运营商网络云化重构思路浅析*

乔 楚

（四川通信科研规划设计有限责任公司，四川 成都 610041）

0 引 言

随着云计算、虚拟化、人工智能等为代表的新兴技术领域的不断突破和革新，为传统通信产业的加速发展持续注入新动力。全球电信运营商纷纷布局网络转型战略，传统通信网络开始加速向极简、敏捷、开放的云化架构过渡转型，转型驱动力主要来自以下两个方面：

首先，网络决定业务已成为过去，业务引领网络才是未来。从传统语音、短信到AR/VR（Augmented Reality/Virtual Reality，增强现实/虚拟现实）、IoT连接（Internet of Things，物联网）、车联网等新型业务，一张网络需要同时满足大带宽、海量连接和低时延等不同业务需求，这就要求运营商将现有网络资源有机整合，打造一张弹性解耦的云化网络。

其次，运营商降本增效迫在眉睫。国内运营商体量庞大，从设备占地、能耗到设备加速更迭淘汰、长期受制于厂家技术垄断，过高的运营成本导致运营商背负沉重负担。

1 何为“云化网络”

1.1 “云化”定义

对云化网络的普遍理解，是运营商打造以云化数据中心（Data Center，DC）为核心的基础网络，并将数据中心内部的计算和存储资源池化，使得租户可实时、按需、动态地申请池化后的资源，实现各种云业务的灵活部署和资源迁移。而从宏观上看，网络云化则包含更深的含义：

（1）资源上云：把网络功能逐步迁移至云环境中部署，充分发挥云资源效能。

（2）网络为云：网络为云提供所需的一切基础资源与服务，智能管理，统一调度，最终实现云网协同、网随云动。

（3）业务入云：业务应用按需定制，全面云化部署，通过借助云端平台化管理实现网络资源的集中调度来获得效率的提升甚至商业模式的创新，实现业务从随选向随愿进一步演进。

1.2 “云化”典型特征

（1）硬件资源池化

资源池化是网络云化的基础，主要包括：DC的计算和存储资源池化、网络带宽资源池化等，资源池化的最大优势在于实现网络的管控分离，池化后的网络硬件基础资源得到最大程度的释放和共享，彻底打破传统网络的厂家烟囱架构[1]。

（2）软硬全解耦，管控分离

以Overlay方式部署的网络控制器，可对池化后的转发层硬件资源进行统筹安排与管理。基于Cloud Native的网络控制器实时完成业务功能与变更；并配以编排器的资源智能调度策略，合理分配和使用池化资源，为云上业务最大限度地提供电信级业务质量保障。此外，基于PaaS（Platform as a Service，平台即服务）实现平台化开发及接口标准化，能够极大缩短业务开发和上线周期。

（3）网络运营自动化

云化网络能够充分利用网络大数据优势实现自我深度学习，挖掘运维行为规律，促使网络运维工作从被动维护向主动运营转变，逐步实现业务自运行、自优化和自修复，减少人工干预，提升网络运营维护效率。

2 运营商网络的云化需求

随着云化思想逐步融入通信网络建设，构建以云化数据中心为核心的基础网络成为网络演进的主要目标方向。租户实时动态地的申请、变更和释放池化后的所需资源，实现各种业务的灵活配置和迁改。实质上，对于传统运营商网络而言，云化重构主要为传统网络带来两大改变：一是实现传统网络从物理网络向虚拟化网络的转变，各级网元被抽象为逻辑对象，过滤掉繁复的物理层协议，面向网络北向开放出标准化的服务调用接口，而网络控制器面向底层转发网络的虚拟化网元提供全生命周期管理；二是网络服务模式由“静”至“动”，云化网络可按照用户意愿动态调整所需配置，且整个策略调整过程可由网络控制器自动完成资源编排与下发。传统网络中主要的南-北向流量开始向东-西向流量过渡，节点间流量互穿场景增多，未来云化DC布局规划面临新的需求：

（1）支持超低时延数据转发，满足DC内部海量服务器间、虚机间的东-西向互穿流量的快速交互需要。

（2）支持虚机资源的动态迁移与调度管理，网络可感知相应的资源迁移以及资源调度后发生的网络位置变更，并可自动进行网络重配置，减少人工运维干预。

（3）支持为不同租户动态地创建逻辑隔离资源、满足特定SLA、QoS需求的可弹性伸缩的虚拟网络切片[2]。

（4）网络具备智能化的负载均衡机制，支持网络拓扑和链路容量自调整，适配网络流量实时变化需求。

（5）支持DC以低成本、高扩展性方式平滑扩容，且DC扩展时实现环境自部署，不影响其他在网服务器及网络设备。

3 运营商网络云化实现方式

3.1 网络云化架构

由于SDN（Software Defined Network，软件定义网络）技术主要强调控制与转发分离、集中控制和可编程的网络环境，这些特点与网络云化的诉求高度契合。因此，采用基于SDN架构的网络演进方案成为当前运营商研究和探索网络全云化演进方案时的主要思路。云化DC可基于Spine-Leaf架构+SDN控制器方式实现统一的资源调度，使用Overlay技术实现网络虚拟化（架构设计如图1所示）。

图1 DC虚拟化架构设计思路

（1）快速转发网络架构

云化网络中的流量模型较传统网络发生变化，传统树形网络中带宽收敛的南-北向流量模式使得骨干链路带宽压力巨大，无法满足DC内部及跨DC的流量快速转发需求。此外，随着服务器大规模集群化和虚拟化，海量的数据交换使得DC内部的东-西向流量倍增。未来如何使用一种更加扁平化的网络架构提升转发效率成为主要诉求，Spine-Leaf架构成为理想选择。

Spine-Leaf是两层网络设备组建的扁平化网络架构，其最大优势是网络延迟更低且网络扩展性好。Spine等效于传统架构中的核心交换机，由高端口密度、高吞吐量的三层交换机组成，根据网络实际需要可扩展多台Spine交换机来均衡分摊业务压力。而Leaf交换机采用Full Mesh方式与所有Spine交换机相连，网络中任意两台Leaf交换机间或更准确的说是任意两台Leaf下的服务器间的数据交互路径跨数均保持一致（Leaf-Spine-Leaf），最大限度发挥服务器数据交互效能。当然，同一台Leaf交换机下的服务器间的数据交互除外。同时，又因为Full Mesh组网，整个网络结构也不受单机故障影响。

（2）基于SDN的统一调度

以Overlay的方式在底层快速转发的物理网络上部署集中控制的SDN网络控制器，北向通过开放接口与业务平台进行协同交互，通过控制器收集不同业务对网络资源的实时需求；同时南向实时采集底层网元及链路资源信息，经控制器统筹编排计算出最优业务路径，并完成对底层硬件资源的实时映射，从而实现业务与网络资源的统一调度，满足业务的个性化需求[3]。

（3）业务与网络分离

虚拟化本质是将业务与网络分离，以便于在一张物理网络上实现逻辑切片。业务节点对用户的不同类型数据包增加不同的目标和源业务节点信息报文头并完成统一封装；而转发层网络内部仅依据目标地址信息完成快速转发，目标节点完成解封装后，再向目标用户推送原始数据报文。目前针对DC内部业务与网络如何分离的问题，业界已有诸多通过Overlay方式能够实现的解决办法，如以TRILL、SPB（Shortest Path Bridging，最短路径桥接）等为代表的CT方案（Communication Technology，通信技术），以及VxLAN、NvGRE等为代表的IT方案（Information Technology，信息技术）[4]。

3.2 云化热点举措

（1）分布式网络面向用户下沉

如自动驾驶、远程医疗以及工业智能制造等对网络时延敏感的业务需求量急剧增加，传统大区集中式的网络架构将很难继续支撑此类业务对网络的基础时延要求。通过在更靠近用户侧的市县级网络边缘部署边缘DC实现就近卸载本地流量的目的，进而提高应用需求的处理速度，打造极近用户的分布式网络将成为运营商面对时延敏感业务的主要解决方案。

（2）网络连接及承载能力规模化

随着业务场景扩大和丰富，传统通信网络不再只为手机、PAD、PC等电子设备提供网络连接服务，一切可联网设备设施均成为潜在承载对象。网络泛在连接趋势愈发明显，新型网络需具备强大的信息转发交互能力来应对海量的接入需求。运营商将进一步扩大边缘及区域DC的单点通信能力建设，这些能力涵盖边缘云计算服务、存储及通信交互及配套网络安全等等。此外，加速引入和完善虚拟化网络控制器，实现新老网络资源的自动化统筹编排和调配，提升网络运维自动化程度，建立网络自检测、自排障与自修复的新运维机制。

（3）网络需具备定制化服务能力

垂直行业对网络的需求更加清晰，网络场景更聚焦更复杂，运营商在面对智能电网、水务、医疗、教育等行业客户时，将针对不同客户提供具有不同带宽、时延、安全指标要求的网络解决方案。这就要求运营商将在物理网络基础上创建多个逻辑隔离的端到端的切片子网，为垂直市场提供定制化的网络切片服务及解决方案。届时，切片子网将实现端到端的资源切分，一个切片同时涵盖核心网、IP承载网侧、传输网以及无线网资源，并由各自的网络切片管理器完成资源的协同编排和部署。

3.3 现网云化面临的挑战

尽管运营商网络云化后可预见很多优势，但是受限于现网规模、网络复杂程度等种种内外部因素，运营商网络云化重构尚面临诸多挑战：

（1）专有硬件数量庞大，短期更替难度大

眼下运营商现网主要依赖于设备厂家定制化开发的专用网络硬件设备。此类设备虽性能强大，但由于其受制于厂家专有因素：设备功能较为单一、硬件成本高、设备尚未达到退网年限等，网络建设方短期内难以完成在网设备的云化更替。

（2）CT与IT各有侧重，云化模式无法照搬

尽管运营商在制定网络云化重构的战略时，已充分借鉴IT软件化部署的思想，但由于CT业和IT业的立足点有根本性的不同（如：对网络性能的要求、云平台的架构要求等），无法照搬IT架构模式克服传统通信网络的短板和复杂性，如何在保证电信骨干网络性能指标的前提下实现网络设备云化及网络扁平化架构改造将成为运营商下一步探索的重点。

（3）接口私有化，异厂家资源管理与编排难度大

网络云化重构的技术架构、控制器与转发层硬件资源的接口仍处于私有化阶段，业界也尚未出台统一的行业标准。各厂家间私有协议、接口的存在，将使得现网云化重构规模时，网络控制器难以对异厂家间转发层资源进行统一管理和编排，底层硬件资源仍容易被单一厂家长期锁定，并最终形成另一个封闭的网络烟囱。如何为云化后的平台系统建立良好的移植性和兼容性成为眼下难题。

在网络云化重构中，如SDN/NFV的跨域编 排（Software Defined Network/Network Function Virtualization，软件定义网络/网络功能虚拟化）、容器和微服务模式等内容均有待长期实践。在网络演进过程中，由于CT、IT系统的内部复杂性一时难以克服，对外服务的质量和速率要求又存在差异，将导致公有云和运营商的私有云短期内还无法合并建设，传统网元与虚拟化网元仍会面临长期共存的局面，如何使现网以点带面、循序渐进式的平滑演进将值得运营商未来不断探索与尝试。

4 结 语

随着眼下业务形态的形成，未来网络极简的格局也逐渐清晰。区域DC和极近用户的边缘DC构成的两级扁平网络共同确保更低的端到端时延；在大带宽、多连接、高精度业务的促进下，网络去差异化格局进一步加剧，一张网络承接多业务的泛连接需求不可避免；此外，运营商还会更多的面向垂直市场提供定制化网络切片服务和解决方案，助力挖掘垂直行业市场潜在价值，推动产业链与垂直行业跨界发展。当然，运营商网络的云化重构需历经长期实践论证才能被逐步实现和完善，未来的云化网络架构最终会向着扁平化、泛连接、个性化的全云化方向不断演进。