云网深度融合IP网络技术及应用浅析

周惠琴

【摘要】    为了解决URLLC，有效保障5G赋能的千行百业的差异化要求。本文以云网的深度融合为例，对IP网络的设计理念和架构进行研究，提出了包括虚拟化、容器、软件定义、人工智能（AI）的解决措施，以期为相关人员或工程提供参考。

【关键词】    融合    IP网络    解耦    确定性    安全

引言：

5G促使了云和网的深度融合，通讯网络技术（CT）和互联网技术（IT）的深度融合发展。云网深度融合是云和网协同协作联动的过程典范，网是基础，需要构建一张适用于5G乃至6G的未来网络;云是核心，把IT技术融入到网络中，即虚拟化、云化、容器化、服务化、智能化等技术贯穿于云和网中，以正真做到云随网部，网随云动，云网联动。云网深度融合以期实现一张极简、敏捷、开放、融合、安全和智能，以及统一的资源配置/供给、运营和服务为目标的网络。由于，IP网络是云网深度融合的关键支撑技术之一;所以，IP网络的演进一直以来备受业界的广泛关注，IP网络的演进涉及其组网（单域组网、跨域/多域组网）架构、协议、确定性、安全性。虽然随着SD-WAN相关标准的制定，SD-WAN组网方式已经商用部署，可以做到敏捷、开放、融合、部分自动化部署和运维;但是如何做到好用以及全自助化，满足并有效保障5G/6G赋能的千行百业的差异化要求，仍需进一步对相关问题进行研究，并推动其标准化。本文从云网深度融合的需求和架构、云网深度融合IP网络的设计理念出发，并对其关键技术、当前面临的主要问题和挑战进行了研究和分析云网深度融合需求和架构。

一、云网深度融合需求

为了更好地做到URLLC，提出了云网深度融合的部署方案。云网深度融合需求方案如图1[1]，节省了由本地云/边缘云与上层云/核心云之间回程传送的时间，有利于实现URLLC并满足SLA的有效保障;而其上层云/核心云仍可以访问边缘云的历史数据。对于一些实时性要求不高的数据如计费数据，可以传送至核心云并由核心云处理。

二、云网深度融合IP网络架构及设计理念

根据IETF正在讨论和制定中的草案网络功能互联架构[2]，提炼总结了云网深度融合IP网络架构如图2[1]。采用标准化的协议，开放的架构及通用的接口信息模型，灵活弹性的可编程为设计理念，以期实现极简、敏捷、开放、融合、安全和智能的网络，以及网络统一的资源配置、运营、服务，做到易扩容、实时的服务开通。

三、云网深度融合IP网络关键技术

3.1虚拟化技术

虚拟化技术[3]的采用实现了对物理资源进行抽象整合构成虚拟资源即虚拟化层，在虚拟资源上安装和部署多个虚拟机以实现多个用户共享相同的物理资源，按需构建实例，形成多个虚拟网络。虚拟网络运营在物理网络上，不同的虚拟网络可以共享同一个物理网络。

3.2 SDN技术

软件定义网络（SDN）技术[4]实现了将网络设备控制面（CP）和数据面（DP）的解耦分离，实现了网络流量的灵活控制，具有开放性可编程的特点。推动了网络智能化的实现。SDN和虚拟化技术有效的结合实现了不同层面的技术深度融合，架构和服务运营模式融合，提高了管理和控制的灵活性。

3.3容器技术

由于虚拟化技术在性能和资源使用效率方面仍存在一些问题，因此出现了一种容器（Container）的新型虚拟化技术[5]来帮助解决这些问题。容器技术有效的将单个操作系统的资源划分到孤立的组中，组建了不同的微服务功能模块/组件，即一个微服务就是一个模块/组件，他们之间相互独立并不存在依赖关系，这样不仅能够更好的按客户个性化的要求做到灵活的迭代不同的微服务模块，开通服务就像搭积木式方便，更好的做到了快速、灵活、实时的服务开通，而且能够更好的做到在每个独立的组之间平衡有冲突的资源使用需求。即容器技术可持续集成/持续交付的特点，极大地提升了资源使用率和业务部署效率。容器可以直接运行在metal上。

3.4统一的IP通信协议

统一的云网融合IP通信协议，包括用户面（UP）也称数据面（DP）或转发面（FP）协议，控制面（CP）协议。

IETF正在讨论制定中的数据面Flex Algo（灵活算法），对物理设备进行抽象后按需构建虚拟网络，以支持逻辑切片能力，实现了网络资源软切片模式，有效保障了SLA差异化的服务。

3.5人工智能（AI）技术

AI技术的引入，通过Telemetry采集数据，包括故障数据、配置数据、性能数据、安全数据等，并由统一的开放接口Netconf/gRPC和信息模型Yang呈现给上层应用系统，采用相应的策略进行计算、分析、提炼出物理/逻辑网络全生命周期内相应的规律和知识，提升了决策水平、以及对网络故障等安全潜在风险预测能力。AI在基于感知、连接、深度集成和高效处理的基础上，可实现精准决策和动态优化，网络生命周期/数据的优化闭环管理，以期实现自配置、自优化、自防御、自服务的全自动驾驶IP网络。

四、云网深度融合IP网络面临的问题和挑战

4.1组播技术

虽然，组播技术广泛用于传统IP网络，但是，云网深度融合下的IP網络是否还需要组播功能？由于：

1. Flex Algo提供了网络资源的软切片模式，每个软切片之间不存在任何以来关系，是相互独立的;每个软切片的逻辑网络不关更不知道自己运行在哪个物理网络资源上，即共享的物理网络资源还是独享的物理网络资源上。

2.容器化后的一个微服务即是一个模块，所以每个微服务模块之间是相互独立，不存在任何依赖关系。只有在模块之间被互相调用时，他们之间才会发起和存在连接关系。

基于上述两点分析，个人认为组播功能就不一定需要了。

4.2 IP网络的确定性

IEEE 802.1 TSN系列标准协议定义了本地局域网（LAN）的确定性要求。 IETF RFC8655标准定义了确定性IP网络（DeNet）的架构，该网络架构只针对单个管理域或一组受限的管理域，适用于特定的园区广域网或专用广域网，组大网如IP互联网不在本FRC8655的研究范围内。该解决方案是在边缘节点处做与IPv6转换后，还是使用IPv6接入公众网。

关于IP网络确定性（低时延、低抖动）指标要求，在边缘节点（入口）内、边缘节点（出）口内，可以通过路径规划和资源预留、确定性转发如路径绑定，周期性转发，以及时间门控队列调度机制实现。但是如何在网络中间节点（汇聚节点、核心节点）内，以及中间节点之间做到确定性，目前还没有更好的实现方案和机制。

五、结束语

IP网络正因其简单，尽力而为、好用的特性，自其出现以来不仅广泛的应用于IT领域，而且被广泛的应用于CT，以及工业领域，其普遍性适用性受到了业界的高度认可;可是，IP网络作为连接接入网和核心网/数据中心的基础设施网络，为了更好的支撑5G网络赋能千行百业的差异化服务需求，云网深度融合、乃至6G网络。IP网络的演进一直以来备受业界的广泛关注。标准方面，国际标准组织IEEE、IETF、ITU等分别致力于IP局域网、广域网、以及骨干网的标准化制定，但在全局组网方面还有待进一步研究和完善;国内标准组织CCSA网络5.0，和TC3针对中国未来网络的发展现状，从需求和实际出发，正在讨论和研究网络5.0（未来IP网络），包括总体架构、确定性、全局灵活组网协议、内生安全等方面的技术和标准化制定，并聯合紫金山实验室进行测试和试点，以推动设备能力的进一步成熟和商用。相信在业界各方群策群力、共同努力下，分阶段逐步推进云网深度融合IP网络的关键技术和验证，定可以攻克和解决这些关键技术问题和挑站。

参  考  文  献

[1] 许锋.云网融合、云边协同-IP承载网技术演进探讨.CCSA TC3第35次全会网络新技术研讨会，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年中国虚拟化市场专项调研及发展趋势预测报告.中国产业信息，2015-06.

[4] 张朝昆，崔勇，唐翯祎，吴建平。软件定义网络（SDN）研究进展.软件学报，2015，26（1）：62-81.

[5] 作者：Jim OReilly，翻译王学强，容器虚拟化技术为什么能够提升效率？TechTarget中国，2015-04-02.