吴建平：一体化融合网络的发展与思考

吴建平中国工程院院士、清华大学计算机科学与技术系主任

随着地面互联网、移动通信网络和空间网络的业务逐渐融合,近年来通过采用互联网技术实现空间网络与地面网络在协议体系层面的一体化融合演进,从而构建覆盖全球的天地一体化网络,不仅是网络技术的发展趋势,也是国际互联网巨头争夺的焦点,更与中国的全球化国家战略密切相关。

互联网体系结构是互联网核心技术

在刚刚召开的全国网络安全与信息化工作会议上，习近平总书记发表重要讲话，特别指出：“核心技术是国之重器。要下定决心、保持恒心、找准重心，加速推动信息领域核心技术突破。要遵循技术发展规律，做好体系化技术布局，优中选优、重点突破。”

经过20多年的发展，互联网已经形成非常厉害的体系结构。互联网是网络空间的重要基础，它连接了所有的装置设施，大到神威太湖之光，小到手机，都通过互联网连接。互联网连接起来后就形成了网络，如今人们都离不开这个基础设施。“互联网+”把各个行业融合起来，并且有正确的主导，产生很多新的发明，深入到不同的领域。

互联网体系结构是互联网核心技术。互联网体系结构在发展中演进和创新，面临了一系列重大技术挑战，如扩展性、安全性、高性能、移动性、实时性等。如何去解决这些重大挑战？第一，在传送格式上从IPv4向IPv6过渡；第二，转发方式是无连接存储转发；第三，在路由控制方面，主要为体系结构创新技术。

1990年，IETF开始IPv6工作，并收到21个建议，一直到1996年，IETF正式批准第一个IPv6标准RFC1883。IPv6与IPv4不兼容，但与其他Internet协议兼容，实际上还是需要开发另外一套协议栈。

互联网体系结构具有强大的生命力，互联网之父Vinton Cerf在清华演讲时提到关于互联网体系结构的认识：一是它不是为任何特殊应用而设计的网络，只传递数据包；二是可以运行在任何通信技术之上；三是允许在网络边缘创新，不为增加任何新的应用和服务而改变网络；四是必须足够可扩展。

一体化融合网络的战略需求

一体化融合网络的战略需求还是非常大的，基本思路是要有一个体系结构把互联网继续做大做强。然而，我国网络发展面了一些现实问题：一是通信设施囿于国土，难以保障“走出去”；二是海域实际有效控制面积不到10%，水下基本空白；三是天地组网尚未实现，关键时刻“响应慢”；四是互联互通手段不可控，安全可信“不托底”；五是网络体系结构创新，服务能力“跟不上”。

因此，IPv6下一代互联网势在必行。2017年1月，习近平总书记就指出，美欧等主要国家正在加紧布局下一代互联网，我们要加快实施步伐，争取在下一轮竞争中迎头赶上。2017年11月，我国发布的《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，从互联网应用、网络基础设施、应用基础设施、网络安全、关键前沿技术等五大领域深化IPv6发展。

天地一体化信息网络是国家重大战略需求。2016年，“天地一体化信息网络”正式列入国家2030科技创新重大项目，写入国家“十三五”规划纲要。

一体化融合网络是未来发展趋势，将以IPv6下一代互联网体系结构为基础。行业网络包括物联网、工业互联网等；成熟网络包括互联网、广电网络等；国家战略基础设施包括空间信息网络、海洋信息网络等。未来的网络空间将不断发展。

一体化融合网络的技术挑战

一体化融合的挑战表现在：首先，大时空跨度，传输时延长、时延变化大、丢包率较高；其次，拓扑高动态，网络拓扑时变、周期性变化存在断续链路；最后，网络立体化，三维空间立体网络节点及传输特性差别大。

一体化融合网络的关键技术难点可以从两个层面去考量：第一，网络层。路由算法应该考虑时空约束、计算资源约束和能源约束。空间节点的高动态对路由表更新的冲击；第二，传送层。端到端传送协议性能显著下降。断续链路导致现有端到端传送协议失效。多维延展，需有效统筹利用。

统一网络体系结构才是一体化的根本。网络层承上启下，保证全网通达，是体系结构的核心。核心难题在于，在传送格式和转发方式相对稳定的情况下，路由控制必须不断满足天地一体化网络发展需求（复杂多变量），达到“天网地网”最优，卫星要具备L3功能。

网络层关键技术的总体方案是，基于下一代互联网网络层协议IPv6，以“网络层统一、协议演进、高效适变、低功耗”为设计原则，来实现互联网、移动通信网和空间网络的高效融合。

1.IPv6+协议：针对空间网络随遇接入、随遇建链、动态地址的特性，利用IPv6协议的邻居发现（ND）机制，实现动态邻居发现与自动地址配置，每个端口配置自己的IPv6网段，两端口对接时相互学习，从而互通。

2.分组头部压缩：面对空间链路带宽资源珍贵，分组头部占比例大的困境，用于网络空间两个相邻节点间，对分组头部进行压缩，可对IPv6、TCP、RTP、UDP等协议进行选择压缩。

3.OSPF+协议：面向域内网络拓扑周期性变化，基于拓扑预测，缓存拓扑状态。加速协议收敛，减少开销，集中与分布结合，预测与测量协作。

4.BGP+协议：针对卫星间动态切换，自治域更新周期的难题，当卫星断开连接时，收到的路由表项设置成Sleep状态；重新连接后，将Sleep状态的表项恢复为有效状态，并更新断连期间的路由改变。

在安全可信关键技术层面，要“基于真实IP源地址验证”的安全可信、自主可控的核心技术。天地网络采用相同的传输格式、转发方式，网络中每个分组都具备了”天地一体、开放互联、安全可信”的能力，从而实现有效地支持军民融合。

未来，一体化融合网络的重点研究内容：一是大规模多维度可扩展的统一高效路由技术；二是容忍大尺度延迟的高效协同传送技术；三是一体化融合网络真实安全可信技术。