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《网络50技术白皮书》详解:为下一代数据网络成功到来铺平道路
2019-09-23 16:13

  9月23日专稿(蒋均牧)数字经济蓬勃发展、智能时代即将到来的今天,再怎样强调数据网络的重要性都不为过。然而,产生于上世纪80年代的TCP/IP协议体系越来越暴露出架构上的不足,难以支撑纷繁的新业务、新应用,加快下一代数据网络技术研究及建设已然成为业界共识。

  今年6月的网络5.0峰会上,网络5.0产业和技术创新联盟正式对外输出了一系列阶段性成果,其中就包含了《网络5.0技术白皮书》的发布。

  作为成立一年来主要成果之一、联盟成员单位的集体智慧,《白皮书》主要描述了网络5.0聚焦的四大场景、网络5.0愿景及目标、架构顶层设计及关键使能技术。可以说,既有提纲挈领的体系规划、也有精准细致的落地办法,为下一代网络的成功到来铺平了道路,也在一定程度上厘清了ICT产业的发展图景。

  数字经济所带来的新理念、新业态、新模式,成为带动产业转型升级、实现经济新增长的重要引擎。中国信息通信研究院发布的《中国数字经济发展与就业白皮书 (2019年)》显示,2018年我国数字经济规模达到31.3万亿元,占GDP比重达34.8%;数字经济领域就业岗位为1.91亿个,占当年总就业人数的24.6%。

  与此同时,经历了工业革命、电力革命、信息技术革命的人类社会,正在加速迈入一个万物互联的智能世界。华为全球产业展望GIV@2025预测,到2025年,个人智能终端数量将达400亿、个人智能助理普及率达90%、智能服务机器人将步入12%家庭,个人潜能将在终端感知、双向交流和主动服务的支持下大幅释放;在商业和社会层面,到2025年,全球1000亿联接将泛在于公用事业、交通、制造、医疗、农业和金融等各个领域,推动数字化转型,届时企业应用云化率将达85%、AI利用率达86%、数据利用率将剧增至80%,每年1800亿TB的新增数据将源源不断地创造智能和价值。

  时代的变革驱动了网络的变革。以往,数据网络技术都是超前发展和部署的,造成了网络在技术革命中不会成为瓶颈的错觉;而面向数字经济、智能世界提出的全新要求和前所未有的挑战,网络能力亟待增强。

  回顾过去五十年IP技术发展,补丁式、自底向上、无限责任的思路占据了主导,一方面“缝三年,补三年,缝缝补补又三年”,另一方面对具体的技术边界、技术责任范围并没有提出过明确的指向。中国通信标准化协会理事长就曾在媒体采访中指出,以往的网络技术发展长久保持“更快、更好”的无限责任思路,思路较为发散,问题与解决方案的集中度不高,难以得到业界的共识,导致其差异化服务质量保证、确定性低时延、安全可信、移动性等问题愈发严重。中国信息通信研究院科技委主任蒋林涛先前也以美国对下一代网络的研究举例,认为其“没有取得多少实质性进展”的原因是缺乏具体可操作的目标,缺乏明确可检查、核定的指标。

  网络5.0概念的出现即引入了无线领域的代际式发展与有限责任演进的思路,通过分代研究来真正推进数据网络的发展。按网络5.0产业和技术创新联盟的划分,以模拟通信系统为网络1.0时代、数字为网络2.0时代、ATM为网络3.0时代、IP为网络4.0时代。

  那么网络5.0时代的网络是一张怎样的网络、有着怎样的架构思路和架构设计、从现有网络到目标网络应如何演进、需要哪些核心技术的支撑?一连串的问题随之而来。经过为期一年的研究讨论、集思广益,《白皮书》的发布给出了答案。

  设计一张网络,首先要明确其所面对的典型应用场景。正如国际电联无线电通信局(ITU-R)2015年针对5G定义的增强型移动宽带(eMBB)、超高可靠超低时延通信(uRLLC)和大规模物联网(mMTC)三大业务场景那样,网络5.0也将聚焦于四大目标场景,包括ICT基础设施、产业互联网、移动承载和全息通信。

  《白皮书》指出,ICT基础设施是未来信息社会的基础和技术发展的制高点,是信息行业争夺的产业蓝海。随着云计算技术的发展,越来越多的业务和数据被迁移到云端,大数据建立在云上,一些人工智能也逐渐建立在云上。新的ICT基础架构平台应以物联网、云计算、大数据和人工智能为核心,形成“全连接、全云化、全智能”的解决方案。其中,物联网就如同神经末梢,通过采集无处不在的行业终端和用户终端的数据,利用云端的分布式计算能力对数据进行处理;网络就像是血脉,连通着数据生产者、处理者和消费者,使之更加有效地传输和共享;云计算、大数据和人工智能则是大脑,通过打破传统“烟囱式”的业务承载架构,搭建一个高度简化、标准化、自动化和弹性的云数据中心,并通过对海量数据进行快速处理、深度建模和精准洞察,从而实现运营的自动化和决策的智能化。

  传统产业与网络基础设施的融合,催生了产业互联网。随着传统产业经济(工业控制、车联网、医疗等)与互联网的不断融合,IP网络面临了越来越多的新挑战。例如工业互联网与制造业的融合将使能新的工业领域应用,主要体现在智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸四方面智能化升级,其对未来网络的功能需求包括定制、连接、标识和安全等方面;而车联网应用包括了下一代高铁、磁悬浮工业车联网应用、自动驾驶、下一代车载娱乐办公系统等商业应用,其对网络的确定性时延有严格的需求。

  移动网络业务范畴的扩展将丰富电信网络的生态环境,很多传统行业例如汽车、医疗、能源、市政系统等都将参与到电信生态环境的建设中。5G是人类将数字化从个人娱乐为主推向全联接社会的起点,与以往移动相比,5G 需要满足更加多样化的场景和极致的性能挑战。《白皮书》认为,面对ITU定义的eMBB、mMTC、uRLLC等典型应用场景,移动承载网需要满足低时延、移动性和大连接的需求。

  将高速通信网络与全息采集和显示技术结合称之为全息通讯系统,可以突破远程医疗、移动办公、观光旅游、赛事直播以及游戏娱乐等应用场景中三维视觉信息的丢失问题,具有十分广阔的应用前景。全息数据量对比传统二维图像数据量有千倍的增加,如果全息记录面为线 英寸电视屏幕大小,单个动态传输数据量参考需求约为1.9Tbps,这将对网络产生巨大挑战。

  这四大场景的确定,对数据网络提出了四大功能需求及四大性能指标需求。前者包括内生的安全可信、网络可规划和性能可预期、大连接下的感知与管控、泛在移动支持;后者主要体现在带宽、时延、抖动及丢包等方面。

  通过对典型应用场景需求的分析,《白皮书》明确了网络5.0的愿景、目标及阶段性规划,而这正是与以往数据网络发展最显著的不同之处。

  《白皮书》提出,网络5.0作为面向2030年演进的未来网络架构,将基于现有IP网络协议基础,在演进思路上采取“分代目标、有限责任”的策略,通过打造新型IP网络体系,协同管理、控制和数据面,联通分散的计算、存储及网络等资源,构建一体化的ICT基础设施,向各相关产业提供网络能力、计算能力及数据能力服务。

  目标上,网络5.0旨在持续增强IP能力,以解决万物互联的智能世界所需要的内生安全可信、网络可规划和性能可预期、大连接下的感知与控制、泛在移动性支持等需求,连通多种异构接入网络,实现万网互联,使能更多的新服务接入网络,丰富人们的沟通与生活。

  网络5.0瞄准的是未来8-10年内新应用对数据网络能力的需求,网络5.0产业和技术创新联盟计划在具体实施过程中分2020年、2025年和2030年三个阶段逐渐完成总体目标。

  具体而言,第一阶段(2020年),实现连接数100亿级、带宽人均100Mbps、时延毫秒级、抖动范围亚毫秒、丢包率10-4级、安全性采用补丁式方案、网络感知采用带外方式、网络管控相对比较粗粒度、智能度方面开始引入AI实现初步自动化;第二阶段(2025年),实现连接数1000亿、带宽人均10Gbps、时延确定性亚毫秒级、抖动范围微秒、丢包率10-5级、安全性采用部分补丁式方案加部分内生方案、网络感知部分采用带外方式部分采用带内方式、网络管控相对比较细粒度、智能度方面AI能力逐步提升基本可实现半自动化、组网采用集中式加分布式混合方案;第三阶段(2030年),实现连接数达到1万亿、带宽人均Tbps、时延确定性亚毫秒级、抖动范围亚毫秒、丢包率10-6级、安全性基本采用内生方案、网络感知大部分采用带内方式、网络管控采用内生机制实现细粒度管理、智能度方面可通过AI使能全自动化、组网采用集中式加分布式优化方案、网络可信能力及其他网络新能力进一步增强。

  纲举目张,《白皮书》中亦详尽阐述了网络5.0时代的目标网络样貌及其关键使能技术。

  在顶层设计原则方面,《白皮书》认为,网络5.0应以智能化、确定性、柔性、易用性、内生安全(IDEAS,即Intelligent、Deterministic、Elastic、Accessible、Secured)为核心的五个设计理念出发,推进网络架构的变革。其中,智能化主要包括基础设施智能化、网络控制智能化和网络管理智能化;确定性主要包括确定性时延和无损传输;柔性主要包括网络功能组件化和网络服务定制化;易用性主要包括网络协议可编程和灵活动态传输;内生安全则意味着应从网络架构设计之初考虑安全,将安全作为网络的DNA,从身份认证、网络安全、平台安全、数据安全以及业务安全等全方位构建端到端安全防护体系。

  依据IDEAS顶层设计理念,网络5.0产业和技术创新联盟初步设计了下一代网络的架构与协议体系,命名为网络5.0参考架构1.0,且以功能视图、协议视图及端到端组网视图等形式呈现。网络5.0基于新型IP网络体系,协同管理、控制和数据面,向各相关产业提供网络能力、计算能力及数据能力服务,并使其更加有效地满足万物互联、万物智能、万物感知的需求。其总体目标是连接新网元、探索新协议、构建新管控、支撑新业务。

  与此同时,《白皮书》识别了一系列关键使能技术。其中包括确定性IP技术、内生安全机制、面向万物互联的新寻址与控制机制、新传输层、灵活可定制的差异化网络服务、面向服务的路由、基于意图的网络、温敏网络等创新方向。

  据披露,网络5.0架构和《白皮书》内容将持续迭代和完善,预计2021年6月发布2.0版本。按照计划,联盟将依据收敛的技术需求和顶层架构设计,逐步展开核心创新技术的配套协议制定工作,包括通过扩展IP协议增强数据网络功能,形成New IP统一方案,并同步推进国内、国际标准的一些基础性工作。

  《白皮书》的发布,意味着我国网络技术研究者通过网络5.0产业和创新联盟逐步形成了合力,共同致力于下一代数据网络的创新研究。相信在 “产学研用”各方的共同努力下,不久的将来下一代数据网络就将“照进”现实,从而驱动数字经济更快更好发展,令更多个人、家庭和组织从智能世界中获益。

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