网络技术的发展方向（下）

蒋林涛

（中国信息通信研究院，北京 100191）

网络技术的发展方向（下）

蒋林涛

（中国信息通信研究院，北京 100191）

本文讨论了网络的分代和第四代网络的组网技术和网络技术，提出网络技术的发展方向是第四代网络，给出了第四代网络的技术方向。

软件定义组网；网络功能虚拟化；下一代网；未来网络

蒋林涛 中国信息通信研究院科技委主任，中国通信标准化协会IP与多媒体标准技术工作委员会主席。原信息产业部电信研究院总工程师。长期从事通信网络技术及业务、互联网技术及业务、信源编码技术和多媒体业务等方面的研究、开发和标准化工作。1992年获国务院颁发的政府特殊津贴，1996年获“中华人民共和国有突出贡献的中青年科学技术专家”称号。

(续上期)

3 第四代网络技术

工业互联网、融合ICT信息基础设施和第五代移动通信是第四代网络技术必须支持的3个典型的应用场景。工业互联网要求网络能够支持智能化制造、网络化协同、个性化定制和产业化服务；融合ICT信息基础设施要求网络有能力将云计算和大数据等IT基础设施提供给广泛用户，从而要求云内网、云间网和云到用户网是一体化网络；第五代移动通信要求网络技术上有重大突破，到第四代为止的移动通信网从技术本质上没有IP化，数据分组技术还仅局限于网关之内的“骨干网”区域，网关到用户间的通信从技术本质来说，还是基于TDM技术的“隧道”。网络的这种架构，难以满足第五代移动通信已经确定场景对网络性能和能力的要求。上述技术需求，要求第四代网络技术提供相应的能力，目前的IP网显然没有这样的能力。

目前IP已经被“神化”，明知IP网存在问题，不是直面去解决问题，而是“绕着走”，用打补丁的办法“绕过”问题，结果是网络越来越复杂，效率越来越低。如果从IP的定义出发，IP的定义是：“IP是网络之间互连的协议（Internet Protocol）的缩写，是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议”，从定义来看，没有任何可以“神化”的成分。从技术本质来看，IP网是分组数据网的一种，采用不面向连接（Connectionless）的工作模式，仅此而已，也没有任何可以“神化”的成分。至于说TCP/IP提供了空前开放的网络环境，为业务开发者提供极佳的开发网络平台（这是主流看法）。其实自分组数据网的诞生，就创造了分组数据的业务网和承载网分离的模型，为业务开发者提供了提供极佳的业务开发的网络平台，并非始自IP。TCP提供进程通信能力是一个极为重要的创新，但是TCP对分组数据网的唯一要求是必须工作在不面向连接的工作模式下，TCP/IP也好，TCP/XX也好，将具有同样的能力。因此，作为第四代网络不应该仅是“为计算机网络相互连接进行通信（IP）而设计的协议”。应该是能够满足信息技术发展的分组数据网。

与前三代网络技术不同，第四代网络技术因为ICT技术融合的发展，在组网技术上发生了重大的变化。这样，在第四代网络技术的研究中，就需要考虑两个体系架构，网络体系架构和组网体系架构。目前，在这方面的概念是模糊的，往往将网络架构和组网架构混为一谈。从技术本质上来说，组网体系架构决定网络的构建和组织形态（对组网技术影响最大的是NFV），网络体系架构和协议决定网络的性能和能力（目前研究得很少），它们使用的技术也是不同的。目前过分夸大组网技术的作用，而忽略了网络体系架构的技术本质和作用。

3.1 组网技术

在第三代通信技术之前，组网方式都是用实体设备组网，即网络中的所有网元都是实体网络设备。随着ICT技术的融合，网络的组网方式也发生了变化，除了有实体组网方式（也将会长期存在）外，还产生了虚拟组网方式。

3．1．1 虚拟网络技术

在第三代网络技术之前，所有网络使用的网元都是实体网元，在网络的拓扑图上看到的网元设备（如路由器），在现实的网络中就存在一个路由器，它的硬件和软件是存在于同一个设备中的。同样在第三代网络技术之前，使用的所有网络也都是实体网络，即你在网络的拓扑图上看到一个网络，在现实中就存在这样一个网络，网络中的所有网元都是实体设备，网络中网元间的连接，都是实体线或由传送网提供的虚拟专线。

第四代网络技术中，在组网技术上引入了虚拟组网（网络）技术。虚拟网络技术含有两个方面的技术内容：虚拟网元技术和虚拟网络技术。虚拟网元在设备的能力和性能与同等的实体网元没有差别，其差别是构成网元设备的硬件和软件是分离的，虚拟网元中的硬件资源（计算资源、存储资源和I/O资源）来自“云化”数据中心的IT资源池（IT资源包括计算资源、存储资源和I/O资源）中的一个虚拟机（VM）或者一个虚拟容器，将相关软件加载到虚拟机或者一个虚拟容器中就构成虚拟网元；虚拟网络在网络的能力和性能与同等的实体网络也没有差别，其差别是构成虚拟网络的网元是虚拟网元，将虚拟网元连接成虚拟网络的是一个叫“业务功能链（Service Function Chain）”的技术，虚拟网络中的网元和网元间连接都是逻辑意义上存在，无对应实体存在。

3．1．2 网络（元）功能虚拟化（NFV）

NFV (Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）是电信界近年来少有的杰作，它从电信网发展的现实需要出发，结合计算机技术中已经相当成熟的虚拟机技术提出的，它的出现立刻就得到电信界的广泛响应，并很快付诸实践。

网络功能虚拟化通过将实体网元设备的功能抽象和软硬件解耦，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，网元设备所需要的IT资源（计算、存储和I/O资源）可以充分灵活共享（一般均来自“云”化数据中心），实现新业务的快速开发和部署，实现根据实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。网络功能虚拟化后，可以采用标准的x86服务器、存储和交换设备构成云化数据中心，取自云化数据中心的IT资源构成的虚拟机来取代网元设备中的硬件。其好处是硬件为规范化和标准化的基于x86的IT资源设备，可以实现IT资源的充分灵活共享；开放的API接口，也能提供更多、更灵活的组网能力。

在虚拟机上安装相应的网元设备的软件，就构成虚拟网元设备，只要虚拟机分配到的IT资源与实体机硬件能力相同，虚拟网元设备与实体网元的性能和能力就是相同的（这是网元设备的虚拟化）。按设定的网络拓扑结构，通过虚拟专线（或网络隧道构成的专线）将虚拟网元设备连接起来，就可以构成虚拟网络，将虚拟网元连接成虚拟网络的技术称为“业务功能链”技术。网络功能虚拟化中，“业务功能链”是一个很重要的功能，它通过网络的管理平面来配置，通过“入口”加标记来实现。网络功能虚拟化的作用是实现虚拟网元和虚拟组网，网络的构建和组织形态发生了变化，但不改变网络的性能和能力。

3．1．3 软件定义网络（SDN）

SDN（Software Defined Networks， 软件定义网络）是美国斯坦福大学于2007年提出的概念，初始的设计是以Openflow协议为基础，通过动态流表技术来建设网络的创新平台。产业的现状和产业的既得利益，使得目前的SDN偏离原始设计理念。SDN是英文字头的缩写，不同的利益集团根据各自不同的利益出发，给出了多种不同的解释，归结起来SDN有3种说法。第一种说法为SDN（Software Defined Networking），这是目前SDN技术发展的主流，Networking的中文意义是组网，因此SDN的中文意义应该是软件定义组网技术。其技术本质有两点：其一是原来节点间经控制面实现的动态路由，节点各自生成路由转发表的分散式动态路由技术，改成由“控制器”集中计算路由，通过管理面给转发设备下发路由转发表的集中式路由体系，这就是常说的控制与转发分离技术，这里所谓的控制仅针对路由体系而言，与网络所需的其他控制功能无关；其二是网管智能化，利用“控制器”的集中管理和控制优势，增强网络的管理和控制能力，实现通信资源的快速部署，或基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩等。第二种说法为SDN（Software Driven Network），这种说法的提出者是思科公司，目的是建立业务网和承载网之间的联系，实现业务层对网络的配置等方面的驱动，这件事情很重要很有意义，但实现起来难度很大，原因是被控网络往往是不可驱动的，要实现软件驱动网络，需要重新设计被控网络。第三种说法为SDN（Software Defined Networks），是当年斯坦福一开始提出来的原始的理念，它可以用来设计和建设网络的创新平台。

上述3种说法，形成SDN的发展的3个阶段，目前处于发展的第一阶段，即Software Defined Networks，主要是用于组网（Networking）。SDN技术用于组网，由于它的主要优势来自集中管理和控制，对小网而言技术上是可行也是有得益得，对大网而言是否可行、需要商用实践证明。一般而言，过分的集中的技术在大网中往往是不可行的。

3．1．4 混合组网技术

混合组网涉及两个方面的问题：其一是实体组网和虚拟组网的混合；其二是软件定义组网(Software Defined Networks)和网络功能虚拟化的混合，其中NFV更多在于调配和管理IT资源，SDN更多在于调配和管理CT(通信网络资源，包括链路资源、虚电路资源等)资源，由于两者的侧重面不同需要协同配合。

图2是一种混合组网体系架构。其中图的右边的蓝框内是采用虚拟组网技术的组网架构，左边的白框内是采用实体组网技术的组网架构。

3.2 网络架构和协议

网络架构和协议决定网络的性能和能力。第四代网络技术的发力点在哪里， IPv6给出了一个很好的答案，发力点应该在设计新的分组数据网， IPv6与IPv4不兼容，对IPv4网络而言，IPv6就是一个新的数据网。IPv6设计者给出了明确的目标，诸如要解决安全问题、服务质量问题、可扩展性问题和移动性问题等，只是因为设计上的问题和另外一些很难说出来的原因，IPv6没有实现原定的设计目标，但它的启示是明确的，第四代网络技术的核心是设计一个新的分组数据网。它可以使网络能力有很大的提升，能满足相当长一段时间内通信信息业发展的需求。

从技术层面来说，新型分组数据网是对已有技术的继承，但需要有所创新、有所突破。

图2 混合组网体系架构

那么第四代网络技术是什么技术呢？鉴于未来网络中的业务一定是变速率的业务，要与变速率业务相适配，第四代网仍将会是采用基于统计复用的分组数据技术。网络技术与业务特性相适配两者才能得到同步发展，未来网络中业务的主体一定是面向进程通信的业务，因此第四代网络将必定要采用与进程通信特性相适配的不面向连接的工作方式。由于没有看到新的网络技术，也没有看到新网络技术在近期出现的可能性。经综合分析和研究，新网络技术出现的概率非常低，从务实和实际需要出发，与第三代相同，第四代网仍将会是采用基于统计复用的分组数据技术和不面向连接的工作方式。目前的IP网是符合这个条件的，那么能不能从IP网再走下去，来实现第四代网络答案是不肯定的。在20多年来，实际上一直不断在进行探索和尝试，Inter-serv和Diffserv是在不改变IP网的工作于不面向连接的工作方式条件下的努力，结果很不理想；改用面向连接的MPLS虽然局部有改善，总体无好处，结果也很不理想，20多年来努力不小进步不大。网络技术处于停顿状态。看来简单的从IP网做改造已不可能突破，第四代网必须引入新的设计理念和新的体系架构才有可能。第四代网络技术的目标是解决安全可信、可管可控、服务质量、移动性、虚拟网和可扩展性等问题，实质性的提升网络的性能和能力。

4 结束语

工业互联网要求网络能够支持智能化制造、网络化协同、个性化定制和产业化服务；融合ICT信息基础设施要求网络有能力将云计算和大数据等IT基础设施提供给广泛用户，从而要求云内网、云间网和云到用户网是一体化网络；第五代移动通信在网络技术上有突破性要求，全网需要实现“IP化（数据分组化）”。工业互联网、融合ICT信息基础设施和第五代移动通信的发展要求网络进入4.0时代。

Direction of the network technology

JIANG Lin-tao
(China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)

In this paper, the network technology and the network technology of the fourth generation network are discussed. The development direction of the network technology is the fourth generation network, and the technical direction of the fourth generation network is given.

software defi ned networking; network function virtualization; next generation network; future network

TN915

A

1008-5599（2016）10-0001-04

2016-09-16