光模块系列报告之四：光通信网络：网络架构升级看算力产业需求确定性

光通信网络：网络架构升级看算力产业需求确定性——光模块系列报告之四长城证券产业金融研究院分析师侯宾执业证书编号：S1070522080001分析师姚久花执业证书编号：S1070523100001证券研究报告强大于市（维持）时间：2023年12月29日 www.cgws.comwww.cgws.com|2◆核心观点◆网络架构持续迭代优化，端口速率适配数据传输速率超更高发展：随着网络由4G发展至5G，5G基站建设催生电信侧网络架构升级，由两层架构升级到传统数据中心三层架构；5G时代数据中心需求明显增加，东数西算“东西向”流量占据主导地位，催生更加扁平化的叶脊网络架构升级；AI时代下由于更高传输速率要求，无收敛比Fat-Tree得到广泛应用。我们认为，随着通信协议的升级，下游应用场景及AI高速发展，数据传输速率要求越来越高，且网络核心层速率滞后底层算力基础设施速率发展，当前光模块向800G/1.6T发展，驱动网络架构不断升级演变，端口速率进入400/800G升级迭代周期。◆网络架构升级带动算力产业需求确定性：从网络架构由4G到AI时代升级迭代可知，网络架构不断适应数据传输性能，各端口收敛比逐渐趋于优化，对应机柜与光模块比数量逐渐增多；当前AIGC发展趋势确定，Fat-Tree无收敛比带宽较前几轮来看，对应算力底层基础设设施配比数增加，长期看好光模块/AI服务器/交换机及芯片下游需求旺盛情况。◆AIGC生态革命下，算力基础设施长期空间广阔：据TrendForce报告数据显示，全球光模块到2025年市场规模为113亿美元；AI服务器市场规模318亿美元，主要由Microsoft、Google、Meta、AWS占据绝大份额；交换机市场主要由海外主导，我国商用交换机芯片占比较低，当前国产化替代加速，份额有望加速提升。◆推荐标的：AI服务器/交换机：中兴通讯、紫光股份、浪潮信息、中科曙光、锐捷网络、星网锐捷；交换机芯片：盛科通信；服务器/交换机代工：共进股份、菲菱科思、工业富联、海能达。◆风险提示：高算力发展不及预期、宏观经济波动风险、全球贸易波动风险、行业竞争风险。 光通信网络架构升级演变复盘www.cgws.com 二层结构无线接入网，基站与核心网直接相连4G时代下的无线网架构，网络收敛比为3:1数据来源：意瑞联科技官微，长城证券产业金融研究院4G网络通常采用分层的网络结构，其中包括核心网和无线接入网。在无线接入网中，通常采用二层结构。这意味着网络基站（如LTE基站）之间通过交换机连接，形成一个扁平的网络拓扑，其中每个基站都可以直接与核心网连接。这种结构旨在提供高速数据传输和较低的延迟，其网络收敛比为3:1。图表1：4G网络架构图www.cgws.com4数据来源：李晶辉,陈沛.4G通信网络架构和关键技术分析[J].信息技术与信息化,2015(07):101-102.，长城证券产业金融研究院图表2：4G通信网络架构图 5G时代下的网络架构www.cgws.com55G网络的组网视图，分为中心级、汇聚级、区域级和接入级。中心级负责控制、管理和调度功能，汇聚级包括控制面网络功能，区域级承载数据流和移动边缘计算，接入级包含无线接入网的CU和DU功能。收敛方式：根据电信《5G时代光传送网白皮书》中对于城域OTN网络架构的设计，若以5G成熟期为目标市场，在节点数方面，省干层:核心层:汇聚层:接入层=4:20:400:10000。数据来源：中国信通院《5G网络架构设计白皮书》，长城证券产业金融研究院图表6：5G网络组网视图数据来源：中国信通院《5G承载网络架构和技术方案白皮书》，长城证券产业金融研究院5G承载网的首要目标则是为生成的空口数据提供泛在的连接，高效满足不同类型业务数据的Qos。5GNR要求的大带宽、低时延和高可靠性等性能指标，最终是5G承载网协同作用的结果。此外，网络连接调度、组网保护和管理控制等关键特性也由5G承载网得以实现。组网分为中心级，汇聚级，区域级和接入级图表3：5G承载组网架构5G移动通信逻辑架构：5G移动通信的逻辑架构图是由：手机-接入网-承载网-核心网-承载网-接入网-手机；在接入网中，主要通过无线接入网（即基站）传输。在5G网络中，接入网被重构为CU、DU和AAU，前传、中传、回传是它们间不同实体之间的连接。图表4：5G移动通信逻辑架构图表5：5G网络部署形态数据来源：光纤在线，长城证券产业金融研究院数据来源：光纤在线，长城证券产业金融研究院 5G时代下的网络架构www.cgws.com65G核心网采用服务化架构，将摒弃隧道建立的模式,控制面所有NF之间的交互采用服务化接口，同一种服务可以被多种NF调用，降低NF之间接口定义的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。数据来源：长焜科技官微，长城证券产业金融研究院图表8：基于SBA的5G核心网架构图表7：5G无线接入网数据来源：中国信通院《5G网络架构设计白皮书》，长城证券产业金融研究院5G无线接入网通过引入接入网和应用服务器的双向交互，实现无线信道与业务的动态匹配。双向交互体现在，一方面接入网可以向应用服务器提供接入网络状态信息，比如当前服务用户可用的吞吐量信息，从而对应服务器进行速率估计和应用速率适配；另一方面，应用服务器可以向接入网络传递相关应用信息，比如视频加速请求信息，接入网可以提供服务适配，进行服务等级动态升级。通过无线智能感知功能增强，能够提高业务感知和路由决策的效率，能够实现业务的灵活分发和跨网关平滑的业务迁移。5G接入网数据吞吐量更大。 www.cgws.comwww.cgws.com|75G通信市场网络架构对应光模块需求测算5G基站：光模块数目=1：8.5，光模块市场需求约为2672万只。依据我国工信部数据，截止至2023年8月底我国5G基站数量为313.8万座。根据《5G时代光传送网技术白皮书》所提供的三大技术方案，假设光纤直连：无源WDM：有源WDM/OTN/SPN=7:1:2，测算得出总前传所需光模块数量为1882.80万个。根据电信《5G时代光传送网白皮书》中对于城域OTN网络架构的设计，在节点数按照收敛比4:20:400:10000=省干层:核心层:汇聚层:接入层，接口数按照30:23:5:1=省干层:核心层:汇聚层:接入层，测算得出光模块数量为：中传（接入层）为627.6万个，回传（汇聚层+核心层）为154.3896万个，省干网（省干层）为7.5312万个；共计约为2672万个。图表9：5G光模块需求测算数据来源：工信部、《5G时代光传送网技术白皮书》，长城证券产业金融研究院测算其中，依据《5G承载光模块白皮书》对应的封装方案，光模块种类上：前传主要为25G；接入层（中传）为25G；汇聚层（回传）为100G；核心层（回传）为200G；省干层（省干网）为400G。5G中传、回传以及省干网市场光模块数量测算OTN网络接入层汇聚层核心层省干层采用光模块种类25G SFP28 40km100G QSFP28 40km200G CFP2-DCO 80km400G CFP2-DCO 80km节点数(万个)313.812.5520.62760.12552接口数(个)152330每条链路光模块数(个)2光模块数量( 万个)627.6125.528.97.5对应5G承载网中传回传省干网5G前传市场光模块数量测算技术方案光纤直连无源WDM有源WDM/OTN/SPN采用光模块种类25G 10km 灰光25G 20km 彩光25G 20km 灰光5G基站数量（万座）313.8每个基站扇面数（个）3每个扇面所需光模块数(个)2比例70%10%20%光模块数量（万个）1318.0188.3376.6总前传所需光模块数量（万个）1882.8 传统三层架构具备高收敛比5G数据中心传统三层拓扑网络架构具备高收敛比数据来源：中际旭创《向特定对象发行A股股票募集说明书》，长城证券产业金融研究院传统数据中心采用接入-汇聚-核心的三层架构，其带宽逐层收敛。通过配置较高的收敛比，利用统计复用（平均1/10的服务器同时工作，则可只配置1/10的总上行带宽，收敛比是10:1）以此节约组网成本。根据中际旭创2021年8月发布的定增募集说明书，在传统的三层网络架构中，光模块数为机柜数的8.8倍。图表10：传统数据中心三层交换机网络www.cgws.com8图表11:传统三层网络架构的带宽逐层收敛数据来源：Al-FaresM,LoukissasA,VahdatA“AScalable,CommodityDataCenterNetworkArchitecture”.ACMSIGCOMM(2008)，长城证券产业金融研究院 网络架构层数减少，更加扁平化。网络架构扁平化需求催生叶脊拓扑架构发展数据来源：腾讯全球数据生态大会、长城证券产业金融研究院传统数据中心是为.com应用设计的，这些流量大多是客户端和服务器之间的通信。而随着分布式计算、大数据兴起，这些应用会在数据中心的服务器之间产生大量的流量，因此网络架构更加趋向于扁平化。叶脊二层架构相对于传统三层架构其优势在于低延迟、扩展性好、带宽利用率高等，基于这样的特性的同时也带动更高的光模块用量。图表13：传统三层网络结构和两层叶脊结构的区别www.cgws.com9图表12:叶脊数据中心交换机网络数据来源：中际旭创《向特定对象发行A股股票募集说明书》，长城证券产业金融研究院叶脊网络架构扩大了接入层和汇聚层，可以大大提高网络的效率，特别是高性能计算集群或高频流量通信设备的互联网络。与传统的三层架构相比，网络的脊部分水平增长，约束了网络的层数。例如，通过双向脊网络可以支持多达6000台主机；通过4路脊网络可以建立网络多达12000台主机网络；通过16路脊网络可以建立超过100,000台10-GbE主机。随着叶脊网络架构的普及，数据中心的光模块需求将从25G/100G向50G/200G/400G提升，同时叶脊架构下单机柜需要配置的光模块数量也将显著增加,根据中际旭创定增募集说明书数据，叶脊架构中，光模块数为机柜数的44/48倍。叶脊架构网络效率更高，对应光模块需求更多。 数据中心“东西向”流量占据主导，网络架构扁平化趋势更加明显www.cgws.com10图表14：南北向流量和东西向流量示意数据来源：山石网科知识库，长城证券产业金融研究院数据中心流量可分为南北向流量和东西向流量，南北向流量指数据中心之外的客户端到数据中心服务器之间的流量，以及数据中心服务器访问互联网的流量，东西向流量指数据中心内服务器之间的流量，以及不同数据中心间的流量。2021年东西流量占85%，其中数据中心内部的流量占71.5%，数据中心之间的流量占13.6%。随着5G的快速发展，出现爆款应用带动流量数据的快速提升，加速催化数据中心侧对于数据中心间的数据传输的能力和要求，东西向流量成为主导，网络架构扁平化趋势更加明显。数据中心流量可分为南北向和东西向，东西向占据主导图表15：数据中心“东西向”流量占主导数据来源：CiscoGlobalIndex2015-2020，长城证券产业金融研究院 Fat-Tree架构满足网络带宽不收敛，较为适合AI大模型训练。AI网络中东西流量迅速增加，催生新一轮网络架构升级需求数据来源：架构师技术联盟，长城证券产业金融研究院无阻塞胖树（Fat-Tree）架构网络带宽不收敛。传统的树形网络拓扑中，带宽是逐层收敛的，树根处的网络带宽要远小于各个叶子处所有带宽的总和；而Fat-tree从叶子到树根，网络带宽不收敛，是其支撑无阻塞网络的基础。我们可以将Fat-Tree类比为真实的树：越接近树根，枝干越粗。在Fat-Tree网络架构中，每个节点都需要保证上行带宽和下行带宽相等，确可以保在多个层级间数据传输的均匀分布，从而促进整体通信的平滑运行，同时能灵活扩展网络规模，因此Fat-Tree架构较为适合用于AI大模型的训练网络中。图表17：胖树架构无带宽收敛www.cgws.com11图表16:Fat-Tree架构数据