蔣林濤
(中國(guó)信息通信研究院,北京 100191)
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向(下)
蔣林濤
(中國(guó)信息通信研究院,北京 100191)
本文討論了網(wǎng)絡(luò)的分代和第四代網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向是第四代網(wǎng)絡(luò),給出了第四代網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方向。
軟件定義組網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化;下一代網(wǎng);未來(lái)網(wǎng)絡(luò)
蔣林濤 中國(guó)信息通信研究院科技委主任,中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)IP與多媒體標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)工作委員會(huì)主席。原信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院總工程師。長(zhǎng)期從事通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及業(yè)務(wù)、信源編碼技術(shù)和多媒體業(yè)務(wù)等方面的研究、開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作。1992年獲國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼,1996年獲“中華人民共和國(guó)有突出貢獻(xiàn)的中青年科學(xué)技術(shù)專(zhuān)家”稱(chēng)號(hào)。
(續(xù)上期)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、融合ICT信息基礎(chǔ)設(shè)施和第五代移動(dòng)通信是第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須支持的3個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持智能化制造、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制和產(chǎn)業(yè)化服務(wù);融合ICT信息基礎(chǔ)設(shè)施要求網(wǎng)絡(luò)有能力將云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等IT基礎(chǔ)設(shè)施提供給廣泛用戶(hù),從而要求云內(nèi)網(wǎng)、云間網(wǎng)和云到用戶(hù)網(wǎng)是一體化網(wǎng)絡(luò);第五代移動(dòng)通信要求網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上有重大突破,到第四代為止的移動(dòng)通信網(wǎng)從技術(shù)本質(zhì)上沒(méi)有IP化,數(shù)據(jù)分組技術(shù)還僅局限于網(wǎng)關(guān)之內(nèi)的“骨干網(wǎng)”區(qū)域,網(wǎng)關(guān)到用戶(hù)間的通信從技術(shù)本質(zhì)來(lái)說(shuō),還是基于TDM技術(shù)的“隧道”。網(wǎng)絡(luò)的這種架構(gòu),難以滿(mǎn)足第五代移動(dòng)通信已經(jīng)確定場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和能力的要求。上述技術(shù)需求,要求第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供相應(yīng)的能力,目前的IP網(wǎng)顯然沒(méi)有這樣的能力。
目前IP已經(jīng)被“神化”,明知IP網(wǎng)存在問(wèn)題,不是直面去解決問(wèn)題,而是“繞著走”,用打補(bǔ)丁的辦法“繞過(guò)”問(wèn)題,結(jié)果是網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜,效率越來(lái)越低。如果從IP的定義出發(fā),IP的定義是:“IP是網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議(Internet Protocol)的縮寫(xiě),是為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信而設(shè)計(jì)的協(xié)議”,從定義來(lái)看,沒(méi)有任何可以“神化”的成分。從技術(shù)本質(zhì)來(lái)看,IP網(wǎng)是分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的一種,采用不面向連接(Connectionless)的工作模式,僅此而已,也沒(méi)有任何可以“神化”的成分。至于說(shuō)TCP/IP提供了空前開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,為業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)者提供極佳的開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(這是主流看法)。其實(shí)自分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的誕生,就創(chuàng)造了分組數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)網(wǎng)和承載網(wǎng)分離的模型,為業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)者提供了提供極佳的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),并非始自IP。TCP提供進(jìn)程通信能力是一個(gè)極為重要的創(chuàng)新,但是TCP對(duì)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的唯一要求是必須工作在不面向連接的工作模式下,TCP/IP也好,TCP/XX也好,將具有同樣的能力。因此,作為第四代網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)該僅是“為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信(IP)而設(shè)計(jì)的協(xié)議”。應(yīng)該是能夠滿(mǎn)足信息技術(shù)發(fā)展的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。
與前三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同,第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因?yàn)镮CT技術(shù)融合的發(fā)展,在組網(wǎng)技術(shù)上發(fā)生了重大的變化。這樣,在第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究中,就需要考慮兩個(gè)體系架構(gòu),網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)和組網(wǎng)體系架構(gòu)。目前,在這方面的概念是模糊的,往往將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)架構(gòu)混為一談。從技術(shù)本質(zhì)上來(lái)說(shuō),組網(wǎng)體系架構(gòu)決定網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和組織形態(tài)(對(duì)組網(wǎng)技術(shù)影響最大的是NFV),網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)和協(xié)議決定網(wǎng)絡(luò)的性能和能力(目前研究得很少),它們使用的技術(shù)也是不同的。目前過(guò)分夸大組網(wǎng)技術(shù)的作用,而忽略了網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的技術(shù)本質(zhì)和作用。
3.1 組網(wǎng)技術(shù)
在第三代通信技術(shù)之前,組網(wǎng)方式都是用實(shí)體設(shè)備組網(wǎng),即網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)元都是實(shí)體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。隨著ICT技術(shù)的融合,網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式也發(fā)生了變化,除了有實(shí)體組網(wǎng)方式(也將會(huì)長(zhǎng)期存在)外,還產(chǎn)生了虛擬組網(wǎng)方式。
3.1.1 虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
在第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之前,所有網(wǎng)絡(luò)使用的網(wǎng)元都是實(shí)體網(wǎng)元,在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D上看到的網(wǎng)元設(shè)備(如路由器),在現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中就存在一個(gè)路由器,它的硬件和軟件是存在于同一個(gè)設(shè)備中的。同樣在第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之前,使用的所有網(wǎng)絡(luò)也都是實(shí)體網(wǎng)絡(luò),即你在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D上看到一個(gè)網(wǎng)絡(luò),在現(xiàn)實(shí)中就存在這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)元都是實(shí)體設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元間的連接,都是實(shí)體線(xiàn)或由傳送網(wǎng)提供的虛擬專(zhuān)線(xiàn)。
第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中,在組網(wǎng)技術(shù)上引入了虛擬組網(wǎng)(網(wǎng)絡(luò))技術(shù)。虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)含有兩個(gè)方面的技術(shù)內(nèi)容:虛擬網(wǎng)元技術(shù)和虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。虛擬網(wǎng)元在設(shè)備的能力和性能與同等的實(shí)體網(wǎng)元沒(méi)有差別,其差別是構(gòu)成網(wǎng)元設(shè)備的硬件和軟件是分離的,虛擬網(wǎng)元中的硬件資源(計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和I/O資源)來(lái)自“云化”數(shù)據(jù)中心的IT資源池(IT資源包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和I/O資源)中的一個(gè)虛擬機(jī)(VM)或者一個(gè)虛擬容器,將相關(guān)軟件加載到虛擬機(jī)或者一個(gè)虛擬容器中就構(gòu)成虛擬網(wǎng)元;虛擬網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的能力和性能與同等的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)也沒(méi)有差別,其差別是構(gòu)成虛擬網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元是虛擬網(wǎng)元,將虛擬網(wǎng)元連接成虛擬網(wǎng)絡(luò)的是一個(gè)叫“業(yè)務(wù)功能鏈(Service Function Chain)”的技術(shù),虛擬網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元和網(wǎng)元間連接都是邏輯意義上存在,無(wú)對(duì)應(yīng)實(shí)體存在。
3.1.2 網(wǎng)絡(luò)(元)功能虛擬化(NFV)
NFV (Network Function Virtualization,網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)是電信界近年來(lái)少有的杰作,它從電信網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要出發(fā),結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)中已經(jīng)相當(dāng)成熟的虛擬機(jī)技術(shù)提出的,它的出現(xiàn)立刻就得到電信界的廣泛響應(yīng),并很快付諸實(shí)踐。
網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化通過(guò)將實(shí)體網(wǎng)元設(shè)備的功能抽象和軟硬件解耦,使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴(lài)于專(zhuān)用硬件,網(wǎng)元設(shè)備所需要的IT資源(計(jì)算、存儲(chǔ)和I/O資源)可以充分靈活共享(一般均來(lái)自“云”化數(shù)據(jù)中心),實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開(kāi)發(fā)和部署,實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行自動(dòng)部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化后,可以采用標(biāo)準(zhǔn)的x86服務(wù)器、存儲(chǔ)和交換設(shè)備構(gòu)成云化數(shù)據(jù)中心,取自云化數(shù)據(jù)中心的IT資源構(gòu)成的虛擬機(jī)來(lái)取代網(wǎng)元設(shè)備中的硬件。其好處是硬件為規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的基于x86的IT資源設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)IT資源的充分靈活共享;開(kāi)放的API接口,也能提供更多、更靈活的組網(wǎng)能力。
在虛擬機(jī)上安裝相應(yīng)的網(wǎng)元設(shè)備的軟件,就構(gòu)成虛擬網(wǎng)元設(shè)備,只要虛擬機(jī)分配到的IT資源與實(shí)體機(jī)硬件能力相同,虛擬網(wǎng)元設(shè)備與實(shí)體網(wǎng)元的性能和能力就是相同的(這是網(wǎng)元設(shè)備的虛擬化)。按設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過(guò)虛擬專(zhuān)線(xiàn)(或網(wǎng)絡(luò)隧道構(gòu)成的專(zhuān)線(xiàn))將虛擬網(wǎng)元設(shè)備連接起來(lái),就可以構(gòu)成虛擬網(wǎng)絡(luò),將虛擬網(wǎng)元連接成虛擬網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)稱(chēng)為“業(yè)務(wù)功能鏈”技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化中,“業(yè)務(wù)功能鏈”是一個(gè)很重要的功能,它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的管理平面來(lái)配置,通過(guò)“入口”加標(biāo)記來(lái)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的作用是實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)元和虛擬組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和組織形態(tài)發(fā)生了變化,但不改變網(wǎng)絡(luò)的性能和能力。
3.1.3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)
SDN(Software Defined Networks, 軟件定義網(wǎng)絡(luò))是美國(guó)斯坦福大學(xué)于2007年提出的概念,初始的設(shè)計(jì)是以O(shè)penflow協(xié)議為基礎(chǔ),通過(guò)動(dòng)態(tài)流表技術(shù)來(lái)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新平臺(tái)。產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)的既得利益,使得目前的SDN偏離原始設(shè)計(jì)理念。SDN是英文字頭的縮寫(xiě),不同的利益集團(tuán)根據(jù)各自不同的利益出發(fā),給出了多種不同的解釋?zhuān)瑲w結(jié)起來(lái)SDN有3種說(shuō)法。第一種說(shuō)法為SDN(Software Defined Networking),這是目前SDN技術(shù)發(fā)展的主流,Networking的中文意義是組網(wǎng),因此SDN的中文意義應(yīng)該是軟件定義組網(wǎng)技術(shù)。其技術(shù)本質(zhì)有兩點(diǎn):其一是原來(lái)節(jié)點(diǎn)間經(jīng)控制面實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)路由,節(jié)點(diǎn)各自生成路由轉(zhuǎn)發(fā)表的分散式動(dòng)態(tài)路由技術(shù),改成由“控制器”集中計(jì)算路由,通過(guò)管理面給轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備下發(fā)路由轉(zhuǎn)發(fā)表的集中式路由體系,這就是常說(shuō)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離技術(shù),這里所謂的控制僅針對(duì)路由體系而言,與網(wǎng)絡(luò)所需的其他控制功能無(wú)關(guān);其二是網(wǎng)管智能化,利用“控制器”的集中管理和控制優(yōu)勢(shì),增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制能力,實(shí)現(xiàn)通信資源的快速部署,或基于實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行自動(dòng)部署、彈性伸縮等。第二種說(shuō)法為SDN(Software Driven Network),這種說(shuō)法的提出者是思科公司,目的是建立業(yè)務(wù)網(wǎng)和承載網(wǎng)之間的聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層對(duì)網(wǎng)絡(luò)的配置等方面的驅(qū)動(dòng),這件事情很重要很有意義,但實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度很大,原因是被控網(wǎng)絡(luò)往往是不可驅(qū)動(dòng)的,要實(shí)現(xiàn)軟件驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò),需要重新設(shè)計(jì)被控網(wǎng)絡(luò)。第三種說(shuō)法為SDN(Software Defined Networks),是當(dāng)年斯坦福一開(kāi)始提出來(lái)的原始的理念,它可以用來(lái)設(shè)計(jì)和建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新平臺(tái)。
上述3種說(shuō)法,形成SDN的發(fā)展的3個(gè)階段,目前處于發(fā)展的第一階段,即Software Defined Networks,主要是用于組網(wǎng)(Networking)。SDN技術(shù)用于組網(wǎng),由于它的主要優(yōu)勢(shì)來(lái)自集中管理和控制,對(duì)小網(wǎng)而言技術(shù)上是可行也是有得益得,對(duì)大網(wǎng)而言是否可行、需要商用實(shí)踐證明。一般而言,過(guò)分的集中的技術(shù)在大網(wǎng)中往往是不可行的。
3.1.4 混合組網(wǎng)技術(shù)
混合組網(wǎng)涉及兩個(gè)方面的問(wèn)題:其一是實(shí)體組網(wǎng)和虛擬組網(wǎng)的混合;其二是軟件定義組網(wǎng)(Software Defined Networks)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的混合,其中NFV更多在于調(diào)配和管理IT資源,SDN更多在于調(diào)配和管理CT(通信網(wǎng)絡(luò)資源,包括鏈路資源、虛電路資源等)資源,由于兩者的側(cè)重面不同需要協(xié)同配合。
圖2是一種混合組網(wǎng)體系架構(gòu)。其中圖的右邊的藍(lán)框內(nèi)是采用虛擬組網(wǎng)技術(shù)的組網(wǎng)架構(gòu),左邊的白框內(nèi)是采用實(shí)體組網(wǎng)技術(shù)的組網(wǎng)架構(gòu)。
3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議決定網(wǎng)絡(luò)的性能和能力。第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)力點(diǎn)在哪里, IPv6給出了一個(gè)很好的答案,發(fā)力點(diǎn)應(yīng)該在設(shè)計(jì)新的分組數(shù)據(jù)網(wǎng), IPv6與IPv4不兼容,對(duì)IPv4網(wǎng)絡(luò)而言,IPv6就是一個(gè)新的數(shù)據(jù)網(wǎng)。IPv6設(shè)計(jì)者給出了明確的目標(biāo),諸如要解決安全問(wèn)題、服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題、可擴(kuò)展性問(wèn)題和移動(dòng)性問(wèn)題等,只是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上的問(wèn)題和另外一些很難說(shuō)出來(lái)的原因,IPv6沒(méi)有實(shí)現(xiàn)原定的設(shè)計(jì)目標(biāo),但它的啟示是明確的,第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心是設(shè)計(jì)一個(gè)新的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。它可以使網(wǎng)絡(luò)能力有很大的提升,能滿(mǎn)足相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)通信信息業(yè)發(fā)展的需求。
從技術(shù)層面來(lái)說(shuō),新型分組數(shù)據(jù)網(wǎng)是對(duì)已有技術(shù)的繼承,但需要有所創(chuàng)新、有所突破。
圖2 混合組網(wǎng)體系架構(gòu)
那么第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是什么技術(shù)呢?鑒于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)一定是變速率的業(yè)務(wù),要與變速率業(yè)務(wù)相適配,第四代網(wǎng)仍將會(huì)是采用基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用的分組數(shù)據(jù)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與業(yè)務(wù)特性相適配兩者才能得到同步發(fā)展,未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的主體一定是面向進(jìn)程通信的業(yè)務(wù),因此第四代網(wǎng)絡(luò)將必定要采用與進(jìn)程通信特性相適配的不面向連接的工作方式。由于沒(méi)有看到新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),也沒(méi)有看到新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在近期出現(xiàn)的可能性。經(jīng)綜合分析和研究,新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)出現(xiàn)的概率非常低,從務(wù)實(shí)和實(shí)際需要出發(fā),與第三代相同,第四代網(wǎng)仍將會(huì)是采用基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用的分組數(shù)據(jù)技術(shù)和不面向連接的工作方式。目前的IP網(wǎng)是符合這個(gè)條件的,那么能不能從IP網(wǎng)再走下去,來(lái)實(shí)現(xiàn)第四代網(wǎng)絡(luò)答案是不肯定的。在20多年來(lái),實(shí)際上一直不斷在進(jìn)行探索和嘗試,Inter-serv和Diffserv是在不改變IP網(wǎng)的工作于不面向連接的工作方式條件下的努力,結(jié)果很不理想;改用面向連接的MPLS雖然局部有改善,總體無(wú)好處,結(jié)果也很不理想,20多年來(lái)努力不小進(jìn)步不大。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處于停頓狀態(tài)??磥?lái)簡(jiǎn)單的從IP網(wǎng)做改造已不可能突破,第四代網(wǎng)必須引入新的設(shè)計(jì)理念和新的體系架構(gòu)才有可能。第四代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的目標(biāo)是解決安全可信、可管可控、服務(wù)質(zhì)量、移動(dòng)性、虛擬網(wǎng)和可擴(kuò)展性等問(wèn)題,實(shí)質(zhì)性的提升網(wǎng)絡(luò)的性能和能力。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持智能化制造、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制和產(chǎn)業(yè)化服務(wù);融合ICT信息基礎(chǔ)設(shè)施要求網(wǎng)絡(luò)有能力將云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等IT基礎(chǔ)設(shè)施提供給廣泛用戶(hù),從而要求云內(nèi)網(wǎng)、云間網(wǎng)和云到用戶(hù)網(wǎng)是一體化網(wǎng)絡(luò);第五代移動(dòng)通信在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上有突破性要求,全網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)“IP化(數(shù)據(jù)分組化)”。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、融合ICT信息基礎(chǔ)設(shè)施和第五代移動(dòng)通信的發(fā)展要求網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入4.0時(shí)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