劉韻潔,黃 韜,張 晨,劉 江

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

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人類社會的重要基礎設施和國家的重要戰(zhàn)略資源。 隨著網(wǎng)絡與社會發(fā)展的不斷融合,互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務形態(tài)和業(yè)務需求正在發(fā)生巨大變化。 業(yè)務類型從傳統(tǒng)的話音型、消費型轉變?yōu)樯a(chǎn)型,網(wǎng)絡需求也從盡力而為、不保障服務質(zhì)量轉變?yōu)閺娬{(diào)確定性、差異性和服務質(zhì)量保障。 未來業(yè)務如VR/AR、全息圖像、交互式游戲、遠程設備控制等對網(wǎng)絡服務能力提出了更高的要求。 未來網(wǎng)絡的技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,已成為全球關注的重點領域和我國建設網(wǎng)絡強國的核心基石。 本文將從未來網(wǎng)絡的內(nèi)涵、未來網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)界技術進展,以及我國未來網(wǎng)絡的發(fā)展建議三個方面,對未來網(wǎng)絡進行分析和闡述。

1 未來網(wǎng)絡的內(nèi)涵

未來網(wǎng)絡概念的提出,從體系架構的層面來講,要有效且現(xiàn)實地解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)狀,轉變?yōu)閷崿F(xiàn)“服務按需定制” “質(zhì)量確定可控” “泛在安全可信”的愿景。

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

從應用需求的角度來講,未來網(wǎng)絡要能夠支撐車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療、全息全感通信等新型應用,滿足業(yè)務海量連接、超低時延、巨型帶寬的需求。 從業(yè)務場景來看,未來網(wǎng)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(tǒng)各類場景,包括園區(qū)網(wǎng)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡等。 在此基礎上,要形成“網(wǎng)絡管道端到端編排” “云邊端資源一體化調(diào)度”的能力,更好地支撐大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新型業(yè)務,在廣域網(wǎng)層面實現(xiàn)算力、數(shù)據(jù)、內(nèi)容的一體化融合[2]。

另外,未來網(wǎng)絡的應用很可能會超越目前所能看到的網(wǎng)絡維度,結合B5G/6G 等移動通信技術,有望實現(xiàn)陸?？仗煲惑w化。 空天一體化衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),將支撐全時空、陸?？仗臁⑷f物互聯(lián)、泛在接入,具備高中低軌地面協(xié)同體系架構、異構無線傳輸接入及差異化QoS 服務質(zhì)量保證等能力。 依托于此,未來的軍事作戰(zhàn)將呈現(xiàn)“多兵種、陸海空天一體化”的特征,形成“局部、系統(tǒng)、體系多級對抗”的能力,實現(xiàn)軍用網(wǎng)絡與民用網(wǎng)絡的一體化融合。

2 未來網(wǎng)絡的技術發(fā)展趨勢

未來網(wǎng)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(guī)模連接的能力,根據(jù)國際未來網(wǎng)絡發(fā)展趨勢及我國網(wǎng)絡發(fā)展基本國情,從以下8 個方面就研究內(nèi)容、關鍵技術等對未來網(wǎng)絡技術發(fā)展趨勢進行探討。

(1) 空天一體化衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)

空天一體化衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將空間網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡相融合,支持5G/6G 的星上部署,實現(xiàn)移動通信全覆蓋、頻譜全利用、應用全部署。 未來網(wǎng)絡需要支撐陸?？仗烊珪r空的萬物互聯(lián)及泛在接入,涉及的關鍵技術主要有：低中高軌衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡協(xié)同組網(wǎng)、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(zhì)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(nèi)容之一,如何基于超高頻太赫茲實現(xiàn)超寬帶、超高速無線通信具有重要的挑戰(zhàn)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(jīng)典理論向微觀量子理論、電子學向光子學的過渡區(qū)域,需要對其特性展開研究。 ② 6G 無線頻譜使用技術,如區(qū)塊鏈與動態(tài)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(lián)與超密集組網(wǎng)。

(3) 面向各場景的網(wǎng)絡切片技術

3GPP[4]將網(wǎng)絡切片定義為支持運營商創(chuàng)建并定制網(wǎng)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(yōu)化方案。 網(wǎng)絡切片利用虛擬化技術,允許不同網(wǎng)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(wǎng)絡應具備通過空口切片、接入網(wǎng)切片、傳送網(wǎng)切片、核心網(wǎng)切片、骨干網(wǎng)切片,打造面向用戶的端到端服務定制網(wǎng)絡切片的能力。

(4) 低延遲、確定性網(wǎng)絡

工業(yè)控制、遠程醫(yī)療、VR 等新業(yè)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(wǎng)絡提出了重大挑戰(zhàn)[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(fā);② 按流量類型分配優(yōu)先級隊列,確定性時延流量分配至高優(yōu)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(xié)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(fā),實現(xiàn)逐跳確定性時延,最終實現(xiàn)端到端確定性時延。 典型確定性時延網(wǎng)絡技術有FlexE[7],AVB/TSN[8]和DetNet[9]。

(5) 光網(wǎng)絡與IP 網(wǎng)絡協(xié)同調(diào)度

傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡與光網(wǎng)絡分層規(guī)劃、獨立運維導致業(yè)務開通部署周期長、時延及抖動大等問題,通過協(xié)同控制器實現(xiàn)IP 網(wǎng)絡與光網(wǎng)絡的有效協(xié)同,有助于實現(xiàn)縱向跨層智能調(diào)度,構建面向未來的廣域低時延網(wǎng)絡。 其中涉及的關鍵技術包括：① 光層、IP 層、業(yè)務層等多層數(shù)據(jù)共享;② 協(xié)同帶寬資源動態(tài)調(diào)整;③ IP 層與光層協(xié)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(tǒng)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(jié)流的目的[10]。 傳統(tǒng)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(wǎng)具有節(jié)能、低成本、靈活性高等優(yōu)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(yè)級應用的需求量。 可以預見的是,數(shù)據(jù)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(wǎng)絡/計算/存儲一體化

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

(8) 網(wǎng)絡人工智能

人工智能技術為科技、社會的發(fā)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(wǎng)絡人工智能針對大規(guī)模網(wǎng)絡管理的迫切需求,基于人工智能技術研究通信網(wǎng)絡的核心算法與理論,解決大規(guī)模復雜網(wǎng)絡訓練、多級人工智能協(xié)同設計的關鍵技術,簡化人工操作,實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的高效自治。 網(wǎng)絡人工智能體現(xiàn)在設備智能、網(wǎng)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(shù)據(jù)安全等方面;網(wǎng)絡智能主要體現(xiàn)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(xiàn)在服務可用性、完整性分析、智能內(nèi)容調(diào)度等方面。

3 未來網(wǎng)絡的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

從國際未來網(wǎng)絡發(fā)展趨勢來看,全球網(wǎng)絡通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展,目前已經(jīng)形成了相對完善的生態(tài)鏈。 電信運營商、設備廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司等多方力量營造了相對開放的環(huán)境,共同推動技術的發(fā)展和應用。 運營商與廠商積極合作,共同推動產(chǎn)品和服務向全球化邁進。 廠商憑借資金等方面的優(yōu)勢,加速對業(yè)界初創(chuàng)公司的收購和整合,推出全新的面向市場的產(chǎn)品/服務。 未來網(wǎng)絡領域正在“競合”的理念下快速成長,逐漸在業(yè)界掀起新的浪潮,整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈也逐漸發(fā)展壯大。

運營商是傳統(tǒng)網(wǎng)絡的規(guī)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(wǎng)絡正發(fā)生著巨大而迅速的變化：接入網(wǎng)與城域網(wǎng)在SDN/NFV 的推動下,向資源 DC 化、設備白盒化、業(yè)務虛擬化的方向演進;骨干網(wǎng)邁上Tbps 級平臺,帶寬大顆粒化、路徑調(diào)度智能化成為了大網(wǎng)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(yè)WAN 重構,全方位地驅(qū)動著大網(wǎng)運營向云計算思維轉型;另外,目前物聯(lián)網(wǎng)、5G、邊緣計算正處于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前期,固移融合、網(wǎng)絡切片、云邊協(xié)同將成為電信運營商未來網(wǎng)絡發(fā)展的核心戰(zhàn)略與命題。

設備廠家是網(wǎng)絡技術發(fā)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(jīng)成為未來Overlay和Underlay 技術的標準組合,而SRv6 的發(fā)展方興未艾,具備未來重新定義IP 技術體系的潛力。 從業(yè)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(wǎng)(SDLAN)、軟件定義園區(qū)網(wǎng)絡(SD-CAMPUS)、軟件定義廣域網(wǎng)(SD-WAN)、軟件定義數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(SDDCN)等;從設備形態(tài)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(tǒng)網(wǎng)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(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn),100GE/400GE 光模塊正逐步就位,硅互聯(lián)與硅光子技術有望在未來克服納米工藝極限。

在未來網(wǎng)絡領域的創(chuàng)新中,互聯(lián)網(wǎng)公司日益成為重要的推動者和實踐者。 在數(shù)據(jù)中心方面,Leaf-Spine 已經(jīng)成為大型互聯(lián)網(wǎng)公司的標準網(wǎng)絡架構。在此架構下,自研白盒交換機成為主流趨勢,傳統(tǒng)的路由協(xié)議也正在被重新設計與定義,ECMP 及其增強成為DC 內(nèi)部TE 的核心能力,Telemetry 成為可視化的關鍵方案。 以太網(wǎng)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(jīng)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(guī)模組網(wǎng)方案逐步成熟,基于Service Mesh 的微服務組網(wǎng)成為業(yè)界新的熱點;在公有云方面,大型的互聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)品與解決方案,已逐步成熟并具備大規(guī)模提供服務的能力。 在公有云規(guī)模下,CPU 的處理性能已經(jīng)很難滿足業(yè)務的發(fā)展需要,各種硬件加速與協(xié)同處理技術成為新興的技術發(fā)展方向。

4 未來網(wǎng)絡的應用場景與機遇

現(xiàn)階段,未來網(wǎng)絡技術百花齊放,SD-WAN、多云協(xié)同、邊緣計算、確定性網(wǎng)絡、網(wǎng)絡人工智能、開放開源等創(chuàng)新技術趨勢正在深入影響和變革網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)形態(tài)[11]。 面向4K/8K、AR/VR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興互聯(lián)網(wǎng)應用發(fā)展的大潮,網(wǎng)絡面臨著一系列新的要求與挑戰(zhàn),未來網(wǎng)絡與實體經(jīng)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(wǎng)絡技術的不斷演進發(fā)展將驅(qū)動應用創(chuàng)新,極大地服務于社會發(fā)展。 未來網(wǎng)絡技術將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、天地一體化網(wǎng)絡等領域?qū)崿F(xiàn)重要突破和應用。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合的產(chǎn)物,已成為新工業(yè)革命的關鍵支撐和智能制造的重要基石。 根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)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(yè)企業(yè)的新型網(wǎng)絡技術,并聯(lián)合大型工業(yè)企業(yè)開展技術創(chuàng)新、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示范應用,對工業(yè)發(fā)展具有重要意義。

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

軟件定義天地一體化空間網(wǎng)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(zhì)量保證、低中高軌衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)等方面存在諸多挑戰(zhàn),涉及到的基本問題包括分區(qū)設計和分區(qū)映射。 分區(qū)設計將地面區(qū)域劃分為合適的分區(qū),并分配唯一區(qū)號作為位置標識;分區(qū)映射時,衛(wèi)星需要根據(jù)當前的經(jīng)緯度修正對應的分區(qū)。

面向海洋場景的立體通信網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)海洋通信網(wǎng)絡立體覆蓋及海上數(shù)據(jù)無縫實時高速回傳,保證浮空、岸基、錨泊、衛(wèi)星、艦船與地面網(wǎng)絡互聯(lián)互通,支持海上局部范圍高速寬帶通信,實現(xiàn)岸基、近海到中遠海的全域交叉覆蓋及不同環(huán)境下的多層次通信保障。

5 未來網(wǎng)絡的發(fā)展建議

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

在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)方面,要抓住時代賦予的機遇,加快在網(wǎng)絡控制方面與業(yè)務編排方面的研發(fā),改變我國缺“芯”少“魂”的現(xiàn)狀,顯著提升我國在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)領域的國際話語權和規(guī)則制定權;在重點應用領域方面,加強面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、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(fā)展新動能,促進經(jīng)濟轉型升級,增強我國在創(chuàng)新發(fā)展方面的核心競爭力。 通過加強技術和示范應用的發(fā)展和推廣,進一步形成自主可控的未來網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈,致力于打造“芯片—設備—網(wǎng)絡體系架構—核心關鍵技術—大規(guī)模未來網(wǎng)絡試驗設施—重大應用示范”的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。 整合我國電信運營商、設備廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司、研究機構及高校的資源優(yōu)勢,在全國范圍內(nèi)形成多個知名的科研創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地。 打造未來網(wǎng)絡教育平臺,培養(yǎng)更多優(yōu)秀的技術型人才,大幅提高我國在未來網(wǎng)絡領域的創(chuàng)新能力,助力我國在未來網(wǎng)絡技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展領域躋身創(chuàng)新型國家前列。