下一代網絡技術的研究

蔣林濤 中國信息通信研究院科技委主任，教授級高級工程師

專家視點

下一代網絡技術的研究

蔣林濤 中國信息通信研究院科技委主任，教授級高級工程師

下一代網研究至今已經有13年了，總的來說在下一代網的研究方面，沒有取得多少實質性的進展，務虛的多，務實的少。本文回顧了網絡的發展歷史，特別對互聯網的發展進行了分析，指出了互聯網發展成功的根本原因，以及互聯網發展存在的問題，這些問題的存在已經成為互聯網進一步發展的重大瓶頸，必須給予高度的重視。最后，指出軟件定義網絡和網絡功能虛擬化是組網技術，目前存在認識上的誤區，還給出下一代網是一個十分含糊的說法，最好的做法是對網絡的發展進行分代研究。

下一代網絡 未來網絡 NGN SDN NFV

1 引言

從美國2002年提出研究下一代網起，至今已經有13年了。總的來說在下一代網的研究方面，沒有取得多少實質性的進展，務虛的多，務實的少。不過，在網絡的組網技術方面倒是取得了進展，美國提出了軟件定義網絡（SoftwareDefinedNetworking,SDN），歐洲提出了網絡功能虛擬化（NetworkFunctionVirtualization，NFV）。

在絕大多數人的觀念中，似乎對目前的網絡技術相當滿意。現在的網絡不是運行得很好嗎？為什么要去管它呢？完全不用去管它。搞下一代網無非是一些學究，或者是一些想入非非的人，沒事干想出來的事，20～30年后是否會用得上也還是一個未知數。正因為如此，下一代網研究沒有具體的目的，沒有具體的目標，沒有具體的指標（當然也有些標準化組織‘海闊天空’地列了一個無所不包的大清單。其實，沒有明確的有限目標，等同于沒有目標）。自由自在地想，海闊天空地做，反正是對目前沒有多大用處。下一代網已經研究了13年，13年的努力不但在網絡研究上沒有取得實質性進展，甚至連比較一致的認識都沒有，照此下去，再過20～30年也未必有結果。因此，認真研究13年來下一代網的研究歷程，相關的國內外的項目研究的實質內容，總結經驗，以便發展。

在下一代網研究中最大問題是：不知道該干什么。目前網絡到底存在什么問題，什么是我們目前緊迫需要的網絡技術能力和性能，在上述諸方面都沒有比較一致的看法。你也在搞下一代網，他也在搞下一代網，各說各的，各做各的，沒有共同的認識。還有就是概念不清楚，定義不準確，甚至有的是故意混淆概念，以謀一己之私；還有的是把問題搞得極其‘寬泛’，大大小小的問題列出數百條，不分重點不分主次，非常空泛，其實這樣做和沒有目的和目標是等效的。如目前我們要實現社會主義的初級階段，目標和指標可以是具體和可操作的，但是要實現共產主義就只有空泛的目標了。下一代網研究同樣存在這樣的問題。

2 對于互聯網的研究

下一代網的研究沒有取得實質性進展的關鍵是沒有目標，缺乏網絡的頂層設計。網絡發展是有規律的，是在繼承的基礎上發展起來的，決不會是‘胡思亂想’的結果。目前，大家都在津津樂道地談論互聯網，認為互聯網之所以成功就是因為它是在沒有頂層設計，在沒有繼承下發展起來的。但是如果作認真深入的研究，可以得出這樣的結論：互聯網是完全繼承了已有網絡技術的精髓，根據特定的需要發展起來的。設計上嚴格地遵循了OSI確定的網絡七層模式，它是有頂層設計的。表1列出了電信網、互聯網與OSI七層模式之間的關系。

互聯網的發展在技術上是繼承的，但的確它是造物主無意中造就的巨大成果。TCP/IP設計的起因不是想建設一個互聯網，而是僅僅希望能解決異機種計算機之間的互聯。從本質上講，要解決異機種計算機之間互聯必須要解決兩個方面的問題：

●必須實現進程之間的通信，計算機之間要通信，僅僅是實現端到端通信是不夠的，計算機是多進程工作的，因此除了在端到端之間要有通信連接外，進程之間通信是必須的。

●因為進程與進程之間的通信是隨機的，不知道何時是起點，也無法知道何時是終點，因而端到端的通信連接必須是長連接，這樣才能保證隨時隨地的進程間通信。長連接是非常消耗資源的，數據網中的無連接工作方式是唯一的選擇。

要滿足以上兩條要求，必須采用不面向連接的工作方式的分組數據網技術。需要指出的是，不面向連接的工作方式的分組數據網技術的起源是X.25，只是因為在當時的電信應用中無用武之地，在1984年的版本中刪除了。目前，廣泛使用的IP網是采用不面向連接的工作方式的分組數據網，這是專門為異機種計算機互聯設計的網絡協議，但IP協議僅僅能夠保證端到端的通信連接，要實現進程之間的通信還需要傳送層（4層）協議，要實現進程通信就需要TCP（UDP）協議，其中TCP（UDP）協議中的Port是與進程對應的，這就是為什麼TCP/IP協議是同時提出，而不是只提IP協議。TCP/IP在異機種計算機互連通信中取得了很大成功，通過TCP/IP相連的計算機越來越多，網上的信息內容也越來越豐富。但是從20世紀70—90年代的20余年中，除了用于異機種計算機互連，TCP/IP沒有獲得進一步的應用，該項技術沉寂了20多年。在那段時間內，所有的電信業務都是面向連接的，電話業務、電話增值業務、基于C-S模式的信息檢索、E-mail等全部都是面向連接的，因此電信分組數據網技術（X.25、幀中繼和ATM）獲得很大的發展。由于沒有找到基于進程通信的應用，TCP/IP僅在學術界中活躍，沒有獲得廣泛的關注。直到20世紀90年代初，Web技術的出現，Web是第一個真正面向進程通信的應用，它的出現以及隨后WebBase業務的迅速發展，TCP/IP技術開始為世人所用，開始了互聯網時代，互聯網以令人‘目瞪口呆’的速度發展起來了，遠遠超出原創者的想象。互聯網發展成功的真正原因是：一個支持所有在網用戶的通信連接（長連接），用戶可以隨時隨地與在網的任一個用戶進行通信，這是一個有史以來人類從未獲得過的通信能力，通信長連接的存在，使人類獲得了一種廣泛人群之間的通信能力；另一點也很重要，互聯網的數據網（IP網）的設計與互聯網上的業務網設計是完全相互獨立的，相互之間是沒有耦合的。這樣做的好處是兩者（數據網和業務網）可以獨立發展，互不牽制。

互聯網的數據網（IP網）技術完全是一種繼承技術，從設計思路來說，它與電信分組數據網X.25中的數據報的設計完全是一樣的，差異是：在電信網中，X.25的數據報技術沒有獲得應用，最后被拋棄了，在互聯網中，IP網被有效的使用起來了。至于動態路由技術，在電信分組數據網X.25的設計也有，路由協議ISIS是ISO提出來的，這些都不是IP網的創新。到此，可以看出IP網從技術上主要是繼承，設計理念上和應用上則是巨大的創新。

業務網和數據網完全分離，分組數據網（IP網）為業務網與用戶之間提供了全通達、長連接的數據連接和數據傳輸服務，業務網產生的數據報文可以方便地使用IP網來傳遞。業務網的設計者只需要考慮業務流程，而完全不需要去考慮業務網生成的數據報文的傳遞過程和費用，業務和應用的開發門檻大大地降低了。只要有業務創新的靈感，甚至在手工作坊或家中用2～3個月的時間就可以開發出很好的業務和應用來，并有可能獲得廣泛的使用。因為業務和應用的開發者無需顧及數據報文的傳遞過程，也無需為它付費。只要開發出一個業務或應用的軟件來，再將它放在網上，互聯網上的一種業務就由此產生了。從這個意義上來講，互聯網的成功得益于IP網這個開放的業務創新平臺。

3 存在的問題

互聯網業務發展的很好，至今仍然是欣欣向榮，從互聯網的整體來看，特別是移動網和互聯網結合，更顯出其生氣勃勃的樣子，互聯網并沒有出現發展的疲態，可見互聯網的頂層設計并沒有出現大的問題，這種業務網和承載網相分離的體系架構是合理的。目前的業務網技術和分組數據網技術（IP網）是適配的，它們都是基于進程通信的技術。

有沒有問題呢？很顯然問題是有的，而且還不小。用一句話來說：IP網在近30年來沒有實質性的進展，已經越來越顯出‘網絡能力，力不從心’。具體來說，大體存在如下問題：

（1）互聯網不安全、不可信問題

主要是IP網是不安全和不可信的。目前，在互聯網上的業務，即使使用不安全、不可信的網絡，也不會影響用戶的使用。如果業務要求安全和可信，目前網絡就不行了，可以采用的唯一技術是端到端加密，加密技術在互聯網上的應用是相當廣泛的，已經達到濫用的程度。加密技術是一把雙刃劍，固然，用戶信息加密后可以保證一定的安全性，但加密信息的解密是一項很復雜的工程，將會導致社會安全成本的極大提高。目前互聯網的安全技術是貼膏藥式的安全技術，沒有頂層設計，一事一議，出一個問題加一個安全膏藥。互聯網因為要安全正在變得越來越復雜，同時安全手段變得越來越低效。互聯網為安全可信所付出的代價，在某些場合已經超過網絡建設的代價，這是第一個大問題。

（2）業務形態問題

通信的業務形態發生了巨大的變化，通信業務形態從點到點（即二點之間的通信）為主，到點到多點、多點到多點通信業務為主，點到隨機多點業務已經占了業務的大頭（已經超過90%，甚至95%），原來的網絡顯然是不適配的，網絡必須做重大調整才能適應，當然這里有技術路線的問題，由于要涉及到內容分發網絡（CDN）等技術，這是一個很大的問題，這里就不展開了。

（3）業務網和數據網間的耦合問題

在互聯網的設計中，業務網和數據網的耦合度為零，即雙向完全互不感知互不控制。這種設計是互聯網業務發展的原生動力，因為互聯網上的業務和應用可以用幾乎是零的成本來發展，業務和應用發展的入門門檻極低。現在一直在講的OTT業務，好像OTT業務是最近才冒出來的，其實所有的互聯網業務和應用全部是OTT業務，OTT的本質是業務網和數據網之間零耦合，在業務網的運營中，對數據網完全沒有控制能力。互聯網的業務網和數據網之間，雙向不感知，雙向不可控，在互聯網發展初期是有積極意義的，但目前已經成為發展的瓶頸，業務不能產生多種商業模型，對整個產業鏈的健康發展是有害無益的。這個問題無論是電信界或互聯網界已經獲得了關注。電信網的NGN體系架構和IT界推崇的SDN，在網絡設計中都考慮這個問題，這涉及網絡的體系結構。圖1、2是電信網的NGN體系架構和SDN的架構。其中，NGN中的NACF和RACF和在SDN中的北向接口就是用于這個目的。

（4）移動性問題

圖1 電信下一代網(NGN）體系結構

移動性問題是一個大問題。當然在電信的移動網中，移動性問題解決得非常好，可稱完美、堪稱經典。盡管在IP網中，也有移動IP技術，但實際上是考慮得相當不周的。在IPv6中，去除了IPv4網移動過程中的三角路由問題，使移動性能有所改進，但仍然存在大量問題，如網絡的移動性、多穴、終端的高速移動、越區切換等。目前的移動網（蜂窩網）的網絡特性和互聯網的業務特性是不適配的，互聯網中的絕大多數業務是基于進程通信的，對網絡的要求是網絡能夠向用戶提供‘永遠在線’的通信能力（即長連接能力），而移動網的網絡特性是TDMBase的，移動互聯網業務的發展已經顯示出網絡特性與業務特性不適配而造成諸多問題。在未來的移動網中將全部是互聯網業務，業務特性和網絡特性的不適配將會造成更大的問題。解決辦法之道是要徹底解決IP網的移動性問題，把目前主要由應用層來解決移動性問題，轉而由網絡層來解決。第五個問題是網絡虛擬化的問題，目前網絡虛擬化已經很泛化了，一分多、多合一均在虛擬化概念之內。在這里說的網絡虛擬化，是指一個物聯網虛擬化成為與原物理網拓撲的全集或子集的虛擬網，虛擬網擁有完全獨立的運行、管理和維護能力，虛擬網之間資源獨立、信息隔離。虛擬網技術是網絡的多業務承載的技術基礎，也是解決業務商業模型的物質基礎。第六個問題是可擴展性問題，這里包括網絡的可擴展性和業務的可擴展性等3個方面，TCP/IP原本是設計用作異機種計算機互連，但結果是它做成了全世界最大最成功的分組數據網，當然這里有一定的偶然性（它的成功遠超設計者的預期），但它符合業務發展的規律，因此成功是由其必然性的。IP網是成功的，盡管在發展過程中不斷地在修正原設計的不合理部分，但總的來說其設計是成功的，至今仍然在正常運行。當然，40多年來運轉也越來越顯示出它的可擴展性問題，對IPv4網（目前的互聯網）來說，至少存在3個方面可擴展性問題，即地址的可擴展性、路由的可擴展性、業務的可擴展性。可擴展性問題已經成為互聯網的發展瓶頸。

圖2 軟件定義網絡（SDN)的架構

當然，問題還有很多。例如，綠色通信問題，因為目前ICT的能源消費已達7%～8%，這已經是一個不可小視的問題。還有網絡資源的全局可感知，網絡全局的可管可控，業務的商業模型等，要列出的問題很多，但總而言之，存在問題不小，問題不少，而且大部分是當務之急的要求，不是可以等待20～30年后再去解決的。這些問題的存在實際上造成了電信業目前的困境（投入和產出的‘剪刀差’增大），ISP（互聯網業務提供者）無法提供差異化服務，用戶只能得到同質化的低層次服務。軍網、大型企業網、電子政務網、工業生產和控制網等建網（建一個物理網，能滿足他的全部需求）找不到合用的技術。工業互聯網用什麼技術來建網（建一個物理網，能滿足他的全部需求）？智慧城市用什麼技術來建網（一個城市建一個物理網，能滿足整個城市發展的需要）？物聯網用什么技術來建網（一個公眾物理網，能滿足所有物聯業務的需要）？這些問題都是近期需要考慮和解決的。這些問題也會進一步殃及互聯網的發展。

4 結束語

發展下一代網已經成為當務之急，必須盡快在發展下一代網的目的和目標上取得共識。發展下一代網的目的應該是解決網絡當前存在的問題，目標應該是具體的和可操作的。不解決當前緊迫的問題，而去考慮20～30年后的事，無疑是要在沙灘上建設高樓。

另外，還有兩件值得關注的事情：

（1）美國提出了軟件定義網絡（Software Defined Networking，SDN），歐洲提出了網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）是新型組網技術，SDN和NFV可以協同使用，是新的網絡實現技術。它可以用于實現業已存在的網絡，也可以用于實現新型的網絡。它們可以用于業務網的實現，可以用于數據網的實現，也可以用于傳送網的實現。SDN和NFV不是新型網絡技術。

（2）下一代網的說法。下一代網是一個十分含糊的說法，最好的做法是對網絡的發展進行分代，就像目前的移動通信網技術的發展一樣，只有對網絡分代才有可能對要發展的網絡制定出具體的目標和指標，否則就是一筆糊涂賬，難于取得共識，難于取得實質性的發展。

1 蔣林濤.互聯網引入帶來的機遇與挑戰.電信科學.2008,1

2 蔣林濤.未來互聯網的承載網絡.中興通訊技術.2010,2

3 ETSI NFV ISG.Network Functions Virtualisation-White Paper#3.10,2014

2015-09-30）