黃韜，劉江，汪碩，張晨，劉韻潔

（1.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；2.網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)是人類歷史上最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一?；ヂ?lián)網(wǎng)已經(jīng)從最初的科研型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成消費(fèi)型網(wǎng)絡(luò)，目前正在向生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迎來新的機(jī)遇。在互聯(lián)網(wǎng)過去幾十年的發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出一系列優(yōu)秀的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，如 TCP（transmission control protocol）/IP（Internet protocol）、OSPF（open shortest path first）、BGP（border gateway protocol）、MPLS（multi-protocol label switching）、IPv6（Internet protocol version 6）、BBR（bottleneck bandwidth and RTT）、QUIC（quick UDP Internet connection）、SDN（software defined network）、NFV（network function virtualization）、VxLAN（visual extensible local area network）等，以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)等，這些技術(shù)為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展演進(jìn)提供了重要支撐，做出了歷史性貢獻(xiàn)。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)功能從“信息傳輸”向“產(chǎn)業(yè)服務(wù)”轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正迎來新的挑戰(zhàn)。

從需求驅(qū)動(dòng)角度看，新的業(yè)務(wù)將對未來網(wǎng)絡(luò)提出更高的要求。業(yè)界預(yù)測，未來網(wǎng)絡(luò)將需要滿足超低時(shí)延（毫秒級）、超高通量帶寬（＞1 Tbit/s）、超大規(guī)模連接（>1 000 億連接）等需求。例如，在消費(fèi)型業(yè)務(wù)領(lǐng)域，AR（augmented reality）/VR（virtual reality）/3D 通話、全息傳送、交互式游戲等沉浸式業(yè)務(wù)將對網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、大帶寬性能提出更高要求；在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，精儀制造、遠(yuǎn)程工控、數(shù)字孿生等生產(chǎn)性業(yè)務(wù)則要求網(wǎng)絡(luò)具備更好的低時(shí)延、低抖動(dòng)能力；在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，自動(dòng)駕駛、車路協(xié)同、無人車、無人機(jī)、無人船等新興業(yè)務(wù)則會對網(wǎng)絡(luò)提出低時(shí)延、高可靠的雙重需求。此外，參考Gartner近期發(fā)布的2020 年十大技術(shù)性趨勢，超級自動(dòng)化、透明度和可追溯性、授權(quán)邊緣、分布式云、自主設(shè)備、實(shí)用區(qū)塊鏈、AI（artificial intelligence）安全等技術(shù)和應(yīng)用將對互聯(lián)網(wǎng)提出更高要求，推動(dòng)未來網(wǎng)絡(luò)向智能化、柔性化和可定制化方向發(fā)展。

從技術(shù)挑戰(zhàn)角度看，未來10 年互聯(lián)網(wǎng)在可擴(kuò)展性、移動(dòng)性、安全性、服務(wù)質(zhì)量保障、高效服務(wù)分發(fā)、綠色節(jié)能等方面，仍將面臨巨大挑戰(zhàn)。雖然從21 世紀(jì)初開始，一些問題已被學(xué)術(shù)界意識到，并開展了諸多創(chuàng)新性研究，然而很多技術(shù)難題仍未能從根本上解決，并且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益增大而變得愈加嚴(yán)峻。例如，在可擴(kuò)展性方面，網(wǎng)絡(luò)流量增長速度遠(yuǎn)高于芯片處理性能增長速度，如何構(gòu)建新一代網(wǎng)絡(luò)芯片甚至變革網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，以滿足未來10 年網(wǎng)絡(luò)流量爆炸性增長需求成為新的難題；在服務(wù)質(zhì)量保障方面，傳統(tǒng)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)遵循“盡力而為”的設(shè)計(jì)理念，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)重公平性原則，不強(qiáng)調(diào)對全網(wǎng)的可管可控，然而隨著新業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量保障需求的增加，未來網(wǎng)絡(luò)亟須增加差異性服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端確定性可控。

為解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)暴露出的種種問題，世界各國都在積極探索未來網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)方案，并搶先展開戰(zhàn)略布局。通過設(shè)立重大項(xiàng)目，從“網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)”和“網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺構(gòu)建”這2 個(gè)角度入手，探索新的網(wǎng)絡(luò)體系并進(jìn)行測試驗(yàn)證，本文首先系統(tǒng)地追蹤了國內(nèi)外未來網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的最新發(fā)展情況，在此基礎(chǔ)上再從網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)和創(chuàng)新試驗(yàn)平臺2 個(gè)角度展開分析?！熬W(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)”是目前網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域公認(rèn)的一項(xiàng)科學(xué)難題，也是當(dāng)前世界各國信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域爭相研究的焦點(diǎn)。本文系統(tǒng)梳理了近10 年未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)方面的研究進(jìn)展和思路，并在此基礎(chǔ)上提出了思考和設(shè)想。“網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新試驗(yàn)平臺”作為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新研究的基本手段，在國際上得到廣泛重視，全球已經(jīng)建立了超過10 個(gè)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施。本文系統(tǒng)梳理了全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新試驗(yàn)平臺的主要思路和最新進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上介紹了中國主導(dǎo)建設(shè)的未來網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施的核心思路及發(fā)展趨勢。

面向2030 年的需求，本文期望構(gòu)建可提供“萬億級、人機(jī)物、全時(shí)空、安全、智能”的未來網(wǎng)絡(luò)。然而，網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新發(fā)展必須要兼容現(xiàn)有的基礎(chǔ)，即使提出革命性的創(chuàng)新技術(shù)也需要找到演進(jìn)式的部署路線，本文在對未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，梳理了網(wǎng)絡(luò)控制編排、網(wǎng)絡(luò)深度可編程、網(wǎng)絡(luò)確定性服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算存儲一體化、網(wǎng)絡(luò)空天地海一體化、網(wǎng)絡(luò)+人工智能、網(wǎng)絡(luò)+區(qū)塊鏈、智能安全網(wǎng)絡(luò)八大核心技術(shù)，并給出了業(yè)界最新進(jìn)展及其發(fā)展趨勢的思考。最后，本文給出了面向2030 的未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展展望。

2 未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

2.1 國內(nèi)外未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究進(jìn)展

自未來網(wǎng)絡(luò)的概念提出以來，各國高度重視未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的創(chuàng)新研究，并紛紛加大投入力度支持學(xué)術(shù)界對未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行探索。美國未來網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目主要由國家科學(xué)基金會（NSF）管理，包括未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)（FIND,future Internet design）和未來互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（FIA,future Internet architecture）計(jì)劃。FIND 從2005 年開始資助了關(guān)于新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)感知測量等方面的近50 個(gè)研究項(xiàng)目，F(xiàn)IA 于2010 年啟動(dòng)，對命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、MobilityFirst、XIA（expressive Internet architecture）、Nebula 等項(xiàng)目提供支持，從內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全可信機(jī)制、分布式數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等方面探索未來網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵機(jī)制。

歐盟第七框架計(jì)劃（FP7,7th framework programme）以探索克服現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)問題的全新整體性解決方案、設(shè)計(jì)運(yùn)營商未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為目標(biāo)，從2007 年開始啟動(dòng)了FIRE（future Internet research and experiment initiative）、4WARD、SAIL（scalable and adaptive Internet solution）等一系列未來網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的項(xiàng)目。目前，主要由歐盟創(chuàng)新框架計(jì)劃Horizon 2020 對信息和通信技術(shù)（ICT,information and communications technology）系統(tǒng)的研究和開發(fā)進(jìn)行支持，包括5G 相關(guān)技術(shù)研究、下一代計(jì)算系統(tǒng)和技術(shù)，以及未來網(wǎng)絡(luò)軟硬件、基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)與服務(wù)、內(nèi)容技術(shù)和信息管理等方面。

日本國家信息通信技術(shù)研究院（NICT）于2006 年啟動(dòng)AKARI 研究計(jì)劃，該計(jì)劃提出新一代網(wǎng)絡(luò)的概念，其核心思想是在考慮與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)過渡問題的基礎(chǔ)上研究創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并提出了未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的三大原則：簡單、真實(shí)連接和可持續(xù)演進(jìn)。隨后，NICT 對 AKARI、JGN-X（Japan gigabit network extreme）等多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行整合，形成新一代網(wǎng)絡(luò)研究與發(fā)展計(jì)劃，該計(jì)劃涉及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、光、無線和安全等領(lǐng)域，致力于解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存在的問題并促進(jìn)未來網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展。

我國科研人員從2007 年開始跟蹤未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的發(fā)展，國家科技部、自然科學(xué)基金委等也啟動(dòng)了“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議基礎(chǔ)研究”“未來互聯(lián)網(wǎng)尋址機(jī)制與節(jié)點(diǎn)模型”“面向服務(wù)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究”等一系列項(xiàng)目，中國科學(xué)院與中國工程院在相關(guān)報(bào)告中也明確提出加強(qiáng)未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的必要性與緊迫性。從2018 年開始，科技部又進(jìn)一步啟動(dòng)了寬帶通信與新型網(wǎng)絡(luò)專項(xiàng)、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程、人工智能重大專項(xiàng)等研究，期望能在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)方面取得進(jìn)展和突破。

國內(nèi)外未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的研究主要從簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)可擴(kuò)展性和兼容性等方面進(jìn)行，形成的主要研究成果總結(jié)如下。

Plutarch 架構(gòu)[1]支持網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性。XIA 架構(gòu)[2]支持以內(nèi)容、服務(wù)、用戶等多類主體為中心的網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)是各種網(wǎng)絡(luò)的組合而非簡單的層級集合，互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于理解和建模網(wǎng)絡(luò)組合體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]為實(shí)現(xiàn)全新替代方案和兼容性的折中，提出一個(gè)支持全新部署的后向兼容互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，該架構(gòu)通過簡化部署、允許應(yīng)用同時(shí)使用多個(gè)共存框架，引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的永久性變革。目前，未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的主要研究成果包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)、信息中心網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（5G）、無線網(wǎng)絡(luò)、霧計(jì)算/移動(dòng)云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)的控制功能抽象為邏輯集中的控制平面，對底層設(shè)備資源進(jìn)行管理并支持可編程，數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)操作，具備良好的靈活性、可控性，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)交互協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制器和控制平面可擴(kuò)展性研究。

信息中心網(wǎng)絡(luò)指出，用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的目的是獲取信息，網(wǎng)絡(luò)的基本行為模式應(yīng)當(dāng)是請求和獲取信息，以信息為中心可以提高資源利用率和服務(wù)質(zhì)量。CDN（content delivery network）/NDN（named data networking）是可適應(yīng)當(dāng)前內(nèi)容獲取模式的新型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)保留了IP 協(xié)議棧的沙漏模型，細(xì)腰層使用類似統(tǒng)一資源定位符（URL,uniform resource locator）的層次化內(nèi)容命名方式，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括命名機(jī)制、緩存策略、路由與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制以及移動(dòng)性。

移動(dòng)和無線網(wǎng)絡(luò)（MobilityFirst）是面向資源有限的移動(dòng)及無線場景，以移動(dòng)終端作為主流設(shè)備、穩(wěn)健、可信、安全的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，該類架構(gòu)需具備的技術(shù)特征包括：支持異構(gòu)設(shè)備的共存性、與硬件解耦并具備靈活的控制接口、支持快速的全局域名解析、核心網(wǎng)絡(luò)采用扁平地址結(jié)構(gòu)、支持可編程的移動(dòng)計(jì)算模式。

云網(wǎng)絡(luò)（Nebula）是基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)虛擬化、SDN、云計(jì)算等技術(shù)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、存儲和傳輸資源的管理控制。云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層和軟件服務(wù)層，云中構(gòu)建的主要網(wǎng)絡(luò)包括公共網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)、存儲網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。公共網(wǎng)絡(luò)向外部用戶提供訪問；管理網(wǎng)絡(luò)用于管理云中各物理節(jié)點(diǎn)間的通信；存儲網(wǎng)絡(luò)可用于建立存儲池；服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是純虛擬網(wǎng)絡(luò)，在物理主機(jī)間使用隧道技術(shù)構(gòu)建。

4K/8K、AR/VR、全息全感通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用場景的出現(xiàn)使未來網(wǎng)絡(luò)需要具備哪些能力與功能成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展亟須考慮的問題。2018 年7 月，ITU 成立了網(wǎng)絡(luò) 2030 焦點(diǎn)組（FG-NET-2030,Focus Group on Network 2030）專門研究傳輸這些新應(yīng)用所需的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究范圍包括2030 年及以后的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、需求、使用場景和網(wǎng)絡(luò)功能[5]。該焦點(diǎn)組指出未來網(wǎng)絡(luò)的研究可以從新的垂直行業(yè)、新通信服務(wù)和空天地網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施3 個(gè)角度出發(fā)。新的垂直行業(yè)需要對工業(yè)自動(dòng)化和個(gè)人近實(shí)時(shí)全息通信體驗(yàn)提供支持；對于新通信服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)2030 將開發(fā)一種具備新型網(wǎng)內(nèi)服務(wù)的模型，支持應(yīng)用更智能、高精度地與網(wǎng)絡(luò)交互，滿足應(yīng)用對確定性時(shí)延的需求，并將服務(wù)形式化；空天地網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施需要把握使用對象及所需服務(wù)類型。該焦點(diǎn)組關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域包括時(shí)間保證通信服務(wù)（準(zhǔn)時(shí)服務(wù)、及時(shí)服務(wù)、協(xié)調(diào)服務(wù)）、具有復(fù)雜約束的通信服務(wù)（如全息通信、全感官沉浸式體驗(yàn)）、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)共存（如光網(wǎng)絡(luò)、分布式數(shù)據(jù)中心、公有云、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）、新垂直行業(yè)（如自動(dòng)工廠、沉浸式教育）以及與下一代移動(dòng)技術(shù)的關(guān)系。中國于2018 年6 月成立了網(wǎng)絡(luò)5.0 產(chǎn)業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，主要針對下一代數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)愿景、架構(gòu)、技術(shù)驗(yàn)證、部署與運(yùn)營等展開研究，推動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)，目前已與FG-NET-2030在未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景研究與技術(shù)創(chuàng)新等方面建立合作關(guān)系。

國內(nèi)高校、科研院所也同步展開了地址驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[6]、智慧標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)[7]、多模態(tài)智慧網(wǎng)絡(luò)[8]、雙結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[9]等一系列新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的探索，為未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了新的思路。

2.2 對未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的思考

未來網(wǎng)絡(luò)在面向2030 的系統(tǒng)架構(gòu)與能力上面臨巨大的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一，來源于目前 IT（information technology）與 CT（communication technology）的加速融合，網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算/存儲的邊界正在逐步模糊，各類IT 與CT 資源正在廣域網(wǎng)范圍實(shí)現(xiàn)一體化，并統(tǒng)一按需提供服務(wù)，這將推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)從傳統(tǒng)的“以網(wǎng)絡(luò)資源為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥淼摹耙詰?yīng)用服務(wù)為中心”。挑戰(zhàn)之二，來源于產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的潛在爆發(fā)，相關(guān)的自動(dòng)化要素通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行流通與協(xié)同，對于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸?、時(shí)延、抖動(dòng)等指標(biāo)提出了更精細(xì)量化的需求，這將導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)的能力從傳統(tǒng)的“隨機(jī)不可控”進(jìn)化為未來的“確定可預(yù)期”。

上述的變革與挑戰(zhàn)，是未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)需要重點(diǎn)關(guān)注與解決的問題，同時(shí)也是面向2030 年未來網(wǎng)絡(luò)所面臨的重大機(jī)遇，因此，需要通過設(shè)計(jì)“以應(yīng)用服務(wù)為中心”的“服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)”[10]來解決上述挑戰(zhàn)。服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)以簡單開放、可擴(kuò)展、安全、融合為設(shè)計(jì)原則，以為不同應(yīng)用服務(wù)提供差異化組網(wǎng)能力為主要目標(biāo)，支持計(jì)算及存儲資源的在網(wǎng)高效靈活調(diào)度。

服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)愿景與路線的實(shí)現(xiàn)，需要綜合使用、探索各類新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并組合形成完整的服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)棧。軟件定義網(wǎng)絡(luò)、軟件定義廣域網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)，可為服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)提供靈活的管控能力，支撐實(shí)現(xiàn)協(xié)議全棧開放可定義。白盒轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、協(xié)議無關(guān)編程語言、SRv6（segment routing IPv6）轉(zhuǎn)發(fā)編程框架等技術(shù)，可為服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)提供靈活的轉(zhuǎn)發(fā)行為，支撐實(shí)現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)開放可編程。時(shí)間敏感以太網(wǎng)、靈活以太網(wǎng)、確定性網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，則可為服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)提供精細(xì)化的服務(wù)保障能力，支撐實(shí)現(xiàn)傳輸質(zhì)量確定可預(yù)期。

值得注意的是，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)底層融合計(jì)算存儲也是服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要理念，通過在網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)調(diào)度計(jì)算與存儲資源，可有效降低業(yè)務(wù)時(shí)延并減少信息冗余。隨著云計(jì)算與邊緣計(jì)算的加速應(yīng)用，展望2030 年的未來網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)將原生結(jié)合云計(jì)算/邊緣計(jì)算，在廣域范圍實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲的超融合一體化，使各種應(yīng)用服務(wù)資源（如算力、數(shù)據(jù)、內(nèi)容等）在運(yùn)營商“云、邊、端”多個(gè)層次，甚至跨多運(yùn)營商的廣域網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)分布和按需連接協(xié)同。屆時(shí)，服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)將在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)承載平面（網(wǎng)絡(luò)第一平面）之上，引入一個(gè)廣域大尺度的疊加服務(wù)平面（網(wǎng)絡(luò)第二平面），作為未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)的技術(shù)底座，實(shí)現(xiàn)“革命式”新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)式部署，支撐人工智能、區(qū)塊鏈等向大規(guī)模分布、泛邊界協(xié)同的形態(tài)進(jìn)行演進(jìn)。

自2014 年服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展愿景提出以來，其思想與概念已經(jīng)在諸多應(yīng)用領(lǐng)域形成了雛形。例如，在企業(yè)廣域網(wǎng)領(lǐng)域，中國電信、中國聯(lián)通積極探索的軟件定義廣域網(wǎng)技術(shù)支持中小企業(yè)用戶自定義其WAN（wide area network）的結(jié)構(gòu)與能力，可為不同的企業(yè)應(yīng)用服務(wù)提供差異化的選路、安全，以及QoS（quality of service）保障；在移動(dòng)核心網(wǎng)領(lǐng)域，中國移動(dòng)提出的云原生核心網(wǎng)技術(shù)支持以容器化的形式按需提供核心網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)元，不同的移動(dòng)用戶或應(yīng)用服務(wù)可按需定制差異化的增值業(yè)務(wù)能力；在5G 移動(dòng)通信領(lǐng)域，華為、中興等公司所推動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)支持對于 RAN（radio access network）無線接入和承載回傳網(wǎng)絡(luò)資源的硬切片，以便為不同的5G 應(yīng)用服務(wù)與行業(yè)用戶提供差異化的5G 組網(wǎng)能力；在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)領(lǐng)域，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)桿外網(wǎng)技術(shù)可為不同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)定制提供確定性的傳輸時(shí)延與抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)信息化要素在外網(wǎng)的安全可控傳輸。

3 未來網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施

試驗(yàn)平臺對比如表1 所示。

3.1 國外試驗(yàn)平臺研究進(jìn)展

試驗(yàn)驗(yàn)證作為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)新的基本方法，在國際上得到廣泛重視，許多國家已經(jīng)建立了大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施，如美國的GENI（global environment for networking innovation）、CloudLab，歐洲的Onelab、Fed4FIRE+，日本的RISE、NICT 集成試驗(yàn)平臺，我國也積極布局了網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺的研究與建設(shè)。為了支持網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的研究，許多試驗(yàn)床結(jié)合SDN 技術(shù)、虛擬化技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可在統(tǒng)一的物理基礎(chǔ)設(shè)施上為不同試驗(yàn)提供相互隔離的網(wǎng)絡(luò)資源，并結(jié)合OpenStack 等云管理平臺支持用戶按需動(dòng)態(tài)申請網(wǎng)絡(luò)切片資源。為了更好地推動(dòng)未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究和發(fā)展，各類試驗(yàn)平臺仍在不斷完善和創(chuàng)新。

GENI[11]于2005 年由美國國家科學(xué)基金會提出，以創(chuàng)建分布式試驗(yàn)平臺支持計(jì)算機(jī)科學(xué)試驗(yàn)并促進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、執(zhí)行和記錄的良好規(guī)范為長期目標(biāo)[12]?，F(xiàn)階段GENI 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對OpenFlow 技術(shù)的支持，并允許用戶按需申請網(wǎng)絡(luò)資源。GENI 體系結(jié)構(gòu)包括控制平面和數(shù)據(jù)平面，控制平面用于管理資源，數(shù)據(jù)平面根據(jù)用戶提供的說明進(jìn)行設(shè)置，資源由不同實(shí)體運(yùn)營的異構(gòu)資源以集合的形式提供。GENI的管理核心是控制框架 GCF（GENI control framework），網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)以切片的形式運(yùn)行于數(shù)據(jù)平面，使用的切片工具包括VLAN（virtual local area network）、FlowVisor 和OpenVirteX[13]等。GENI 支持用戶訪問CloudLab、Chameleon、Emulab 等聯(lián)合測試平臺的資源以進(jìn)行跨平臺試驗(yàn)。

CloudLab[14]旨在提供支持各種云計(jì)算研究的大規(guī)模、多樣化、分布式試驗(yàn)平臺，是美國國家科學(xué)基金委員會NSFCloud 計(jì)劃的組成部分，從2014 年開始運(yùn)行。該試驗(yàn)平臺為用戶提供云計(jì)算資源，在允許用戶構(gòu)建上層云應(yīng)用的同時(shí)，提供直至裸機(jī)的控制和可視性。CloudLab 為地理分布式結(jié)構(gòu)，主要包括Utah、Clemson、Wisconsin這3 個(gè)集群。每個(gè)集群側(cè)重于不同研究領(lǐng)域，Utah集群主要用于橫向擴(kuò)展研究，Wisconsin 集群主要用于存儲和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，Clemson 集群主要用于高性能研究[15]?，F(xiàn)階段，CloudLab 與GENI、Emulab 等平臺聯(lián)合，已為上千個(gè)項(xiàng)目及用戶提供了試驗(yàn)服務(wù)。

Chameleon[16]是由NSF 資助的大型、可深度重配置的計(jì)算機(jī)科學(xué)試驗(yàn)平臺，支持的項(xiàng)目涉及操作系統(tǒng)開發(fā)、虛擬化方案、性能可變性研究和能耗管理等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究。該平臺基于OpenStack 開源架構(gòu)，可為用戶提供軟件堆棧的完全控制，支持系統(tǒng)裸機(jī)重配置，用戶可通過云端裸機(jī)訪問Infiniband、NVMe、GPU（graphics processing unit）、低功耗Xeon 和ARM（advanced risc machine）處理器等多種類型的硬件。該試驗(yàn)平臺從2015 年7 月開始開放使用，目前已經(jīng)為3 000 多個(gè)用戶的500多個(gè)項(xiàng)目提供支持。

表1 試驗(yàn)平臺對比

OneLab 包括OneLab 和OneLab2。OneLab項(xiàng)目由歐盟FP6 項(xiàng)目組提供支持，主要工作是對當(dāng)時(shí)廣泛使用的PlanetLab 基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行無線環(huán)境下的擴(kuò)展并建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境。OneLab2 項(xiàng)目由歐盟FP7 項(xiàng)目組提供支持，將前期OneLab 項(xiàng)目中的試驗(yàn)平臺擴(kuò)展至整個(gè)歐洲，并與全球其他PlanetLab 基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)合，構(gòu)建開放、可持續(xù)的大規(guī)模共享試驗(yàn)設(shè)施?；谇捌谘芯炕A(chǔ)，OneLab 聯(lián)盟于2014 年正式成立，解決了單一入口訪問異構(gòu)資源和分布式資源并聯(lián)合多個(gè)權(quán)限控制下資源的聯(lián)合模型問題[17]，形成了包括FIT IOT-LAB、NITOS、FIT WIRELESS、FIT Cloud 等聯(lián)合的試驗(yàn)平臺，可支持用戶搭建相應(yīng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)環(huán)境。

Fed4FIRE+屬于歐盟Horizon 2020 計(jì)劃項(xiàng)目，建設(shè)周期為2017 年至2021 年，旨在構(gòu)建全球最大的下一代互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合試驗(yàn)平臺，通過通用框架和工具對無線、有線、云服務(wù)等各類技術(shù)設(shè)施進(jìn)行訪問，提供對云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、智能城市、5G 和物聯(lián)網(wǎng)（IoT,Internet of things）領(lǐng)域相關(guān)研究的支持。Fed4FIRE+主要關(guān)注中小企業(yè)，企業(yè)利用測試平臺可降低產(chǎn)品開發(fā)、測試和優(yōu)化的門檻，而測試平臺提供商能夠獲取有關(guān)運(yùn)行和操作測試平臺的反饋。根據(jù) 2019 年第一階段報(bào)告，F(xiàn)ed4FIRE+項(xiàng)目已發(fā)布一站式服務(wù)初始框架，并加入13 種不同類型的21 個(gè)試驗(yàn)平臺，技術(shù)創(chuàng)新包括SLA（service-level agreement）和聲譽(yù)支持、試驗(yàn)即服務(wù)、監(jiān)測和互聯(lián)、服務(wù)編排和代理、測試平臺聯(lián)合的個(gè)體等方面。

RISE[18]是 2009 年由 NICT 開始部署的OpenFlow 試驗(yàn)平臺。該平臺基于JGN-X[19]構(gòu)建，主要目標(biāo)是提供大規(guī)模、真實(shí)的SDN 驗(yàn)證環(huán)境。目前，RISE 擁有14 個(gè)站點(diǎn)。NICT 集成試驗(yàn)平臺由NICT ICT 測試平臺研發(fā)促進(jìn)中心于2016 年開始建立，將NICT 的4 個(gè)測試平臺即JGN、RISE、StarBED[20]和JOSE[21]進(jìn)行合并，為大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)提供支持，已被用于日本的工業(yè)、學(xué)術(shù)研究和NICT 研究項(xiàng)目中。

全球未來互聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)大會（GEFI,Global Experimentation for Future Internet）致力于未來網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺相關(guān)研究的合作與交流，目前已召開三屆會議。GEFI 2017 主要關(guān)注試驗(yàn)的可重復(fù)性、測試平臺的可擴(kuò)展性、低時(shí)延邊緣云應(yīng)用、SDX（software-defined network exchange ） &SDI（software-defined infrastructure）。GEFI 2018[22]對測試平臺建設(shè)存在的問題進(jìn)行探討，提出推進(jìn)光傳輸“白盒”開發(fā)，以支持彈性光網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合測試平臺創(chuàng)建，研究端到端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在無線網(wǎng)、邊緣網(wǎng)和云數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術(shù)融合；GEFI 2019[23]主要涉及分布式網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)、5G/B5G無線基礎(chǔ)設(shè)施、邊緣計(jì)算、試驗(yàn)可重復(fù)性及數(shù)據(jù)開放等方面。

3.2 中國未來網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施

為適應(yīng)未來全球網(wǎng)絡(luò)變革的新趨勢，突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前所面臨的核心技術(shù)問題，保障我國網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的中長期發(fā)展，2013 年，我國將未來網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施（CENI,china environment for network innovation）列入“國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中長期規(guī)劃（2012-2030）”，該項(xiàng)目于2016 年12 月正式啟動(dòng)實(shí)施。

CENI 作為我國在通信與信息工程領(lǐng)域的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)覆蓋了包括國內(nèi)40 個(gè)主要城市，包含88 個(gè)主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、133 個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，以及4 大云數(shù)據(jù)中心，目標(biāo)為建設(shè)一個(gè)先進(jìn)的、開放的、靈活的、可持續(xù)發(fā)展的大規(guī)模通用試驗(yàn)設(shè)施，滿足“十三五”和“十四五”期間國家關(guān)于下一代互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)空間安全、天地一體化網(wǎng)絡(luò)等重大科技項(xiàng)目的試驗(yàn)驗(yàn)證需求，獲得超前于產(chǎn)業(yè)5～10 年的創(chuàng)新成果。

CENI 的建設(shè)對于我國未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有重大意義，從學(xué)術(shù)界角度，可提供一個(gè)大規(guī)模虛擬化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，作為高校、研究院所科研人員的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新驗(yàn)證平臺，顯著增強(qiáng)創(chuàng)新成果的國際認(rèn)可度；從產(chǎn)業(yè)界角度，可為運(yùn)營商的新型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署、設(shè)備商新設(shè)備的大規(guī)模測試、互聯(lián)網(wǎng)公司的新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供測試平臺和應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)境。

圖1 CENI 的整體架構(gòu)

CENI 的整體架構(gòu)如圖1 所示，SDN 跨域協(xié)同控制器可分為主干網(wǎng)控制器、邊緣網(wǎng)控制器和云數(shù)據(jù)中心控制器。CENI 主干網(wǎng)連接了全國40 個(gè)主要城市，主干網(wǎng)又可分為可編程路由器和SDN 白盒交換機(jī)2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)平面，提供差異化的網(wǎng)絡(luò)連接與服務(wù)能力，企業(yè)、學(xué)校等邊緣網(wǎng)絡(luò)通過因特網(wǎng)入網(wǎng)點(diǎn)（POP,point of presence）接入CENI。CENI 中的各個(gè)域的網(wǎng)絡(luò)，都將通過中國網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（CNOS,China network operating system）進(jìn)行集中式的管理，以及跨域的協(xié)同編排與調(diào)度。在此基礎(chǔ)上，CENI 試驗(yàn)服務(wù)平臺與管理系統(tǒng)將作為CNOS 的關(guān)鍵應(yīng)用，向試驗(yàn)用戶提供自助式的一站式試驗(yàn)服務(wù)，可為全層次、多場景的網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全的創(chuàng)新技術(shù)與應(yīng)用，提供先進(jìn)、開放、靈活、高速、可靠的試驗(yàn)環(huán)境。

可編程路由器網(wǎng)絡(luò)平面具備高度的開放性與靈活性。其中，單臺可編程設(shè)備可生成多個(gè)虛擬化設(shè)備實(shí)例，各虛擬化設(shè)備實(shí)例之間邏輯隔離，可以共用或者復(fù)用物理端口，整個(gè)可編程路由器網(wǎng)絡(luò)平面通過VLAN 標(biāo)簽技術(shù)支持相互隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)平面?？删幊搪酚善骶W(wǎng)絡(luò)平面的主干網(wǎng)建成后，將可以在廣域網(wǎng)層面提供L0～L3 層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足各類網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新試驗(yàn)需求，如L0 層可提供裸光纖的試驗(yàn)服務(wù)，L1 層可提供10 Gbit/s、N×10 Gbit/s、100 Gbit/s 光波道的試驗(yàn)服務(wù)，L2 層可提供各類鏈路層技術(shù)與架構(gòu)的試驗(yàn)服務(wù)，L3 層可提供各類IP/Non-IP 的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)與架構(gòu)的試驗(yàn)服務(wù)?？删幊搪酚善骶W(wǎng)絡(luò)平面通過可編程AP（access point）利用有線、無線、4G/5G、ZigBee、NB-IoT（narrow band Internet of things）和LORA（long range radio）等多種先進(jìn)技術(shù)，在其邊緣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)包括手機(jī)終端、計(jì)算機(jī)、巡檢機(jī)器人、物聯(lián)傳感終端等多類型試驗(yàn)終端接入；并通過開放可編程接口，靈活實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新和新協(xié)議部署，可為NDN、SCN（service-centric networking）、SOFIA（service -oriented future Internet architecture）等新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)提供仿真與驗(yàn)證的試驗(yàn)環(huán)境，為自組織網(wǎng)絡(luò)、隱私安全、多路徑傳輸優(yōu)化等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)試驗(yàn)提供組網(wǎng)與測試的試驗(yàn)載體?？删幊踢吘壘W(wǎng)還支持通過與監(jiān)測、感知、溯源（包含流量、性能）、資產(chǎn)發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知配合，提供更面向試驗(yàn)終端、更貼近試驗(yàn)用戶側(cè)的感知數(shù)據(jù)，提供支持試驗(yàn)終端大數(shù)據(jù)分析的試驗(yàn)條件。

SDN 白盒交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)平面具備運(yùn)營級大網(wǎng)的可靠性。其中，用戶接入側(cè)可通過以太網(wǎng)、光纖、專線、SD-WAN 等方式連接至SDN 白盒交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)平面的業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)承載側(cè)可實(shí)現(xiàn)對于不同用戶間流量的安全隔離與控制，理論上整個(gè)SDN 白盒交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)平面能夠支持高達(dá)1 600 萬個(gè)用戶并行運(yùn)行。利用SDN 集中管控與自動(dòng)化的能力，可實(shí)現(xiàn)用戶網(wǎng)絡(luò)的分鐘級開通，同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的流量工程與調(diào)度技術(shù)，可滿足不同用戶對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、分組丟失率等指標(biāo)的不同需求，實(shí)現(xiàn)大網(wǎng)級別的網(wǎng)絡(luò)切片并提供相應(yīng)的差異化服務(wù)能力。SDN 白盒交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)平面的邊緣網(wǎng)絡(luò)與云數(shù)據(jù)中心，將利用云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等技術(shù)構(gòu)建SDN 試驗(yàn)服務(wù)平臺，可支持單用戶試驗(yàn)、多用戶試驗(yàn)、跨域協(xié)同試驗(yàn)等多種試驗(yàn)方式，并能夠?yàn)橛脩籼峁㎜3 層軟件定義組網(wǎng)，以及L4～L7 層的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新試驗(yàn)服務(wù)能力，如網(wǎng)絡(luò)安全、內(nèi)容分發(fā)、協(xié)議無關(guān)網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議無關(guān)內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)、意圖網(wǎng)絡(luò)、智能DNS（domain name server）試驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)人工智能、區(qū)塊鏈組網(wǎng)等。利用NFV 與服務(wù)鏈技術(shù)，SDN 試驗(yàn)服務(wù)平臺能夠支持多種虛擬化網(wǎng)元與中間件能力的任意編排，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化和池化。同時(shí)，SDN 試驗(yàn)服務(wù)平臺可提供網(wǎng)絡(luò)終端所需的計(jì)算和存儲資源，為產(chǎn)生試驗(yàn)所需的流量和業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)資源。

從技術(shù)路線角度而言，CENI 將同時(shí)為基于IP與非IP 的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)提供驗(yàn)證與示范環(huán)境。IP 架構(gòu)已經(jīng)很好地滿足了過去幾十年的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要，4K/8K、全息通信、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)性提出了新的需求，基于IP 的新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)以解決上述問題。但運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)由于已經(jīng)存在大量存量業(yè)務(wù)，無法提供主干網(wǎng)端到端的試驗(yàn)環(huán)境，因此新技術(shù)難以在現(xiàn)網(wǎng)得到有效部署驗(yàn)證。針對這一問題，作為未來網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施，CENI 將支持基于IP 的新技術(shù)部署測試，包括服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)、端到端網(wǎng)絡(luò)切片、低時(shí)延與確定性轉(zhuǎn)發(fā)、大帶寬多播分發(fā)、分段路由與可編程等，為相關(guān)高校與科研機(jī)構(gòu)提供基于IP 的新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的示范驗(yàn)證試驗(yàn)服務(wù)平臺。

此外，由于IP 技術(shù)基因在可擴(kuò)展性、安全性、移動(dòng)性、可管控性等方面存在根源性問題，非IP的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)也是全球范圍研究的熱點(diǎn)，例如信息中心網(wǎng)絡(luò)、可選網(wǎng)絡(luò)、可信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)優(yōu)先網(wǎng)絡(luò)等。國內(nèi)提出了NewIP、地址驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、全維可定義網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)識一體化網(wǎng)絡(luò)等體系架構(gòu)，這些非IP的體系架構(gòu)急需主干級別的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)環(huán)境。針對這些問題，CENI 將提供自定義標(biāo)識的試驗(yàn)服務(wù)平臺，并支持主干網(wǎng)級別的規(guī)模試驗(yàn)，支撐國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新與突破。

4 未來網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域

隨著網(wǎng)絡(luò)需求日益復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了眾多創(chuàng)新技術(shù)，本節(jié)選取了一些比較熱門與關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)，如表2 所示。首先，對當(dāng)前直接與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了粗粒度的劃分，從網(wǎng)絡(luò)控制編排層面、數(shù)據(jù)層面對一些創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。其次，對創(chuàng)新技術(shù)的領(lǐng)域范圍做了進(jìn)一步延展，亟須探索網(wǎng)絡(luò)與人工智能、區(qū)塊鏈、安全進(jìn)行交叉融合的創(chuàng)新。最后，對未來網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵應(yīng)用方面的技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)關(guān)注熱點(diǎn)技術(shù)在空天地海一體化方面的應(yīng)用。

4.1 網(wǎng)絡(luò)控制與編排

傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)的控制能力分布于各類路由設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，存在操作復(fù)雜、管控困難等問題，軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)控制模式變革創(chuàng)造了新的契機(jī)。面向業(yè)務(wù)應(yīng)用發(fā)展需求，未來網(wǎng)絡(luò)將可能進(jìn)一步強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)的端到端控制與編排能力。

網(wǎng)絡(luò)控制與編排整體架構(gòu)如圖2 所示。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)控制與編排的核心，成為未來網(wǎng)絡(luò)競爭的制高點(diǎn)，對產(chǎn)業(yè)生態(tài)和國家安全具有重大意義。事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間起到了承上啟下的紐帶作用。一方面，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)通過相應(yīng)的接口協(xié)議對底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中化的管理、狀態(tài)監(jiān)測、轉(zhuǎn)發(fā)決策以處理和調(diào)度下層數(shù)據(jù)平面的流量；另一方面，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)通過相應(yīng)的接口向上層應(yīng)用放開多個(gè)層次的可編程能力，允許網(wǎng)絡(luò)用戶根據(jù)特定的應(yīng)用場景靈活地制定各種網(wǎng)絡(luò)策略。在多個(gè)用戶爭用底層資源時(shí)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以進(jìn)行資源調(diào)配和管理，從而更好地服務(wù)和滿足用戶的差異化需求。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)涉及網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)編排兩大方面，業(yè)界對相關(guān)技術(shù)展開了諸多研究。

表2 熱點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域總結(jié)

圖2 網(wǎng)絡(luò)控制與編排整體架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)控制方面主要涉及控制器架構(gòu)、控制平面性能、控制平面接口，以及可擴(kuò)展性、安全性等。在SDN 技術(shù)的發(fā)展初期，網(wǎng)絡(luò)控制一般以單實(shí)例的控制器出現(xiàn)，主要用于學(xué)術(shù)研究與探索，如NOX/POX、Ryu、Floodlight 等。這些控制器采用不同的機(jī)制實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活可控，為大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。隨著運(yùn)營商級網(wǎng)絡(luò)場景的出現(xiàn)，多控制器架構(gòu)成為研究熱點(diǎn)。多控制器架構(gòu)具有邏輯集中物理分布式和完全分布式2 種實(shí)現(xiàn)方案。邏輯集中物理分布式方案中所有控制器具有全局一致的網(wǎng)絡(luò)視圖，需要重點(diǎn)解決大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)控制器間的狀態(tài)同步問題；完全分布式方案則需要重點(diǎn)解決控制器放置優(yōu)化等議題。隨著SDN 技術(shù)的發(fā)展，控制器的設(shè)計(jì)和功能也越來越完善。目前，國內(nèi)外設(shè)備商、運(yùn)營商、開源組織等設(shè)計(jì)了多種控制器，并形成了不同的控制器生態(tài)鏈。其中，思科公司和開放網(wǎng)絡(luò)基金會分別主導(dǎo)了OpenDaylight 和ONOS 兩大開源控制器陣營，并大力構(gòu)建相關(guān)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，期望能打造具有高性能、分布式的SDN 大網(wǎng)控制器。

在網(wǎng)絡(luò)編排方面，主要包含SDN 高層業(yè)務(wù)編排和NFV 底層虛擬網(wǎng)元編排兩大部分，其中SDN高層業(yè)務(wù)編排負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)部署的工作流程進(jìn)行規(guī)范，再轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化策略下發(fā)給底層資源控制器；NFV 底層虛擬網(wǎng)元編排則將物理硬件資源與軟件功能解耦，抽象交換機(jī)、路由器、防火墻、負(fù)載均衡等網(wǎng)絡(luò)功能為虛擬網(wǎng)元，通過北向的標(biāo)準(zhǔn)化接口針對業(yè)務(wù)需要最終實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的部署，同時(shí)將當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)反饋給業(yè)務(wù)編排，進(jìn)行策略的改進(jìn)。業(yè)務(wù)編排和網(wǎng)絡(luò)資源編排相互依賴，形成一套閉環(huán)的網(wǎng)絡(luò)編排系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、定制化業(yè)務(wù)部署。文獻(xiàn)[22]總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)的最新進(jìn)展，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化主要用于性能加速，包括軟件加速、硬件加速和中間件卸載；文獻(xiàn)[23]總結(jié)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件定義智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，隨著人工智能技術(shù)的不斷突破，網(wǎng)絡(luò)編排正由“自動(dòng)化”向“智能化”轉(zhuǎn)變。在產(chǎn)業(yè)生態(tài)方面，AT&T 和中國移動(dòng)共同推出了開放式網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化平臺（ONAP,open network automation platform），試圖克服新軟件和虛擬化技術(shù)帶來的互操作性挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)面向運(yùn)營商場景的端到端編排。

面向2030 年的未來網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)控制和網(wǎng)絡(luò)編排將呈現(xiàn)出更靈活、更開放、更智能、更深度可編程的特征。端到端控制與編排將變成業(yè)務(wù)用戶最關(guān)心的能力，各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將不再像今天這么重要。構(gòu)建具備開放靈活、面向業(yè)務(wù)、具有微服務(wù)化架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)將成為未來網(wǎng)絡(luò)的核心，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)將迎來巨大的變革。隨著云計(jì)算、邊緣計(jì)算、智能終端、物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)云網(wǎng)邊端資源的控制、編排、調(diào)度將是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)領(lǐng)域，目前業(yè)界已開展諸多研究。2019 年5 月，國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合推出了CNOS 大網(wǎng)級網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，具備全場景、全兼容、高性能三大特征，在全球首次實(shí)現(xiàn)了SDN 交換機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器構(gòu)建廣域主干網(wǎng)的嘗試。

總結(jié)來講，軟件定義網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過十余年的發(fā)展取得了巨大的進(jìn)展，從最初的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，到現(xiàn)在滲透到各個(gè)網(wǎng)絡(luò)場景中，以控制和編排為核心的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)已成為未來生態(tài)構(gòu)建的關(guān)鍵。在各類新型應(yīng)用的推動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)也面臨許多新挑戰(zhàn)。例如，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可靠性、安全性變得尤為重要，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)如何支持主干網(wǎng)、城域網(wǎng)、邊緣網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等多場景跨域橫向協(xié)同，以及光傳輸平面、數(shù)通平面、業(yè)務(wù)平面的跨層縱向協(xié)同，同時(shí)更靈活地兼容路由器、交換機(jī)、光傳輸設(shè)備、智能網(wǎng)絡(luò)接口卡等多種設(shè)備形態(tài)，以及兼容異構(gòu)廠商設(shè)備、白盒設(shè)備等多種南北向接口；隨著遠(yuǎn)程工控、全息通信等新型業(yè)務(wù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)如何支持網(wǎng)絡(luò)端到端毫秒級時(shí)延、微秒級時(shí)延抖動(dòng)保障，如何支持無狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)層多播成為必須要解決的問題，如何實(shí)現(xiàn)具備更智能的全網(wǎng)實(shí)時(shí)感知、按需調(diào)度、路徑保障、全局優(yōu)化功能，實(shí)現(xiàn)流量管理、故障處理的智能化，并具備支持微服務(wù)化架構(gòu)、分布式集群、TB 級別網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)容量的高性能等。此外，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化在實(shí)現(xiàn)軟硬件加速、中間件卸載、部署的靈活性和擴(kuò)展性等方面也存在巨大的挑戰(zhàn)。這些都是值得繼續(xù)思考和研究的內(nèi)容。

4.2 網(wǎng)絡(luò)深度可編程

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備種類多樣但彼此標(biāo)準(zhǔn)不同，網(wǎng)絡(luò)受到功能固定的分組轉(zhuǎn)發(fā)處理硬件和芯片硬件廠商不兼容協(xié)議的限制，存在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新緩慢、運(yùn)行成本增加等問題。面對快速升級的網(wǎng)絡(luò)需求和不斷更新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)可編程的能力成為未來網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用的關(guān)鍵。

網(wǎng)絡(luò)可編程性是指網(wǎng)元將數(shù)據(jù)分組處理邏輯與網(wǎng)絡(luò)控制邏輯暴露于用戶，以進(jìn)行系統(tǒng)快速和可理解的重新配置的能力。網(wǎng)絡(luò)可編程性的概念始于主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)研究，隨著控制平面和數(shù)據(jù)平面分離等相關(guān)研究經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段。在SDN 剛剛興起時(shí)，由于轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備功能和性能的局限性，網(wǎng)絡(luò)可編程主要體現(xiàn)在軟件定義網(wǎng)絡(luò)的控制平面，面對超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)及大流量，基于SDN 控制器對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供的開放接口進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)功能和行為的按需管控和新業(yè)務(wù)的快速部署。斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的OpenFlow 模型成為控制平面可編程性的主要標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議。然而，OpenFlow 協(xié)議僅僅定義了控制器與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備間的行為機(jī)制，通過控制器向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)流表，實(shí)現(xiàn)流量轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)的可編程性局限于控制平面，數(shù)據(jù)平面的可編程性仍舊受限，成為制約網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。隨著新一代高性能可編程數(shù)據(jù)分組處理芯片及數(shù)據(jù)平面高級編程語言的出現(xiàn)，以軟件編程方式設(shè)定數(shù)據(jù)分組的處理流程并在芯片中編譯執(zhí)行成為現(xiàn)實(shí)。通過使用可編程芯片以及對應(yīng)的可編程語言，可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)行為的定義，完成訪問控制列表（ACL,access control list）過濾、路由策略、修改分組內(nèi)容、隊(duì)列調(diào)度等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面的可編程。當(dāng)前，隨著數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算等場景的興起，服務(wù)器端CPU（central processing unit）的負(fù)擔(dān)逐漸加重，網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC,network interface card）可編程成為一個(gè)新的趨勢，智能網(wǎng)絡(luò)接口卡（即Smart NIC）可以將網(wǎng)絡(luò)虛擬化、負(fù)載均衡等功能從服務(wù)器CPU 中卸載，從而為應(yīng)用提供更多的處理能力。因此，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可編程主要集中在編程語言、可編程芯片、智能網(wǎng)絡(luò)接口卡的研究上。

數(shù)據(jù)平面高級編程語言的出現(xiàn)為用戶自定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組處理流程提供了基礎(chǔ)。P4 是目前主要的數(shù)據(jù)平面編程語言，其核心設(shè)計(jì)目標(biāo)體現(xiàn)在3 個(gè)方面：1) 可重配置性，交換機(jī)的分組處理方式可以修改；2) 協(xié)議無關(guān)性，交換機(jī)對數(shù)據(jù)分組的處理方式不受協(xié)議限制；3) 平臺無關(guān)性，管理員對數(shù)據(jù)處理方式的描述不受底層平臺限制，編程實(shí)現(xiàn)與平臺無關(guān)。P4 的抽象轉(zhuǎn)發(fā)模型建立在OpenFlow 的“匹配?動(dòng)作”模式基礎(chǔ)之上，主要包含解析器、多級流水線和緩沖區(qū)3 個(gè)部分。P4 程序的工作流程包括配置和運(yùn)行2 個(gè)階段。P4 的語言規(guī)范定義了管理員處理數(shù)據(jù)分組的范式，目前主要有P4 14 和P4 16。PISCES[24]基于P4 高級編程語言在數(shù)據(jù)平面的深度可編程性提出了協(xié)議無關(guān)的、可編程的軟件交換機(jī)，其解析、匹配、操作執(zhí)行等代碼通過P4 編譯器生成代碼。除P4 之外的數(shù)據(jù)平面領(lǐng)域特定語言還有POF（protocol oblivious forwarding）、Click、packetC、PX、NPL（natural language processing）等。

可編程芯片是在網(wǎng)絡(luò)中提供發(fā)送和接受邏輯的微處理器，它打破了轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備功能固定的限制，配合可編程語言可以快速地開發(fā)和部署新的網(wǎng)絡(luò)功能?？删幊绦酒霓D(zhuǎn)發(fā)邏輯不是在硬件中固定的，而是由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商或交換機(jī)制造商編譯到芯片上的可編程語言程序決定的?？删幊绦酒浖_發(fā)環(huán)境提供了更多的新增功能，如編譯器、調(diào)試工具等，允許數(shù)據(jù)層面的自定義功能。當(dāng)前，根據(jù)使用的芯片技術(shù)可大致分為以下幾類：專用集成電路（ASIC,application specific integrated circuit）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA,field programmable gate array）、網(wǎng)絡(luò)處理器（NP,network processor）等。Barefoot 公司生產(chǎn)的Tofino 芯片是業(yè)內(nèi)第一個(gè)支持協(xié)議獨(dú)立交換架構(gòu)（PISA,protocol independent switch architecture）的可編程ASIC 芯片，并且是P4 可編程的。目前還有眾多設(shè)備廠商基于PISA 架構(gòu)設(shè)計(jì)交換芯片，如 Cisco、Mellanox 等。P4 FPGA[25-26]提出了將P4 程序編譯到FPGA 固件的框架結(jié)構(gòu)。在P4 FPGA 中利用P4 程序生成適于仿真應(yīng)用的BSV 代碼，其主要包含對P4 管道和其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的描述。

智能網(wǎng)絡(luò)接口卡通過編程轉(zhuǎn)移CPU 的大量功能，比如OpenvSwitch、VxLAN 等，從而節(jié)省了CPU 資源，提高應(yīng)用的性能。Smart NIC 采用可編程的數(shù)據(jù)平面，可以根據(jù)需要在硬件上更新分組交換規(guī)則和數(shù)據(jù)處理協(xié)議。Smart NIC 的可編程性可通過3 種方式實(shí)現(xiàn)，分別是基于特定應(yīng)用集成電路實(shí)現(xiàn)、基于現(xiàn)場可編程門陣列實(shí)現(xiàn)和基于將CPU與標(biāo)準(zhǔn)NIC 功能組合在一起的系統(tǒng)芯片實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)Smart NIC 增加了對可編程語言P4 的支持，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具進(jìn)行編程，因此運(yùn)營商可以使用Smart NIC 廠商提供的軟件工具，自行開發(fā)定制化軟件或提供接入服務(wù)。Xilinx 公司開發(fā)了SDNet開發(fā)環(huán)境，其在數(shù)據(jù)平面中可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)元素的部署方面被廣泛應(yīng)用。該公司基于SDNet 開發(fā)環(huán)境提出了稱為“Softly Defined Line Card”的下一代Smart NIC 架構(gòu)，該架構(gòu)通過數(shù)據(jù)分組處理器和可編程流量控制器共同組成定制的數(shù)據(jù)層面。

網(wǎng)絡(luò)的深度可編程有助于實(shí)現(xiàn)充分調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，提高應(yīng)用性能。在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的收集、負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)安全等方面的靈活性都有突出表現(xiàn)?？删幊踢€減少了技術(shù)更新的成本，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、設(shè)備生產(chǎn)商、服務(wù)提供商的協(xié)同合作。目前越來越多的項(xiàng)目開始關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的深度可編程，如開放網(wǎng)絡(luò)基金會在谷歌的支持下推出的Stratum 開源項(xiàng)目、微軟正式發(fā)布的SONiC 開源項(xiàng)目，均旨在構(gòu)建一個(gè)開放的軟件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。未來，在高可編程業(yè)務(wù)場景的需求導(dǎo)向下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還需要具備更大程度的開放性，可編程數(shù)據(jù)平面需要攻克數(shù)據(jù)分組處理流程與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備綁定等問題，建立開放的協(xié)議無關(guān)可編程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支持核心功能可編程，實(shí)現(xiàn)協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)功能的快速定制與重構(gòu)。

未來10 年內(nèi)，可編程網(wǎng)絡(luò)不僅需要能夠向下精確控制數(shù)據(jù)分組的處理過程，還需要向上形成一個(gè)可驗(yàn)證的閉環(huán)控制管理網(wǎng)絡(luò)。使未來網(wǎng)絡(luò)能夠自上而下地進(jìn)行“零接觸”的網(wǎng)絡(luò)控制操作，同時(shí)結(jié)合強(qiáng)大的硬件生態(tài)系統(tǒng)，利用深度可編程的方式來加速未來網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新發(fā)展。

4.3 網(wǎng)絡(luò)確定性服務(wù)

傳統(tǒng)以太網(wǎng)、IP 網(wǎng)絡(luò)主要基于“盡力而為”的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)，從機(jī)理上欠缺面向業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保障能力。運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)為了給用戶提供基礎(chǔ)的差異性、按需服務(wù)能力，往往采用接入限速、網(wǎng)絡(luò)輕載的方式實(shí)現(xiàn)，這在一定程度上滿足了大客戶專線業(yè)務(wù)的差異化需求。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求大規(guī)模從消費(fèi)型向生產(chǎn)型轉(zhuǎn)變，未來業(yè)務(wù)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的端到端服務(wù)質(zhì)量保障能力提出了更高的要求。在此背景下，確定性網(wǎng)絡(luò)的概念被業(yè)界提出，并逐步成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。

確定性網(wǎng)絡(luò)的核心是為應(yīng)用提供確定性的服務(wù)保障能力，這些確定性能力根據(jù)需求可包括帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、分組丟失率等多個(gè)指標(biāo)?？傮w來看，確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主要包含三大類場景：一是面向未來沉浸式交互體驗(yàn)的新型業(yè)務(wù)，如交互式AR/VR、全息通信等，需要保障網(wǎng)絡(luò)的帶寬和實(shí)時(shí)性；二是面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程工控、工業(yè)遙操作等，主要對網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)提出了更嚴(yán)苛的要求；三是具備快速移動(dòng)的實(shí)時(shí)交互場景，如車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、車路協(xié)同等，主要對網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、抖動(dòng)、分組丟失等方面提出了多維指標(biāo)要求。網(wǎng)絡(luò)確定性整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)確定性整體架構(gòu)

L1 層的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是FlexE/FlexO 技術(shù)，F(xiàn)lexE 也稱為靈活以太網(wǎng)，是由OIF（Optical Internetworking Forum）發(fā)布的通信協(xié)議，其基本思想是通過增加時(shí)分復(fù)用的 Shim 層實(shí)現(xiàn) MAC（medium access control）層與PHY（physical）層的解耦，得到更加靈活的物理通道速率，從而實(shí)現(xiàn)鏈路捆綁、子速率和通道化3 種應(yīng)用模式，承載各類速率需求業(yè)務(wù)。2016 年3 月，靈活以太網(wǎng)研究小組發(fā)布FlexE1.0 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)100GE PHY 的支持，單個(gè)時(shí)隙對應(yīng)帶寬，即時(shí)隙粒度為5 Gbit/s，確定了管理信息傳遞通道，但沒有確定同步時(shí)鐘信息如何傳送。2018 年6 月，OIF 又推出了FlexE 2.0 版本標(biāo)準(zhǔn)，確定了200GE、400GE PHY 的承載方案，并通過合并5 個(gè)5 Gbit/s 的時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)了25 Gbit/s 的時(shí)隙粒度。2018 年11 月FlexE 2.1 標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目啟動(dòng)，旨在對FlexE 2.0 進(jìn)行擴(kuò)展，增加50GE PHY和50 Gbit/s 時(shí)隙粒度的支持。此外，BBF（broad band fourm）在2017 年5 月啟動(dòng)“network services in IP/MPLS network using flex ethernet”標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)通過FlexE 接口在IP/MPLS 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)QoS 功能框架，并基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容支持FlexE 接口隧道技術(shù)。IETF（Internet engineering task force）啟動(dòng)了FlexE 控制平面標(biāo)準(zhǔn)制定工作，以實(shí)現(xiàn)接口隔離、網(wǎng)絡(luò)分片等技術(shù)?；陟`活以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片方案能夠?qū)崿F(xiàn)帶寬按需靈活分配，并且專用硬管道能夠?qū)崿F(xiàn)安全、低時(shí)延的服務(wù)質(zhì)量。L1 確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠通過PHY、MAC 層協(xié)同調(diào)度，實(shí)現(xiàn)時(shí)隙交換以保證時(shí)延、提高帶寬利用率，也能夠與SDN 技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)對L1 層的傳輸控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路動(dòng)態(tài)調(diào)整。目前靈活以太網(wǎng)技術(shù)主要用于5G 承載網(wǎng)場景，作為未來網(wǎng)絡(luò)體系的基礎(chǔ)性技術(shù)，還將進(jìn)一步擴(kuò)展至其他網(wǎng)絡(luò)場景。

L2 層的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是TSN（time sensitive networking）技術(shù)。TSN 技術(shù)是IEEE 802.1工作小組中的TSN 工作小組發(fā)展的系列標(biāo)準(zhǔn)，于2012 年由已有的AVB（Audio Video Bridging）工作小組更名而來，并在2015 年合并互聯(lián)網(wǎng)工作小組。在TSN 參考網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有對應(yīng)的同步時(shí)鐘和數(shù)據(jù)隊(duì)列，時(shí)鐘用于同步計(jì)算，隊(duì)列用于處理數(shù)據(jù)優(yōu)先級，包括針對高動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的快速通道方式、搶占式機(jī)制。通過各個(gè)機(jī)制的協(xié)同，TSN為數(shù)據(jù)傳輸提供確定的傳輸路徑與確定的傳輸時(shí)隙從而實(shí)現(xiàn)有界低時(shí)延傳輸。目前，TSN 相關(guān)機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)仍在逐步完善中，2011 年工作組發(fā)布了IEEE802.1AS-Rev（時(shí)鐘同步），實(shí)現(xiàn)了相差500 ns以內(nèi)的時(shí)鐘同步，現(xiàn)在仍在起草階段的IEEE802.1AS-Rev 進(jìn)一步引入了時(shí)間敏感應(yīng)用所需的新特征，支持故障切換并改進(jìn)了測量精度。在2015 年，IEEE802.1Qbv（時(shí)間感知隊(duì)列）發(fā)布，為流量傳輸提供確定的時(shí)隙，與IEEE 802.1Qbu &IEEE 802.3br（轉(zhuǎn)發(fā)與隊(duì)列機(jī)制）結(jié)合可以進(jìn)一步降低時(shí)延。之后工作組又在IEEE802.1Qcc（系統(tǒng)配置）制定了TSN 的端到端資源管理和配置標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布IEEE802.1CB（冗余數(shù)據(jù)傳輸）提供系統(tǒng)故障轉(zhuǎn)移的容錯(cuò)能力。作為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)L2 確定性網(wǎng)絡(luò)最成熟的技術(shù)，TSN 技術(shù)主要應(yīng)用方向有專業(yè)音視頻、汽車控制、商用電子、工業(yè)控制和需實(shí)時(shí)反饋的工業(yè)領(lǐng)域。工業(yè)領(lǐng)域各企業(yè)在2016 年成立整形器小組加入TSN 技術(shù)研究，并構(gòu)建了多個(gè)測試床。2019年，IEC 與IEEE 合作成立IEC 60802 工作組，以便工業(yè)領(lǐng)域的TSN 開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)底層的互操作。同時(shí)，OPC UA 基金會成立工作組，將TSN 技術(shù)與OPC UA 規(guī)范融合，以提供適用于智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高帶寬、低延時(shí)、語義互操作的工業(yè)通信架構(gòu)。

L3 層的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet,deterministic networking）等技術(shù)。2015 年，IETF 成立了確定性網(wǎng)絡(luò)工作組，側(cè)重于為L3 層數(shù)據(jù)提供確定性的時(shí)延、分組丟失、抖動(dòng)以及高可靠性，將確定性網(wǎng)絡(luò)通過IP/MPLS 等技術(shù)擴(kuò)展到廣域網(wǎng)上。DetNet 技術(shù)核心思想是，主要面向全局性大網(wǎng)場景，借鑒TSN 的機(jī)制和架構(gòu)，在統(tǒng)計(jì)復(fù)用的基礎(chǔ)上提供確定性時(shí)延和抖動(dòng)。其核心旨在定義一種通用架構(gòu)，對數(shù)據(jù)平面和L3 超低時(shí)延操作、管理和維護(hù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，涉及多跳路由的時(shí)間同步、控制和安全性，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置及多路徑轉(zhuǎn)發(fā)。目前，實(shí)現(xiàn)DetNet 只提供了基本架構(gòu)及用例、數(shù)據(jù)平面MPLS/IP/SRv6 方案、配置模型等草案，還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化文檔，另外OAM（operation administration and maintenance）、QoS 等機(jī)制也在不斷研究探索中。此外，華為公司目前在確定性網(wǎng)絡(luò)提出了DIP（deterministic IP）方案，通過“時(shí)隙+門控”的方案，保證三層網(wǎng)絡(luò)每一跳的嚴(yán)格時(shí)延上限，進(jìn)而保證任意端到端的超低時(shí)延及抖動(dòng)。

總結(jié)起來，面向未來業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)確定性服務(wù)成為重要驅(qū)動(dòng)力，然而確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前還處于研究初期，還存在諸多挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)架構(gòu)方面，需要進(jìn)一步解決精確時(shí)間同步、整形與反壓、復(fù)雜拓?fù)?、多路協(xié)同、端到端、平滑演進(jìn)等關(guān)鍵問題；在轉(zhuǎn)發(fā)平面技術(shù)方面，需要進(jìn)一步解決轉(zhuǎn)發(fā)不確定性、多打一、微突發(fā)、搶占、排隊(duì)算法等核心技術(shù)；在控制平面技術(shù)方面，需要攻克全網(wǎng)時(shí)隙規(guī)劃、即插即用、擁塞控制、帶內(nèi)控制、非實(shí)時(shí)控制以及虛擬隔離等技術(shù)難題；在管理平面技術(shù)方面，如何構(gòu)建低開銷OAM 監(jiān)控、故障容錯(cuò)和安全防御機(jī)制，以及跨廣域編排成為下一步需要解決的重點(diǎn)；在部署模式方面，如何實(shí)現(xiàn)分布式部署與集中式部署的折中與權(quán)衡，并確保各層技術(shù)之間的有效融合都是值得進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題。

如今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正面臨巨大變革和機(jī)遇，未來網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)形態(tài)和業(yè)務(wù)需求上都將發(fā)生巨大的變化，確定性與差異性服務(wù)的需求日益增多。各層確定性技術(shù)融合的確定性主干網(wǎng)的構(gòu)建是生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。確定性網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)性的增強(qiáng)、融合網(wǎng)絡(luò)的控制、資源管理以及安全性策略也將是確定性網(wǎng)絡(luò)日后的研究熱點(diǎn)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算存儲一體化

虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等新業(yè)務(wù)需求快速發(fā)展，不僅需要網(wǎng)絡(luò)具備高數(shù)據(jù)傳輸速率，還需要具備高速緩存和計(jì)算能力，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算和存儲的分離模式難以滿足這些新業(yè)務(wù)的要求。隨著存儲技術(shù)的發(fā)展，存儲設(shè)備成本不斷降低，并行計(jì)算、高性能計(jì)算、效用計(jì)算等技術(shù)不斷成熟，云計(jì)算、霧計(jì)算等技術(shù)逐步應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)/計(jì)算/存儲一體化并在一體化平臺中融入內(nèi)容分發(fā)能力成為未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。針對這一趨勢，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也進(jìn)行了大量的探索和創(chuàng)新，網(wǎng)絡(luò)與存儲融合相關(guān)技術(shù)包括內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、對等網(wǎng)絡(luò)、信息中心網(wǎng)絡(luò)等，網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算融合相關(guān)技術(shù)包括云計(jì)算、霧計(jì)算、邊緣計(jì)算等，網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)包括多云管理、云網(wǎng)協(xié)同、SDN 技術(shù)與ICN（information-centric networking）技術(shù)結(jié)合等解決思路，以便為未來網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用提供更好的服務(wù)。

CDN（content delivery network）和P2P（peer to peer）技術(shù)是在應(yīng)用層利用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的存儲和處理能力來提升網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容分發(fā)和檢索能力，但在內(nèi)容共享、可擴(kuò)展性、移動(dòng)性等方面具有局限性[27]。為有效解決這些缺陷，ICN 更多地關(guān)注內(nèi)容本身，將傳統(tǒng)的端到端通信模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛趦?nèi)容的檢索方式，在網(wǎng)絡(luò)層支持節(jié)點(diǎn)對內(nèi)容的存儲和處理能力。根據(jù)緩存位置可將ICN 緩存方式分為路徑上緩存和非路徑緩存[28]。典型的ICN 方案之一是命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，NDN 保持ICP/IP 協(xié)議架構(gòu)的細(xì)腰模型，在網(wǎng)絡(luò)層放置數(shù)據(jù)名稱，文獻(xiàn)[29]介紹了NDN 路由器的詳細(xì)數(shù)據(jù)傳輸過程。目前，大規(guī)模擴(kuò)展NDN仍面臨替代式部署等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但其命名機(jī)制、緩存機(jī)制等技術(shù)對未來推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲一體化起到了很好的參考作用。

云計(jì)算可利用集中的大量計(jì)算資源協(xié)助用戶執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，有效解決了用戶算力有限的問題。為了解決用戶遠(yuǎn)離云導(dǎo)致的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)無法保障、計(jì)算任務(wù)長距離大規(guī)模遷移成本高等問題，思科提出霧計(jì)算作為云計(jì)算的補(bǔ)充，采用分布式計(jì)算范式提供更靠近用戶的計(jì)算資源，可為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供低時(shí)延服務(wù)。為解決移動(dòng)云計(jì)算的長時(shí)延問題，業(yè)界提出了移動(dòng)邊緣計(jì)算[30]，允許在網(wǎng)絡(luò)邊緣對應(yīng)用提供計(jì)算支持，具有低時(shí)延、節(jié)能、實(shí)時(shí)感知、隱私及安全性等方面的優(yōu)勢。邊緣計(jì)算等的基礎(chǔ)設(shè)施靠近用戶側(cè)，如園區(qū)、工廠，在未來可能推動(dòng)新的開放、協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建，為電信運(yùn)營商的運(yùn)營模式帶來新的變革機(jī)遇。

網(wǎng)絡(luò)/計(jì)算/存儲一體化核心技術(shù)研究涉及構(gòu)設(shè)計(jì)、在網(wǎng)計(jì)算、轉(zhuǎn)算存融合協(xié)議、智能分發(fā)機(jī)制等方面。文獻(xiàn)[31]提出一種統(tǒng)一架構(gòu)，結(jié)合SDN 思想、ICN 緩存及計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度以滿足無線網(wǎng)絡(luò)的需求。文獻(xiàn)[32]認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)、存儲和計(jì)算的互操作融合是構(gòu)建可擴(kuò)展部署的分布式系統(tǒng)的必要條件，融合基礎(chǔ)架構(gòu)的跨層結(jié)構(gòu)必須簡單、通用。

總體來看，未來網(wǎng)絡(luò)將是智能化的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備利用節(jié)點(diǎn)的通信和計(jì)算能力優(yōu)化性能的自學(xué)習(xí)能力[33]，如何表征這些參數(shù)，使用什么樣的學(xué)習(xí)策略均有待研究。此外，面向網(wǎng)絡(luò)/計(jì)算/存儲一體化背景，如何設(shè)計(jì)更有效的緩存更新規(guī)則，如在線學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)更新，是值得思考的問題[34]。同時(shí)，移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)中涉及網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲等各種資源，如何協(xié)調(diào)這些資源以實(shí)現(xiàn)良好的用戶體驗(yàn)及應(yīng)用的最佳性能，如何更好地對這些資源進(jìn)行分配，提高一體化平臺的可擴(kuò)展性、開放性和安全性也是值得考慮的重要問題。

4.5 網(wǎng)絡(luò)與人工智能

隨著信息通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，人類社會正快速向著信息化、智能化的方向邁進(jìn)。人工智能技術(shù)為人類社會的持續(xù)創(chuàng)新提供了強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，開辟了廣闊的應(yīng)用空間。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，人們普遍認(rèn)為人工智能技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合是富有前景的?？傮w而言，網(wǎng)絡(luò)人工智能可以分為人工智能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人工智能2 個(gè)方面。一方面，機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究注入了新的活力，種類繁多且不斷增加的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、拓?fù)浜徒尤敕绞绞咕W(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性不斷增加，通過傳統(tǒng)方式對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控、建模、整體控制變得愈加困難，可以將人工智能技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)中來實(shí)現(xiàn)故障定位、網(wǎng)絡(luò)故障自修復(fù)、網(wǎng)絡(luò)模式預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量優(yōu)化、智能網(wǎng)絡(luò)管理等一系列傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中很難實(shí)現(xiàn)的功能；另一方面，網(wǎng)絡(luò)性能的提高也為機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算提供了更好的支持，隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)量的迅速增加和機(jī)器學(xué)習(xí)模型變得越來越復(fù)雜，計(jì)算需求超出了單機(jī)的能力，因此產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十個(gè)分布式機(jī)器學(xué)習(xí)平臺，但是昂貴的通信成本導(dǎo)致這些平臺出現(xiàn)多個(gè)瓶頸，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化（例如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信和傳輸協(xié)議的優(yōu)化）極大地提高了這些分布式機(jī)器學(xué)習(xí)平臺的整體性能。

人工智能技術(shù)用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)首先需要考慮數(shù)據(jù)收集問題。數(shù)據(jù)收集一般可分為離線和在線2 個(gè)階段，離線階段主要收集大量用于模型訓(xùn)練和測試的歷史數(shù)據(jù)；在線階段用于收集實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)作為模型的反饋或者新的輸入[35]。文獻(xiàn)[36]考慮到邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中匯總數(shù)據(jù)的困難性，使用梯度下降方法訓(xùn)練了一組支持分布式參數(shù)學(xué)習(xí)的通用模型，并提出控制算法實(shí)現(xiàn)局部更新和全局參數(shù)聚合之間的折中。文獻(xiàn)[37]針對多媒體物聯(lián)網(wǎng)（IoMT,Internet of multimedia things）應(yīng)用結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)提出一種基于隱私保護(hù)的數(shù)據(jù)收集和分析框架。文獻(xiàn)[38]使用無監(jiān)督學(xué)習(xí)對設(shè)備的通信流量進(jìn)行建模，通過分析設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信流量來識別IoT 設(shè)備的類型。

流量預(yù)測對網(wǎng)絡(luò)的管控和維護(hù)具有重要作用，傳統(tǒng)的方法是使用時(shí)間序列預(yù)測進(jìn)行處理，文獻(xiàn)[35]調(diào)研了基于時(shí)間序列和非時(shí)間序列流量預(yù)測問題的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。文獻(xiàn)[39]結(jié)合網(wǎng)絡(luò)流量估計(jì)和異常檢測兩項(xiàng)任務(wù)設(shè)計(jì)了一種估計(jì)源和目的地之間網(wǎng)絡(luò)流量的新方法。針對移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)場景，文獻(xiàn)[40]針對未來智能蜂窩網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)流量建模和預(yù)測，提出基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測模型；文獻(xiàn)[41]根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)特性提出一種基于深度學(xué)習(xí)的空閑時(shí)間窗口預(yù)測模型，并使用時(shí)間圖卷積網(wǎng)絡(luò)表示學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[42]介紹了SDN 中機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在流量分類、路由優(yōu)化、QoS 服務(wù)質(zhì)量/QoE 體驗(yàn)質(zhì)量預(yù)測、資源管理方面的應(yīng)用。

使用人工智能技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的研究涉及網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面。文獻(xiàn)[43]研究了與網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)優(yōu)化相關(guān)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)、系統(tǒng)工具和平臺以及典型應(yīng)用。文獻(xiàn)[44]通過離線學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)2個(gè)階段分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，優(yōu)化了自適應(yīng)比特率視頻在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。文獻(xiàn)[45]提出基于深度對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型網(wǎng)絡(luò)切片方法，允許網(wǎng)絡(luò)提供商實(shí)時(shí)將計(jì)算、存儲等資源進(jìn)行聯(lián)合分配。文獻(xiàn)[46]基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解決分布式計(jì)算集群中數(shù)據(jù)處理任務(wù)的調(diào)度問題。文獻(xiàn)[47]基于在線學(xué)習(xí)思想，利用梯度進(jìn)行速率控制，從而實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定性和靈敏度上的平衡，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。文獻(xiàn)[48]探索了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式作為核心算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的問題，通過將路由問題轉(zhuǎn)化為機(jī)器學(xué)習(xí)問題，證實(shí)了方案的可行性和優(yōu)越性。

另一方面，隨著深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的普及，兩者都對計(jì)算能力提出了越來越高的要求，耗時(shí)的訓(xùn)練過程和繁重的工作量甚至使在一臺機(jī)器上無法完成這些任務(wù)，因此分布式機(jī)器學(xué)習(xí)被認(rèn)為是必然的發(fā)展趨勢，成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)。一般而言，在構(gòu)建高效的分布式學(xué)習(xí)平臺時(shí)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹鬏攨f(xié)議等重要問題。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)會對參數(shù)同步時(shí)間以及系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生重大影響。到目前為止，已有2 種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)被提出，即基于參數(shù)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)和基于環(huán)的結(jié)構(gòu)。參數(shù)服務(wù)器架構(gòu)下，各節(jié)點(diǎn)分為參數(shù)服務(wù)器和工作機(jī)器。工作機(jī)器只負(fù)責(zé)計(jì)算模型梯度，彼此不會互相通信；參數(shù)服務(wù)器則負(fù)責(zé)匯總來自不同工作機(jī)器的模型梯度，并對原有參數(shù)進(jìn)行更新，然后下發(fā)到工作機(jī)器上以便開始下一次迭代?；诃h(huán)的架構(gòu)則是一種去中心化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，在此架構(gòu)下，所有節(jié)點(diǎn)以環(huán)狀排列，各節(jié)點(diǎn)僅與其前后2 個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)通信，通過相應(yīng)的同步算法（例如Ring-allreduce），可以實(shí)現(xiàn)快速參數(shù)同步，避免產(chǎn)生中心化的通信瓶頸。

除網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫?，傳輸協(xié)議對參數(shù)同步性能也具有重要的影響。盡管TCP 在廣域網(wǎng)中取得了巨大成功，但由于其在擁塞控制以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面表現(xiàn)不足，不太適用于專用的分布式機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。為改善其網(wǎng)絡(luò)性能，遠(yuǎn)程直接存儲器訪問（RDMA,remote direct memory access）技術(shù)被應(yīng)用于分布式機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。RDMA 規(guī)避了TCP 的上述限制，RDMA 內(nèi)核旁路機(jī)制允許應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)接口卡之間的直接數(shù)據(jù)讀寫，將服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延降低到接近1 μs。同時(shí)，RDMA 內(nèi)存零拷貝機(jī)制允許接收端直接從發(fā)送端的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，極大地減少了CPU 負(fù)擔(dān)，提升了CPU 效率。根據(jù)某知名互聯(lián)網(wǎng)廠商的測試數(shù)據(jù)，采用RDMA 可以將計(jì)算效率同比提升6～8 倍，而服務(wù)器內(nèi)1 μs 的傳輸時(shí)延也使SSD（solid state drive）分布式存儲的時(shí)延從ms 級降低到μs 級成為可能，在最新的NVMe 接口協(xié)議中，RDMA 正逐步成為主流默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度、滿足用戶需求，阿里巴巴、亞馬遜、微軟、華為等主要云廠商都在投入該技術(shù)的研發(fā)和部署。

智能化網(wǎng)絡(luò)已成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和運(yùn)維模式將發(fā)生根本性變革，網(wǎng)絡(luò)將由當(dāng)前以人驅(qū)動(dòng)為主的管理模式，逐步向網(wǎng)絡(luò)自我驅(qū)動(dòng)為主的自治模式轉(zhuǎn)變。當(dāng)然，面對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的管理需求，網(wǎng)絡(luò)人工智能方面的核心算法和理論還有待突破，大規(guī)模的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行訓(xùn)練、不同層級的人工智能技術(shù)如何協(xié)作等關(guān)鍵技術(shù)還需要研究。另一方面，深度學(xué)習(xí)服務(wù)集群可以從高性能的網(wǎng)絡(luò)中受益，然而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ艆f(xié)議仍存在很多問題，例如對于參數(shù)服務(wù)器架構(gòu)，參數(shù)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的帶寬將成為整個(gè)計(jì)算機(jī)集中式拓?fù)涞钠款i，而基于環(huán)的拓?fù)淙狈θ蒎e(cuò)能力，RDMA 網(wǎng)絡(luò)也存在與現(xiàn)網(wǎng)難以兼容、對分組丟失敏感等缺陷。

4.6 網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈可以定義為一種融合多種現(xiàn)有技術(shù)的分布式計(jì)算和存儲系統(tǒng)，它利用分布式共識算法生成和更新數(shù)據(jù)，利用對等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，利用密碼學(xué)方式保證數(shù)據(jù)傳輸和存儲的安全性。通過大多數(shù)節(jié)點(diǎn)認(rèn)可的數(shù)據(jù)可以被記錄在區(qū)塊鏈上，這些數(shù)據(jù)不可篡改，因此人們可以基于這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)價(jià)值轉(zhuǎn)移以及其他可信活動(dòng)。從歷史發(fā)展的角度來看，蒸汽機(jī)釋放了人類的生產(chǎn)力，電力解決了人類的基本生活需求，互聯(lián)網(wǎng)徹底改變了信息傳遞的方式，而區(qū)塊鏈作為構(gòu)造信任的機(jī)器，具備去中心化、公開、透明以及安全等特性，能夠解決當(dāng)前中心化應(yīng)用權(quán)力過大的問題，以低成本的方式充當(dāng)信任中介并證明價(jià)值。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)被認(rèn)為是繼蒸汽機(jī)、電力、互聯(lián)網(wǎng)之后，下一代顛覆性的核心技術(shù)，可能會改變?nèi)祟惿鐣r(jià)值傳遞的方式。

目前，世界范圍內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)都在積極研究并推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，我國也對區(qū)塊鏈高度重視，相關(guān)政策文件中明確要求加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用，探索“區(qū)塊鏈+”模式，促進(jìn)區(qū)塊鏈和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合。但目前區(qū)塊鏈在技術(shù)層面仍然存在諸多問題，主要體現(xiàn)在性能吞吐、跨鏈互通、安全隱私等方面，導(dǎo)致區(qū)塊鏈目前仍然無法進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)落地與應(yīng)用，上述問題需要從網(wǎng)絡(luò)層面得到有效解決。而對于互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施而言，區(qū)塊鏈的發(fā)展反過來也能夠有效解決身份認(rèn)證、標(biāo)識解析、路由等層面的安全可信問題。

區(qū)塊鏈作為分布式賬本解決了數(shù)據(jù)的可信問題，但由于共識機(jī)制的引入，導(dǎo)致了區(qū)塊鏈的記賬速度相比于傳統(tǒng)應(yīng)用嚴(yán)重不足，如VISA 的日常吞吐量大約是2 000 Tbit/s，峰值可以超過5×104Tbit/s，支付寶處理交易的峰值則超過30×104Tbit/s，而比特幣只有7 Tbit/s，以太坊約為20 Tbit/s，性能嚴(yán)重不足已成為目前技術(shù)層面影響區(qū)塊鏈規(guī)模應(yīng)用的最大問題，其主要原因包括：公鏈需要在保證強(qiáng)一致性的同時(shí)，防止節(jié)點(diǎn)作惡、網(wǎng)絡(luò)因素導(dǎo)致在吞吐量過高的情況下出現(xiàn)丟塊現(xiàn)象、合約引擎確認(rèn)機(jī)制速度過慢等。針對此，公鏈交易的高吞吐網(wǎng)絡(luò)機(jī)制有待重點(diǎn)研究突破，如共識算法與機(jī)制優(yōu)化、共識的P2P 網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化、區(qū)塊數(shù)據(jù)的DAG（database availability group）結(jié)構(gòu)改造、區(qū)塊數(shù)據(jù)的分片與側(cè)鏈等，以提高區(qū)塊鏈整體吞吐量性能。

目前區(qū)塊鏈的種類繁多，但各鏈的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)無法做到可信的互聯(lián)互通，導(dǎo)致了區(qū)塊鏈的孤島問題，需要通過跨鏈技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鏈間的可信互通?？珂湻褐? 個(gè)或者多個(gè)不同鏈上的資產(chǎn)與狀態(tài)通過一個(gè)可信的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制互相轉(zhuǎn)移傳遞與交換，鏈與鏈之間的關(guān)系不僅是主側(cè)的關(guān)系，也可以是對等的，鏈上資產(chǎn)不僅可以雙向錨定，也可以相互可信兌換。跨鏈?zhǔn)菂^(qū)塊鏈3.0 時(shí)代的重要技術(shù)特征，跨鏈交易驗(yàn)證、跨鏈的事務(wù)管理、鎖定資產(chǎn)管理、多鏈協(xié)議適配等核心技術(shù)問題有待研究，例如，結(jié)合區(qū)塊鏈虛擬化等新型區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)一套完整的跨鏈可信互聯(lián)互通方案。

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的身份認(rèn)證、標(biāo)識解析、路由同步主要通過PKI（public key infrastructure）、DNS 和BGP 等技術(shù)來解決。PKI 和DNS 的技術(shù)體系均采用了集中式權(quán)威根節(jié)點(diǎn)加分級緩存解析的架構(gòu)，這存在巨大的單點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生對于權(quán)威根節(jié)點(diǎn)的蓄意攻擊或者破壞，將對整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性造成巨大影響，通過區(qū)塊鏈技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對身份認(rèn)證與標(biāo)識解析的可信存儲，從根本上實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)源的不可篡改，這對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)尤為關(guān)鍵。BGP 是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)全球互通的基礎(chǔ)，但BGP經(jīng)常發(fā)生路由劫持與路由泄露問題，一旦發(fā)生類似問題將導(dǎo)致大范圍的網(wǎng)絡(luò)故障，該問題難以得到有效解決的原因是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中缺乏對于路由數(shù)據(jù)的可信驗(yàn)證手段，可結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)對運(yùn)營商的路由數(shù)據(jù)進(jìn)行可信記錄，對于惡意或者錯(cuò)誤的路由發(fā)布進(jìn)行過濾，從而解決劫持與泄露問題。另外，針對互聯(lián)網(wǎng)流量交換架構(gòu)和模式存在的問題，新型交換互聯(lián)中心正成為新的研究熱點(diǎn)，區(qū)塊鏈技術(shù)依據(jù)去中心特征，也可能在新型交換互聯(lián)中心這一天然的多方互信環(huán)境中得到應(yīng)用，以降低網(wǎng)間互聯(lián)成本。

隨著云計(jì)算、邊緣計(jì)算、5G 的發(fā)展，在傳統(tǒng)IaaS（infrastructure as a service）、PaaS（platform as a service）、SaaS（software as a service）的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了FaaS（function as a service）、LaaS（link as a service）、NaaS（network as a service）等概念。各類ICT 能力以XaaS 的形態(tài)出現(xiàn)，在技術(shù)上極大地弱化了運(yùn)營商的概念，跨運(yùn)營商的多網(wǎng)、多云、多邊間的ICT 能力協(xié)同將可能成為未來網(wǎng)絡(luò)的重要趨勢。借助于區(qū)塊鏈/智能合約在技術(shù)層面所提供的絕對可信性，有利于形成多中心化、甚至于去中心化的云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)真正的分布式網(wǎng)格。

4.7 智能安全網(wǎng)絡(luò)

隨著網(wǎng)絡(luò)的使用范圍和涉及領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的安全問題受到越來越多的關(guān)注。我國網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量居世界首位，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應(yīng)用于政治、經(jīng)濟(jì)、文化等各個(gè)方面，保障網(wǎng)絡(luò)安全對國家發(fā)展具有重要意義。但網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的諸多特征導(dǎo)致傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)安全模型無法很好地適應(yīng)系統(tǒng)安全保護(hù)要求，統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和可視化等技術(shù)逐漸應(yīng)用于安全分析，以應(yīng)對高級威脅檢測和攻擊溯源的海量數(shù)據(jù)，提升分析效率和準(zhǔn)確度。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和安全相關(guān)孤立，缺乏一體化設(shè)計(jì)，未來網(wǎng)絡(luò)的安全框架需要與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，即融合為一體化的智能安全網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，智能安全網(wǎng)絡(luò)可將人工智能技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，具備高效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測、感知和識別能力，支持網(wǎng)絡(luò)故障和威脅的快速定位，并能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇最佳策略對問題進(jìn)行處理。業(yè)界針對網(wǎng)絡(luò)安全問題進(jìn)行了大量研究，網(wǎng)絡(luò)安全保障體系的構(gòu)建可從信息保護(hù)、入侵檢測和故障恢復(fù)三方面進(jìn)行。

信息保護(hù)常用的技術(shù)包括數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名、訪問控制、接入認(rèn)證等，防火墻即為一種典型的訪問控制方式。智能安全網(wǎng)絡(luò)通過全分布式防火墻，實(shí)現(xiàn)全分布式安全功能框架及基于實(shí)時(shí)遙感技術(shù)的主動(dòng)防御，解決網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、安全的性能和效率問題。該防火墻可部署于數(shù)據(jù)中心邊緣、應(yīng)用近端、邊緣交換機(jī)及協(xié)議棧底層，有效防護(hù)網(wǎng)絡(luò)威脅。不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及應(yīng)用場景下的安全防護(hù)方式具有不同的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[49]對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的設(shè)備和資源保護(hù)問題，對訪問控制方法主要趨勢及現(xiàn)有授權(quán)架構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)[50]介紹了云計(jì)算環(huán)境中使用的訪問控制機(jī)制。文獻(xiàn)[51]提出基于完全同態(tài)加密技術(shù)的解決方案解決醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲到云上的隱私保護(hù)問題。

對于DDoS（distributed denial of service）攻擊、病毒等威脅網(wǎng)絡(luò)安全的行為，網(wǎng)絡(luò)需要及時(shí)識別并處理，隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，攻擊的形式呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)，研究能夠識別未知攻擊的入侵檢測系統(tǒng)成為新的趨勢，文獻(xiàn)[52]介紹了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的入侵檢測相關(guān)研究。為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)入侵檢測的準(zhǔn)確性及靈活性，文獻(xiàn)[53]提出了一種用于入侵檢測的新型深度學(xué)習(xí)技術(shù)。智能安全網(wǎng)絡(luò)通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的DDoS 壓制能力，關(guān)鍵技術(shù)包括動(dòng)態(tài)加載的多點(diǎn)采樣、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的流量模型監(jiān)控及主動(dòng)探測、多級動(dòng)態(tài)DDoS 緩解。

網(wǎng)絡(luò)需要具備快速恢復(fù)能力以應(yīng)對攻擊行為，相關(guān)技術(shù)包括分布式動(dòng)態(tài)備份、故障定位、快速恢復(fù)與修復(fù)算法等。文獻(xiàn)[54]提出了一種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的共享備份方案，支持按需故障修復(fù)且應(yīng)用無感知。文獻(xiàn)[55]設(shè)計(jì)了主動(dòng)探測技術(shù)對路由器中斷進(jìn)行探測。文獻(xiàn)[56]研究了在大規(guī)模故障條件下故障位置不確定的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)方案，將問題建模為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題并提出迭代隨機(jī)恢復(fù)算法漸進(jìn)式地恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。智能安全網(wǎng)絡(luò)利用人工智能技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)中的異常告警關(guān)鍵信息進(jìn)行分析處理，通過過濾、篩選、匹配、分類等流程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的快速定位和診斷。對于故障預(yù)測，智能安全網(wǎng)絡(luò)可基于實(shí)施運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，利用長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)狀態(tài)，完成對短期內(nèi)系統(tǒng)錯(cuò)誤的預(yù)測。故障預(yù)測與故障定位技術(shù)相結(jié)合，將能夠有效保證網(wǎng)絡(luò)故障的快速響應(yīng)和恢復(fù)。

總體來說，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全問題基本只能通過被動(dòng)打補(bǔ)丁的方式解決，形式被動(dòng)，成本高且存在中心化問題，智能安全網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)具有內(nèi)生安全防御能力，即通過在網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)置安全屬性，結(jié)合區(qū)塊鏈等新技術(shù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)信任體系，實(shí)現(xiàn)端到端安全傳輸、認(rèn)證及管理。人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)安全提供了新的思路，如何在網(wǎng)絡(luò)中深度融合深度學(xué)習(xí)等技術(shù)增強(qiáng)信息保護(hù)能力、提高入侵檢測的有效性和可靠性、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障精準(zhǔn)定位和快速恢復(fù)，是智能安全網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中值得思考的問題。此外，智能安全網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能交通、邊緣計(jì)算等應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)隱私、接入控制、授權(quán)、信任等問題也有待進(jìn)一步攻關(guān)研究。

4.8 網(wǎng)絡(luò)空天地海一體化

地面無線通信近幾年呈現(xiàn)爆炸性增長的趨勢，但由于網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍的限制，地面通信難以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，也無法為海洋等惡劣環(huán)境提供高速、可靠的無線接入服務(wù)，利用新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)滿足物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等各類新興應(yīng)用的需求成為一大熱點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)空天地海一體化以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以空間網(wǎng)絡(luò)為延伸，承載天、空、陸、海各類網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，為各類用戶的活動(dòng)提供信息保障。當(dāng)前國外在天地一體化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域側(cè)重于對衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)的研究，美國致力于商用天地一體化網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，如Starlink 計(jì)劃大規(guī)模制造并發(fā)射低成本低軌衛(wèi)星、Google Loon 項(xiàng)目已推進(jìn)到商業(yè)化階段。歐盟側(cè)重于衛(wèi)星?地面網(wǎng)絡(luò)與5G 網(wǎng)絡(luò)融合的架構(gòu)研究，特別是與SDN/NFV 的結(jié)合，H2020 計(jì)劃下的多個(gè)相關(guān)項(xiàng)目已經(jīng)給出系統(tǒng)原型。我國目前已設(shè)立天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程以及低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)計(jì)劃。

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模龐大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)立體多層次化、高度異構(gòu)性、業(yè)務(wù)種類繁多等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套結(jié)構(gòu)清晰、功能簡捷、易于高效實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)既能適應(yīng)通信技術(shù)的快速發(fā)展與變化，又能支持層出不窮的新型應(yīng)用，是空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)需要解決的首要問題。目前空天地海一體化組網(wǎng)技術(shù)研究主要包括一體化組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、適用于大規(guī)模高異構(gòu)性的空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族、高動(dòng)態(tài)輕量級移動(dòng)性切換機(jī)制、多維網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同管理控制技術(shù)研究四個(gè)方面。

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施主要包括高中低地球軌道衛(wèi)星、高空飛行器、海上移動(dòng)設(shè)備、地面設(shè)備等。不同設(shè)施在覆蓋范圍、傳輸時(shí)延、帶寬成本、容量、頻率等方面具備不同的特征，空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于充分利用各類設(shè)備的特點(diǎn)組成復(fù)合協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合SDN等網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域新技術(shù)，提升系統(tǒng)可控性，實(shí)現(xiàn)對各類業(yè)務(wù)的高效承載。文獻(xiàn)[35]提出一種具有分層結(jié)構(gòu)的軟件定義空天地一體化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，利用空天地網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢為各種車載服務(wù)提供高效支持。文獻(xiàn)[57]提出了一種結(jié)合地面網(wǎng)絡(luò)的天基信息系統(tǒng)，提供精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的地理空間信息服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)空天地海一體化需要滿足空、天、地、海四大場景需求，具備大規(guī)模、高異構(gòu)性的基本特點(diǎn)。在天地一體化領(lǐng)域，相關(guān)學(xué)者已提出了CCSDS（consultative committee for space data system）、DTN（delay/disruption tolerant network）、快照、IP 等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。面向航天器可以采用CCSDS 協(xié)議,間歇性連接情況下可以采用DTN 協(xié)議，規(guī)律性運(yùn)動(dòng)情況下可以采用快照協(xié)議，地面表用戶可以采用IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)寬帶組網(wǎng)應(yīng)用，最近還有研究人員提出將內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用于該領(lǐng)域，但具體的場景適配還需要進(jìn)一步研究。

空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如低地球軌道衛(wèi)星的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)會導(dǎo)致連接的頻繁切換，網(wǎng)間移動(dòng)切換過程往往面臨較高的切換時(shí)延及數(shù)據(jù)丟失。在空間網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，高動(dòng)態(tài)輕量級的移動(dòng)性切換機(jī)制尤為重要。低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的切換方案大致可分為鏈路層方案和網(wǎng)絡(luò)層方案兩大類。其中，鏈路層方案包括點(diǎn)波束切換、衛(wèi)星切換和星間鏈路切換，網(wǎng)絡(luò)層切換可根據(jù)連接傳輸策略劃分[58]。針對衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)間的切換，目前已開發(fā)出多種智能網(wǎng)關(guān)分集方案來保證網(wǎng)絡(luò)性能，并提出使用機(jī)器學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)編碼等技術(shù)提高網(wǎng)關(guān)間協(xié)調(diào)策略的有效性和預(yù)測算法的精確度。對于空、天、地、海網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間的無縫過渡，星地間網(wǎng)絡(luò)切換需要保持透明，文獻(xiàn)[59]提出使用S1 和X2 這2 種切換過程。

面向天基網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的融合需求，SDN、NFV 等技術(shù)逐步應(yīng)用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的高效管控和互聯(lián)互通。其中，涉及多維網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化切片和服務(wù)質(zhì)量保障、應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)控制、按需網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)管理等關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[60]針對5G 衛(wèi)星集成網(wǎng)絡(luò)提出一種基于SDN 的流量分配策略，利用衛(wèi)星鏈路容量的動(dòng)態(tài)可控最大化網(wǎng)絡(luò)利用率。文獻(xiàn)[61]提出基于哈希鏈的身份認(rèn)證和隱私保護(hù)方案，利用區(qū)塊鏈技術(shù)增強(qiáng)SAGIN（space-air-ground integrated network）安全性。

總體而言，空天地海一體化是超大規(guī)模、高復(fù)雜度的立體通信網(wǎng)絡(luò)，如何在保證衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、海洋網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，充分發(fā)揮各類網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，為未來的新應(yīng)用提供高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)時(shí)的服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)空天地海一體化面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這方面的研究尚處于起步階段，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)異構(gòu)設(shè)計(jì)、資源約束下的流量工程、服務(wù)質(zhì)量保證、設(shè)備頻繁變動(dòng)下的路由算法、移動(dòng)性管理等諸多方面還需要深入研究。我國關(guān)于空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的研究起步不久，受到全球建站和頻率軌位資源的限制，在很多方面面臨較大挑戰(zhàn)，亟須利用我國在航空航天工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，積極布局這一重要領(lǐng)域。

5 面向2030 的未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

未來網(wǎng)絡(luò)的核心在于大規(guī)?？蓴U(kuò)展、支持異構(gòu)技術(shù)融合、高效的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，包括各種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)問題的新技術(shù)、新方案。隨著網(wǎng)絡(luò)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的不斷融合，未來網(wǎng)絡(luò)逐漸成為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，預(yù)計(jì)到2030年將支撐起萬億級、人機(jī)物、全時(shí)空、安全、智能的連接與服務(wù)，未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向總結(jié)如表3 所示，具體說明如下。

1) 提出新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。探索面向2030 年及以后的新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及需求已經(jīng)成為全球未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的焦點(diǎn)，如前文所述，國外ITU-T 組建了網(wǎng)絡(luò)2030 焦點(diǎn)組、國內(nèi)成立了網(wǎng)絡(luò)5.0 產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，以華為代表的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造也提出了可變長地址（Flexible IP）、確定性轉(zhuǎn)發(fā)、去中心化互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、內(nèi)生安全等一系列前瞻性技術(shù)，因此，開展新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)已成為了未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流趨勢。在此基礎(chǔ)上，如何開展原創(chuàng)性、顛覆性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)驗(yàn)證，如何有效測試新技術(shù)的可行性也是新型架構(gòu)設(shè)計(jì)中被討論的熱點(diǎn)問題。江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院、網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室、鵬城實(shí)驗(yàn)室分別展開了未來網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)設(shè)施、長三角一體化綜合試驗(yàn)環(huán)境、粵港澳灣區(qū)網(wǎng)等為代表的新一批網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)，以期能夠促進(jìn)我國的原創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新。因此，合理地預(yù)判未來應(yīng)用的發(fā)展、評估網(wǎng)絡(luò)重大需要、設(shè)計(jì)未來新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為網(wǎng)絡(luò)2030 所要解決的首要問題。

2) 支持確定性網(wǎng)絡(luò)控制與服務(wù)。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量需求的不斷提高，現(xiàn)有“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)越來越難以滿足遠(yuǎn)程醫(yī)療、無人駕駛、VR游戲等新需求，并存在大量的擁塞崩潰和數(shù)據(jù)分組時(shí)延等問題，在這樣的背景下，如何從“盡力而為”到“準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確”，控制網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延不僅成為當(dāng)前全球關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，也成為新一代路由器、交換機(jī)等轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備所要具備的功能。在工業(yè)領(lǐng)域，國外思科、博通等公司正在面向局域網(wǎng)場景，研制支持時(shí)延敏感功能的可編程網(wǎng)絡(luò)芯片，國內(nèi)盛科、華為等廠商正在加緊相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)，研制國產(chǎn)化芯片；在運(yùn)營商領(lǐng)域，華為、中興、信通院、移動(dòng)、電信、聯(lián)通等參與了主干網(wǎng)絡(luò)確定性技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定；網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室、華為等已經(jīng)開始確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大規(guī)模測試。因此，設(shè)計(jì)局域網(wǎng)時(shí)延敏感芯片、設(shè)計(jì)主干網(wǎng)確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)確定性已成為了下一步網(wǎng)絡(luò)控制與設(shè)備研制的關(guān)鍵問題。

3) 構(gòu)建去中心化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展與逐步成熟，金融支付、數(shù)據(jù)存儲等業(yè)務(wù)的去中心化已被普遍接受，網(wǎng)絡(luò)相關(guān)業(yè)務(wù)的去中心化也成為下一步發(fā)展的重要趨勢。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、應(yīng)用與協(xié)議雖然物理位置上是分布式的，但是邏輯上是集中式的，例如，DNS、BGP、CDN、云計(jì)算等業(yè)務(wù)都存在一個(gè)集中式的節(jié)點(diǎn)和運(yùn)營組織，由此這些應(yīng)用容易被大型機(jī)構(gòu)所壟斷，不利于互聯(lián)網(wǎng)“平等、自由”發(fā)展。在此背景下，以DNS 為代表的根域名解析成為去中心化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究的首要問題，信通院等單位進(jìn)行了一系列新型標(biāo)識解析體系的研究與技術(shù)攻關(guān)。因此，設(shè)計(jì)去中心化的新型標(biāo)識解析體系、去中心化的BGP、去中心化的網(wǎng)絡(luò)存儲等問題都成為未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重點(diǎn)。

表3 未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向總結(jié)

4) 實(shí)現(xiàn)空天地海一體化泛在互聯(lián)。一方面，隨著無線通信頻率向太赫茲發(fā)展，通信基站信號覆蓋的范圍也越來越小，需要部署的基站數(shù)量和成本呈指數(shù)式增長。另一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等的飛速發(fā)展，人們越來越依賴網(wǎng)絡(luò)，需要網(wǎng)絡(luò)提供泛在互聯(lián)服務(wù)。因此，如何實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)、滿足人們隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)連接需求，進(jìn)行空、天、地、海的全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋已經(jīng)成為新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。國外以SpaceX 為代表的企業(yè)、國內(nèi)以航天、電科為代表的科研院所紛紛展開空天互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制，希望實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)、天地協(xié)同，以解決網(wǎng)絡(luò)全球無縫覆蓋問題。此外，國外以谷歌為代表的公司、國內(nèi)以鵬城實(shí)驗(yàn)室為代表的研究機(jī)構(gòu)也正在開展浮空飛艇的研究，以實(shí)現(xiàn)低成本區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)覆蓋。因此，滿足未來的泛在互聯(lián)接入需求，利用衛(wèi)星、飛艇、6G 等多種方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的低成本全球覆蓋成為技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。

5) 實(shí)現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)與通信。如今世界正處于人工智能的第三波浪潮，社交網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)為人工智能的繁榮提供了燃料。而同樣地，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今，單純的數(shù)據(jù)運(yùn)算、問題求解和功能搜索等已經(jīng)很難適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的需求，將人工智能與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行一定程度上的融合，能夠促使二者共同發(fā)展，爆發(fā)新機(jī)。目前，將人工智能技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)中仍處于早期或試點(diǎn)階段，雖然許多企業(yè)認(rèn)識到了其中的價(jià)值，并且可能已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)環(huán)境中涉足網(wǎng)絡(luò)人工智能技術(shù)，但迄今為止幾乎沒有大規(guī)模的部署。從長期來看，人工智能與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的發(fā)展空間和作用巨大，網(wǎng)絡(luò)引“智”，化“繁”為“簡”，人工智能將成為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化的目標(biāo)和愿景的重要手段。

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)難以滿足超高清實(shí)時(shí)視頻、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等新業(yè)務(wù)新場景的需求，未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究得到了全球各國的高度重視，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)出大量的技術(shù)方案，其核心目標(biāo)是突破未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域核心技術(shù)，構(gòu)建滿足當(dāng)前及未來應(yīng)用需求的可擴(kuò)展、安全、智能、可定制的開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。本文介紹了未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域現(xiàn)階段的熱點(diǎn)技術(shù)，由于篇幅所限，只對部分代表性技術(shù)進(jìn)行了闡述，期望通過綜述該領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的已有研究成果，探討技術(shù)發(fā)展趨勢，為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考和幫助。