未来网络架构及关键需求

张问骅 2021-11-19

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未来网络的三大愿景

互联网的开放架构使得新应用的创新层出不穷，应用不断向深度和广度拓展。面向未来 5~10 年，互联网从消费互联网向产业互联网的演进最为令人期待；VR、AR、全息等新媒体应用也同样值得关注。6G 面向万物智联，提出了感知互联网、AI 服务互联网、行业服务互联网等应用场景和需求。随着业务形式的多样化和网络规模的扩张，对网络自身也提出了智能、开放的要求。

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面向新的业务需求，未来网络的发展趋势可以归纳为三个愿景：万维互联、算网融合和精准网络。这三个愿景对应着未来网络的三个主要应用场景。

万维互联：包含 3 个含义：万网、万物和万业。万网是网络将持续融合多种异构网络互联，包括网络向空天地一体化演进、下一代智慧光承载和接入网、下一代 B5G/6G 移动互联网等；而随着物联网的深入发展，未来网络需要支持更大范围、更高数量级的万物互联 IoT，从而实现智慧家庭、智慧城市等数字化社会的目标；工业互联网等垂直行业多种边缘异构异质网络无缝连接到以 IP 为核心的未来网络互联体系。

算网融合：在边缘计算的大背景下，算力资源从中心云的集中模式，逐渐向云-边 -端的分布式模式转变。因此，如何将全网的算力资源、网络的精准传输能力更好的结合起来，实现云、边、端三级算力的分配和协同，是未来网络需要完成的使命。具体来说，网络需要能够根据不同的业务需求，并结合网络实时状况、计算资源实时状况，将业务导入到最合适的计算节点上执行计算任务，实现用户体验最优、计算资源利用率最优、网络效率最优。进一步地，通过动态优化连接的特性，如带宽、时延等特性，可为计算资源的动态利用提供更好的网络连接 QoS 保证，从而实现了计算和网络的深度融合。

精准网络：面向未来工业控制、智能电网、远程医疗、自动驾驶等实时交互要求极高的业务，网络需要提供 99.999%的可靠性，以及毫秒级的时延和微秒级的抖动。面向未来的 AR/VR、全息通信等消费类业务，网络同样要满足越来越苛刻的带宽需求和精准传输需求。

未来网络关键技术需求

网络确定性需求

主要指的是时间敏感及可靠通信的需求。时间敏感的确定性需求包括确定性时延需求（端到端时延上限确定，即端到端网络通信时延低于期望的最大值）、确定性时延变化需求（端到端时延变化确定，即端到端时延变化或称为抖动低于期望的最大值）；可靠通信的需求主要是确定性低丢包率需求（丢包率低且低于期望的最大值）。时间敏感及可靠通信的典型应用包括工业控制、车辆远程操控、智能电网电力保护等。

内生安全需求

产业互联网相对于消费互联网，对于网络安全的需求有本质的不同，然而现有技术难以满足多样化应用场景的泛在网络安全需求，未来网络需要在传统网络安全的基础上提供网络内生的安全增强。比如，未来产业互联网引入新角色、新信任关系，需要对身份或标识真实性做更强的校验，对端到端通信做路由安全保障，增强网络业务通信的可信度；网络需对未知攻击增强内生防御能力，提供自适应、自免疫、协同的内生安全能力。

移动性管理需求

移动性问题是 IP 网络由来已久的问题。IP 技术设计最初基于有线接入场景，存在 IP 地址身份、位置二义性问题，使得如何在移动环境下保持业务连续性成为一个难题。而随着工业互联、车联网、无人机、云 XR 等新兴业务的发展，未来网络对于移动性将会提出越来越高的要求，不仅要满足业务连续不中断，还要在移动切换过程中保持零丢包、低时延、低抖动、高可靠。未来的 6G 网络需支持新增的空天地、毫米波、微基站等新型连接技术，在连接密度、空间容量、终端移动速度等方面相比 5G 网络有上百倍的增加，对于确保业务连续性和服务质量提出了重大挑战。

网络对算力感知与调度需求

算网融合的需求是网络能够感知算力，并基于用户请求将动态分布的计算、存储等多维度资源统一调度、按需分配，实现全网的算力和网络一体化。网络能够针对算力进行可度量、可交易的调度，支持针对裸资源、虚拟机、容器和微服务等多种方式和颗粒度的算力资源调度。而在传统互联网的架构中，网络和算力的部署、运营是相对隔离的状态。尽管目前业内在朝云网融合的方向努力，但各个云平台都是封闭私有的架构，云和网之间也难以形成有效的协同。

多语义多标识需求

未来网络中异构网络不仅连接各种物理实体，如主机和人；随着网络虚拟化的深度演进，也需要连接各种虚拟化实体，如内容、计算、存储等虚拟资源。因此未来网络既要支持传统的基于主机和位置绑定的拓扑寻址，也需要支持基于虚拟化和移动化的标识寻址、内容寻址、计算服务寻址等。

未来网络的设计原则

1. 传统互联网的核心设计原则，包括端到端原则、分层解耦原则等，需要尽量保留。毕竟，互联网运行 50 年来已经取得了巨大的成功，不论是对应用创新的促进，还是网络本身的扩展性、健壮性，都说明互联网的架构设计总体是合理的，目前没有充足的理由对其做根本性的改变。

2. 运营商出于业务控制、运营管理的需要，多年来不断对网络架构和协议做出改进。这已经成为互联网获得成功的关键因素之一，是互联网不可或缺的一部分。在未来网络的设计中，需要继承运营商多年来形成的网络设计理念，比如可管可控、服务质量保障、集中式与分布式控制相结合等。

3. 面向未来的需求，现有的网络技术不能完全满足。现有网络的一些设计原则需要进行调整。比如，传统的端到端原则，要求业务和网络之间的解耦，网络不感知业务。但这种模式显然不能满足对于传输质量有很高要求的业务场景。

4. 为了实现业务和网络的协同，未来网络的目标是持续增强 IP 网络能力，为共性化需求提供内生的、网络主导的解决方案，为业务和应用提供支撑。

从横向的角度看，也就是终端、网络、业务之间的关系看，传统互联网的端到端原则，是指业务的处理主要在两端进行，网络不感知业务，保持“哑管道”模式。这种架构确实有利于两端的业务创新，但正如前面章节所述，业务和网络的隔离在有些场景并不能满足业务的需求。

互联网架构的“纵向”，可以有两个角度去理解：一个是纵向的协议层次，也就是 TCP/IP 协议栈，分为应用层、传输层、网络层、网络接口层（网络接口层可再细分为链路层、物理层）；还有一个角度是网络的纵向功能区分，分成转发面、控制面、管理面。

未来网络的架构

为了满足面向 2030 年业务发展需求，结合上述提到的两大设计理念：“服务化网络赋能的端到端原则”和“智能控制面支撑的瘦腰模型”，未来网络参考架构如下。

横向：网络的能力向两端延伸

未来网络在保持原有尽力而为服务能力的基础上，增强提供确定性业务服务能力、网络内生安全能力、算力网络服务能力和连续移动业务服务能力，同时将增强服务能力延伸到业务应用的两端，并提供标准化的设计范式，简化应用层设计，为未来多种多样的业务提供服务化的支撑，有利于全社会全行业的快速创新和发展。

未来网络以智能插件的形式驻留在业务应用的两端（在业务应用的两端资源受限无法满足智能化部署需求时，智能插件也可以就近部署在网络的边缘节点上），智能插件负责实现网络标识映射和管理，其核心思想就是基于 IP 地址的灵活扩展，来解决当前互联网面临的安全可信、移动连续以及寻址效率等问题；智能插件另一个重要能力就是基于感知的应用意图，对网络、算力、AI、安全等综合资源进行最优决策和调度，最终向应用提供有精准资源保证的精准连接。

纵向：智能控制面支撑下的瘦腰

未来经济社会和互联网深度融合，面对由此带来的业务多样性、用户多样性、介质多样性等需求，此时应用和网络的设计需要更为高效和敏捷。架构设计中一个重要的问题就是取舍问题，高性能、易用性、稳定性、可扩展性、可维护性、安全性往往不可兼得，架构决策的关键在于理解利弊和确定优先级。在未来网络的架构设计中一定要避免网络中心论或者应用中心论，避免过度设计。

未来网络新功能的部署，可以把复杂多变的处理交给控制面，网络设备保留通用、简化的处理功能，也就是控制面面对应用的多样性需求，通过抽象和建模得到聚合后的网络功能，比如标识、选路、编程、调度等，数据面负责提供基本原子元素的组合操作，去实现上述网络功能。