歐陽曼,劉江,3,廖新悅,黃韜,3
(1.北京郵電大學信息與通信工程學院,北京 100876;2.網絡與交換技術國家重點實驗室,北京 100876;3.紫金山實驗室未來網絡研究中心,南京 211111)
通信產業是引領科技創新、驅動經濟社會轉型發展的核心力量,也是建設科技強國、網絡強國的核心支撐。發展通信產業對于促進現代化、工業化發展,培育和壯大戰略性新興產業,提高國家通信安全保障能力及國際競爭力都具有重要意義。隨著互聯網承載的服務類型快速增加,網絡已不僅是數據傳輸通道,更成為采集、傳輸、存儲、處理于一體的信息平臺,相關的新技術、新架構、新應用蓬勃發展。衛星通信、光纖通信、第五代移動通信(5G)、虛擬現實/增強現實(VR/AR)等技術和場景,也為通信服務業的創新發展提供了新增支持。
伴隨著新型網絡的快速發展態勢,網絡架構與技術的需求也趨向多樣化。在網絡的發展與創新過程中,曾有兩個階段性的問題始終約束著行業發展。①互聯網協議(IP)地址枯竭問題,可采用無分類域間路由選擇技術(CIDR)[1]、互聯網協議第6 版(IPv6)技術[2]來解決:前者通過引入網絡前綴的概念來劃分超網,從而進行路由聚合并減少路由表項;后者則通過IP 編碼地址空間增加至128位來增加IP地址數量。然而IPv6技術出現后還未實現大規模部署,也無法在體系架構層面解決原有問題。②為了解決網絡流量激增、路由表條目爆炸式增長等問題,內容分發網絡(CDN)[3]通過多地區部署緩存節點的方式來減少網絡轉發流量;但節點部署成本昂貴,僅能對特定業務流量進行優化,不足以成為普適性的解決方案。對網絡進行“打補丁”式的改進措施,在使網絡逐漸臃腫的同時,無法從根本上解決制約網絡發展的關鍵問題。
當前,世界各國都在積極發展網絡通信領域的未來關鍵技術,通信產業正處于“承前啟后”關鍵時期。著眼未來需求的新型網絡架構與技術受到了學術界、產業界的普遍關注。諸如信息中心網絡(ICN)、軟件定義網絡(SDN)、云計算與白盒等新型網絡架構和技術,漸漸進入了全球網絡通信產業的生態鏈;相關的研究和創新在“競爭與合作”的理念下迅速發展,逐漸形成國際性的產業浪潮[4]。新型網絡架構與通信技術不僅具有顛覆性,而且支持涌現許多新的模式、應用和產業,將引發新一輪產業技術革命甚至成為經濟發展的主要動力。針對于此,本文以新型網絡架構、網絡和通信技術未來發展為研究切入點,梳理當前形勢與需求,闡述典型網絡架構、關鍵技術及解決舉措,以期為通信產業和網絡技術的宏觀研究提供基礎參考。
新型網絡架構指依托未來新型網絡與通信領域中具有重大變革前景的相關技術而形成的體系,作為戰略性新興產業的重要發展方向,具有敏捷感知、便捷管控、優質服務、靈活可擴展等新特征,將對智能制造、物聯網(IOT)、天地融合網絡等技術領域產生深刻影響。
新型網絡架構體系的核心在于,設計一種高效率、可擴展、大規模的通用基礎網絡架構,支持異構網絡技術融合。現有方案主要分為“演進式”“革命式”技術路線:對于前者,研究人員主張對現有網絡架構進行“修補”(如改造網絡設備或拓撲結構,更新現有網絡通信協議,將人工智能(AI)、區塊鏈、大數據等新技術應用于現有網絡),可暫時解決當前網絡中出現的各種問題,使得現有網絡架構在一定程度上適應新的發展要求;對于后者,研究人員主張重新設計網絡的策略,尋求全新的網絡架構并重新設計網絡協議[5],以此充分適應未來的發展要求。
也要注意到,“革命式”技術路線可更好滿足未來網絡的需求,但實施難度相對大;“演進式”技術路線易于部署,但將使網絡趨于臃腫。就已有的新型網絡架構來看,信息中心網絡(ICN)、可表述網絡(XIA)等屬于“革命式”方案;低軌衛星網絡、服務定制網絡(SCN)、全維可定義網絡、多模態網絡等屬于“演進式”方案。
1.信息中心網絡
ICN 架構的設計初衷是更好地支持內容分發,采取以內容命名方式來替代以地址為中心的傳統網絡通信模型(見圖1);能夠實現用戶對信息的搜索與獲取,增強互聯網的安全性,支持移動性應用需求,提高數據分發和收集能力。集中式ICN架構采用扁平化的命名方式,即在名字中嵌入內容的哈希,不可讀的名字需要通過集中的名字解析服務來獲得路由和轉發路徑。分布式ICN架構采用分層的命名方式,類似于統一資源定位符的結構;分層根路徑為內容發布者的名字前綴,直接基于內容名字路由,不存在任何解析過程。

圖1 ICN架構的基本模式
2.可表述網絡
XIA架構可提供多樣化的網絡使用模式來滿足可靠通信服務需求,同時有效協調各方來共同提供網絡服務(見圖2),具有可演進、可信任、靈活路由等特點。將網絡中的發送方或接收方均視作通信主體;對于不同的通信主體,路由器使用不同的處理方式來實現不同的網絡功能;同一個應用可以包含多個不同的通信主體,據此實現多種網絡功能[6]。

圖2 XIA網絡架構
3.低軌衛星網絡
低軌衛星網絡系統包含空間段、地面段、用戶段(見圖3)??臻g段分為低軌衛星和星間鏈路,采用星上處理技術支持星上獨立組網與路由;地面段分為信關站、網控中心等,實現系統運維、與地面通信網絡互聯等功能;用戶段涵蓋各類地面終端用戶,如車載終端、艦載終端、衛星電話等。低軌衛星網絡具有空間跨度大、覆蓋范圍廣、抗毀能力強等優勢,加之低軌衛星的軌道高度低、傳輸延時短、路徑損耗小,由多衛星組成的星座可以實現真正意義上的全球寬帶衛星服務能力。

圖3 低軌衛星網絡架構
4.服務定制網絡
SCN 主要采用SDN 技術,不僅能發揮SDN 數據面與控制面解耦、網絡可編程的突出優勢,而且可根據當前網絡的實際情況來提高網絡虛擬化與內容智能調度等能力[7]。大數據分析和AI 技術也可為網絡信息調度、智能管理等提供有效支持。SCN架構的應用有望適應互聯網業務快速發展、流量快速增長、用戶需求差異化、實體經濟與互聯網融合等實際需求,我國已制定SCN總體方案(見圖4)。

圖4 服務定制網絡框架
5.全維可定義網絡
全維可定義網絡架構以SDN、網絡功能虛擬化(NFV)等作為技術創新基礎,利用軟件定義路由、軟件定義互聯、軟件定義硬件、軟件定義協議、軟件定義芯片等模塊來獲得基礎網絡的拓撲結構、協議、軟/硬件及接口的完整定義;形成開放網元設備、開放協議控制、開放網絡資源、開放節點容量、開放網絡接口、開放路由控制、開放存儲方法等模式[8],為用戶自主定義應用提供精細化、多樣化的服務(見圖5)。全維可定義網絡架構還為打破封閉式壟斷、消除技術障礙、改造網絡基礎設施、測試并應用網絡架構等提供了基本環境。

圖5 全維可定義網絡
6.多模態網絡
多模態網絡架構建立全維度可定義、靈活且通用網絡結構,使得網絡從底層到上層的功能能以多模態方式呈現(見圖6)[8],由此消除現有網絡基礎架構、相關技術體系所存的網絡結構僵化、IP承載單一、未知威脅難以抑制等基礎性問題。在多模態智慧網絡模型中,數據層采用軟件定義互連/轉發技術,提高全維可定義的靈活性與可編程性;控制層主要針對不同業務的差異化服務質量要求,實現軟件定義的多模態尋址與路由等功能;服務層結合對用戶及業務的細粒度感知、適配擬合,實現軟件定義資源管理與功能編排,支撐網絡智能決策。

圖6 多模態智慧網絡模型
新型網絡架構技術對經濟社會發展將產生重大影響。各國積極發布政策和法規,以引導相關技術的突破與應用,從而引發新一輪全球信息網絡、通信技術的激烈競爭。在美國,戰略與預算評估中心提出了以“馬賽克戰”為依托來實現“決策中心戰”的概念構想(2020 年),用于解決“網絡中心戰”在強對抗環境下的戰術通信網絡受限問題;國防部高級研究計劃局啟動了PRONTO網絡研究項目(2021年),旨在發展網絡細粒度可見、可驗證、可閉環控制的“網絡試驗床”,用于支撐各類科學研究和試驗并推動網絡技術創新。歐盟H2020計劃組提出了多種網絡新型架構:CORRELATION項目開展了未來切片與網絡服務級別流量的表征和預測,PRISENODE 項目針對軟件定義的霧數據中心隱私和安全感知問題提出解決方案,SEMANTIC項目研究具有移動邊緣云的新一代蜂窩網絡端到端切片和數據驅動自動化。
與新型網絡的國際進展相對應,我國推出多項政策和規劃以積極參與領域的國際競爭與合作。2020年起,我國加速開展新型網絡架構相關的創新研究與建設示范,以5G、數據中心、工業互聯網等為重點內容。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出,強化國家戰略科技力量,重點發展信息通信技術,引領各項技術創新發展[9]。
網絡發展水平較高的國家都在國家戰略層面重視未來網絡的創新。美國、歐盟、日本、韓國等國家和地區在網絡創新環境、新型體系架構、新型網絡技術等方面實施了眾多研究項目。在網絡創新環境方面,美國國家科學基金會提出全球網絡創新環境項目(2005 年)[10],構建了新型、安全、廣泛連接的互聯網,以之為實驗環境開展了全球性的大規模實驗;歐盟在第七框架計劃中設立了未來網絡研究與實驗項目(2007 年)[11],在物理和虛擬網絡測試環境中驗證了網絡體系結構及協議。新型網絡體系架構包括ICN、SDN等,新型網絡技術涉及NFV、大數據/云計算/邊緣計算等。
我國的科技公司積極圍繞新型網絡架構及技術開展應用研究。中國電信集團有限公司重點關注網絡重構,推進云網協同規模擴張,持續擴大網絡覆蓋范圍。中國移動通信集團有限公司關注新一代網絡架構設計,重點在于全面實現網絡功能優化(如流量調度、網絡組網設計)。深圳市騰訊計算機系統有限公司推出了數據中心網絡架構5.0 版本,引入SDN/NFV 技術為私有云客戶提供多樣化、可定制服務。阿里巴巴集團控股有限公司通過“阿里云”布局邊緣計算產業,以“云+邊+端”一體的計算模式作為核心發展路徑。華為技術有限公司的網絡側部署以全面云化為目標,推進SDN/NFV 與網絡云化。
未來網絡試驗設施項目是我國通信與信息領域建設的國家重大科技基礎設施,保持開放、易使用、可持續發展、大規模通用等特色,為研究未來網絡創新體系結構提供簡單、高效、低成本的試驗驗證環境。面向2035年的多模態智慧網絡體系,通過各種網絡模態間的互聯互通、協同組合、無縫切換,提高網絡服務的多元化能力以及對于用戶需求的個性化適應能力[12]。
客觀來看,我國新型網絡架構技術領域在深入發展和高效實施方面仍面臨一些挑戰。在統籌規劃方面,當前的網絡架構部署整體缺乏綜合協調和整體規劃。不少地方、行業都在自行開展研發工作,而產業界沒有就新型網絡架構發展形成共識,統一通用的行業認識、思路、建設方案等也有待形成。國家層面尚未形成促進新型感知網絡基礎設施建設的指導意見,相關的布局、建設、保護以及各類設施之間的協調發展等缺乏總體設計。這些問題的解決,需要政策法規的引導支持和標準制定的適時推進。
在產業技術方面,我國在硬件、計算機、通信網絡方面的核心技術滯后于發達國家,導致新型網絡架構的技術支撐作用未能有效發揮;在作為互聯網核心技術的IP協議等技術方向,已有多年未獲得新進展。產業基礎相對薄弱,關鍵技術與核心軟件依賴外部供應,存在著受制于人的風險。解決產業技術短板和關鍵技術不足的問題,離不開加快提升自主創新能力。
未來網絡的典型場景包括消費互聯網(如VR/AR、三維視頻通話、全息圖像、交互式游戲),工業互聯網(如精儀制造、遠程工控、數字孿生),車聯網(如自動駕駛、車路協同)等。這些場景及應用的出現,要求新型網絡架構體系具有敏銳的感知能力、靈活的路由能力、簡單的網絡操作能力、便捷的管控能力。建立融合、可擴展的新型網絡感知體系,可支持網絡環境革新,表現出更高的速率、更低的時延、可控的時延抖動、更低的丟包率、更靈活的業務部署能力。
1.確定性網絡技術
網絡技術蓬勃發展,網絡業務需求也出現顯著變化。用戶、業務的多樣化和不確定性,用戶位置的不斷移動,業務量的強突發性等因素,使得多維網絡資源及網絡狀態也是動態變化的。因此,研究確定性網絡技術來保障網絡的確定性,將提高網絡資源的利用率和業務服務質量。
確定性網絡技術按協議層次可分為3 類(見圖7)。①物理層采用靈活以太網(FlexE)技術,在以太網數據鏈路層和物理層之間的中間層增加FlexE 墊片層,解耦業務速率和物理通道速率;通過物理層與數據鏈路層協同調度,基于時隙交換來保障時延,目前主要用于5G 承載網場景。②數據鏈路層采用時間敏感型網絡(TSN)標準,目前主要用于工廠內網/車內網絡等場景,包含3 個主要方面:對時間同步的要求高,網絡中的所有設備需要實現精確時間同步來協商時間界限;采用調度和流量整形(門控)技術,高效調度并整合具有不同的帶寬及端到端延遲需求的流量類別;利用多條路徑實現故障排除,預防硬件或網絡故障,支持通信路徑的選擇、預留和容錯。③網絡層采用確定性網絡(DetNet)技術,在統計復用的基礎上提供確定性時延和抖動,支持集中控制、顯性路由、抖動消減、擁塞保護、多徑路由等功能。

圖7 確定性網絡技術架構示意圖
2.分段路由技術
分段路由是骨干網SDN化的代表性技術,優勢在于骨干級別的可擴展性,可解決現有IP和多協議標簽交換在簡化網絡、靈活可控方面的難題,獲得電信運營商的充分認可。分段路由技術在分布式智能、集中式優化之間尋求平衡,具有使能增強的數據包轉發功能,支持網絡通過特定的轉發路徑來傳輸單播分組(而不是分組通常采用的最短路徑優先算法)。
分段路由是源路由機制的范例,節點通常既可以是路由器也可以是交換機。可信服務器或在管理程序上運行的虛擬轉發器,通過有序指令列表(稱為分段標簽)來對分組進行操作。分段標簽分為局部標簽、全局標簽,可以表示某一個拓撲或某一種指令。此外,分段路由可通過指定路徑進行數據轉發,從而對中間節點屏蔽相關信息,僅在入口節點的分段路由網絡制定每條信息流的狀態。為了與現代IP網絡對齊,分段路由應用了支持等價路由的協議,即數據轉發可以使用網絡中所有可能的路徑。
3.云計算與云網融合技術
網絡與通信技術具有高度的響應能力和敏捷性,才能支持快速變化的業務需求。云計算通過端到端整體方案,為客戶提供更低時延、更高帶寬、更低成本的業務體驗,快速響應用戶請求并提升服務質量[13];使電信運營商能夠應對用戶需求,提供高質量服務,促進電信運營商網絡和企業業務的深度融合。云計算平臺提供了新的消費模式,即企業可按需采購計算資源并將基礎設施的管理工作委托給云服務提供商。
云網融合指將網絡資源與云資源進行統一定義與編排,支撐全網的敏捷資源感知、統一質量保障、彈性規劃及管理,可為網絡提供更為便捷、靈活的連接能力;通過實施虛擬化、一體化的技術架構融合,合理封裝并統一編排資源,為實現簡單、開放、融合、智能的新型信息基礎設施建設筑牢基礎。從宏觀角度看,云網融合是新型信息基礎設施的深刻變革形式,內涵在于通過云網技術和生產組織方式的全面融合與深入創新,保障社會數字化轉型[14]。
云網切片技術被視為由計算、網絡、存儲資源組成的端到端基礎設施,在云網融合的云資源、網絡資源的分配與隔離方面應用潛力良好。網絡切片指將物理網絡劃分為多個邏輯獨立的虛擬網絡,虛擬網絡根據不同的服務需求(如時延、帶寬、安全性、可靠性等)進行獨立設定,以靈活適應不同的網絡應用場景。云網切片在網絡切片的基礎上,結合不同業務所需的網絡特征、不同流量流向所產生的網絡實時需求、云資源的動態變化情況,將云資源與網絡資源進行協同一體化的管理、調度、優化,實現云網資源的端到端統一與隔離預留、云網連接的自動化建立與優化、云網服務能力的自動化供給。
云網切片技術的具體實現分為資源統一編排、云網感知、自適應調整。資源統一編排將云網資源進行統一抽象化管理和網絡能力封裝,從復雜的物理網絡中抽象出簡化的邏輯網絡設備和虛擬網絡服務。云網感知采用異構資源的多樣化感知采集方式,實現云網業務、網絡質量的實時獲取。自適應調整進一步開展云網服務的自動化調整、優化和調度。
1.加強科技專項牽引
新型網絡架構的快速發展需要與國家重大科研項目相結合。在產業建設方面,①實施產業核心技術攻關,形成配置靈活、擴展性強的未來網絡產業生態鏈,致力構建“芯片-設備-網絡架構-核心技術-試驗設施-應用示范”的未來網絡研發新模式;②科研項目應與基礎設施建設需求高度融合,重大科技項目的產出成果率先應用于城市網絡通信建設,在骨干網引入SDN技術,在城域網核心層進行SDN改造以優化流量,構建統一智能管控體系和能力開放平臺;③加快發展基于IPv6 的新一代互聯網,合理加大網絡、終端、軟件系統等的改造升級力度,推動IPv6平滑演進與規模化商用,發揮新一代互聯網城市建設的示范效應,提升IPv6用戶普及率與網絡接入覆蓋率,爭取在信息通信網絡基礎設施水平方面保持國際領先水平。
在科技創新方面,①提升重大原始創新和關鍵核心技術攻關能力,協同推進原始創新和引進消化吸收再創新,實施科技成果轉化行動計劃,持續推動高新技術成果產業化;②積極推進信息通信技術人才的培養與選拔,加快構建具有全球競爭力的信息通信業人才制度體系,鼓勵“產學研”對接,推動建立多方聯合培養機制,大幅提升自主創新能力,加速科技成果落地轉化。
在建設新型網絡架構的同時,重點提升衛星通信、光纖通信、SDN、AI 等網絡與通信相關技術,以技術突破帶動產業發展,支持網絡結構快速轉型;賦能現有網絡設施,從簡單鏈接型網絡向智慧可控型網絡演進升級,為消費型互聯網、工業互聯網、IoT、5G/第六代移動通信(6G)、軍民功能結合網絡、衛星互聯網等產業建設打下堅實基礎,促進網絡架構演進與網絡技術創新融合發展。
著眼我國新型網絡架構的發展實際,可將新型網絡架構的發展需求與重點科研項目相結合,建設本土化的網絡試驗平臺,開展新型網絡體系架構與網絡技術的驗證;加強企業與技術研究部門的交流合作,為科研成果轉化、應用示范驗證提供充分的基礎條件。
2.推動應用示范驗證
科學技術創新的落腳點是產業發展建設。未來網絡架構的研發和創新,既是提升區域技術水平和核心競爭力的關鍵組成部分,又是支持數字經濟與信息社會發展、增強國民經濟與社會保障水平的重要驅動力。發展新型感知網絡基礎設施產業,在前沿通信技術的基礎上開展驗證和示范,有利于形成技術和產業高地,建立國際競爭新優勢,增強創新發展的長期動力。
在消費型互聯網建設方面,隨著以SDN為代表的未來網絡技術趨于成熟,新型網絡架構在小規模試驗驗證的基礎上,開始在大型商用網絡進行大規模部署;通過融合SDN/NFV/云等網絡技術手段,構建可全局按需調度資源、網絡能力完全開放的運營一體化網絡。
在工業互聯網方面,采用SDN、邊緣計算、網絡AI 等技術架構解決網絡挑戰,滿足工業互聯網低時延、確定性時延、網絡安全、網絡業務定制、萬億級連接等方面需求。
在IoT 方面,在前期提出的“智慧中國”概念及實踐基礎上,積極應用到智慧城市、智慧交通等場景構建,融入大數據、云計算等新一代信息技術,連接分布在城市區域內的大量傳感器,提供智能感知、智能分析的能力;結合數據高效傳輸,實現無需人為干預的物與物協同工作,為數據的可靠積累、預測感知及分析確立基礎。
在5G/6G 建設方面,在大規模部署5G 基礎設施的同時,探索6G 與AI、機器學習的融合,實現智能傳感、智能定位、智能資源分配、智能接口切換等能力;在空間通信、智能交互、全息、觸覺互聯網、情感與觸覺交流、虛擬助理、多感官混合現實、機器間協同、身體域網絡、全自動交通等場景下開展驗證和示范。
在衛星互聯網方面,開展天基網絡與地面網絡的融合建設,實現地球近地空間中的陸、海、空、天各類用戶與應用系統之間信息的高效傳輸與共享,為未來網絡通信領域的多系統、多信息融合及協同提供重要平臺;帶動信息電子、衛星通信、5G等諸多方向的關鍵技術與產業發展,形成規?;漠a業鏈,成為新興產業發展示范。
政府對宏觀產業發展引導與調控作用的發揮,需要健全的政策、法律制度體系。建立新型網絡架構技術產業,尤其需要市場、融資、人才配置、重大項目實施等相關方面的政策支持和法律保障。建議加強對未來通信網絡和產業發展重大問題、政策、項目的管理與協調,以管理創新促進產業應用的穩健發展。運用各類媒介資源開展科普宣傳,增強社會公眾對于未來信息通信網絡發展的科學認識。定期檢測并評價信息產業的發展趨勢和技術進展,為未來互聯網技術、信息通信領域的發展布局提供科學判斷。
建議突出網絡基礎、核心平臺、數據要素、安全保障的關鍵作用,支持新型網絡架構的新模式發展和企業創新活躍度提升,壯大產業規模、平衡產業生態,融合各行業共識,為新型網絡架構產業的高質量發展筑牢基礎。培育一系列自主運營的企業級平臺,構建互聯網工業平臺測試系統和公共服務系統,合理引導工業企業業務進入“云端”。積極發揮未來網絡與通信產業的智庫研究優勢,以聚焦、科學的發展戰略來引導行業優質發展。擴大市場開放力度,逐步形成有利于網絡、平臺、應用、新業態等集聚發展的良性生態環境。
依托電信運營商、設備廠商、互聯網公司、科研院所、高校的各自優勢資源,搭建未來網絡教育平臺,普及未來網絡領域知識并提高全社會的創新能力。發揮科研院所、高校的技術與知識集中特色,強化企業創新主體定位,推動“產學研”深度合作,聯合開展信息通信領域的技術專項研究。加強網絡安全技術研發和技術手段應用,突破網絡安全技術瓶頸并加快成果轉化,實施關鍵技術產業化,支持信息通信技術在軍民功能結合等方向的深化發展。
樹立全球視野,精準引進高層次人才。圍繞各級經濟技術開發區的“產才融合”高地建設,強化“雙招雙引”機制,給予新型網絡高端人才以“高端”支持;依托國家級人才計劃開展新型網絡架構方面的“引智”工作,豐富人才儲備并優化梯隊結構;構建人才引進網絡,發揮用人單位主體作用,采取“剛性”“柔性”相結合的引進方式。支持高端人才圍繞新型網絡產業發展需要開展創新創業,健全和優化人才激勵機制,合理調整科技人員股權和分紅激勵辦法。加強新型網絡科研團隊建設,充分發揮科研院所、高校的人才培養作用,構建未來網絡與通信領域的科研高地。