大數(shù)據(jù)時代的管道技術(shù)演進

摘要：認為在大數(shù)據(jù)時代，管道技術(shù)將向?qū)拵Щ葸M以提高傳輸速度；管道架構(gòu)將向扁平化演進以降低系統(tǒng)延時；軟件定義網(wǎng)絡(luò)的引入使管道向虛擬化發(fā)展，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的控制；多管道技術(shù)組合則可以使管道向智能化發(fā)展。這些方案均可以實現(xiàn)寬帶化和實時性傳輸，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)服務(wù)的高速、暢行無阻的傳送。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；管道技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)

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(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、社交媒體、網(wǎng)絡(luò)視頻、企業(yè)服務(wù)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)等服務(wù)的飛速發(fā)展，全球的數(shù)據(jù)正呈爆炸式的增長?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）報告指出：2012年已經(jīng)開始進入大數(shù)據(jù)時代，2013年全面引爆大數(shù)據(jù)，2020年全球?qū)碛泄灿嫾s35 ZB的海量數(shù)據(jù)，由此可知我們已經(jīng)邁進了大數(shù)據(jù)時代。大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)能實現(xiàn)實時處理，而且還要求其可以實現(xiàn)實時傳送，以增強用戶體驗。大數(shù)據(jù)還要依賴于管道網(wǎng)絡(luò)傳輸。每個人都是數(shù)據(jù)的貢獻者，同時也是數(shù)據(jù)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(xiàn)任意呼叫以及在任意瀏覽地貢獻和分享大數(shù)據(jù)服務(wù)，因此大數(shù)據(jù)將推動管道技術(shù)演進，促使管道網(wǎng)絡(luò)滿足大數(shù)據(jù)的高速暢行無阻傳送需求[1]。

數(shù)據(jù)傳送管道滿足大數(shù)據(jù)實時性傳送的需求，它主要是通過管道技術(shù)演進提升管道傳輸帶寬化，以解決海量大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)傳輸問題。

1管道技術(shù)演進

寬帶化是管道發(fā)展的必然趨勢。一方面大數(shù)據(jù)時代的信息爆炸和海量數(shù)據(jù)促使傳送管道必須越來越寬；另一方面用戶體驗要求數(shù)據(jù)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(shù)演進來提高傳輸效率以實現(xiàn)寬帶化。

圖1所示為數(shù)字光纖傳輸技術(shù)演進過程。第一代數(shù)字光纖傳輸技術(shù)采用時分復(fù)用（TDM）技術(shù)，傳輸速率達到2.5 Gbit/s；第二代則采用密集波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，傳輸速率到了1.6 Tbit/s；第三代采用多域復(fù)用技術(shù)，包括密集型光波復(fù)用（DWDM）、正交頻分復(fù)用（OFDM）、偏振復(fù)用（PDM）、正交相移鍵控（QPSK）和相干檢測等技術(shù)，傳輸速率達到了16 Tbit/s；從下一代數(shù)字光纖傳輸?shù)焦饴?lián)網(wǎng)的演進，將采用自動交換光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速率還將大幅提升。因此，在數(shù)字光纖傳輸技術(shù)演進中，傳輸能力每十年增長千倍，同時不斷采用新技術(shù)，如新的調(diào)制技術(shù)、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(shù)據(jù)時代的強烈需求推動，數(shù)字光纖傳輸將向超高速方向發(fā)展[2-3]。

無線傳輸?shù)膶拵Щ饕ㄟ^兩方面實現(xiàn)：增加傳輸頻譜帶寬以及提高頻譜效率。目前無線傳輸?shù)陌l(fā)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(yè)界主要采用高階調(diào)制和多天線技術(shù)，而新技術(shù)方面如角動量通信技術(shù)還處于初期的研究階段。另外無線通信的發(fā)展受頻譜占用等客觀因素的影響，技術(shù)逐步向高頻段發(fā)展，如5 GHz、45 GHz、60 GHz、可見光通信等。

移動通信在經(jīng)過2G基于電路域和窄帶技術(shù)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(xiàn)基于分組域并且移動寬帶化。以移動寬帶LTE技術(shù)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(shù)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]?；谏鲜黾夹g(shù)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(shù)的演進如表2所示。Wi-Fi技術(shù)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(dǎo)致的差異外，在技術(shù)演進方面，通過增加空口信道頻譜傳輸帶寬、采用高階調(diào)制和多天線技術(shù)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(gòu)演進

在大數(shù)據(jù)時代，用戶體驗要求管道網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酶?，除了通過技術(shù)演進提高傳輸效率和傳輸帶寬外，還要降低網(wǎng)絡(luò)延時，減少網(wǎng)元數(shù)量和數(shù)據(jù)交換次數(shù)。因此管道網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也需要進一步演進，盡可能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)簡化和扁平化。

圖2所示為3種無源FTTH的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議，其中圖2（A）是基于時分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）技術(shù)，是當前采用的技術(shù)和架構(gòu)，而圖2（B）和圖2（C）是谷歌光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議方案，分別是點到點直連到戶和基于波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）技術(shù)。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(gòu)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(wǎng)絡(luò)，因為多用戶共享收發(fā)器，協(xié)議方面采用以太網(wǎng)到PON再到以太網(wǎng)的協(xié)議棧，需要兩次協(xié)議棧轉(zhuǎn)換。圖2（B）采用光纖直接從中心機房到用戶，即點到點架構(gòu)，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(shù)光纜來實現(xiàn)此方案；圖2（C）則是基于WDM-PON技術(shù)，采用波分復(fù)用技術(shù)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都基于以太網(wǎng)協(xié)議，這種架構(gòu)是一種局域網(wǎng)向城域網(wǎng)絡(luò)延伸方案，谷歌的這種P2P模式是一種跨越式發(fā)展，可以使每戶帶寬達到1 Gbit/s。

為了降低系統(tǒng)時延，移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也需要向扁平化演進。圖3所示為移動網(wǎng)絡(luò)從3G到LTE的架構(gòu)變化，從圖3（A）的3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)到圖3（B）的LTE架構(gòu)，明顯減少了一層網(wǎng)元，因為圖3（B）中LTE網(wǎng)絡(luò)是eNodeB直接連接到核心網(wǎng)，而圖3（A）中3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是首先由NodeB匯聚到無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC），再進一步匯聚到核心網(wǎng)。這種三層架構(gòu)不但會造成系統(tǒng)延時長，而且還會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，增高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護成本。

對于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，可以通過引入內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）來提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。盡管互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是基于IP協(xié)議的網(wǎng)狀架構(gòu)，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(jīng)過多重路由，因此延時不受控制；另一方面大數(shù)據(jù)傳輸對骨干網(wǎng)絡(luò)提出挑戰(zhàn)，任何一個環(huán)節(jié)都可能影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)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(shù)據(jù)傳輸更快、更穩(wěn)定，需要在網(wǎng)絡(luò)中通過增加節(jié)點服務(wù)器方式，這樣使用戶就近獲取所需內(nèi)容，解決互聯(lián)網(wǎng)擁擠問題，提高用戶訪問網(wǎng)站的相應(yīng)速度，提升用戶體驗。

圖4所示CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)分為中心節(jié)點、區(qū)域節(jié)點和邊緣節(jié)點，用戶終端就近直接訪問邊緣節(jié)點，不必訪問中心節(jié)點和區(qū)域節(jié)點，邊緣節(jié)點基于緩存服務(wù)器，是中心節(jié)點的一個透明鏡像，距用戶僅一跳。因此這種架構(gòu)，可以降低系統(tǒng)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(yōu)化，并且提供自動生成服務(wù)器的遠程鏡像Cache服務(wù)器，即邊緣節(jié)點，從而使遠程用戶可以直接就近訪問邊緣節(jié)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(dān)管道網(wǎng)絡(luò)流量，減輕中心節(jié)點負載；另一方面可以減少網(wǎng)絡(luò)延時，提高用戶存取訪問速度，增強用戶體驗。CDN的鏡像服務(wù)，消除不用管道運營商之間互聯(lián)造成的瓶頸，實現(xiàn)跨運營商的網(wǎng)絡(luò)加速。廣泛分布在管道網(wǎng)絡(luò)上的CDN節(jié)點，也是一種節(jié)點的冗余備份，可以有效抵抗和降低網(wǎng)絡(luò)攻擊的影響，保證較好的服務(wù)質(zhì)量。

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，CDN的發(fā)展趨勢首先是邊緣節(jié)點逐步下沉，離用戶越來越近。在圖5中可發(fā)現(xiàn)CDN的發(fā)展趨勢：CDN邊緣節(jié)點距離光纖路終端（OLT）、核心網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)、邊緣路由器等網(wǎng)元設(shè)備越來越近。另外未來CDN功能集成到一些網(wǎng)元設(shè)備中也是一種必然趨勢。

總之，管道架構(gòu)的演進方法無論是通過減少網(wǎng)元數(shù)量實現(xiàn)架構(gòu)扁平化，還是增加CDN服務(wù)器，都是圍繞用戶體驗來展開的。只有數(shù)據(jù)以最快速度傳送到用戶終端，才能讓用戶享受于大數(shù)據(jù)時代的高質(zhì)量服務(wù)。

3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

全IP網(wǎng)絡(luò)是管道發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，網(wǎng)絡(luò)越來越龐大，但數(shù)據(jù)流向也越來越不確定，技術(shù)更新和大數(shù)據(jù)需求要求管道網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計理念。在這樣的背景下，新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計引入了軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN技術(shù)，其核心是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離，網(wǎng)絡(luò)集中控制，資源調(diào)度、軟硬件解耦以及功能虛擬化等，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活調(diào)度和智能控制，提升用戶體驗，提高網(wǎng)絡(luò)利用效率。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)解耦了數(shù)據(jù)、控制及應(yīng)用平面，通過支持可編程和分片化來實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離，如圖6所示。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的主要特征包括：控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制平面集中化、轉(zhuǎn)發(fā)平面通用化、軟件可編。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)實際是將管道虛擬化，使其脫離具體的硬件和廠家設(shè)備，并將整個網(wǎng)絡(luò)變成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺，由控制器統(tǒng)一控制整個網(wǎng)絡(luò)的資源分配和調(diào)度。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)使管道設(shè)備的軟硬件分離，改變了現(xiàn)有管道軟硬件捆綁的產(chǎn)業(yè)鏈。軟件定義網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)據(jù)時代的需求，多種管道技術(shù)以同樣的目的但用不同方式向用戶提供大數(shù)據(jù)服務(wù)。大數(shù)據(jù)時代是基于多種管道組合方式向用戶傳送服務(wù)，使用戶能在任何時間、任何地點實現(xiàn)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(shù)據(jù)時代的寬帶需求[6]。

管道技術(shù)演進一方面滿足大數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jīng)營轉(zhuǎn)向精細化管理，以支撐新型業(yè)務(wù)發(fā)展，為用戶提供按需、靈活的體驗和更便捷的個性化服務(wù)。管道的智能化還包括多管道間的協(xié)同機制，以滿足不同用戶、在不同應(yīng)用場景下的不同需求。因此，智能化管理是大數(shù)據(jù)時代管道技術(shù)發(fā)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(jié)束語

大數(shù)據(jù)時代對其承載的管道技術(shù)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(shù)方面將向?qū)拵Щ葸M以提高傳輸速度，管道架構(gòu)方面將扁平化演進以降低系統(tǒng)延時，軟件定義網(wǎng)絡(luò)使管道資源向虛擬化演進，多管道技術(shù)組合使管道向智能化管理演進。

參考文獻

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[2] 鄔賀銓.大數(shù)據(jù)時代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[C]// CCSA第11次會員大會， 2012年12月18日，北京.

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[6] 趙慧玲，徐向輝. 智能管道發(fā)展總體思路探討[J].中興通訊技術(shù)， 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(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)規(guī)劃、綜合方案、戰(zhàn)略規(guī)劃等工作；累計申請發(fā)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(wǎng)絡(luò)總監(jiān)；長期從事有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)和市場規(guī)劃。

江華，中興通訊首席架構(gòu)師、戰(zhàn)略規(guī)劃部副部長、“移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室”學(xué)術(shù)委員會主任；長期從事通信產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)劃、應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化工作。