未來網絡的發展趨勢與機遇

劉韻潔,黃 韜,張 晨,劉 江

(1.北京郵電大學 網絡與交換技術國家重點實驗室,北京100876;2.網絡通信與安全紫金山實驗室,江蘇 南京211111)

0 引言

互聯網已經成為人類社會的重要基礎設施和國家的重要戰略資源。 隨著網絡與社會發展的不斷融合,互聯網的業務形態和業務需求正在發生巨大變化。 業務類型從傳統的話音型、消費型轉變為生產型,網絡需求也從盡力而為、不保障服務質量轉變為強調確定性、差異性和服務質量保障。 未來業務如VR/AR、全息圖像、交互式游戲、遠程設備控制等對網絡服務能力提出了更高的要求。 未來網絡的技術和產業發展,已成為全球關注的重點領域和我國建設網絡強國的核心基石。 本文將從未來網絡的內涵、未來網絡產業界技術進展,以及我國未來網絡的發展建議三個方面,對未來網絡進行分析和闡述。

1 未來網絡的內涵

未來網絡概念的提出,從體系架構的層面來講,要有效且現實地解決傳統互聯網在可擴展性、安全性、移動性、可管理性等方面的問題,從“盡力而為”與“被動補丁”的現狀,轉變為實現“服務按需定制” “質量確定可控” “泛在安全可信”的愿景。

伴隨著未來網絡概念所演進的,是云計算、SDN/NFV、大數據、人工智能等技術的興起,基于這些新興的技術,未來網絡在技術路線上將參照以下思路：① 網元層面,實現“硬件白盒化、軟件虛擬化”;② 控制層面,遵循“基線分布式、優化集中式”;③ 管理層面,做到“狀態可視化,運營智能化”。 由此導致的未來網絡生態變化,可能會呈現出“開放開源” “按需隨選” “共享平等”等特征,進而重構整個ICT 網絡基礎設施[1]。

從應用需求的角度來講,未來網絡要能夠支撐車聯網、工業互聯網、遠程醫療、全息全感通信等新型應用,滿足業務海量連接、超低時延、巨型帶寬的需求。 從業務場景來看,未來網絡既要匹配新型的計算/存儲架構,包括云計算、邊緣計算、霧計算,又要覆蓋傳統各類場景,包括園區網、接入網、城域網、骨干網、數據中心網絡等。 在此基礎上,要形成“網絡管道端到端編排” “云邊端資源一體化調度”的能力,更好地支撐大數據、人工智能、區塊鏈等新型業務,在廣域網層面實現算力、數據、內容的一體化融合[2]。

另外,未來網絡的應用很可能會超越目前所能看到的網絡維度,結合B5G/6G 等移動通信技術,有望實現陸?？仗煲惑w化。 空天一體化衛星互聯網,將支撐全時空、陸?？仗?、萬物互聯、泛在接入,具備高中低軌地面協同體系架構、異構無線傳輸接入及差異化QoS 服務質量保證等能力。 依托于此,未來的軍事作戰將呈現“多兵種、陸海空天一體化”的特征,形成“局部、系統、體系多級對抗”的能力,實現軍用網絡與民用網絡的一體化融合。

2 未來網絡的技術發展趨勢

未來網絡技術應具備支撐萬億級、人機物、全時空、安全、智能的連接與服務,支持超低時延、超高通量帶寬、超大規模連接的能力,根據國際未來網絡發展趨勢及我國網絡發展基本國情,從以下8 個方面就研究內容、關鍵技術等對未來網絡技術發展趨勢進行探討。

(1) 空天一體化衛星互聯網

空天一體化衛星互聯網將空間網絡與地面網絡相融合,支持5G/6G 的星上部署,實現移動通信全覆蓋、頻譜全利用、應用全部署。 未來網絡需要支撐陸?？仗烊珪r空的萬物互聯及泛在接入,涉及的關鍵技術主要有：低中高軌衛星與地面網絡協同組網、多異構無線傳輸接入、星間拓撲頻繁變動的路由算法、移動性管理與流量負載均衡、差異化QoS 服務質量保證。

(2) 太赫茲高頻通信技術

太赫茲是位于微波與紅外線之間頻譜范圍為0.1～10 THz 的電磁輻射[3],太赫茲技術的應用是6G 的關鍵內容之一,如何基于超高頻太赫茲實現超寬帶、超高速無線通信具有重要的挑戰意義。 其中涉及的關鍵技術包括：① 太赫茲技術。 太赫茲處于宏觀經典理論向微觀量子理論、電子學向光子學的過渡區域,需要對其特性展開研究。 ② 6G 無線頻譜使用技術,如區塊鏈與動態頻譜共享結合。 ③ 基站小型化技術,如納米天線。 ④ 廣域場景下的萬物互聯與超密集組網。

(3) 面向各場景的網絡切片技術

3GPP[4]將網絡切片定義為支持運營商創建并定制網絡的技術,以針對多種需求(如功能、性能和隔離性)為不同場景提供優化方案。 網絡切片利用虛擬化技術,允許不同網絡技術在通用基礎架構上共存[5],通過合理的資源分配可為用戶提供差異化服務,并有效降低成本。 未來網絡應具備通過空口切片、接入網切片、傳送網切片、核心網切片、骨干網切片,打造面向用戶的端到端服務定制網絡切片的能力。

(4) 低延遲、確定性網絡

工業控制、遠程醫療、VR 等新業務對時延具有很高的要求,如何準時、準確地控制端到端時延對網絡提出了重大挑戰[6],解決方案包括以下幾個方面：① 設計源端出口帶寬分配方案有效控制流量,使用Pacing 減少流量突發;② 按流量類型分配優先級隊列,確定性時延流量分配至高優先級隊列并嚴格控制隊長,無時延需求的流量不作要求;③ 在TCP 協議層通過ECN,Credit 等機制減少擁塞。 確定性時延保障機制是通過逐跳控制隊列長度,減少流量突發,實現逐跳確定性時延,最終實現端到端確定性時延。 典型確定性時延網絡技術有FlexE[7],AVB/TSN[8]和DetNet[9]。

(5) 光網絡與IP 網絡協同調度

傳統IP 網絡與光網絡分層規劃、獨立運維導致業務開通部署周期長、時延及抖動大等問題,通過協同控制器實現IP 網絡與光網絡的有效協同,有助于實現縱向跨層智能調度,構建面向未來的廣域低時延網絡。 其中涉及的關鍵技術包括：① 光層、IP 層、業務層等多層數據共享;② 協同帶寬資源動態調整;③ IP 層與光層協同保護與故障恢復。

(6) 白盒化、軟硬解耦

白盒化借助軟硬件解耦,擺脫傳統專有集成的設備方案以及對設備商的依賴,提供開放靈活的選擇,達到開源和節流的目的[10]。 傳統多機箱Multi-Chassis 架構存在高能耗、高價格、僵化的問題,而使用白盒化設備、軟硬解耦的SDN/NFV 架構組網具有節能、低成本、靈活性高等優勢。 近年來云服務商的服務器采購量逐年增加,預計很快將超過電信和企業級應用的需求量。 可以預見的是,數據中心服務器向白牌的變遷只是一個開始,IT 領域的白牌交換機和可重構分布式存儲將隨后而至。

(7) 網絡/計算/存儲一體化

面對AR/VR 等新業務的需求,如何以更高的質量和更低的成本將計算、存儲與網絡深度融合,并在一體化平臺中融入內容分發能力將是未來網絡的重要研究方向。 CDN 技術作為網絡與存儲融合的初步嘗試,充分體現出網絡與存儲融合的有效性和價值,但其站點下沉面臨著嚴重挑戰,究其原因有兩點：一是CDN 邊緣化成本高,無用戶規模的支撐;二是CDN 是封閉系統,ISP 參與難度大。 當前業界提出網絡云化、云網一體等解決思路,通過構建具備靈活業務控制能力的大規模多云交換平臺,支持私有云、公有云、工業云資源統一編排,支持異構廠商多云交換、多云互聯,支持云邊協同調度,按需分鐘級開通云互聯、云切片。 其關鍵技術包括高性能VR軟路由器、云網協同與云切片、多云場景云資源(虛機/容器/存儲等)統一編排等。

(8) 網絡人工智能

人工智能技術為科技、社會的發展提供了新的模式和可能,在圖像和語言處理、智能控制方面得到廣泛應用。 網絡人工智能針對大規模網絡管理的迫切需求,基于人工智能技術研究通信網絡的核心算法與理論,解決大規模復雜網絡訓練、多級人工智能協同設計的關鍵技術,簡化人工操作,實現通信網絡的高效自治。 網絡人工智能體現在設備智能、網絡智能和服務智能三個層次：設備智能包括擁塞控制、行為分析、服務適配和數據安全等方面;網絡智能主要體現在流量工程、資源管理、故障恢復和智能安全等方面;服務智能主要體現在服務可用性、完整性分析、智能內容調度等方面。

3 未來網絡的產業發展趨勢

從國際未來網絡發展趨勢來看,全球網絡通信產業經過多年的發展,目前已經形成了相對完善的生態鏈。 電信運營商、設備廠商、互聯網公司等多方力量營造了相對開放的環境,共同推動技術的發展和應用。 運營商與廠商積極合作,共同推動產品和服務向全球化邁進。 廠商憑借資金等方面的優勢,加速對業界初創公司的收購和整合,推出全新的面向市場的產品/服務。 未來網絡領域正在“競合”的理念下快速成長,逐漸在業界掀起新的浪潮,整個產業生態圈也逐漸發展壯大。

運營商是傳統網絡的規則制定者,但在虛擬化、白盒、軟件定義、云計算等關鍵技術與架構的推動下,運營商的網絡正發生著巨大而迅速的變化：接入網與城域網在SDN/NFV 的推動下,向資源 DC 化、設備白盒化、業務虛擬化的方向演進;骨干網邁上Tbps 級平臺,帶寬大顆?；?、路徑調度智能化成為了大網的基礎能力;由混合云帶動的入云專線、多云帶動的多云交換、SD-WAN 帶動的企業WAN 重構,全方位地驅動著大網運營向云計算思維轉型;另外,目前物聯網、5G、邊緣計算正處于產業爆發前期,固移融合、網絡切片、云邊協同將成為電信運營商未來網絡發展的核心戰略與命題。

設備廠家是網絡技術發展的主要推動者。 從IP 技術標準角度來看,EVPN 和Segment Routing 在眾多設備廠商的合力推動下,已經成為未來Overlay和Underlay 技術的標準組合,而SRv6 的發展方興未艾,具備未來重新定義IP 技術體系的潛力。 從業務場景的角度來看,各大設備廠家都在形成端到端的SDN 解決方案,包括軟件定義局域網(SDLAN)、軟件定義園區網絡(SD-CAMPUS)、軟件定義廣域網(SD-WAN)、軟件定義數據中心網絡(SDDCN)等;從設備形態角度來看,基于x86 的NFV 設備和基于商用ASIC 的白盒/灰盒設備,正在逐步打開傳統網絡設備市場封閉的大門;從芯片角度來看,ASIC 可編程能力逐步增強開放,NP 的市場空間正在被壓縮,7 nm 和單片12.8 Tbps 的商用ASIC 產品已經量產,100GE/400GE 光模塊正逐步就位,硅互聯與硅光子技術有望在未來克服納米工藝極限。

在未來網絡領域的創新中,互聯網公司日益成為重要的推動者和實踐者。 在數據中心方面,Leaf-Spine 已經成為大型互聯網公司的標準網絡架構。在此架構下,自研白盒交換機成為主流趨勢,傳統的路由協議也正在被重新設計與定義,ECMP 及其增強成為DC 內部TE 的核心能力,Telemetry 成為可視化的關鍵方案。 以太網則將在2020 年開始逐步升級為100/400 Gbps,RDMA/RoCE 則在高性能存儲和AI 的帶動下嶄露頭角;在應用架構方面,虛擬機和容器已經成為主流的工作負載,OpenStack 和Kubernetes 成為DCOS 的事實標準,虛擬機和容器的大規模組網方案逐步成熟,基于Service Mesh 的微服務組網成為業界新的熱點;在公有云方面,大型的互聯網公司紛紛走上自研SDN/NFV 的技術路線,包括虛擬私有云、虛擬負載均衡、虛擬防火墻、混合云與 SD-WAN 等多種產品與解決方案,已逐步成熟并具備大規模提供服務的能力。 在公有云規模下,CPU 的處理性能已經很難滿足業務的發展需要,各種硬件加速與協同處理技術成為新興的技術發展方向。

4 未來網絡的應用場景與機遇

現階段,未來網絡技術百花齊放,SD-WAN、多云協同、邊緣計算、確定性網絡、網絡人工智能、開放開源等創新技術趨勢正在深入影響和變革網絡產業形態[11]。 面向4K/8K、AR/VR、工業互聯網等新興互聯網應用發展的大潮,網絡面臨著一系列新的要求與挑戰,未來網絡與實體經濟結合,將滲透到社會的方方面面,有十分巨大的市場前景。 未來網絡技術的不斷演進發展將驅動應用創新,極大地服務于社會發展。 未來網絡技術將在工業互聯網、車聯網、天地一體化網絡等領域實現重要突破和應用。

工業互聯網作為制造業與互聯網深度融合的產物,已成為新工業革命的關鍵支撐和智能制造的重要基石。 根據工業互聯網協同制造、時延敏感、按需定制、安全可信等重大需求,研究服務工業企業的新型網絡技術,并聯合大型工業企業開展技術創新、工業互聯網示范應用,對工業發展具有重要意義。

端到端可控軍事網絡面向未來多兵種、陸?？仗煲惑w化軍事作戰場景,亟需攻關高動態、高可靠、高抗毀的新型網絡體系,形成局部、系統、體系的多級對抗能力。 網絡建設主要包含兩個層面：一是面向戰略武器的遠程協同控制需求,構建端到端確定性可控軍事骨干網;二是面向大帶寬全局態勢信息實時同步需求,構建云網一體的廣域數據中心互聯網絡。

軟件定義天地一體化空間網絡,目前在星地移動管理、星間路由算法及流量工程、星上資源約束、服務質量保證、低中高軌衛星協同組網等方面存在諸多挑戰,涉及到的基本問題包括分區設計和分區映射。 分區設計將地面區域劃分為合適的分區,并分配唯一區號作為位置標識;分區映射時,衛星需要根據當前的經緯度修正對應的分區。

面向海洋場景的立體通信網絡需要在充分考慮海洋特性的基礎上,建立按需服務的海洋立體通信網絡平臺,突破海洋寬帶通信重大基礎理論和核心關鍵技術問題,實現海洋通信網絡立體覆蓋及海上數據無縫實時高速回傳,保證浮空、岸基、錨泊、衛星、艦船與地面網絡互聯互通,支持海上局部范圍高速寬帶通信,實現岸基、近海到中遠海的全域交叉覆蓋及不同環境下的多層次通信保障。

5 未來網絡的發展建議

未來網絡的發展對于我國網絡強國、制造強國的發展和建設起到關鍵的基礎支撐。 在網絡體系結構方面,設計面向2030 的網絡架構,支持AR/VR、全息通信、工業互聯網、觸覺互聯網、車聯網等新應用的交付,從根本上提供一個高質量的網絡服務環境。 在未來網絡核心關鍵技術方面,重點突破數據平面可編程、低時延與確定性網絡、網絡計算存儲一體化、網絡人工智能等一系列關鍵核心技術,支持實現“中國網絡2030”,搶占未來網絡技術發展高地。

在網絡操作系統方面,要抓住時代賦予的機遇,加快在網絡控制方面與業務編排方面的研發,改變我國缺“芯”少“魂”的現狀,顯著提升我國在網絡操作系統領域的國際話語權和規則制定權;在重點應用領域方面,加強面向工業互聯網、物聯網、陸?？仗煲惑w化等重大場景的示范應用和成果輸出,開展核心技術在這些重大場景的一系列示范應用,培育發展新動能,促進經濟轉型升級,增強我國在創新發展方面的核心競爭力。 通過加強技術和示范應用的發展和推廣,進一步形成自主可控的未來網絡產業生態鏈,致力于打造“芯片—設備—網絡體系架構—核心關鍵技術—大規模未來網絡試驗設施—重大應用示范”的產業生態。 整合我國電信運營商、設備廠商、互聯網公司、研究機構及高校的資源優勢,在全國范圍內形成多個知名的科研創新和產業創新高地。 打造未來網絡教育平臺,培養更多優秀的技術型人才,大幅提高我國在未來網絡領域的創新能力,助力我國在未來網絡技術和產業發展領域躋身創新型國家前列。