云网络:云网融合的新型网络发展趋势

内容来源:《中兴通讯技术》2022年2月 第28卷第一期,边缘计算社区经过授权发布文章。

摘要:云网融合已经成为信息基础设施的核心特征,其关键是打破云和网的边界,实现多个层面的一体化。在信息世界以云为核心的背景下,改变传统的网络组织模式,构建云网络的形态,将是必然选择。重点阐述了对云网络的需求、云网络的架构组成及关键技术,并分析了云网络的表现形式和未来发展前景。

关键词:云网络;云网融合;软件定义广域网

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2021年10月18日,习近平总书记在主持中共中央政治局第三十四次集体学习时指出,要加快新型基础设施建设,加强战略布局,加快建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施。这标志着云网融合正式成为数字信息基础设施建设的重要内容。

云网融合的核心特征在于“融”,即打破现有云和网相对独立和隔离的局面,在基础架构、底层设施和资源调度等方面趋于一体化。该特征在反映到现实世界中时,将演变为“云网络”这一新型网络形态。这种网络形态将使得云和网的传统边界变得模糊,使云和网在连接层面率先实现融合。

1. 云网络的产生背景

过去的网络组织形式,本质上是一种以基础网络和物理连接为核心的模式,即“先修路”。这种模式根据行政地域层级和人口分布,构建多层级、中心化的网络,然后再将对应的业务和应用资源挂接到网络上。在过去信息通信的源头和形态相对单一、通信流量和数据总量较少的情况下,这种组网形式是便于管理、行之有效的。但是随着互联网的兴起和发展,信息服务的内容逐渐变得丰富多样,网络流量和应用数据呈现爆发式增长。近年来,以云计算技术和云服务载体为代表的新型业务占据主导。业务和应用所需的资源逐步集中到平台化的云上。原先的模式难以满足新形势的需求。

以电信运营商为代表的基础网络服务商,虽然逐年提升网络带宽,但仍然难以满足业务流量动态变化(特别是云)的要求。这是因为,一方面现有网络的拥堵点难以消除,另一方面网络也无法结合应用的需求来提供相应合理的服务质量(QoS)/服务等级协议 (SLA)。以互联网云商为代表的OTT(指互联网公司越过运营商开展业务) 企业,虽然努力构建以Overlay网络为主的网络体系,但是由于其Underlay网络较为封闭,无法和Overlay网络形成高效的协同,因此无法提供与云资源动态弹性、按需服务、按量计费等相匹配的网络能力。

在未来相当长的一段时间内,业务和应用所需的资源主要以云的形态存在,并且该形态是分布式的(在某些情况下甚至是去中心化的)、高频度动态变化的。传统的“先修路再部仓库”的组网模式必须适应新的变化。因此,网络的组织和构成模式需要调整为“随云而动、应云而生”,即需要构建一个云网络。这种云网络的本质特征主要有以下4个:

(1)网络组织以云为核心。网络的布局和架构充分匹配云计算和云业务所需的灵活性,具有高度的弹性,能够提供不同等级应用的QoS。
(2)网络资源云化部署。网络的节点、带宽、流量等打破了与地理位置和物理形态绑定的局面。以网元为主要载体可实现虚拟化、云化部署,能够实现按需提供和调整。
(3)网络边界深入云内。网络连接的端点需要与云业务相关联,以实现信息传送的深度直达,即让信息的“包裹” 能够送到用户手中。
(4)网络服务与云融合。从最终用户的角度看,今后大量的应用直接调用的是数据和算力。承载这些数据和算力的载体是云计算和云资源。而网络是作为更加底层的连接支撑存在的。从感知的角度看,理想的网络模式应该是“见云不见网”。网络自动化可提供服务,但它“隐藏”在云的后面。

2.云网络的构成和关键技术

新型云网络的架构包括3个层面。

(1)基础网络层。这一层的作用是构筑一个泛在的高速连接基础。它类似于我们日常生活中的高速公路,但需要具备一定的弹性能力和快速调整能力,能提供一定的差异化QoS和网络开放能力。基础网络层的布局要实现去行政区域化,并根据云资源的布局来设计。基础网络层主要解决网络组织以云为核心、网络资源云化部署的问题,需要从网络拓扑、路由组织、协议选择等维度更新传统网络的设计理念。从传统运营商的视角看,基础网络层又是Underlay网络层。
(2)业务网络层。在基础网络层上有一个业务网络层。业务网络层的作用是根据云计算的需要,实时建立或拆除网络连接,按需提供网络带宽和质量保障。同时这种连接是深入到应用和最终用户的,是真正端到端的连接。相对于基础网络层提供的连接能力,业务网络层实现的网络连接更加细粒度、精准化,并与日常生活中的物流快递类似,一般具有高并发、高时效性。业务网络层主要解决的是网络资源云化部署、网络边界深入云内的问题。简化网络的层级和拓扑、路由组织和接续, 并且让网关等节点实现虚拟化甚至云化[1],有助于实现按需扩(缩)容和随云部署。从传统运营商的视角看,业务网络层也被称为Overlay网络层。
(3)网络导航层。除了上述两个网络层外,系统还需要一个集中控制的网络导航层。这一层的作用在于让云网连接的准确性和可靠性得到提升,使信息物流的效率达到最大。网络导航层主要解决的是网络服务与云融合的问题,可形成多维全域资源视图,为不同的应用和业务设计相应的网络策略,并结合实际资源效能形成最优的调度和配置。该层是新型网络的核心智能所在,具有统一调度和管理的职责。从传统运营商的视角看,网络导航层也可以被称为控制编排层。

上述不同的层面需要引入不同的技术来发挥各自的作用,以实现各层的功能定位。

具体来说,基础网络层要实现比传统的Underlay网络更好的灵活性和差异化性能,就需要在协议层进一步简化,方便基础网络实现端到端的可管可控,改变过去“铁路警察各 管一段”的协议跨域拼接状况。目前,最有代表性的是基于IPv6的段路由(SRv6)协议[2]和以太网虚拟专用网(EVPN) 技术。SRv6可以让广域网过去的多个协议简化为一个协议, 有助于实现“高速路的一站直达”;EVPN技术可以让适合不同客户的L2虚拟专用网 (VPN) 和L3 VPN实现统一发放,大大简化网络的开通配置。同时,在该层面上还存在着 光传输和互联网协议(IP) 两个承载层。在现实网络中,出于不同质量、经济性、安全性的考虑,光传输和IP网络各有优势,两者将长期并存。但是目前最缺乏的是两者之间的高效协同,特别是在连接组织方面。人为的设定超出了光网络和IP网络的界限。

从云网络承载的角度看,只有让IP+光传输成为一个整体网络,才能发挥网络最大价值。因此,业界争论多年的“彩光”技术将为IP和光网络的融合带来新的机遇。由于云资源的一大功能是实现对算力的承载,特别是考虑到未来大量应用需要同时使用存储和计算两种能力, 因此基础网络层尤其需要匹配这一能力需求,需要能够形成 “服务器(计算和存储)+传输+路由”的统一调度能力。

业务网络层拥有一端入云、另一端连接最终用户的海量信息分发能力。这是传统Underlay网络所不擅长的。此外,该层还需要具有面向应用的高度定制化能力和快速连接处理能力。为此,SRv6和快速用户数据报协议(UDP)网络连接(QUIC)协议[4]可用来满足相关要求。其中,SRv6提供的是Overlay层面的精细化连接能力。与Underlay网络采用的SRv6协议不同,该层面可以根据网络端点的能力,采用进一步简化的SRv6协议栈,并通过开源方式来部署。如果诸如Sonic、FRRouting这样的开源项目能够满足需求的话,系统还需要专用的网络设备。这将大大降低SRv6部署到云内端点的要求。

而随着基础网络质量的不断提升,传统的传输控制协议(TCP)3次握手过程的必要性已经很小,大量基于UDP的应用将应运而生。为此,QUIC协议的高效性愈发明显,将有助于入云数据“包裹”的及时送达。当然,需要指出的是,目前QUIC协议主要应用在Client-Server模式中,其对传统网络的潜在影响也是巨大的。由于不同网元还处在逐步云化的过程中,各个网络节点的传输层协议完全可以基于QUIC协议来简化和优化。比如,当基础网络层采用移动网络承载并遇到频繁跨区切换时,采用QUIC来构建业务网络层就能够规避TCP慢启动对业务和应用产生的问题。

网络导航层需要借助软件定义网络(SDN)、Telemetry等技术来实现对各种网络资源信息的实时采集,并结合人工智能(AI)和大数据技术,利用机器学习等手段实现智能化的信息处理和闭环控制,让云网络真正具有大脑功能。需要指出的是,网络自动驾驶技术并非这一层面的最大挑战。在云计算领域中,相关的自治技术已经非常成熟,完全可以借鉴到网络中来。网络导航层的技术难点是如何引入语义化的信息交互和数据处理,以便让云网络更加开放,让使用者方便调用。对此,目前业界还没有现成的技术可用。

需要特别指出的是,这3个层面是逻辑功能的不同分工,在物理实现上,不是绝对隔离的,而是彼此嵌入的。以入云专线为例,在城域网范围内,基础网络层可以是无源光网络(PON)、光传输网(OTN),也可以是5G网络。为便于调度,可以在此层叠加一个软件定义广域网(SD-WAN)作为业务网络层,以方便客户侧与云资源池按需连接的建立和拆除。在骨干网范围内,可构建一个需要跨越不同网络域的数据中心互联(DCI)。从互联网数据中心(IDC)互联的角度看,该DCI属于一个基础网络;但是从云资源池互联和互通的角度看,该DCI又可以起到业务网络层的作用。与此同时,位于网络导航层的平台系统,比如编排和控制系统,可能需要连接上述不同网络域内的多个控制器、云管平台等,以实现端到端的协同和能力开放。

3.云网络的现状和发展前景

其实,从业界的应用部署来看,SD-WAN[5]就是一种云网络形态。SD-WAN 具备上述特征并包含上述3个层面。

从网络节点的形态来看,SD-WAN在局端和用户侧都可以采用云化部署的方式,不局限于传统的专用物理设备,它采用的组网拓扑和局端部署都呈现出典型的去中心化特征。同时,与云的结合是SD-WAN高速发展的一大驱动力, 也是企业实现上云、云互联的重要手段。如果将云比作电商的平台,那么SD-WAN就像物流服务一样。SD-WAN与云的深度融合没有明确业务边界。近来,随着安全访问服务边缘(SASE)、软件定义分支(SD-Branch)的加持,SD- WAN被进一步应用在信息通信技术(ICT)服务中。换句话说,SD-WAN已经从单一的组网连接演变为综合性信息服务。因此,我们也可以认为它是新型云服务的一种。

SD-WAN在实际部署中,并不是一种新型的物理网络形态,而是基于各种现有的接入手段和城域网、骨干网衍生而来的。SD-WAN的Underlay部分可以是目前的互联网专线、互联网宽带,也可以是传输专线,甚至是5G无线接入。所以我们不能认为SD-WAN的网络带宽等同于互联网带宽。在SD-WAN的Overlay部分,通过在客户侧网关和服务侧的网关建立安全封装后的隧道,可实现点到点、点到多点的灵活组网。

结合SDN控制器和编排器,SD-WAN能够实时感知底层资源的变化,根据业务的QoS要求来智能选择最佳路径并实施差异化保障手段,使得业务的开通与变更以及服务保障更加灵活、更有性价比。相对于传统的专线,SD-WAN 如果选择各种专线类技术,例如将OTN、多协议标签交换(MPLS)VPN作为其 Underlay部分(也就是基础网络层), 就可以实现很高的网络带宽和QoS保障。出于性价比和可靠性的综合考虑,在党政军和大企业应用中,SD-WAN 的基础网络层经常出现专线+互联网互为备份的情况。

当然,除了SD-WAN 以外,云网络还有不同的表现形式。比如,多家运营商推出的多云互联服务,多家OTT提供的多网接入服务。这些不同的表现形式在实现云网络的能力上存在一定的差异。

4.结束语

在云网融合的大势趋下,传统网络需要升级为云网络。这种云网络不仅是一种新型的网络形态或者云网载体,还是一种云网能力服务化的创新模式。在技术上,云网络本质上既打破了传统网络和业务的界限,又打破了传统通信技术(CT)和信息技术(IT)的界限,是云网融合能力和服务的供给侧结构性改革体现。当然,云网络的实现方案和可选技术是多样化的,相关的具体应用还处于比较初期的阶段。目前业界还没有找到绝对理想的标准方案和部署模式。正因为如此,业界同人需要共同关注,一起携手,才能解决相关问题,让云网络真正成为助推云网融合的新动能。

来源:边缘计算社区 
作者:史凡

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