康 敏

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

廣域網(wǎng)作為實現(xiàn)全球信息化、數(shù)字化的最重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，各國通過幾十年的共同努力，早已構(gòu)建成了一張遍布全球、服務(wù)優(yōu)良、性能卓越的廣域網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑹澜缟先魏谓锹涞男畔⑺查g傳遍全球。近10 年來，廣域網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展快速，如光傳輸全面進入光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）時代，單波速率超過400 Gb/s，交換容量達數(shù)百Tb/s、接口速率達100 Gb/s 的高性能路由交換設(shè)備已全面商用。隨著傳輸技術(shù)、路由交換技術(shù)、接口技術(shù)、協(xié)議技術(shù)等的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的各項技術(shù)和指標(biāo)逐漸接近物理極限，廣域網(wǎng)技術(shù)也隨著人們對信息需求多樣化、信息應(yīng)用場景復(fù)雜化等需要而進入了一個新的發(fā)展階段。

1 廣域網(wǎng)應(yīng)用新需求

目前信息系統(tǒng)向著全面云化、數(shù)據(jù)中心化發(fā)展，廣域網(wǎng)要全面支持移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（Virtual Reality/ Augemented Reality，VR/AR）、全面視頻自媒體等應(yīng)用場景或應(yīng)用需求。個性化需求也層出不窮?？偨Y(jié)起來，廣域網(wǎng)面臨的應(yīng)用新需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 云網(wǎng)融合

隨著各類共有云、私有云、大型數(shù)據(jù)中心等需求的爆發(fā)式增長，以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）等技術(shù)的不斷發(fā)展，云和網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系更加緊密，云網(wǎng)融合、云網(wǎng)協(xié)同已經(jīng)成為重要的應(yīng)用需求[1]。一方面網(wǎng)絡(luò)需要成為云業(yè)務(wù)發(fā)展的基礎(chǔ)，另一方面云業(yè)務(wù)也將帶動網(wǎng)絡(luò)的云化發(fā)展和演進。在此背景下，廣域網(wǎng)架構(gòu)和技術(shù)也需要重構(gòu)與優(yōu)化，以支撐各類新型應(yīng)用。

1.2 可編排與可調(diào)節(jié)性

長久以來，廣域網(wǎng)基本是由各運營商采用傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)、路由交換設(shè)備等構(gòu)建的，能夠?qū)崿F(xiàn)相對穩(wěn)定的互聯(lián)互通，運維相對復(fù)雜的系統(tǒng)。但社會全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，業(yè)務(wù)種類和使用場景的加速擴展，對廣域網(wǎng)絡(luò)能夠更加智能地適應(yīng)各類應(yīng)用和業(yè)務(wù)的實際需求提出了新的挑戰(zhàn)；對提高廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性、提升廣域網(wǎng)自適應(yīng)性、簡化運維操作等方面有新的要求；對更加自動化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可靈活重組的分布式數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)，可擴展和可編排路由等技術(shù)能力帶來新的發(fā)展機遇。

1.3 確定性

當(dāng)前，廣域網(wǎng)的服務(wù)方向由滿足辦公生活等消費類需求日益轉(zhuǎn)向滿足生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)需求，如遠程手術(shù)醫(yī)療、智能協(xié)同制造、自動駕駛、無人系統(tǒng)、AR/VR 應(yīng)用等新型應(yīng)用。對廣域網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延、時延抖動、帶寬等的需求變得更加綜合化、多樣化，需要有新型的廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來提供保障。

1.4 安全性

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的過程中，網(wǎng)絡(luò)安全性問題長久存在。傳統(tǒng)的廣域網(wǎng)絡(luò)安全防護主要圍繞接入認證、邊界安全控制、網(wǎng)絡(luò)或信道傳輸加密等開展。然而，如今的廣域網(wǎng)廣泛服務(wù)于超高速信道傳輸、超大容量路由交換等新技術(shù)、新應(yīng)用，不斷滿足更加確定的傳輸性能要求，致力于保障業(yè)務(wù)服務(wù)多樣化。安全防護問題也必然需要同步提升和發(fā)展，以滿足各類新功能、新業(yè)務(wù)的不斷豐富和提升。

2 廣域網(wǎng)新技術(shù)發(fā)展

2.1 智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)操作系統(tǒng)

就如同計算機或手機等設(shè)備的操作平臺，設(shè)備操作系統(tǒng)將應(yīng)用與多供應(yīng)商硬件解耦，智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)操作系統(tǒng)也應(yīng)該能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)域的底層資源與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用分離開來，并提供一個集中式的網(wǎng)絡(luò)抽象服務(wù)平臺。圖1 展示了一個邏輯集中、高度抽象的智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)操作系統(tǒng)架構(gòu)，可以把不同網(wǎng)絡(luò)域的管理平臺和控制平面統(tǒng)一，并提供在不同技術(shù)之間快速配置端到端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)所需的信息。

圖1 邏輯集中式智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)操作系統(tǒng)架構(gòu)

通過該架構(gòu)設(shè)計，希望能夠解決或支持以下功能：

（1）通過簡單、可擴展的網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)實時的網(wǎng)絡(luò)控制。

（2）提供底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中與應(yīng)用服務(wù)相關(guān)的物理層功能，以適應(yīng)創(chuàng)新功能和業(yè)務(wù)。

從1997年成立至今，20余年的發(fā)展歷程之中，勁豹從未停止過自主創(chuàng)新的腳步。公司成立之初，方新通就帶領(lǐng)勁豹成功研發(fā)生產(chǎn)出了全自動絲網(wǎng)印刷機，改寫了絲印行業(yè)主要被手動和半自動設(shè)備"統(tǒng)治"的歷史。此后，勁豹在全自動絲網(wǎng)印刷機領(lǐng)域連續(xù)攻關(guān)，不斷突破，推出了一代又一代新產(chǎn)品。“我們剛剛研發(fā)了一款全球首創(chuàng)的產(chǎn)品，可能會給整個絲網(wǎng)印刷行業(yè)帶來一次變革，目前暫時保密，或?qū)⒃诿髂甑腜RINT CHINA上亮相?！狈叫峦杂猩衩氐卣勂鸬倪@款產(chǎn)品激起了我們的好奇心，勁豹會再一次引領(lǐng)行業(yè)變革嗎？我們拭目以待。

（3）不同的網(wǎng)絡(luò)域（如廣域、城域、數(shù)據(jù)中心等）和技術(shù)能夠統(tǒng)一操作。

2.2 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是指，在智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)操作系統(tǒng)的控制下，針對網(wǎng)絡(luò)自動化適應(yīng)和服務(wù)提供為目標(biāo)，對網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，具有高度靈活性的架構(gòu)調(diào)整和動態(tài)重構(gòu)，以滿足各類創(chuàng)新服務(wù)和應(yīng)用的需求。可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)其實是可以與智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)操作系統(tǒng)相結(jié)合研究的，兩者協(xié)同構(gòu)建出一個完全自上而下的可編程網(wǎng)絡(luò)。

要構(gòu)建出此類可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要采用SDN、NFV 等技術(shù)[2]對網(wǎng)絡(luò)硬件與功能進行虛擬化，通過各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化形成全新的虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。一種典型的可重構(gòu)虛擬化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，需要發(fā)展和應(yīng)用的新技術(shù)有：虛擬化軟件交換機成為虛擬網(wǎng)絡(luò)的第一跳；將虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)；超大容量路由交換設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)整體性能進行增強；可擴展和靈活自適應(yīng)的光傳輸系統(tǒng)或光網(wǎng)絡(luò)等。

圖2 可重構(gòu)虛擬化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 新型的內(nèi)容路由

近幾年以來，為提高信息和內(nèi)容的傳輸與獲取效率，人們研究了以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)（Content-Centric-Networking，CCN）、以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)（Information-Centric-Networking，ICN）等技術(shù)來優(yōu)化IP 網(wǎng)絡(luò)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)等。它們的基本理念是使用基于內(nèi)容名稱的新型CCN/ICN 層來取代IP 層的路由轉(zhuǎn)發(fā)機制。這需要對網(wǎng)絡(luò)中各類路由交換設(shè)備進行大的改造，難度很大且應(yīng)用較少。

針對未來廣域網(wǎng)創(chuàng)新業(yè)務(wù)的需求，可以綜合當(dāng)前CCN/ICN 的思想，設(shè)計一種新型的內(nèi)容路由，把當(dāng)前廣域網(wǎng)的IP 數(shù)據(jù)平面、邊緣SDN 控制與基于云的內(nèi)容興趣代理結(jié)合起來，并將用戶感興趣的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為內(nèi)容——服務(wù)地址，以便于實現(xiàn)基于內(nèi)容的路由與轉(zhuǎn)發(fā)等的網(wǎng)絡(luò)。圖3 給出了一個典型的基于內(nèi)容興趣代理的路由轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)過程。

圖3 基于內(nèi)容興趣代理的路由轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)過程

2.4 其他相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

上述研究給出的技術(shù)主要集中在未來廣域網(wǎng)架構(gòu)或體制方面。為了更好地支撐體系的發(fā)展，廣域網(wǎng)絡(luò)還需要發(fā)展應(yīng)用一些具體的實現(xiàn)技術(shù)，以支撐和提供新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的各類功能。目前來看主要集中在以下幾方面。

為支持特定使用場景或商業(yè)模式的通信服務(wù)要求，需要網(wǎng)絡(luò)能夠提供不同特性和能力特征的邏輯網(wǎng)絡(luò)功能，采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)便可在通用物理基礎(chǔ)設(shè)施上運行多個獨立業(yè)務(wù)操作的虛擬網(wǎng)絡(luò)。每個網(wǎng)絡(luò)切片邏輯上都是一個獨立的端到端網(wǎng)絡(luò)，由一組網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function，NF）及相應(yīng)資源組成，并針對特定的業(yè)務(wù)場景進行優(yōu)化?？赏ㄟ^時延、帶寬、安全性、可靠性等來劃分不同虛擬網(wǎng)絡(luò)，從而為不同應(yīng)用提供端到端的按需定制服務(wù)[3]。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，未來廣域網(wǎng)將能夠使5G、物聯(lián)網(wǎng)、智能協(xié)同制造、自動駕駛、無人系統(tǒng)等對網(wǎng)絡(luò)性能要求各式各樣的應(yīng)用服務(wù)實現(xiàn)統(tǒng)一。

2.4.2 分段路由技術(shù)

傳統(tǒng)廣域網(wǎng)中使用多協(xié)議標(biāo)簽交換（Mulit-Protocol Label Switching，MPLS）技術(shù)，包括采用標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議（Label Distribution Protocol，LDP）、基于流量工程擴展的資源預(yù)留協(xié)議（Resource reservation Protocol-Traffic Engineering，RSVP-TE）等，提供虛擬專網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）等服務(wù)。但由于存在配置使用比較復(fù)雜、可擴展性不強、互操作性不好等問題，在實際廣域網(wǎng)中使用發(fā)揮的作用和效果有限。

分段路由（Segmented Routing，SR）技術(shù)是一種源路由技術(shù)，其核心設(shè)計思想是通過在數(shù)據(jù)包報頭中插入分段（Segment）列表，每個Segment 是一個帶有提供各類服務(wù)保障信息的指令，用于指示接收到數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點如何處理和轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)包，從而為各類業(yè)務(wù)提供有區(qū)別的服務(wù)保障能力[4]。由于是源節(jié)點維護每個流的業(yè)務(wù)狀態(tài)信息和需求，并在數(shù)據(jù)包報頭添加適當(dāng)?shù)腟egment 列表，因此轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只需要根據(jù)Segment 列表進行相應(yīng)處理，不需要維護狀態(tài)信息，從而簡化了MPLS 體制下的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、隧道維護等功能，提供了更靈活、更簡潔、更高效的網(wǎng)絡(luò)傳送服務(wù)保障。目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛支持主流網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以逐漸投入規(guī)模應(yīng)用。

2.4.3 時敏與確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

時敏網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN）技術(shù)作為新一代以太網(wǎng)技術(shù)，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上提供端到端極低時延和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸。因其符合標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)架構(gòu)，具有精準(zhǔn)的流量調(diào)度能力，可以保證多種業(yè)務(wù)流量的共網(wǎng)高質(zhì)量傳輸，而且兼具技術(shù)及成本優(yōu)勢，適用于時延敏感型應(yīng)用，如自動駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場景[5]。雖然TSN 技術(shù)發(fā)源與廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)內(nèi)部，但其具備的確定性、保證性、可預(yù)測性傳輸?shù)忍攸c，對需要承載豐富創(chuàng)新性業(yè)務(wù)的未來廣域網(wǎng)來說也非常關(guān)鍵，如需要通過廣域網(wǎng)控制的自動駕駛、無人系統(tǒng)等，這些新型網(wǎng)絡(luò)特征的需求也十分迫切，因此將TSN 技術(shù)應(yīng)用到廣域網(wǎng)成為很有研究和應(yīng)用價值的新方向，以滿足未來各式各樣的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。

2.4.4 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全技術(shù)

未來廣域網(wǎng)的應(yīng)用在滿足多樣化服務(wù)能力提供的同時，需要考慮如何更加安全、更加高效地提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時安全防護手段的增加又不能明顯影響新型業(yè)務(wù)的特性，因為，傳統(tǒng)的疊加安全防護手段和設(shè)備的方式必然對網(wǎng)絡(luò)性能、傳輸時延等帶來限制和影響。因此，應(yīng)該在發(fā)展未來廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的同時，同步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與安全防護技術(shù)的融合應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安全增強、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可信互聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可信啟動與可信運行等內(nèi)生安全手段徹底解決網(wǎng)絡(luò)安全隱患，同時通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)處理流程與安全處理結(jié)合，可以有效保證和減少提高安全防護能力對網(wǎng)絡(luò)速率、時延等的限制和影響，以確保廣域網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的安全、高效、可靠運行。

3 結(jié)語

未來廣域網(wǎng)的發(fā)展必然是擁有不同服務(wù)能力，業(yè)務(wù)特性的網(wǎng)絡(luò)，同時也是可定制、可重構(gòu)的“及時適應(yīng)和具備彈性”的網(wǎng)絡(luò)，并且能夠形成大規(guī)模和多網(wǎng)絡(luò)自動化服務(wù)。本文研究提出的思路可以較好地滿足以上目標(biāo)，不過要實現(xiàn)上述技術(shù)思路的落地和實際規(guī)模應(yīng)用，還需要產(chǎn)業(yè)鏈的業(yè)界各廠商加強標(biāo)準(zhǔn)制定、體系架構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用實踐等，來加快推動未來廣域網(wǎng)的不斷演進和革新。