国家未来网络试验设施的特点及其作用发挥的思考

2020-09-29谭航

江苏通信 2020年4期

谭航

江苏省未来网络创新研究院

0 引言

2013年2月，国务院第8号文将未来网络试验设施（下称CENI）项目列入“国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030）”。该试验设施经过方案准备、可研准备和初步设计，确定从2019年开始进入项目建设阶段。该设施的特点是什么？它能给国家的网络创新及经济发展带来什么？其作用又该如何发挥？本文将就上述问题进行阐述和探讨。

1 国内重大科技基础设施发展现状与趋势

重大科技基础设施不仅是现代前沿科学研究取得重要突破的必要条件，更是对全面支撑国家科学技术发展、提升国家自主创新能力，具有重要战略意义。截至2019年底，我国已有在用重大科技基础设施26个，包括北京电子对撞机、上海光源、贵州FAST望远镜等，另有近30个设施在建或已布局。

近年来我国重大科技基础设施建设从概念、涵盖范围、建设布局、作用发挥等方面都呈现出加速扩展的特点。首先，随着科研活动从分散和孤立的小范围协作逐渐走向整体性、系统性和集成性较强的大规模研究，重大科技基础设施的概念和涵盖范围也随之变化。其从单指“Large Facility”逐渐过渡到“Research Infrastructure”，即从特定领域的大科学装置过渡到支持多学科领域研究群体共同研究发展；涵盖范围也从高能物理、核物理、天文、环境和材料等有限领域逐步扩展到几乎全部自然科学领域。设施的类型从最初仅包含单址设施，到现在包含大量分布式设施、移动设施和虚拟设施的融合。其次，未来网络试验设施作为国内网络与信息领域第一个重大科技基础设施，由于网络信息技术对科技、经济和民生多方面的重大影响，其设施亦具备了多址、多影响、多学科交叉的特点。该设施除了规模特征外，还将表现为通过网络的互联互通和大数据共享等方式，被多科研设施共享，对国内乃至全球研究界开放。

重大科技基础设施业已成为国家创新布局的核心和抓手。目前，我国已经批准了北京、上海、合肥、深圳4个综合性国家科学中心的建设方案，重大科技基础设施将在其中发挥重大作用。综合性国家科学中心将被打造成提升区域科学技术创新能力、带动区域经济社会发展的科技创新高地，在众多前沿领域产生一批具全球影响力的科技成果，带动经济社会稳定发展。

未来网络试验设施作为江苏省第一个重大科技基础设施，对争取下一个综合性国家科学中心的建设具有重大意义。该设施的建成、投入和使用，有利于科研和产业的集聚，地方政府也能够争取更多的相关产业项目落地，更好地提升产业品质，服务区域科技进步和经济发展。

2 未来网络试验设施建设目标

由江苏省未来网络创新研究院牵头，清华大学、中国科技大学（中科大）、深圳信息通信研究院（深圳信通院）参与共建的未来网络试验设施将是一个开放的、易使用、可持续发展的大规模通用试验设施。该设施可为研究未来网络创新体系结构提供简单、高效、低成本的试验验证环境，用以支撑我国网络科学与网络空间技术研究在核心芯片与关键设备、网络操作系统、路由控制技术、网络虚拟化技术、安全可信机制、创新业务系统等方面的科学研究并取得重大突破。设施可验证适合互联网运营和服务的网络场景，探索适合我国未来网络发展的技术路线和发展道路。

2.1 主要科技目标

（1）支持科学技术研究。支持互联网体系架构的创新研究，解决和改善互联网体系结构在扩展性、安全性、实时性、移动性、管理性等方面存在的重大技术挑战；支撑“互联网+”国家战略需求，满足“十三五”“十四五”期间国家关于下一代互联网、新型网络、网络空间安全、天地一体化网络等重大科技项目的试验验证需求，获得超前于产业5-10年的创新成果。

（2）支持网络关键技术和核心设备的研发与标准化，支持网络核心器件、设备与系统的测试试验，支持互联网运营和服务模式的创新场景验证，探索适合我国未来网络发展的技术路线和发展道路，促进产业创新与发展。

（3）提升国家网络空间竞争力，支持国家网络空间安全监测防范技术的攻防演练与安全保障能力的验证，使我国在网络空间国际竞争中掌握主动权。

2.2 主要建设目标

覆盖全国40个城市，支撑不少于128个异构网络和4096个并行试验，实现与现有网络（IPv4/IPv6）的互联互通，可高效承载已有的互联网业务。具体包括：

（1）未来网络试验设施的体系结构设计，研究并实现分层试验服务、网络管理与资源调度、网络虚拟化、可编程、联邦互联、协议无关转发等关键技术的突破；研制满足项目需求的分层服务网络设备和虚拟化可编程设备、网络操作系统、IP主干试验网资源调度与试验服务系统、IP主干试验网网络管理与安全监测系统等核心设备及系统。

（2）建设覆盖40个城市的基础底层网络和计算存储等基础设施，并提供分层试验服务能力。支持可编程虚拟网络的切片服务模式，支持基于IPv6和IPv4的分层服务（L3和动态L2）；支持计算存储设施的云化部署。建设以南京为中心的 “一总三分”运营管控中心，并实现与国外主流试验网和现有网络的互联互通。

（3）创建创新实验中心，研发建设典型的示范应用实例，建设未来网络测试和标准化平台，充分展示试验设施在网管调度、分层服务、可编程性、并行无干扰试验、试验资源的可视化管理、异构网络联邦互联等方面的特性和优势。

（4）利用设施为第三方用户提供试验应用，促进我国在网络体系结构、关键技术、核心设备与新型业务等方面的创新与应用，推动全国未来网络技术创新研究的广泛开展。

从设施的科学目标和建设目标看，未来网络试验设施既带有特定技术研究背景和创新的目的，也有为国家经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据和支撑并促进国家经济发展的作用。

3 设施主要方案特点

设施覆盖南京、北京、合肥、深圳等40个发达城市，其设施示意图如图1所示。

图1 未来网络试验设施示意图

设施系统的具体组成如图2所示。

图2 设施系统组成

设施主要特点包括：

（1）双数据平面，兼顾互联网发展的演进和革命创新

提供可编程组件，并在当前IP路由器基础上构建可编程新型网络。可编程网络平面具有对现有网络技术的升级特点，其融入SDN、NFV等新技术，支持Segment Routing等SDN功能，兼容支持IPv4/IPv6，具有稳定可靠又智能灵活的特点，可提供广泛的网络试验能力。该平面还与下述SDN创新平面互通，互为备份。

自主研发网络操作系统CNOS（包括SDN各级控制器和业务编排等相关系统），并以CNOS+白盒交换机构架建设创新型网络架构的数据平面（SDN网络平面）。该数据平面支持BGP、OSPF等传统IP协议，亦支持Segment Routing等SDN功能。支持IPv4/IPv6，也可支持非IP协议。该平面主干层级部分通过VxLAN（虚拟路由器实现）/VLAN（物理服务器实现）等方式实现接入与隔离，并为试验用户按需创建逐跳可控型试验网络，同时保证QOS选择。而其边缘（接入）侧除接入试验用户外，还可通过构建边缘云网融合的平台，实现资源调度、虚网划分、流量生成等功能，并为试验所需的流量和业务提供基础资源。

（2）互联互通与开放共享，兼顾广泛的实际应用支持和不断的科研创新验证需求

与仅通过单点互联实现互通能力的一般科研网络不同，CENI通过在北京、南京、深圳等七地建立多直联点，使设施与现有网络充分互通，提高路由效率，降低互通时延，利于发挥设施本身优于现有互联网的低时延、低抖动性能，更好地支持广泛的实体经济需求。

无地域限制的开放共享是CENI的独有特点。CENI通过软件开发部署和硬件设施建设，构建了遍布全国的网络基础设施。用户可自主注册账号，并据此构建属于自己的虚拟化试验网络切片，实现硬件资源、软件平台共享。

所谓硬件资源共享，是指用户接入此云网一体化平台，可将底层的硬件设施按需求进行虚拟化划分。各分划的资源彼此相互独立，可保证物理资源利用的最大化。所谓平台共享，则指用户可通过账号方式接入实验平台，利用硬件共享资源实现业务的定制和多元化业务的部署，可极大地提高业务的多样性。当用户需做一些网络仿真试验时，用虚拟化技术即可实现网络拓扑的任意定制。

（3）“一总三分”的运行管控中心设置，兼顾全网统一资源调度和共建单位独立创新需求

鉴于各共建单位的建设重点、创新重点及后续创新试验和服务需求均有所不同，故在北京、合肥、深圳三地分别建设设施运行管控分中心，以实现对自身域内网元的网络测量、安全监测和综合网管与服务支持。在南京设立运行管控总中心，实现全网资源的统一视图展现、统一调度管理和统一服务支持，这充分体现和满足了CENI网络设施的全程全网特点和管理要求。

4 设施运营和作用发挥

由于设备多省市分布、网管总分结构以及与外部科研网络、运营商网络多点互通的广域网络特性，CENI从建设伊始即带有特别的烙印：其运营管理有别于一般试验设施单一管理的传统方式，需要对全国网元进行全程全网的统筹管理和运营。

综合国家科技基础设施运营管理要求和网络设施运营要求，CENI运营和作用发挥宜考虑以下方面。

4.1 设施的作用

（1）设施的创新支撑作用

设施必须同时满足全国数千单位的并行试验需求，需要通过虚拟化技术提供数千符合新型体系结构、技术和应用实验需求的隔离的个体化实验环境，并支持IP/非IP等各协议类型试验。同时，在带宽、时延、抖动、安全策略等条件上，满足不同需求。设施需要提供对各类实验数据的全程抓取、分析和管理能力，还必须提供各类网络测试、业务生成工具，以满足不同类型的测试需求。

（2）设施的经济推动作用

随着实体经济与互联网的紧密联系，作为新型网络设施，应能够支撑面向诸如工业企业的“互联网+”等相关网络应用和网络产品创新需求，从而为推动经济发挥作用。多直连点的设计及建设，使得CENI不同于一般的教育网、科研网，它可以更好地支撑实体经济面向“互联网+”的需求。例如，面对工业互联网外网对时延、抖动等性能的要求，CENI的技术创新特点可以使其较运营商网络更有优势，以它作为工业互联网的骨干外网来连接企业，承担企业诸如总分互联、企业上云、多云互联等场景需求，可为协同制造、云仿真、数字孪生等新业务提供高质量网络服务。

为更好地支持技术创新试验并服务好国家经济“互联网+”的发展，需要考虑和建立一个响应快速、维护高效的运维、客响体系。从建设中期起，就需要尽快建立一个比一般基础设施更加严格的全网“运维指标”和“服务指标”，同时需要一批专业的队伍去落实相关指标。

4.2 设施运营的考虑

我国重大科技基础设施的运营一般均由建设单位承担。但对CENI这样一个全国性网络设施，可探索设施所有权、管理权及运营权适度分离的方式，即以委托代理运营方式来实现专业化、市场化的管理运营。各方通过明确的责权利关系，形成一套任务分工明确、人员聘用灵活、考核激励有效的机制，以解决建设管理方在管理程序、激励制度等方面可能出现的限制或结构性矛盾，并挖掘好设施资源潜力，做好运营服务工作。

设施所有方和管理方应履行好管理责任，承担好设施服务国家的义务，要牵头建立服务开通响应体系、运维质量保证体系，支撑设施的正常运行。同时，宜以竞标或议标方式委托合适的第三方进行代维及运营。第三方应通过专业化的运维工作，确保网络服务指标，完成“开放共享”和科研试验任务。同时，第三方还应充分挖掘资源潜力，发挥全网资源能力，竭力拓展服务范围，适当并有效地进行有偿服务，包括技术试验、行业应用服务等，给设施所有方和管理方适当收益回馈以补充设施运行需要的相关成本支出，弥补国家下拨运维资金的不足。

4.3 设施的其他作用

设施管理方还应考虑按“开放共享”要求发挥设施在教育、科普、人才培养等方面的社会作用，应努力与国家及地方的科研学术机构（团体）、教育宣传等机构建立相关基地，与院校企业成立联合实验室或创新机构，进一步发挥设施在人才培养、社会公益等方面的作用。此外，管理方还应意识到设施为属地服务的作用，积极依托设施产出的科研成果，促进属地创新创业生态打造和人才、产业集聚。