云網(wǎng)深度融合IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用淺析

周惠琴

【摘要】? ? 為了解決URLLC，有效保障5G賦能的千行百業(yè)的差異化要求。本文以云網(wǎng)的深度融合為例，對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念和架構(gòu)進(jìn)行研究，提出了包括虛擬化、容器、軟件定義、人工智能（AI）的解決措施，以期為相關(guān)人員或工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】? ? 融合? ? IP網(wǎng)絡(luò)? ? 解耦? ? 確定性? ? 安全

引言：

5G促使了云和網(wǎng)的深度融合，通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（CT）和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IT）的深度融合發(fā)展。云網(wǎng)深度融合是云和網(wǎng)協(xié)同協(xié)作聯(lián)動(dòng)的過(guò)程典范，網(wǎng)是基礎(chǔ)，需要構(gòu)建一張適用于5G乃至6G的未來(lái)網(wǎng)絡(luò);云是核心，把IT技術(shù)融入到網(wǎng)絡(luò)中，即虛擬化、云化、容器化、服務(wù)化、智能化等技術(shù)貫穿于云和網(wǎng)中，以正真做到云隨網(wǎng)部，網(wǎng)隨云動(dòng)，云網(wǎng)聯(lián)動(dòng)。云網(wǎng)深度融合以期實(shí)現(xiàn)一張極簡(jiǎn)、敏捷、開(kāi)放、融合、安全和智能，以及統(tǒng)一的資源配置/供給、運(yùn)營(yíng)和服務(wù)為目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)。由于，IP網(wǎng)絡(luò)是云網(wǎng)深度融合的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一;所以，IP網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)一直以來(lái)備受業(yè)界的廣泛關(guān)注，IP網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)涉及其組網(wǎng)（單域組網(wǎng)、跨域/多域組網(wǎng)）架構(gòu)、協(xié)議、確定性、安全性。雖然隨著SD-WAN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，SD-WAN組網(wǎng)方式已經(jīng)商用部署，可以做到敏捷、開(kāi)放、融合、部分自動(dòng)化部署和運(yùn)維;但是如何做到好用以及全自助化，滿足并有效保障5G/6G賦能的千行百業(yè)的差異化要求，仍需進(jìn)一步對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究，并推動(dòng)其標(biāo)準(zhǔn)化。本文從云網(wǎng)深度融合的需求和架構(gòu)、云網(wǎng)深度融合IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)、當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)進(jìn)行了研究和分析云網(wǎng)深度融合需求和架構(gòu)。

一、云網(wǎng)深度融合需求

為了更好地做到URLLC，提出了云網(wǎng)深度融合的部署方案。云網(wǎng)深度融合需求方案如圖1[1]，節(jié)省了由本地云/邊緣云與上層云/核心云之間回程傳送的時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)URLLC并滿足SLA的有效保障;而其上層云/核心云仍可以訪問(wèn)邊緣云的歷史數(shù)據(jù)。對(duì)于一些實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)如計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)，可以傳送至核心云并由核心云處理。

二、云網(wǎng)深度融合IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及設(shè)計(jì)理念

根據(jù)IETF正在討論和制定中的草案網(wǎng)絡(luò)功能互聯(lián)架構(gòu)[2]，提煉總結(jié)了云網(wǎng)深度融合IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2[1]。采用標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議，開(kāi)放的架構(gòu)及通用的接口信息模型，靈活彈性的可編程為設(shè)計(jì)理念，以期實(shí)現(xiàn)極簡(jiǎn)、敏捷、開(kāi)放、融合、安全和智能的網(wǎng)絡(luò)，以及網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的資源配置、運(yùn)營(yíng)、服務(wù)，做到易擴(kuò)容、實(shí)時(shí)的服務(wù)開(kāi)通。

三、云網(wǎng)深度融合IP網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

3.1虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)[3]的采用實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理資源進(jìn)行抽象整合構(gòu)成虛擬資源即虛擬化層，在虛擬資源上安裝和部署多個(gè)虛擬機(jī)以實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶共享相同的物理資源，按需構(gòu)建實(shí)例，形成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)。虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)在物理網(wǎng)絡(luò)上，不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)可以共享同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)。

3.2 SDN技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)了將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面（CP）和數(shù)據(jù)面（DP）的解耦分離，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，具有開(kāi)放性可編程的特點(diǎn)。推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)智能化的實(shí)現(xiàn)。SDN和虛擬化技術(shù)有效的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了不同層面的技術(shù)深度融合，架構(gòu)和服務(wù)運(yùn)營(yíng)模式融合，提高了管理和控制的靈活性。

3.3容器技術(shù)

由于虛擬化技術(shù)在性能和資源使用效率方面仍存在一些問(wèn)題，因此出現(xiàn)了一種容器（Container）的新型虛擬化技術(shù)[5]來(lái)幫助解決這些問(wèn)題。容器技術(shù)有效的將單個(gè)操作系統(tǒng)的資源劃分到孤立的組中，組建了不同的微服務(wù)功能模塊/組件，即一個(gè)微服務(wù)就是一個(gè)模塊/組件，他們之間相互獨(dú)立并不存在依賴關(guān)系，這樣不僅能夠更好的按客戶個(gè)性化的要求做到靈活的迭代不同的微服務(wù)模塊，開(kāi)通服務(wù)就像搭積木式方便，更好的做到了快速、靈活、實(shí)時(shí)的服務(wù)開(kāi)通，而且能夠更好的做到在每個(gè)獨(dú)立的組之間平衡有沖突的資源使用需求。即容器技術(shù)可持續(xù)集成/持續(xù)交付的特點(diǎn)，極大地提升了資源使用率和業(yè)務(wù)部署效率。容器可以直接運(yùn)行在metal上。

3.4統(tǒng)一的IP通信協(xié)議

統(tǒng)一的云網(wǎng)融合IP通信協(xié)議，包括用戶面（UP）也稱數(shù)據(jù)面（DP）或轉(zhuǎn)發(fā)面（FP）協(xié)議，控制面（CP）協(xié)議。

IETF正在討論制定中的數(shù)據(jù)面Flex Algo（靈活算法），對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行抽象后按需構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，以支持邏輯切片能力，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源軟切片模式，有效保障了SLA差異化的服務(wù)。

3.5人工智能（AI）技術(shù)

AI技術(shù)的引入，通過(guò)Telemetry采集數(shù)據(jù)，包括故障數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)等，并由統(tǒng)一的開(kāi)放接口Netconf/gRPC和信息模型Yang呈現(xiàn)給上層應(yīng)用系統(tǒng)，采用相應(yīng)的策略進(jìn)行計(jì)算、分析、提煉出物理/邏輯網(wǎng)絡(luò)全生命周期內(nèi)相應(yīng)的規(guī)律和知識(shí)，提升了決策水平、以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障等安全潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)能力。AI在基于感知、連接、深度集成和高效處理的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)決策和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)生命周期/數(shù)據(jù)的優(yōu)化閉環(huán)管理，以期實(shí)現(xiàn)自配置、自優(yōu)化、自防御、自服務(wù)的全自動(dòng)駕駛IP網(wǎng)絡(luò)。

四、云網(wǎng)深度融合IP網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

4.1組播技術(shù)

雖然，組播技術(shù)廣泛用于傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)，但是，云網(wǎng)深度融合下的IP網(wǎng)絡(luò)是否還需要組播功能？由于：

1. Flex Algo提供了網(wǎng)絡(luò)資源的軟切片模式，每個(gè)軟切片之間不存在任何以來(lái)關(guān)系，是相互獨(dú)立的;每個(gè)軟切片的邏輯網(wǎng)絡(luò)不關(guān)更不知道自己運(yùn)行在哪個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)資源上，即共享的物理網(wǎng)絡(luò)資源還是獨(dú)享的物理網(wǎng)絡(luò)資源上。

2.容器化后的一個(gè)微服務(wù)即是一個(gè)模塊，所以每個(gè)微服務(wù)模塊之間是相互獨(dú)立，不存在任何依賴關(guān)系。只有在模塊之間被互相調(diào)用時(shí)，他們之間才會(huì)發(fā)起和存在連接關(guān)系。

基于上述兩點(diǎn)分析，個(gè)人認(rèn)為組播功能就不一定需要了。

4.2 IP網(wǎng)絡(luò)的確定性

IEEE 802.1 TSN系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定義了本地局域網(wǎng)（LAN）的確定性要求。 IETF RFC8655標(biāo)準(zhǔn)定義了確定性IP網(wǎng)絡(luò)（DeNet）的架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)只針對(duì)單個(gè)管理域或一組受限的管理域，適用于特定的園區(qū)廣域網(wǎng)或?qū)Ｓ脧V域網(wǎng)，組大網(wǎng)如IP互聯(lián)網(wǎng)不在本FRC8655的研究范圍內(nèi)。該解決方案是在邊緣節(jié)點(diǎn)處做與IPv6轉(zhuǎn)換后，還是使用IPv6接入公眾網(wǎng)。

關(guān)于IP網(wǎng)絡(luò)確定性（低時(shí)延、低抖動(dòng)）指標(biāo)要求，在邊緣節(jié)點(diǎn)（入口）內(nèi)、邊緣節(jié)點(diǎn)（出）口內(nèi)，可以通過(guò)路徑規(guī)劃和資源預(yù)留、確定性轉(zhuǎn)發(fā)如路徑綁定，周期性轉(zhuǎn)發(fā)，以及時(shí)間門控隊(duì)列調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)。但是如何在網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)、核心節(jié)點(diǎn)）內(nèi)，以及中間節(jié)點(diǎn)之間做到確定性，目前還沒(méi)有更好的實(shí)現(xiàn)方案和機(jī)制。

五、結(jié)束語(yǔ)

IP網(wǎng)絡(luò)正因其簡(jiǎn)單，盡力而為、好用的特性，自其出現(xiàn)以來(lái)不僅廣泛的應(yīng)用于IT領(lǐng)域，而且被廣泛的應(yīng)用于CT，以及工業(yè)領(lǐng)域，其普遍性適用性受到了業(yè)界的高度認(rèn)可;可是，IP網(wǎng)絡(luò)作為連接接入網(wǎng)和核心網(wǎng)/數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，為了更好的支撐5G網(wǎng)絡(luò)賦能千行百業(yè)的差異化服務(wù)需求，云網(wǎng)深度融合、乃至6G網(wǎng)絡(luò)。IP網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)一直以來(lái)備受業(yè)界的廣泛關(guān)注。標(biāo)準(zhǔn)方面，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織IEEE、IETF、ITU等分別致力于IP局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、以及骨干網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化制定，但在全局組網(wǎng)方面還有待進(jìn)一步研究和完善;國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)組織CCSA網(wǎng)絡(luò)5.0，和TC3針對(duì)中國(guó)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀，從需求和實(shí)際出發(fā)，正在討論和研究網(wǎng)絡(luò)5.0（未來(lái)IP網(wǎng)絡(luò)），包括總體架構(gòu)、確定性、全局靈活組網(wǎng)協(xié)議、內(nèi)生安全等方面的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化制定，并聯(lián)合紫金山實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試和試點(diǎn)，以推動(dòng)設(shè)備能力的進(jìn)一步成熟和商用。相信在業(yè)界各方群策群力、共同努力下，分階段逐步推進(jìn)云網(wǎng)深度融合IP網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)和驗(yàn)證，定可以攻克和解決這些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和挑站。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 許鋒.云網(wǎng)融合、云邊協(xié)同-IP承載網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)探討.CCSA TC3第35次全會(huì)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)研討會(huì)，2021-04-07.

[2] Colin Bookham， Andrew Stone， Jeff Tantsura， Muhammad Durrani， Brune Decraene. IETF An Architecture for Network Function Interconnect （draft-bookham-rtgwg-nfix-arch）， December 27， 2020.

[3] 2015-2022年中國(guó)虛擬化市場(chǎng)專項(xiàng)調(diào)研及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告.中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息，2015-06.

[4] 張朝昆，崔勇，唐翯祎，吳建平。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）研究進(jìn)展.軟件學(xué)報(bào)，2015，26（1）：62-81.

[5] 作者：Jim OReilly，翻譯王學(xué)強(qiáng)，容器虛擬化技術(shù)為什么能夠提升效率？TechTarget中國(guó)，2015-04-02.