中國網/中國發展門戶網訊 1837 年，莫爾斯制造出了世界第一臺有線電報機，首次實現了通過電信號來傳輸文字信息；隨后，電報、電話等以電和磁為載體的通信技術迅場地佈置速普及，人類通信方式產生重大變革，開啟了現代通信網絡的大發展。2021 年是中國共產黨成立 100 周年。經過中國幾代人的努力，我國網絡通信產業也發生了翻天覆地的巨大變化。1994 年底，我國模型上網用戶尚不足 1 萬人。截至 2021 年 8 月，我國已建成全球規模最大的信息通信網絡，網民規模 10.11 億，互聯網普及率達 71.6%；光纖網絡全面覆蓋城鄉，光纖用戶占比達 94.1%，位居世界第一；開通 5G 通信基站超過 96.1 萬個。如今，互聯網概念已經深入人心，互聯網應用也時時刻刻影響著人們的生活，“未來網絡”也成了“十四五”時期重要的戰略新興產業，是推動人類社會進步的關鍵所在之一。
網絡演進歷程與趨勢
20 世紀 50 年代，學術界開始對數據分組交換、分布式網絡、排隊論等一系列技術展開探索和研究；1969 年，面向科研計算機互聯需求的小規模網絡出現雛形；1996 年開始，隨著萬維網的大規模應用，Internet（互聯網）一詞廣泛流傳。互聯網基于 IP（互聯網協議）“細腰”的設計理念成功容納了各種不同的底層網絡技術和豐富的上層應用，迅速風靡全世界。在應用迅速發展的同時，全球網絡技術的發展與建設正向著“融合、軟硬分離、可定制、智能”的趨勢發展與變革。
過去：分離式的網絡建設廣告設計成本高、利用率低，多網融合發展成為必然
回顧全球電信運營商網絡建設歷史，每當出現一種電信業務，運營商就要建設一個網絡；隨著新業務的不斷增加，網絡也就越建越多。這不僅造成嚴重的重復投資，而且網絡的維護、管理成本也越來越高，更重要的是難以方便快捷地提供各種新業務和新應用。因此，如何建設一個能夠支撐多種業務、滿足大部分用戶需求的融合網絡成為長期困擾互聯網業界的問題。1980—2000 年，我國在近 20 包裝設計年發展中，也遇到了相同的挑展覽策劃戰。為了滿足不斷涌現出的大量新興業務需求，我國先后建設了電話網、電報網、傳真網等，后來又建設了公用分組交換網（X.25）、數字數據網（DDN）、異步傳輸模式（ATM）網絡和互聯網。如何建設一個統一的、能提供所有電信業務的網絡，一直是一代又一代電信界和網絡界科技工作者的夢想。但是，全球范圍的綜合業務數字網（ISDN）和寬帶綜合業務數字網（B-ISDN）卻都以失敗告終——當時的 IP 技術無法解決網絡融合的問題，也就是說，僅靠電路交換技術、ATM 技術、IP 技術無法實現網絡融合的目標和夢想。
1999 年初，為了避免走傳統運營商一個業務建設一個網的老路，中國聯通開展了多網融合的技品牌活動術攻關，創新性地將 IP 和 ATM 技術進行有效融合，形成兼有兩種技術優勢的新方案。即：利用 ATM 的流量工程技術（TE）作為實時業務的技術保障，通過軟件和虛擬化技術，設計多個虛擬路由器來承擔不同的 IP 業務。最終，中國聯通成功建成多業務統一網絡平臺，同時將語音、互聯網、數據、視頻和移動互聯網業務承載在一個統一的網絡平攤位設計臺上。如此大規模的網絡平臺，承載如此眾多的業務，這在全世界尚屬首次。
中國聯通的此次嘗試為多網融合的目標探索了一條可行的途徑，而采用虛擬化路由器的技術路線也成為我國發展軟件定義網絡的早期思想。如今，隨著復雜多變的業務發展，以及日益稀缺的資源，更加需要能夠在一張網絡基礎設施上支撐更多種業務，通過網絡融合來節約建設成本與資源——高效能、低成本的網絡建設已成為未來網絡可持續發展的關鍵趨勢之一。
現在：傳統互聯網“盡力而為”的網絡架構阻礙互聯網與物理世界融合，網絡開放、可定制成為重要基礎
得益于郵件、視頻、多媒體等上層應用的快速發展，互聯網在消費領域獲得了巨大的成功。目前，互聯網正在從“消費型”互聯網向“生產型”互聯網轉變，網絡技術迫切需要與工業、制造、汽車等物理世界的要素相融合，以滿足工業級應用的大帶寬、低時延、確定性抖動等精確可控的網絡需求；但是，在實現確定性等網絡技術時遇到了重大挑戰。互聯網在應用方面是非常開放的，可以說互聯網的成功是得益于開放。然而，現在面臨的轉變為生產型互聯網的挑戰和困難主要來源于網絡能力與資源的不開放大圖輸出，并且記者會網絡架構、網絡設備的整個產業生態體系是封閉、不開放、不可定制的。①架構不開放問題。傳統網絡架構著力解決“消費型”互聯網的大連接問題，網絡的控制功能與網絡轉發的協議緊耦合，因而無法通過快速、平滑升級網絡功能來實現確定性、內生智能等新的網絡能力。②設備不可定制問題。傳統網絡設備、網絡芯片等硬件體系大多不可編程，難以滿足新興業務應用“差異化、個性化”的網絡需求。
為了實現網絡的開放、可定制，我國提前展開布局。201大圖輸出0 年，由中國工程院潘云鶴、鄔賀銓、李國杰、劉韻潔等院士聯合向國家提出了“未來網絡試驗設施”大科學裝置項目的建議；2018 年，國家發展和改革委員會正式批復江蘇省未來網絡創新研究院作為法人單位啟動儀式，從自主可控的新型網絡架構與技術角度探索我國奇藝果影像未來網絡發展途徑。控制與承載分離，實現開放化網絡。基于“未來網絡試驗設施”（CENI）重大基礎設施項目，科研團VR虛擬實境隊在全球首次采用白盒交換機代替核心路由器構建廣域骨干網，實現了網絡承載、網絡控制的分離，并且可平滑兼容現有傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）技術體系，可有效滿足各類實體經濟業務對于網絡的確定性等新需求。所謂設備的白盒化是指網絡設備是開放透明道具製作的，是可定制、可編程、可重構的；隨著技術經典大圖的進步，可定制的粒度會越來越細，芯片會提供越來越多可定制的能力。網絡操作系統，實現差異化服務。CENI 團隊自主研制了全球首個大網級網絡操作系統——“司絡”（CNOS），其可滿足差異化網絡應用的可定制、可重構需求，實現分鐘級網絡開通和業務開通。目前，CNOS 已在 400 多個城市 1 100 多個節點的大規模骨干網中穩定運行 3 年以上，其技術已處于國際領先水平。
目前，白盒化的發展理念已得到美國電話電報公司（AT&T）、谷歌（Google）、微軟（Microsoft）等公司和國內三大運營商——中國電信、中國聯通、中國移動的廣泛認可，已成為當前網絡領域最為主流的發展趨勢之一。這個趨勢的產生是多網融合目標發展的第二階段，也是“簡單、高效能、低成本”這一發展理念的延續。由于整個地球可提供的資源是有限的，技術的發展應盡量利用有限的物理資源，凡是能用軟件來實現的，盡量用軟件來做。因此，在這個原則下，才使得軟件化、開放化等理念能夠在實際應用中得到廣泛支持并實現持續演進。
未來：業務驅動網絡演進，智能、網算存一體成為發展關鍵
業界預測，全息傳送、交互式游戲、超級自動化、分布式云、車路協同、無人機、機器人等已成為未來網絡業務的主流發展趨勢。未來網絡將在提供超低時延（ms 級）、超高通量帶寬（>1 Tbit/s）、超大規模連接（>1 000 億連接）等基礎能力的同時，需要更加緊密地與應用服務融合，“以網絡資源為中心”的網絡將轉變為“以應用服務為中AR擴增實境心”的網絡，并向智能化、網算存一體等方向發展。
與人工智能深度融合，實現網絡智能化。目前，互聯網應用已通過手機、邊緣計算等實現了終端的泛在智能化，但是網絡依然缺少智能，“傻瓜式”對網絡資源的調度進行決策，造成資源利用率低下。因此，未來網絡需要依靠網絡操作系統這一大腦，與大數據、人工智能等手段結合，實現智能化網絡控制，把網絡資源利用率從 50% 提升到 90% 以上，大幅提升網絡的能效。
網絡、計算、存儲深度融合，實現網算存一體平面設計。目前，網絡只有傳輸交換功能，雖然有內容分發網絡（CDN）、對等網絡（P2P）等技術手段，但是網絡本身沒有存儲與計算能力，這導致存在大量信息冗余與網絡時延。未來，網絡將成為整個人類社會一個宏觀的泛計算機系統，可按照需求去部署傳輸、存儲、計算等能力；網絡將原生結合云計算/邊緣計算，在廣域范圍實現網絡、計算、存儲的超融合一體化，使各種應用服務資源（如算力、數據、內容等）在運營商“云、邊、端”多個層次，甚至跨多運營商的廣域網絡范圍內進行智能動態分布和按需連接協同。
“網絡與物理世界融合”是中國建立自主可控網絡產業生態的重大機遇
在消費領域，網絡已經與人文世界緊密融合，取得了很大的成功，在此基礎上，網絡正在加速和物理世界實現新的融合。未來網絡將類似于人類的神經、血液系統一樣，成為人類的一個大的信息系統，實現人文世界、物理世界和信息世界的整體融合；網絡傳輸的信息將類似于血液傳輸營養一樣，能夠通過數據流把信息輸送給全世界，充分發揮出數據信息的價值。因此，網絡與物理世界的深度融合將成為我國建立自主可控網絡產業生態的重大機遇，能夠改變我國網絡技術發展一直受制于人、核心產業跟隨的被動局面；工業互聯網、車聯網、國防信創網絡、空天互聯網等將成為網絡與物理世界融合的典型應用場景，而滿足確定性、多云融合、智驅安全等需求將成為構建自主可控網絡體系的重要目標。
確定性需求，推動企業內網、外網等的確定性升級
新一代網絡技術賦能工業制造升級已成為一個重要發展趨勢。許多工業生產應用、車聯網應用，如云化可編程邏輯控制器（PLC）遠程控制、遠程機械臂控制、工業互聯網中的數據上傳和控制指令下發等需要 200 μs 的時延抖動保障。然而，現有傳統網絡難以滿足工業級應用端到端超低時延和抖動的確定性需求。因此，面對未來工業互聯網中云化控制、工廠互聯等時間敏感應用場景，構建“準時、準確”控制的端到端確定性網絡體系具有重要價值。CENI 平臺已具備在廣域網實現端到端時延抖動小于 30 μs 的能力，在業界處于領先水平。
多云協同需求，助推企業數字化轉型發展
企業、政府、高校等的業務上云已經成為數字化社會轉型與發展的必然選擇。然而，目前我國企業上云比例只有 40%，遠低于歐美發達國家。自建自用、不共享的私有云、邊緣云體系嚴重阻礙我國數字化發展的進程。因此，跨運營商的多網、多云、多邊間的信息與通信技術（ICT）能力協同將成為提升上云率的關鍵，亟待將邊緣云、公有云、私有云等網絡資源、云資源都開放出來，提升用戶體驗。面對多云協同需求，需要進一步借助于區塊鏈/智能合約在技術層面所提供的可信任性，形成多中心化甚至去中心化的云網基礎設施，構建多云操作系統，從而實現真正的分布式網絡。
智驅安全需求，實現網絡與安全的一體化設計
傳統碎片化、獨立部署設計的網絡安全功能已難以滿足工業互聯網等場景所需的高效、安全、智能的網絡安全保障能力，中心控制式網絡安全能力也難以有效地支撐海量接入、高彈性高分布式的網絡業務。因此，需要構建與人工智能、分布式防御等深度融合的智驅安全網絡體系，以支持“全分布式安全網絡”功能在公有云、私有云、混合云及工業互聯網等場景的大規模快速部署，實現全集群 TB 級別分布式拒絕服務攻擊（DDoS）秒級快速防護；并通過定制的機器學習算法，實現對網絡攻擊的自動化多級監測、主動式流量緩和及全分布式網絡聯防，服務整個互聯網的安全、快速發展。
網絡自動駕駛需求，將成為未來網絡發展的新階段
網絡的自動化和智能化轉型已經成為網絡領域未來的重大變革趨勢。隨著網絡業務飛速發展、網絡規模不互動裝置斷擴大，用戶對網絡服務的帶寬、時延、可靠性等方面都提出了更加嚴苛的需求。依靠固定規則與策略的技術手段已無法滿足動態資源分配、故障定位、流量預測等業務的運維管理需求。因此，需要通過人工智能、深度學習、大數據等手段，推動網絡智能化發展，逐步減少和消除人工操作，逐步向自服務、自維護、自優化的無人值守網絡演進；通過數據建模、語義驅動、網絡數字孿生等技術手段，實現網絡業務全生命周期的閉環自動化控制與 99% 以上的極致資源與能源利用率。
如何建立具有國際影響的網絡技術體系
探索新型網絡體系架構與技術體系
自互聯網產生以來，網絡體互動裝置系架構就被譽為網絡研究“皇冠上的明珠”，美國也依托 TCP/IP 架構成為全球網絡技術與標AR擴增實境準的領導者。因此，網絡架構已成為互聯網“下半場”決勝的關鍵，尤其是網絡體系架構（如協議體系、根域名、流量交換模式等）涉及各國在全球互聯網的地位與核心利益，已成為世界各國布局的重點。美國國家科學基金會（NSF）于 2010 年啟動未來互聯網體系架構（FIA）計劃，對 NDN、XIA、MobilityFirst、Nebula 等項目提供支持；歐盟模型和日本也同步啟動了FIRE、4WARD、SAIL、AKARI 等一系列未來網絡體系結構相關項目。2018 人形立牌年，國際電信聯盟（ITU）成立了網絡 2030 焦點組，專門攻關研究 2030 年及以后的未來網絡架構、需求、使用場景和網絡功能。
在此大背景下，北京郵電大學、網絡通信與安全紫金山實驗室、江蘇省未來網絡創新研究院等單位前瞻性研判相關挑戰和技術趨勢，從工業互聯網、車聯網、全息全感網絡等未來網絡典型場景的需求出發，自主并原創性地提出了“服務定制網絡”（SCN）體系架構。在兼容 OSI（開放式系統互聯）7 層模型的基礎上，SCN 通過“革新式”的技術途徑定義了新型網絡承載（轉發）、網絡操作系統（控制）、云網超融合（業務）三大功能平面。新型網絡承載平面。對應 OSI 架構 1—3 層，解決傳統設備“封閉僵化不確定”問題。通過 1—3 層協議的跨層間協同與開放，實現網絡的“開放彈性可預期”，提供確定性能力。網絡操作系統平面。對應 OSI 架構 1—3 層，解決傳統網管“不可管不可控”問題。通過控制與轉發分離，分布式與集中式融合，實現“全網可管控”，提供差異化能力。③云網超融合平面。對應沈浸式體驗 OSI 架構 3—7 層，解決傳統應用服務“被動感知質量”問題；通過以“以應用服務為中心”漸進式重構 3—7 層協議棧，實現應用服務“主動表達需求”，提供按需使用能力。
國際VR虛擬實境上，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）正積極建設面向工業的新型網絡。2020 年 12 月起，DARPA 發布 PRONTO項目，由美國國家工程院院士 Nick McKeown 等牽頭構建一張服務于“工業 4.0”等場景的新型架構網絡。目前，該項目已由 AT&T、英特爾（Intel）、Google、開放網絡基金會、斯坦福大學、普林斯頓大學等企業、高校、機構聯合，并基于軟件定義、可編程白盒交換機等技術構建了覆蓋美國 11 個節點的試驗網絡。
分析發現，DARPA 正在開展的新型網絡技術研究與我國 CENI 相關發展思路基本一致。通過提前布局與近 10 記者會余年鍥而不舍的努力，我國已實現新型網攤位設計絡體系架構、網絡操作系統等核心技術由跟跑到并跑，并在大網操作系統和確定性網絡技術方面處于領先水平。因此，對于面向全球新一輪網絡技術與產業變革機遇，我國需要依托前期優勢基礎，進一步加強對未來網絡核心技術研究的支持，重點對網絡體系架構、端到端低時延確定性、網絡操作系統、展覽策劃網絡交換芯片、異構云網融合、可編程網絡等關鍵技術進行突破，從根本上改變核心關鍵技術受制于人的局面，增強我國核心關鍵技術的國際認可度和影響力，并促進關鍵技術與產業的融合。
重視軟件化、開源發展趨勢，建立開放的網絡發展生態
在網絡通信領域，開源已成為技術發展的必然選擇和重要基礎，是推進各個領域不斷融合發展的重要力量，以及實現技術革新與產業演進的最佳途徑。開源發展至今，已不僅僅是一種發展模式，它已經演化成了一種商業模式，實際上是一種“各盡所能，各取所需”的良性技術生態體系；越是在新興領域，開源比例越大。因此，發展自主可控的網絡技術體系需要借助開源模式實現市場布局，通過引人形立牌導開源事實標準，改變國際生態格局，吸納多個國家、企業、個人廣泛參與，提升國際影響力。
探索建立自主可控的開源模式。我國自發開源企業需要建立穩定的開源商業模式：針對國際基金會頂級開源項目，建立社區反饋和聯動機制；建立自主開源生態，重點在網絡、通信、操作系統等基礎軟件領域探索開源。
建立可持續發展的開源運營機制。國內開源聯盟組織持續推進與企業的開源運營合作，借助聯盟標準化與行業推廣優勢，推動我國自發開源項目應用；開源基金會形成穩定的決策機制，項目孵化流程，為國內開源項目運營提供有力的知識產權托管，以及法律、協作支撐。
面向全球加大力度促進開源國際化合作。吸引國外知名開源項目在華成立中文社區或成立合資企業；吸引全球開源網絡基金會在華設立分支機構；國內企事業單位和高校承接、主辦更多的國際開源技術交流活動，鼓勵聘請全球開源大師、精英來華工作，獎勵開發者參與開源社區貢獻開源項目；支持和扶持中國開源項目走向海外，面向全球貢獻智慧。
集中力量辦大事，開展多方合作
面對新型網絡技術攻關與變革的重大歷史機遇，江蘇省及南京市政府自 2011 年開始，將北京郵電大學、中國科學院計算技術研究所、清華大學 3 支團隊引入策展南京并成立未來網絡創新研究院，組織開展未來網絡架構與關鍵技術研究；進而，成立網絡通信與安全紫金山實驗室，集聚核心科研人員 1 000 余人。通過多方協作、“集中力量辦大事”的創新機制，網絡通信與安全紫金山實驗室成功在未來網絡核心技術方面取得了多項重大突破。
盡管我國在若干網絡技術上暫時處于領先地位，但美國整體技術基礎實力雄厚，技術方向的前瞻性和共識力比較強。因此，需要進一步凝聚國內優勢力量，將未來網絡技術體系列為國家實驗室的重要使命內容，堅持習近平總書記“四個面向”的戰略部署，加快網絡與通信領域的科技創新，聚焦工業互聯網、算力互聯網、空天互聯網、車聯網、國防信創網絡等重大需求場景，以確保我國能繼續保持領先，掌握網絡發展的話語權和技術標準的引領。
本文詳細分析了未來網絡技術的發展趨勢，網絡正從消費型向生產型互聯網轉變，將出舞臺背板現重大變革機遇。面向互聯網“下半場”發展的挑戰與機遇，只有通過布局并掌握原創性的核心技術才能實現網絡技術的領跑與產業生態的自主可控。新型網絡體系架構是我國發展自主可控網絡技術體系一個難得的歷史機遇，也是中華民族為人類社會進步作貢獻的重要歷史機遇。通過相關科學家和科研力量近10年的探索，未來網絡試驗設施為原創性技術的突破打下了堅實的基礎；為了充分發揮網絡大科學裝置的價值，應集中產學研各方力量，充經典大圖分開展多方合作，構建未來網絡戰略新型產業。
（作者：劉韻潔、黃韜、汪碩，北京郵電大學 信息與通信工程學院、網絡通信與安全紫金山實驗室；《中國科學院院刊》供稿）
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