姚惠娟 陸璐 張杰 鄭秀麗 黃光平

(1.中國移動通信有限公司研究院,北京 100053;2. 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準研究所,北京 100191;3.華為技術(shù)有限公司,北京 100095;4.中興通訊股份有限公司,南京 210012)

0 引言

從19世紀80年代傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際互網(wǎng)協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP)正式部署以來,隨著IP技術(shù)的不斷演進,互聯(lián)網(wǎng)承載的應(yīng)用越來越豐富,郵件、云計算、社交網(wǎng)絡(luò)、在線購物、電子銀行、視頻直播等應(yīng)用正深刻影響著人們的學(xué)習(xí)、工作與生活。如圖1所示,增強現(xiàn)實(Augmented Reality,AR)/虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)、遠程醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭等新應(yīng)用已悄然而至,全息通信、邊緣云、泛物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)、意識通信、空天地一體化通信[1-2]等新應(yīng)用在不久的將來也將揭開神秘的面紗,我們正在快速進入一個萬物感知、萬物互聯(lián)的智能世界。紛繁的新應(yīng)用也對IP網(wǎng)絡(luò)提出了新的需求與挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新是新應(yīng)用創(chuàng)新的基礎(chǔ)與使能條件,IP網(wǎng)絡(luò)的能力亟待增強,以允許更多的新業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)。

1 網(wǎng)絡(luò)5.0的研究背景

1.1 現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)的面臨的問題

從“盡力而為”到“力不從心”。自動駕駛、遠程醫(yī)療、工業(yè)控制、全息通信等諸多業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的需求千差萬別。有的應(yīng)用如全息通信等,人均需要消耗T級帶寬,此類應(yīng)用對于網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源需求非常高;IoT相關(guān)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸呈“高頻、小包”的特征,其帶寬消耗量并不大,但是需要持續(xù)在線;在工業(yè)控制領(lǐng)域,為確保各個模塊之間完美配合,需要在正確的時間點執(zhí)行正確的操作,數(shù)據(jù)傳輸要求保證確定性時延;極致AR/VR應(yīng)用為避免時延引起不適,需要網(wǎng)絡(luò)提供超低的時延傳輸。隨著新興應(yīng)用的發(fā)展,用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求復(fù)雜多樣,難以通過標(biāo)準化的服務(wù)模型對用戶需求進行統(tǒng)一抽象。此外,來自同一應(yīng)用的需求也可能在不同場景下迅速切換。例如,遠程手術(shù)在正常情況下需要回送手術(shù)現(xiàn)場畫面,因此其帶寬需求量高,然而在手術(shù)過程中遇到突發(fā)情況時,醫(yī)生需要迅速做出反應(yīng),此時超低時延的需求更加突出。傳統(tǒng)的自上而下、由用戶需求觸發(fā)管理器下發(fā)相應(yīng)配置的方式,難以及時響應(yīng)復(fù)雜多變的用戶需求。

運維難度指數(shù)級上升。隨著網(wǎng)絡(luò)功能的增加和網(wǎng)絡(luò)的升級換代,網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備形態(tài)各異、種類繁多,多代設(shè)備共存,網(wǎng)絡(luò)的運維難度越來越大,成本也越來越高。同時,人工運維效率低、反應(yīng)慢、易出錯。在信息化、智能化的趨勢下,要求網(wǎng)絡(luò)5.0具備自身智能化管控功能,能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自治化管理,滿足帶寬及時延需求,同時也要配合云端更強大的存儲計算能力來支撐業(yè)務(wù)的運行。

網(wǎng)絡(luò)計算融合發(fā)展。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)以連接為基礎(chǔ),受制于固定的網(wǎng)絡(luò)尋址機制,只是提供數(shù)據(jù)通信的管道,往往無法滿足更苛刻的體驗質(zhì)量(Quality of Experience,QoE)要求。新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(如軟件定義網(wǎng)絡(luò)、信息中心網(wǎng)絡(luò)、算力感知網(wǎng)絡(luò)[3]等)致力于構(gòu)建更高效、合理的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)5.0需借鑒目前新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),結(jié)合邊緣計算的理念,將計算能力和存儲能力融入到網(wǎng)絡(luò)的各個角落,使每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以成為資源的提供者,用戶的請求可以通過調(diào)用最近的節(jié)點資源來滿足,不再局限于某一特定節(jié)點,避免造成連接和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度資源的浪費。這就要求網(wǎng)絡(luò)中的計算資源節(jié)點之間具備靈活的相互調(diào)度的能力,或者計算任務(wù)動態(tài)路由的能力。

缺乏系統(tǒng)性架構(gòu)。新興業(yè)務(wù)的發(fā)展對傳統(tǒng)數(shù)通網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求,如數(shù)據(jù)傳輸從強調(diào)“及時性”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽蕰r性”,網(wǎng)絡(luò)在保障業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的前提下更加注重滿足用戶的QoE等。面對這些新需求,數(shù)通網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備形態(tài)、路由策略、幀結(jié)構(gòu)、接口協(xié)議等各個角度進行了嘗試和努力。這些單點技術(shù)上的突破往往針對性極強,解決特定問題時有益效果明顯。然而單點技術(shù)的疊加無法保證其有益效果的疊加,甚至可能存在多技術(shù)之間彼此制衡、相互削弱的情況。傳統(tǒng)TCP/IP技術(shù)的碎片化、補丁式技術(shù)創(chuàng)新以及單點技術(shù)的突破難以滿足新業(yè)務(wù)需求,需要整體架構(gòu)統(tǒng)一牽引,同時需要路由轉(zhuǎn)發(fā)、安全、精細化資源管控等多個關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施驗證等多維度全方位的體系化研究。

1.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

為了應(yīng)對各種業(yè)務(wù)的新需求,互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究人員(包括學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界等)一直在致力于IP技術(shù)的研究和創(chuàng)新。其中,互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force,IETF)是制定互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的權(quán)威組織,也是IPv6協(xié)議、TCP協(xié)議、DNS協(xié)議、路由協(xié)議等標(biāo)準的發(fā)源地。近年來,IETF積極推動IP技術(shù)創(chuàng)新,先后成立了源路由(SPRING)[4]、確定性網(wǎng)絡(luò)(DetNet)[5-7]等工作組。同時,國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準分局的網(wǎng)絡(luò)2030焦點組(Focus Group on Network 2030,FG-NET-2030)[3],從應(yīng)用、架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)等方面對IP技術(shù)創(chuàng)新進行了廣泛討論。FG-NET-2030的Network 2030白皮書[8]展望了未來的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù),包括全息通信、多維感知網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的時間工程、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的高可靠底層架構(gòu)等。

面對IP網(wǎng)絡(luò)“盡力而為”設(shè)計初衷所帶來的問題,全球各個國家和地區(qū)從戰(zhàn)略層面上對未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新及部署實施方面高度重視,通過支持未來網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域的科研項目來進行未來網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)的研究、創(chuàng)新,以及推進技術(shù)的試驗和驗證。2005年開始,美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation,NSF)設(shè)立了包括命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(Named Data Networking, NDN)、移動性第一(Mobility First)、NEBULA、表示型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)(eXpressive Internet Architecture,XIA)、機會網(wǎng)絡(luò)(Network Innovation through Choice,Choicenet)等在內(nèi)的5個未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究項目,促進未來網(wǎng)絡(luò)各項相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究的革新。2017年9月,NSF繼續(xù)發(fā)布了計算機與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)核心項目指南,重點支持計算機系統(tǒng)研究和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與系統(tǒng)(Networking Technology and System,NeTS)兩大核心計劃。其中,NeTS將聚焦幫助網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)進步的變革性研究以及引領(lǐng)未來新一代高性能網(wǎng)絡(luò)和未來互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)發(fā)展的系統(tǒng)研究。2014年開始,歐盟研究與創(chuàng)新計劃獲得800億歐元的資助開展為期7年的Horizon 2020研究計劃(即FP8計劃)[9],助力未來網(wǎng)絡(luò)科研成果的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化。2017年歐盟宣布將在2018-2020年繼續(xù)啟動第二階段的研究計劃,支持以5G網(wǎng)絡(luò)、B5G網(wǎng)絡(luò)為代表的未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究工作。我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、智能制造和機器人等列入“科技創(chuàng)新2030-重大項目”之中?！丁笆濉眹倚畔⒒?guī)劃》也明確提出超前布局未來網(wǎng)絡(luò),加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、空間互聯(lián)網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè),推動未來網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容發(fā)展。同時,2016年底,我國國家發(fā)展和改革委員會、科技部、國家自然科學(xué)基金委員會也大力支持未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究,積極設(shè)立新型網(wǎng)絡(luò)、未來互聯(lián)網(wǎng)等重大研究計劃。先后有關(guān)于軟件定義網(wǎng)絡(luò)、移動性管理、可管可控、互聯(lián)網(wǎng)安全可信模型等未來網(wǎng)絡(luò)相關(guān)方向的科研項目開始陸續(xù)啟動研究,積極推動未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的研究。2017年底,我國明確了推進IPv6規(guī)模部署的行動計劃,力爭建成全球最大規(guī)模的IPv6商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),形成下一代互聯(lián)網(wǎng)自主技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

當(dāng)前,網(wǎng)絡(luò)作為信息基礎(chǔ)設(shè)施,尤其是承載了工業(yè)、電力、金融等各種垂直行業(yè)應(yīng)用后,其業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)出了更加多樣、復(fù)雜、不確定等特征,導(dǎo)致基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新勢在必行。基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,并不是要從整體推翻現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一套全新的互聯(lián)網(wǎng),而是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)和運行邏輯等進行創(chuàng)新,在總體設(shè)計方面給出下一代互聯(lián)網(wǎng)演進發(fā)展的方案。因此,網(wǎng)絡(luò)5.0產(chǎn)業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟提出了IP網(wǎng)絡(luò)“階段化演進”的思路,即基于現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)分段演進,通過兼容性部署和增量式發(fā)展,使得現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)煥發(fā)出新的“內(nèi)源性”生機和活力,從而持續(xù)不斷地豐富和完善互聯(lián)網(wǎng)的能力體系。

2 網(wǎng)絡(luò)5.0的架構(gòu)頂層設(shè)計

區(qū)別于“重終端、盡力而為”的傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)5.0提出“以網(wǎng)絡(luò)為主體的端網(wǎng)協(xié)同、能力確定、安全內(nèi)生”的核心設(shè)計理念,突破了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)“面向終端設(shè)計、盡力而為”的固有思路,將未來信息通信技術(shù)發(fā)展的動力從終端牽引回網(wǎng)絡(luò),使得網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)運營方成為未來網(wǎng)絡(luò)的核心[10]。通過打造新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系,協(xié)同管理、控制和數(shù)據(jù)面,網(wǎng)絡(luò)5.0在網(wǎng)絡(luò)側(cè)實現(xiàn)對安全性、確定性、智能性、移動性與管控性的內(nèi)生支持,從而更加清晰地界定網(wǎng)絡(luò)空間主權(quán),更加有力地保障網(wǎng)絡(luò)空間安全,支撐網(wǎng)絡(luò)空間戰(zhàn)略。面向未來IP網(wǎng)絡(luò)演進的網(wǎng)絡(luò)5.0設(shè)計原則需要順應(yīng)IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史和趨勢,同時考慮“自頂向下”、演進與變革共存、融合創(chuàng)新等原則。

“自頂向下”原則,以架構(gòu)統(tǒng)一牽引系統(tǒng)創(chuàng)新。以IETF為代表的數(shù)通領(lǐng)域標(biāo)準組織大多采取“自上而下”的發(fā)展模式,網(wǎng)絡(luò)整體被強行拆分為路由、管理、安全、應(yīng)用等諸多方面。各方面的技術(shù)獨立向前發(fā)展,發(fā)展進度參差不齊,彼此之間難以形成合力。針對IP網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的困境,網(wǎng)絡(luò)5.0的架構(gòu)體系考慮到新業(yè)務(wù)新應(yīng)用的需求(尤其計算等元素的引入),將帶來設(shè)備、協(xié)議、調(diào)度、服務(wù)等不同層面的變化,需要“自頂向下”從架構(gòu)出發(fā)考慮整體設(shè)計,以網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)統(tǒng)一牽引路由轉(zhuǎn)發(fā)、安全、精細化資源管控等不同領(lǐng)域新技術(shù)的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

演進與變革共存原則,支持網(wǎng)絡(luò)平滑演進。面對傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的面向終端的設(shè)計理念,不斷“打補丁”的演進方式,已經(jīng)難以勝任業(yè)務(wù)和應(yīng)用的發(fā)展。端側(cè)功能日趨復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)被動響應(yīng),帶來諸多質(zhì)量、效率、安全、管控、能耗問題,特別是端到端的安全模型,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)空間安全邊界模糊,負面作用凸顯。面臨此挑戰(zhàn),網(wǎng)絡(luò)5.0體系架構(gòu)基于新應(yīng)用與新業(yè)務(wù)的接入和承載需求,繼承并發(fā)展了IP網(wǎng)絡(luò)的長處,即強大優(yōu)異的泛在連接能力、完備的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生能力、網(wǎng)絡(luò)為主體的能力輸出方式。主動向終端應(yīng)用輸出可信安全、資源管控、全維可定義的確定性和泛在移動性等網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生能力。網(wǎng)絡(luò)5.0體系架構(gòu)在承載網(wǎng)繼承性創(chuàng)新,繼承已有技術(shù)體制并演進型發(fā)展,即由繼承傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的分散的自治域組成,采用面向無連的技術(shù),基于統(tǒng)一的承載協(xié)議實現(xiàn)域內(nèi)和域間互聯(lián)。在繼承傳統(tǒng)IP優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,以超越IP的傳統(tǒng)思路為目標(biāo),提出可平滑分階段演進的未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思路。同時允許在有限域內(nèi),支持變革型技術(shù)體制的融合發(fā)展。

跨域融合創(chuàng)新原則,打造網(wǎng)絡(luò)級服務(wù)平臺。區(qū)別于“面向終端、盡力而為”的傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)5.0提出“以網(wǎng)絡(luò)為主體、能力內(nèi)生”的核心設(shè)計理念,打造新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系,協(xié)同管理、控制和數(shù)據(jù)面,在網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供安全性、確定性、智能性、移動性與管控性的內(nèi)生能力支持,構(gòu)建一體化的新型信息與通信技術(shù)(Information and Communications Technology,ICT)基礎(chǔ)設(shè)施,向各相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供網(wǎng)絡(luò)能力、計算能力及數(shù)據(jù)能力服務(wù)。以網(wǎng)絡(luò)為中心和創(chuàng)新基礎(chǔ),融合貫通算力、安全等多要素創(chuàng)新,提供多要素融合一體化服務(wù)。

3 網(wǎng)絡(luò)5.0體系框架設(shè)計

根據(jù)頂層設(shè)計理念,網(wǎng)絡(luò)5.0體系基于新型網(wǎng)絡(luò)體系,協(xié)同管理、控制和數(shù)據(jù)面,向各相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供網(wǎng)絡(luò)能力、計算能力及數(shù)據(jù)能力服務(wù),并使其更加有效地滿足萬物互聯(lián)、萬物智能、萬物感知的需求。網(wǎng)絡(luò)5.0體系框架(見圖2)能夠連接新網(wǎng)元、探索新協(xié)議、構(gòu)建新管控、支撐新業(yè)務(wù)[11]。

圖2 網(wǎng)絡(luò)5.0體系框架

新網(wǎng)元:更多新型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲元素以及算力元素的接入,構(gòu)建連接存儲、計算、內(nèi)容服務(wù)等多種要素的算網(wǎng)一體化演進的融合網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)的主體會不斷延伸,包括主機、虛擬機、容器、進程、線程,還包括服務(wù)和微服務(wù),從人到身份、從實體到虛擬體的全要素接入。

新管控:支持業(yè)務(wù)編排和智能運維功能,通過以人工智能(Artificial Intelligence,AI)為核心,以計算、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建算網(wǎng)大腦,通過控制層,不僅實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從傳輸、控制到管理的全面智能化管理,也包括對泛在算力資源和服務(wù)的統(tǒng)一管理?？刂茖幼鳛樗憔W(wǎng)大腦和基礎(chǔ)設(shè)施的接口層,一方面接收算網(wǎng)大腦下發(fā)的控制策略,并轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)或者算力設(shè)備可執(zhí)行的控制指令,下發(fā)至基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)或者算力設(shè)備;另一方面可以收集基礎(chǔ)和算力設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信息,本地處理決策,并反饋給基于AI/ML的大數(shù)據(jù)平臺。

新協(xié)議:以TCP/IP以及演進協(xié)議為核心,支持多語義尋址、變長地址尋址、網(wǎng)絡(luò)可編程,通過統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供對多場景和多應(yīng)用的靈活尋址能力。

新業(yè)務(wù):基于確定性IP能力的底層協(xié)議支持上層開展確定性服務(wù)業(yè)務(wù),支持5G網(wǎng)絡(luò)的承載、未來媒體演進的全息形態(tài)以及邊緣計算等重要場景。

4 網(wǎng)絡(luò)5.0的功能體系架構(gòu)

針對新應(yīng)用與新業(yè)務(wù)的接入和承載需求,網(wǎng)絡(luò)5.0的架構(gòu)體系[10]在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中分階段逐步引入智能化、確定性、差異化服務(wù)、泛在移動性,以及算網(wǎng)融合、安全增強等新能力,協(xié)同管理、控制和數(shù)據(jù)面,構(gòu)建計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)一體化的新型ICT基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)5.0的功能體系架構(gòu)如圖3所示,包括管理面、控制面和數(shù)據(jù)面功能。其中,管理面是指面向設(shè)備、用戶和業(yè)務(wù)管理功能的集合,用于負責(zé)監(jiān)測、配置和維護網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、用戶和業(yè)務(wù)等;控制面負責(zé)生成包轉(zhuǎn)發(fā)策略并下發(fā)給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備執(zhí)行,主要功能包括根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲或者服務(wù)請求調(diào)整路由轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則以及資源管控等操作;數(shù)據(jù)面根據(jù)控制面或管理面的指示進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)或者處理操作,如轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄、修改、封裝/解封等操作功能,也包括轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的隊列控制、門控調(diào)度、端口控制等,數(shù)據(jù)面又可以稱為轉(zhuǎn)發(fā)面或者用戶面。如圖3所示,網(wǎng)絡(luò)5.0功能主要由管理功能、控制功能和數(shù)據(jù)功能以及相應(yīng)接口組成。其中,用戶側(cè)設(shè)備包括傳統(tǒng)終端設(shè)備、新型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及更多的全產(chǎn)業(yè)和垂直行業(yè)設(shè)備,統(tǒng)一使用“終端系統(tǒng)”表示。功能實體之間通過不同的接口進行互通。終端系統(tǒng)通過用戶網(wǎng)絡(luò)接口(User Network Interface,UNI)對網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸和功能表達,如服務(wù)質(zhì)量表達、協(xié)議格式、傳遞身份、安全信息等。網(wǎng)絡(luò)管理實體通過Imc接口(m代表管理面,c代表控制面)對本網(wǎng)內(nèi)設(shè)備進行管理,該接口傳遞YANG模型等管理參數(shù)?？刂茖嶓w通過Icf(c代表控制面,f代表數(shù)據(jù)面)對轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備進行控制,如路由配置、隧道配置等。鄰近網(wǎng)絡(luò)間通過網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)接口( Network-Network Interface, NNI)(N代表運營商網(wǎng)絡(luò),可能包含管理面、控制面和數(shù)據(jù)面多個維度的交互)進行數(shù)據(jù)傳輸和功能表達,如通過隨路的信令傳遞數(shù)據(jù)包服務(wù)質(zhì)量要求、安全標(biāo)識、身份標(biāo)識等,同時也包括接收來自互聯(lián)網(wǎng)資源管理的信息,如IP地址分配、路由更新等。

圖3 網(wǎng)絡(luò)5.0總體架構(gòu)視圖

4.1 管理面功能

網(wǎng)絡(luò)5.0功能架構(gòu)管理面功能在繼承傳統(tǒng)的路由管理、設(shè)備和應(yīng)用管理、用戶和業(yè)務(wù)管理以及安全可信管理功能之上,增強相應(yīng)的功能,實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、用戶和業(yè)務(wù)監(jiān)測、配置和維護等功能,同時還包括與控制面和數(shù)據(jù)面的接口功能(見圖4)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)5.0管理面功能

如圖4所示,網(wǎng)絡(luò)5.0的管理面除繼承現(xiàn)有的設(shè)備和應(yīng)用管理機制之外,引入了去中心化的網(wǎng)絡(luò)資源所有權(quán)和映射的管理。網(wǎng)絡(luò)資源的核心有兩點,即資源的所有權(quán)及所有權(quán)間的映射。如IP地址的所有權(quán)、域名的所有權(quán),以及二者的準確映射關(guān)系,則組成了網(wǎng)絡(luò)上的域名解析系統(tǒng)。去中心化的網(wǎng)絡(luò)資源所有權(quán)和映射管理可以有效避免單點故障/作惡、誤配置及惡意刪改等操作,更加系統(tǒng)地保證網(wǎng)絡(luò)資源的所有權(quán)安全,間接增強網(wǎng)絡(luò)控制的能力。新型信任模型的引入,需要協(xié)議作為功能性支撐,保證對等節(jié)點間的信息交互和驗證過程。由于網(wǎng)絡(luò)5.0的路由尋址功能將傳統(tǒng)的路由、基于定長的IP地址的路由尋址拓展到變長地址空間和多語義的尋址能力上,網(wǎng)絡(luò)5.0的路由管理需要支持多語義拓撲管理和多語義的路由配置管理。網(wǎng)絡(luò)5.0新增用戶和業(yè)務(wù)管理功能側(cè)重于業(yè)務(wù)/應(yīng)用是否能有效地提供給用戶并保證用戶所需的差異化服務(wù)質(zhì)量,主要包括基于業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量管理、基于身份的服務(wù)質(zhì)量管理和基于應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量管理等內(nèi)容,通過識別更加細粒度服務(wù)質(zhì)量描述的標(biāo)識、用戶身份和應(yīng)用標(biāo)識,進而告知路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)行為和處理方式,實現(xiàn)以業(yè)務(wù)、身份和應(yīng)用等為基本單位的差異化服務(wù)質(zhì)量保障。

4.2 控制面功能

網(wǎng)絡(luò)5.0功能架構(gòu)控制面是邏輯上集中的控制實體(物理上可采用集中式資源實現(xiàn)或者分布式資源實現(xiàn)),功能主要包括傳統(tǒng)的路由與交換控制、網(wǎng)絡(luò)資源控制和安全防護控制以及相應(yīng)的增強功能。同時包括與管理面和數(shù)據(jù)面之間的接口(見圖5)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)5.0控制面功能

如圖5所示,網(wǎng)絡(luò)5.0的路由交換和控制功能將傳統(tǒng)的路由交換控制拓展到變長地址空間和多語義的尋址能力上,支持根據(jù)入網(wǎng)信息、配置、通告或其他手段,發(fā)現(xiàn)使用不同長度地址的主機、服務(wù)和連網(wǎng)實體的存在,建立統(tǒng)一的拓撲關(guān)系;網(wǎng)絡(luò)5.0的網(wǎng)絡(luò)資源控制需要在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源控制的技術(shù)如基于區(qū)分服務(wù)、流量工程等之上提供更加精細化的資源控制,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源如時隙、網(wǎng)絡(luò)拓撲、鏈路帶寬、鏈路時延、節(jié)點緩存及隊列等的精準配置和調(diào)度,以保障業(yè)務(wù)的特定服務(wù)等級協(xié)議(Service Level Agreement,SLA)需求。

4.3 數(shù)據(jù)面功能

網(wǎng)絡(luò)5.0數(shù)據(jù)面功能包括傳統(tǒng)IP數(shù)據(jù)面轉(zhuǎn)發(fā)功能和新增的數(shù)據(jù)面功能,具體包括協(xié)議解析與轉(zhuǎn)發(fā)、隊列調(diào)度及包處理和安全操作等功能;同時包括與管理面代理和控制面之間的代理功能,用于適配管理面和控制面,完成相關(guān)的管理和控制功能。

如圖6所示,網(wǎng)絡(luò)5.0的數(shù)據(jù)面新增功能主要分為兩類:一是對于變長IP地址的包頭解析,根據(jù)解析的報文頭部信息,確定報文所使用的變長IP地址長度、域類型等內(nèi)容,進而執(zhí)行后續(xù)的路由查找、入隊、丟棄等動作;二是對于多語義能力的擴展,主要包括對報文頭部信息的分析,確定頭部所包含的字段(域)和對應(yīng)長度。根據(jù)解析獲得的頭部信息,按照對應(yīng)的業(yè)務(wù)需求(如服務(wù)質(zhì)量等級)和用戶接口要求進行數(shù)據(jù)包處理,包括入隊、翻譯、封裝等。其中,也包括按需對于多語義的翻譯、映射等其他協(xié)議級處理能力。網(wǎng)絡(luò)5.0的安全體系在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)面安全功能上新增多級攻擊阻斷和內(nèi)嵌安全標(biāo)識兩個內(nèi)容。多級攻擊阻斷是指基于Shut-off協(xié)議等方法,使得分布式拒絕服務(wù)(Distributed Denial of Service, DDoS)攻擊的受害者網(wǎng)絡(luò)向攻擊源側(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信令,以請求源側(cè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)助清洗攻擊流量,而不僅僅在接收方(受害者)側(cè)使用集中式的流量清洗。地址內(nèi)嵌安全標(biāo)識是指在如IPv6的主機標(biāo)識部分使用加密算法,周期性地生成安全的加密標(biāo)識,使得本地網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)備可以識別,數(shù)據(jù)包的源地址標(biāo)識合法真實,防止傳統(tǒng)IP源地址天然的可偽造性。

圖6 網(wǎng)絡(luò)5.0 數(shù)據(jù)面功能

5 網(wǎng)絡(luò)5.0的組網(wǎng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)5.0旨在連接復(fù)雜異構(gòu)的終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,提供泛在的連接能力。除傳統(tǒng)數(shù)通網(wǎng)絡(luò)終端外,新型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、更多的全產(chǎn)業(yè)和垂直行業(yè)裝備通過運營商的用戶側(cè)設(shè)備(Customer Equipment,CE)接入網(wǎng)絡(luò)。新型的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如衛(wèi)星)出現(xiàn),提供平行于現(xiàn)有地基設(shè)施的空基骨干和接入能力。運營商網(wǎng)絡(luò)的管理實體對外與互聯(lián)網(wǎng)資源管理機構(gòu)交互,進行相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)資源的申請、分配、獲取等操作;對內(nèi)與控制實體交互,對數(shù)據(jù)面設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源進行管理。同時,邊緣云(Multi-access Edge Computing,MEC)部署在匯聚/接入網(wǎng)絡(luò)中,推進到距離用戶側(cè)較近的網(wǎng)絡(luò)邊緣,優(yōu)化服務(wù)體驗。如圖7所示,網(wǎng)絡(luò)5.0的確定性包含路徑的確定性、時延抖動的確定性和帶寬資源的確定性,可以通過隨路信令或控制網(wǎng)元下發(fā)指令的形式實現(xiàn)。靈活地址協(xié)議體系的短地址部分主要用于輕量級入網(wǎng)設(shè)備,通過出口網(wǎng)關(guān)進行對短地址的翻譯、嵌入或封裝;多語義部分主要用于異構(gòu)設(shè)備和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形態(tài),如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、算力網(wǎng)絡(luò)等。內(nèi)生安全部分主要體現(xiàn)在安全機制內(nèi)嵌到協(xié)議流程過程中,并以網(wǎng)絡(luò)層本身的功能存在,如密鑰嵌入包頭、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元隨路處理安全信息和密鑰。

圖7 網(wǎng)絡(luò)5.0組網(wǎng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)本身分為可信區(qū)域和非可信區(qū)域。一般來說,越靠近用戶側(cè)越偏向于不可信,進入CE之后,網(wǎng)絡(luò)本身由于訪問控制、加密等安全措施的實施被認為是可信區(qū)域。

基于網(wǎng)絡(luò)5.0的組網(wǎng)架構(gòu)視圖,進一步體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)5.0的體系架構(gòu)的主要特征。

(1)繼承性:網(wǎng)絡(luò)5.0的體系是基于傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施演進的創(chuàng)新,繼承了IP支持強大、泛在的鏈接能力,支持承載上層各種應(yīng)用的業(yè)務(wù)的優(yōu)勢特征。

(2)發(fā)展性:網(wǎng)絡(luò)5.0的體系創(chuàng)新不僅支持傳統(tǒng)的OTT(Over The Top)業(yè)務(wù),還通過在網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供安全性、確定性、智能性、移動性與管控性的內(nèi)生能力支持,構(gòu)建統(tǒng)一的ICT融合的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,向各相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供網(wǎng)絡(luò)能力、計算能力及數(shù)據(jù)能力服務(wù)。

(3)創(chuàng)新性:網(wǎng)絡(luò)5.0作為超越連接的服務(wù)能力與數(shù)字平臺,網(wǎng)絡(luò)所扮演的角色不再是簡單的連接媒介,而更應(yīng)是綜合信息服務(wù)平臺,進而支撐更多的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新。

6 結(jié)束語

本文對網(wǎng)絡(luò)5.0體系架構(gòu)演進的思考是對未來IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的展望和參考。為了滿足現(xiàn)在或者未來的業(yè)務(wù),尤其是B5G/6G的新場景、新需求,基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)需要在繼承IP優(yōu)勢的基礎(chǔ)上再發(fā)展,不僅支持OTT業(yè)務(wù),還需要以IP技術(shù)內(nèi)生確定性、內(nèi)生算力、內(nèi)生安全等能力的提升為基礎(chǔ)持續(xù)創(chuàng)新演進。基于網(wǎng)絡(luò)5.0的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計和使能還有諸多挑戰(zhàn),還需要業(yè)界更多的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)問題的研究和創(chuàng)新,共同打造可持續(xù)演進的新型未來網(wǎng)絡(luò)。