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未来网络技术与发展趋势综述.docx
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未来网络技术与发展趋势综述.docx
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1 引言
互联网是人类历史上最重要的基础设施之一。互联网已经从最初的科研型
网络发展成消费型网络,目前正在向生产型网络转变,未来网络发展迎来新的
机遇。在互联网过去几十年的发展过程中,涌现出一系列优秀的技术和标准,
如 TCP ( transmission control protocol ) /IP ( Internet
protocol ) 、 OSPF ( open shortest path first ) 、 BGP ( border gateway
protocol ) 、 MPLS ( multi-protocol label switching ) 、 IPv6 ( Internet
protocol version 6 ) 、 BBR ( bottleneck bandwidth and
RTT)、QUIC(quick UDP Internet connection )、SDN(software defined
network ) 、 NFV ( network function virtualization ) 、 VxLAN ( visual
extensible local area network)等,以及移动通信网络领域的 3G/4G/5G 网络
相关技术等,这些技术为互联网的发展演进提供了重要支撑,做出了历史性贡
献。然而,随着互联网功能从“信息传输”向“产业服务”转变,传统互联网技术正
迎来新的挑战。
从需求驱动角度看,新的业务将对未来网络提出更高的要求。业界预测,
未来网络将需要满足超低时延(毫秒级)、超高通量带宽(> 1 Tbit/s)、超大
规 模 连 接 ( >1 000 亿 连 接 ) 等 需 求 。 例 如 , 在 消 费 型 业 务 领 域 ,
AR(augmented reality)/VR(virtual reality)/3D 通话、全息传送、交互式
游戏等沉浸式业务将对网络低时延、大带宽性能提出更高要求;在工业互联网
领域,精仪制造、远程工控、数字孪生等生产性业务则要求网络具备更好的低
时延、低抖动能力;在车联网领域,自动驾驶、车路协同、无人车、无人机、
无人船等新兴业务则会对网络提出低时延、高可靠的双重需求。此外,参考
Gartner 近期发布的 2020 年十大技术性趋势,超级自动化、透明度和可追溯性、
授权边缘、分布式云、自主设备、实用区块链、AI(artificial intelligence)安
全等技术和应用将对互联网提出更高要求,推动未来网络向智能化、柔性化和
可定制化方向发展。
从技术挑战角度看,未来 10 年互联网在可扩展性、移动性、安全性、服务
质量保障、高效服务分发、绿色节能等方面,仍将面临巨大挑战。虽然从 21 世
纪初开始,一些问题已被学术界意识到,并开展了诸多创新性研究,然而很多
技术难题仍未能从根本上解决,并且随着网络规模日益增大而变得愈加严峻。
例如,在可扩展性方面,网络流量增长速度远高于芯片处理性能增长速度,如
何构建新一代网络芯片甚至变革网络架构体系,以满足未来 10 年网络流量爆炸
性增长需求成为新的难题;在服务质量保障方面,传统 TCP/IP 网络遵循“尽力
而为”的设计理念,网络设备主要负责数据分组的转发,网络侧重公平性原则,
不强调对全网的可管可控,然而随着新业务对服务质量保障需求的增加,未来
网络亟须增加差异性服务能力,实现网络端到端确定性可控。
为解决传统互联网暴露出的种种问题,世界各国都在积极探索未来网络相
关技术方案,并抢先展开战略布局。通过设立重大项目,从“网络体系架构设计”
和“网络试验平台构建”这 2 个角度入手,探索新的网络体系并进行测试验证,本
文首先系统地追踪了国内外未来网络学术界和产业界的最新发展情况,在此基
础上再从网络体系架构和创新试验平台 2 个角度展开分析。“网络体系架构”是目
前网络研究领域公认的一项科学难题,也是当前世界各国信息网络领域争相研
究的焦点。本文系统梳理了近 10 年未来网络体系架构方面的研究进展和思路,
并在此基础上提出了思考和设想。“网络创新试验平台”作为未来网络技术创新研
究的基本手段,在国际上得到广泛重视,全球已经建立了超过 10 个大规模网络
试验设施。本文系统梳理了全球网络创新试验平台的主要思路和最新进展,并
在此基础上介绍了中国主导建设的未来网络试验设施的核心思路及发展趋势。
面向 2030 年的需求,本文期望构建可提供“万亿级、人机物、全时空、安
全、智能”的未来网络。然而,网络的创新发展必须要兼容现有的基础,即使提
出革命性的创新技术也需要找到演进式的部署路线,本文在对未来网络体系架
构研究的基础上,梳理了网络控制编排、网络深度可编程、网络确定性服务、
网络计算存储一体化、网络空天地海一体化、网络+人工智能、网络+区块链、
智能安全网络八大核心技术,并给出了业界最新进展及其发展趋势的思考。最
后,本文给出了面向 2030 的未来网络发展展望。
2 未来网络体系架构
2.1 国内外未来网络体系架构研究进展
自未来网络的概念提出以来,各国高度重视未来网络体系架构的创新研究 ,
并纷纷加大投入力度支持学术界对未来网络架构进行探索。美国未来网络研究
项目主要由国家科学基金会(NSF)管理,包括未来互联网设计(FIND, future
Internet design)和未来互联网架构(FIA, future Internet architecture)计划。
FIND 从 2005 年开始资助了关于新型网络体系结构、网络虚拟化、网络感知测
量 等 方 面 的 近 50 个 研 究 项 目 , FIA 于 2010 年 启 动 , 对 命 名 数 据 网 络 、
MobilityFirst、XIA(expressive Internet architecture )、Nebula 等项目提供
支持,从内容中心网络架构、移动网络架构、网络安全可信机制、分布式数据
中心互联等方面探索未来网络关键机制。
欧盟第七框架计划(FP7, 7th framework programme)以探索克服现有网
络问题的全新整体性解决方案、设计运营商未来网络架构为目标,从 2007 年开
始 启 动 了 FIRE ( future Internet research and experiment
initiative)、4WARD、SAIL(scalable and adaptive Internet solution )等一
系列未来网络体系结构相关的项目。目前,主要由欧盟创新框架计划 Horizon
2020 对 信 息 和 通 信 技 术 ( ICT, information and communications
technology)系统的研究和开发进行支持,包括 5G 相关技术研究、下一代计
算系统和技术,以及未来网络软硬件、基础设施、技术与服务、内容技术和信
息管理等方面。
日本国家信息通信技术研究院(NICT)于 2006 年启动 AKARI 研究计划,
该计划提出新一代网络的概念,其核心思想是在考虑与现有网络过渡问题的基
础上研究创新网络架构,并提出了未来网络架构设计的三大原则:简单、真实
连接和可持续演进。随后,NICT 对 AKARI、JGN-X(Japan gigabit network
extreme)等多个项目进行整合,形成新一代网络研究与发展计划,该计划涉及
网络架构、光、无线和安全等领域,致力于解决当前网络存在的问题并促进未
来网络的可持续发展。
我国科研人员从 2007 年开始跟踪未来网络领域的发展,国家科技部、自然
科学基金委等也启动了“新一代互联网体系结构与协议基础研究”“未来互联网寻
址机制与节点模型”“面向服务的软件定义网络体系架构与关键技术研究”等一系
列项目,中国科学院与中国工程院在相关报告中也明确提出加强未来网络领域
研究的必要性与紧迫性。从 2018 年开始,科技部又进一步启动了宽带通信与新
型网络专项、天地一体化信息网络重大工程、人工智能重大专项等研究,期望
能在网络体系架构方面取得进展和突破。
国内外未来网络体系架构的研究主要从简化网络结构、增强可扩展性和兼
容性等方面进行,形成的主要研究成果总结如下。
Plutarch 架构
[1
]
支持网络的异构性。XIA 架构
[2
]
支持以内容、服务、用户等
多类主体为中心的网络。文献[3
]认为互联网架构的基础是各种网络的组合而非
简单的层级集合,互联网持续发展的关键在于理解和建模网络组合体系结构。
文献[4
]为实现全新替代方案和兼容性的折中,提出一个支持全新部署的后向兼
容互联网体系架构,该架构通过简化部署、允许应用同时使用多个共存框架,
引导互联网架构的永久性变革。目前,未来网络架构方面的主要研究成果包括
软件定义网络、信息中心网络、移动网络(5G)、无线网络、雾计算/移动云计
算、物联网等。
软件定义网络将网络的控制功能抽象为逻辑集中的控制平面,对底层设备
资源进行管理并支持可编程,数据平面负责转发操作,具备良好的灵活性、可
控性,其中涉及的关键技术包括网络交互协议、网络控制器和控制平面可扩展
性研究。
信息中心网络指出,用户访问网络的目的是获取信息,网络的基本行为模
式应当 是 请求和 获取信 息 ,以 信息为 中 心可以 提 高资 源 利 用率 和 服务 质 量 。
CDN(content delivery network)/NDN(named data networking)是可适应
当前内容获取模式的新型互联网架构,该架构保留了 IP 协议栈的沙漏模型,细
腰层使用类似统一资源定位符(URL, uniform resource locator)的层次化内容
命名方式,涉及的关键技术包括命名机制、缓存策略、路由与转发机制以及移
动性。
移动和无线网络(MobilityFirst)是面向资源有限的移动及无线场景,以移
动终端作为主流设备、稳健、可信、安全的网络体系架构,该类架构需具备的
技术特征包括:支持异构设备的共存性、与硬件解耦并具备灵活的控制接口、
支持快速的全局域名解析、核心网络采用扁平地址结构、支持可编程的移动计
算模式。
云网络(Nebula)是基于云计算的网络架构,结合网络虚拟化、SDN、云
计算等技术,促进网络计算、存储和传输资源的管理控制。云网络架构一般分
为基础设施层、平台层和软件服务层,云中构建的主要网络包括公共网络、管
理网络、存储网络和服务网络。公共网络向外部用户提供访问;管理网络用于
管理云中各物理节点间的通信;存储网络可用于建立存储池;服务网络是纯虚
拟网络,在物理主机间使用隧道技术构建。
4K/8K、AR/VR、全息全感通信、工业互联网、车联网等新应用场景的出
现 使未 来网络 需 要具 备 哪 些能 力 与功能 成为未 来 网络 发展 亟须 考 虑的问 题 。
2018 年 7 月,ITU 成立了网络 2030 焦点组(FG-NET-2030, Focus Group
on Network 2030)专门研究传输这些新应用所需的网络技术,研究范围包括
2030 年及以后的未来网络架构、需求、使用场景和网络功能
[5
]
。该焦点组指出
未来网络的研究可以从新的垂直行业、新通信服务和空天地网络基础设施 3 个
角度出发。新的垂直行业需要对工业自动化和个人近实时全息通信体验提供支
持;对于新通信服务,网络 2030 将开发一种具备新型网内服务的模型,支持应
用更智能、高精度地与网络交互,满足应用对确定性时延的需求,并将服务形
式化;空天地网络基础设施需要把握使用对象及所需服务类型。该焦点组关注
的重点领域包括时间保证通信服务(准时服务、及时服务、协调服务)、具有
复杂约束的通信服务(如全息通信、全感官沉浸式体验)、异构网络基础架构
共存(如光网络、分布式数据中心、公有云、卫星网络)、新垂直行业(如自
动工厂、沉浸式教育)以及与下一代移动技术的关系。中国于 2018 年 6 月成立
了网络 5.0 产业和技术创新联盟,主要针对下一代数据通信网络愿景、架构、技
术验证、部署与运营等展开研究,推动数据网络技术演进,目前已与 FG-NET-
2030 在未来网络应用场景研究与技术创新等方面建立合作关系。
国内高校、科研院所也同步展开了地址驱动网络
[6
]
、智慧标识网络
[7
]
、多模
态智慧网络
[8
]
、双结构网络
[9
]
等一系列新型网络体系架构的探索,为未来互联网
的发展提供了新的思路。
2.2 对未来网络体系架构的思考
未来网络在面向 2030 的系统架构与能力上面临巨大的挑战。挑战之一,来
源于目前 IT (information technology)与 CT(communication technology)
的加速融合,网络与计算/存储的边界正在逐步模糊,各类 IT 与 CT 资源正在广
域网范围实现一体化,并统一按需提供服务,这将推动互联网架构从传统的“以
网络资源为中心”转变为未来的“以应用服务为中心”。挑战之二,来源于产业互
联网的潜在爆发,相关的自动化要素通过互联网进行流通与协同,对于网络传
输的带宽、时延、抖动等指标提出了更精细量化的需求,这将导致互联网的能
力从传统的“随机不可控”进化为未来的“确定可预期”。
上述的变革与挑战,是未来网络体系架构需要重点关注与解决的问题,同
时也是面向 2030 年未来网络所面临的重大机遇,因此,需要通过设计“以应用
服务为中心”的“服务定制网络”
[10
]
来解决上述挑战。服务定制网络以简单开放、可
扩展、安全、融合为设计原则,以为不同应用服务提供差异化组网能力为主要
目标,支持计算及存储资源的在网高效灵活调度。
服务定制网络愿景与路线的实现,需要综合使用、探索各类新型网络技术 ,
并组合形成完整的服务定制网络技术栈。软件定义网络、软件定义广域网、网
络功能虚拟化等技术,可为服务定制网络提供灵活的管控能力,支撑实现协议
全 栈 开 放 可 定 义 。 白 盒 转 发 设 备 、 协 议 无 关 编 程 语 言 、 SRv6 ( segment
routing IPv6)转发编程框架等技术,可为服务定制网络提供灵活的转发行为,
支撑实现设备转发开放可编程。时间敏感以太网、灵活以太网、确定性网络等
技术,则可为服务定制网络提供精细化的服务保障能力,支撑实现传输质量确
定可预期。
值得注意的是,实现网络底层融合计算存储也是服务定制网络的一个重要
理念,通过在网络中分发调度计算与存储资源,可有效降低业务时延并减少信
息冗余。随着云计算与边缘计算的加速应用,展望 2030 年的未来网络,服务定
制网络将原生结合云计算/边缘计算,在广域范围实现网络、计算、存储的超融
合一体化,使各种应用服务资源(如算力、数据、内容等)在运营商“云、边、
端”多个层次,甚至跨多运营商的广域网络范围内进行智能动态分布和按需连接
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