對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系變革的思考

1、 對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系變革的思考 摘要：互聯(lián)網(wǎng)已走過(guò)了50年，其發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了初衷，各類(lèi)新業(yè)務(wù)與應(yīng)用加大了網(wǎng)絡(luò)體系變革的壓力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系顛覆性的探索和演進(jìn)創(chuàng)新一直在進(jìn)行。近年來(lái)關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)體系的演進(jìn)方向逐漸明朗，從傳送模式創(chuàng)新、虛擬化和云化3個(gè)方面，分析了網(wǎng)絡(luò)體系變革給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，指出變革將開(kāi)拓網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新的空間。Reflections on the Reform of Network Architecture(Chinese of Academy Engineering，Beijing 100088，China)Abstract:The Internet has been dev

2、eloped for 50 years，and its development is far beyond the original intention.All kinds of new business and applications have increased the pressure of network system reform，while the disruptive and evolution innovation of the network architecture has been constantly carried on.In recent years，the ev

3、olution direction of 5G network architecture is gradually clear.In this paper，the opportunities and challenges to operators are analyzed from innovation of the transfer mode，the virtualization and the cloudization.It is pointed that transformation will bring the innovation of network technology and

4、business application.Key words:Internet; network architecture; 5G transfer mode; virtualization; cloudization從1969年美國(guó)APARNET算起到，互聯(lián)網(wǎng)走過(guò)了50年，全球互聯(lián)網(wǎng)普及率超過(guò)55%。中國(guó)全面接入互聯(lián)網(wǎng)也有25年，普及率高于全球平均水平1?；ヂ?lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)之初主要考慮的是抗毀性和異構(gòu)設(shè)備互聯(lián)及效率；但現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)超越初衷，從學(xué)術(shù)研究到商業(yè)應(yīng)用，從數(shù)據(jù)到話音、視頻，從固定業(yè)務(wù)到移動(dòng)業(yè)務(wù)，從面向人的通信到物聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)在又從消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。以支持固定終端盡力而為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

5、為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)體系，其承受能力超出了我們的想象；但面對(duì)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)高可靠和低時(shí)延性及高安全性的要求，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系還能夠繼續(xù)適應(yīng)應(yīng)用的擴(kuò)展嗎？關(guān)于下一代互聯(lián)網(wǎng)的研究從20年前就開(kāi)始了，現(xiàn)在以國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）為代表的機(jī)構(gòu)又開(kāi)啟了面向大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算和5G的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究2。關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)體系的研究一直以來(lái)有2條路線，即演進(jìn)路線與革命路線。前者針對(duì)新出現(xiàn)的問(wèn)題以修補(bǔ)或新增協(xié)議的方式來(lái)應(yīng)對(duì)，但會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性而難于管理，或帶來(lái)過(guò)多的開(kāi)銷(xiāo)而失去效率。革命路線以顛覆現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系為目標(biāo)，例如：2005年美國(guó)的全球網(wǎng)絡(luò)環(huán)境創(chuàng)新（GENI）計(jì)劃本希望創(chuàng)造新的網(wǎng)絡(luò)和分布系統(tǒng)體系；但其追求過(guò)于完

6、美，試圖解決互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的所有問(wèn)題，至今已過(guò)去了十多年，卻與很多類(lèi)似的研究項(xiàng)目一樣尚未能取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。GENI現(xiàn)在將關(guān)注點(diǎn)回到軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）3。因?yàn)閷?duì)互聯(lián)網(wǎng)流量流向的研究未能得出接近實(shí)際的數(shù)學(xué)模型，仿真還不能反映實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，產(chǎn)品性試驗(yàn)床有實(shí)際用戶(hù)但變化不夠，研究性試驗(yàn)床有較多的變化但缺少實(shí)際用戶(hù)；因此，與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模和應(yīng)用多樣性及隨機(jī)性相比，試驗(yàn)網(wǎng)難當(dāng)此任。面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)體系研究的兩難境地，我們有必要回顧互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史。在互聯(lián)網(wǎng)概念提出之前有X.25面向連接的分組網(wǎng)，但只考慮支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。在互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之后的80年代初，異步傳輸模式（ATM）被提出，它使用的是

7、面向連接的分組通信，固定包長(zhǎng)，可支持話音、視頻與數(shù)據(jù)。ATM很理想，但在當(dāng)時(shí)看相當(dāng)復(fù)雜，輸給了不理想但簡(jiǎn)單的IP。IP設(shè)計(jì)之初僅考慮支持無(wú)連接的數(shù)據(jù)通信，這是原有通信網(wǎng)絡(luò)的弱項(xiàng)，而且在當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量占比很少。另外，IP開(kāi)放的架構(gòu)可在數(shù)字化的任何網(wǎng)絡(luò)上（包括電路交換的程控電話網(wǎng)）運(yùn)行，對(duì)底層通信設(shè)施沒(méi)有特別的要求，生存空間廣闊，而且互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始規(guī)模不大，也沒(méi)有商業(yè)化的壓力，從單一應(yīng)用切入站住了腳?；ヂ?lián)網(wǎng)于90年代才開(kāi)始探索支持基于IP的語(yǔ)音傳輸（VoIP），逐漸滲透到電信網(wǎng)的所有業(yè)務(wù)，成為傳統(tǒng)電信網(wǎng)技術(shù)的成功顛覆者。現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模大、應(yīng)用廣，要想通過(guò)革命性方式解決現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題難度太大，難

8、以驗(yàn)證所提出的全盤(pán)改造互聯(lián)網(wǎng)的方案；因此探討從某一點(diǎn)改進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)也許是合適的切入點(diǎn)。5G應(yīng)用場(chǎng)景所要求的超寬帶、大連接、低時(shí)延和高可靠對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，加速了對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系研究的進(jìn)程。按照思科的報(bào)告4，移動(dòng)IP流量占全網(wǎng)IP流量之比為11.03%。從流量看，移動(dòng)網(wǎng)占全網(wǎng)比例不算高，移動(dòng)網(wǎng)體系的改造對(duì)全網(wǎng)影響不大。從這一角度看，5G適合于作為切入點(diǎn)探討互聯(lián)網(wǎng)體系的變革或演進(jìn)。5G在網(wǎng)絡(luò)體系方面5-6的一個(gè)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)發(fā)模式的創(chuàng)新。在網(wǎng)絡(luò)層引入分段選路（又稱(chēng)為源選路）的概念，源節(jié)點(diǎn)按照每次通信首個(gè)IP包的特征來(lái)配置流表，用于指示報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑；該次通信的后續(xù)IP包被抽象為同一流，中間的節(jié)點(diǎn)無(wú)需再

9、感知業(yè)務(wù)狀態(tài)，只需維護(hù)拓?fù)湫畔⒉戳鞅韴?zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)功能，相當(dāng)于面向連接分組通信。這與傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)按無(wú)連接方式工作不同。在無(wú)連接模式下，對(duì)具有相同源地址和相同目的地地址的同屬一次通信的各IP包獨(dú)立處理而不考慮它們前后的關(guān)聯(lián)，而且各IP包在沿途各節(jié)點(diǎn)均獨(dú)立選路。這是在互聯(lián)網(wǎng)之初的網(wǎng)絡(luò)可靠性不高的情況下，以時(shí)延和效率為代價(jià)換取靈活性和生存性。5G的新轉(zhuǎn)發(fā)模式還表現(xiàn)在以64 B/66 B碼塊為單位的以太網(wǎng)中繼，可代替小顆粒性的IP包作為單元來(lái)選路，即以1.5層的交叉連接代替第3層的選路，轉(zhuǎn)發(fā)效率更高，時(shí)延更短，特別適合支持寬帶視頻業(yè)務(wù)。以太網(wǎng)技術(shù)還被應(yīng)用到5G的前傳網(wǎng)絡(luò)。前傳如繼續(xù)使用時(shí)分復(fù)用同步數(shù)字體

10、系（SDH）技術(shù)，其傳送帶寬是固定的，不會(huì)隨實(shí)際業(yè)務(wù)負(fù)荷而變，而且大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）下的帶寬太高而難以承受，基于以太網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)復(fù)用可動(dòng)態(tài)適應(yīng)業(yè)務(wù)流量并降低帶寬壓力。為了克服傳統(tǒng)以太網(wǎng)的不確定性，利用以太網(wǎng)報(bào)頭虛擬局域網(wǎng)（VLAN）中的服務(wù)類(lèi)型指示來(lái)區(qū)分高優(yōu)先級(jí)流量和后臺(tái)流量，為高優(yōu)先級(jí)的幀提供搶占功能，這被稱(chēng)為時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。5G網(wǎng)絡(luò)體系的另一個(gè)特點(diǎn)是虛擬化?；赟DN實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)面與控制面分離，基于NFV從黑盒設(shè)備中解耦出網(wǎng)絡(luò)功能軟件，支撐了數(shù)據(jù)面與用戶(hù)面的分離，并實(shí)現(xiàn)了硬件的白盒化。5G還將采用基于服務(wù)架構(gòu)（SBA），借鑒IT領(lǐng)域的微服務(wù)理念，將軟件分解為細(xì)粒度的模塊化組件。

11、每個(gè)微服務(wù)可獨(dú)立地進(jìn)行部署、升級(jí)和擴(kuò)展，這相當(dāng)于傳統(tǒng)電話網(wǎng)中智能網(wǎng)的思路；但不同的是5G通過(guò)開(kāi)放應(yīng)用程序編程接口（API）來(lái)實(shí)現(xiàn)微服務(wù)的集成，以提升應(yīng)用開(kāi)發(fā)的整體敏捷性和彈性。在上述基礎(chǔ)上5G進(jìn)一步發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)切片。5G既需要支持峰值高達(dá)20 Gbit/s的視頻也要應(yīng)對(duì)大量千比特每秒級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)連接，5G既要支持高鐵類(lèi)高速移動(dòng)業(yè)務(wù)也有大量固定或低速移動(dòng)業(yè)務(wù)，各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)可靠性和時(shí)延的要求有很大差異。在不改變物理基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，針對(duì)用戶(hù)的不同業(yè)務(wù)需求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制面的協(xié)同編排，動(dòng)態(tài)地將相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源組成切片，即為每一種業(yè)務(wù)建立邏輯上的VPN，各切片間業(yè)務(wù)隔離。5G的網(wǎng)絡(luò)虛擬化還表現(xiàn)為異構(gòu)接入組網(wǎng)，

12、在密集微蜂窩的情況下，為了避免用戶(hù)信令的頻繁切換，信令接入到宏蜂窩而用戶(hù)數(shù)據(jù)接入微蜂窩，即控制面與用戶(hù)面分離。在5G的情況下，則取決于信道性能，用戶(hù)的上下行可能不在同一個(gè)微蜂窩，甚至下行在5G而上行在4G，將過(guò)去的以小區(qū)為中心發(fā)展到以用戶(hù)為中心。5G網(wǎng)絡(luò)體系特點(diǎn)之三是云化。5G的核心網(wǎng)有云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)和大數(shù)據(jù)的分析，支持無(wú)線資源管理、能力開(kāi)放和網(wǎng)絡(luò)資源編排等與控制面有關(guān)功能，以及支持各業(yè)務(wù)流共享高速存儲(chǔ)與防火墻及視頻轉(zhuǎn)碼等業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。5G特別重視移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC），可以部署在基站的集中單元（CU），為多個(gè)與微蜂窩對(duì)應(yīng)的分布單元（DU）所共享。MEC配備緩存與計(jì)算能力，負(fù)責(zé)收集

13、與分析用戶(hù)空時(shí)行為的上下文信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)整合、壓縮與加密。具有緩存能力的基站使大眾內(nèi)容或需要就近處理的工作盡可能靠近用戶(hù)，改進(jìn)用戶(hù)體驗(yàn)并減輕回傳網(wǎng)的負(fù)載，支撐車(chē)聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等高可靠低時(shí)延業(yè)務(wù)應(yīng)用。上述5G網(wǎng)絡(luò)體系的理念可概括為通信與計(jì)算的融合、硬件與軟件的解耦、云管端功能的協(xié)同，它們?cè)从跇I(yè)務(wù)發(fā)展的需要也得益于IT特別是云技術(shù)的進(jìn)步。5G網(wǎng)絡(luò)雖然目前還是基于IP體系但又不局限于IP體系，可以應(yīng)用到其他類(lèi)型的第三層協(xié)議。這些理念也可以用在信息中心網(wǎng)（ICN）、數(shù)據(jù)感知網(wǎng)（DAN）或內(nèi)容中心網(wǎng)（CCN）。這些網(wǎng)絡(luò)體系的變革并非對(duì)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有問(wèn)題的全面改進(jìn)；但部分演進(jìn)也不會(huì)是一帆風(fēng)順的，任何網(wǎng)絡(luò)體系的變革都會(huì)涉及到產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方利益的博弈，對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)也是艱難的抉擇?？傮w上，運(yùn)營(yíng)商對(duì)上述演進(jìn)方向寄予很大的期望，希望通過(guò)白盒化擺脫對(duì)設(shè)備供應(yīng)商的依賴(lài)，希望以服務(wù)化架構(gòu)（SBA）提升業(yè)務(wù)生成能力，不被網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容服務(wù)商（ICP）所隔離，希望通過(guò)邊緣計(jì)算避免管道化。不過(guò)很多技術(shù)都是雙刃劍，白盒化使運(yùn)營(yíng)商不依賴(lài)電信設(shè)備供應(yīng)商但可能倒向IT企業(yè)，或更方便ICP自建網(wǎng)絡(luò)設(shè)施；SBA有利于運(yùn)營(yíng)商開(kāi)放業(yè)務(wù)能力，但業(yè)務(wù)外包有使運(yùn)營(yíng)商坐實(shí)管道化的風(fēng)險(xiǎn)；邊緣計(jì)算有可能為非