電信運營商泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

（中國電信股份有限公司研究院，中國 北京 102209）

(China Telecom Research Institute, Beijing 102209, China)

1 泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵及應(yīng)用場景

隨著新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)正加速向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，人工智能（AI）技術(shù)將廣泛滲入新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，且獲得越來越多元的應(yīng)用場景和更大規(guī)模的受眾[1]。為了應(yīng)對新的業(yè)務(wù)需求，未來的通信網(wǎng)絡(luò)需要支持快速創(chuàng)新和新的商業(yè)模式，將從端、管、云多維度持續(xù)深化演進，形成“無所不在、無所不含、無所不能”的泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

具體來看，在端的層面，終端形態(tài)從過去的手機、平板電腦（PAD）和各種比較簡單的物聯(lián)網(wǎng)終端，擴大到各種穿戴設(shè)備和無處不在的傳感設(shè)備，使得感知成為終端的重要能力，即“泛在感知”；在管的層面，網(wǎng)絡(luò)軟件化、虛擬化和云化將改變傳統(tǒng)剛性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，形成高彈性、廣覆蓋的連接網(wǎng)絡(luò)，即“泛在連接”；在云的層面，邊緣計算和人工智能快速興起，大量計算任務(wù)將從云端卸載到邊緣，使得云端呈現(xiàn)邊緣化、智能化、泛在化的狀態(tài)，即“泛在智能”[2]。

泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算等新興技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，將催生許多新型應(yīng)用場景，例如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、智慧醫(yī)療以及智慧家庭等。預(yù)計在5G/B5G時代，各類新興應(yīng)用會進入百花齊放、百家爭鳴的開放階段，將對網(wǎng)絡(luò)提出更為苛刻的需求和挑戰(zhàn)。

（1）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景主要包括智能制造、增強現(xiàn)實（AR）、輔助維修、園區(qū)管理等。以智能制造為例，由于精密的自動化操作的誤差需要在很小的范圍內(nèi)，通常帶寬不低于20 Gbit/s，時延不高于10 ms，并需要構(gòu)建提供快速連接、實時業(yè)務(wù)、安全保障等能力的工業(yè)邊緣云平臺，與部署生產(chǎn)智能管理平臺的中心云之間存在基于專線的協(xié)同需求。

（2）智慧交通。智慧交通包括基于AI的全局自動駕駛以及交通信號配時管理、車輛路徑規(guī)劃引導(dǎo)等智慧交通運營，需要網(wǎng)絡(luò)提供低時延、大帶寬能力。例如，車聯(lián)網(wǎng)類的應(yīng)用要求車內(nèi)信息娛樂類應(yīng)用的帶寬為10～100 Mbit/s，時延不大于 500 ms；交通安全駕駛類應(yīng)用的帶寬則小于1 Mbit/s，時延 20～100 ms；全自動駕駛類應(yīng)用帶寬要求不低于100 Mbit/s，時延1～10 ms。此外，智慧交通的邊緣云與中心云需要支持云邊高度協(xié)同，實現(xiàn)路徑動態(tài)規(guī)劃等功能。

（3）智慧醫(yī)療。智慧醫(yī)療場景主要包括遠程手術(shù)、遠程會診、AI診斷，以及通過云邊協(xié)同實現(xiàn)膠片的云端存儲，邊邊協(xié)同實現(xiàn)不同院區(qū)的協(xié)同管理等。智慧醫(yī)療場景對網(wǎng)絡(luò)有著極高的帶寬和時延要求，如遠程醫(yī)療所涉及的實時高清音視頻回傳的帶寬不小于200 Mbit/s，實時診療的時延不超過10 ms。

（4）智慧家庭。智慧家庭場景包括高清/虛擬現(xiàn)實（VR）視頻點播及直播、家庭防盜監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)等。一方面要求異構(gòu)設(shè)備（電視、冰箱、電燈等）及異構(gòu)接口（網(wǎng)線、電力線、同軸電纜、無線等）統(tǒng)一組網(wǎng)，融合承載；另一方面要求互聯(lián)網(wǎng)視頻/游戲類內(nèi)容及能力按需下沉至邊緣云，面向特定業(yè)務(wù)提供差異化路由，保障大視頻等應(yīng)用高碼率無卡頓播放，時延不超過20 ms，以提升用戶體驗。

綜上分析可以看出，新場景和新業(yè)務(wù)對泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提出了一系列新的需求：如園區(qū)、企業(yè)、場館等自己的應(yīng)用在本地閉環(huán)，需要網(wǎng)絡(luò)提供泛在接入、路徑最短轉(zhuǎn)發(fā)能力；運營商高帶寬內(nèi)容將從中心到區(qū)域分布式部署，需要云網(wǎng)高度協(xié)同，算力按需分配；新型超低時延業(yè)務(wù)需要部署在邊緣，實現(xiàn)差異化承載等，“應(yīng)用本地化”“內(nèi)容分布化”和“計算邊緣化”的態(tài)勢逐漸呈現(xiàn)。

2 泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計思路

為適應(yīng)應(yīng)用本地化、內(nèi)容分布化和計算邊緣化的未來發(fā)展趨勢，電信運營商需要更為創(chuàng)新的組網(wǎng)理念，引入云網(wǎng)接入點（POP）、新型城域網(wǎng)、算力網(wǎng)絡(luò)、AI能力分發(fā)平臺等核心要素，構(gòu)建新一代泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足低成本、大帶寬和超低時延的應(yīng)用需求，如圖1所示。

泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)自底向上分成：泛在基礎(chǔ)資源層、AI能力分發(fā)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。其中，泛在基礎(chǔ)資源層基于具備智能感知能力的端側(cè)設(shè)備（如物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、智能網(wǎng)關(guān)和終端）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如新型城域網(wǎng)Spine交換機、Leaf交換機）以及云池（如邊緣計算池、中心云計算池、5G核心網(wǎng)池）等構(gòu)建泛在基礎(chǔ)資源環(huán)境，基于云網(wǎng)POP將網(wǎng)絡(luò)資源和云資源整合成統(tǒng)一資源平面，為上層提供彈性的資源供給和敏捷連接。

AI能力分發(fā)層基于人工智能技術(shù)，對全網(wǎng)資源進行統(tǒng)一度量及智能感知，對動態(tài)資源占用情況進行預(yù)測；針對上層應(yīng)用及業(yè)務(wù)需求的動態(tài)最優(yōu)路徑規(guī)劃，以選擇合適的資源組合來匹配業(yè)務(wù)需求；通過全局資源調(diào)度與控制，實現(xiàn)資源與業(yè)務(wù)的動態(tài)自適應(yīng)匹配，以及業(yè)務(wù)的快速部署和資源動態(tài)調(diào)配。

業(yè)務(wù)應(yīng)用提供層面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、智慧醫(yī)療等不同行業(yè)應(yīng)用，支持應(yīng)用/業(yè)務(wù)需求的邏輯資源切分，智能實現(xiàn)泛在資源的獨立供給或者組合供給[3]，支持不同應(yīng)用對資源需求的快速響應(yīng)，滿足不同業(yè)務(wù)的差異化需求。

構(gòu)建泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含4個核心要素：

▲圖1 泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

▲圖2 云網(wǎng)POP邏輯視圖

（1）構(gòu)建云網(wǎng)POP，具體如圖2所示。云網(wǎng)POP是為了便于云出口設(shè)備和網(wǎng)邊緣設(shè)備的一體化規(guī)劃、建設(shè)和運營，在云內(nèi)網(wǎng)絡(luò)出口區(qū)基礎(chǔ)上納入城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)、光傳送網(wǎng)（OTN）、5G等各類網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備，以滿足不同客戶入云和云間的業(yè)務(wù)需求。云網(wǎng)POP既是入云終結(jié)點，也是云間網(wǎng)絡(luò)的端點。構(gòu)建云網(wǎng)POP有助于云網(wǎng)的高度協(xié)同，推進云資源池網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的一體化建設(shè)，實現(xiàn)用戶端到端快速入云。

（2）以數(shù)據(jù)中心（DC）為核心建設(shè)新型城域網(wǎng)。新型城域網(wǎng)將采用通用設(shè)備組網(wǎng)，基于葉脊（Leaf- Spine）架構(gòu)實現(xiàn)固定和移動網(wǎng)絡(luò)的融合統(tǒng)一承載，以高效、動態(tài)的方式連接城域內(nèi)大量的接入節(jié)點，逐步形成城域內(nèi)以DC為核心的統(tǒng)一承載新平面[4]。同時引入靈活以太網(wǎng)（FlexE）、段路由（SR）、以太網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)（EVPN）等技術(shù)，根據(jù)承載業(yè)務(wù)的自有特征和需求，對端到端的網(wǎng)絡(luò)資源（網(wǎng)絡(luò)功能、物理硬件及接口管道資源等）進行邏輯劃分和封裝，為不同客戶群提供不同等級的切片網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、可靠性等網(wǎng)絡(luò)性能的服務(wù)質(zhì)量（QoS）需求。

（3）引入算力網(wǎng)絡(luò)。算力網(wǎng)絡(luò)是為了應(yīng)對算網(wǎng)融合發(fā)展趨勢提出的，它基于無處不在的網(wǎng)絡(luò)連接，將動態(tài)分布的計算資源互聯(lián)，并通過網(wǎng)絡(luò)、存儲、算力等多維度資源的統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度，使海量的應(yīng)用能夠按需、實時調(diào)用不同地方的計算資源，實現(xiàn)連接和算力在網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化[5]。網(wǎng)絡(luò)將從提供“連接”走向提供“連接+計算”，實現(xiàn)算力在網(wǎng)絡(luò)中的可管、可控、可用。

（4）建設(shè)AI能力分發(fā)平臺。基于智能感知預(yù)測和各種AI賦能功能，如AI算力網(wǎng)絡(luò)，打造靈活、高效AI能力資源調(diào)度及服務(wù)平臺，整合多方、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲等資源設(shè)施，實現(xiàn)一體化云網(wǎng)資源的新特性、新能力的敏捷開發(fā)和部署。

AI能力分發(fā)平臺的邏輯功能如圖3所示。其中智能感知預(yù)測功能模塊從用戶需求、業(yè)務(wù)屬性、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等多維度對全網(wǎng)資源進行統(tǒng)一度量及智能感知，通過對業(yè)務(wù)所需的上下文信息的知識抽取，獲得業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)的目標(biāo)實體、對應(yīng)關(guān)系和屬性值，進而建立起業(yè)務(wù)需求模型。

▲圖3 AI能力分發(fā)平臺邏輯功能

AI能力編排系統(tǒng)全面分析來源于網(wǎng)絡(luò)、終端、系統(tǒng)的流量數(shù)據(jù)，基于智能感知預(yù)測模塊建立的業(yè)務(wù)需求模型，通過深度學(xué)習(xí)和訓(xùn)練以及邏輯推理，形成業(yè)務(wù)動態(tài)需求的知識庫。進而根據(jù)業(yè)務(wù)需求和動態(tài)資源分布，并結(jié)合算力網(wǎng)絡(luò)等AI新能力，為差異化業(yè)務(wù)需求規(guī)劃動態(tài)最優(yōu)路徑，選擇調(diào)度合適的資源，智能匹配業(yè)務(wù)需求。

3 泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的能力提升

未來新型業(yè)務(wù)將會產(chǎn)生更大規(guī)模的連接數(shù)據(jù)、更加豐富的數(shù)字化產(chǎn)品，用戶也需要更加極致的應(yīng)用體驗。為此，需要基于泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，進一步從端管云全方位提升承載能力，構(gòu)建更為堅實的泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力。

3.1 端側(cè)：海量設(shè)備異構(gòu)互聯(lián)

端側(cè)設(shè)備包括物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備、智能終端設(shè)備（包括智能可穿戴設(shè)備）以及智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備等多種形態(tài)。據(jù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）預(yù)測，到2025年，聯(lián)網(wǎng)的IoT設(shè)備總數(shù)將達到416億，這些海量設(shè)備會使用多種多樣的方法來連接和共享數(shù)據(jù)。其中，大多數(shù)設(shè)備將使用某種形式的無線連接：如家庭和辦公室將使用Wi-Fi、Zigbee或低功耗藍牙（如果移動性要求不是特別強的話，也可以使用以太網(wǎng)）；其他設(shè)備使用4G（現(xiàn)有技術(shù)包括窄帶物聯(lián)網(wǎng)和基于長期演進的物聯(lián)網(wǎng)，主要針對發(fā)送有限數(shù)據(jù)量的小型設(shè)備）、5G或者是衛(wèi)星進行通信。

泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)需要為這些海量的端側(cè)設(shè)備提供異構(gòu)互聯(lián)能力，實現(xiàn)邊緣異構(gòu)設(shè)備的靈活接入，即插即用；可基于業(yè)務(wù)分流規(guī)則，實現(xiàn)在多網(wǎng)中的靈活路徑傳送和無縫切換；融合利用多個網(wǎng)絡(luò)的有線/無線資源傳輸高清視頻等大帶寬業(yè)務(wù)，提高用戶業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

異構(gòu)互聯(lián)的實現(xiàn)技術(shù)有很多種，從協(xié)議棧角度出發(fā)大致可分為網(wǎng)關(guān)接入技術(shù)、覆蓋接入技術(shù)和可變長互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）接入技術(shù)這3種主要類型。其中，網(wǎng)關(guān)接入技術(shù)主要是在終端和網(wǎng)絡(luò)中間部署感知網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)互聯(lián)，為異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供融合接入；覆蓋接入技術(shù)則從修改協(xié)議棧的角度出發(fā)，通過協(xié)議棧適配實現(xiàn)端側(cè)和管側(cè)的互聯(lián)[6]；而可變長IP接入技術(shù)是在感知終端內(nèi)部節(jié)點身份標(biāo)識號碼（ID）和網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備IP地址之間建立一套變長的、結(jié)構(gòu)化的地址映射機制。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可根據(jù)任意長度的地址進行路由表查找操作并決定數(shù)據(jù)報文的下一跳，可以同時滿足海量通信主體引起的長地址需求及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)帶來的短地址需求[7]，并支持與現(xiàn)有IPv4/ IPv6網(wǎng)絡(luò)的兼容。

3.2 管側(cè)：彈性智能化組網(wǎng)

作為端和云之間的聯(lián)絡(luò)樞紐，網(wǎng)絡(luò)需要具備高彈性、廣覆蓋的組網(wǎng)能力；而現(xiàn)有的封閉的、獨立、剛性管道已經(jīng)無法適應(yīng)發(fā)展的需要。網(wǎng)絡(luò)本身正從硬件為主體的架構(gòu)向軟件化、虛擬化、智能化、服務(wù)化的方向發(fā)展。

為提升連接效率，同時需要減少不必要的冗余，提供差異化的質(zhì)量保障，需要基于虛擬可擴展局域網(wǎng)（VXLAN）、SR、EVPN、AI等多種技術(shù)手段，結(jié)合傳統(tǒng)單層網(wǎng)絡(luò)（Underlay）和疊加網(wǎng)絡(luò)（Overlay）組網(wǎng)模式，構(gòu)建端云、云云、端端之間的二層彈性、智能組網(wǎng)能力，如圖4所示。

· Underlay網(wǎng)絡(luò)：通過SR/SRv6實現(xiàn)SR與傳統(tǒng)多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）的互操作，充分利用SRv6策略能力，構(gòu)建端到端一跳直達、極簡跨域的網(wǎng)絡(luò)平面，并通過在設(shè)備側(cè)引入輕量級的AI芯片支持邊緣業(yè)務(wù)智能識別、業(yè)務(wù)路徑可編程以及跨域端到端視圖[8]，為Overlay網(wǎng)絡(luò)提供大容量、高可靠、智能化、差異化服務(wù)能力的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源。

· Overlay網(wǎng)絡(luò)：基于 VXLAN、EVPN等技術(shù)，提供靈活可擴展的組網(wǎng)能力，滿足每用戶、每業(yè)務(wù)、每應(yīng)用的連接需求，同時具備業(yè)務(wù)快速開通、按需組網(wǎng)、應(yīng)用級監(jiān)測等能力。

▲圖4 結(jié)合Underlay和Overlay的彈性組網(wǎng)模式

▲圖5 基于無損保障的HPC應(yīng)用場景

3.3 云側(cè)：特定應(yīng)用的無損保障

泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)未來將承載高性能計算（HPC）、遠程醫(yī)療、機器人看護等諸多新型智慧化應(yīng)用。由于其總信息量巨大，需要云內(nèi)網(wǎng)絡(luò)在極短時間內(nèi)將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實時的信息以及行為，保證交互服務(wù)在后臺訪問的時候能夠避免丟包，減少時延并提高吞吐量。而當(dāng)前云內(nèi)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)多采用無阻塞的多級CLOS架構(gòu)，在上述新場景下面臨著丟包、時延、吞吐量等多方面挑戰(zhàn)[9]，由此對泛在智聯(lián)的云內(nèi)網(wǎng)絡(luò)提出了無損保障需求。

無損保障是為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在有損問題而提出的理念，是一種可兼顧低延遲、高吞吐的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可滿足特定應(yīng)用的高吞吐、低時延和零丟包的無損要求。在實現(xiàn)方面，無損網(wǎng)絡(luò)可基于AI Ready的硬件架構(gòu)及AI智能無損算法（如AI ECN），采用流量控制、擁塞控制、負載均衡以及確定性轉(zhuǎn)發(fā)等多種技術(shù)綜合實現(xiàn)，從應(yīng)用的角度保證網(wǎng)絡(luò)的無性能損失。

以常用的HPC為例，在建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練過程中經(jīng)常需要用到HPC，而HPC的執(zhí)行過程需要跨網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)內(nèi)存數(shù)據(jù)拷貝，網(wǎng)絡(luò)性能要向內(nèi)存訪問看齊。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下會出現(xiàn)中央處理器（CPU）空閑等待數(shù)據(jù)，拖累系統(tǒng)整體并行計算性能的情況[10]。因此，需要引入無損保障技術(shù)，在滿足深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練等應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)高吞吐量的要求的同時，保障并行計算等應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)低時延的要求，具體見圖5。

4 結(jié)束語

“運籌于AI，創(chuàng)新在邊緣”，人工智能、大數(shù)據(jù)等為運營商網(wǎng)絡(luò)賦于了智慧化能力，邊緣計算則為運營商網(wǎng)絡(luò)提供了新的應(yīng)用場景。電信運營商亟待與產(chǎn)業(yè)伙伴一起布局未來網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)，推進寬帶通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算等新興技術(shù)的深度融合，構(gòu)建更為堅實的泛在智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力，為“泛在感知”提供“泛在連接”和“泛在智能”，以期給用戶帶來更大規(guī)模的連接數(shù)據(jù)、更加豐富的數(shù)字化產(chǎn)品以及更加極致的應(yīng)用體驗，助力全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。