关于未来 络技术体系创新的思考

刘韵洁 黄 韬 汪 硕*

1 北京邮电大学 信息与通信工程学院

2 络通信与安全紫金山实验室

当前， 络技术正在与物理世界发生深度融合，传统 络架构难以支撑工业互联 等业务的差异性、可定制、确定性需求，探索新型 络架构与核心技术已成为全球互联 竞争的战略制高点。

1837?年，莫尔斯制造出了世界第一台有线电 机，首次实现了通过电信 来传输文字信息；随后，电 、电话等以电和磁为载体的通信技术迅速普及，人类通信方式产生重大变革，开启了现代通信 络的大发展。2021?年是中国共产党成立?100?周年。经过中国几代人的努力，我国 络通信产业也发生了翻天覆地的巨大变化。1994?年底，我国上 用户尚不足?1?万人。截至?2021?年?8?月，我国已建成全球规模最大的信息通信 络， 民规模?10.11?亿，互联 普及率达?71.6%；光纤 络全面覆盖城乡，光纤用户占比达?94.1%，位居世界第一?；开通?5G?通信基站超过?96.1?万个。如今，互联 概念已经深入人心，互联 应用也时时刻刻影响着人们的生活，“未来 络”也成了“十四五”时期重要的战略新兴产业，是推动人类 会进步的关键所在之一。

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络演进历程与趋势

20?世纪?50?年代，学术界开始对数据分组交换、分布式 络、排队论等一系列技术展开探索和研究；1969?年，面向科研计算机互联需求的小规模 络出现雏形；1996?年开始，随着万维 的大规模应用，Internet（互联 ）一词广泛流传。互联 基于?IP（互联 协议）“细腰”的设计理念成功容纳了各种不同的底层 络技术和丰富的上层应用，迅速风靡全世界。在应用迅速发展的同时，全球 络技术的发展与建设正向着“融合、软硬分离、可定制、智能”的趋势发展与变革。

过去：分离式的 络建设成本高、利用率低，多 融合发展成为必然

1999?年初，为了避免走传统运营商一个业务建设一个 的老路，中国联通开展了多 融合的技术攻关，创新性地将?IP?和?ATM?技术进行有效融合，形成兼有两种技术优势的新方案。即：利用?ATM?的流量工程技术（TE）作为实时业务的技术保障，通过软件和虚拟化技术，设计多个虚拟路由器来承担不同的?IP?业务。最终，中国联通成功建成多业务统一 络平台，同时将语音、互联 、数据、视频和移动互联 业务承载在一个统一的 络平台上。如此大规模的 络平台，承载如此众多的业务，这在全世界尚属首次。

中国联通的此次尝试为多 融合的目标探索了一条可行的途径，而采用虚拟化路由器的技术路线也成为我国发展软件定义 络的早期思想。如今，随着复杂多变的业务发展，以及日益稀缺的资源，更加需要能够在一张 络基础设施上支撑更多种业务，通过 络融合来节约建设成本与资源——高效能、低成本的 络建设已成为未来 络可持续发展的关键趋势之一?。

现在：传统互联 “尽力而为”的 络架构阻碍互联 与物理世界融合， 络开放、可定制成为重要基础

1.架构不开放问题。传统 络架构着力解决“消费型”互联 的大连接问题， 络的控制功能与 络转发的协议紧耦合，因而无法通过快速、平滑升级 络功能来实现确定性、内生智能等新的 络能力。

2.设备不可定制问题。传统 络设备、 络芯片等硬件体系大多不可编程，难以满足新兴业务应用“差异化、个性化”的 络需求。

为了实现 络的开放、可定制，我国提前展开布局。2010?年，由中国工程院潘云鹤、邬贺铨、李国杰、刘韵洁等院士联合向国家提出了“未来 络试验设施”大科学装置项目的建议；2018?年，国家发展和改革委员会正式批复江苏省未来 络创新研究院作为法人单位，从自主可控的新型 络架构与技术角度探索我国未来 络发展途径。

1.控制与承载分离，实现开放化 络。基于“未来 络试验设施”（CENI）重大基础设施项目，科研团队在全球首次采用白盒交换机代替核心路由器构建广域骨干 ，实现了 络承载、 络控制的分离，并且可平滑兼容现有传输控制协议/ 际协议（TCP/IP）技术体系，可有效满足各类实体经济业务对于 络的确定性等新需求。所谓设备的白盒化是指 络设备是开放透明的，是可定制、可编程、可重构的；随着技术的进步，可定制的粒度会越来越细，芯片会提供越来越多可定制的能力。

2. 络操作系统，实现差异化服务。CENI?团队自主研制了全球首个大 级 络操作系统——“司络”（CNOS），其可满足差异化 络应用的可定制、可重构需求，实现分钟级 络开通和业务开通。目前，CNOS?已在?400?多个城市?1100?多个节点的大规模骨干 中稳定运行?3?年以上，其技术已处于国际领先水平。

目前，白盒化的发展理念已得到美国电话电 公司（AT&T）、谷歌（Google）、微软（Microsoft）等公司和国内三大运营商——中国电信、中国联通、中国移动的广泛认可，已成为当前 络领域最为主流的发展趋势之一。这个趋势的产生是多 融合目标发展的第二阶段，也是“简单、高效能、低成本”这一发展理念的延续。由于整个地球可提供的资源是有限的，技术的发展应尽量利用有限的物理资源，凡是能用软件来实现的，尽量用软件来做。因此，在这个原则下，才使得软件化、开放化等理念能够在实际应用中得到广泛支持并实现持续演进。

未来：业务驱动 络演进，智能、 算存一体成为发展关键

业界预测，全息传送、交互式游戏、超级自动化、分布式云、车路协同、无人机、机器人等已成为未来 络业务的主流发展趋势。未来 络将在提供超低时延（ms?级）、超高通量带宽（>1 Tbit/s）、超大规模连接（>1000?亿连接）等基础能力的同时，需要更加紧密地与应用服务融合，“以 络资源为中心”的 络将转变为“以应用服务为中心”的 络，并向智能化、 算存一体等方向发展。

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与人工智能深度融合，实现 络智能化

目前，互联 应用已通过手机、边缘计算等实现了终端的泛在智能化，但是 络依然缺少智能，“傻瓜式”对 络资源的调度进行决策，造成资源利用率低下。因此，未来 络需要依靠 络操作系统这一大脑，与大数据、人工智能等手段结合，实现智能化 络控制，把 络资源利用率从?50%?提升到?90%?以上，大幅提升 络的能效。

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络、计算、存储深度融合，实现 算存一体

目前， 络只有传输交换功能，虽然有内容分发 络（CDN）、对等 络（P2P）等技术手段，但是 络本身没有存储与计算能力，这导致存在大量信息冗余与 络时延。未来， 络将成为整个人类 会一个宏观的泛计算机系统，可按照需求去部署传输、存储、计算等能力； 络将原生结合云计算/边缘计算?，在广域范围实现 络、计算、存储的超融合一体化，使各种应用服务资源（如算力、数据、内容等）在运营商“云、边、端”多个层次，甚至跨多运营商的广域 络范围内进行智能动态分布和按需连接协同。

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“ 络与物理世界融合”是中国建立自主可控 络产业生态的重大机遇

在消费领域， 络已经与人文世界紧密融合，取得了很大的成功，在此基础上， 络正在加速和物理世界实现新的融合。未来 络将类似于人类的神经、血液系统一样，成为人类的一个大的信息系统，实现人文世界、物理世界和信息世界的整体融合； 络传输的信息将类似于血液传输营养一样，能够通过数据流把信息输送给全世界，充分发挥出数据信息的价值。因此， 络与物理世界的深度融合将成为我国建立自主可控 络产业生态的重大机遇，能够改变我国 络技术发展一直受制于人、核心产业跟随的被动局面；工业互联 、车联 、国防信创 络、空天互联 等将成为 络与物理世界融合的典型应用场景，而满足确定性、多云融合、智驱安全等需求将成为构建自主可控 络体系的重要目标。

确定性需求，推动企业内 、外 等的确定性升级

新一代 络技术赋能工业制造升级已成为一个重要发展趋势。许多工业生产应用、车联 应用，如云化可编程逻辑控制器（PLC）远程控制、远程机械臂控制、工业互联 中的数据上传和控制指令下发等需要?200 μs?的时延抖动保障。然而，现有传统 络难以满足工业级应用端到端超低时延和抖动的确定性需求。因此，面对未来工业互联 中云化控制、工厂互联等时间敏感应用场景，构建“准时、准确”控制的端到端确定性 络体系具有重要价值。CENI?平台已具备在广域 实现端到端时延抖动小于?30 μs?的能力，在业界处于领先水平。

多云协同需求，助推企业数字化转型发展

企业、政府、高校等的业务上云已经成为数字化 会转型与发展的必然选择。然而，目前我国企业上云比例只有?40%，远低于欧美发达国家。自建自用、不共享的私有云、边缘云体系严重阻碍我国数字化发展的进程。因此，跨运营商的多 、多云、多边间的信息与通信技术（ICT）能力协同将成为提升上云率的关键，亟待将边缘云、公有云、私有云等 络资源、云资源都开放出来，提升用户体验。面对多云协同需求，需要进一步借助于区块链/智能合约在技术层面所提供的可信任性，形成多中心化甚至去中心化的云 基础设施，构建多云操作系统，从而实现真正的分布式 络。

智驱安全需求，实现 络与安全的一体化设计

传统碎片化、独立部署设计的 络安全功能已难以满足工业互联 等场景所需的高效、安全、智能的 络安全保障能力，中心控制式 络安全能力也难以有效地支撑海量接入、高弹性高分布式的 络业务。因此，需要构建与人工智能、分布式防御等深度融合的智驱安全 络体系，以支持“全分布式安全 络”功能在公有云、私有云、混合云及工业互联 等场景的大规模快速部署，实现全集群?TB?级别分布式拒绝服务攻击（DDoS）秒级快速防护；并通过定制的机器学习算法，实现对 络攻击的自动化多级监测、主动式流量缓和及全分布式 络联防，服务整个互联 的安全、快速发展。

络自动驾驶需求，将成为未来 络发展的新阶段

络的自动化和智能化转型已经成为 络领域未来的重大变革趋势。随着 络业务飞速发展、 络规模不断扩大，用户对 络服务的带宽、时延、可靠性等方面都提出了更加严苛的需求。依靠固定规则与策略的技术手段已无法满足动态资源分配、故障定位、流量预测等业务的运维管理需求。因此，需要通过人工智能、深度学习、大数据等手段，推动 络智能化发展，逐步减少和消除人工操作，逐步向自服务、自维护、自优化的无人值守 络演进；通过数据建模、语义驱动、 络数字孪生等技术手段，实现 络业务全生命周期的闭环自动化控制与?99%?以上的极致资源与能源利用率。

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如何建立具有国际影响的 络技术体系

探索新型 络体系架构与技术体系

自互联 产生以来， 络体系架构就被誉为 络研究“皇冠上的明珠”，美国也依托?TCP/IP?架构成为全球 络技术与标准的领导者。因此， 络架构已成为互联 “下半场”决胜的关键，尤其是 络体系架构（如协议体系、根域名、流量交换模式等）涉及各国在全球互联 的地位与核心利益，已成为世界各国布局的重点。美国国家科学基金会（NSF）于?2010?年启动未来互联 体系架构（FIA）计划，对?NDN、XIA、MobilityFirst、Nebula?等项目提供支持；欧盟和日本也同步启动了FIRE、4WARD、SAIL、AKARI?等一系列未来 络体系结构相关项目。2018?年，国际电信联盟（ITU）成立了 络?2030?焦点组，专门攻关研究?2030?年及以后的未来 络架构、需求、使用场景和 络功能。

1.新型 络承载平面。对应?OSI?架构?1—3?层，解决传统设备“封闭僵化不确定”问题。通过?1—3?层协议的跨层间协同与开放，实现 络的“开放弹性可预期”，提供确定性能力。

2. 络操作系统平面。对应?OSI?架构?1—3?层，解决传统 管“不可管不可控”问题。通过控制与转发分离，分布式与集中式融合，实现“全 可管控”，提供差异化能力。

3.云 超融合平面。对应?OSI?架构?3—7?层，解决传统应用服务“被动感知质量”问题；通过以“以应用服务为中心”渐进式重构?3—7?层协议栈，实现应用服务“主动表达需求”，提供按需使用能力。

国际上，美国国防部高级研究计划局（DARPA）正积极建设面向工业的新型 络。2020?年?12?月起，DARPA?发布?PRONTO项目，由美国国家工程院院士?Nick McKeown?等牵头构建一张服务于“工业?4.0”等场景的新型架构 络。目前，该项目已由?AT&T、英特尔（Intel）、Google、开放 络基金会、斯坦福大学、普林斯顿大学等企业、高校、机构联合，并基于软件定义、可编程白盒交换机等技术构建了覆盖美国?11?个节点的试验 络。

分析发现，DARPA?正在开展的新型 络技术研究与我国?CENI?相关发展思路基本一致。通过提前布局与近?10?余年锲而不舍的努力，我国已实现新型 络体系架构、 络操作系统等核心技术由跟跑到并跑，并在大 操作系统和确定性 络技术方面处于领先水平。因此，对于面向全球新一轮 络技术与产业变革机遇，我国需要依托前期优势基础，进一步加强对未来 络核心技术研究的支持，重点对 络体系架构、端到端低时延确定性、 络操作系统、 络交换芯片、异构云 融合、可编程 络等关键技术进行突破，从根本上改变核心关键技术受制于人的局面，增强我国核心关键技术的国际认可度和影响力，并促进关键技术与产业的融合。

重视软件化、开源发展趋势，建立开放的 络发展生态

在 络通信领域，开源已成为技术发展的必然选择和重要基础，是推进各个领域不断融合发展的重要力量，以及实现技术革新与产业演进的最佳途径。开源发展至今，已不仅仅是一种发展模式，它已经演化成了一种商业模式，实际上是一种“各尽所能，各取所需”的良性技术生态体系；越是在新兴领域，开源比例越大。因此，发展自主可控的 络技术体系需要借助开源模式实现市场布局，通过引导开源事实标准，改变国际生态格局，吸纳多个国家、企业、个人广泛参与，提升国际影响力。

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探索建立自主可控的开源模式

我国自发开源企业需要建立稳定的开源商业模式：

1.针对国际基金会顶级开源项目，建立 区反馈和联动机制；

2.建立自主开源生态，重点在 络、通信、操作系统等基础软件领域探索开源。

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建立可持续发展的开源运营机制

国内开源联盟组织持续推进与企业的开源运营合作，借助联盟标准化与行业推广优势，推动我国自发开源项目应用；开源基金会形成稳定的决策机制，项目孵化流程，为国内开源项目运营提供有力的知识产权托管，以及法律、协作支撑。

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面向全球加大力度促进开源国际化合作

集中力量办大事，开展多方合作

面对新型 络技术攻关与变革的重大历史机遇，江苏省及南京市政府自?2011?年开始，将北京邮电大学、中国科学院计算技术研究所、清华大学?3?支团队引入南京并成立未来 络创新研究院，组织开展未来 络架构与关键技术研究；进而，成立 络通信与安全紫金山实验室，集聚核心科研人员?1000?余人。通过多方协作、“集中力量办大事”的创新机制， 络通信与安全紫金山实验室成功在未来 络核心技术方面取得了多项重大突破。

尽管我国在若干 络技术上暂时处于领先地位，但美国整体技术基础实力雄厚，技术方向的前瞻性和共识力比较强。因此，需要进一步凝聚国内优势力量，将未来 络技术体系列为国家实验室的重要使命内容，坚持习近平总书记“四个面向”的战略部署，加快 络与通信领域的科技创新，聚焦工业互联 、算力互联 、空天互联 、车联 、国防信创 络等重大需求场景，以确保我国能继续保持领先，掌握 络发展的话语权和技术标准的引领。

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结束语

刘韵洁中国工程院院士。 络通信与安全紫金山实验室主任，江苏省未来 络创新研究院院长，国家未来 络试验设施重大科技基础设施（CENI）项目负责人。从事 络技术工作近?50?余年，在数据 、互联 及 络融合等方面做出了开拓性工作。曾主持设计、建设了我国公用互联 、高速宽带 等工程，为我国信息化发展打下重要基础。获得国家科技进步奖一等奖?1?项，部级科技进步奖一等奖?2?项，以及“2014?中国互联 年度人物”特别贡献奖。

汪 硕北京邮电大学讲师。中国计算机学会信息通信 络技术委员会委员。主要从事未来 络、可编程 络、确定性 络等方向的研究，入选中国科协“青年人才托举工程”。作为项目负责人和骨干承担国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目。

文章源自：

刘韵洁, 黄韬, 汪硕. 关于未来 络技术体系创新的思考. 中国科学院院刊, 2022, 37(1): 38-45.

总监制：杨柳春

排版：曹艺旋