2022年算力时代的全光底座网白皮书.pdf
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1、中 国 联 通 研 究 院2022年5月算力时代的全光底座白皮书算力时代的全光底座白皮书版权所有 中国联通研究院,20222022年2月,国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合印发通知,同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点,并规划了10个国家数据中心集群,标志着“东数西算”工程正式全面启动。“东数西算”工程是我国从国家战略、技术发展、能源政策等多方面出发,在“新基建”的大背景下,启动的一项至关重要的国家工程,是国家战略的重要组成部分。首次将算力资源提升到水、电、燃气等基础资源的高度,以“联接+计算”为核心,统筹布局
2、建设全国一体化算力网络国家枢纽节点,在助力提升国家整体算力能力的同时,全面推进我国算力基础设施的绿色发展,进一步促进我国数字经济的建设。2021年中国联通提出了CUBE-Net3.0下一代数字信息基础设施和算力网络(以下统称为C3工程)的目标架构、标准和技术体系,与“东数西算”工程中“联接+计算”的核心需求一致。随着C3工程的不断实施,网络技术与大数据、物联网、云计算等新兴技术进一步融合,中国联通在给个人用户提供服务、给政企客户提供专线服务、算力满足自身云服务基础上,将结合个人、企业以及全社会对AI服务的迫切需求,充分利用强大的网络服务能力和广泛分布的算力资源,对外输出计算能力,向全社会提供普
3、适性的算力。使算力成为继话音、短信、专线和流量之后运营商提供的新一代普适性标准化产品,有效推动业务主要增长点由消费互联网向服务产业互联网转移。中国联通具备覆盖全国的骨干与城域网络,且能覆盖西部枢纽算力、东部枢纽算力、省级集群算力和城市边缘算力,完全满足“东数西算”工程中的高品质联接需求。中国联通下一步在政企数字化趋势下,在AI需求旺盛的背景下,在提供高品质政企专线的基础上,将结合算力资源布局,基于网络资源能力对外提供算力服务,逐步打造新时代的算力网络。中国联通在2020年10月发布了面向云时代的全光底座白皮书(称为“全光底座白皮书1.0”),提出了光网络同时具备基础网络和业务网络两个属性,构建
4、直接面向业务的品质连接,打造云光一体的高品质网络,引起了较大的反响。随着“东数西算”战略的具体实施,在产业互联、产业数字化的大背景下,结合算力网络的关键需求和算力网络的关键特征,联通的光网络要进一步从云时代的全光底座向算力时代的全光底座演进,需要对相关的网络组织、应用技术等进行优化和细化,解决泛在灵活的接入、高速长距的骨干传送、弹性敏捷的业务感知与算网调度、安全可靠的网络和业务组织的内生安全、传送网的绿色低碳等关键问题,全光底座一体化实现联联企、和联算的多业务综合承载。部署算力时代的全光底座还需要结合算力网络需求,推动我国在光网络领域的整体技术和产业链进步,解决光网络关键技术的自主可控突破,为
5、国家数字经济发展做出贡献。本白皮书针对算网时代的业务特点和联通的网络禀赋,提出了面向行业数字化、面向算力关键需求、具有综合承载能力的算力时代全光底座,并探讨了全光底座架构、关键技术演进方向和典型应用案例,为算力时代光网络演进与业务开展提供参考。序言目录版权所有 中国联通研究院,2022CONTENTS目录1 算力时代需要全光底座提供运力1.1 数字经济的发展依赖运力与算力1.2 算力网络是运营商新机会,全光底座需要向算力网络演进2 算力时代的全光底座关键需求与特征2.1 算力时代的全光底座关键需求2.2 算力时代的全光底座关键特征3 算力时代的全光底座目标网演进3.1 算力时代的全光底座目标网
6、架构3.2 枢纽间:结合ROADM大网演进,打造20ms时延圈3.3 枢纽内:区域ROADM+省本一体,5ms时延圈3.4 城市内:光锚点实现泛在灵活光接入,1ms时延圈3.5 智能管控:打造智能敏捷,光算协同的管控架构3.6 目标网价值:用户一跳入算,算力间一跳直达3.7 总结:打造业界最佳的算力时代全光底座4 算力时代的全光底座关键技术4.1 全光传送4.1.1 扩展C+L4.1.2 高速率技术:400G/800G4.1.3 OSU4.1.4 OTSN4.1.5 光DCN4.1.6 新型光纤4.2 全光交换OXC4.3 全光接入4.3.1 OTN与OLT协同高品质承载4.3.2 G.Met
7、ro4.3.3 FTTR4.3.4 10G/50G PON4.3.5 工业PON4.4 全光智能4.4.1 高可靠,光电协同ASON4.4.2 光缆数字化4.4.3 自智网络4.5 多场景适配与开放组网4.5.1 多样化的设备型态,匹配不同场景的灵活部署4.5.2 开放组网,协同控制器统一管理4.6 光算协同4.6.1 业务感知4.6.2 光算协同4.7 OTN/WDM传递高精度同步5 算力时代的全光底座案例及应用场景探讨5.1 全国骨干网:为东数西算提供品质连接,运力换算力5.2 山东联通:打造智慧光云十六城5.3 广东联通:打造数字化的全光底座5.4 湖北联通:OSU升级,政企专线向算力网
8、络演进5.5 算力网络全光应用场景探讨附录缩略语0133013303340435043608361137113712381539184122412541274228424244284528452946294731473248503233算力时代的全光底座白皮书1版权所有 中国联通研究院,202201算力时代需要全光底座提供运力1.1 数字经济的发展依赖运力与算力数字经济发展带来算力持续高速增长算力是数字经济的先进生产力,是推动人工智能、大数据、物联网、区块链等技术创新与应用的基础支撑,也是建设数字中国的重要保障。随着数字中国、网络强国建设的深化,云计算、大数据、人工智能等技术与行业进一步融合发
9、展,各个传统行业的数字化和智能化将大幅度提高,我国对算力的需求迅猛增长。从云网边端融合带来的计算领域爆炸,到计算向不同产业拓展,再到新技术成果的相互融合,都体现出了与算力相互支撑、协同生长的特征。从技术融合看,人工智能、量子计算、类脑计算等新技术与计算产业相结合,拓展全方位的计算能力,OpenAI 发布的研究显示,2012年以来,人工智能应用对于算力的需求平均每年增长10倍。从领域协同看,数据的泛在分布推动计算从云端向物联网、边缘计算逐步普及,计算无处不在,不同的计算领域相互协同。从行业渗透看,计算已经跨越IT产业本身,成为数字化基础设施,为制造业、汽车行业等多领域的数字化转型提供支撑。以算力
10、为核心融合大数据、人工智能、物联网、区块链等新兴技术,并与智能制造、智慧医疗、智能交通等领域协同联动,引领数字中国建设和数字经济发展。伴随数字经济持续发展,预计每年数据中心机架规模将以20%以上的速度快速增长。我国数据中心大多分布在东部地区,由于土地、能源等资源日趋紧张,在东部大规模发展数据中心难以为继。而西部地区资源充裕,特别是可再生能源丰富,具备发展数据中心、承接东部算力需求的潜力。东数西算,运力换算力2022年2月,国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合印发通知,同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点,并规划了
11、10个国家数据中心集群,标志着“东数西算”工程正式全面启动。“东数西算”工程通过构建数据中心、云计算、大数据一体化的新型算力网络体系,将东部算力需求有序引导到西部,优化数据中心建设布局,促进东西部协同联动。简单地说,就是让西部的算力资源更充分地支撑东部数据的运算,更好为数字化发展赋能。实施“东数西算”工程,推动数据中心合理布局、绿色集约和互联互通,具有多方面意义。1.有利于提升国家整体算力水平:通过全国一体化的数据中心布局建设,扩大算力设施规模,提高算力使用效率,实现全国算力规模化、集约化发展。2.有利于促进绿色发展:加大数据中心在西部布局,将大幅提升绿色能源使用比例,就近消纳西部绿色能源,同
12、时通过技术创新、以大换小、低碳发展等措施,持续优化数据中心能源使用效率。3.有利于扩大有效投资:数据中心产业链条长、投资规模大,带动效应强,通过算力枢纽和数据中心集群建设,将有力带动产业上下游投资。第 1 章 算力时代需要全光底座提供运力2版权所有 中国联通研究院,20224.有利于推动区域协调发展:算力设施由东向西布局,带动相关产业有效转移,促进东西部数据流通、价值传递,延展东部发展空间,推进西部大开发形成新格局。建设“东数西算”一体化大数据中心国家枢纽节点,可利用西部气温低,能源丰富,尤其是绿色能源丰富的优势,同等算力需求下,能耗需求减少20%以上,充分利用绿色能源碳排放可减少80%以上。
13、数据的产生与计算需求主要在东部,存贮与计算能力在西部,东西部的骨干带宽将达到2000T+以上,需要光网络在传输与调度中发挥重要的作用,以运力换算力。数字经济算力经济*运力经济2021年11月,国家信息中心发布了全光智慧城市白皮书2.0,定义了全光智慧城市的内涵,以 F5G全光底座为基础,构建城市云网边端协同的基础设施架构,形成立体感知、全域协同、精确判断和持续进化的、开放的智慧城市系统。全光智慧城市的核心是构建城市“1ms”时延圈,实现确定性的网络联接。全光智慧城市发展报告2.0结合智慧城市发展需求和城市全光网络的发展,在2020年提出全光智慧城市发展理念的基础上,进一步提出数字经济、算力经济
14、、运力经济“三个经济”的关系,即数字经济的发展与算力经济和运力经济呈正相关,通过算力和运力的广泛协同,全面拉动数字经济的高质量增长。对应提出城市数字化强度、计算精度、OTN光节点密度“三个度”的关系,即城市数字化的强度与计算精度和OTN光节点密度呈正相关。结合东数西算运力带来的节能效果分析与智慧城市的定义,无论是骨干还是城域的运力对数字经济的发展都有密切的正向关系。1万机架算力耗电a东部DC耗电b西部DC耗电c东数西算光传输设备耗电1万机架东数西算年节能4.4亿度7亿度5.3亿度200万度1.7亿度a:每机架5KWb:东部PUE 1.5,西电东送线路损耗6.6%左右c:西部PUE 1.2表1-
15、1 以1万机架为例,东数西算节能效果图1-1 数字经济与运力,算力的关系算力经济(算力基础设施)运力经济(城市通信网络)数字经济(数字产业化/产业数字化)X全光 智慧城 市“算力”与千兆光纤网络深度融合加速千行百业数字化转型算力时代的全光底座白皮书3版权所有 中国联通研究院,20221.2 算力网络是运营商新机会,全光底座需要向算力网络演进算力网络,运营商新机会联通算力网络白皮书与中国联通CUBE-Net3.0网络创新体系白皮书中都指出产业互联网是运营商算力网络的主要商业机会。运营商网络的核心价值从近20年运营商的发展来看,一直是业务和技术双轮驱动,且以移动通信的代际划分为标志,从2G到4G,
16、运营商提供的业务和为提供这些业务采用的支持技术,均在不断发生变化,而这些变化也直接影响着运营商的经营状况和收入水平,体现出运营商在不同时期的价值。从业务驱动来看,面向最终个体消费者的ToC业务,特别是移动业务一直是运营商最大的收入来源。在2G时代,运营商的ToC业务体现为话音、短信等。这一类业务的特点是用户需求刚性,与网络连接能力强相关,业务即最终服务,且从连接到业务的全部环节由运营商完全掌控。因此,在2G时代,全球移动运营商均获得了丰厚的收益。但是,当经过3G时代的短暂过渡,跨入4G时代后,由于连接技术的飞速发展,网络带宽支撑一般的个人应用已经完全没有问题。同时随着云计算,智能终端的崛起,运
17、营商ToC端主要经营的业务由话音、短信,逐渐变成了流量。虽然流量的提供也需要运营商网络的良好保障,但是由于流量不是最终的业务形态,而只是OTT提供业务的带宽资源。运营商与客户的最终业务,最直接的需求也越走越远。这就导致运营商在云时代迅速被管道化,价值变得越来越低。依靠流量经营,增量不增收,是目前全球运营商所面临的共性问题和严峻挑战。从技术驱动来看,运营商一直是全球ICT行业技术的牵引者,是电信信息行业全产业链的重要参与者。最先进的ICT技术,往往需要运营商为其快速提供网络支持,从而形成商业能力。而这些先进的ICT技术,反过来又促进电信网络的不断革新和进步,增强了运营商提供服务的能力。例如,在已
18、经到来的云计算时代,运营商网络作为云内部和云间的总线,为云服务的正常运营提供强有力的支撑。展望未来,在大数据,物联网,云计算等新兴技术的影响下,全社会的信息化进程明显加快,企业的数字化转型愈加提速,ICT赋能信息社会发展,表现出以下几个趋势:ICT业务的主要增长点由消费互联网转移到服务产业互联网,运营商除了给个人用户提供服务,给政企客户提供专线服务外,更要向全产业赋能。电信网云化后,在满足自身云服务之外,有能力对外输出计算能力,成为全社会的ICT基础设施。运营商可以结合算力资源,结合其强大的网络提供能力对外服务;从算力资源的分布看,运营商算力包括西部枢纽算力、东部枢纽算力、省级集群算力和城市边
19、缘算力;从网络覆盖看,覆盖全国的骨干与城域网络,提供OTN/IP等不同类型、不同品种的网络连接。针对政企提供算力,运营商的优势更加明显。从国家的双碳与东数西算战略看,企业以前大多在自己的园区部署本地DC,随DC集约化要求,企业在园区继续发展DC受限。在算力持续增长下,大部分企业在集群中心与枢纽节点租用算力资源是企业新的选择方向。同时企业通过把有限的碳指标用于主营业务生产,把算力需求转换成租用算力模式,对企业来说也更为有利。结合个人到企业,全社会对AI服务的迫切需求,以及运营商强大的网络服务能力和广泛分布的算力资源,完全可以向全社会提供普适性的算力,使算力成为继话音、短信、专线、流量之后运营商提
20、供的新一代普适性标准化产品,且该产品的价值比流量更高,可以结合用户的时延需求,计算能力与计算位置需求,充分结合运营商网络的接入优势,边缘机房和网络覆盖优势,以及算力资源优势,包装成面向不同用户层级,不同需求的多等级、多种类算力服务,为AI社会提供强大的能源与养料。结合上述分析,运营商算力与网络优势明显,在政企数字化趋势下,在AI需求旺盛的背景下,运营商更适合为广大政企客户提供算力及网络服务,因此,运营商下一代网络也必须按照提供算力服务的要求建设,打造新时代的算力网络。第 2 章 算力时代的全光底座关键需求与特征4版权所有 中国联通研究院,2022全光底座,在支持ToC、ToB、ToH业务的同时
21、,还需要支持向算力网络演进。算力时代的全光底座关键需求与特征在全光云网时代,全光底座的关键需求如下:1.架构稳定,极简、大带宽、可扩展:全光组网,一跳直达,稳定低时延。2.全光锚点,全业务接入:支持ETH/SDH/PON/OTN/WDM等多种接入技术。3.光电协同,确定性承载,安全隔离。4.端到端分片,一网多业务差异化SLA服务。5.云光协同,业务灵活入云。结合东数西算的规划,以下展开算力时代的全光底座关键需求分析。2.1 算力时代的全光底座关键需求优化网络架构“全国一体化大数据”对传输的一个关键需求是建设数据中心集群之间以及集群和主要城市之间的高速数据传输网络,优化通信网络结构,扩展通信网络
22、带宽,减少数据绕转时延;并建立数据中心网络监测体系,推动数据中心与网络高效供给对接与协同发展。结合“全国一体化大数据”的规划,全光底座的一个关键需求是优化网络架构。网络规划与建设打破行政区划,减少数据的绕行,优化时延。任意两点间的连接方向可参考高速公路导航,就近选直连路由,而不是通过省会城市绕行。通过架构优化,任意DC间,任意用户-DC间都可大幅优化时延,提升业务品质。腾讯云阿里云联通云算网一体MECMEC边缘云边缘云5G精品网政企精品网千兆宽带精品网ToCToBToHCloud BBU全光锚点(算力锚点)汇聚节点核心节点全光云网/算网全光智能全光接入全光城市全光骨干图1-2 全光底座支持向云
23、网/算网演进02算力时代的全光底座白皮书5版权所有 中国联通研究院,2022光算协同服务一体化东数西计算将形成东部国家枢纽节点与西部国家枢纽节点算力资源的有效互补,充分将东西部数据中心需求与供给进行统筹调度,推动全国数据中心整体算力的一体化协同发展。数据中心的协同发展,需要光网络与算力协同提供一体化服务。“东西部”算力调度:需要结合“算力位置、成本、负载”与“光网络时延、带宽、负载等”灵活选择最佳西部算力满足东部需求。“云边”算力调度:城市边缘DC规模小、算力成本高,数据中心集群DC规模大、算力成本低;云边需要结合业务的诉求,算力地图与光网络运力地图,灵活选择最佳算力满足需求,实现体验满足情况
24、下算力成本最优。大带宽结合东数西算规划来看,10大集群节点共计规划600万+机架(标准机架),西部集群规划机架数达到200万架以上,东部集群规划机架数达400万架以上。东部DC以服务本地及周边算力需求为主,西部DC以服务全国算力需求为主,西部DC预计出省带宽在70%以上。东数西算将带来骨干网带宽大幅增长,当完成规划的机架数时,预计骨干带宽将增加3000T以上,是现有运营商骨干带宽的3倍左右,骨干网络需要向400G演进,减少对光纤、机房等基础设施的占用。低时延时延越低,结合算力资源与网络优势,运营商能发展的算力业务就越多。运营商在城市内提供1ms时延圈,基本上所有的超低时延业务就可以牵移到运营商
25、的地市级DC中。如果运营商的省级DC提供5ms时延圈,基本上所有的低时延业务可以牵移到运营商省级DC中。针对时延不敏感的业务,通过低时延网络,都可以迁移到西部集群DC中。同时通过低时延网络实现多级算力协同,在不影响用户体验的前提下,实现算力成本与碳排放最优。(累积完成比例)10%30%50%80%100%枢纽间骨干带宽(T)3501050175028003500表2-1东数西算带来的骨干带宽预测社交备份存储门户Web电商云桌面HPC即时游戏云会议高交互类游戏高清直播金融高频交易医疗PACSDC双活工业控制时延不敏感业务时延相对敏感业务低时延业务超低时延业务1005020100(ms)业务空间大
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