下一代网络技术的研究

蒋林涛 中国信息通信研究院科技委主任，教授级高级工程师

专家视点

下一代网络技术的研究

蒋林涛 中国信息通信研究院科技委主任，教授级高级工程师

下一代网研究至今已经有13年了，总的来说在下一代网的研究方面，没有取得多少实质性的进展，务虚的多，务实的少。本文回顾了网络的发展历史，特别对互联网的发展进行了分析，指出了互联网发展成功的根本原因，以及互联网发展存在的问题，这些问题的存在已经成为互联网进一步发展的重大瓶颈，必须给予高度的重视。最后，指出软件定义网络和网络功能虚拟化是组网技术，目前存在认识上的误区，还给出下一代网是一个十分含糊的说法，最好的做法是对网络的发展进行分代研究。

下一代网络 未来网络 NGN SDN NFV

1 引言

从美国2002年提出研究下一代网起，至今已经有13年了。总的来说在下一代网的研究方面，没有取得多少实质性的进展，务虚的多，务实的少。不过，在网络的组网技术方面倒是取得了进展，美国提出了软件定义网络（SoftwareDefinedNetworking,SDN），欧洲提出了网络功能虚拟化（NetworkFunctionVirtualization，NFV）。

在绝大多数人的观念中，似乎对目前的网络技术相当满意。现在的网络不是运行得很好吗？为什么要去管它呢？完全不用去管它。搞下一代网无非是一些学究，或者是一些想入非非的人，没事干想出来的事，20～30年后是否会用得上也还是一个未知数。正因为如此，下一代网研究没有具体的目的，没有具体的目标，没有具体的指标（当然也有些标准化组织‘海阔天空’地列了一个无所不包的大清单。其实，没有明确的有限目标，等同于没有目标）。自由自在地想，海阔天空地做，反正是对目前没有多大用处。下一代网已经研究了13年，13年的努力不但在网络研究上没有取得实质性进展，甚至连比较一致的认识都没有，照此下去，再过20～30年也未必有结果。因此，认真研究13年来下一代网的研究历程，相关的国内外的项目研究的实质内容，总结经验，以便发展。

在下一代网研究中最大问题是：不知道该干什么。目前网络到底存在什么问题，什么是我们目前紧迫需要的网络技术能力和性能，在上述诸方面都没有比较一致的看法。你也在搞下一代网，他也在搞下一代网，各说各的，各做各的，没有共同的认识。还有就是概念不清楚，定义不准确，甚至有的是故意混淆概念，以谋一己之私；还有的是把问题搞得极其‘宽泛’，大大小小的问题列出数百条，不分重点不分主次，非常空泛，其实这样做和没有目的和目标是等效的。如目前我们要实现社会主义的初级阶段，目标和指标可以是具体和可操作的，但是要实现共产主义就只有空泛的目标了。下一代网研究同样存在这样的问题。

2 对于互联网的研究

下一代网的研究没有取得实质性进展的关键是没有目标，缺乏网络的顶层设计。网络发展是有规律的，是在继承的基础上发展起来的，决不会是‘胡思乱想’的结果。目前，大家都在津津乐道地谈论互联网，认为互联网之所以成功就是因为它是在没有顶层设计，在没有继承下发展起来的。但是如果作认真深入的研究，可以得出这样的结论：互联网是完全继承了已有网络技术的精髓，根据特定的需要发展起来的。设计上严格地遵循了OSI确定的网络七层模式，它是有顶层设计的。表1列出了电信网、互联网与OSI七层模式之间的关系。

互联网的发展在技术上是继承的，但的确它是造物主无意中造就的巨大成果。TCP/IP设计的起因不是想建设一个互联网，而是仅仅希望能解决异机种计算机之间的互联。从本质上讲，要解决异机种计算机之间互联必须要解决两个方面的问题：

●必须实现进程之间的通信，计算机之间要通信，仅仅是实现端到端通信是不够的，计算机是多进程工作的，因此除了在端到端之间要有通信连接外，进程之间通信是必须的。

●因为进程与进程之间的通信是随机的，不知道何时是起点，也无法知道何时是终点，因而端到端的通信连接必须是长连接，这样才能保证随时随地的进程间通信。长连接是非常消耗资源的，数据网中的无连接工作方式是唯一的选择。

要满足以上两条要求，必须采用不面向连接的工作方式的分组数据网技术。需要指出的是，不面向连接的工作方式的分组数据网技术的起源是X.25，只是因为在当时的电信应用中无用武之地，在1984年的版本中删除了。目前，广泛使用的IP网是采用不面向连接的工作方式的分组数据网，这是专门为异机种计算机互联设计的网络协议，但IP协议仅仅能够保证端到端的通信连接，要实现进程之间的通信还需要传送层（4层）协议，要实现进程通信就需要TCP（UDP）协议，其中TCP（UDP）协议中的Port是与进程对应的，这就是为什麽TCP/IP协议是同时提出，而不是只提IP协议。TCP/IP在异机种计算机互连通信中取得了很大成功，通过TCP/IP相连的计算机越来越多，网上的信息内容也越来越丰富。但是从20世纪70—90年代的20余年中，除了用于异机种计算机互连，TCP/IP没有获得进一步的应用，该项技术沉寂了20多年。在那段时间内，所有的电信业务都是面向连接的，电话业务、电话增值业务、基于C-S模式的信息检索、E-mail等全部都是面向连接的，因此电信分组数据网技术（X.25、帧中继和ATM）获得很大的发展。由于没有找到基于进程通信的应用，TCP/IP仅在学术界中活跃，没有获得广泛的关注。直到20世纪90年代初，Web技术的出现，Web是第一个真正面向进程通信的应用，它的出现以及随后WebBase业务的迅速发展，TCP/IP技术开始为世人所用，开始了互联网时代，互联网以令人‘目瞪口呆’的速度发展起来了，远远超出原创者的想象。互联网发展成功的真正原因是：一个支持所有在网用户的通信连接（长连接），用户可以随时随地与在网的任一个用户进行通信，这是一个有史以来人类从未获得过的通信能力，通信长连接的存在，使人类获得了一种广泛人群之间的通信能力；另一点也很重要，互联网的数据网（IP网）的设计与互联网上的业务网设计是完全相互独立的，相互之间是没有耦合的。这样做的好处是两者（数据网和业务网）可以独立发展，互不牵制。

互联网的数据网（IP网）技术完全是一种继承技术，从设计思路来说，它与电信分组数据网X.25中的数据报的设计完全是一样的，差异是：在电信网中，X.25的数据报技术没有获得应用，最后被抛弃了，在互联网中，IP网被有效的使用起来了。至于动态路由技术，在电信分组数据网X.25的设计也有，路由协议ISIS是ISO提出来的，这些都不是IP网的创新。到此，可以看出IP网从技术上主要是继承，设计理念上和应用上则是巨大的创新。

业务网和数据网完全分离，分组数据网（IP网）为业务网与用户之间提供了全通达、长连接的数据连接和数据传输服务，业务网产生的数据报文可以方便地使用IP网来传递。业务网的设计者只需要考虑业务流程，而完全不需要去考虑业务网生成的数据报文的传递过程和费用，业务和应用的开发门槛大大地降低了。只要有业务创新的灵感，甚至在手工作坊或家中用2～3个月的时间就可以开发出很好的业务和应用来，并有可能获得广泛的使用。因为业务和应用的开发者无需顾及数据报文的传递过程，也无需为它付费。只要开发出一个业务或应用的软件来，再将它放在网上，互联网上的一种业务就由此产生了。从这个意义上来讲，互联网的成功得益于IP网这个开放的业务创新平台。

3 存在的问题

互联网业务发展的很好，至今仍然是欣欣向荣，从互联网的整体来看，特别是移动网和互联网结合，更显出其生气勃勃的样子，互联网并没有出现发展的疲态，可见互联网的顶层设计并没有出现大的问题，这种业务网和承载网相分离的体系架构是合理的。目前的业务网技术和分组数据网技术（IP网）是适配的，它们都是基于进程通信的技术。

有没有问题呢？很显然问题是有的，而且还不小。用一句话来说：IP网在近30年来没有实质性的进展，已经越来越显出‘网络能力，力不从心’。具体来说，大体存在如下问题：

（1）互联网不安全、不可信问题

主要是IP网是不安全和不可信的。目前，在互联网上的业务，即使使用不安全、不可信的网络，也不会影响用户的使用。如果业务要求安全和可信，目前网络就不行了，可以采用的唯一技术是端到端加密，加密技术在互联网上的应用是相当广泛的，已经达到滥用的程度。加密技术是一把双刃剑，固然，用户信息加密后可以保证一定的安全性，但加密信息的解密是一项很复杂的工程，将会导致社会安全成本的极大提高。目前互联网的安全技术是贴膏药式的安全技术，没有顶层设计，一事一议，出一个问题加一个安全膏药。互联网因为要安全正在变得越来越复杂，同时安全手段变得越来越低效。互联网为安全可信所付出的代价，在某些场合已经超过网络建设的代价，这是第一个大问题。

（2）业务形态问题

通信的业务形态发生了巨大的变化，通信业务形态从点到点（即二点之间的通信）为主，到点到多点、多点到多点通信业务为主，点到随机多点业务已经占了业务的大头（已经超过90%，甚至95%），原来的网络显然是不适配的，网络必须做重大调整才能适应，当然这里有技术路线的问题，由于要涉及到内容分发网络（CDN）等技术，这是一个很大的问题，这里就不展开了。

（3）业务网和数据网间的耦合问题

在互联网的设计中，业务网和数据网的耦合度为零，即双向完全互不感知互不控制。这种设计是互联网业务发展的原生动力，因为互联网上的业务和应用可以用几乎是零的成本来发展，业务和应用发展的入门门槛极低。现在一直在讲的OTT业务，好像OTT业务是最近才冒出来的，其实所有的互联网业务和应用全部是OTT业务，OTT的本质是业务网和数据网之间零耦合，在业务网的运营中，对数据网完全没有控制能力。互联网的业务网和数据网之间，双向不感知，双向不可控，在互联网发展初期是有积极意义的，但目前已经成为发展的瓶颈，业务不能产生多种商业模型，对整个产业链的健康发展是有害无益的。这个问题无论是电信界或互联网界已经获得了关注。电信网的NGN体系架构和IT界推崇的SDN，在网络设计中都考虑这个问题，这涉及网络的体系结构。图1、2是电信网的NGN体系架构和SDN的架构。其中，NGN中的NACF和RACF和在SDN中的北向接口就是用于这个目的。

（4）移动性问题

图1 电信下一代网(NGN）体系结构

移动性问题是一个大问题。当然在电信的移动网中，移动性问题解决得非常好，可称完美、堪称经典。尽管在IP网中，也有移动IP技术，但实际上是考虑得相当不周的。在IPv6中，去除了IPv4网移动过程中的三角路由问题，使移动性能有所改进，但仍然存在大量问题，如网络的移动性、多穴、终端的高速移动、越区切换等。目前的移动网（蜂窝网）的网络特性和互联网的业务特性是不适配的，互联网中的绝大多数业务是基于进程通信的，对网络的要求是网络能够向用户提供‘永远在线’的通信能力（即长连接能力），而移动网的网络特性是TDMBase的，移动互联网业务的发展已经显示出网络特性与业务特性不适配而造成诸多问题。在未来的移动网中将全部是互联网业务，业务特性和网络特性的不适配将会造成更大的问题。解决办法之道是要彻底解决IP网的移动性问题，把目前主要由应用层来解决移动性问题，转而由网络层来解决。第五个问题是网络虚拟化的问题，目前网络虚拟化已经很泛化了，一分多、多合一均在虚拟化概念之内。在这里说的网络虚拟化，是指一个物联网虚拟化成为与原物理网拓扑的全集或子集的虚拟网，虚拟网拥有完全独立的运行、管理和维护能力，虚拟网之间资源独立、信息隔离。虚拟网技术是网络的多业务承载的技术基础，也是解决业务商业模型的物质基础。第六个问题是可扩展性问题，这里包括网络的可扩展性和业务的可扩展性等3个方面，TCP/IP原本是设计用作异机种计算机互连，但结果是它做成了全世界最大最成功的分组数据网，当然这里有一定的偶然性（它的成功远超设计者的预期），但它符合业务发展的规律，因此成功是由其必然性的。IP网是成功的，尽管在发展过程中不断地在修正原设计的不合理部分，但总的来说其设计是成功的，至今仍然在正常运行。当然，40多年来运转也越来越显示出它的可扩展性问题，对IPv4网（目前的互联网）来说，至少存在3个方面可扩展性问题，即地址的可扩展性、路由的可扩展性、业务的可扩展性。可扩展性问题已经成为互联网的发展瓶颈。

图2 软件定义网络（SDN)的架构

当然，问题还有很多。例如，绿色通信问题，因为目前ICT的能源消费已达7%～8%，这已经是一个不可小视的问题。还有网络资源的全局可感知，网络全局的可管可控，业务的商业模型等，要列出的问题很多，但总而言之，存在问题不小，问题不少，而且大部分是当务之急的要求，不是可以等待20～30年后再去解决的。这些问题的存在实际上造成了电信业目前的困境（投入和产出的‘剪刀差’增大），ISP（互联网业务提供者）无法提供差异化服务，用户只能得到同质化的低层次服务。军网、大型企业网、电子政务网、工业生产和控制网等建网（建一个物理网，能满足他的全部需求）找不到合用的技术。工业互联网用什麽技术来建网（建一个物理网，能满足他的全部需求）？智慧城市用什麽技术来建网（一个城市建一个物理网，能满足整个城市发展的需要）？物联网用什么技术来建网（一个公众物理网，能满足所有物联业务的需要）？这些问题都是近期需要考虑和解决的。这些问题也会进一步殃及互联网的发展。

4 结束语

发展下一代网已经成为当务之急，必须尽快在发展下一代网的目的和目标上取得共识。发展下一代网的目的应该是解决网络当前存在的问题，目标应该是具体的和可操作的。不解决当前紧迫的问题，而去考虑20～30年后的事，无疑是要在沙滩上建设高楼。

另外，还有两件值得关注的事情：

（1）美国提出了软件定义网络（Software Defined Networking，SDN），欧洲提出了网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）是新型组网技术，SDN和NFV可以协同使用，是新的网络实现技术。它可以用于实现业已存在的网络，也可以用于实现新型的网络。它们可以用于业务网的实现，可以用于数据网的实现，也可以用于传送网的实现。SDN和NFV不是新型网络技术。

（2）下一代网的说法。下一代网是一个十分含糊的说法，最好的做法是对网络的发展进行分代，就像目前的移动通信网技术的发展一样，只有对网络分代才有可能对要发展的网络制定出具体的目标和指标，否则就是一笔糊涂账，难于取得共识，难于取得实质性的发展。

1 蒋林涛.互联网引入带来的机遇与挑战.电信科学.2008,1

2 蒋林涛.未来互联网的承载网络.中兴通讯技术.2010,2

3 ETSI NFV ISG.Network Functions Virtualisation-White Paper#3.10,2014

2015-09-30）