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建立统一强健的网络资源管理机制 是网络技术创新重要方向
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  当前网络技术创新中面临的最核心问题是网络资源管理机制问题,承载网络需要通过构建统一健壮的网络资源管理层,实现对网络资源的统一架构管理与高效灵活的按需调度,真正实现“网随云动”。

  一、网络资源管理是网络技术发展的核心问题

  当前网络资源管理机制面临严重挑战,网络资源管理理念和方式将迎来重大技术变革。

  首先,粗放的网络资源管理方式面临巨大成本建设成本压力。自从运营商的主营业务从语音逐步转向以视频为代表的数据业务以来,运营商一直面临网络建设成本远高于网络运营收入的量收 “剪刀差”的困扰。运营商量收剪刀差由2012年的1.8个百分点持续拉大至2015年的20.9个百分点,通信业增量不增收的趋势进一步显现。当前IP网络一直坚持“弱管理”的理念,分布式路由导致全局网络带宽利用率不足30%;“Best Effort”机制通过建立多张网络并采用轻载方式用带宽成本换取服务质量,导致各网络之间资源不能共享,网络成本增加,网络效率低下。吉尔德定律决定主干网带宽大概是每八个月增长一倍,这种粗放的网络资源管理方式的建设和运维成本将指数级增加。

  其次,刚性的网络资源管理方式难以支持个性化业务。云计算的发展使得网络互联对象变成了“虚拟机(VM),VM的灵活部署对网络资源调配提出了弹性化要求。但是,现有网络技术难以高效支持大规模的跨域虚拟机互联,成为制约云计算发展的重要因素。光传送网通常按照业务最大峰值配置静态带宽,造成业务费用高昂,网络资源浪费,难以适应云互联需求。IP网络层面VxLAN技术是普遍采用的VM互联技术,但是VxLAN只是实现了虚拟专用“线”,在组大网时,面临STP收敛缓慢,以及组网的N平方问题,很难作为大范围使用的VM跨域组网技术。

  另外,孤立的网络资源管理方式难以满足融合业务需求。目前IP网络与CDN网络缺乏必要的协同调度机制,运营商的IP网络和WDM网络各自建设、独立规划、分配、管理和控制,造成网络灵活性弱,资源效率低。IP层把光层看成静态硬管道,在网络流量不均衡、IP网络拥塞的情况下,无法利用光层资源及时进行流量疏导和带宽提升。由于IP网络看不到光层网络拓扑和保护能力,导致光层和IP层均配置了保护,一个业务需要4倍带宽,网络资源效率低下。  

  二、统一强健的网络资源管理机制是网络技术创新重要方向

  统一强健的网络资源管理机制具体体现在以下几个方面:一是粗放式管理向精细化管理转变:由基于优先级的QoS管理深入到基于队列的网络管理。从虚拟专用“线”向虚拟专用“网”的转变。二是刚性方式向弹性方式转变:高效支持大规模的跨域虚拟机互联,实现每个虚拟网络中的网络资源的灵活部署,按需调度。三是孤立资源向融合统一调度转变:对IP网络、光网络资源,异构网络设备,以及计算、存储、网络资源的“池化”和统一管理与调度。

  要构建跨网络、跨域的统一架构的灵活的网络资源管理层,实现网络虚拟化,需要具备以下三个方面的基本要素。

  (1)开放网络架构模型

  “开放”是产业链成熟的良性发展的重要标志,开放可以技术创新活力,降低创新成本,优化产业链条。类比于传统机械设备的开放,正是由于零件的标准化和互换性,促进了工业革命的深入发展,真正带来了工业化大浪潮。然而,传统的网络设备大多是封闭的架构,各厂商独有设计开发,具有固化、封闭式、开发周期长的特点,产业生态相对封闭,创新能力不强。而SDN/NFV技术的出现,开启了网络开放的浪潮,特别是NFV技术将推动网络功能接口的标准化和功能重组。总体而言,现阶段网络开放已成为技术和产业发展的必然趋势。

  (2) 网络操作系统

  在软件定义网络的体系架构中,网络操作系统在控制平面扮演者重要的角色,它通过南向接口实现对网元资源的抽象和管理,北向接口向上层应用提供网络服务,同时实现业务编排的功能,根据不同策略来编排用户数据的转发路径。网络操作系统本质上要为用户选择一条满足用户QoS等需求的从源到目的转发路径。因此,它需要具有拓扑信息收集,路径计算等基本功能。网络操作系统从一出现就得到了ICT厂商的极大关注。在开源社区的大力推动下,如今网络操作系统的产业生态呈现一片欣欣向荣的发展态势。到2015年中期,网络操作系统开始产业聚焦,基本形成了由Linux基金会主持管理的Opendaylight解决方案和以ON.Lab主持管理的ONOS解决方案两大技术方向,全球知名ICT厂商、电信运营商以及学术研究机构纷纷加入其中,贡献自己的力量。 

  (3)数据面新型转发技术

  当前,在数据转发平面有两个关键技术已成为业界关注的热点。一个是利用Intel DPDK开发套件提高软转发的性能;另一个是协议无关的转发,这将成为未来网络虚拟化和网络可定制的基础。

  将软件和硬件解耦,采用通用硬件实现软转发的模式,在性能上将存在巨大挑战。当前,Intel开源了一套数据面开发接口套件DPDK(Data Plane Develop Kit),它是一套基于Intel架构的通用处理器的数据包处理程序开发工具和平台,可以帮助用户更便捷的开展数据面的创新,将控制面和数据面平台进行高效整合。采用DPDK,在性能方面,单个Intel至强处理器可以达到超过80Mpps的吞吐量,在多核配置中则可以更高,超过10Gbps线速。目前,基于DPDK的开源生态正在积极构建,包括Intel、6WIND、WindRiver、Aricent等公司都是主导机构。在物理网卡方面,也有包括Intel、Mellanox、Broadcom、Cisco等公司也都在积极研发下一代的物理网卡。

  协议无关转发(POF,Protocol Oblivious Forwarding)是SDN数据平面灵活可编程的创新技术,其通过对网络的转发行为进行抽象,实现利用高级编程语言对多种转发平台进行灵活的转发协议和转发流程定制。当前,协议无关的转发已成为业界研究的热点,ONF标准组正在积极定义相关标准,硅谷的创新公司和华为、中兴等公司都在积极推进PoF芯片的研发,推进产业生态的建设。  

  三、我国网络技术创新和升级演进目标与方向

  当前,我国应该加快转变传统粗放式的网络资源管理理念和运营模式,以构建开放架构的网络资源管理平台为核心,打造高效弹性的网络资源池化管理和按需调度的能力,支持极度差异化的网络定制服务。在网络技术创新方向,网络操作系统和协议无关转发是技术主攻方向。重点聚焦于:

  (1)研发网络虚拟化技术与平台,突破基于可控队列的流表隔离及虚拟技术、基于无连接方式的跨域虚拟专网技术。

  (2)研发网络功能定制与业务编排技术与系统,攻克网络与IT资源的联合编排技术、基于模型的网络功能链定义技术。

  (3)研发支持队列级资源切片的NP芯片与设备。

  在网络升级演进方向,实现从“智能管道”向“开放融合网络资源平台”的根本转变:

  (1)构建开放架构的网络资源管理平台。一是实现IP网络资源的整合,基于集群构建网络资源池——“资源云”;二是实现IP与光资源的统一架构管理,构建强健的网络资源管理层。

  (2)建设网络资源的开放与定制环境。实现网络资源的有序开放,支持网络虚拟运营商的特定功能的弹性定制。

 

  作者简介:

  曹蓟光,就职于中国信息通信研究院技术与标准研究所,任所副总工程师,高级工程师,院信息网络领域主席。曾从事SDH、MSTP等传输技术的研究工作,现主要从事IP、下一代互联网(IPv6)、未来网络等技术研究、通信产业发展政策研究等工作。主持和参与了数十项科技部、发改委和工信部项目。主导完成二十余项互联网相关的通信行业标准,获得国家发明专利5项,发表论文30余篇,出版专著一本《MSTP技术与应用》,参与校译《互联网治理》。

  联系方式:caojiguang@caict.ac.cn

  地址:北京海淀区花园北路52号中国信息通信研究院技术与标准研究所(100191)


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