未来网络技术的发展与应用前景 - 信息谷 - ICITU

互联网40 多年的发展可分为两个阶段。前20 年作为第一阶段, 主要是互联网与科学研究相结合；90 年代以后，互联网的发展进入第二阶段，互联网开始应用到人类生活的各个方面，在个人消费领域产生了非常巨大的成就，现在大家的日常生活都离不开互联网。下一步，互联网将与实体经济走向深度融合，国外有关研究人员也将这一代互联网称为第三代互联网( 互联网3.0/ 未来网络)。

全球的科研人员已经意识到现有互联网存在的问题，并在这个领域进行了卓有成效的研究。互联网与实体经济深度融合是发展的必然趋势——“互联网+”。“互联网+”不仅是互联网应用的扩展，更强调与传统行业的深度融合，与工业互联网、工业4.0、中国制造2025 等在理念上是一脉相承的。中国提出的“互联网+”战略，美国、德国、英国、日本等国分别将其定义为工业互联网、工业4.0、英国制造2050 和机器人新战略等，可以看出世界各国在互联网与实体经济深度融合上的研究热情。通过金融危机，全球主要发达国家“重金融、轻工业”的思维开始扭转，纷纷制定国家级战略，推动互联网与传统行业融合，抢占发展的制高点。

美国通用电气(GE) 公司走在了世界的前列。2011 年，GE 在硅谷建立了全球软件研发中心，启动了工业互联网的开发，包括平台、应用以及数据分析等；2012 年11 月，GE 发布《工业互联网——冲破思维与机器的边界》报告，将工业互联网称为200 年来的“第三波”创新与变革；2013 年，GE 宣布将在未来3 年持续投入15 亿美元开发工业互联网；2014 年3 月，GE 与思科、英特尔、IBM、AT&T 发起成立工业互联网的产业联盟。GE 公司预测，如果工业互联网能够使生产率每年提高1% ～ 1.5%，那么未来20 年，它将使美国人的平均收入比当前提高25 ～ 40%；如果世界其他地区能确保实现美国生产率增长的一半，那么，工业互联网在此期间会为全球GDP 增加10万亿～ 15 万亿美元。

在技术上什么样的网络架构可以满足未来应用的需求？学术界提出未来网络的候选方案包括软件定义网络(SDN)、内容中心网络(CCN)、信息中心网络(ICN)、未来移动网络(Mobility First)、云网络(Nebula)、可表述网络(XIA)、可选网络(Choice Net) 等等。

软件定义网络通过建立一个新的网络模型，通过数据转发平面和控制管理平面相分离，构建一个开放、可控、安全的新一代网络。网络功能虚拟化基于IT 虚拟化技术手段，采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能。目前，全球的研究机构计划由过去的“注重标准”向“标准与开源”并重转变，以推动软件定义网络/ 网络功能虚拟化产业生态链的建设。

在控制管理平面上，网络操作系统将是整个网络的核心。2013 年4 月，思科、IBM、微软等18 家公司联手合作建立开源的软件定义网络研究项目Open Daylight(ODL)，打造开源的网络操作系统；2014 年12 月，由斯坦福大学和加州大学伯克利分校的软件定义网络先驱者创立的非营利性组织ON.Lab 也紧锣密鼓地推出了自己的开源SDN 操作系统——ONOS。目前整个操作系统领域尚未形成统一的方案，利益各方正在多方博弈，北向接口与东西向接口协议刚刚开始讨论，可扩展性、可用性、性能等方面还有很大的提升空间。

在数据转发平面上，Google、Facebook、AT&T 等公司正在积极推动开源硬件设备的定制。2004 年到2012 年，Google 数据中心交换吞吐率从2T 上升到1.3P，通过定制开源硬件，以可扩展性极强的网络架构对其交换和处理能力进行横向叠加，在性能、功耗、成本上取得最佳折衷；Facebook 于2011 年发起Open Compute Project (OCP)，Google、AT&T、微软等公司正积极参与开源硬件的设计。此外，思科、英特尔公司正致力于研究高性能网络设备数据平面开源的软件化。思科公司于2016 年2 月开源了自己高性能数据平面产品fd.io (The Fast Data Project)，提出数据平面的通用加速架构；英特尔公司则推出基于软件的高速数据平面DPDK，可以在通用处理器上达到100Gpbs 的吞吐率，已接近传统专用硬件设备的转发速率。

Google 基于SDN 技术重新设计了数据中心网络的解决方案（见图1），2014 年第一季度投入23 亿美元，利用网络最新技术建设骨干网，通过SDN 将链路使用率从平均30% 提升至接近95%。其具体整体解决方案分为三层：(1) 全局控制层，主要负责全网流量工程；(2) 局部网络控制层，主要包括数据中心控制器(NCS) 以及其上运行Open Flow 集群(OFC)，使用Paxos 协议实现控制器主从备份；(3) 物理设备层，主要是SDN 交换机，运行Open Flow Agent (OFA)。

Google 的这个举措给了全球的网络运营商很大刺激。为此，AT&T 宣布进行名为Domain 2.0的网络转型计划。通过API 方便第三方参与，增加AT&T 的供应商和合作伙伴数量，使网络更加开放；剔除服务和运营中复杂的内容，支持更加灵活的业务模式，使网络更加简洁；满足不断变化的客户需求，以及多样化的性能和可靠性要求，提高资本运营效率，使网络更加灵活。AT&T的计划是在2015 年将5% 的业务迁移到基于SDN/NFV 的新型网络架构上，实际完成5.7%，2016 年目标是30%，到2020 年将75% 的业务迁移到基于SDN/NFV 的新网络架构上；网络上开源软件(OpenDaylight、ONOS、OpenStack、Open NFV)的使用率从5% 提升至10%；2015 年计划在全球建设69 个综合云数据中心(AIC)，目前实际完成74 个。2016 年5 月，AT&T 向世界宣布未来5 年裁员30%，并且启动13 万员工的再培训计划，每周培训10 ～ 15 小时。AT&T 还成立了创新实验室和产业孵化期，孵化期也超过1000 家，主导产业生态，激发创新活力。

实验验证是互联网研究的基本方法，网络技术的创新与应用需要一个大规模、国家级的实验网络平台，在平台上进行体系结构理论创新、关键技术与机制突破、核心设备与系统研发、大规模组网验证测试、业务创新与验证。在未来网络试验平台方面，美国自然基金委(NSF) 支持了全球网络创新环境(GENI) 项目，投入超过3 亿美元，目前参与单位超过100 家，几乎囊括了美国所有相关的顶尖机构：国家部门有美国国防部、NSF，大学有斯坦福、麻省理工、卡耐基梅隆、普林斯顿、伯克利，公司有思科、Juniper、Fujitsu、HP、微软研究院、IBM、Ciena、NEC、SPARTA、AT&T、Qwest、法国电信等。2014 年，GENI 项目又增加了200 多个节点（见图2）。

驱动未来网络发展的新需求是安全、超大规模、5G 业务、物联网、大数据分析、云业务等。能够满足这些需求的网络应当具备以下特点：简单、开放、可扩展、安全可靠、融合现有网络；高效、灵活地调控网络及信息资源。根据上述需求，提出服务定制网络(SCN) 的概念，用户需求什么样的网络，就可以立即配置所需的网络，包括满足用户流量、安全、延迟等方面的需求。SCN 网络体系架构的提出受到了交通运输系统的启示，现有的交通运输系统采用差异化的运输方式，用户可根据需求，选择不同的交通运输方式，并支付不同的费用，例如普通公路不收费而高速公路收费，普通列车低收费而高铁高收费，水路运输低收费而航空运输高收费。目前互联网按照流量收费，类似于普通公路不收费，结果保证不了服务质量。因此，网络能够灵活地提供差异化服务质量的保证，势在必行。

SCN 的思想是服务可定制、服务可迁移、服务可感知，通过攻克组网核心技术和三大核心平台（见图3），即内容管控及调度平台、软件定义路由器平台、大数据策略感知平台，为我国未来网络发展奠定了技术基础。我们于2013 年8月已经在北京、上海、广州、南京、西安等全国26 个主要城市部署了基于SCN 架构的未来网络试验网，国内80 多个创新团队以及美国XIA 团队、欧盟OneLab 团队在试验网中进行了试验，已经与现有的互联网及欧美未来网络试验网进行互联互通，未来网络将与实体经济深度融合。SCN 的体系架构得到了国际知名专家的高度评价，SDN主要提出者，美国工程院院士Scott Shenker 认为“SCN 与SDN 2.0 传递着相同的信息”；欧盟未来网络OneLab、OpenLab 等主要负责人SergeFdida 认为“联邦机制对于未来网络试验设施至关重要”；ONF 执行主席Dan Pitt 认为“中国在SDN 商业化方面走得很快，SCN 的理念和ONF 的理念很接近”；前美国NSF 计算机与网络系统分部主任，IEEE Fellow，Wei Zhao 认为“未来网络试验网非常适合Wintenet 的实现验证”；美国卡耐基梅隆大学教授，未来网络体系结构XIA项目负责人，IEEE Fellow，Peter Steenkiste希望XIA 在未来网络试验网上进行部署验证。

2013 年2 月，国务院8 号文件将中国未来网络试验设施项目(CENI，China Environment for Network Innovations) 列入“国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030)”。CENI 项目的整体目标是：全面提升网络创新能力，增强网络产业核心竞争力，保障网络空间安全，确保网络可持续发展。2015 年8 月，在发改委的组织下CENI 正式立项，江苏省未来网络创新研究院作为总牵头单位，同时汇聚国内60 多所高校、40 多个科研院所与企业开始研发建设工作。CENI 的总体建设目标是在全国40 个城市建设100 个边缘网络，统一顶层设计、资源充分共享、多网各具特色、需求驱动发展。目前基于CENI 平台拟开展的创新性工作有：骨干网改造提升的实验验证、基于数据中心重构网络的实验验证、光与IP 网络融合的实验验证、5G 网络新型体系架构的实验

美军全球信息栅格(GIG 3.0) 经过多年发展，正逐步升级落地，后续将为美军“网络中心战”提供重要支撑。美军联合信息环境(JIE) 重新设计了美军底层网络架构，创新计算、网络安全等关键技术，使美军能够采用灵活的信息化手段，提高网络防御水平。

全球各国将国防和国家安全提到新的高度，如何设计未来新型军事网，以适应未来安全、大容量、高速传输以及灵活接入的业务需求？ 2014年12 月，美国军事领域专家与网络领域专家汇聚华盛顿，召开了软件定义网络与未来网络大会，探讨了SDN 技术与未来网络相关技术在军事网中的应用前景，认为SDN 可以在边缘作战网、数据中心、云网络、智能电网等军事领域进行应用。

信息化作战对网络信息体系提出了更高要求，而基于TCP/IP 的传统互联网体系架构难以适应未来军事网络的需求，包括网络协同融合、网络抗毁性、泛在接入与海量信息交互、信息贴近作战实体部署、网络安全需求等等。为此，北京邮电大学团队和54 所联合开发了未来军事战术网络的示范方案，这个方案主要解决军事战术网难以适应拓扑随时间无规律变化、难以实现资源有效利用、无法满足通信的高安全性需求、难以适应多样化的服务质量需求等问题，基于软件定义(SDN)、内容中心(CCN)、容迟容断(DTN)等新技术融合构建了新型军事战术网，使其高度可管可控、能够灵活调度网络资源、在战术环境中进行高效的数据分发、平滑支持现有军事专网业务。

未来军事战术网成熟以后，还将进一步基于数据中心网络的系统架构，构建我国的未来军事大网。基于SDN 技术，解决网络复杂及扩展性问题，提供虚拟化能力。将网络资源、信息内容资源智能调度作为网络的一种基本能力，并且基于大数据的智能数据挖掘与分析，为全网内容资源和网络资源的智能调度提供支撑。

目前的挑战有，星间拓扑的频繁变动、星地相对位置的频繁变动、星间流量负载的均衡、星上功耗/ 计算/ 存储受限、低中高轨卫星的协同组网等等，亟待突破的关键技术有星间拓扑频繁变动下的路由快速收敛技术、大规模移动节点管理技术、基于软件定义网络的卫星流量调度机制、支持服务定制能力的虚拟网络切片技术、高速率/ 低功耗卫星网络的协议栈设计等等。

全球互联网用户在2015 年超过了30 亿，其中中国用户达到6.69 亿，占全球的22%，是美国的2.5 倍，等于美国、印度、巴西、日本、俄罗斯互联网用户之和。因此，中国应该走具有自己特色的网络创新发展之路。2011 年11 月，江苏省成立未来网络创新研究院；2013 年2 月，国务院8 号文件将CENI 项目列为“国家重大科技基础设施建设中长期规划”，2015 年，天地一体化信息网络重大工程立项；同年，科技部宽带通信与新型网络重点项目准备立项；2015 年6 月，北京市在北京工业大学成立未来网络创新高精尖中心；2016 年，北京协同创新研究院成立未来网络协同创新中心。

未来网络已引起国内外广泛关注，成为各国科技优先发展的方向之一，对我国建设“网络强国”战略，构建自主、安全、可控的网络体系具有重要意义。我国在未来网络前期的积累，为实现新一代信息网络弯道超车打下了较好基础，为了抢抓机遇，应联合国内力量，协同创新。此外，还应进一步加强未来网络在军事方面的应用实践，加大投入，将核心先进信息技术优先在军事网络中应用推广。