化身智能化體系的未來網絡如何改變人類社會

陳天驕

一、計算機網絡的發展與挑戰

回顧全球計算機網絡的歷史和現狀，可以將計算機網絡的發展分為：理論發展期、單體發展期、標準發展期、互聯發展期和高速發展期。

(一)理論發展期

上世紀60年代，在學術界出現了計算機網絡的理論雛形。1961年，麻省理工學院的J.C.R.Licklider和W.Clark發表了第一篇關于包交換的論文，三年后，蘭德公司的Paul Baran發表了論文《論分布式通信網絡》，學界開始出現了分布式通信行為的網絡概念。在計算機出現的十幾年后，人們就已經開始意識到計算機網絡將會給高效通信帶來重大機遇。從此，計算機網絡的研究走入了人們的視野。

(二)單體發展期

單體計算機網絡是單個計算機以多個設備終端相連進行通信的網絡。當時，在美國出現了擁有兩千多個終端的飛機訂票系統。和其他很多技術一樣，計算機網絡的技術很快就被應用到了軍事方面。1969年，美國國防部創建了世界上首個分組交換網ARPANET，但這只是一個獨立的分組交換網，想使用ARPANET的用戶必須直接與它的交換機相連，這就很難滿足大量的通信需求，所以計算機網絡不得不很快進入到了互聯發展期。

(三)互聯發展期

到了上世紀70年代，多種網絡的互連技術開始出現，由此誕生了互連網。在1983年，ARPANET將TCP/IP協議作為標準協議，使得所有使用TCP/IP協議的計算機都可以加入互連網并實現通信，所以人們也將這一年作為因特網(Internet)的誕生元年。[1]1985年，美國國家科學基金會NSF開始建立國家科學基金網NSFNET，圍繞六個大型計算機，一個覆蓋了全美主要大學和研究所的三級計算機網絡誕生了。以此為先例，世界上的各個公司和用戶紛紛接入Internet，開啟了Internet的大互聯時代。

(四)標準發展期

在大互聯的時代，新的網絡技術井噴式出現。為使不同的網絡技術能夠兼容，1992年美國成立了Internet協會(ISOC)來制定行業標準。Internet協會將互聯網標準以RFC文件的形式公開發表，面向全球所有廠商征求意見與建議，整個過程透明且公正，這一形式極大地促進了Internet的發展。

(五)高速發展期

互聯思想的誕生和標準化流程的制定，都為計算機網絡的高速發展奠定了堅實的基礎。根據美國互聯網及新技術風險投資人Mary Meeker在2017年5月發布的《2017 Internet Trends》報告，全球互聯網用戶數已超過34億人，互聯網全球滲透率達到46%。[2]在當今的信息社會，計算機網絡已滲透到了人類社會的方方面面，在科技、軍事、經濟、社交、日常生活等方面都扮演著極其重要的角色，它正在推動著人類社會的前進。計算機網絡作為新時代的基礎設施，為各種網絡應用提供了廣闊的平臺，從最開始的電子郵件、網站檢索到當今的虛擬現實、電子商務、游戲、物聯網和工業互聯網，網絡技術與網絡技術相輔相成，共同高速地發展著。

從上世紀60年代到現在，Internet經過七十多年的發展和完善，已與社會各領域作了深度融合，各領域高速發展的同時，也產生了許多現有計算機網絡難以支持的新需求，現有的計算機網絡架構面臨著極大的挑戰。

(1)可擴展問題。隨著計算機網絡的迅速發展，因特網逐漸形成多層次的ISP結構，成為世界上規模最大的網絡，且依然以指數級的速度增長著。Internet中的租戶和業務數目不斷增長，業務應用對網絡的要求也越來越高，但網絡中使用的架構和協議相對越來越僵化，只能不斷地增加協議的修補和提高設備的性能，來滿足新的需求，現有網絡的龐大規模制約了新協議的部署，新構架的采用也需要全球多個利益相關的運營商一起達成共識，因此當前對網絡架構的創新僅限于在傳統架構上的“修補”，這使得新的網絡應用的部署變得越來越困難，大規模的網絡實驗也越來越容易出錯。

(2)服務質量保證問題。服務多樣化已成為當今網絡應用的主潮流，社交網站、視頻網站和AR/VR應用等新媒體都要求大量的互聯網流量的服務。以視頻服務為例，根據思科VNI預測，到2020年，視頻將占總IP流量的82%，視頻服務如UHD、4K/8K視頻業務正在不斷演進，導致視頻服務面臨著電視使用率和廣播使用不斷減少、聯網設備使用率和流傳輸不斷增加的現狀。[3]面對新媒體的大流量、低時延的服務，網絡怎樣保證服務質量是一個巨大的挑戰。

(3)可控和安全問題。當今網絡采用的是TCP/IP的分布式架構，即使有一些網管系統的出現，還是難以做到網絡狀態的全局感知和網絡資源的全局掌控及分配。同時，服務質量的保證也要求著通過網絡的控制來進行流量的調度、故障的檢測、業務優先級的劃分、資源的分配。安全問題也是當前網絡面臨的一個重大挑戰，現有網絡架構的主要目的是實現互聯的穩定性和信息共享的時效性，即使出現了防火墻等一系列安全措施，在很大程度上仍不能阻止黑客的入侵。僅在2017年，“58同城”全國簡歷泄露，印度麥當勞約220萬名用戶的收據泄露，美國鄧白氏(Dun&Bradstreet)公司的涉及軍事人員信息的52G的數據庫遭泄露。全球范圍內網絡安全危機事件給各國的國家安全、經濟等方面都帶來了巨大的損失，網絡安全問題亟待有效的解決。

縱觀網絡的發展歷程，面對這些嚴峻的挑戰，為了適應網絡中的新需求，解決網絡發展中的新問題，未來網絡的概念被提出來。各個國家也紛紛投入了未來網絡的研究，如美國GENI、歐盟FIRE、德國G-LAB、中國CENI、澳大利亞NICTA、日本JGN2plus和韓國K-GENI，各大互聯網跨國企業如谷歌、Facebook等也建立了自己的骨干網來支持自己的新業務。可以斷言，計算機網絡的發展已進入未來網絡發展的新階段。

二、百花齊放的未來網絡

未來網絡從來不是指一個特定的網絡，而是一系列分散式發展的網絡新型架構和技術的統稱。沒有一個網絡架構可以解決所有的業務需求，面對當今社會服務需求的多樣化，網絡的發展也會針對不同需求向著不同的分支發展，多種異構型的網絡架構和技術將繼續互連互融，不斷地為未來網絡的發展添磚加瓦，最終形成未來網絡百花齊放的局面。

在業界，對于未來網絡的發展一般有兩種思路：一是漸進式發展，二是革命式發展。漸進式發展的核心是修補策略，通過“打補丁”的形式來完善現有網絡架構中的問題，具體做法是基于現有網絡的基礎，升級現有的設備和網絡協議，或者采用新的計算機技術進行決策，如大數據和人工智能。漸進式的發展避免了大量更換基礎設備，同時也能很好地解決現有網絡中的一些問題，但是這些技術手段并不能提供全面的解決方案。

革命式發展的主旨是用全新的架構來解決網絡的問題。這種發展是拋棄現有的網絡架構和協議，重新設計網絡架構和協議，從根本上解決IP網絡在可擴展性、服務質量、可控和安全等方面的問題。

現有的未來網絡研究在上述兩種發展方式上都有了較多成果。有很多成果已投入工業界使用，同時也有一些研究在推廣落地時遇到了較多阻力，互聯網時代的技術更迭是日新月異的，不管最終某項技術成功與否，它都將成為未來網絡研究前進的“奠基石”。本文以下列舉了未來網絡研究的部分重點，從中可以看到各項新興技術都可能帶來極大的創新和收益。

(一)網絡虛擬化

在未來網絡的大背景下，網絡虛擬化技術最初作為研究和實驗的靈活平臺被提出來，這個平臺可以促進技術的多樣性，然后慢慢演進，最終能夠克服所謂的互聯網的僵化問題，并成為下一代互聯網的關鍵組成部分。由于網絡虛擬化越來越被重視，所以在未來很長的一段時間內，它會被部署進各種場景內。網絡虛擬化可以在公共的底層物理基礎設施上，劃分許多個相互隔離的網絡，可以為不同運營商實現不同業務場景提供一系列新的可能性。

網絡虛擬化被認為將彌補信息技術和網絡領域的差距，潛在地推動信息技術和網絡領域的深刻變化。另外，云計算和網絡虛擬化的結合促成了數據中心的出現，為運營商開辟了巨大的機會。[4]

(二)云計算和邊緣計算

云計算是一種計算模型，它提供按需提供的設施，并通過互聯網共享資源。云計算技術維護一個可以動態分配的資源共享池，從而減少軟硬件的管理成本，提供高計算能力和高性能，保障資源的可訪問性和可持續性。云計算技術可以提供強大的處理能力和大量的資源，使在諸如基站和網關之類地方的高容量通用服務器上部署虛擬機變得更加容易。

云計算技術的產生使得按需提供計算資源和存儲資源成為可能，大大增加了網絡和服務部署的靈活性和可擴展性。移動邊緣計算(MEC)的概念是云計算能力到移動網絡邊緣的延伸，移動邊緣網絡集成了云計算能力，為部署和管理業務提供了有效的方案。[5]移動邊緣計算在移動網絡邊緣、無線接入網絡(RAN)內以及移動用戶附近，提供IT服務環境和云計算功能，其目標是減少延遲，確保高效的網絡操作和服務交付，并改進用戶體驗。MEC的環境具有低延時，近距離、高帶寬以及實時洞察無線網絡信息和位置感知的特點。MEC服務器的容量相對于大規模數據中心來說較小，不能提供大規模數據中心帶來的可靠性優勢，因此結合云技術來引入云化的軟件架構，將軟件功能按照不同能力屬性分層解耦地部署，可以在有限資源下實現可靠性、靈活性和高性能的要求。

(三)軟件定義網絡

從傳統的網絡架構看，當出現一種全新業務的時候，就只有生產出一種全新的交換機來面向此業務，但這樣就導致資源利用率十分低下。而從未來網絡的發展層面看，因特網的形式已然固化，決定了無論是發展因特網的物理設施，還是發展因特網的相關協議和性能，都是相當困難與緩慢的。基于此，SDN技術應運而生。SDN技術的基本思想是將轉發層面與控制層面分離。轉發層面為物理網絡設備，如SDN交換機和路由器或者虛擬的設備如Open vSwitch等。控制層面為SDN控制器，通過在控制器上開發應用程序來控制底層的物理或虛擬設備，從而可以針對不同的業務開發不同的程序。SDN的集中控制的架構，使新業務的部署不再依賴于底層物理設備的更新，并且控制權可以開放給用戶，能夠根據相應的業務需求，來改變網絡自身的規則和性能。同時，集中控制可以監控全局網絡的網絡狀態，可以通過數據分析迅速高效地進行流量調度、資源劃分和故障檢測和安全防護。SDN使得網絡具有了靈活性和多樣性，使網絡能夠適應互聯網時代大量多重的業務需求，這是傳統網絡難以做到的。

(四)信息中心網絡

在2016年僅視頻類流量就占據所有IP流量的86%*參見：http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/ip-ngn-ip-next-generation-network/white_paper_c11-481360.html.，與內容獲取相關的流量所占的比例將越來越大。隨著互聯網上層業務的發展，與內容有關的流量將繼續增加。為了面對這一挑戰，學術界與產業界從網絡體系架構的角度上，提出應該將現有網絡體系架構從面向主機之間端對端連接，轉變為面向內容獲取的模式。這其中最有影響力的就是信息中心網絡(ICN)，ICN采用以信息為中心的網絡通信模型，摒棄了傳統的以IP為細腰的協議棧結構，采用以信息名字為核心的協議棧，即信息名字作為網絡傳輸的標識，而不采用IP地址或僅將其作為底層的本地化傳輸標識。

(五)自運營網絡

自運營網絡指的是讓網絡自主高效的運營。現在的網絡規模越來越大，硬件設備和網絡數據的數量都是十分龐大的，這會導致當故障出現時，工程師難以快速精確地找到故障點，同時對正確性的檢測也十分困難。為了解決這些問題，解放人類雙手的自運營網絡由此誕生。其中較著名的是思科公司(Cisco)提出的基于意圖的網絡(IBN)，它代表了一種管理網絡的新方法，它使用特殊的軟件來實現網絡變更的自動規劃、設計和實施，從而提高其可用性和靈活性。IBN的主要思想是用戶告訴網絡一個“意圖”，而不去具體做一些網絡配置。在理想狀態下，網絡根據用戶的意圖，找出需要采取什么行動來實現它。而這個決策過程就可以用人工智能來實現，人工智能使IBN能夠降低網絡策略管理和維護的復雜性，并簡化網絡服務的部署，它使IBN能夠分析數據，從數據中提取信息并自動從中學習，而不需要明確編程。學習能力允許算法對數據進行預測，隨著更多的數據提供，一個學習過程變得更好，隨后導致更好的預測。隨著人工智能各種算法的發展，我們可以使用這些算法作實時決策，在整個決策過程中不再有人的參與。

三、未來網絡改變人類社會

面對爆炸式增長的業務需求，未來網絡在學術界和工業界蓬勃地發展著，成為了戰略性新興產業的重要方向。現在，未來網絡在經濟、國防、媒體、社交、醫療、工業、教育等領域開始嶄露頭角，進一步推進著互聯網與各領域的融合。結合現有的科技成果和發展方向，可以展望未來網絡將給人類社會帶來如下改變：

(一)迅速的信息傳播

低時延是很多應用的一個重要需求，它直接影響到了任務的執行效率和用戶的體驗，所以未來網絡必將是一個低時延的網絡，它能使虛擬現實、物聯網、車聯網、視頻直播、遠程醫療、金融交易等技術的發展更加迅速，真正實現信息的快速共享。

(二)注重內容的網絡

如今，流媒體流量占據著網絡流量主導地位，且用戶關注的不再是信息從哪來，而是信息的內容本身。傳統IP網絡根據IP地址進行分組轉發，必須解析到目的主機才能夠實現通信，對重復的請求很難做到請求合并，組播方案的實現比較復雜。所以需要將關注的重點從現有網絡的“在哪里”轉移到“是什么”，即用戶和應用關注的內容，以內容/服務為中心的網絡體系可以很好地解決這一問題。而ICN網絡采用信息命名路由，減少了冗余流量的產生。ICN在路由中添加了緩存功能，使得轉發機制從傳統的存儲轉發變為緩存轉發，從而有效地提高轉發效率。

(三)AR/VR的盛行

AR/VR對網絡的要求是更大的容量、更低的延遲和更好的網絡均勻性，這是未來網絡重要的研究目標。可以預見，有了未來網絡作為基礎，AR/VR才能向大眾普及，體驗感、場地局限等都可以得到改善，斯皮爾伯格導演的電影《頭號玩家》中的賽車場景將不再是一種幻想。

(四)唾手可及的計算資源

在數碼信息時代，計算并不局限于類似計算器的數字運算，而是滲透到了我們互聯網生活的方方面面，從高清視頻的編解碼，圖像的PS，到大型游戲的運行都需要高效強勁的運算能力，在硬件設備微型化、便攜化的今天，往往需要將這些計算放到網絡中完成，云計算、邊緣計算和數據中心的出現，使計算資源唾手可及。在未來，只要攜帶一臺輕便的終端設備，連上網絡，就可隨時隨地地使用需要大量計算的應用程序。

(五)高效的遠程醫療

面對當今世界相對匱乏的醫療資源，遠程醫療進入了人們的視野，現已出現了大量在線診斷的實例，但遠程醫療至今還未解決手術的難題。手術的特點是高精密、容錯率小，若想通過互聯網連接機械手臂進行手術操作，就要求視頻回傳時延足夠小，操作指令的下達足夠迅速。通過未來網絡的支持，患者在當地就可以獲得相應領域的全世界頂尖醫生、專家的治療，相關產業在經濟、效率方面都可獲得巨大的收益。

(六)可靠的金融管理

比特幣等虛擬貨幣的驚人估值博得了幾乎所有人的眼球，但區塊鏈技術可能給金融業帶來更巨大、更有意義的影響。區塊鏈解決的是一個信任的問題，使用分布式數據存儲、共識機制、加密算法等，以密碼學方式保證生成不可偽造的分布式賬本，這種高容錯、不可篡改的特點會給金融模式帶來巨大的改變。

(七)隨時隨地的互聯網接入

隨著各種設備終端的出現，未來網絡會是一個超大互聯的網絡，電腦、手機和平板設備自不必說，往后生活中的任何一樣實物，如水杯、窗簾、衣物，都有可能連入互聯網，真正迎來萬物互聯的時代。

(八)網絡推動智能化

人工智能技術已大量地運用到了包括網絡在內的各個領域中，那么未來網絡能為人工智能提供什么？現在，越來越多的技術采用人工智能進行實時的決策，或者利用人工智能處理海量的數據，這些都要求大量的CPU、GPU的計算能力，未來網絡中的數據中心、云計算、霧計算、邊緣計算等技術都在助力人工智能技術的廣泛應用。

四、我國緊抓發展未來網絡的新浪潮

我國對未來網絡的研究也在如火如荼地進行。2009年，中國工程院與中國國家自然科學基金委員會聯合啟動了“面向2030年中國工程科技中長期發展戰略研究”項目，在劉韻潔院士的提議下，設立了有關未來網絡的研究咨詢課題。2010年，李國杰、劉韻潔兩位院士聯合向國家發改委提議立項未來網絡試驗設施CENI項目。2013年，首個未來網絡小規模試驗設施在南京未來網絡谷成立，2016年，國家發改委正式批復國家重大科技基礎設施建設項目未來網絡試驗設施(CENI)項目建議書，整個網絡基礎設施將覆蓋全國40個城市，一百三十余個邊緣網絡，將為未來網絡相關的學術和產業界研究提供最有力的支撐。

世界各國都在大力發展未來網絡，中國也必須把握住這一新的浪潮，成為未來網絡的主導者之一。在互聯網的發展初期，由于部分西方國家對中國的限制，中國互聯網僅在接入方面就經歷了非常艱難的過程，所以在當前的發展階段，中國必須獨立自主地研究和搭建未來網絡，把發展權牢牢地掌握在自己手里，突破外國的技術封鎖，真正實現網絡強國的目標。