1 引言

互聯網的出現放大了人的社會屬性，隨著網絡空間的擴展，網絡將成為人們工作和生活的有機組成部分。未來，在授權范圍內，任何人均可通過互聯網隨時隨地平等地獲得所需的服務與信息。此時，網絡基礎設施對用戶呈現出更多的“透明”特性（即用戶在獲得服務與信息時無需感覺到網絡的存在）。這就對底層網絡基礎設施提出更高要求，無論在覆蓋范圍、接入帶寬、網絡安全方面，還是在可靠性與擴展性等方面，都遠遠超出傳統(tǒng)的網絡標準。

作為信息時代的基礎設施，寬帶是國家經濟社會發(fā)展的重要基礎，也是衡量國家競爭力的重要標準之一。2010年，聯合國寬帶委員會成員簽署了《基于寬帶的未來》的宣言，寬帶接入被視為公民的基本法律權利。目前，已經有近百個國家和地區(qū)啟動了國家寬帶計劃。

互聯網與信息化進程相伴而生，工業(yè)化與信息化融合進程為互聯網的發(fā)展注入新的活力。人—人、人—物乃至物—物相連將是未來互聯網的主要形態(tài)。因此，融合承載、規(guī)模擴展、綠色環(huán)保、安全可信以及超寬帶接入(100Mbit/s以上)等將成為未來互聯網背景下網絡基礎設施的基本要求。

本文從未來互聯網對網絡基礎設施的需求著手，以超寬帶網絡相關技術為研究對象，在分析研究超寬帶網絡基本要求的基礎上，重點對超寬帶網絡體系架構中的關鍵技術進行了研究。

2 超寬帶網絡基本要求

技術的發(fā)展必須以人為本，網絡亦然。超寬帶網絡的發(fā)展必須以滿足用戶信息化需求為中心，具體表現在：

（1）超大規(guī)模超寬帶接入

隨著物聯網、云計算以及富媒體等技術的規(guī)模發(fā)展與應用，用戶和終端規(guī)模進一步擴大。若以城域網為單位，用戶規(guī)模超千萬、終端規(guī)模超億將成為未來寬帶網絡的重要特征。視頻業(yè)務以及虛擬現實等技術的快速發(fā)展極大地推動了用戶對帶寬需求的增長，在未來相當長的一段時間內，帶寬仍將是用戶的首要需求。人均帶寬100Mbit/s將是未來寬帶接入的基本要求。

（2）廣泛覆蓋

隨著信息化與工業(yè)化融合進程的推進，隨時隨地、任意終端與任意方式的安全接入已成為用戶對信息服務的基本需求。網絡覆蓋范圍與物理空間的趨同成為大勢所趨，泛在接入成為超寬帶網絡的基本要求之一。

（3）融合承載

隨著網絡應用的豐富與發(fā)展，傳統(tǒng)的網絡—業(yè)務緊密契合的“煙囪式”網絡建設模式難以為繼，基于IP技術的網絡融合承載趨勢不可逆轉。在ALL-IP架構下，包括視頻、音頻、數據以及移動等所有應用與業(yè)務均應通過同一張網絡實現融合承載。

（4）超高可靠性

承載可靠性是多業(yè)務融合承載的基本條件。超寬帶網絡應能實現關鍵業(yè)務的超高可靠性指標（99.9999%）。滿負荷情況下，關鍵節(jié)點和關鍵鏈路故障倒換時間應小于50ms。

（5）綠色節(jié)能

綠色節(jié)能是實現寬帶網絡可持續(xù)發(fā)展的必要條件。超寬帶網絡運營過程中，必須從降低每比特能耗和提升每比特承載效率兩方面著手，提升網絡效能，切實降低單位能耗。

（6）安全可信

互聯網的開放性和泛在性正在將網絡和信息安全提升到前所未有的高度。安全可信的網絡對于互聯網持續(xù)健康發(fā)展至關重要。在打造超寬帶網絡基礎設施的同時，需要建立用戶/網絡/業(yè)務全方位安全保障體系，打造端到端一體化安全保障能力，實現超寬帶網絡環(huán)境下的用戶、網絡和業(yè)務的安全保障。

（7）平滑演進

網絡平滑演進是網絡可持續(xù)發(fā)展的重要保障。超寬帶網絡建設過程中，應該從網絡設備可重用、網絡架構可擴展以及網絡能力可升級等方面保證網絡的平滑演進。

（8）智能管控

用戶體驗與網絡效能是互聯網發(fā)展過程中的兩個關鍵命題。向用戶提供“按需”（On-Demand）的用戶體驗是未來互聯網的典型特征。“按需”用戶體驗要求網絡資源具備智能管控與調配能力，而這種智能管控能力則依賴于用戶—網絡—業(yè)務的有效協(xié)同。

（9）IPv6技術和業(yè)務使能

未來，海量終端的接入以及“永遠在線”的業(yè)務特性，需要超寬帶網絡具備足夠的尋址空間。IPv4地址空間難以滿足超寬帶網絡的發(fā)展，因此超寬帶網絡必須是IPv6技術和業(yè)務使能的網絡。

3　超寬帶網絡關鍵技術研究

超寬帶網絡體系通過將網絡的傳送、計算與存儲等三類能力的有機融合，實現對未來互聯網的強力支撐。一個完整的超寬帶網絡架構需要高效承載、可靠保障、安全可信、智能管控、綠色節(jié)能和體驗提升等關鍵技術支撐。安全可信與智能管控技術涉及到用戶、網絡與業(yè)務等多個層面的協(xié)同及資源調度。本文主要從網絡承載角度對相關技術進行分析研究，對安全可信與體驗提升等技術不進行詳細敘述。

3.1　高效承載技術

ALL-IP架構下，支撐高效承載的關鍵技術包括IPoE，IP與傳輸協(xié)同以及網絡—平臺協(xié)同等。

（1）IPoE基于DHCP協(xié)議擴展，可實現廣域的IP報文認證、授權、計費和有效傳輸。相對于目前廣泛使用的PPPoE而言，IPoE的優(yōu)勢不僅在于封裝結構的簡化，而且在于組播分發(fā)效率的提升：PPPoE接入方式下，由于用戶與接入控制網關之間是PPP連接，組播報文的復制只能以每用戶為單位，實際效果類似于單播承載；IPoE方式下，組播報文基于端口或VLAN復制，如果結合跨VLAN組播，可實現更高效率的組播分發(fā)。大規(guī)模直播業(yè)務條件下，IPoE方式可實現組播復制點由接入控制網關向接入網絡等位置的下移，進一步提高組播分發(fā)效率。

（2）IP與傳輸協(xié)同主要指IP與OTN的協(xié)同，此種方式下，通過路由器上引入通道化OTN技術或OTN上引入VLAN子接口技術，實現路由器與OTN設備在物理接口上的互通，并通過GMPLS協(xié)議進行網絡流量的統(tǒng)一調度，實現IP層與光層有效協(xié)同條件下的流量優(yōu)化承載。為滿足超寬帶網絡架構和業(yè)務承載需求，必須提升OTN的資源調度和靈活組網能力，具體而言，就是通過增強OTN設備的端口匯聚和流量匯聚能力，實現更加靈活的資源調度，目前EOO（Ethernet Over OTN）等技術就是典型代表。

（3）網絡—平臺協(xié)同目前主要指基于CDN的視頻內容推送。根據IBM公司的研究成果，過去25年中，存儲成本以平均每周3%的速度下降，遠快于網絡帶寬成本的下降速度；另一方面，就近獲取視頻內容的方式可顯著提升用戶體驗。網絡—平臺協(xié)同就是基于“存儲換帶寬”理念，將CDN平臺引入網絡，在緩解帶寬壓力的同時，進一步提高用戶體驗。CDN的智能分片和內容智能“拉取”技術可進一步提升內容推送效率，是該領域的研究重點。此外，將CDN功能集成到網絡設備實現網絡—業(yè)務更加有機協(xié)同，成為該領域的主要趨勢。

3.2　業(yè)務可靠性保障技術

承載可靠性是業(yè)務可靠性的根本保障，由于IP網絡的“盡力而為”特性，IP綜合承載條件下的可靠性始終是IP網絡構建過程中重點關注的問題。IP網絡可靠性主要通過快速故障檢測和拓撲/設備冗余實現。

由于不同網元/鏈路在網絡中的角色定位不同，在可靠性保障方面的作用也不盡相同。從關鍵網元/鏈路入手，有的放矢，提升網絡可靠性，是超寬帶網絡關注的重點。在超寬帶網絡中，接入控制設備不僅承擔著流量轉發(fā)和控制功能，而且承擔著用戶管理的部分功能，是業(yè)務可靠性保障環(huán)節(jié)最重要的網元。因此，接入控制設備可靠性是超寬帶網絡業(yè)務可靠性的重要保障。接入控制設備可靠性主要通過跨機箱無縫熱備技術實現。跨機箱無縫熱備技術原理如圖1所示，在用戶信息同步的基礎上，結合VRRP和BFD等技術，在滿負荷情況下可保證關鍵節(jié)點和關鍵鏈路故障倒換時間小于50ms。以此為基礎，配合快速路由收斂等技術，可實現視頻、音視等關鍵業(yè)務的超高可靠性指標（99.9999%）。

圖1　跨機箱無縫熱備技術原理

網絡虛擬化技術的發(fā)展，為更大范圍實施可靠性保障提供了可能，目前出現的接入控制設備池化和集群等相關技術，可以在更大范圍內實現可靠性保障。

3.3　綠色節(jié)能技術

綠色節(jié)能體現在設備研發(fā)、網絡設計與運營等環(huán)節(jié)。高集成度、低能耗和大容量是設備研發(fā)的基本要求，在設備架構設計之外，芯片工藝水平對設備能耗的影響非常明顯。通常，工藝水平的提升會實現能耗的實質下降。目前，網絡設備的芯片工藝主要集中在65nm水平，未來將向45nm和32nm工藝水平過渡。超寬帶網絡以光網技術為主構建，在提升網絡容量的同時提升網絡效能：在接入部分以PON技術為主實現全場景全業(yè)務接入，而在骨干部分則通過IP—傳輸協(xié)同等方式實現光網承載。在網絡運營過程中，主要通過打造用戶—網絡—業(yè)務一體化智能協(xié)同體系，實現網絡整體運營水平的提升和能耗的下降。

3.4　體驗提升技術

人們對用戶體驗的永恒追求是驅動信息化社會發(fā)展的原動力。視頻業(yè)務在所有互聯網業(yè)務中對用戶體驗要求最高。因此，用戶體驗提升主要集中在視頻業(yè)務體驗提升方面。由于視頻業(yè)務的長連接、高帶寬以及用戶體驗敏感等特點，大規(guī)模視頻業(yè)務的開展對網絡容量和承載能力都帶來極大挑戰(zhàn)。視頻體驗提升主要基于視頻增強技術實現。

視頻增強技術通過視頻業(yè)務處理和存儲，實現視頻內容的重傳和緩存。基于視頻增強技術，視頻切換時間可大大縮短，畫面質量得以大幅提高。視頻增強技術在提升視頻用戶體驗的同時，通過IP和存儲技術協(xié)同，縮短流量路徑，實現了網絡流量模型優(yōu)化，提升了帶寬效率。未來，視頻業(yè)務功能會逐漸集成在網元設備上。

基于視頻增強技術的部署，還可通過隨流檢測等方式形成對視頻業(yè)務的實時監(jiān)控，實現對視頻故障的快速定界和定位。

4　結束語

決定未來互聯網發(fā)展的根本是網絡基礎設施。超寬帶網絡是在傳統(tǒng)寬帶網絡基礎上的繼承和革新。相對于傳統(tǒng)寬帶網絡，超寬帶網絡將網絡的傳送、計算與存儲能力有機融合，能更好地滿足未來互聯網發(fā)展需求。超寬帶網絡的運營和發(fā)展依賴于寬帶產業(yè)的發(fā)展和技術創(chuàng)新，只有有效整合產業(yè)鏈的力量，超寬帶網絡才能步入更加快速和健康的發(fā)展軌道，才能更好地支持未來互聯網的發(fā)展。