思科未来互联网战略-重塑互联网经济

作者简介：苏远超 思科首席工程师
钟 庆 思科系统架构师
赵 勇 思科顾问工程师

一、思科未来互联网战略简介

互联网的前身ARPANET诞生刚满五十年，互联网真正面向公众提供服务只有三四十年的时间，这在人类科技史上不过是弹指一瞬。然而，今天的互联网已连接着全球约44亿用户（截至2018年底），深刻地改变了人们的工作、学习和生活，成为全球信息化和数字化的基础设施，互联网经济也一跃成为经济增长的重要推动力。

在未来几年内，互联网还将会呈爆炸式地增长，万物互联的愿景正在变成现实。根据思科公司2018年可视化网络指数（VNI）预测报告，从2017至2022年，互联网用户在总人口中的渗透率、每用户平均拥有联网设备数量、宽带连接平均速率和M2M连接数量将将保持强劲的增长，从而带来互联网流量三倍的增长。

互联网爆炸式增长背后的驱动力，是随着5G、物联网、云计算的发展和行业数字化进程的深入，互联网成为了一切数字化创新的基础。但各种层出不穷的数字化应用（虚拟现实（VR）和增强现实（AR）、自动驾驶、16K视频、人工智能、5G/6G、量子计算、物联网、工业互联网等）对互联网提出了前所未有的高要求，这已超出了当前互联网基础设施的承载能力，为应对此挑战，互联网需要根本性的创新。

另一方面，互联网的沙漏模型，有力地支撑了互联网经济的蓬勃发展，应用开发者、运营商和用户这三个群体之间形成正向反馈：应用开发者开发各种丰富的应用，应用需要更好的网络，运营商升级网络获得受益，用户享受到更好的体验并为应用付费，进一步刺激应用的开发。然而对运营商而言，未来随着互联网的爆炸式增长和创新应用的发展，过去二、三十年行之有效的模式正面临着严峻的经济挑战！根据咨询公司IHS Markit的报告， 2017年至2022年，运营商的收入将基本持平，但运营支出（OPEX）急速增长，已经达到了资本支出(CAPEX)的5倍，“剪刀叉”效应越来越明显。

业界需要重新思考互联网经济。一个健康的互联网，应该是鼓励创新、价值导向、生态平衡、普适化的互联网。如果作为基石的运营商一直亏损，所造成的负反馈最终会对互联网的根基造成影响，那么下一个十年的数字化创新是否还能维持过去十年的高速呢？

如何破局？作为互联网过去30多年最重要的领导者之一，思科认为，需要革命性的技术创新和革命性的商业模式，来重塑互联网经济，使得各方都能各取所需，而不是在原有的框架下进行博弈：

• 对于应用开发者：技术创新容易“被集成”，可以按需定制，实现快速迭代，全栈可控；
• 对于运营商：网络承载效率能与摩尔定律匹配，大幅降低CAPEX；网元指数性增长，但网络的复杂性只是线性增长，大幅降低OPEX；
• 对于用户：获得敏捷、一致、安全的体验，愿意为更好的端到端体验付费。

为此，思科过去五年一直在持续进行大量投资，以推动未来互联网技术战略。这项战略将重塑互联网经济，全面满足未来数字化应用的需求，并使客户能够使用更加简单、更加灵活、更加经济高效的网络来运营业务。

思科未来互联网战略抛弃了过去种种思维定式，将历史负担清零，面向下一个十年的业务需要进行颠覆性创新。具体包括三大关键技术领域：芯片、光模块和软件。需要指出的是，这三个领域的创新不是孤立的，而是会通过各种方式进行融合，形成一个由多个网络层面构成的、一致的多域系统，最终打造成未来互联网的基础设施。

在2019年12月11日的“Internet for the Future” 未来互联网全球发布会上，思科公布了此战略的细节：

• Cisco Silicon One™；
• 面向400G和更高速率的光器件；
• 思科8000系列平台；
• 灵活的商业模式。

通过在芯片、光模块、软件和系统等各方面的创新，思科旨在重新定义未来互联网经济，加速互联网向融合、云增强和基于Fabric的全新网络架构演进，赋能下一个十年的数字化转型。

二、Cisco Silicon One™

传统上，路由芯片和交换芯片有着完全不同的特点，体系结构也完全不同，例如路由芯片多采用运行至终结（RTC，Run-to-Completion）架构，交换芯片多采用流水线（Pipeline）架构。路由芯片聚焦于路由和业务功能、大缓存、可编程性，但带宽和功耗方面较弱，成本也高；交换芯片则聚焦于大带宽、低功耗、高性价比，但路由和业务功能较弱。

过去业界维持路由芯片和交换芯片两套芯片架构，让它们各自独立发展并迭代，获得了很好的效果。但情况在发生改变，业界已经出现了路由和交换融合芯片。事实上，路由芯片需要越来越高的容量和能耗效率来应对流量的爆炸性增长，交换芯片也需要越来越高的可编程性以应对业务提出的要求；更重要的是，如前所述，用户需要一致的体验，网络的OPEX需要被大幅降低，这就需要从根本上降低网络的复杂性，而以一致的方式来处理流量在网络中的转发行为，无疑是最重要的基础。但如果网络中有着多种不同的芯片，那要实现一致的转发行为，则需要在不同芯片的SDK上再进行抽象/适配，这无疑增加了复杂性，OPEX很难得到根本性的降低，因为在适配层和底层SDK之间，一直会有不同步的情况存在。

最有效且最理想的方式无疑是把网络中多种芯片架构（交换、路由、矩阵）统一到一种芯片架构，这样流量在网络中的转发行为就是完全一致的，网络复杂性大大降低，网络的可预测性大大增强；同时网络中也只有一套SDK，这对于开发和运维的好处是显而易见的，业务将可以快速上线并进行可靠运维。

然而，要弥合多种芯片架构上的鸿沟谈何容易！其中有三个显而易见的挑战：
1.芯片架构要兼顾RTC和Pipeline的特点（Cisco Silicon One™基于RTC融合Pipeline）；
2.芯片架构可以容易地派生出不同的芯片，适应不同的应用场景：路由、交换、矩阵等；
3.芯片架构需要可扩展，能按摩尔定律迭代。
Cisco Silicon One™完成了这个不可能的任务——统一芯片、统一体验、多种角色！

1.统一芯片
基于统一架构，Cisco Silicon One™可以用于核心、边缘、汇聚、接入、园区等各个网络位置。Cisco Silicon One™实现上基于RTC，保证功能的丰富性和可编程性，同时通过多Slice+共享内存交换提供类似于Pipeline的超高带宽和超低能耗比。事实上，作为该芯片架构的第一代，Cisco Silicon One™ Q100芯片在业界第一次突破了10Tbps这一传统路由芯片带宽容量的极限，吞吐超出了2倍以上，同时包转发能力（PPS）超出了3倍以上，实现了量级的跃升。

2.统一体验
Cisco Silicon One™芯片具有相同的SDK 和统一的P4编程转发代码。网络具有相同的行为、功能和底层逻辑，带来一致的用户体验、开发体验和运营体验，这对于数字化创新应用至关重要。

3.多种角色
传统上，业界通常采用不同的芯片来实现盒式设备SoC、线卡网络处理器和交换矩阵，但对Cisco Silicon One™而言，所有这些角色都可以采用相同的芯片实现：既可以用单颗Q100芯片实现10.8Tbps吞吐的盒式路由器（耗电不到1000W），也可以使用多颗Q100芯片分别实现线卡网络处理器和交换矩阵，从而支持单机容量高达260Tbps的模块化路由器。甚至同样是作为线卡网络处理器这一角色，芯片通过分配不同的矩阵接口/网络接口SERDES数量、挂载不同大小的外部高速缓存（HBM），可以轻松地实现适合不同应用场景的线卡。

之所以是由思科首次完成网络芯片架构的统一，绝非偶然。这是基于过去三十五年研发网络芯片的积累、承载互联网90%流量的底蕴以及对未来互联网发展的责任感所致。可以预计的是，统一的芯片架构，将会使得思科产品的迭代速度加快，为用户提供更多、更好的选择。但统一就意味着舍弃，意味着整合，因此背后是整个公司研发体系的彻底转型。

Cisco Silicon One™无论对于用户、对于业界乃至对于思科本身，都是一场革命！

三、面向400G和更高速率的光器件

3.1 客户侧

今天骨干网、城域网、数据中心的网络设备上已经大量部署了100G光模块，下一步甚至在接入网和服务器上也会普遍使用100G光模块，但100G光模块的增长未来将变得平缓。另一方面，400G的标准、设备、需求已经就绪，一般预计400G将在2020年下半年开始规模部署，并在未来数年内迅速增长。甚至800G也已经提上日程。

然而，400G面临着光模块的集成度、成本、功耗和散热等问题。这是阻碍400G大规模部署的“拦路虎”。

究其原因，是光模块传统上不遵循摩尔定律，如果说网络设备单位带宽的成本和功耗是以类似指数的方式下降的话，光模块则是基本以线性的方式下降，随着时间的推移，两者的差距越来越大。在100G时代，光模块在整体硬件成本中占比接近50%，而到了400G时代，光模块的成本占比甚至高达80%。

硅光子技术被认为能打破硅成本曲线和光成本曲线之间的不平衡，把IC行业大规模制造、集成和测试的优势用于光模块。业界过去十年不断地致力于提高硅光子技术的良品率和扩大硅光子的适用范围，思科在硅光子技术方面也做了大量开发和投资，先后收购了业界领先的硅光子公司Lightwire和Luxtera。尤其是通过对Luxtera的收购和集成，思科可提供100G/200G/400G全系列硅光子光模块，同时也为集成式光模块（Integrated Optics）和光电芯片的一体封装(Co-Packaging)做好了准备，这是匹配未来单芯片25.6T/51.2Tbps带宽容量的关键。

3.2 线路侧

自100G起，相干光检测技术已成为线路侧的标配技术，其中最关键的组件无疑是DSP芯片。400G/800G则对相干光技术更为倚重，那么面向400G/800G的DSP芯片无疑是400G/800G线路侧的必备技术。

同时，可插拔的相干光检测光模块（DCO，Digital Coherent Optics）也越来越得到业界重视，尤其是在数据中心互联场景。相比传统的IPoDWDM（彩光）方案，DCO模块的突出优势是完全不影响端口密度，也不需要对板卡的散热做重新的设计。但要在QSFP-DD这样小的空间内集成高速400G DSP芯片、激光器、调制器、接收器等组件并且要满足供电和散热的要求，无疑是非常大的挑战。

在相关光DSP和DCO方面，Acacia无疑是业界领导者，思科已于2019年正式提出收购Acacia公司。通过把硅光子技术和DSP芯片进行结合，Acacia将可以提供基于QSFP-DD的400G ZR/ZR+ DCO光模块，即设备的400G端口插上400G ZR/ZR+ DCO后，不加光放可传输80km-120km（一般Availability Zone之间的距离在100km左右），经光放可传输数千公里；既可以经裸纤传输，也可以接入DWDM合波/分波设备或ROADM。

通过对客户侧和线路侧相关公司的收购和整合，思科已经完成了面向400G和更高速率光器件的布局，保证了产品可以支撑互联网的爆炸性增长。同时，思科提供了非常灵活的商业模式来帮助业界应对高速光器件的转型和挑战，详见下面的章节。

3.3光模块形态：QSFP-DD

思科全面支持由QSFP-DD MSA定义的QSFP-DD 400GE封装。相比业界其他封装方式，QSFP-DD具有如下优势：

1.业界一致支持，产业链最完整，生产成本最低；
2.尺寸小，支持高密度网络设备，支持单槽36个400GE端口；在相同端口密度下由于尺寸较小更有利于通风；
3.后向兼容QSFP+（40G）、QSFP28（100G）和QSFP56（200G），在网络升级扩容期间有效保护用户投资；
4.支持良好的散热能力（>20W）和系统集成能力，可以支持所有400G铜线或者光纤连接（包括400G ZR/ZR+）的需求。

四、思科8000系列平台

基于在芯片、光模块和软件方面的开发和创新，思科隆重推出了思科8000系列平台。思科8000系列平台是面向下个十年、为高密度400G优化的可编程路由器平台，首批推出的是思科8200系列和思科8800系列产品。

4.1 硬件

思科8200系列是固定配置盒式路由器，采用单个工作于SoC模式的Cisco Silicon One™ Q100芯片。思科8200路由器提供两种型号：1RU的8201和2RU的8202，8201耗电约1000W，8202耗电约1400W，能耗比约0.11W/G，比业界水平提升3-10倍以上。

思科8800系列是机框式模块化路由器，提供8槽、12槽和18槽的三种型号：8808、8812和8818，分别支持高达115Tbps/173Tbps/260Tbps吞吐量。Cisco Silicon One™ Q100芯片在思科8800路由器中工作于线卡模式和矩阵模式。

思科8800系列的线卡和交换矩阵卡采用正交方式互联。线卡水平安装，交换矩阵卡垂直安装于线卡后面。这种方式消除了中板和/或背板的需求，同时连接器的设计已经考虑了后向兼容性，保证了现有线卡可以与下一代线卡和交换矩阵兼容，这也是目前最实用、最可靠的线卡和交换矩阵互联和机框散热方式。

思科8800路由器目前支持两种型号的全线速线卡： 36端口400GE QSFP-DD线卡和48端口100GE QSFP28线卡，均挂载大容量HBM内存。未来随着下一代芯片和光模块技术进展，会推出更高密度的400GE板卡。

4.2 软件

思科8000系列搭载全新设计的IOS XR7操作系统。IOS XR是有着超过15年在全球各大运营商网络中运行经验的成熟操作系统，IOS XR7则是思科面向未来互联网开发的IOS XR最新版本，IOS XR7的架构设计聚焦于简单、先进、可信三个主要原则。

IOS XR7有两个显而易见的改变：一是全面拥抱Linux及相关工具集，IOS XR7本身就是运行在标准Linux上的进程；二是轻量化、模块化，客户可以自行选择所需的功能模块，适应网络解耦的需要。

五、灵活的商业模式

思科发布了面向未来互联网的创新商业模式，支持客户以多种方式来使用思科的创新技术，让互联网经济的各方都能从中受益。具体包含但不限于下表所列出的方式。这些不同的模式可以进行组合（例如芯片Only+软件Only），从而实现与客户需求的精确匹配。

从上表可见，思科支持的商业模式，对客户和业界各方都有着巨大的好处，充分体现了开放、平等、协作、快速、分享的互联网精神；对于网络的拥有者运营商而言，思科提供了前所未有的丰富选择用于构建下一代网络及对应的生态系统，我们认为，只有通过模式创新、架构创新、设备软硬件创新，才能摆脱增量不增收的困境。

思科的愿景是，客户和业界各方可以按需采购、按需定制、按需部署，实现快速迭代，降低CAPEX和OPEX，最终重塑互联网经济。

六、未来展望

网络技术和商业模式的创新也将推动网络架构的转型。

网络的承载效率如何能充分享受摩尔定律的好处，这是全球每个运营商都需要考虑的问题。除了在单个设备上降低成本，更需要在架构上实现创新。

近来基于Spine-Leaf的Fabric架构（CLOS架构）逐步成为了IP网络架构的新范式。Fabric架构不仅是数据中心的标准架构，也已经在下一代城域网中得到规模应用（典型如Bell Canada和中国联通智能城域网），并且在骨干网上也已经得到部署（典型如Comcast）。

Fabric结构天生具有极高的可扩展性（思科8818单台容量达260Tbps，采用Fabric架构可轻松实现Pbps级容量）、天生支持网络解耦（利用OCP生态系统）、天生支持芯片迭代（横向扩展）。而这些，都是构建未来互联网经济的基础。

下图是作者设计的“网络即矩阵”架构，代表了其中一种未来网络架构的设想。

思科未来互联网战略，正是支持类似的大胆设想、激发数字化创新的基石，它给互联网赋能，让创新无所顾忌，让潜能得到释放。

未来已来, ARE YOU READY?