未来网络的发展趋势与机遇

刘韵洁,黄 韬,张 晨,刘 江

(1.北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室,北京100876;2.网络通信与安全紫金山实验室,江苏 南京211111)

0 引言

互联网已经成为人类社会的重要基础设施和国家的重要战略资源。 随着网络与社会发展的不断融合,互联网的业务形态和业务需求正在发生巨大变化。 业务类型从传统的话音型、消费型转变为生产型,网络需求也从尽力而为、不保障服务质量转变为强调确定性、差异性和服务质量保障。 未来业务如VR/AR、全息图像、交互式游戏、远程设备控制等对网络服务能力提出了更高的要求。 未来网络的技术和产业发展,已成为全球关注的重点领域和我国建设网络强国的核心基石。 本文将从未来网络的内涵、未来网络产业界技术进展,以及我国未来网络的发展建议三个方面,对未来网络进行分析和阐述。

1 未来网络的内涵

未来网络概念的提出,从体系架构的层面来讲,要有效且现实地解决传统互联网在可扩展性、安全性、移动性、可管理性等方面的问题,从“尽力而为”与“被动补丁”的现状,转变为实现“服务按需定制” “质量确定可控” “泛在安全可信”的愿景。

伴随着未来网络概念所演进的,是云计算、SDN/NFV、大数据、人工智能等技术的兴起,基于这些新兴的技术,未来网络在技术路线上将参照以下思路：① 网元层面,实现“硬件白盒化、软件虚拟化”;② 控制层面,遵循“基线分布式、优化集中式”;③ 管理层面,做到“状态可视化,运营智能化”。 由此导致的未来网络生态变化,可能会呈现出“开放开源” “按需随选” “共享平等”等特征,进而重构整个ICT 网络基础设施[1]。

从应用需求的角度来讲,未来网络要能够支撑车联网、工业互联网、远程医疗、全息全感通信等新型应用,满足业务海量连接、超低时延、巨型带宽的需求。 从业务场景来看,未来网络既要匹配新型的计算/存储架构,包括云计算、边缘计算、雾计算,又要覆盖传统各类场景,包括园区网、接入网、城域网、骨干网、数据中心网络等。 在此基础上,要形成“网络管道端到端编排” “云边端资源一体化调度”的能力,更好地支撑大数据、人工智能、区块链等新型业务,在广域网层面实现算力、数据、内容的一体化融合[2]。

另外,未来网络的应用很可能会超越目前所能看到的网络维度,结合B5G/6G 等移动通信技术,有望实现陆海空天一体化。 空天一体化卫星互联网,将支撑全时空、陆海空天、万物互联、泛在接入,具备高中低轨地面协同体系架构、异构无线传输接入及差异化QoS 服务质量保证等能力。 依托于此,未来的军事作战将呈现“多兵种、陆海空天一体化”的特征,形成“局部、系统、体系多级对抗”的能力,实现军用网络与民用网络的一体化融合。

2 未来网络的技术发展趋势

未来网络技术应具备支撑万亿级、人机物、全时空、安全、智能的连接与服务,支持超低时延、超高通量带宽、超大规模连接的能力,根据国际未来网络发展趋势及我国网络发展基本国情,从以下8 个方面就研究内容、关键技术等对未来网络技术发展趋势进行探讨。

(1) 空天一体化卫星互联网

空天一体化卫星互联网将空间网络与地面网络相融合,支持5G/6G 的星上部署,实现移动通信全覆盖、频谱全利用、应用全部署。 未来网络需要支撑陆海空天全时空的万物互联及泛在接入,涉及的关键技术主要有：低中高轨卫星与地面网络协同组网、多异构无线传输接入、星间拓扑频繁变动的路由算法、移动性管理与流量负载均衡、差异化QoS 服务质量保证。

(2) 太赫兹高频通信技术

太赫兹是位于微波与红外线之间频谱范围为0.1～10 THz 的电磁辐射[3],太赫兹技术的应用是6G 的关键内容之一,如何基于超高频太赫兹实现超宽带、超高速无线通信具有重要的挑战意义。 其中涉及的关键技术包括：① 太赫兹技术。 太赫兹处于宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学的过渡区域,需要对其特性展开研究。 ② 6G 无线频谱使用技术,如区块链与动态频谱共享结合。 ③ 基站小型化技术,如纳米天线。 ④ 广域场景下的万物互联与超密集组网。

(3) 面向各场景的网络切片技术

3GPP[4]将网络切片定义为支持运营商创建并定制网络的技术,以针对多种需求(如功能、性能和隔离性)为不同场景提供优化方案。 网络切片利用虚拟化技术,允许不同网络技术在通用基础架构上共存[5],通过合理的资源分配可为用户提供差异化服务,并有效降低成本。 未来网络应具备通过空口切片、接入网切片、传送网切片、核心网切片、骨干网切片,打造面向用户的端到端服务定制网络切片的能力。

(4) 低延迟、确定性网络

工业控制、远程医疗、VR 等新业务对时延具有很高的要求,如何准时、准确地控制端到端时延对网络提出了重大挑战[6],解决方案包括以下几个方面：① 设计源端出口带宽分配方案有效控制流量,使用Pacing 减少流量突发;② 按流量类型分配优先级队列,确定性时延流量分配至高优先级队列并严格控制队长,无时延需求的流量不作要求;③ 在TCP 协议层通过ECN,Credit 等机制减少拥塞。 确定性时延保障机制是通过逐跳控制队列长度,减少流量突发,实现逐跳确定性时延,最终实现端到端确定性时延。 典型确定性时延网络技术有FlexE[7],AVB/TSN[8]和DetNet[9]。

(5) 光网络与IP 网络协同调度

传统IP 网络与光网络分层规划、独立运维导致业务开通部署周期长、时延及抖动大等问题,通过协同控制器实现IP 网络与光网络的有效协同,有助于实现纵向跨层智能调度,构建面向未来的广域低时延网络。 其中涉及的关键技术包括：① 光层、IP 层、业务层等多层数据共享;② 协同带宽资源动态调整;③ IP 层与光层协同保护与故障恢复。

(6) 白盒化、软硬解耦

白盒化借助软硬件解耦,摆脱传统专有集成的设备方案以及对设备商的依赖,提供开放灵活的选择,达到开源和节流的目的[10]。 传统多机箱Multi-Chassis 架构存在高能耗、高价格、僵化的问题,而使用白盒化设备、软硬解耦的SDN/NFV 架构组网具有节能、低成本、灵活性高等优势。 近年来云服务商的服务器采购量逐年增加,预计很快将超过电信和企业级应用的需求量。 可以预见的是,数据中心服务器向白牌的变迁只是一个开始,IT 领域的白牌交换机和可重构分布式存储将随后而至。

(7) 网络/计算/存储一体化

面对AR/VR 等新业务的需求,如何以更高的质量和更低的成本将计算、存储与网络深度融合,并在一体化平台中融入内容分发能力将是未来网络的重要研究方向。 CDN 技术作为网络与存储融合的初步尝试,充分体现出网络与存储融合的有效性和价值,但其站点下沉面临着严重挑战,究其原因有两点：一是CDN 边缘化成本高,无用户规模的支撑;二是CDN 是封闭系统,ISP 参与难度大。 当前业界提出网络云化、云网一体等解决思路,通过构建具备灵活业务控制能力的大规模多云交换平台,支持私有云、公有云、工业云资源统一编排,支持异构厂商多云交换、多云互联,支持云边协同调度,按需分钟级开通云互联、云切片。 其关键技术包括高性能VR软路由器、云网协同与云切片、多云场景云资源(虚机/容器/存储等)统一编排等。

(8) 网络人工智能

人工智能技术为科技、社会的发展提供了新的模式和可能,在图像和语言处理、智能控制方面得到广泛应用。 网络人工智能针对大规模网络管理的迫切需求,基于人工智能技术研究通信网络的核心算法与理论,解决大规模复杂网络训练、多级人工智能协同设计的关键技术,简化人工操作,实现通信网络的高效自治。 网络人工智能体现在设备智能、网络智能和服务智能三个层次：设备智能包括拥塞控制、行为分析、服务适配和数据安全等方面;网络智能主要体现在流量工程、资源管理、故障恢复和智能安全等方面;服务智能主要体现在服务可用性、完整性分析、智能内容调度等方面。

3 未来网络的产业发展趋势

从国际未来网络发展趋势来看,全球网络通信产业经过多年的发展,目前已经形成了相对完善的生态链。 电信运营商、设备厂商、互联网公司等多方力量营造了相对开放的环境,共同推动技术的发展和应用。 运营商与厂商积极合作,共同推动产品和服务向全球化迈进。 厂商凭借资金等方面的优势,加速对业界初创公司的收购和整合,推出全新的面向市场的产品/服务。 未来网络领域正在“竞合”的理念下快速成长,逐渐在业界掀起新的浪潮,整个产业生态圈也逐渐发展壮大。

运营商是传统网络的规则制定者,但在虚拟化、白盒、软件定义、云计算等关键技术与架构的推动下,运营商的网络正发生着巨大而迅速的变化：接入网与城域网在SDN/NFV 的推动下,向资源 DC 化、设备白盒化、业务虚拟化的方向演进;骨干网迈上Tbps 级平台,带宽大颗粒化、路径调度智能化成为了大网的基础能力;由混合云带动的入云专线、多云带动的多云交换、SD-WAN 带动的企业WAN 重构,全方位地驱动着大网运营向云计算思维转型;另外,目前物联网、5G、边缘计算正处于产业爆发前期,固移融合、网络切片、云边协同将成为电信运营商未来网络发展的核心战略与命题。

设备厂家是网络技术发展的主要推动者。 从IP 技术标准角度来看,EVPN 和Segment Routing 在众多设备厂商的合力推动下,已经成为未来Overlay和Underlay 技术的标准组合,而SRv6 的发展方兴未艾,具备未来重新定义IP 技术体系的潜力。 从业务场景的角度来看,各大设备厂家都在形成端到端的SDN 解决方案,包括软件定义局域网(SDLAN)、软件定义园区网络(SD-CAMPUS)、软件定义广域网(SD-WAN)、软件定义数据中心网络(SDDCN)等;从设备形态角度来看,基于x86 的NFV 设备和基于商用ASIC 的白盒/灰盒设备,正在逐步打开传统网络设备市场封闭的大门;从芯片角度来看,ASIC 可编程能力逐步增强开放,NP 的市场空间正在被压缩,7 nm 和单片12.8 Tbps 的商用ASIC 产品已经量产,100GE/400GE 光模块正逐步就位,硅互联与硅光子技术有望在未来克服纳米工艺极限。

在未来网络领域的创新中,互联网公司日益成为重要的推动者和实践者。 在数据中心方面,Leaf-Spine 已经成为大型互联网公司的标准网络架构。在此架构下,自研白盒交换机成为主流趋势,传统的路由协议也正在被重新设计与定义,ECMP 及其增强成为DC 内部TE 的核心能力,Telemetry 成为可视化的关键方案。 以太网则将在2020 年开始逐步升级为100/400 Gbps,RDMA/RoCE 则在高性能存储和AI 的带动下崭露头角;在应用架构方面,虚拟机和容器已经成为主流的工作负载,OpenStack 和Kubernetes 成为DCOS 的事实标准,虚拟机和容器的大规模组网方案逐步成熟,基于Service Mesh 的微服务组网成为业界新的热点;在公有云方面,大型的互联网公司纷纷走上自研SDN/NFV 的技术路线,包括虚拟私有云、虚拟负载均衡、虚拟防火墙、混合云与 SD-WAN 等多种产品与解决方案,已逐步成熟并具备大规模提供服务的能力。 在公有云规模下,CPU 的处理性能已经很难满足业务的发展需要,各种硬件加速与协同处理技术成为新兴的技术发展方向。

4 未来网络的应用场景与机遇

现阶段,未来网络技术百花齐放,SD-WAN、多云协同、边缘计算、确定性网络、网络人工智能、开放开源等创新技术趋势正在深入影响和变革网络产业形态[11]。 面向4K/8K、AR/VR、工业互联网等新兴互联网应用发展的大潮,网络面临着一系列新的要求与挑战,未来网络与实体经济结合,将渗透到社会的方方面面,有十分巨大的市场前景。 未来网络技术的不断演进发展将驱动应用创新,极大地服务于社会发展。 未来网络技术将在工业互联网、车联网、天地一体化网络等领域实现重要突破和应用。

工业互联网作为制造业与互联网深度融合的产物,已成为新工业革命的关键支撑和智能制造的重要基石。 根据工业互联网协同制造、时延敏感、按需定制、安全可信等重大需求,研究服务工业企业的新型网络技术,并联合大型工业企业开展技术创新、工业互联网示范应用,对工业发展具有重要意义。

端到端可控军事网络面向未来多兵种、陆海空天一体化军事作战场景,亟需攻关高动态、高可靠、高抗毁的新型网络体系,形成局部、系统、体系的多级对抗能力。 网络建设主要包含两个层面：一是面向战略武器的远程协同控制需求,构建端到端确定性可控军事骨干网;二是面向大带宽全局态势信息实时同步需求,构建云网一体的广域数据中心互联网络。

软件定义天地一体化空间网络,目前在星地移动管理、星间路由算法及流量工程、星上资源约束、服务质量保证、低中高轨卫星协同组网等方面存在诸多挑战,涉及到的基本问题包括分区设计和分区映射。 分区设计将地面区域划分为合适的分区,并分配唯一区号作为位置标识;分区映射时,卫星需要根据当前的经纬度修正对应的分区。

面向海洋场景的立体通信网络需要在充分考虑海洋特性的基础上,建立按需服务的海洋立体通信网络平台,突破海洋宽带通信重大基础理论和核心关键技术问题,实现海洋通信网络立体覆盖及海上数据无缝实时高速回传,保证浮空、岸基、锚泊、卫星、舰船与地面网络互联互通,支持海上局部范围高速宽带通信,实现岸基、近海到中远海的全域交叉覆盖及不同环境下的多层次通信保障。

5 未来网络的发展建议

未来网络的发展对于我国网络强国、制造强国的发展和建设起到关键的基础支撑。 在网络体系结构方面,设计面向2030 的网络架构,支持AR/VR、全息通信、工业互联网、触觉互联网、车联网等新应用的交付,从根本上提供一个高质量的网络服务环境。 在未来网络核心关键技术方面,重点突破数据平面可编程、低时延与确定性网络、网络计算存储一体化、网络人工智能等一系列关键核心技术,支持实现“中国网络2030”,抢占未来网络技术发展高地。

在网络操作系统方面,要抓住时代赋予的机遇,加快在网络控制方面与业务编排方面的研发,改变我国缺“芯”少“魂”的现状,显著提升我国在网络操作系统领域的国际话语权和规则制定权;在重点应用领域方面,加强面向工业互联网、物联网、陆海空天一体化等重大场景的示范应用和成果输出,开展核心技术在这些重大场景的一系列示范应用,培育发展新动能,促进经济转型升级,增强我国在创新发展方面的核心竞争力。 通过加强技术和示范应用的发展和推广,进一步形成自主可控的未来网络产业生态链,致力于打造“芯片—设备—网络体系架构—核心关键技术—大规模未来网络试验设施—重大应用示范”的产业生态。 整合我国电信运营商、设备厂商、互联网公司、研究机构及高校的资源优势,在全国范围内形成多个知名的科研创新和产业创新高地。 打造未来网络教育平台,培养更多优秀的技术型人才,大幅提高我国在未来网络领域的创新能力,助力我国在未来网络技术和产业发展领域跻身创新型国家前列。