蔣林濤

（中國信息通信研究院，北京 100191）

網(wǎng)絡技術的發(fā)展方向（下）

蔣林濤

（中國信息通信研究院，北京 100191）

本文討論了網(wǎng)絡的分代和第四代網(wǎng)絡的組網(wǎng)技術和網(wǎng)絡技術，提出網(wǎng)絡技術的發(fā)展方向是第四代網(wǎng)絡，給出了第四代網(wǎng)絡的技術方向。

軟件定義組網(wǎng)；網(wǎng)絡功能虛擬化；下一代網(wǎng)；未來網(wǎng)絡

蔣林濤 中國信息通信研究院科技委主任，中國通信標準化協(xié)會IP與多媒體標準技術工作委員會主席。原信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院總工程師。長期從事通信網(wǎng)絡技術及業(yè)務、互聯(lián)網(wǎng)技術及業(yè)務、信源編碼技術和多媒體業(yè)務等方面的研究、開發(fā)和標準化工作。1992年獲國務院頒發(fā)的政府特殊津貼，1996年獲“中華人民共和國有突出貢獻的中青年科學技術專家”稱號。

(續(xù)上期)

3 第四代網(wǎng)絡技術

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、融合ICT信息基礎設施和第五代移動通信是第四代網(wǎng)絡技術必須支持的3個典型的應用場景。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求網(wǎng)絡能夠支持智能化制造、網(wǎng)絡化協(xié)同、個性化定制和產(chǎn)業(yè)化服務；融合ICT信息基礎設施要求網(wǎng)絡有能力將云計算和大數(shù)據(jù)等IT基礎設施提供給廣泛用戶，從而要求云內(nèi)網(wǎng)、云間網(wǎng)和云到用戶網(wǎng)是一體化網(wǎng)絡；第五代移動通信要求網(wǎng)絡技術上有重大突破，到第四代為止的移動通信網(wǎng)從技術本質(zhì)上沒有IP化，數(shù)據(jù)分組技術還僅局限于網(wǎng)關之內(nèi)的“骨干網(wǎng)”區(qū)域，網(wǎng)關到用戶間的通信從技術本質(zhì)來說，還是基于TDM技術的“隧道”。網(wǎng)絡的這種架構，難以滿足第五代移動通信已經(jīng)確定場景對網(wǎng)絡性能和能力的要求。上述技術需求，要求第四代網(wǎng)絡技術提供相應的能力，目前的IP網(wǎng)顯然沒有這樣的能力。

目前IP已經(jīng)被“神化”，明知IP網(wǎng)存在問題，不是直面去解決問題，而是“繞著走”，用打補丁的辦法“繞過”問題，結果是網(wǎng)絡越來越復雜，效率越來越低。如果從IP的定義出發(fā)，IP的定義是：“IP是網(wǎng)絡之間互連的協(xié)議（Internet Protocol）的縮寫，是為計算機網(wǎng)絡相互連接進行通信而設計的協(xié)議”，從定義來看，沒有任何可以“神化”的成分。從技術本質(zhì)來看，IP網(wǎng)是分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的一種，采用不面向連接（Connectionless）的工作模式，僅此而已，也沒有任何可以“神化”的成分。至于說TCP/IP提供了空前開放的網(wǎng)絡環(huán)境，為業(yè)務開發(fā)者提供極佳的開發(fā)網(wǎng)絡平臺（這是主流看法）。其實自分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的誕生，就創(chuàng)造了分組數(shù)據(jù)的業(yè)務網(wǎng)和承載網(wǎng)分離的模型，為業(yè)務開發(fā)者提供了提供極佳的業(yè)務開發(fā)的網(wǎng)絡平臺，并非始自IP。TCP提供進程通信能力是一個極為重要的創(chuàng)新，但是TCP對分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的唯一要求是必須工作在不面向連接的工作模式下，TCP/IP也好，TCP/XX也好，將具有同樣的能力。因此，作為第四代網(wǎng)絡不應該僅是“為計算機網(wǎng)絡相互連接進行通信（IP）而設計的協(xié)議”。應該是能夠滿足信息技術發(fā)展的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。

與前三代網(wǎng)絡技術不同，第四代網(wǎng)絡技術因為ICT技術融合的發(fā)展，在組網(wǎng)技術上發(fā)生了重大的變化。這樣，在第四代網(wǎng)絡技術的研究中，就需要考慮兩個體系架構，網(wǎng)絡體系架構和組網(wǎng)體系架構。目前，在這方面的概念是模糊的，往往將網(wǎng)絡架構和組網(wǎng)架構混為一談。從技術本質(zhì)上來說，組網(wǎng)體系架構決定網(wǎng)絡的構建和組織形態(tài)（對組網(wǎng)技術影響最大的是NFV），網(wǎng)絡體系架構和協(xié)議決定網(wǎng)絡的性能和能力（目前研究得很少），它們使用的技術也是不同的。目前過分夸大組網(wǎng)技術的作用，而忽略了網(wǎng)絡體系架構的技術本質(zhì)和作用。

3.1 組網(wǎng)技術

在第三代通信技術之前，組網(wǎng)方式都是用實體設備組網(wǎng)，即網(wǎng)絡中的所有網(wǎng)元都是實體網(wǎng)絡設備。隨著ICT技術的融合，網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式也發(fā)生了變化，除了有實體組網(wǎng)方式（也將會長期存在）外，還產(chǎn)生了虛擬組網(wǎng)方式。

3．1．1 虛擬網(wǎng)絡技術

在第三代網(wǎng)絡技術之前，所有網(wǎng)絡使用的網(wǎng)元都是實體網(wǎng)元，在網(wǎng)絡的拓撲圖上看到的網(wǎng)元設備（如路由器），在現(xiàn)實的網(wǎng)絡中就存在一個路由器，它的硬件和軟件是存在于同一個設備中的。同樣在第三代網(wǎng)絡技術之前，使用的所有網(wǎng)絡也都是實體網(wǎng)絡，即你在網(wǎng)絡的拓撲圖上看到一個網(wǎng)絡，在現(xiàn)實中就存在這樣一個網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中的所有網(wǎng)元都是實體設備，網(wǎng)絡中網(wǎng)元間的連接，都是實體線或由傳送網(wǎng)提供的虛擬專線。

第四代網(wǎng)絡技術中，在組網(wǎng)技術上引入了虛擬組網(wǎng)（網(wǎng)絡）技術。虛擬網(wǎng)絡技術含有兩個方面的技術內(nèi)容：虛擬網(wǎng)元技術和虛擬網(wǎng)絡技術。虛擬網(wǎng)元在設備的能力和性能與同等的實體網(wǎng)元沒有差別，其差別是構成網(wǎng)元設備的硬件和軟件是分離的，虛擬網(wǎng)元中的硬件資源（計算資源、存儲資源和I/O資源）來自“云化”數(shù)據(jù)中心的IT資源池（IT資源包括計算資源、存儲資源和I/O資源）中的一個虛擬機（VM）或者一個虛擬容器，將相關軟件加載到虛擬機或者一個虛擬容器中就構成虛擬網(wǎng)元；虛擬網(wǎng)絡在網(wǎng)絡的能力和性能與同等的實體網(wǎng)絡也沒有差別，其差別是構成虛擬網(wǎng)絡的網(wǎng)元是虛擬網(wǎng)元，將虛擬網(wǎng)元連接成虛擬網(wǎng)絡的是一個叫“業(yè)務功能鏈（Service Function Chain）”的技術，虛擬網(wǎng)絡中的網(wǎng)元和網(wǎng)元間連接都是邏輯意義上存在，無對應實體存在。

3．1．2 網(wǎng)絡（元）功能虛擬化（NFV）

NFV (Network Function Virtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化）是電信界近年來少有的杰作，它從電信網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)實需要出發(fā)，結合計算機技術中已經(jīng)相當成熟的虛擬機技術提出的，它的出現(xiàn)立刻就得到電信界的廣泛響應，并很快付諸實踐。

網(wǎng)絡功能虛擬化通過將實體網(wǎng)元設備的功能抽象和軟硬件解耦，使網(wǎng)絡設備功能不再依賴于專用硬件，網(wǎng)元設備所需要的IT資源（計算、存儲和I/O資源）可以充分靈活共享（一般均來自“云”化數(shù)據(jù)中心），實現(xiàn)新業(yè)務的快速開發(fā)和部署，實現(xiàn)根據(jù)實際業(yè)務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。網(wǎng)絡功能虛擬化后，可以采用標準的x86服務器、存儲和交換設備構成云化數(shù)據(jù)中心，取自云化數(shù)據(jù)中心的IT資源構成的虛擬機來取代網(wǎng)元設備中的硬件。其好處是硬件為規(guī)范化和標準化的基于x86的IT資源設備，可以實現(xiàn)IT資源的充分靈活共享；開放的API接口，也能提供更多、更靈活的組網(wǎng)能力。

在虛擬機上安裝相應的網(wǎng)元設備的軟件，就構成虛擬網(wǎng)元設備，只要虛擬機分配到的IT資源與實體機硬件能力相同，虛擬網(wǎng)元設備與實體網(wǎng)元的性能和能力就是相同的（這是網(wǎng)元設備的虛擬化）。按設定的網(wǎng)絡拓撲結構，通過虛擬專線（或網(wǎng)絡隧道構成的專線）將虛擬網(wǎng)元設備連接起來，就可以構成虛擬網(wǎng)絡，將虛擬網(wǎng)元連接成虛擬網(wǎng)絡的技術稱為“業(yè)務功能鏈”技術。網(wǎng)絡功能虛擬化中，“業(yè)務功能鏈”是一個很重要的功能，它通過網(wǎng)絡的管理平面來配置，通過“入口”加標記來實現(xiàn)。網(wǎng)絡功能虛擬化的作用是實現(xiàn)虛擬網(wǎng)元和虛擬組網(wǎng)，網(wǎng)絡的構建和組織形態(tài)發(fā)生了變化，但不改變網(wǎng)絡的性能和能力。

3．1．3 軟件定義網(wǎng)絡（SDN）

SDN（Software Defined Networks， 軟件定義網(wǎng)絡）是美國斯坦福大學于2007年提出的概念，初始的設計是以Openflow協(xié)議為基礎，通過動態(tài)流表技術來建設網(wǎng)絡的創(chuàng)新平臺。產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)的既得利益，使得目前的SDN偏離原始設計理念。SDN是英文字頭的縮寫，不同的利益集團根據(jù)各自不同的利益出發(fā)，給出了多種不同的解釋，歸結起來SDN有3種說法。第一種說法為SDN（Software Defined Networking），這是目前SDN技術發(fā)展的主流，Networking的中文意義是組網(wǎng)，因此SDN的中文意義應該是軟件定義組網(wǎng)技術。其技術本質(zhì)有兩點：其一是原來節(jié)點間經(jīng)控制面實現(xiàn)的動態(tài)路由，節(jié)點各自生成路由轉發(fā)表的分散式動態(tài)路由技術，改成由“控制器”集中計算路由，通過管理面給轉發(fā)設備下發(fā)路由轉發(fā)表的集中式路由體系，這就是常說的控制與轉發(fā)分離技術，這里所謂的控制僅針對路由體系而言，與網(wǎng)絡所需的其他控制功能無關；其二是網(wǎng)管智能化，利用“控制器”的集中管理和控制優(yōu)勢，增強網(wǎng)絡的管理和控制能力，實現(xiàn)通信資源的快速部署，或基于實際業(yè)務需求進行自動部署、彈性伸縮等。第二種說法為SDN（Software Driven Network），這種說法的提出者是思科公司，目的是建立業(yè)務網(wǎng)和承載網(wǎng)之間的聯(lián)系，實現(xiàn)業(yè)務層對網(wǎng)絡的配置等方面的驅動，這件事情很重要很有意義，但實現(xiàn)起來難度很大，原因是被控網(wǎng)絡往往是不可驅動的，要實現(xiàn)軟件驅動網(wǎng)絡，需要重新設計被控網(wǎng)絡。第三種說法為SDN（Software Defined Networks），是當年斯坦福一開始提出來的原始的理念，它可以用來設計和建設網(wǎng)絡的創(chuàng)新平臺。

上述3種說法，形成SDN的發(fā)展的3個階段，目前處于發(fā)展的第一階段，即Software Defined Networks，主要是用于組網(wǎng)（Networking）。SDN技術用于組網(wǎng)，由于它的主要優(yōu)勢來自集中管理和控制，對小網(wǎng)而言技術上是可行也是有得益得，對大網(wǎng)而言是否可行、需要商用實踐證明。一般而言，過分的集中的技術在大網(wǎng)中往往是不可行的。

3．1．4 混合組網(wǎng)技術

混合組網(wǎng)涉及兩個方面的問題：其一是實體組網(wǎng)和虛擬組網(wǎng)的混合；其二是軟件定義組網(wǎng)(Software Defined Networks)和網(wǎng)絡功能虛擬化的混合，其中NFV更多在于調(diào)配和管理IT資源，SDN更多在于調(diào)配和管理CT(通信網(wǎng)絡資源，包括鏈路資源、虛電路資源等)資源，由于兩者的側重面不同需要協(xié)同配合。

圖2是一種混合組網(wǎng)體系架構。其中圖的右邊的藍框內(nèi)是采用虛擬組網(wǎng)技術的組網(wǎng)架構，左邊的白框內(nèi)是采用實體組網(wǎng)技術的組網(wǎng)架構。

3.2 網(wǎng)絡架構和協(xié)議

網(wǎng)絡架構和協(xié)議決定網(wǎng)絡的性能和能力。第四代網(wǎng)絡技術的發(fā)力點在哪里， IPv6給出了一個很好的答案，發(fā)力點應該在設計新的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)， IPv6與IPv4不兼容，對IPv4網(wǎng)絡而言，IPv6就是一個新的數(shù)據(jù)網(wǎng)。IPv6設計者給出了明確的目標，諸如要解決安全問題、服務質(zhì)量問題、可擴展性問題和移動性問題等，只是因為設計上的問題和另外一些很難說出來的原因，IPv6沒有實現(xiàn)原定的設計目標，但它的啟示是明確的，第四代網(wǎng)絡技術的核心是設計一個新的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。它可以使網(wǎng)絡能力有很大的提升，能滿足相當長一段時間內(nèi)通信信息業(yè)發(fā)展的需求。

從技術層面來說，新型分組數(shù)據(jù)網(wǎng)是對已有技術的繼承，但需要有所創(chuàng)新、有所突破。

圖2 混合組網(wǎng)體系架構

那么第四代網(wǎng)絡技術是什么技術呢？鑒于未來網(wǎng)絡中的業(yè)務一定是變速率的業(yè)務，要與變速率業(yè)務相適配，第四代網(wǎng)仍將會是采用基于統(tǒng)計復用的分組數(shù)據(jù)技術。網(wǎng)絡技術與業(yè)務特性相適配兩者才能得到同步發(fā)展，未來網(wǎng)絡中業(yè)務的主體一定是面向進程通信的業(yè)務，因此第四代網(wǎng)絡將必定要采用與進程通信特性相適配的不面向連接的工作方式。由于沒有看到新的網(wǎng)絡技術，也沒有看到新網(wǎng)絡技術在近期出現(xiàn)的可能性。經(jīng)綜合分析和研究，新網(wǎng)絡技術出現(xiàn)的概率非常低，從務實和實際需要出發(fā)，與第三代相同，第四代網(wǎng)仍將會是采用基于統(tǒng)計復用的分組數(shù)據(jù)技術和不面向連接的工作方式。目前的IP網(wǎng)是符合這個條件的，那么能不能從IP網(wǎng)再走下去，來實現(xiàn)第四代網(wǎng)絡答案是不肯定的。在20多年來，實際上一直不斷在進行探索和嘗試，Inter-serv和Diffserv是在不改變IP網(wǎng)的工作于不面向連接的工作方式條件下的努力，結果很不理想；改用面向連接的MPLS雖然局部有改善，總體無好處，結果也很不理想，20多年來努力不小進步不大。網(wǎng)絡技術處于停頓狀態(tài)?？磥砗唵蔚膹腎P網(wǎng)做改造已不可能突破，第四代網(wǎng)必須引入新的設計理念和新的體系架構才有可能。第四代網(wǎng)絡技術的目標是解決安全可信、可管可控、服務質(zhì)量、移動性、虛擬網(wǎng)和可擴展性等問題，實質(zhì)性的提升網(wǎng)絡的性能和能力。

4 結束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求網(wǎng)絡能夠支持智能化制造、網(wǎng)絡化協(xié)同、個性化定制和產(chǎn)業(yè)化服務；融合ICT信息基礎設施要求網(wǎng)絡有能力將云計算和大數(shù)據(jù)等IT基礎設施提供給廣泛用戶，從而要求云內(nèi)網(wǎng)、云間網(wǎng)和云到用戶網(wǎng)是一體化網(wǎng)絡；第五代移動通信在網(wǎng)絡技術上有突破性要求，全網(wǎng)需要實現(xiàn)“IP化（數(shù)據(jù)分組化）”。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、融合ICT信息基礎設施和第五代移動通信的發(fā)展要求網(wǎng)絡進入4.0時代。

Direction of the network technology

JIANG Lin-tao
(China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)

In this paper, the network technology and the network technology of the fourth generation network are discussed. The development direction of the network technology is the fourth generation network, and the technical direction of the fourth generation network is given.

software defi ned networking; network function virtualization; next generation network; future network

TN915

A

1008-5599（2016）10-0001-04

2016-09-16