云網(wǎng)融合體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

喬愛鋒（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇南京 210019）

0 引言

在國家“新基建”發(fā)展戰(zhàn)略背景下，基于通信技術(shù)和信息技術(shù)不斷演進和深度融合，電信運營商面向不同客戶上云入云和云間互聯(lián)的業(yè)務(wù)場景需求，正在全面推進以云和網(wǎng)為關(guān)鍵要素和核心驅(qū)動的云網(wǎng)融合新型基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)，構(gòu)建以網(wǎng)絡(luò)、新技術(shù)和算力等新型信息基礎(chǔ)設(shè)施為代表的全新的“云、網(wǎng)、邊、端”一體化產(chǎn)品服務(wù)能力和融合生態(tài)模式。自2020年以來，三大電信運營商相繼發(fā)布云網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢，提出面向2030 年的云網(wǎng)融合演進發(fā)展目標(biāo)和關(guān)鍵舉措，加快推進以云計算、軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（SDN/NFV）為核心技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)向以云原生、云網(wǎng)切片、智能內(nèi)生、確定性服務(wù)、內(nèi)生安全為主要技術(shù)特征的云網(wǎng)融合架構(gòu)演進。云網(wǎng)融合不僅在筑牢新基建底座和賦能數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面發(fā)揮基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性作用，而且可以滿足電信運營商網(wǎng)絡(luò)自身轉(zhuǎn)型要求，助力電信運營商打造“智能管道”業(yè)務(wù)的新路徑，將成為電信運營商新的業(yè)務(wù)增長點和主要收入來源。

1 云網(wǎng)融合體系架構(gòu)

隨著技術(shù)的革命和產(chǎn)業(yè)的變革，云網(wǎng)融合的內(nèi)涵、外延將持續(xù)演進發(fā)展，在各個發(fā)展階段不斷拓展和豐富，改變未來信息基礎(chǔ)設(shè)施資源供給體系的架構(gòu)和模式。云網(wǎng)融合的發(fā)展大致將經(jīng)歷3個階段。

第1 階段，云和網(wǎng)獨立規(guī)劃建設(shè)。針對客戶特定應(yīng)用場景，采用SDN、NFV 等技術(shù)提供云專線、云專網(wǎng)等云網(wǎng)產(chǎn)品，解決一點開通、一鍵入云。

第2 階段，云和網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)。實現(xiàn)云網(wǎng)邊資源統(tǒng)一管理，按需調(diào)度和智能編排。

第3 階段，云和網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)、開發(fā)方式、規(guī)劃部署和運營管理等完全統(tǒng)一，基于數(shù)字化平臺對內(nèi)對外開放云網(wǎng)服務(wù)能力。

面向未來不同行業(yè)的全業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，云網(wǎng)融合將融合新型通信網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，向以數(shù)字化、云原生、智能協(xié)同、內(nèi)生安全和能力開放等為關(guān)鍵技術(shù)特征的資源融合架構(gòu)演進發(fā)展。

云網(wǎng)融合通過實施軟件化、虛擬化、云化、智能化和服務(wù)化，將形成一體化的融合技術(shù)架構(gòu)，提供多源異構(gòu)的資源體系，基于新型信息基礎(chǔ)設(shè)施資源供給，靈活適配不同類型客戶的多樣化業(yè)務(wù)場景對云計算基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)連接和資源調(diào)配、數(shù)據(jù)和算力資源等服務(wù)需求。云網(wǎng)融合的功能架構(gòu)主要包括基礎(chǔ)設(shè)施層、云網(wǎng)資源層、云網(wǎng)能力層和應(yīng)用服務(wù)層，云網(wǎng)融合功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 云網(wǎng)融合功能架構(gòu)圖

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件形態(tài)，由電信運營商在全國分級部署的公有云、專屬云、邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施資源池、Underlay（物理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)）和Overlay（邏輯疊加網(wǎng)絡(luò)）協(xié)同構(gòu)建的入云和云間網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施共同組成。

1.2 云網(wǎng)資源層

引入SDN、NFV 和開源軟件技術(shù)，通過云管理平臺、虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理以及SDN 控制器等對云網(wǎng)功能和資源實現(xiàn)虛擬化抽象和服務(wù)化封裝，形成以虛機和容器為基礎(chǔ)設(shè)施的云資源、以SDN/NFV 為技術(shù)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)資源、以數(shù)據(jù)湖為特征的云網(wǎng)數(shù)據(jù)資源和以x86/ARM/FPGA/GPU/TPU 等多樣化芯片為代表的異構(gòu)算力資源。

1.3 云網(wǎng)能力層

運用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)實現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字邏輯抽象，具備云原生開發(fā)環(huán)境、面向業(yè)務(wù)的云網(wǎng)切片、安全內(nèi)生等能力，對各種資源進行統(tǒng)一管理和集中編排，為各類行業(yè)應(yīng)用的實時、按需、動態(tài)化部署提供無差別的云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施運營和服務(wù)。

1.4 應(yīng)用服務(wù)層

基于統(tǒng)一的云網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建數(shù)字智能、能力開放和融合生態(tài)的應(yīng)用平臺，提供云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、開放能力和應(yīng)用開發(fā)運行環(huán)境，對外賦能各行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用、服務(wù)和商業(yè)模式創(chuàng)新，對內(nèi)支撐企業(yè)營銷、運營和運維的數(shù)智化轉(zhuǎn)型。

2 云網(wǎng)融合關(guān)鍵技術(shù)

2.1 云原生網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用

在云網(wǎng)融合發(fā)展趨勢下，通信網(wǎng)絡(luò)和IT 應(yīng)用的云原生同構(gòu)技術(shù)演進，讓云網(wǎng)融合有了可行的技術(shù)基礎(chǔ)和業(yè)務(wù)創(chuàng)新空間，通信運營商正在全面推進云原生技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)云原生、云原生平臺和應(yīng)用、云原生運營支撐系統(tǒng)等各類通信行業(yè)云化場景的部署和應(yīng)用。

在通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)化架構(gòu)的部署實施促進網(wǎng)絡(luò)云化向云原生架構(gòu)方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)云原生的目標(biāo)是基于容器技術(shù)，以微服務(wù)為服務(wù)對象，支持承載網(wǎng)元實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云原生化的快速開發(fā)、彈性擴展和智能運維。網(wǎng)絡(luò)云原生架構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施采用裸金屬、虛擬機和容器等融合部署方式，集成智能運維、開發(fā)運營一體化（DevOps）和主流微服務(wù)框架，對網(wǎng)絡(luò)功能進行微服務(wù)設(shè)計、容器化封裝，通過編排和管理系統(tǒng)與現(xiàn)有業(yè)務(wù)支撐及網(wǎng)管系統(tǒng)融合對接，推動網(wǎng)絡(luò)云化由網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化架構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)云原生架構(gòu)演進，面向網(wǎng)絡(luò)云原生的功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 面向網(wǎng)絡(luò)云原生的功能架構(gòu)圖

在平臺和應(yīng)用領(lǐng)域，基于開放網(wǎng)絡(luò)自動化平臺（ONAP）框架的云網(wǎng)運營系統(tǒng)和面向DevOps的工具鏈集成，通信運營商可以為客戶提供具備云網(wǎng)融合、敏捷迭代、自服務(wù)和平臺生態(tài)等特征的一體化產(chǎn)品解決方案，實現(xiàn)從需求、開發(fā)、交付到運營監(jiān)控的端到端敏捷交付平臺和流程。一方面，DevOps 工具鏈集成和平臺將單個功能點的工具用接口設(shè)計、流程引擎、數(shù)據(jù)適配等方式整合為完整的服務(wù)平臺，從而實現(xiàn)端到端的自動化流水線。另一方面，采用Linux 基金會開源的ONAP，實現(xiàn)準(zhǔn)實時的通信網(wǎng)絡(luò)資源編排開通，為云網(wǎng)融合應(yīng)用提供數(shù)字化和自動化接口，支撐云端融合應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)隨選和分鐘級業(yè)務(wù)開通。

2.2 云數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)架構(gòu)

隨著云計算技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)無法滿足新業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)承載的要求。首先，傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)限制了虛擬機的大范圍甚至跨地域的動態(tài)遷移，需要云數(shù)據(jù)中心構(gòu)建大二層網(wǎng)絡(luò)。其次，云數(shù)據(jù)中心東西向流量大量增長并成為主要的網(wǎng)絡(luò)流量，東西向流量的無阻塞轉(zhuǎn)發(fā)成為云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵需求。因此，云數(shù)據(jù)中心物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要從傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向基于Clos（無阻塞多級交換網(wǎng)絡(luò)）的兩層Spine-Leaf（葉脊）組網(wǎng)架構(gòu)演進，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、路由組織和自動化管控等方面滿足大規(guī)模組網(wǎng)能力下的彈性擴縮、高效轉(zhuǎn)發(fā)和高可靠性等需求。云數(shù)據(jù)中心Spine-Leaf 組網(wǎng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 云數(shù)據(jù)中心Spine-Leaf組網(wǎng)架構(gòu)圖

在Spine-Leaf 架構(gòu)中，Spine（骨干節(jié)點）是網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點，提供高速IP 轉(zhuǎn)發(fā)能力，通過高速接口連接各個功能Leaf 節(jié)點，Leaf（葉子節(jié)點）是網(wǎng)絡(luò)功能接入節(jié)點，提供各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入功能。其中，Server Leaf 提供虛擬化服務(wù)器、物理機等計算資源接入功能；Service Leaf 提供防火墻、負載均衡等增值服務(wù)接入功能；Border Leaf 用于連接外部路由器，提供數(shù)據(jù)中心外部流量接入功能；Service Leaf 和Border Leaf 可以獨立設(shè)置或融合部署。Spine 和Leaf 交換機之間采用三層路由接口互聯(lián)，可以選擇開放式最短路徑優(yōu)先（OSPF）或外部邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EBGP）實現(xiàn)Underlay 網(wǎng)絡(luò)三層互聯(lián)，通過跨設(shè)備鏈路聚合技術(shù)和等價多路徑（ECMP）實現(xiàn)多路徑轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路快速切換，支持無阻塞轉(zhuǎn)發(fā)、橫向彈性擴展和網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2.3 入云及云間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2.3.1 SD-WAN

軟件定義廣域網(wǎng)絡(luò)（SD-WAN）是將SDN 技術(shù)應(yīng)用到廣域網(wǎng)場景中所形成的一種服務(wù)，用于連接廣域范圍的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及云服務(wù)等?；谶\營商的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)資源及SD-WAN 技術(shù)，可為企業(yè)用戶提供一點訪問云資源、統(tǒng)一管理廣域網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù)，保障網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性、簡化運維管理和降低成本。SD-WAN 解決方案具備多種鏈路連接并動態(tài)選路、快速靈活部署、網(wǎng)絡(luò)集中管理和軟件定義安全等特性。

在云網(wǎng)融合發(fā)展趨勢下，SD-WAN 采用虛擬化技術(shù)和Overlay 網(wǎng)絡(luò)承載方式，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)彈性構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連接，利用業(yè)務(wù)流識別和業(yè)務(wù)鏈調(diào)度技術(shù)，對不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進行逐流和逐包的定制化處理，為企業(yè)便捷入云和云間互聯(lián)提供差異化網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)保障。未來，SD-WAN 將向接口標(biāo)準(zhǔn)化、接入輕量化、管理協(xié)同化和智能化、安全集成化趨勢發(fā)展，主要應(yīng)用于企業(yè)云接入和多云互聯(lián)場景，成為新一代云網(wǎng)融合信息基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2.3.2 SRv6/EVPN

SRv6（IPv6 分段路由）是基于源路由理念的IPv6分組轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，在IPv6 報文中引入了分段路由擴展頭（SRH），對分段編程組合形成SRv6 路徑，實現(xiàn)基于IPv6 的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)。SRv6 在控制面基于以太虛擬私有網(wǎng)絡(luò)（EVPN）控制器的集中控制，實現(xiàn)路徑的按需規(guī)劃和調(diào)度；在轉(zhuǎn)發(fā)面融合路由和MPLS 等2 種技術(shù)屬性，支持業(yè)務(wù)識別和路徑可編程，構(gòu)建端到端跨域業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)平面，為客戶提供應(yīng)用級業(yè)務(wù)質(zhì)量保障，滿足未來網(wǎng)絡(luò)向IPv6平滑演進的需要。

隨著SRv6技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的逐漸成熟，基于全IPv6的SRv6/EVPN 具備可編程、易部署、易維護、協(xié)議簡化的特點，應(yīng)用領(lǐng)域從骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)向數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)逐步擴展，可以有效統(tǒng)一云內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、云間網(wǎng)絡(luò)、入云網(wǎng)絡(luò)的承載協(xié)議，提供云網(wǎng)一體化網(wǎng)絡(luò)的綜合承載方案，滿足新業(yè)務(wù)對IP 地址規(guī)模擴展需求，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對多樣化的新業(yè)務(wù)感知和智能傳送，成為云網(wǎng)融合趨勢下基于IPv6的核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和重要發(fā)展方向。

3 云網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢

為實現(xiàn)云網(wǎng)融合目標(biāo)功能和技術(shù)體系架構(gòu)，未來云網(wǎng)融合的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 空天地海的泛在連接

基于移動通信網(wǎng)、寬帶光纖網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等多接入方式的端到端協(xié)同，構(gòu)建覆蓋空、天、地、海的一體化、立體化的融合網(wǎng)絡(luò)，提供全域覆蓋、靈活敏捷、數(shù)字智能、確定可靠、安全可控的泛在連接網(wǎng)絡(luò)。

3.2 云網(wǎng)邊端智能協(xié)同

根據(jù)垂直行業(yè)的特定業(yè)務(wù)特性和個性化服務(wù)要求，在云網(wǎng)邊端實現(xiàn)計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、應(yīng)用和數(shù)據(jù)等融合資源服務(wù)的分布部署和智能協(xié)同，滿足行業(yè)數(shù)字化在靈活接入、確定性服務(wù)、實時智能、安全保障等方面的關(guān)鍵需求。

3.3 新型云網(wǎng)資源融合

采用云網(wǎng)切片、確定性網(wǎng)絡(luò)、人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源和算力資源等新型資源融合供給模式，實現(xiàn)云網(wǎng)全局統(tǒng)一數(shù)據(jù)視圖、云網(wǎng)全局算力共享和智能調(diào)度，提供按需、智能和高效的算力網(wǎng)絡(luò)和資源服務(wù)。

3.4 內(nèi)生確定性網(wǎng)絡(luò)

通過內(nèi)生的網(wǎng)絡(luò)確定性機制實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的協(xié)同調(diào)度和融合部署，提供全場景、跨層跨域、覆蓋確定、連接確定、時延確定、安全可靠的確定性網(wǎng)絡(luò)連接能力。

3.5 智能內(nèi)生機制

運用數(shù)字孿生技術(shù)和人工智能技術(shù)，建立端到端物理網(wǎng)絡(luò)拓撲及云網(wǎng)資源的虛擬數(shù)字實體，通過智能感知、建模仿真、故障預(yù)測、路徑優(yōu)化、自動測試等手段，實現(xiàn)自組織、自適應(yīng)、自服務(wù)、自優(yōu)化、自治愈的網(wǎng)絡(luò)自治能力。

3.6 安全內(nèi)生機制

構(gòu)建融合安全資源、能力和服務(wù)的內(nèi)生安全運營體系，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)實現(xiàn)對安全原子能力的協(xié)同編排，形成端到端云網(wǎng)一體化智能安全解決方案和服務(wù)能力。

4 結(jié)束語

目前，通信技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合正在推動產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，各行業(yè)全新業(yè)務(wù)場景對未來網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)形式、性能指標(biāo)、部署與發(fā)展提出更高的要求，驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變革和云網(wǎng)能力升級。云網(wǎng)融合基礎(chǔ)設(shè)施由基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)功能層和協(xié)同編排層水平集成的3 層網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)持續(xù)向以接入云、轉(zhuǎn)發(fā)云和控制云為中心的云化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進。在未來產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、算力網(wǎng)絡(luò)、移動業(yè)務(wù)承載、新媒體新通信等多種復(fù)雜業(yè)務(wù)場景需求背景下，云網(wǎng)融合體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展需要在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、DOICT（大數(shù)據(jù)技術(shù)、運營技術(shù)、信息技術(shù)和通信技術(shù)）融合、IP 新技術(shù)與5G-A/6G 結(jié)合、可信安全等領(lǐng)域加速新一代IP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系的創(chuàng)新變革，實現(xiàn)空天地組網(wǎng)、分布式自治、數(shù)字孿生、智慧內(nèi)生、安全內(nèi)生、確定性網(wǎng)絡(luò)、算力網(wǎng)絡(luò)、語義通信、數(shù)據(jù)服務(wù)、感知網(wǎng)絡(luò)等多項關(guān)鍵技術(shù)突破創(chuàng)新，在云網(wǎng)融合基礎(chǔ)設(shè)施的新架構(gòu)、新能力和新協(xié)議等方面形成行業(yè)共識，并不斷推進體系架構(gòu)和核心技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)化。

面向2030+云網(wǎng)體系架構(gòu)和技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢，電信運營商將基于統(tǒng)一規(guī)劃的通信云資源池在網(wǎng)絡(luò)邊緣規(guī)模部署多接入邊緣計算平臺和應(yīng)用，通過構(gòu)建基于云、網(wǎng)、邊深度融合的算網(wǎng)一體智能網(wǎng)絡(luò)，支持云網(wǎng)、云邊、邊邊之間的多級算力分配和靈活調(diào)度，實現(xiàn)算網(wǎng)資源的統(tǒng)一管控和彈性調(diào)度，提供確定性業(yè)務(wù)時延保證和智能自治網(wǎng)絡(luò)能力，充分發(fā)揮云網(wǎng)融合在海量連接和管理、云網(wǎng)邊端協(xié)同和智能、統(tǒng)一運營管理和服務(wù)、云網(wǎng)內(nèi)生安全等方面的能力優(yōu)勢，為多種網(wǎng)絡(luò)接入提供統(tǒng)一承載和服務(wù)，從而深刻變革信息基礎(chǔ)設(shè)施的供給、服務(wù)和運營模式，促進新型網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)創(chuàng)新、生態(tài)系統(tǒng)開放和產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展，加速經(jīng)濟社會的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化進程，為全社會產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型構(gòu)建堅實的數(shù)字底座。