实现融合承载。

（4）超高可靠性

承载可靠性是多业务融合承载的基本条件。超宽带网络应能实现关键业务的超高可靠性指标（99.9999%）。满负荷情况下，关键节点和关键链路故障倒换时间应小于50ms。

（5）绿色节能

绿色节能是实现宽带网络可持续发展的必要条件。超宽带网络运营过程中，必须从降低每比特能耗和提升每比特承载效率两方面着手，提升网络效能，切实降低单位能耗。

（6）安全可信

互联网的开放性和泛在性正在将网络和信息安全提升到前所未有的高度。安全可信的网络对于互联网持续健康发展至关重要。在打造超宽带网络基础设施的同时，需要建立用户/网络/业务全方位安全保障体系，打造端到端一体化安全保障能力，实现超宽带网络环境下的用户、网络和业务的安全保障。

（7）平滑演进

网络平滑演进是网络可持续发展的重要保障。超宽带网络建设过程中，应该从网络设备可重用、网络架构可扩展以及网络能力可升级等方面保证网络的平滑演进。

（8）智能管控

用户体验与网络效能是互联网发展过程中的两个关键命题。向用户提供“按需”（On-Demand）的用户体验是未来互联网的典型特征。“按需”用户体验要求网络资源具备智能管控与调配能力，而这种智能管控能力则依赖于用户—网络—业务的有效协同。

（9）IPv6技术和业务使能

未来，海量终端的接入以及“永远在线”的业务特性，需要超宽带网络具备足够的寻址空间。IPv4地址空间难以满足超宽带网络的发展，因此超宽带网络必须是IPv6技术和业务使能的网络。

3　超宽带网络关键技术研究

超宽带网络体系通过将网络的传送、计算与存储等三类能力的有机融合，实现对未来互联网的强力支撑。一个完整的超宽带网络架构需要高效承载、可靠保障、安全可信、智能管控、绿色节能和体验提升等关键技术支撑。安全可信与智能管控技术涉及到用户、网络与业务等多个层面的协同及资源调度。本文主要从网络承载角度对相关技术进行分析研究，对安全可信与体验提升等技术不进行详细叙述。

3.1　高效承载技术

ALL-IP架构下，支撑高效承载的关键技术包括IPoE，IP与传输协同以及网络—平台协同等。

（1）IPoE基于DHCP协议扩展，可实现广域的IP报文认证、授权、计费和有效传输。相对于目前广泛使用的PPPoE而言，IPoE的优势不仅在于封装结构的简化，而且在于组播分发效率的提升：PPPoE接入方式下，由于用户与接入控制网关之间是PPP连接，组播报文的复制只能以每用户为单位，实际效果类似于单播承载；IPoE方式下，组播报文基于端口或VLAN复制，如果结合跨VLAN组播，可实现更高效率的组播分发。大规模直播业务条件下，IPoE方式可实现组播复制点由接入控制网关向接入网络等位置的下移，进一步提高组播分发效率。

（2）IP与传输协同主要指IP与OTN的协同，此种方式下，通过路由器上引入通道化OTN技术或OTN上引入VLAN子接口技术，实现路由器与OTN设备在物理接口上的互通，并通过GMPLS协议进行网络流量的统一调度，实现IP层与光层有效协同条件下的流量优化承载。为满足超宽带网络架构和业务承载需求，必须提升OTN的资源调度和灵活组网能力，具体而言，就是通过增强OTN设备的端口汇聚和流量汇聚能力，实现更加灵活的资源调度，目前EOO（Ethernet Over OTN）等技术就是典型代表。

（3）网络—平台协同目前主要指基于CDN的视频内容推送。根据IBM公司的研究成果，过去25年中，存储成本以平均每周3%的速度下降，远快于网络带宽成本的下降速度；另一方面，就近获取视频内容的方式可显著提升用户体验。网络—平台协同就是基于“存储换带宽”理念，将CDN平台引入网络，在缓解带宽压力的同时，进一步提高用户体验。CDN的智能分片和内容智能“拉取”技术可进一步提升内容推送效率，是该领域的研究重点。此外，将CDN功能集成到网络设备实现网络—业务更加有机协同，成为该领域的主要趋势。

3.2　业务可靠性保障技术

承载可靠性是业务可靠性的根本保障，由于IP网络的“尽力而为”特性，IP综合承载条件下的可靠性始终是IP网络构建过程中重点关注的问题。IP网络可靠性主要通过快速故障检测和拓扑/设备冗余实现。

由于不同网元/链路在网络中的角色定位不同，在可靠性保障方面的作用也不尽相同。从关键网元/链路入手，有的放矢，提升网络可靠性，是超宽带网络关注的重点。在超宽带网络中，接入控制设备不仅承担着流量转发和控制功能，而且承担着用户管理的部分功能，是业务可靠性保障环节最重要的网元。因此，接入控制设备可靠性是超宽带网络业务可靠性的重要保障。接入控制设备可靠性主要通过跨机箱无缝热备技术实现。跨机箱无缝热备技术原理如图1所示，在用户信息同步的基础上，结合VRRP和BFD等技术，在满负荷情况下可保证关键节点和关键链路故障倒换时间小于50ms。以此为基础，配合快速路由收敛等技术，可实现视频、音视等关键业务的超高可靠性指标（99.9999%）。

图1　跨机箱无缝热备技术原理

网络虚拟化技术的发展，为更大范围实施可靠性保障提供了可能，目前出现的接入控制设备池化和集群等相关技术，可以在更大范围内实现可靠性保障。

3.3　绿色节能技术

绿色节能体现在设备研发、网络设计与运营等环节。高集成度、低能耗和大容量是设备研发的基本要求，在设备架构设计之外，芯片工艺水平对设备能耗的影响非常明显。通常，工艺水平的提升会实现能耗的实质下降。目前，网络设备的芯片工艺主要集中在65nm水平，未来将向45nm和32nm工艺水平过渡。超宽带网络以光网技术为主构建，在提升网络容量的同时提升网络效能：在接入部分以PON技术为主实现全场景全业务接入，而在骨干部分则通过IP—传输协同等方式实现光网承载。在网络运营过程中，主要通过打造用户—网络—业务一体化智能协同体系，实现网络整体运营水平的提升和能耗的下降。

3.4　体验提升技术

人们对用户体验的永恒追求是驱动信息化社会发展的原动力。视频业务在所有互联网业务中对用户体验要求最高。因此，用户体验提升主要集中在视频业务体验提升方面。由于视频业务的长连接、高带宽以及用户体验敏感等特点，大规模视频业务的开展对网络容量和承载能力都带来极大挑战。视频体验提升主要基于视频增强技术实现。

视频增强技术通过视频业务处理和存储，实现视频内容的重传和缓存。基于视频增强技术，视频切换时间可大大缩短，画面质量得以大幅提高。视频增强技术在提升视频用户体验的同时，通过IP和存储技术协同，缩短流量路径，实现了网络流量模型优化，提升了带宽效率。未来，视频业务功能会逐渐集成在网元设备上。

基于视频增强技术的部署，还可通过随流检测等方式形成对视频业务的实时监控，实现对视频故障的快速定界和定位。

4　结束语

决定未来互联网发展的根本是网络基础设施。超宽带网络是在传统宽带网络基础上的继承和革新。相对于传统宽带网络，超宽带网络将网络的传送、计算与存储能力有机融合，能更好地满足未来互联网发展需求。超宽带网络的运营和发展依赖于宽带产业的发展和技术创新，只有有效整合产业链的力量，超宽带网络才能步入更加快速和健康的发展轨道，才能更好地支持未来互联网的发展。