总23期
Technology    技术前沿
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数据通信广域网技术如何构建互联网时代的美好生活
文/王效亮
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1946年世界上第一台计算机问世后的最初一段时间,计算机和网络并没有关系,1954年人们首次通过电话线路实现了计算机之间的通信,而随着1969年美国ARPANET投入运行,标志着数据通信的发展进入了一个新纪元,之后经过40多年的发展,广域网连接的范围、终端数量、速率都达到了空前的规模,也为当下数字化的普及和转型提供了坚实的基础。

今天,智能手机和终端已渗透到我们工作和生活的方方面面,大家已经习惯了在智能手机上购物、订餐、出行等等,短暂的网络中断都会引起人们很多不适,我们在享受智能手机带来的便利生活和学习的同时,其背后支撑我们享受美好体验的基础则是超宽、智能、可靠的数据通信广域网(下文中简称“广域网)。甚至可以说,没有广域网技术突飞猛进的发展,就没有今天美好生活的体验。

而广域网能发展到今天的规模,也是一个逐渐演进的过程,本文主要从广域互联的链路、设备、组网方案三个方面来阐述广域网技术的演进路线。

广域互联链路技术演进

图1 广域互联链路技术演进方向

广域链路互联的核心是数据传送采用何种交换模式,从广域链路演变来看,有三种交换模式:

1. 电路交换

电路交换采用在源节点和目的节点之间建立一条专用的通路传送数据,包括建立连接、传输数据、断开连接三个阶段,最典型的电路交换是电话网,最初广域网连接就是采用电话PSTN网,数据传输速率为33.6k/56Kb/s,但采用PSTN通信时,正常电话业务无法进行,后来演变为具有专用数据通道的ISDN,ISDN可以同时传输语音和数据,速率有基本速率144K(2B+D)和一次群速率1.544Mb/s(23B+D,美国/日本)或2.048Mb/s(30B+D,欧洲),后续逐渐演变为更高速率的SDH/OTN。

2. 分组交换

分组交换又称包交换,其原理是将数据分成固定长度的数据块,在每个数据块加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组包,按存储转发方式传输,典型的分组交换链路技术有X.25、帧中继、ATM,其中ATM融合了传输和分组交换的优势,可以给用户提供严格保障的SLA服务,而由于其技术复杂度导致部署维护成本高,目前已逐渐退出市场,但国内的少数用户如部分金融客户仍然采用其作为广域互联链路技术。

3. 报文交换

报文交换将用户数据加上源地址、目的地址、长度、校验码等辅助信息封装成报文,发送给下个节点,下个节点收到后先暂存报文,待输出线路空闲时再转发给下个节点,并重复这一过程直至目的节点。典型的报文交换主要有以太网、TCP/IP、MPLS等,其中MPLS最初用来提升IP报文转发效率,后来随着设备硬件性能提升,MPLS并未有用武之地,而是在VPN应用中大放异彩,目前现网VPN大都采用MPLS技术。随着IPv6的逐步规模部署,一种新的IP报文交换技术SRv6出现,大大简化了现网部署协议种类,同时能够使网络与上层业务进行融合,逐步实现云网融合。

广域互联设备的技术演变过程

路由器作为广域互联基础设备,从最初的线路控制器的角色逐步演变成支持丰富接口和协议的路由控制设备,经历了设备的端口形态、转发架构、多业务支持等技术演变,使路由器产品能够成为广域组网的最重要设备。

1. 路由器的端口形态演变

图2 路由器端口形态技术演进方向

路由器端口形态基于广域网所采用的链路互联技术不同而差异较大,同时由于要连接多种类型广域链路和局域网,路由器需要支持丰富的接口,如AM、E1、ATM、POS等,新华三集团也在1996年发布了中国第一款自主研发的R系列路由器产品。近年来,随着运营商提供广域链路的演变,分组交换基本退出历史舞台,广域长途链路还是以电路交换为主,虽然目前到用户侧的接口形态逐渐演变为MSTP(多业务传输传送设备)的以太口,但MSTP设备广域互连实质还是电路交换。而在自建传输网的客户中,E1\POS接口应用还是比较广泛,如电力、铁路等客户。

2. 路由器转发架构演变

图3 高端路由器转发架构技术演进方向

路由器产品转发架构演变过程也是性能和可靠性的提升之路,特别是高端路由器。随着广域网上业务和流量的激增,集中式架构高端路由器产品已无法满足骨干网所承载业务的需求,高端路由器逐渐演变为控制和转发分离,核心路由器逐渐演变为控制、转发、交换三独立的架构,同时针对部分客户(如运营商)对性能和可靠性的严苛要求,多框集群路由器也应运而生。新华三集团在2007年发布了业界第一款多核转发架构产品SR6600路由器,2017年新华三集团发布了业界首款P级集群路由器CR19000系列产品,正式进入“集群俱乐部”,成为业界四家商用集群供应商之一。

3. 路由器多业务支持的演变

路由器从诞生的那一刻开始,就注定了要支持多种业务才能够承载客户的广域网应用,由于路由产品所处的组网位置和客户不同场景需求,不同档次的路由器设备对多业务支持的丰富度和演变路线是不同的。

中低端路由器作为广域接入的第一跳,必须对所承载的业务进行识别、控制,因此中低端路由器支持丰富的QoS是其基础的业务特性。随着广域边缘接入组网架构演变,边缘接入路由设备需要支持路由、交换、安全等多种业务特性。2006年新华三集团发布了业界第一款支持OAA开放架构的MSR系列路由器,实现了路由、交换、安全等网络层面多业务融合。近年来随着物联网、云计算、大数据等业务应用的发展,边缘接入设备不仅要支持网络层面的融合,还要承载部分客户上层轻载业务应用,实现CT和IT层面的融合,同时还要与客户云平台进行对接,实现业务向边缘云的推送。新华三集团从2014年开始深入调研此类市场,陆续发布了LA、MSR-I系列融合网关,并应用在智慧教育、智慧停车、智慧小区等项目中,2020年新华三又发布了业界第一款支持AI高性能融合网关SR6602-I。

高端路由器主要应用于广域骨干节点,叠加业务情况下的高性能是衡量其性能的标尺,高端路由器除了支持基础的QoS、MPLS等业务外,近年来兴起的SR/SRv6也逐渐成为其必须支持的业务特性,同时随着国家等保2.0和《密码法》等安全法规的颁布,高性能的防火墙、国密特性也逐渐在高端路由器上实现落地与支持,而新华三集团高端路由器在国内是首款支持高性能防火墙插卡和国密插卡的厂商,可以为广域数据传输提供安全、可信的通道。

广域组网方案的技术演变

图4 广域组网的拓扑模型

广域组网首先要解决网络的联通性,拓扑结构是广域组网的基础,同时用户的业务模型也决定了广域组网拓扑模型,如图4所示。广域组网方案演变随着所承载业务需求而逐渐向前演变,截至目前,广域组网方案可以大致划分为三代:

1.第一代广域组网方案:广域互联互通+网管

广域网发展初期,所承载的业务相对简单,主要是以客户的OA业务为主,客户更多关注的是实现广域互联互通,客户的业务模型决定了采用何种网络拓扑架构,如图4所示,同时需要在网管中心对整个广域拓扑进行呈现,通过厂商的配套网管或第三方网管系统可以实现此功能,客户对网管的功能更多体现在可视和故障告警。

2.第二代广域组网方案:高可靠性+精细化Qos控制

图5 广域高可靠性组网架构

随着客户生产业务逐渐承载在广域网上,广域网的可靠性变得越来越重要,客户希望部分设备或链路故障不要影响业务应用,因此客户在组网架构上采用双平面,通过路由和MPLS规划,实现业务隔离和互备。另外,广域承载业务增多、流量的突发,对广域链路带宽提出了严重挑战,客户需要精细化QoS部署才能保障所承载多种不同业务的流畅运行,因此广域节点大都采用双链路、双设备,并在每台设备上都基于客户业务进行QoS配置部署,这导致网络系统的管理、部署变得复杂。为此新华三集团通过广域IRF+分层Car方案,可以大大减少广域组网逻辑节点和QoS部署复杂度,从而简化业务部署和运维的工作量。

3.第三代广域组网方案:基于云网融合的SDN解决方案

图6 广域SDN组网架构

近几年随着云计算逐渐规模应用,上层云业务应用需要广域承载网具备弹性、智能、可视等能力,广域网逐渐变成一种可以根据云应用而变的池化资源,虽然业界都在推出软件定义广域网方案,但事实上,SDN仅是思想或方法,真正能够定义网络的是用户的业务即上层应用系统,事实上是应用在驱动广域网演变,广域网的变化也是为了更好的适配云计算的需要。而新华三集团是业界最早推出云网融合SDN方案的厂商,早在2017年就应用于内蒙气象广域网,协助客户实现业务智能调度、可视、可控等需求。

观点

从广域网技术演进历程来看,后续广域联接技术会面向超宽、智能、融合、可信、极简方向发展,广域网智能联接是各行各业数字化转型基础中的基础,广域联接服务质量也成为衡量用户生产力的重要指标之一,新华三集团将会加大在广域智能联接上的研发投入,为用户的数字化转型保驾护航。

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