對網(wǎng)絡體系變革的思考

1、 對網(wǎng)絡體系變革的思考 摘要：互聯(lián)網(wǎng)已走過了50年，其發(fā)展遠遠超越了初衷，各類新業(yè)務與應用加大了網(wǎng)絡體系變革的壓力，對網(wǎng)絡體系顛覆性的探索和演進創(chuàng)新一直在進行。近年來關于5G網(wǎng)絡體系的演進方向逐漸明朗，從傳送模式創(chuàng)新、虛擬化和云化3個方面，分析了網(wǎng)絡體系變革給運營商帶來的機遇與挑戰(zhàn)，指出變革將開拓網(wǎng)絡技術(shù)與業(yè)務應用創(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APARNET算起到，互聯(lián)網(wǎng)走過了50年，全球互聯(lián)網(wǎng)普及率超過55%。中國全面接入互聯(lián)網(wǎng)也有25年，普及率高于全球平均水平1?；ヂ?lián)網(wǎng)設計之初主要考慮的是抗毀性和異構(gòu)設備互聯(lián)及效率；但現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的應用已經(jīng)超越初衷，從學術(shù)研究到商業(yè)應用，從數(shù)據(jù)到話音、視頻，從固定業(yè)務到移動業(yè)務，從面向人的通信到物聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)在又從消費互聯(lián)網(wǎng)進入到產(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

5、為出發(fā)點設計的互聯(lián)網(wǎng)體系，其承受能力超出了我們的想象；但面對產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對高可靠和低時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)適應應用的擴展嗎？關于下一代互聯(lián)網(wǎng)的研究從20年前就開始了，現(xiàn)在以國際電信聯(lián)盟（ITU）為代表的機構(gòu)又開啟了面向大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算和5G的未來網(wǎng)絡研究2。關于互聯(lián)網(wǎng)體系的研究一直以來有2條路線，即演進路線與革命路線。前者針對新出現(xiàn)的問題以修補或新增協(xié)議的方式來應對，但會增加網(wǎng)絡的復雜性而難于管理，或帶來過多的開銷而失去效率。革命路線以顛覆現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系為目標，例如：2005年美國的全球網(wǎng)絡環(huán)境創(chuàng)新（GENI）計劃本希望創(chuàng)造新的網(wǎng)絡和分布系統(tǒng)體系；但其追求過于完

6、美，試圖解決互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的所有問題，至今已過去了十多年，卻與很多類似的研究項目一樣尚未能取得實質(zhì)性進展。GENI現(xiàn)在將關注點回到軟件定義網(wǎng)絡（SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）3。因為對互聯(lián)網(wǎng)流量流向的研究未能得出接近實際的數(shù)學模型，仿真還不能反映實際應用環(huán)境，產(chǎn)品性試驗床有實際用戶但變化不夠，研究性試驗床有較多的變化但缺少實際用戶；因此，與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模和應用多樣性及隨機性相比，試驗網(wǎng)難當此任。面對互聯(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)，但只考慮支持數(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，可支持話音、視頻與數(shù)據(jù)。ATM很理想，但在當時看相當復雜，輸給了不理想但簡單的IP。IP設計之初僅考慮支持無連接的數(shù)據(jù)通信，這是原有通信網(wǎng)絡的弱項，而且在當時的網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流量占比很少。另外，IP開放的架構(gòu)可在數(shù)字化的任何網(wǎng)絡上（包括電路交換的程控電話網(wǎng)）運行，對底層通信設施沒有特別的要求，生存空間廣闊，而且互聯(lián)網(wǎng)開始規(guī)模不大，也沒有商業(yè)化的壓力，從單一應用切入站住了腳?；ヂ?lián)網(wǎng)于90年代才開始探索支持基于IP的語音傳輸（VoIP），逐漸滲透到電信網(wǎng)的所有業(yè)務，成為傳統(tǒng)電信網(wǎng)技術(shù)的成功顛覆者?，F(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模大、應用廣，要想通過革命性方式解決現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的問題難度太大，難

8、以驗證所提出的全盤改造互聯(lián)網(wǎng)的方案；因此探討從某一點改進互聯(lián)網(wǎng)也許是合適的切入點。5G應用場景所要求的超寬帶、大連接、低時延和高可靠對現(xiàn)有網(wǎng)絡體系帶來了新的挑戰(zhàn)，加速了對網(wǎng)絡體系研究的進程。按照思科的報告4，移動IP流量占全網(wǎng)IP流量之比為11.03%。從流量看，移動網(wǎng)占全網(wǎng)比例不算高，移動網(wǎng)體系的改造對全網(wǎng)影響不大。從這一角度看，5G適合于作為切入點探討互聯(lián)網(wǎng)體系的變革或演進。5G在網(wǎng)絡體系方面5-6的一個特點是轉(zhuǎn)發(fā)模式的創(chuàng)新。在網(wǎng)絡層引入分段選路（又稱為源選路）的概念，源節(jié)點按照每次通信首個IP包的特征來配置流表，用于指示報文的轉(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)點無需再

9、感知業(yè)務狀態(tài)，只需維護拓撲信息并按流表執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)功能，相當于面向連接分組通信。這與傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡按無連接方式工作不同。在無連接模式下，對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包獨立處理而不考慮它們前后的關聯(lián)，而且各IP包在沿途各節(jié)點均獨立選路。這是在互聯(lián)網(wǎng)之初的網(wǎng)絡可靠性不高的情況下，以時延和效率為代價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，時延更短，特別適合支持寬帶視頻業(yè)務。以太網(wǎng)技術(shù)還被應用到5G的前傳網(wǎng)絡。前傳如繼續(xù)使用時分復用同步數(shù)字體

10、系（SDH）技術(shù)，其傳送帶寬是固定的，不會隨實際業(yè)務負荷而變，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)計復用可動態(tài)適應業(yè)務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)報頭虛擬局域網(wǎng)（VLAN）中的服務類型指示來區(qū)分高優(yōu)先級流量和后臺流量，為高優(yōu)先級的幀提供搶占功能，這被稱為時延敏感網(wǎng)絡（TSN）。5G網(wǎng)絡體系的另一個特點是虛擬化?；赟DN實現(xiàn)數(shù)據(jù)面與控制面分離，基于NFV從黑盒設備中解耦出網(wǎng)絡功能軟件，支撐了數(shù)據(jù)面與用戶面的分離，并實現(xiàn)了硬件的白盒化。5G還將采用基于服務架構(gòu)（SBA），借鑒IT領域的微服務理念，將軟件分解為細粒度的模塊化組件。

11、每個微服務可獨立地進行部署、升級和擴展，這相當于傳統(tǒng)電話網(wǎng)中智能網(wǎng)的思路；但不同的是5G通過開放應用程序編程接口（API）來實現(xiàn)微服務的集成，以提升應用開發(fā)的整體敏捷性和彈性。在上述基礎上5G進一步發(fā)展到網(wǎng)絡業(yè)務切片。5G既需要支持峰值高達20 Gbit/s的視頻也要應對大量千比特每秒級的物聯(lián)網(wǎng)連接，5G既要支持高鐵類高速移動業(yè)務也有大量固定或低速移動業(yè)務，各類業(yè)務對可靠性和時延的要求有很大差異。在不改變物理基礎設施的情況下，針對用戶的不同業(yè)務需求通過網(wǎng)絡控制面的協(xié)同編排，動態(tài)地將相應的網(wǎng)絡資源組成切片，即為每一種業(yè)務建立邏輯上的VPN，各切片間業(yè)務隔離。5G的網(wǎng)絡虛擬化還表現(xiàn)為異構(gòu)接入組網(wǎng)，

12、在密集微蜂窩的情況下，為了避免用戶信令的頻繁切換，信令接入到宏蜂窩而用戶數(shù)據(jù)接入微蜂窩，即控制面與用戶面分離。在5G的情況下，則取決于信道性能，用戶的上下行可能不在同一個微蜂窩，甚至下行在5G而上行在4G，將過去的以小區(qū)為中心發(fā)展到以用戶為中心。5G網(wǎng)絡體系特點之三是云化。5G的核心網(wǎng)有云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)和大數(shù)據(jù)的分析，支持無線資源管理、能力開放和網(wǎng)絡資源編排等與控制面有關功能，以及支持各業(yè)務流共享高速存儲與防火墻及視頻轉(zhuǎn)碼等業(yè)務轉(zhuǎn)發(fā)功能。5G特別重視移動邊緣計算（MEC），可以部署在基站的集中單元（CU），為多個與微蜂窩對應的分布單元（DU）所共享。MEC配備緩存與計算能力，負責收集

13、與分析用戶空時行為的上下文信息，實現(xiàn)對數(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，改進用戶體驗并減輕回傳網(wǎng)的負載，支撐車聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）等高可靠低時延業(yè)務應用。上述5G網(wǎng)絡體系的理念可概括為通信與計算的融合、硬件與軟件的解耦、云管端功能的協(xié)同，它們源于業(yè)務發(fā)展的需要也得益于IT特別是云技術(shù)的進步。5G網(wǎng)絡雖然目前還是基于IP體系但又不局限于IP體系，可以應用到其他類型的第三層協(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)絡體系的變革并非對互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有問題的全面改進；但部分演進也不會是一帆風順的，任何網(wǎng)絡體系的變革都會涉及到產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方利益的博弈，對運營商來說也是艱難的抉擇?？傮w上，運營商對上述演進方向寄予很大的期望，希望通過白盒化擺脫對設備供應商的依賴，希望以服務化架構(gòu)（SBA）提升業(yè)務生成能力，不被網(wǎng)絡內(nèi)容服務商（ICP）所隔離，希望通過邊緣計算避免管道化。不過很多技術(shù)都是雙刃劍，白盒化使運營商不依賴電信設備供應商但可能倒向IT企業(yè)，或更方便ICP自建網(wǎng)絡設施；SBA有利于運營商開放業(yè)務能力，但業(yè)務外包有使運營商坐實管道化的風險；邊緣計算有可能為非