云原生網絡開創智能應用新時代

萬曉蘭，李晶林，劉克彬

專題：新型網絡技術

云原生網絡開創智能應用新時代

萬曉蘭，李晶林，劉克彬

（新華三技術有限公司，北京 100090）

隨著全息多媒體、空天地一體化、元宇宙、社交物聯網等新應用的不斷涌現，業務應用發展朝著數字化、融合化、帶寬化以及智能化等方向發展，相應地對網絡的變革提出了新需求，通過對未來網絡特征的研究和分析，結合云原生網絡的自身特征，利用其云原生的優勢很好地滿足熱點業務應用的需求，提出了云原生網絡的總體架構，定義了數據平面、控制平面和管理平面應該具備的能力，最后給出了云原生網絡實現目前典型的、熱點業務的應用案例。

云原生網絡；應用驅動網絡；新型網絡

0 引言

近年來，隨著互聯網、大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等技術加速發展，數字經濟正在成為重組全球要素資源、重塑全球經濟結構、改變全球競爭格局的關鍵力量。數字經濟的發展離不開數字化基礎支撐，云計算和網絡已成為數字經濟時代的數字基礎設施。

面向2030年及未來，人類社會將進入智能化時代，社會服務均衡化、高端化，社會治理科學化、精準化，社會發展綠色化、節能化將成為未來社會的發展趨勢。從移動互聯，到萬物互聯，再到萬物智聯，6G將實現從服務于人、人與物，到支撐智能高效連接，通過人機物智能互聯、協同共生，滿足經濟社會高質量發展需求，服務智慧化生產與生活，推動構建普惠智能的人類社會。

萬物智聯的時代，網絡的作用不言而喻，目前，網絡自20世紀后期發展以來，歷史積累的問題比較多，無法更好地支撐各種垂直應用是迫切需要解決的問題。在未來通信網絡的研究中，我們不能僅僅關注如何將網絡的管道指標再提高一個數量級，更要將網絡與業務應用相結合，以滿足垂直應用的實際需求。業務應用是不斷發展變化的，未來網絡的發展仍需要不斷探索。

1 未來網絡特征

1.1 算力感知與調度能力

算力網絡是將云?邊?端多樣的算力通過網絡化的方式連接與協同，實現計算與網絡的深度融合及協同感知，達到算力服務的按需調度和高效共享。網絡不再是單純的數據傳輸，而是集通信、計算、存儲為一體的信息系統。

算力服務給網絡帶來全新的挑戰：網絡首先需要能夠感知業務需求和算力資源，綜合考慮網絡和計算資源狀況，通過匹配算力和服務，將不同的應用調度到合適的計算節點處理，實現連接和算力在網絡的全局優化。控制平面需要實現算力信息的分發與基于算力尋址的路由。在網絡編排上，實現異構計算資源、存儲資源和網絡資源的有效管理，實現業務邏輯和底層資源的完全解耦，實現服務編排面向算網資源的能力開放。

1.2 內生安全能力

信息通信技術與數據技術、工業操作技術融合、邊緣化和設施的虛擬化將導致網絡安全邊界更加模糊，傳統的安全信任模型已經不能滿足未來網絡安全的需求。內生安全已成為未來網絡發展的一個核心理念和基本需求。

未來網絡需要突破傳統設計模式，為網絡注入更強大的安全基因，從身份、數據、網絡等需求層面，進行系統安全設計，推動網絡安全體系向著原生內嵌、安全可信、智能靈活的主動防御模式演進，構建云網安一體化的新型網絡架構。

業內權威對內生安全的定義尚未統一，根據網絡5.0產業聯盟對網絡內生安全的定義，內生安全網絡以信任為基礎，以可信標識為錨點，具有去中心化共識機制，具備內在自免疫可進化安全能力的網絡安全體系。

1.3 確定性能力

迄今為止，我們所使用的互聯網技術采用的是傳輸控制協議（transmission control protocol，TCP）/網際互連協議（Internet protocol，IP），對網絡上數據包的傳輸只是“盡力而為”。而面對工業互聯網、產業互聯網加速興起，車聯網、遠程醫療、人工智能等場景對網絡傳輸的要求大幅提升，大量高實時性業務交互，各系統、各節點、各環節之間均需要高時效的協同。顯然，傳統的網絡技術已經無法滿足這方面的苛刻需求。

高時效協同需要穩定的網絡平臺提供端到端確定性的傳輸服務，這就是確定性網絡的主要目標——能夠基于低抖動、低時延、低丟包率的關鍵技術，為高實時性業務流提供高確定性的網絡傳輸服務，確保極低的丟包率和確定的端到端傳輸時延。隨著千行百業數字化轉型的深入，確定性網絡受到前所未有的重視，端到端的確定性能力，具有廣闊的應用前景，將會是未來網絡的必備能力。

1.4 AI原生能力

人工智能作為未來十年最具沖擊力的科技發展趨勢之一，將為各行各業帶來巨大變革。當前，人工智能在信息通信、工業制造、安防、金融、自動駕駛、醫療健康等眾多領域的蓬勃發展，推動生產效率的提升，也帶來生態和商業模式的全新變革。“智能+”已成為國家戰略，為傳統產業轉型升級和新興產業的發展賦能。

網絡作為承載智能應用的基礎設施，也急需實現智能化升級，以人工智能（artifical intelligence，AI）賦能網絡管理和運維，創造AI網絡管理的全新模式。據國際數據公司（International Data Corporation，IDC）發布的研究報告，互聯網數據量每年增長一倍。隨著網絡設施規模以及網絡業務的不斷快速增長，網絡運營將面臨越來越大的壓力和挑戰，當前以人工方式為主的管理模式難以支撐未來網絡的高效和安全運營需求。

網絡智能化，需要通過對網絡數據、業務數據、用戶數據等多維數據的感知，基于大數據、大算力和大算法三大基礎能力，形成網絡自身的高度自治能力。為了支持數字轉型時代的業務敏捷性，網絡必須從一個靜態資源系統演變成為一個能夠滿足業界期望的、能夠根據“業務意愿”轉化為網絡和 IT 基礎設施執行操作的靈活、動態系統。

1.5 應用感知能力

承載網一直無法感知上層業務，網絡無法有效細粒度感知所承載業務并為其提供差分服務，運營商當前面向管道的增值業務，采用多技術拼湊型端到端方案，配置相當復雜。

為了實現應用和網絡之間的相互協作，“應用感知式網絡”應運而生。新一代網絡基礎架構必須將智能化拓展到網絡本身，實現對上層業務應用的精細化感知和識別，通過自動化技術降低管理的復雜度，形成快速交付差異化網絡業務的統一基礎架構。實現從面向管道到面向業務的管理方式轉變，全面以應用為中心，主動感知和監測應用體驗質量，優化網絡和保障應用，實行更加靈活開放自動化、可視化的部署運維，更加實時高效。

1.6 網絡開放能力

構建統一開放的網絡能力，一直是網絡演進和變革的一個基本目標。業務應用若能便捷地獲取和利用網絡中的相關能力信息，有利于應用與網絡進行良好的互動。未來數字化應用場景，如車聯網、工業網絡、移動醫療探測、高清視頻、緊急業務、網絡金融等領域，都會要求網絡實現進一步的能力開放：車聯網需要從移動通信網絡中獲取汽車位置以及流量擁塞狀況等信息；工業互聯網設備的各種自動化與操作需求、各種醫療設備的信息收集，以及遠程醫療診斷，都需要借助運營商開放的網絡能力實現高可靠性、低時延的通信；OTT（over the top）業務提供商需要通過網絡能力開放接口提高服務質量（quality of service，QoS）等手段提升用戶體驗；緊急救援需要快速實現定位、廣播等；網絡金融業務提供商需要通過獲取用戶位置、終端信息等盡量減少金融風險。網絡能力的開放、個人用戶、第三方業務提供商以及運營商都能從能力開放運營構建的生態鏈中實現合作共贏。

目前，網絡能力開放平臺結構相對復雜，能力開放效率不高。為了滿足用戶日新月異的新業務需求，需要在場景、需求、能力開放架構和關鍵技術等方面進行深入研究，充分利用現有軟件定義網絡（software defined network，SDN）、網絡功能虛擬化（network functions virtualization，NFV）等技術實現網絡業務能力，結合IT領域的各種虛擬化新技術新架構，進一步開放網絡業務能力，進而創造新的網絡價值，形成新型商業模式。

2 云原生網絡打造網絡新架構

2.1 網絡演進歷程

云計算、5G、AI、大數據、區塊鏈等新技術的應用和數字化進程的加速，帶來了豐富業務的同時也對網絡功能提出了極高的挑戰，傳統網絡僅提供純粹的管道功能，已不能滿足云上業務應用對網絡資源的調度需求，因此催生了網絡功能虛擬化和資源化的架構模式，以滿足云業務對網絡的調度需求。云原生技術的提出和發展，帶來應用敏捷交付、快速彈性、平滑遷移、無損容災等特點，被越來越多的企業用戶所接受，企業關注點已經從以資源為中心轉移到以應用為中心，網絡需要同步演進，通過構筑敏捷、安全、開放、彈性、靈活的云原生網絡更好地支持業務應用，推進數字時代的發展。網絡演進如圖1所示。

圖1 網絡演進

綜上所述，本文所提云原生網絡是利用云原生技術構建與云能夠天然融合的新型網絡架構。

2.2 云原生網絡總體架構

云原生網絡將網絡設備軟/硬件解耦、控制平面和數據平面分離，同時將控制平面的網絡功能解耦，利用云原生技術實現網絡功能，把網絡與云打通，實現業務能力同構、資源協同。可以提供敏捷、安全、開放、彈性、靈活的網絡功能。云原生網絡示意圖如圖2所示。

圖2 云原生網絡示意圖

2.2.1 數據平面

人工智能、5G、物聯網、邊緣計算等新業務的逐漸落地和普及，對網絡資源提出了更高的要求。針對特定的業務場景采用專有硬件可以提供更好的轉發功能，越來越多的異構網絡硬件被應用到專有領域，如中央處理器（central processing unit，CPU）、現場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，FPGA）、專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）、可編程交換芯片等。云原生網絡的數據平面支持各種異構硬件，向上屏蔽底層多種硬件的差異性。

云原生網絡數據平面的重要能力之一是可編程能力，可以通過編程接口增加新的協議或功能集，避免供應商為不同的客戶需求定制網絡設備，同時又保護了投資，加快了新技術的應用。

對許多新興服務和應用來說，網絡中的低時延尤為重要，如無人機、智能駕駛、車聯網、智慧交通、工業控制、智慧農業、遠程手術等，需要精確地控制端到端時延和抖動，云原生網絡數據平面的轉發芯片支持諸多新的技術，如高精度時間同步技術、確定性隊列技術、靈活以太網（flex ethernet，FlexE）技術、可編程轉發等，具備確定性轉發的能力，即可編程能力的體現。

2.2.2 控制平面

云原生網絡的控制平面是指云原生網絡操作系統，如圖3所示，具有如下能力。

（1）功能解耦，容器化部署

云原生的網絡操作系統，基于標準Linux系統，充分解耦軟件功能，實現功能單元最小化，可以采用容器化部署模式，使應用對操作系統的依賴降到最低。傳統網絡操作系統為滿足多類型應用，網絡組件功能復雜，相互間耦合性強，部署在云原生場景存在功能重載、冗余等問題。云原生操作系統應僅包含基本功能依賴組件，如系統管理組件、網絡管理組件、設備管理組件、日志組件與基礎依賴軟包等。

（2）動態加載，應用定義網絡操作系統

云原生時代，以應用為中心的網絡操作系統要求整體軟件功能圍繞應用訴求構建，傳統網絡操作系統一般以通用場景需求提供功能組合，無法針對特定網絡應用提供必須的網絡功能組合，功能增加時需要升級整個操作系統，周期長、風險高。應用定義的網絡操作系統可以避免這一問題，能根據不同應用場景的需求進行標準化功能組合管理，同時應用場景發生變化時，又可以根據情況動態加載需要的網絡功能并卸載無用的功能模塊，從而抑制基礎版本過大導致云計算資源被過度消耗。

（3）內生安全，快速部署

網絡操作系統云原生化后，網絡功能進行了解耦，可以支持容器化動態部署，安全功能也在其中，如虛擬防火墻（virtual firewall，VFW）、虛擬負載均衡（virtual load balance，VLB）等功能模塊，可以根據應用需求隨時進行功能加載、快速部署、快速生效，從而有力地支持業務應用的創新。

（4）智能運維與調優

隨著節點規模與部署密度的增加，網絡的運維與調優變得愈加困難，引入AI進行大規模網絡運維和調優成為了必要手段。整體智能運維系統應包括應用行為觀測、應用指標度量與智能決策3個部分。其中，云原生網絡操作系統應提供低負載且應用無感的觀測手段，提供結構化、標準化的觀測數據，為后續決策提供必要的數據基礎。同時結合應用指標度量手段，提供應用相關性分析，提供應用性能、體驗調優策略建議，針對故障應用，智能診斷應用故障，進而實現整體故障級預測，并提供網絡操作系統功能組件升級能力或替換能力。

圖3 云原生的網絡操作系統

（5）開放架構，方便擴展

云原生的網絡操作系統（如圖3所示）采用開放架構，提供標準接口，用戶或第三方可以快速方便地開發相關的網絡功能模塊，通過容器部署，進行測試驗證，從而不斷地豐富網絡功能的應用創新。

2.2.3 管理平面

云原生網絡的管理平面是由云原生的網絡控制器管理編排的，網絡控制器被劃分為不同功能組件，支持容器化部署，具備云應用業務的特征。

云原生的網絡設備由兩部分組成，云原生網絡設備架構如圖4所示。

其中，CPU系統可以作為支持容器化的計算資源，能夠被云管理平臺統一進行容器的編排調度，既可以運行網絡操作系統的功能組件，同時也可以運行網絡控制器，其空閑計算資源可以由云管理平臺調度承載相關業務應用，作為云的一個邊緣計算節點。邊緣計算資源如圖5所示。

圖4 云原生網絡設備架構

圖5 邊緣計算資源

因此，對網絡設備管理平面進行功能管理和編排的控制器和部分業務應用都運行在統一的邊緣計算節點上，可以非常容易地通過中心云進行統一管理編排，實現云邊協同。

2.3 應用實例

當前基于云原生設計的網絡操作系統示意圖如圖6所示。

圖6 云原生網絡操作系統示意圖

●管理平面對外提供設備的管理接口，如CLI、Telnet、SSH、SNMP、Netconf、RESTful和Web以及GRPC等，通過管理平面，實現人機交互。

●控制平面運行路由、多協議標簽交換（multi-protocol label switching，MPLS）、鏈路層、安全等各種路由、信令和控制協議，生成各種轉發表項以控制數據平面的轉發行為。

●數據平面提供數據報文轉發功能，包括本地報文的收發，即IPv4/IPv6協議棧、Socket、基于各層轉發表的數據轉發功能等。

●基礎設施平面在操作系統的基礎上提供業務運行的軟件基礎，包括操作系統基礎服務和業務支撐功能。基礎服務功能是與業務無關的各種軟件功能，包括Linux操作系統的各種基本功能、C語言庫函數、數據結構操作、標準算法等。

網絡操作系統為全用戶態，內核使用標準Linux；可以運行在容器中，支持基于Docker的更加輕量級的形態；可以基于容器的場景應用或部署，容器環境下的操作系統示意圖如圖7所示。

云原生的網絡操作系統獨立運行時具備內嵌的容器管理方案，容器管理如圖8所示。

當前使用云網絡操作系統Comware v9和第三方應用軟件Open/R的互通操作測試，互通性測試如圖9所示。

圖7 容器環境下的操作系統示意圖

圖8 容器管理

測試結論：

●云網絡操作系統和Open/R的容器能夠正常啟動；

●Open/R鄰居能正常建立；

●路由可以正常傳遞；

●在路由表中可到相應路由，轉發功能正常；

●轉發鏈路切換，Open/R可以正常收斂；記錄丟包時間；重啟Open/R容器后，轉發可以恢復正常。

測試結論初步說明基于云原生網絡的構思是可行的。

圖9 互通性測試

3 云原生網絡開創智能應用

3.1 信息中心網絡

信息中心網絡（information-centric networking，ICN）技術特點是，一切都是信息，信息實現互聯，通過信息名稱可以標識每一個信息，網絡的作用是管理所有的信息流動和緩存，并用正確的信息快速響應信息的請求者。學術界很多專家認為，ICN將會引領信息行業的新革命。

ICN打破了TCP/IP以主機為中心的連接模式，改變當前互聯網端到端的通信機制，把內容與終端位置剝離，通過發布/訂閱范式提供存儲和多方通信等服務。通過ICN，數據將與物理位置相獨立，ICN中的任何節點都可以作為內容生產者生成內容。

目前ICN的代表性應用有星際文件系統（inter-planetary file system，IPFS）和命名數據網絡（named-data networking，NDN），兩者可以實現有機結合。

IPFS是一個點對點的分布式文件系統，通過底層協議，可以使存儲在IPFS上的文件，在全世界任何一個地方快速獲取，且不受防火墻的影響。在IPFS這個分布式存儲網絡中，任何存儲在系統里的資源，包括文字、圖片、聲音、視頻以及網站代碼，通過IPFS進行Hash運算后，都會生成唯一的地址。同時，由于加密算法的保護，該地址具備了難以篡改和難以刪除的特性。

NDN取消了數據包只能命名通信端點的限制，NDN數據包中的名稱是任意的——一個端點、一部電影或書籍等。NDN不再對數據的地址命名，而是直接對數據本身命名，數據已經成為NDN最為重要的實體。NDN將內容從保護主機中解耦，直接保護內容，讓通信機制從根本上實現可擴展。

云原生網絡架構，為未來ICN的實現和部署，提供了良好的落地平臺。云原生網絡的首要特征是網絡節點具備可擴展的計算容器，可提供算力和存儲能力，能夠快速部署運行各種應用，在云平臺的統一管理下，可以快速在整網設備上完成IPFS和NDN或者其他新型ICN應用，從而使網絡具備ICN能力，實現向Web3.0時代的邁進。

云原生網絡支持IPFS，在云原生網絡上，基于云管理平臺可以向網絡上各個節點分發部署各種ICN應用，分配相應的計算和存儲資源，各節點的ICN應用互相通信，實現資源共享和信息互通。

3.2 泛在計算

為了解決當前泛在網絡空間大數據分析處理面臨的技術難題，滿足泛在網絡空間大數據分析處理的需要，一種面向泛在網絡空間大數據的通用智能化“霧云計算”體系結構被提出，通過前端（霧端）、中間層和云端知識體以及它們之間的協同計算，滿足網絡空間大數據在產權保護基礎上的實時及融合分析處理需求。

對于這種新型的體系架構，云原生網絡也可以實現有效支撐。霧云計算體系結構如圖10所示，云端知識體通常是遠端后臺處理中心；霧端邊緣節點包括智能物聯網中的設備、傳感器網絡中的傳感器、移動互聯網中的 App、智能家居設備、智能交通工具（汽車、無人機等）等。中間層知識體位于霧端和云端之間，在霧云計算中扮演核心角色，相對于云端節點來說，更貼近霧端邊緣節點和數據源，是局部邊緣知識體綜合計算的中心。中間層知識體可以部署在服務器上，如果網絡基于云原生技術構建，則可以直接部署在網關、路由器、通信基站等網絡節點上，實現無處不在的泛在計算數字環境，融合信息空間與物理空間，方便人們在這個融合的空間中隨時隨地、透明地獲得數字化的服務。

圖10 霧云計算體系結構

3.3 6G網絡

為實現網絡功能靈活快速部署和維護，適應不同場景的多種業務需求，5G核心網采用服務化架構重構了4G核心網功能，從固定功能和連接轉向基于軟件和云的開放平臺。3GPP定義的5G核心網架構引入服務化架構（service based architecture，SBA），網絡功能（network function，NF）間采用輕量級服務化接口（service based interface，SBI），利用SBA模塊化、無狀態、獨立化、扁平化、自主化的優勢，推動5G網絡走向開放化、虛擬化、軟件化和服務化。5G核心網控制面基于模塊化拆解為不同的網絡功能，解耦的網絡功能可獨立擴容、獨立演進、按需部署，每個網絡功能具有多個網絡功能服務，實現核心網功能的按需定制，靈活支持不同的業務場景和需求。

6G網絡未來將面對多種不確定的新業務和新場景需求，需要進一步提升網絡的全場景適應能力。在網絡功能層面，按需靈活組合必要網絡功能，提供定制化網絡服務能力；在基礎設施及資源層面，按需調配合適網絡資源（包括計算、存儲、頻譜、功率、部署位置等各類資源），最大限度提升網絡效率；在應用與服務層面，一方面要精確感知業務需求，另一方面要實現網絡功能與網絡資源的多維度智能編排與管理，以全面適配各類場景。為了最大限度提升網絡的適應能力，服務化無線電接入網（radio access network，RAN）是未來6G網絡架構設計的重中之重。

基于云原生技術的端到端服務化架構是打造6G網絡全場景適應能力的必要技術手段，基于云原生網絡理念，可以很容易實現一種基于云網服務全面融合的6G網絡架構，作為6G服務化RAN的框架基礎，將服務于需要極致性能、數據本地處理的行業場景，成為未來移動通信網絡的關鍵創新平臺。

6G云網融合服務愿景架構如圖11所示，要實現全面的云原生架構，首先，在基礎資源層需要基于云原生的思想進行設計，并且能夠滿足6G的空天地一體化場景、數字孿生應用等各類擴展場景的需求。其次，基于“微服務架構+云中間件”將組成原生云組件層，一方面匯聚和吸收面向其他IT應用中云服務積累和沉淀的各類云組件，例如消息隊列、數據庫服務、異構計算管理等，另一方面將和6G網絡關鍵技術共同成長探索，形成更多適用于6G網絡功能的云組件。最后，面向各類創新應用，以能力開放、業務協同編排為核心抓手，形成統一的云網融合服務能力，真正實現云網融合發展的最終目標。

圖11 6G云網融合服務愿景架構

4 結束語

本文闡述了云原生網絡能夠很好地適應業務應用的發展趨勢，給出了云原生網絡的總體架構：網絡設備軟/硬件解耦，控制平面與數據平面分離，同時控制平面的網絡功能之間解耦，利用云原生技術實現網絡功能，把網絡與云打通。

云原生總體架構給出了如下能力。

（1）數據平面

最重要的能力之一是可編程能力，可以通過編程接口增加新的協議或功能集。

（2）控制平面

功能解耦容器化部署、功能按需動態加載、內生安全、智能運維和調優和開放架構。

（3）管理平面

管理平面由云原生的網絡控制器進行統一管理編排，網絡控制器的功能劃分為不同功能組件，支持容器化部署；網絡設備CPU系統可以作為支持容器化的計算資源，能夠被云管理平臺統一進行容器的編排調度，既可以運行網絡操作系統的功能組件，同時也可以運行網絡控制器，其空閑計算資源可以由云管理平臺調度承載相關業務應用，作為云的一個邊緣計算節點。

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Cloud native network creating a new era of intelligent application

WAN Xiaolan, LI Jinglin, LIU Kebin

New H3C Technologies Co., Ltd., Beijing 100090, China

With the continuous emergence of new applications such as holographic multimedia, integration of space, air and ground, metaverse and social Internet of things, the development of business applications moved towards digitalization, integration, bandwidth and intelligence, which correspondingly puts forward new demands for the transformation of the network. Through the research and analysis of future network characteristics, combined with the characteristics of the cloud native network, the cloud native advantage can be used to meet the needs of current hot business applications. The general architecture of the cloud native network was proposed. The capabilities of data plane, control plane and management plane were defined. Finally, the typical and hot application cases of the cloud native network were given.

cloud native network, application driven network, new network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022130

2022?04?01；

2022?06?06

萬曉蘭（1975? ），女，新華三技術有限公司高級工程師，主要研究方向為數據通信領域網絡、安全方向以及云計算等。

李晶林（1970?），男，新華三技術有限公司工程師，主要研究方向為數據通信網絡技術。

劉克彬（1972? ），男，新華三技術有限公司工程師，主要研究方向為網絡新技術。