萬曉蘭，李晶林，劉克彬

專題：新型網(wǎng)絡技術(shù)

云原生網(wǎng)絡開創(chuàng)智能應用新時代

萬曉蘭，李晶林，劉克彬

（新華三技術(shù)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(lián)網(wǎng)等新應用的不斷涌現(xiàn)，業(yè)務應用發(fā)展朝著數(shù)字化、融合化、帶寬化以及智能化等方向發(fā)展，相應地對網(wǎng)絡的變革提出了新需求，通過對未來網(wǎng)絡特征的研究和分析，結(jié)合云原生網(wǎng)絡的自身特征，利用其云原生的優(yōu)勢很好地滿足熱點業(yè)務應用的需求，提出了云原生網(wǎng)絡的總體架構(gòu)，定義了數(shù)據(jù)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(wǎng)絡實現(xiàn)目前典型的、熱點業(yè)務的應用案例。

云原生網(wǎng)絡；應用驅(qū)動網(wǎng)絡；新型網(wǎng)絡

0 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)加速發(fā)展，數(shù)字經(jīng)濟正在成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋偁幐窬值年P(guān)鍵力量。數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展離不開數(shù)字化基礎(chǔ)支撐，云計算和網(wǎng)絡已成為數(shù)字經(jīng)濟時代的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)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(fā)展綠色化、節(jié)能化將成為未來社會的發(fā)展趨勢。從移動互聯(lián)，到萬物互聯(lián)，再到萬物智聯(lián)，6G將實現(xiàn)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(lián)、協(xié)同共生，滿足經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展需求，服務智慧化生產(chǎn)與生活，推動構(gòu)建普惠智能的人類社會。

萬物智聯(lián)的時代，網(wǎng)絡的作用不言而喻，目前，網(wǎng)絡自20世紀后期發(fā)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(wǎng)絡的研究中，我們不能僅僅關(guān)注如何將網(wǎng)絡的管道指標再提高一個數(shù)量級，更要將網(wǎng)絡與業(yè)務應用相結(jié)合，以滿足垂直應用的實際需求。業(yè)務應用是不斷發(fā)展變化的，未來網(wǎng)絡的發(fā)展仍需要不斷探索。

1 未來網(wǎng)絡特征

1.1 算力感知與調(diào)度能力

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

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

1.2 內(nèi)生安全能力

信息通信技術(shù)與數(shù)據(jù)技術(shù)、工業(yè)操作技術(shù)融合、邊緣化和設(shè)施的虛擬化將導致網(wǎng)絡安全邊界更加模糊，傳統(tǒng)的安全信任模型已經(jīng)不能滿足未來網(wǎng)絡安全的需求。內(nèi)生安全已成為未來網(wǎng)絡發(fā)展的一個核心理念和基本需求。

未來網(wǎng)絡需要突破傳統(tǒng)設(shè)計模式，為網(wǎng)絡注入更強大的安全基因，從身份、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡等需求層面，進行系統(tǒng)安全設(shè)計，推動網(wǎng)絡安全體系向著原生內(nèi)嵌、安全可信、智能靈活的主動防御模式演進，構(gòu)建云網(wǎng)安一體化的新型網(wǎng)絡架構(gòu)。

業(yè)內(nèi)權(quán)威對內(nèi)生安全的定義尚未統(tǒng)一，根據(jù)網(wǎng)絡5.0產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對網(wǎng)絡內(nèi)生安全的定義，內(nèi)生安全網(wǎng)絡以信任為基礎(chǔ)，以可信標識為錨點，具有去中心化共識機制，具備內(nèi)在自免疫可進化安全能力的網(wǎng)絡安全體系。

1.3 確定性能力

迄今為止，我們所使用的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用的是傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）/網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet protocol，IP），對網(wǎng)絡上數(shù)據(jù)包的傳輸只是“盡力而為”。而面對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加速興起，車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療、人工智能等場景對網(wǎng)絡傳輸?shù)囊蟠蠓嵘罅扛邔崟r性業(yè)務交互，各系統(tǒng)、各節(jié)點、各環(huán)節(jié)之間均需要高時效的協(xié)同。顯然，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)無法滿足這方面的苛刻需求。

高時效協(xié)同需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡平臺提供端到端確定性的傳輸服務，這就是確定性網(wǎng)絡的主要目標——能夠基于低抖動、低時延、低丟包率的關(guān)鍵技術(shù)，為高實時性業(yè)務流提供高確定性的網(wǎng)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(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，確定性網(wǎng)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(wǎng)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(fā)展趨勢之一，將為各行各業(yè)帶來巨大變革。當前，人工智能在信息通信、工業(yè)制造、安防、金融、自動駕駛、醫(yī)療健康等眾多領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，推動生產(chǎn)效率的提升，也帶來生態(tài)和商業(yè)模式的全新變革?！爸悄?”已成為國家戰(zhàn)略，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展賦能。

網(wǎng)絡作為承載智能應用的基礎(chǔ)設(shè)施，也急需實現(xiàn)智能化升級，以人工智能（artifical intelligence，AI）賦能網(wǎng)絡管理和運維，創(chuàng)造AI網(wǎng)絡管理的全新模式。據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（International Data Corporation，IDC）發(fā)布的研究報告，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量每年增長一倍。隨著網(wǎng)絡設(shè)施規(guī)模以及網(wǎng)絡業(yè)務的不斷快速增長，網(wǎng)絡運營將面臨越來越大的壓力和挑戰(zhàn)，當前以人工方式為主的管理模式難以支撐未來網(wǎng)絡的高效和安全運營需求。

網(wǎng)絡智能化，需要通過對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等多維數(shù)據(jù)的感知，基于大數(shù)據(jù)、大算力和大算法三大基礎(chǔ)能力，形成網(wǎng)絡自身的高度自治能力。為了支持數(shù)字轉(zhuǎn)型時代的業(yè)務敏捷性，網(wǎng)絡必須從一個靜態(tài)資源系統(tǒng)演變成為一個能夠滿足業(yè)界期望的、能夠根據(jù)“業(yè)務意愿”轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡和 IT 基礎(chǔ)設(shè)施執(zhí)行操作的靈活、動態(tài)系統(tǒng)。

1.5 應用感知能力

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

為了實現(xiàn)應用和網(wǎng)絡之間的相互協(xié)作，“應用感知式網(wǎng)絡”應運而生。新一代網(wǎng)絡基礎(chǔ)架構(gòu)必須將智能化拓展到網(wǎng)絡本身，實現(xiàn)對上層業(yè)務應用的精細化感知和識別，通過自動化技術(shù)降低管理的復雜度，形成快速交付差異化網(wǎng)絡業(yè)務的統(tǒng)一基礎(chǔ)架構(gòu)。實現(xiàn)從面向管道到面向業(yè)務的管理方式轉(zhuǎn)變，全面以應用為中心，主動感知和監(jiān)測應用體驗質(zhì)量，優(yōu)化網(wǎng)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(wǎng)絡開放能力

構(gòu)建統(tǒng)一開放的網(wǎng)絡能力，一直是網(wǎng)絡演進和變革的一個基本目標。業(yè)務應用若能便捷地獲取和利用網(wǎng)絡中的相關(guān)能力信息，有利于應用與網(wǎng)絡進行良好的互動。未來數(shù)字化應用場景，如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)網(wǎng)絡、移動醫(yī)療探測、高清視頻、緊急業(yè)務、網(wǎng)絡金融等領(lǐng)域，都會要求網(wǎng)絡實現(xiàn)進一步的能力開放：車聯(lián)網(wǎng)需要從移動通信網(wǎng)絡中獲取汽車位置以及流量擁塞狀況等信息；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的各種自動化與操作需求、各種醫(yī)療設(shè)備的信息收集，以及遠程醫(yī)療診斷，都需要借助運營商開放的網(wǎng)絡能力實現(xiàn)高可靠性、低時延的通信；OTT（over the top）業(yè)務提供商需要通過網(wǎng)絡能力開放接口提高服務質(zhì)量（quality of service，QoS）等手段提升用戶體驗；緊急救援需要快速實現(xiàn)定位、廣播等；網(wǎng)絡金融業(yè)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(wǎng)絡能力的開放、個人用戶、第三方業(yè)務提供商以及運營商都能從能力開放運營構(gòu)建的生態(tài)鏈中實現(xiàn)合作共贏。

目前，網(wǎng)絡能力開放平臺結(jié)構(gòu)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(yè)務需求，需要在場景、需求、能力開放架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)等方面進行深入研究，充分利用現(xiàn)有軟件定義網(wǎng)絡（software defined network，SDN）、網(wǎng)絡功能虛擬化（network functions virtualization，NFV）等技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡業(yè)務能力，結(jié)合IT領(lǐng)域的各種虛擬化新技術(shù)新架構(gòu)，進一步開放網(wǎng)絡業(yè)務能力，進而創(chuàng)造新的網(wǎng)絡價值，形成新型商業(yè)模式。

2 云原生網(wǎng)絡打造網(wǎng)絡新架構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡演進歷程

云計算、5G、AI、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的應用和數(shù)字化進程的加速，帶來了豐富業(yè)務的同時也對網(wǎng)絡功能提出了極高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡僅提供純粹的管道功能，已不能滿足云上業(yè)務應用對網(wǎng)絡資源的調(diào)度需求，因此催生了網(wǎng)絡功能虛擬化和資源化的架構(gòu)模式，以滿足云業(yè)務對網(wǎng)絡的調(diào)度需求。云原生技術(shù)的提出和發(fā)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(yè)用戶所接受，企業(yè)關(guān)注點已經(jīng)從以資源為中心轉(zhuǎn)移到以應用為中心，網(wǎng)絡需要同步演進，通過構(gòu)筑敏捷、安全、開放、彈性、靈活的云原生網(wǎng)絡更好地支持業(yè)務應用，推進數(shù)字時代的發(fā)展。網(wǎng)絡演進如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡演進

綜上所述，本文所提云原生網(wǎng)絡是利用云原生技術(shù)構(gòu)建與云能夠天然融合的新型網(wǎng)絡架構(gòu)。

2.2 云原生網(wǎng)絡總體架構(gòu)

云原生網(wǎng)絡將網(wǎng)絡設(shè)備軟/硬件解耦、控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，同時將控制平面的網(wǎng)絡功能解耦，利用云原生技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，把網(wǎng)絡與云打通，實現(xiàn)業(yè)務能力同構(gòu)、資源協(xié)同?？梢蕴峁┟艚荨踩?、開放、彈性、靈活的網(wǎng)絡功能。云原生網(wǎng)絡示意圖如圖2所示。

圖2 云原生網(wǎng)絡示意圖

2.2.1 數(shù)據(jù)平面

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

云原生網(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(xié)議或功能集，避免供應商為不同的客戶需求定制網(wǎng)絡設(shè)備，同時又保護了投資，加快了新技術(shù)的應用。

對許多新興服務和應用來說，網(wǎng)絡中的低時延尤為重要，如無人機、智能駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、工業(yè)控制、智慧農(nóng)業(yè)、遠程手術(shù)等，需要精確地控制端到端時延和抖動，云原生網(wǎng)絡數(shù)據(jù)平面的轉(zhuǎn)發(fā)芯片支持諸多新的技術(shù)，如高精度時間同步技術(shù)、確定性隊列技術(shù)、靈活以太網(wǎng)（flex ethernet，F(xiàn)lexE）技術(shù)、可編程轉(zhuǎn)發(fā)等，具備確定性轉(zhuǎn)發(fā)的能力，即可編程能力的體現(xiàn)。

2.2.2 控制平面

云原生網(wǎng)絡的控制平面是指云原生網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，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(wǎng)絡操作系統(tǒng)，基于標準Linux系統(tǒng)，充分解耦軟件功能，實現(xiàn)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(tǒng)的依賴降到最低。傳統(tǒng)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)為滿足多類型應用，網(wǎng)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(tǒng)應僅包含基本功能依賴組件，如系統(tǒng)管理組件、網(wǎng)絡管理組件、設(shè)備管理組件、日志組件與基礎(chǔ)依賴軟包等。

（2）動態(tài)加載，應用定義網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

云原生時代，以應用為中心的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)要求整體軟件功能圍繞應用訴求構(gòu)建，傳統(tǒng)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)一般以通用場景需求提供功能組合，無法針對特定網(wǎng)絡應用提供必須的網(wǎng)絡功能組合，功能增加時需要升級整個操作系統(tǒng)，周期長、風險高。應用定義的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)可以避免這一問題，能根據(jù)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(fā)生變化時，又可以根據(jù)情況動態(tài)加載需要的網(wǎng)絡功能并卸載無用的功能模塊，從而抑制基礎(chǔ)版本過大導致云計算資源被過度消耗。

（3）內(nèi)生安全，快速部署

網(wǎng)絡操作系統(tǒng)云原生化后，網(wǎng)絡功能進行了解耦，可以支持容器化動態(tài)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(jù)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(yè)務應用的創(chuàng)新。

（4）智能運維與調(diào)優(yōu)

隨著節(jié)點規(guī)模與部署密度的增加，網(wǎng)絡的運維與調(diào)優(yōu)變得愈加困難，引入AI進行大規(guī)模網(wǎng)絡運維和調(diào)優(yōu)成為了必要手段。整體智能運維系統(tǒng)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(wǎng)絡操作系統(tǒng)應提供低負載且應用無感的觀測手段，提供結(jié)構(gòu)化、標準化的觀測數(shù)據(jù)，為后續(xù)決策提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時結(jié)合應用指標度量手段，提供應用相關(guān)性分析，提供應用性能、體驗調(diào)優(yōu)策略建議，針對故障應用，智能診斷應用故障，進而實現(xiàn)整體故障級預測，并提供網(wǎng)絡操作系統(tǒng)功能組件升級能力或替換能力。

圖3 云原生的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

（5）開放架構(gòu)，方便擴展

云原生的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)（如圖3所示）采用開放架構(gòu)，提供標準接口，用戶或第三方可以快速方便地開發(fā)相關(guān)的網(wǎng)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(wǎng)絡功能的應用創(chuàng)新。

2.2.3 管理平面

云原生網(wǎng)絡的管理平面是由云原生的網(wǎng)絡控制器管理編排的，網(wǎng)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(yè)務的特征。

云原生的網(wǎng)絡設(shè)備由兩部分組成，云原生網(wǎng)絡設(shè)備架構(gòu)如圖4所示。

其中，CPU系統(tǒng)可以作為支持容器化的計算資源，能夠被云管理平臺統(tǒng)一進行容器的編排調(diào)度，既可以運行網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的功能組件，同時也可以運行網(wǎng)絡控制器，其空閑計算資源可以由云管理平臺調(diào)度承載相關(guān)業(yè)務應用，作為云的一個邊緣計算節(jié)點。邊緣計算資源如圖5所示。

圖4 云原生網(wǎng)絡設(shè)備架構(gòu)

圖5 邊緣計算資源

因此，對網(wǎng)絡設(shè)備管理平面進行功能管理和編排的控制器和部分業(yè)務應用都運行在統(tǒng)一的邊緣計算節(jié)點上，可以非常容易地通過中心云進行統(tǒng)一管理編排，實現(xiàn)云邊協(xié)同。

2.3 應用實例

當前基于云原生設(shè)計的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖6 云原生網(wǎng)絡操作系統(tǒng)示意圖

●管理平面對外提供設(shè)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(xiàn)人機交互。

●控制平面運行路由、多協(xié)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(xié)議，生成各種轉(zhuǎn)發(fā)表項以控制數(shù)據(jù)平面的轉(zhuǎn)發(fā)行為。

●數(shù)據(jù)平面提供數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)功能，包括本地報文的收發(fā)，即IPv4/IPv6協(xié)議棧、Socket、基于各層轉(zhuǎn)發(fā)表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能等。

●基礎(chǔ)設(shè)施平面在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提供業(yè)務運行的軟件基礎(chǔ)，包括操作系統(tǒng)基礎(chǔ)服務和業(yè)務支撐功能?；A(chǔ)服務功能是與業(yè)務無關(guān)的各種軟件功能，包括Linux操作系統(tǒng)的各種基本功能、C語言庫函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作、標準算法等。

網(wǎng)絡操作系統(tǒng)為全用戶態(tài)，內(nèi)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(tài)；可以基于容器的場景應用或部署，容器環(huán)境下的操作系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

云原生的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)獨立運行時具備內(nèi)嵌的容器管理方案，容器管理如圖8所示。

當前使用云網(wǎng)絡操作系統(tǒng)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(huán)境下的操作系統(tǒng)示意圖

圖8 容器管理

測試結(jié)論：

●云網(wǎng)絡操作系統(tǒng)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(zhuǎn)發(fā)功能正常；

●轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)可以恢復正常。

測試結(jié)論初步說明基于云原生網(wǎng)絡的構(gòu)思是可行的。

圖9 互通性測試

3 云原生網(wǎng)絡開創(chuàng)智能應用

3.1 信息中心網(wǎng)絡

信息中心網(wǎng)絡（information-centric networking，ICN）技術(shù)特點是，一切都是信息，信息實現(xiàn)互聯(lián)，通過信息名稱可以標識每一個信息，網(wǎng)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(shù)界很多專家認為，ICN將會引領(lǐng)信息行業(yè)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(lián)網(wǎng)端到端的通信機制，把內(nèi)容與終端位置剝離，通過發(fā)布/訂閱范式提供存儲和多方通信等服務。通過ICN，數(shù)據(jù)將與物理位置相獨立，ICN中的任何節(jié)點都可以作為內(nèi)容生產(chǎn)者生成內(nèi)容。

目前ICN的代表性應用有星際文件系統(tǒng)（inter-planetary file system，IPFS）和命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（named-data networking，NDN），兩者可以實現(xiàn)有機結(jié)合。

IPFS是一個點對點的分布式文件系統(tǒng)，通過底層協(xié)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(wǎng)絡中，任何存儲在系統(tǒng)里的資源，包括文字、圖片、聲音、視頻以及網(wǎng)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(shù)據(jù)包只能命名通信端點的限制，NDN數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的地址命名，而是直接對數(shù)據(jù)本身命名，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為NDN最為重要的實體。NDN將內(nèi)容從保護主機中解耦，直接保護內(nèi)容，讓通信機制從根本上實現(xiàn)可擴展。

云原生網(wǎng)絡架構(gòu)，為未來ICN的實現(xiàn)和部署，提供了良好的落地平臺。云原生網(wǎng)絡的首要特征是網(wǎng)絡節(jié)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(tǒng)一管理下，可以快速在整網(wǎng)設(shè)備上完成IPFS和NDN或者其他新型ICN應用，從而使網(wǎng)絡具備ICN能力，實現(xiàn)向Web3.0時代的邁進。

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

3.2 泛在計算

為了解決當前泛在網(wǎng)絡空間大數(shù)據(jù)分析處理面臨的技術(shù)難題，滿足泛在網(wǎng)絡空間大數(shù)據(jù)分析處理的需要，一種面向泛在網(wǎng)絡空間大數(shù)據(jù)的通用智能化“霧云計算”體系結(jié)構(gòu)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(xié)同計算，滿足網(wǎng)絡空間大數(shù)據(jù)在產(chǎn)權(quán)保護基礎(chǔ)上的實時及融合分析處理需求。

對于這種新型的體系架構(gòu)，云原生網(wǎng)絡也可以實現(xiàn)有效支撐。霧云計算體系結(jié)構(gòu)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(jié)點包括智能物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡中的傳感器、移動互聯(lián)網(wǎng)中的 App、智能家居設(shè)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(jié)點來說，更貼近霧端邊緣節(jié)點和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡基于云原生技術(shù)構(gòu)建，則可以直接部署在網(wǎng)關(guān)、路由器、通信基站等網(wǎng)絡節(jié)點上，實現(xiàn)無處不在的泛在計算數(shù)字環(huán)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(shù)字化的服務。

圖10 霧云計算體系結(jié)構(gòu)

3.3 6G網(wǎng)絡

為實現(xiàn)網(wǎng)絡功能靈活快速部署和維護，適應不同場景的多種業(yè)務需求，5G核心網(wǎng)采用服務化架構(gòu)重構(gòu)了4G核心網(wǎng)功能，從固定功能和連接轉(zhuǎn)向基于軟件和云的開放平臺。3GPP定義的5G核心網(wǎng)架構(gòu)引入服務化架構(gòu)（service based architecture，SBA），網(wǎng)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(tài)、獨立化、扁平化、自主化的優(yōu)勢，推動5G網(wǎng)絡走向開放化、虛擬化、軟件化和服務化。5G核心網(wǎng)控制面基于模塊化拆解為不同的網(wǎng)絡功能，解耦的網(wǎng)絡功能可獨立擴容、獨立演進、按需部署，每個網(wǎng)絡功能具有多個網(wǎng)絡功能服務，實現(xiàn)核心網(wǎng)功能的按需定制，靈活支持不同的業(yè)務場景和需求。

6G網(wǎng)絡未來將面對多種不確定的新業(yè)務和新場景需求，需要進一步提升網(wǎng)絡的全場景適應能力。在網(wǎng)絡功能層面，按需靈活組合必要網(wǎng)絡功能，提供定制化網(wǎng)絡服務能力；在基礎(chǔ)設(shè)施及資源層面，按需調(diào)配合適網(wǎng)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(wǎng)絡效率；在應用與服務層面，一方面要精確感知業(yè)務需求，另一方面要實現(xiàn)網(wǎng)絡功能與網(wǎng)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(wǎng)絡的適應能力，服務化無線電接入網(wǎng)（radio access network，RAN）是未來6G網(wǎng)絡架構(gòu)設(shè)計的重中之重。

基于云原生技術(shù)的端到端服務化架構(gòu)是打造6G網(wǎng)絡全場景適應能力的必要技術(shù)手段，基于云原生網(wǎng)絡理念，可以很容易實現(xiàn)一種基于云網(wǎng)服務全面融合的6G網(wǎng)絡架構(gòu)，作為6G服務化RAN的框架基礎(chǔ)，將服務于需要極致性能、數(shù)據(jù)本地處理的行業(yè)場景，成為未來移動通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵創(chuàng)新平臺。

6G云網(wǎng)融合服務愿景架構(gòu)如圖11所示，要實現(xiàn)全面的云原生架構(gòu)，首先，在基礎(chǔ)資源層需要基于云原生的思想進行設(shè)計，并且能夠滿足6G的空天地一體化場景、數(shù)字孿生應用等各類擴展場景的需求。其次，基于“微服務架構(gòu)+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(shù)據(jù)庫服務、異構(gòu)計算管理等，另一方面將和6G網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)共同成長探索，形成更多適用于6G網(wǎng)絡功能的云組件。最后，面向各類創(chuàng)新應用，以能力開放、業(yè)務協(xié)同編排為核心抓手，形成統(tǒng)一的云網(wǎng)融合服務能力，真正實現(xiàn)云網(wǎng)融合發(fā)展的最終目標。

圖11 6G云網(wǎng)融合服務愿景架構(gòu)

4 結(jié)束語

本文闡述了云原生網(wǎng)絡能夠很好地適應業(yè)務應用的發(fā)展趨勢，給出了云原生網(wǎng)絡的總體架構(gòu)：網(wǎng)絡設(shè)備軟/硬件解耦，控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，同時控制平面的網(wǎng)絡功能之間解耦，利用云原生技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，把網(wǎng)絡與云打通。

云原生總體架構(gòu)給出了如下能力。

（1）數(shù)據(jù)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(xié)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(tài)加載、內(nèi)生安全、智能運維和調(diào)優(yōu)和開放架構(gòu)。

（3）管理平面

管理平面由云原生的網(wǎng)絡控制器進行統(tǒng)一管理編排，網(wǎng)絡控制器的功能劃分為不同功能組件，支持容器化部署；網(wǎng)絡設(shè)備CPU系統(tǒng)可以作為支持容器化的計算資源，能夠被云管理平臺統(tǒng)一進行容器的編排調(diào)度，既可以運行網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的功能組件，同時也可以運行網(wǎng)絡控制器，其空閑計算資源可以由云管理平臺調(diào)度承載相關(guān)業(yè)務應用，作為云的一個邊緣計算節(jié)點。

[1] 姚惠娟, 陸璐, 段曉東. 算力感知網(wǎng)絡架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中興通訊技術(shù), 2021, 27(3): 7-11.

YAO H J, LU L, DUAN X D. Architecture and key technologies for computing-aware networking[J]. ZTE Technology Journal, 2021, 27(3): 7-11.

[2] 賈焰, 方濱興, 汪祥, 等. 泛在網(wǎng)絡空間大數(shù)據(jù)“霧云計算”軟件體系結(jié)構(gòu)[J]. 中國工程科學, 2019, 21(6): 114-119.

JIA Y, FANG B X, WANG X, et al. Software architecture of fogcloud computing for big data in ubiquitous cyberspace[J]. Strategic Study of CAE, 2019, 21(6): 114-119.

[3] IMT-2030（6G）推進組. 6G網(wǎng)絡總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書[R]. 2021.

IMT-2030 (6G) Promotion Group. 6G network overall vision and potential key technologies white paper[R]. 2021.

[4] 劉光毅, 鄧娟, 鄭青碧, 等. 6G智慧內(nèi)生：技術(shù)挑戰(zhàn)、架構(gòu)和關(guān)鍵特征[J]. 移動通信, 2021, 45(4): 68-78.

LIU G Y, DENG J, ZHENG Q B, et al. 6G native intelligence: technical challenges, architecture and key features[J]. Mobile Communications, 2021, 45(4): 68-78.

[5] 算力網(wǎng)絡串聯(lián)數(shù)字社會SPN奠定堅實底座[EB]. 2022.

Computing power network series digital society SPN lays a solid foundation[EB]. 2022.

[6] 趙慧玲. 邊緣計算與算力網(wǎng)絡專題導讀[J]. 中興通訊技術(shù), 2021, 27(3): 1-2.

ZHAO H L. A special topic guide to edge computing and computing power networks[J]. ZTE Technology Journal, 2021, 27(3): 1-2.

[7] 江偉玉, 劉冰洋, 王闖. 內(nèi)生安全網(wǎng)絡架構(gòu)[J]. 電信科學, 2019, 35(9): 20-28.

JIANG W Y, LIU B Y, WANG C. Network architecture with intrinsic security[J]. Telecommunications Science, 2019, 35(9): 20-28.

[8] 江偉玉, 劉冰洋, 王闖. 內(nèi)生安全網(wǎng)絡架構(gòu)[J]. 電信科學, 2019, 35(9): 20-28.

JIANG W Y, LIU B Y, WANG C. Network architecture with intrinsic security[J]. Telecommunications Science, 2019, 35(9): 20-28.

[9] 中國移動通信有限公司研究院. 2030+愿景與需求（第二版）[R]. 2020.

China Mobile Research Institute.2030+ vision and needs (2nd edition)[R]. 2020.

[10] 中國移動通信有限公司研究院. 6G服務化RAN白皮書（2022）[R]. 2022.

China Mobile Research Institute. 6G service-oriented RAN white paper (2022)[R]. 2022.

[11] 林奕琳, 何宇鋒, 劉玉芹, 等. 5G網(wǎng)絡能力開放部署及關(guān)鍵技術(shù)方案[J]. 移動通信, 2021, 45(6): 81-87.

LIN Y L, HE Y F, LIU Y Q, et al. Research on 5G network capability exposure deployment and key technical solutions[J]. Mobile Communications, 2021, 45(6): 81-87.

[12] 朱斌, 林琳, 胡悅, 等. 面向行業(yè)的5G網(wǎng)絡能力開放發(fā)展策略研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2020(7): 1-6.

ZHU B, LIN L, HU Y, et al. Research on industry oriented 5G network capability exposure development strategy[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications, 2020(7): 1-6.

[13] 楊紅梅.5G催生網(wǎng)絡能力開放[EB]. 2020.

YANG H M, 5G promoted the opening of network capability[EB]. 2020.

[14] 網(wǎng)絡5.0內(nèi)生安全體系架構(gòu)[EB]. 2020.

Network 5.0 endogenous security architecture[EB]. 2020.

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(shù)有限公司高級工程師，主要研究方向為數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域網(wǎng)絡、安全方向以及云計算等。

李晶林（1970?），男，新華三技術(shù)有限公司工程師，主要研究方向為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡技術(shù)。

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