未来网络发展趋势与展望

作者:黄韬1,2,霍如2,刘江1,2,刘韵洁1,2

1. 北京邮电大学网络与交换国家重点实验室

2. 北京工业大学北京未来网络科技高精尖创新中心

摘 要

网络信息技术极大地促进了人类社会的发展, 网络空间已经成为了继陆、海、空和太空之后的人类第五疆域. 随着信息社会的进一步发展, 互联网业务形态和业务需求正发生着巨大变化, 传统网络架构需要进行深刻的变革, 未来网络迎来了新的发展机遇.

本文分析了未来网络的发展需求, 提出了该领域新型应用带来的新型能力需求, 在此基础上讨论了面向2030网络架构、网络操作系统、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、网络技术开源等关键技术及其发展趋势. 最后介绍了我国未来网络技术领域的几大热点工程系统, 并对我国未来网络的发展进行了展望.

未来网络发展趋势与展望

黄韬, 霍如, 刘江, 刘韵洁.

中国科学: 信息科学, 2019, 49: 941-948

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引 言

互联网极大地影响着人们的生活和工作方式, 经过40多年的发展, 已经成为人类社会的重要基础设施和各国的重要战略资源, 网络空间(cyberspace) 已成为继陆、海、空和太空之后的人类第五疆域. 从当前的发展规模来看, 互联网所承载的设备规模和服务规模越来越大, 网络可扩展性正面临严峻挑战. 另一方面, 网络功能也从原有的科研型、消费型向生产型转变, 随着网络与实体经济的进一步融合,互联网业务形态和业务需求正发生着巨大的变化, “尽力而为”的传统网络架构逐渐僵化, 在安全性、服务质量和可控可管等方面的挑战日益突出, 难以支撑新业务应用对网络的多样化需求.

在这一背景下, 全球各个国家都纷纷从国家战略层面上高度重视未来网络的布局, 并先后启动了一批重大研究计划, 分别从未来网络体系架构、网络核心关键技术、未来网络试验床等方面同步开展该领域的创新研究[1]. 与此同时, 工业界也充分意识到未来网络相关领域带来的商业价值, 纷纷投入巨资布局相关重点核心技术, 以期望抓住发展机遇, 建立产业生态圈, 推动未来网络技术的发展和应用, 推出全新的面向市场的产品和服务.

本文分析了未来网络的发展需求, 并立足于现有的网络创新架构需求, 提出了未来网络领域亟待解决的问题, 在此基础上就未来网络技术方面的发展趋势展开思考, 最后介绍了我国未来网络领域的发展热点, 希望能够对该领域的研究提供支撑与参考.

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未来网络的发展需求

随着车联网、物联网、工业互联网、远程医疗、智能家居、4K/8K、AR/VR、空间网络等新业务类型和需求的出现, 未来的网络正呈现出一种泛在化的趋势. 可以预见, 未来网络将成为构建未来智慧社会的核心基础, 将像水、电、空气一样, 成为社会生活不可或缺的一部分. 根据 Gartner 公司预测, 未来智慧社会将呈现智能化、数字化、网络化的大趋势. 2019年, Gartner 发布了十大战略性技术趋势, 包括自主设备、增强分析、AI 驱动的开发、数字孪生、赋权的边缘、沉浸式体验、区块链、量子计算等, 这些技术趋势和应用也将对未来网络提出新的需求. 尤其是面向未来应用时, 大量的应用需求是生产型服务, 需要确定性、差异性、强调 QoS 的能力, 而“尽力而为”的传统网络架构难以支撑未来应用对差异性服务质量保障[2]、确定性带宽和时延的需求.

未来网络作为战略新兴产业的重要发展方向, 预计在2030年将支撑万亿级、人机物、全时空、安全、智能的连接与服务, 将重点聚焦在加速业务创新、促进运营商转型、满足工业互联网需求等方面的发展.具体来讲, 未来网络需要具备的能力包括:

(1) 支持超低时延、超高通量带宽、超大规模连接的能力;

(2) 满足与实体经济融合的需求, 支持确定性服务和差异化服务的能力;

(3) 实现网络、计算、存储多维资源一体化, 并具备多维资源统一调度的能力;

(4) 设计实现空天地海一体化融合的网络架构;

(5) 做到简化硬件设备功能的同时保证其处理性能, 并通过软件定义的方式增强网络弹性;

(6) 具备“智慧大脑”, 实现网络运维智能化;

(7) 确保是一个内生安全、主动安全的网络, 进而更好地实现网络安全[3].

如果把现有互联网技术比作普通公路, 那么我们可以把未来网络的核心要义定义为在现有网络架构基础上建设智能的网络高速公路, 智能化地提供随选服务. 为了实现与现有互联网业务的平滑演进与过渡, 未来网络应采用“革命性技术+演进式部署”的思路展开具体的实施工作[4].

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未来网络关键技术趋势

未来网络技术的发展将对我国网络强国、制造强国的发展和建设起到关键性支撑作用.本节将在充分考虑全球未来网络发展趋势以及我国国情需求的基础上,重点从技术角度探讨未来网络的发展趋势, 具体包括如下8个方面:

面向2030的网络架构

随着新媒体业务、工业控制、5G等新应用场景的出现, 未来网络特别是面向2030年的网络应该具备哪些能力与功能成为了未来网络架构发展需要考虑的关键问题. 因此, ITU 在 ITU-T SG13 全会上决议通过了成立 Network 2030焦点组(Focus Group on Network 2030, 即FG-NET-2030). 该焦点组旨在探索面向2030年及以后的网络技术发展, 潜在地包括新的媒体数据传输技术、新的网络服务和应用及其使能技术、新的网络架构及其演进.网络2030将探索新媒体、新服务、新架构、新IP 4大领域.

在新媒体领域, 网络带宽要增长到太比特级以实现全息远程呈现应用. 在新服务领域, 网络要从“尽力而为”向高精度业务保障转变, 提供全息传送(如多感全息)、高精度服务(如工业互联网、远程医疗)、最佳保障服务(如自动驾驶、AR/VR)等. 在新构架方面, 要实现地面和卫星通信融合的网络. 在新IP方面, 要通过探索新的技术解决过去分组交换方式存在逐包传送、排队时延长、易发生拥堵等问题. 此外, 我国也在积极布局新网络架构研究, 2018 年6月, 由中国信息通信研究院、华为技术有限公司发起, 联合了包括国内电信运营商、设备制造商、互联网公司、内容提供商、高校、科研院所等在内的多家网络相关单位共同组建了网络5.0产业和技术创新联盟, 该联盟主要就下一代数据网络——网络5.0 的相关工作展开筹备, 包括梳理其应用需求、定义愿景、设计架构与协议、研究关键技术(如服务质量、移动性、安全等)、实现及验证等, 同时通过交流与合作的方式与国内外相关组织达成共识, 进一步推动产业界的发展.

网络操作系统

网络操作系统 (network operating system) 是在网络中实现对底层物理资源管理和控制的操作系统, 是用户与底层物理资源之间的接口. 对于底层物理资源, 网络操作系统通过北向接口进行网络的监控、转发策略的下发和流量的调度, 实现网络的集中控制; 对于用户, 网络操作系统向上开放了编程接口, 用户可以根据业务的需求自定义网络策略, 获取定制化的网络服务[5]. 在多个用户争用底层资源时, 网络操作系统可以进行资源的调配和管理, 从而更好地服务和满足用户的差异化需求. 网络操作系统是网络的运行管理者, 是上层业务和底层设备的互连接口. 网络操作系统作为新一代互联网中的核心关键技术, 与计算机操作系统的功能类似, 它是一个灵活开放的操作平台, 便于网络开发人员和用户对网络进行高效的管理. 因此, 网络操作系统就是通过完整的抽象底层网络, 从而使得开发者可以根据业务需求设计各式各样的网络应用. 随着未来网络架构和技术的快速发展以及网络操作系统在未来网络架构和技术中核心作用的突显, 网络操作系统正日益成为各国都在争夺的制高点. 目前, 我国设备商、运营商等已经加入国际网络操作系统开源组织和标准化组织, 并形成了不同的生态链. 在网络控制方面, OpenDaylight 开源项目在中国发展迅猛, 以中国移动、阿里巴巴、腾讯、中兴、华为为代表的多家通信、IT 巨头都加入了该项目, 并大力构建相关的产业生态. ONOS (open network operating system) 是针对运营商网络场景打造的开源操作系统, 当前 ONOS 的合作伙伴包括 AT&T、华为、中国移动、中国联通等. 在网络编排方面, 中国移动、华为联合发起了 OPEN-Orchestrator (OPEN-O) 项目, 随后与 AT&T 主导的ECOMP 项目合并, 由中国移动牵头成立了 ONAP 项目. 综上,网络操作系统已经成为了全球未来网络发展的热点问题, 网络操作系统(尤其是骨干网络级别的操作系统) 的核心技术, 以及网络操作系统的生态建立是当前全球竞争的制高点, 目前也正是建立核心竞争力的关键期和战略机遇期. 网络操作系统的新功能模块、关键技术、部署场景、部署方式、生态构建已经成为了未来网络的重要研究方向.

数据平面可编程

软件定义网络的可编程性在发展初期主要体现在控制平面, 由于转发硬件在功能和性能上的限制, 转发平面无法提供开放的可编程能力. 随着新一代高性能可编程数据包处理芯片加上 P4 [6] 这样的高级语言的出现, 网络开发人员可以通过软件编程来设定网络数据包的处理流程, 并下发到可编程数据包处理芯片中进行编译, 实现协议无关的数据包的转发, 提供转发平面的可编程能力. 通过 P4 语言的编程, 可编程交换机可以被灵活地构建为架顶交换机(top-of-rack, TOR)、负载均衡器、防火墙, 或者支持新的拥塞控制算法和新的自动诊断功能的网元等. 这种可编程数据平面有助于网络系统供应商进行更快速的迭代开发, 甚至直接通过打补丁修复现有产品中发现的数据平面程序漏洞, 它也可以帮助网络拥有者实现最适合其自身需求的具体网络行为.当前, P4 受到了学术界和业界的极大关注, 全球已有超过 100 家大型公司加入了 P4 联盟[7]. 目前已有许多具体的P4 案例研究和语言演进的技术评论发表在相关论文和报告中, 未来 P4 将很好地帮助研究人员参与数据包处理逻辑的相关研究, 加速网络控制、管理和服务的创新.

低时延/确定性时延网络

如何控制端到端的时延是目前 IP 网络面临的重要问题之一, 工业控制、远程医疗、机器人、VR 游戏、导弹控制等场景需要端到端时延的精准控制, 这些业务要求毫秒级的时延和微秒级的抖动, 低时延、确定性时延成为时延敏感型业务的迫切需求. 例如, 确定性时延是 VR 多控制系统协作的基础, 它对网络提出了新的挑战, 要求人机互动端到端时延小于20 ms, 因此网络需要从现有的“尽力而为”转变到“准时、准确”. IEEE 802.1 任务组提出了时间敏感网络[8] (time sensitive network, TSN), 对网络中的流量进行优先级的划分, 基于精确的网络时间同步机制, 为有确定性时延需求的流量提供确定的传输时隙, 保证业务的低时延和低抖动. 作为 TSN 的扩展, IETF 成立了确定性网络(DetNet) WG 工作组[9], 提供了网络二三层的确定性时延保障能力, 该小组已经提出了多个 IETF 草案, 旨在为网络提供确定性的传输服务, 为确定性网络在工业互联网、5G 和 4K/8K 视频等业务中的应用提供了参考方案, 有助于全面推动工业互联网等新型网络的发展.

网络/计算/存储一体化与智能分发

面向 AR/VR、海量 4K/8K 高清视频等众多新业务需求, 网络/计算/存储一体化以及在多维资源一体化平台中融入内容分发能力正在成为未来网络技术发展的重要趋势.这是因为: 一方面, 并行计算、效用计算、高性能计算等技术逐步成熟, 计算与网络基础设施的融合已成必然趋势; 另一方面, 随着技术进步, 存储设备的成本呈现快速下降趋势, 在网络中集成存储功能、利用存储换取带宽成为一种可行的设计思路. 为顺应网络计算存储一体化这一发展趋势, 当前业界提出了通过多云管理、云网协同等创新技术解决思路, 目前已成为全球业界关注的焦点. 同时, 为了降低骨干网压力、减小业务交互时延、提升用户体验, 业界进一步提出了边缘计算、雾计算等创新思路. 由于边缘计算基础设施靠近园区、工厂、用户侧, 其投资方式、运营方式、管理方式均可能会发生变化, 因此边缘计算等技术未来将可能推动构建一种新的开放、协作的生态系统, 将可能给电信运营商的运营模式带来全新的变革.

网络人工智能

人工智能技术为人类社会的持续创新提供了强大的驱动力, 开辟了广阔的应用空间. 从网络角度来看, 大规模网络有迫切的自动化管理需求, 需要网络引“智”, 化“繁”为“简”. 网络逐步加强智能化能力, 可以帮助运营商网络运营决策科学化、业务个性化、维护精准化和服务高效化. 面向我国大规模网络管理的迫切需求, 亟需全面突破网络人工智能核心基础算法与理论, 攻克大规模复杂网络训练、多级人工智能协同设计等关键技术, 实现网络高效自治, 突破人的管理能力极限.在未来, 网络人工智能将在网络的自配置/自管理、网络流量自学习/自优化、网络威胁自识别/自防护和网络故障自诊断/自恢复等方面起到重要作用, 在复杂的网络环境下实现自动化、智能化的网络管控.

网络技术开源

网络技术开源组织是未来网络研究发展的一个重要特征, 未来网络在控制平面、数据平面等各个方面都成立了开源组织, 如 penDaylight, ONOS, ONAP (open network automationplatform) 等, 并被广泛认可, 网络软件、硬件开源已经成为了未来网络技术发展的一大重要趋势.自 2004 年开始, Google 数据中心就一直使用定制的硬件设备. 2011 年, Facebook 成立了 OCP (Open Compute Project) 项目, 并且与2016 年底成立了新的 TIP (Telecom Infra Project) 项目. 2018 年3月, Linux 基金会联合主要厂商发起 DANOS (Disaggregated Network Operating System) 项目, 旨在打造开放、高效灵活的网络控制平面. 同一时间, ONF 发布了下一代 SDN 接口战略, 并在Google 的支持下推出了 Stratum 项目, 致力于实现真正的软件定义的数据平面平台, 提供白盒交换机和开放软件系统. 2018 年10 月, AT&T 宣布将向OCP 计划提交白盒基站网关路由器的技术规范, OpenStack 的 StarlingX 边缘计算项目首次发布. 同时, Intel 的DPDK、微软的 SONiC、Barefoot 的 P4 等关注数据平面性能的项目也越来越受到重视. 由此可见, 未来网络的开源发展趋势方兴未艾.

网络内生安全

当前, 网络与政治、经济、文化等领域的联系愈发密切, 网络在给社会生活带来便利的同时也带来了巨大的安全隐患. 网络安全指的是网络系统能够保护其硬件、软件及系统中的数据不会因偶然因素或恶意攻击被更改、损坏和泄露, 不影响系统的正常运行且服务可保持连续. 常见的网络安全威胁包括 DDoS 攻击、数据窃取、恶意植入等. 而网络安全问题的本源是现有网络体系架构的设计是基于相互信任的前提, 因此面对网络安全频现的问题, 目前只能通过被动打补丁的形式(如防火墙、IPSec、BGPSec+RPKI、DNSSec 等) 去逐个解决新出现的问题. 虽然这些方案在一定程度上对部分攻击进行了防御, 但是普遍存在中心化问题且成本代价高昂. 因此,在不依赖集中化授权的情况下, 网络基础设施应该具有针对攻击的内生安全防御能力, 即需要在网络层内置安全属性, 设计基于身份认证的网络信任体系, 支持 ID 内置的安全属性, 提供自认证功能. 控制面借助 ID 内生安全提供的安全特性, 实现端到端身份认证及秘钥管理等功能; 数据面基于控制面密钥协商的会话密钥和安全连接实现端到端安全传输[10].

04

我国未来网络热点工程系统

在未来网络领域, 要想牵引技术和应用的发展, 往往需要通过重大的工程系统牵引支撑, 接下来将介绍未来网络领域的热点工程系统的情况, 并简要探讨其对未来网络发展的作用和意义.

4.1

未来网络试验设施

试验验证是未来网络技术研究、设备开发、应用创新的基本方法, 国际上已经普遍建设了网络试验设施, 我国也亟需建设一个大规模、国家级的网络试验平台. 为了适应全球网络变革的新趋势, 2018 年, 中华人民共和国国家发展和改革委员会批复了“未来网络试验设施(China enivironment for network Innovations, CENI) ”的建设, 建设周期 5 年. CENI 作为国家重大科技基础设施, 将覆盖全国 40 个城市, 搭建 88 个主干网络节点和 133 个边缘网络, 并连接互联网和国外网络试验设施. 具体来说, 未来网络试验设施在新型光传输网络的基础之上, 将建设试验资源网络, 包括主干网络和边缘网络; 为实现试验资源的统一调度与管理, 在试验资源网络的基础之上, 建设网络资源调度与操作系统; 最后基于统一的试验服务平台, 开展示范应用和试验应用; 并将同时研发建设网络运维管理、外部联邦管理、标准体系与测试、安全体系等公共支撑系统与平台.

未来网络试验设施网络建设了一个大规模虚拟化的网络环境, 一方面使全国相关科研单位的研究人员可以并行地在该平台上进行不同级别的创新试验, 为高水平研究的测试和验证提供可靠的平台, 另一方面为运营商的新型网络服务部署、设备商的新设备大规模测试、互联网公司的新型网络业务提供测试平台. 同时, 该基础设施将与国内外各种试验网络互联互通, 包括 PlanetLab, GENI, Onelab 以及 Corelab 等, 促进国际合作, 提高我国未来网络技术创新的国际认可度, 形成产、学、研一体的未来网络科研与业务创新的基地.

可以预见, 未来网络试验设施将是一个先进、开放、灵活、可持续发展的大规模通用试验设施, 满足“十三五”期间(到 2020 年) 国家建设网络强国战略的试验需求[3], 为下一代互联网、网络空间安全、天地一体化网络等研究领域提供一个便捷、高效的测试平台, 同时支撑运营商、设备商、互联网公司的产业界创新应用的测试需求, 提升我国的网络核心技术竞争力, 保障网络空间安全, 确保网络可持续发展.

4.2

天地一体化网络

当前, 全球天地一体化网络的竞争态势正在形成: 全球在轨卫星约 1350 颗, 其中美国在轨卫星为 548 颗, 占全球总量41%. 美国为实现其全球战略, 以全球联网的 9 个地面信息港为依托, 以 37 颗高轨通信卫星为主体, 以铱星等商用卫星系统为补充, 构建了军民融合的天地一体化信息网络, 可实现多个异构网络的互联互通和通信的全球覆盖. 在民用领域, 国际海事卫星组织目前已发射了 8 颗高轨海事卫星, 并搭建了 22 个互联的地面关口站, 与移动通信网、地面互联网互联融合, 可为海、陆、空各行业用户提供全球化、全天候、全天时、全方位通信服务, 已实际形成了对全球的民航空中交通管制、船舶海上交通管制的通信保障. 2016 年, SpaceX 向美国联邦通信委员会提出申请, 计划发射 4425 颗卫星, 提供更加高效的互联网全球服务. 因此, 我国也亟需在天地一体化网络领域积极部署.

当前, 天地一体化网络涉及多项科学技术难题的攻关, 包括卫星轨位和频谱的统筹规划、高速星间激光通信、卫星网络顶层体系结构、低轨卫星星间高效路由、星地移动切换协议、高中低轨异构卫星星座间的异构组网、星上资源动态按需分配、星上服务质量严格保证、基于软件定义的卫星资源管控、卫星网络安全防护、复杂星座运维管控、星上高速低功耗路由交换设备、动态拓扑半实物仿真平台等.天地一体化网络也将积极探索服务国计民生的典型示范应用, 包括联合调度、公共安全、应急救灾、抢险救援、交通物流、航空管理、海洋覆盖、智慧城市等, 以此拓展新兴信息服务业态, 带动信息产业化发展和转型[11]. 在行业标准方面, 天地一体化网络将开展自主可控、安全可信的天地一体化标准协议体系研究, 建立开放的产品功能、性能和互通性检测检验标准规范, 主导形成系列化国际/国内标准. 在产品研发方面, 天地一体化网络工程将研发核心器件、关键部组件、单机设备、终端及软件,形成商业货架的系列化产品.

目前, 我国中国电子科技集团公司、中国航天科技集团有限公司、中国航天科工集团有限公司纷纷启动了相关重大项目规划, 以期建立起服务全球的空天地一体化互联网能力.

4.3

面向海洋场景的立体通信网络

目前, 全球信息化发展领域已全面拓到生产生活科研空间, 包括海洋、陆地、天空、太空等, 因此,建设海陆空天有机结合一体化的信息基础设施, 推动空天地海一体化信息化联动发展, 打造多层、立体、多角度、全方位、全天候的信息空间, 具有深远意义. 面对复杂的海洋环境和日益增长的海洋通信需求, 需要构建独立自主的面向海洋场景的立体通信系统, 推动海洋经济的发展, 维护我国领海的数据安全, 增强海上作战能力, 对于实现我国海洋强国梦具有重大意义[12].

海洋信息网络的实施, 包括建设海洋信息化基础设施体系, 建立完善海洋综合感知网, 整合建设海洋地面综合通信网络, 逐步建设空天地海一体化的立体通信网络; 建设海洋信息资源体系, 整合汇集海洋信息资源, 统筹建设国家海洋云平台, 开展海洋大数据智能挖掘与分析; 建设海洋信息应用服务体系, 提高海洋信息政务服务水平, 提升海洋综合管理决策信息服务能力, 提升海洋综合管理决策信息服务能力, 提升海洋环境认知信息服务支撑能力; 建设海洋信息化支撑保障体系, 构建海洋信息化技术支撑体系, 构建海洋信息化环境保障体系.

在空天地海一体化的立体通信网络方面, 面向海上高速数据业务通信需求, 结合海洋通信气候环境特征, 需要设计无缝覆盖、高效可靠、宽带高速、成本合理的新型海洋通信网络架构, 建立基于岸基近海、浮空平台、卫星、锚泊浮台、舰船网络的立体通信网络系统, 建立异构网络协同机制, 保证整个海洋立体通信系统的稳定可靠运行. 面向海洋场景的立体通信网络需要满足语音、数据、音视频等业务的服务质量要求, 实现全海洋覆盖的实时稳定的带宽接入, 在保障远距离传输的前提下, 降低设备成本和使用资费. 同时, 为支撑相关核心技术实验与验证, 还需要搭建一套完备可靠的海洋立体通信仿真实验平台, 在地面模拟通信信号强度与发送功率、频率、通信距离、天线角度等因素之间的关系,海洋模拟传输损耗与通信频率、距离和天线高度的关系等, 验证创新性架构和技术的性能指标, 支撑海洋立体通信网络的建设工作.

05

结束语

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. 现阶段未来网络领域百花齐放, 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我们网络产业形态, 基于全新架构构建的未来网络创新试验环境为这些网络相关技术的发展与创新提供着高效的基础设施平台. 可以预计的是, 未来网络在接下来的十年中将发生翻天覆地的变化, 未来网络的创新将会更好地服务经济社会的发展.

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参考文献

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