從1969年美國(guó)APARNET算起到2019年，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]。
互聯(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(huà)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)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，它使用的是面向連接的分組通信，固定包長(zhǎng)，可支持話(huà)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(huà)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，2018年移動(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。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(huà)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)，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。
總體上，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)算有可能為非運(yùn)營(yíng)商的接入網(wǎng)企業(yè)所建設(shè)和管理，增加了爭(zhēng)奪“最后一公里“的機(jī)會(huì)，把運(yùn)營(yíng)商推向產(chǎn)業(yè)鏈的更加邊緣化位置。總之，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展至今，網(wǎng)絡(luò)體系不變是沒(méi)有出路的，變革又將面臨技術(shù)與管理流程再造的挑戰(zhàn)，但變革將開(kāi)拓網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新的空間。
上述對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系變革的思考雖然是以5G為對(duì)象考慮的，但對(duì)固網(wǎng)來(lái)說(shuō)也有重要的意義。在互聯(lián)網(wǎng)50年的新起點(diǎn)和5G移動(dòng)通信元年之初，面對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系變革的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系的變革創(chuàng)新充滿(mǎn)著期待!
數(shù)字化要一盤(pán)棋更要各自為戰(zhàn)
分享到微信 ×
打開(kāi)微信，點(diǎn)擊底部的“發(fā)現(xiàn)”，
使用“掃一掃”即可將網(wǎng)頁(yè)分享至朋友圈。