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新基建:用智能 IP 网络构筑数字经济大动脉

华为数据通信产品线 唐新兵/文

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2020 年这个特殊的春天里,我们听到了“新基建”的号角。新基建包含信息、融合、创新三大领域基础设施,信息基础设施主要是指基于新一代信息技术演化生成的基础设施,比如以 5G、工业互联网为代表的通信网络基础设施,以人工智能、云计算等为代表的新技术基础设施,以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等;融合基础设施主要是指深度应用互联网、大数据、人工智能等技术,支撑传统基础设施转型升级,进而形成的融合基础设施,如智能交通基础设施、智慧能源基础设施等;创新基础设施主要是指支撑科学研究、技术开发、产品研制的具有公益属性的基础设施,比如重大科技基础设施、科教基础设施、产业技术创新基础设施等。

数据通信网络既是信息基础设施的重要组成部分,也是融合基础设施、创新基础设施的关键使能部件。数据通信网络本身也在经历数字化、智能化的升级换代。华为率先在数据通信网络引入大数据、AI 技术和新一代协议,进行数据分析与闭环优化,实现了从传统IP 网络到智能IP 网络的飞跃。以智能超宽、智能联接、智能运维为特征的智能 IP 网络成为新时代的必然选择,也将成为未来 10 年数据通信网络发展的必然趋势。智能 IP 网络,支持千行百业的数字化转型升级、千行百业的互联互通,让新基建各领域之间巨大的协同效应得以充分发挥,进一步提升新基建的效能,构筑数字经济大动脉。

智能 IP 网络,打造全场景全业务的新一代工业互联网

工业互联网是新一代信息技术与制造业深度融合的产物,通过对人、机、物的全面互联,构建起全要素、全产业链、全价值链全面连接的新型生产制造和服务体系,是数字化转型的关键。

随着企业数字化、网络化、智能化转型步伐的加快,企业内网在传输带宽、兼容能力、易部署程度等方面存在明显不足,需要加快演进升级和更新换代。当前,企业内网的业务形态日益丰富,既有办公场景的电子邮件、网页浏览、视频会议、协同办公等,也有生产场景的物流设备、制造设备、监控设备的连接需求,如何保障企业园区网络的业务体验,提升服务质量?传统方式是通过运维人员进行手动调整,维护效率、业务体验都差强人意。智能 IP 网络引入 AI 技术,可以实现智能识别 Wi-Fi 终端的接入数量、接入位置、带宽需求、业务体验需求的变化,并预判趋势,据此对 Wi-Fi 网络进行动态调整,优化整网性能。华为CloudCampus 园区网络解决方案通过 Wi-Fi 优化,将无线空口的吞吐量提升 58%,Wi-Fi 信道干扰率比业界下降 49%;此外,通过预判 Wi-Fi 终端的移动轨迹,可以优化 Wi-Fi 漫游性能,实现无损漫游,提升内网连接的可靠性,有效支持 AGV 物流等工业制造场景需求;同时,还可以将 AI 技术用于园区网络的智能运维,大约85% 的故障可以在数分钟内处理完成,大幅改善企业内网的可用性。华为 CloudCampus解决方案极大地提升企业内网的带宽能力、业务能力、易部署程度,引领园区网络进入 Gbps 全无线智能时代,更好地支持工业物联网的发展和建设。

工业互联网外网用于连接企业工厂、分支机构、上下游协作单位、工业云平台、智能产品与用户等主体,支撑网络化协同、远程调度控制等新业务、新应用,是推动工业互联网更广范围创新发展的关键网络基础设施。工业互联网外网对面向工业生产的网络时延、可靠性、安全性有非常严格的要求,例如大幅提升操作效率的工业AR/VR 要求时延小于 20ms,4K/8K 高清视觉检测要求百兆级别的大带宽上传,高端大型装备的远程运维要求网络连接高可靠、高安全。传统 IP网络完全依靠统计复用机制,业务流量、业务路径频繁变化,无法确保网络时延、可靠性等关键需求,只能“尽力而为”。智能 IP 网络引入大数据、AI 技术和 SRv6、切片等新一代协议,通过网络切片实现办公业务、生产业务的硬隔离,通过 SRv6 实现业务路径的实时动态调整,有效应对传统 IP 网络中的业务流量变化和网络拓扑变化,实现了办公、生产等全业务融合承载。华为NetEngine 系列路由器全面支持 SRv6、切片等新协议,与 iMaster NCE 自动驾驶网络系统一起,组成 CloudWAN 广域网络解决方案,引领广域网进入全业务智能时代。

安全是发展的前提,发展是安全的保障。我们在享受着数字化浪潮带来便利的同时,也不得不面对与之伴生的安全风险。首先,未知威胁日益增多,很多已知威胁衍生出大量变种,变成了未知威胁,传统防火墙很难及时有效地应对。其次,工业互联网中联网设备越来越多,这些设备既可能成为网络攻击的受害者,也可能被利用来发起攻击。智能 IP 网络引入 AI 技术打造智能防御新架构,充分利用海量数据进行人工智能学习,根据场景数据分析训练生成防御模型,并不断根据现网实时数据实现模型升级,加强未知新威胁的检测能力,消除现有防火墙基于静态规则识别威胁的弊端,并通过自动化的方式对威胁进行处置。此外,采用 AI 技术需要大量算力来支撑,如果仅仅依靠业务处理 CPU 执行 AI 推理,防火墙的转发能力会急剧下降,因此,内嵌 AI 芯片的 AI防火墙才能确保防御性能。华为 HiSecEngine 系列 AI 防火墙搭载了独创 AIE 威胁检测引擎,内置AI 芯片,在网络边缘实时处置威胁,未知威胁检测准确率高达 99% 以上,未知威胁检测性能提升5 倍,在处理未知威胁的同时,仍然可以确保防火墙的转发能力不受影响。AI 防火墙正引领网络安全进入智能防御时代,为工业互联网保驾护航。

智能 IP 网络,打造 AI 时代超宽、无损、全智能的数据中心网络

数据中心是将物理分布的服务器、存储、网络等资源融合并虚拟化为逻辑集中的巨大资源池,通过云计算管理平台动态监控、调度和部署其中各种资源,按需向用户提供差异化服务。随着数字经济的深入发展,数据中心逐渐从后端支持角色走向前台,成为数字经济的价值创造中心。此外,近年来 AI 技术飞速发展,机器学习日益普及,对数据中心的算力要求越来越高。据人工智能非营利组织 OpenAI 统计,从 2012~2019 年,随着深度学习模型的演进,AI所需计算量已增长30 万倍。无论是传统数据中心、还是 AI 智能计算数据中心,算力基础设施都是新基建的关键组成部分,而在提升算力的系统工程中,数据中心网络起到越来越重要的作用。

以金融行业为例,这次疫情以来,各大金融机构短至 8 小时、长到 1 周之内,快速上线推广“资金去向绿色通道”、“应急防控物资管理系统”等数十种新业务,为抗击疫情、保障民生做出了重大贡献。这正是金融科技的力量,在关键时刻迅速开发新业务,并极速上线推广,解决社会大众问题。而这背后,也对数据中心网络基施设施带来巨大挑战:数据中心规模越来越大,网络复杂度越来越高,业务对于上线速度要求越来越快,业务变更需求频繁。目前,约 70% 数据中心网络团队投入一半以上精力进行网络变更方案的设计和评估校验,然而,仍有约 40% 的网络故障由人为差错导致。同时,当前数据中心网络运维手段仍然有限,网络被动感知故障,故障定位仍主要依赖专家经验,效率十分低下,平均故障定位时间超过 76 分钟。

智能 IP 网络的自动驾驶网络(Autonomous-driven Network, ADN) 系统,从三个方面真正解决了数据中心网络的难题。一是意图推荐的部署方案设计,ADN 系统首先通过意图引擎实现意图的理解和意图的转换,将业务意图转换成网络语言,然后以数字孪生模型为基础,基于专家经验和 AI 算法结合,向用户提供符合现网实际情况的最佳网络部署方案。二是基于模型和数据的变更方案仿真校验,ADN 系统用数据和算法来进行仿真校验,实时采集网络状态数据,构建五维数字孪生模型,再基于模型和形式化验证算法进行全网全量变更验证。三是基于数据分析和智能决策的故障定位,ADN 系统首先基于 AI 芯片进行全流采集,实现 1 分钟感知网络异常;然后,基于知识图谱实现故障根因推理和定位,通过持续学习和训练,目前可实现对 7 大类 75 种故障 3分钟之内定位根因;最后,基于智能决策系统,分析故障影响并推荐最优故障处理方案,实现故障 5 分钟快速恢复。目前,智能 IP 网络在数据中心网络场景已经进入三级自动驾驶阶段,引领业界自动驾驶网络的发展,未来三到五年时间有望实现网络完全自治。

AI 技术的日益广泛使用,对数据中心网络提出了更高的要求:全闪存化存储介质使得存储时延降低百倍,GPU/AI 智能计算使得计算性能提升百倍,计算和存储的百倍性能提升后,我们发现拥塞易丢包的传统以太网成为 AI 时代数据中心性能瓶颈。根据业界统计,即便在低于10% 链路带宽的低负载流量环境下,突发流量引起的网络的丢包率也接近 1%,而这 1‰的丢包在 AI 时代会直接导致算力下降接近 50%。随着业务负载的增加,分布式“多打一”流量的增多,网络丢包问题将更为严重。如何实现数据中心网络0 丢包,充分释放 AI 算力智能 IP 网络引入大数据、AI技术和新一代协议,进行数据分析与闭环优化,智能预测流量的变化,并自动设置相关的网络参数,从而实现最佳网络调度。2019 年初,华为发布了业界首款面向 AI 时代的 CloudEngine16800系列数据中心交换机,最大的创新点在于率先将 AI 芯片内嵌交换机中,基于神经网络首创的iLossless 拥塞控制算法,完成网络的自调参、自优化,从而克服了依赖人工参与配置参数,无法动态适应网络流量模型变化的关键问题,真正实现网络 0 丢包,构筑智能无损的数据中心网络。

以超宽、无损、全智能为关键特征,华为CloudFabric 数据中心网络解决方案引领数据中心网络进入智能时代。

智能 IP 网络,加速 5G 垂直行业应用

4G 改变生活,5G 改变社会。相比 4G 时代,5G 最重要的变化就是面向 2B 使能千行百业,比如智能电网、远程医疗等。垂直行业对 IP 网络的大带宽、低时延、高可用性提出了更高要求。比如在远程急救场景中,要把救护车的高清画面实时回传至医院,带宽要求不能低于 50Mbps。在智能电网场景中,为了将事故隔离时间缩短至毫秒级,网络端到端时延不能大于 15ms。

智能 IP 网络是 5G 基建中不可或缺的一环,与 5G 基站、核心网一起组成了 E2E 的 5G 系统,实现带宽可保障、时延可承诺,网络高可用。传统 IP 网络中,所有的业务共享带宽资源、相互抢占,关键业务的带宽得不到保证。华为率先提出基于 FlexE 网络切片的硬隔离,就像在马路上开辟出公交车专用通道,从而实现不同业务之间带宽零抢占,垂直行业等关键业务带宽需求 100%得到 保障。传统 IP 网络中,业务路径不可控,时延无法保障。华为率先支持 SRv6 智能选路,基于业务的时延需求,在网络中选取最优的时延路径,保障关键业务的低时延。传统网络中,由于缺少精确的性能检测手段,故障定位只能人工逐段、逐跳排查,往往需要数小时。华为首创 iFIT随流检测技术,实现逐业务、逐包的性能检测,支撑业务 SLA 可视,结合 iMasterNCE 实现分钟级故障定位,保障网络高可用。

华为联合运营商积极探索 5G 垂直行业,目前已进行了智慧医疗、智慧工厂等超过 30 个行业的成功实践。例如,在 2019 年,基于智能 IP 网络解决方案,华为配合河南移动,为郑州大学第一附属医院提供了全球首个覆盖院内、院间、院前三大场景的 5G 智慧医疗,主要涵盖应急救援、远程会诊、远程 B 超等应用,实现了对医疗业务的高品质保障。在珠海格力和广东联通、华为联合创新的 5G 智慧工厂中,利用 5G 网络的大带宽实现了生产设备的远程视频监控,以及机器人园区自动巡检视频监控,成为 5G 垂直行业应用的排头兵。值得一提的是,在抗击新冠肺炎疫情的过程中,5G 在医疗、应急、交通、安保、社区建设等领域发挥了重要作用。我们相信,今后 5G垂直行业应用还会持续增长,在数字经济中将会发挥更大作用。

智能 IP 网络,让新基建各领域间高效协同

以 5G、人工智能、工业互联网为代表的信息基础设施,推动全球范围的网络连接终端数量大幅增加,数字技术与网络技术相融合,生成的数据量和网络流量出现爆炸式增长。作为基础设施投资,必须在面向未来可持续发展方面未雨绸缪,适度超前规划网络规模和接口带宽。当前,以 5G、Wi-Fi 6 为代表的接入设备带宽正在全面升级到每用户 Gbps,数据中心网络、骨干网络和汇聚网络则全面逐步升级至 400GE 端口。为此,华为采用最新光电技术和先进编码技术,打造高性价比超宽管道,将全网端到端带宽提升至 400GE,实现了 10KM/40KM/80KM 的全场景覆盖,引领数据中心网络和运营商 IP 网络进入400GE 时代。

数字经济时代,千行百业之间的精细化分工和产业链协同进一步深化,各行各业之间、各地域各城市之间的通信、协同办公、数据交换需求持续增长,智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、数字化管理等新模式创新活跃,有力推动了转型升级,催生了新增长点,云计算服务、人工智能训练等新型信息服务快速增长。行业之间、地域之间、云与端之间、物理空间与数字空间之间,都需要海量的数据通信。智能 IP 网络,让新基建各领域之间巨大的协同效应得以充分发挥,进一步提升新基建的效能。

新一代智能 IP 网络,引入大数据、AI 技术和新一代协议,进行数据分析与闭环优化,实现智能超宽、智能联接、智能运维,支持千行百业数字化转型升级和互联互通,催化新基建各领域之间的协同效应,构筑数字经济大动脉。

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第28期 智能IP网络特辑

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