算力時代的高品質全光運力網路

8月3日-4日，以“智簡全光助萬物光聯”為主題的2022中國光網路研討會在京隆重召開。在“面向算力網路的光網路技術與應用研討會”分論壇上，中國資訊通訊研究院總工程師敖立發表了《算力時代的高品質全光運力網路》的主題演講。

▲中國資訊通訊研究院總工程師敖立

一、算力和運力是數字經濟發展的基石

數字經濟是國民經濟的“穩定器”和“加速器”。根據中國資訊通訊研究院《2022中國數字經濟發展報告》的資料顯示，2021年，我國數字經濟發展取得新突破，數字經濟規模達到45.5萬億元，同比名義增長16.2%，高於同期GDP名義增速3.4個百分點，佔GDP比重達到39.8%。

產業數字化發展進入加速軌道，成為數字經濟發展主引擎。2021年，我國產業數字化規模達到37.2萬億元，同比名義增長17.2%，佔GDP比重為32.5%，各行各業已充分認識到發展數字經濟的重要性。

國家在東數西算、各類專項行動中都要求提升網路傳輸能力。2021年5月24日，四部委聯合印發《全國一體化大資料中心協同創新體系算力樞紐實施方案》，明確提出“東數西算”工程，構建八大算力樞紐、十個資料中心叢集的國家算力網路體系。

透過構建資料中心、雲端計算、大資料一體化的新型算力網路體系，將東部算力需求有序引導到西部，最佳化資料中心建設佈局，促進東西部協同聯動。

工業和資訊化部關於印發《“雙千兆”網路協同發展行動計劃(2021-2023年)》中指出，提升骨幹傳輸網路承載能力。推動基礎電信企業持續擴容骨幹傳輸網路，按需部署骨幹網200/400Gbps超高速、超大容量傳輸系統，提升骨幹傳輸網路綜合承載能力。加快推動靈活全光交叉、智慧管控等技術發展應用，提升網路排程能力和服務效能。引導100Gbps及以上超高速光傳輸系統向都會網路下沉。

工信部發布的《“十四五”資訊通訊行業發展規劃》中指出，持續推進骨幹網演進和服務能力升級。提升骨幹網路承載能力，部署骨幹網200G/400G超大容量光傳輸系統，打造P位元級骨幹網傳輸能力，引導100G及更高速率光傳輸系統向都會網路下沉，加快光傳送網(OTN)裝置向綜合接入節點和使用者側延伸部署。

工信部、發改委聯合印發《關於促進雲網融合 加快中小城市資訊基礎設施建設的通知》中指出，升級中小城市至中心城市、中小城市至鄉鎮、中小城市之間的光纜和傳輸系統，有條件的地區全面推广部署100G OTN裝置，滿足雲邊互聯、公眾寬頻、政企專線等業務承載需要。2025年，實現“千城千兆”和“千城千池”。

算間互聯需要高速運力大動脈，使用者入算需要差異化、靈活敏捷。第一財經根據各地“十四五”通訊規劃以及公開資料整理得出，“十四五”時期，每個算力樞紐節點頻寬需求從幾十T~幾百T。

“東數西算”需要高速運力大動脈，每個機架頻寬500M～1Gbps。在“十四五”末期，內蒙、京津冀樞紐節點頻寬需求將達到十T級別;其他6大樞紐節點頻寬需求將達百T級別。

二、多維度打造高品質全光運力網路

多維度協同演進：光纜層最佳化，轉發層演進(包括超大頻寬、超低時延、靈活敏捷、泛在覆蓋)、算網協同、安全性增強。

泛在覆蓋：透過PON/OTN等為行業、家庭提供差異化聯接方式

我國固定寬頻網路全面進入光網時代，並加速向千兆光網演進，為持續高質量發展奠定堅實基礎。

在網路覆蓋方面，固定寬頻網路實現全光化，千兆光網加速覆蓋。光纖到戶(FTTH)覆蓋城鄉基本所有家庭，所有城市均建成“光網城市”，FTTH/O接入埠達到9.79億。

在使用者水平方面，光纖寬頻使用者5.59億，高速寬頻使用者發展快速。截至2022年5月，光纖寬頻接入使用者達到5.59億，百兆以上使用者滲透率93.6%，500M以上寬頻使用者超過1.2億。

在網路效能方面，固定寬頻網路速率持續快速提升。固定寬頻接入速率已接近300Mbit/s，處於全球前列;根據寬頻發展聯盟的《中國寬頻速率狀況報告》，2022年二季度，固定寬頻使用者體驗速率已接近70Mbit/s，比2013年提升近18倍。

在普遍服務方面，行政村通光纖佔比達到100%。全國農村寬頻使用者總數達1.58億戶。目前已實現全國未通寬頻的行政村“動態清零”。

在技術水平領先層面，ITU 50G TDM-PON技術標準取得實質性進展，2021年4月透過PMD層和TC層標準(G.9804.273)。在相關標準化工作中，我國企業佔重要地位。

ITU-T目前正在就FTTR技術的總體、物理層、資料鏈路層和管理技術等方面，開展一系列標準的制定，我國相關企業和研究機構引領標準化程式。ETSI F5G國際標準，提出技術框架和應用場景，我國積極主導推進相關工作。

在網路能力領先層面，網路部署上，重點推進接入網路的10G PON改造，實現千兆光網全面覆蓋。截至2022年5月，我國已建成10G PON埠1039萬個，千兆光網已覆蓋超過4億戶家庭，我國千兆光網網路規模全球最大，網路能力持續領先。

在產業水平領先層面，以華為、中興、烽火為代表的我國企業，光接入產品的市場份額，均穩居全球前五位，我國光接入類產品總體出貨量，已超過全球的50%。在千兆光網領域，我國已建立起完整的產業鏈，關鍵裝置和器件基本實現了完全自主，實現突破。

10G EPON&10G GPON對稱/非對稱 ASIC晶片，以及10G PON相關光模組，具備自主設計和生產能力，相關產品均能夠規模出貨。

在使用者規模領先層面，截至2022年5月，我國千兆及以上接入速率的固定網際網路寬頻接入使用者已達5591萬戶，使用者規模全球第一。我國千兆光網使用者呈快速增長的趨勢，2022年5月上年末增長了比上年末淨增2135萬戶。

超大頻寬：幹線以400G、頻譜C+L推動光纖容量向T級別演進

頻譜擴充套件產業關注點以C+L擴充套件為主，已商用系統使用C波，支援80波/96波，佔用頻譜4THz、4.8THz。C波段擴充套件(6THz頻寬，支援80波200G@75GHz或120波200G@50GHz)，以及C+L波段擴充套件(6THz+6THz)正在開展標準化研究。

C波段120波系統已可商用，容量提升50%(相對於80波)。C+L波段擴充套件預期可實現總頻譜頻寬12THz(C波段和L波段各120波)，400G相比200G，距離不變，容量翻翻。面向更寬頻譜的S+C+L等波段擴充套件，學術界正在持續開展研究

空間多工持續研究，空芯光纖成為熱點。SDM應用試點主要聚焦多芯複用，基於模式複用和多芯複用的SDM成為未來解決容量危機的潛在方案。基於多芯複用的SDM技術已在海纜通訊系統小規模應用。基於模式複用，以及模式複用+多芯複用的SDM關鍵技術持續開展研究。

空芯光纖具備多維優勢，潛在應用前景引起業界關注。光在空氣或真空核心中的傳播速度比在固體玻璃中快約30%，空芯光纖可以實現接近極限的低延遲、極低的非線性，以及低而平坦的色散。

空芯光纖經歷多次迭代，衰耗已經降至可以和SMF接近量級。近兩年的多篇論文和實驗驗證了空芯光纖在高效能光通訊中的可能性。超低時延和寬譜特性等潛在應用前景引起業界關注，但目前仍處於產業發展初期。

DC內互聯成為短距典型應用場景，400G佔比逐步提升。資料中心內部光模組朝著高速率、低成本、低功耗、智慧化的方向發展。

資料中心交換晶片吞吐量預計2023年將達到51.2Tb/s，ICP網路架構整體向400G演進。業界正積極探索透過降低溫度和長期可靠性等要求來降低成本;隨著速率不斷提升，相干方案下沉趨勢明顯。

業界期望透過將光引擎與交換晶片合封來降低互連SerDes功耗及成本，光電合封(CPO)技術成為研究熱點。隨著光模組數量的急劇增加，OTT開始關注光模組的運維能力增強和質量提升。

與此同時，400ZR模組成為DCI關注熱點，800G標準多方全力推進。資料中心互聯應用需求強力推動OIF 400ZR成為互聯的典型介面。2022年3月份的OFC會議上，OIF組織了資料涉及多產業鏈環節的互聯展示。另外，IEEE、OIF、IPEC、CCSA等組織目前正在加速推動800G標準研製工作。

光電合封(CPO)成為綠色整合模組重要發展方向。資料中心內部流量快速增長，交換機功耗、埠密度、速率等均面臨挑戰，CPO成為重要發展方向。25.6Tb/s和51.2Tb/s交換速率下，利用CPO技術，可減少50%空間，15-20%功耗，能量效率明顯改善。

矽光整合技術在近年來成為CPO光引擎的主要方案(CMOS相容、非氣密封裝、56GBaud高速)。CPO 2.0的DSP功能整合進交換晶片，由主晶片直接驅動光引擎，電路損耗由20dB降低到10dB以內。

超低時延：拓撲最佳化、光層直達是減少時延關鍵途徑

光層直達是減少傳輸時延的關鍵途徑，依託現有光纜網路基礎設施，增加骨幹樞紐節點之間的連通度，保障網路重要節點之間多路由可達，支撐實現東數西算工程單向時延10-20ms要求。

據悉，東數西算(貴州)產業有限公司正在規劃建設與粵港澳、長三角、京津冀、成渝等地區新型超低耗光纜，助力“東數西算”工程建設。

2022年，規劃優先打通貴陽連線珠三角直連鏈路。目前，該路段工程正在進行勘察、設計與前期準備工作，該光纜全長約1300公里，建成之後，貴州國家算力樞紐至粵港澳大灣區國家算力樞紐傳輸時延將壓降約30%。

TDM和分組融合創新，推動確定性承載能力發展。確定性技術體系包括：TDM、乙太網和IP融合發展。

靈活敏捷：構建“資訊交換立交橋”，無阻塞全光排程

基於現有電交叉技術的OTN裝置單機容量持續演進，單機容量的進一步提升面臨著槽位數量、單槽位容量、功耗等限制。全光交換成為解決超大容量的主要途徑。面向多區域資料中心節點，部署ROADM/OXC全光網路，業務光層一跳直達，無需多次落地轉接，降低雲邊互聯時延。

算網協同：以網強算，以算促網，高效協同，綜合最優

管控協同實現算力業務最佳化承載，光網路需支援和算網協同編排運營系統的協同，實現面向業務的算力和網路資源分配自動化及智慧化，實現算力路由最最佳化。

光網路可對算網業務承載管道流量進行監測，實現面向應急突發業務保障、業務潮汐流量調整等需求的快速業務提供和靈活頻寬調整。

光網路管控系統的管控面提供統一北向介面，實現算網資源及業務感知，支援承載網路能力資訊的上報，支撐算網資源排程，支援算網需求下發，解析業務SLA及資源排程需求。

光網路管控系統提供算力資源排程策略，提供最優算力路由，支援多因子算路，滿足業務靈活需求，支援網路時延地圖，基於網路時延、頻寬等資訊生成算力承載路由。

安全可靠：多維度推進安全增強

算力資料安全包括政務、金融、醫療等涉及國家和個人敏感資料，企業核心生產資料等，對算力資料安全承提出很高要求。

算力的排程需要收集大量網路資訊及算力資訊，資料集中增加了敏感資訊洩露或被篡改的風險，算力感知及算力承載對跨系統、跨域，甚至跨境的多場景點對點網路連線，以及動態連線機制，增加網路安全風險。

在管控層，SDN集中式的管控架構，對管控系統安全性要求提高，需提供系統級的安全防護手段。DCN網路和網際網路應隔離，透過運維手段，減少外部攻擊風險。DCI之間網路透過ASON等技術，實現可靠性提升。

在光傳送層，透過全光切片技術，對重要客戶、企業生產業務和普通使用者業務進行隔離。可考慮靈活選擇L1/L2/L3層管道加密技術，對網路資料進行加密保護，提升承載網路的安全性。

在光纖光纜層，透過非法竊聽手段，竊取網路資訊或者干擾網路，可探索光纖網路的竊聽防禦機制及應用。引入AI技術對光纖訊號進行探測，準確瞭解光纖網路執行狀況，及時預警異常情況，增強網路安全性。

引入承載網路運力指數，助推算力和數字經濟發展。面向算力需求和數字經濟發展，綜合多維要素，逐步引入“運力指數”，助力指導我國新型基礎設施發展規劃。

客觀評估承載網路運力發展。全面分析評估我國幹線/骨幹和各區域承載網路的運力指數分佈現狀和歷史發展資料;客觀評價我國運營企業的幹線和區域承載網路的“運力”指標發展趨勢，指導制定網路發展規劃。

分析支撐數字經濟關聯性。支撐我國運營企業和各級政府深入分析運力指數與算力指數關聯關係，協同推動提升數字經濟發展指數的量化關聯關係;支撐各級政府科學開展運力、算力和數字經濟發展規劃。

支撐研製產業發展政策。為各級政府研究制定新型資訊基礎設施的發展規劃提供科學支撐，提升政府的數字化治理水平。支撐制定國家發展規劃和產業引導政策，為國家東數西算戰略和數字經濟的發展提供有力保障。

三、攜手共促全光運力網路的發展建設

圍繞運力規模、運力覆蓋、運力排程等維度，信通院已啟動開展全光運力網路的評估體系研究，相關成果近期會陸續釋出。

全國、區域、樞紐間的運力規模和能力是實現東數西算、數字經濟發展的基礎。泛在覆蓋的全光運力網路助力千行百業快速、便捷獲取算力，加速數字化轉型。智慧靈活的OXC運力排程能力是實現算間高效協同、業務按需靈活獲取算力的保障。

信通院倡議產業界各環節，積極開展面向全光運力網路演進目標、架構和關鍵技術的相關研究和實踐，支撐東數西算戰略實施，賦能千行百業數字化轉型。建議國家和地方各級機構，出臺有關政策和行動計劃，對算力網路的建設給予指導，適度超前建設全光運力網。