未來廣域網(wǎng)新技術發(fā)展研究*

康 敏

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

廣域網(wǎng)作為實現(xiàn)全球信息化、數(shù)字化的最重要信息基礎設施，各國通過幾十年的共同努力，早已構建成了一張遍布全球、服務優(yōu)良、性能卓越的廣域網(wǎng)絡，能夠將世界上任何角落的信息瞬間傳遍全球。近10 年來，廣域網(wǎng)相關的技術發(fā)展快速，如光傳輸全面進入光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）時代，單波速率超過400 Gb/s，交換容量達數(shù)百Tb/s、接口速率達100 Gb/s 的高性能路由交換設備已全面商用。隨著傳輸技術、路由交換技術、接口技術、協(xié)議技術等的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡的各項技術和指標逐漸接近物理極限，廣域網(wǎng)技術也隨著人們對信息需求多樣化、信息應用場景復雜化等需要而進入了一個新的發(fā)展階段。

1 廣域網(wǎng)應用新需求

目前信息系統(tǒng)向著全面云化、數(shù)據(jù)中心化發(fā)展，廣域網(wǎng)要全面支持移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 應用、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（Virtual Reality/ Augemented Reality，VR/AR）、全面視頻自媒體等應用場景或應用需求。個性化需求也層出不窮?？偨Y起來，廣域網(wǎng)面臨的應用新需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 云網(wǎng)融合

隨著各類共有云、私有云、大型數(shù)據(jù)中心等需求的爆發(fā)式增長，以及軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）等技術的不斷發(fā)展，云和網(wǎng)絡之間的關系更加緊密，云網(wǎng)融合、云網(wǎng)協(xié)同已經(jīng)成為重要的應用需求[1]。一方面網(wǎng)絡需要成為云業(yè)務發(fā)展的基礎，另一方面云業(yè)務也將帶動網(wǎng)絡的云化發(fā)展和演進。在此背景下，廣域網(wǎng)架構和技術也需要重構與優(yōu)化，以支撐各類新型應用。

1.2 可編排與可調(diào)節(jié)性

長久以來，廣域網(wǎng)基本是由各運營商采用傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)、路由交換設備等構建的，能夠實現(xiàn)相對穩(wěn)定的互聯(lián)互通，運維相對復雜的系統(tǒng)。但社會全面數(shù)字化轉型發(fā)展，業(yè)務種類和使用場景的加速擴展，對廣域網(wǎng)絡能夠更加智能地適應各類應用和業(yè)務的實際需求提出了新的挑戰(zhàn)；對提高廣域網(wǎng)網(wǎng)絡動態(tài)性、提升廣域網(wǎng)自適應性、簡化運維操作等方面有新的要求；對更加自動化的網(wǎng)絡結構，可靈活重組的分布式數(shù)據(jù)中心結構，可擴展和可編排路由等技術能力帶來新的發(fā)展機遇。

1.3 確定性

當前，廣域網(wǎng)的服務方向由滿足辦公生活等消費類需求日益轉向滿足生產(chǎn)型網(wǎng)絡需求，如遠程手術醫(yī)療、智能協(xié)同制造、自動駕駛、無人系統(tǒng)、AR/VR 應用等新型應用。對廣域網(wǎng)絡的傳輸時延、時延抖動、帶寬等的需求變得更加綜合化、多樣化，需要有新型的廣域網(wǎng)絡技術來提供保障。

1.4 安全性

網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用的過程中，網(wǎng)絡安全性問題長久存在。傳統(tǒng)的廣域網(wǎng)絡安全防護主要圍繞接入認證、邊界安全控制、網(wǎng)絡或信道傳輸加密等開展。然而，如今的廣域網(wǎng)廣泛服務于超高速信道傳輸、超大容量路由交換等新技術、新應用，不斷滿足更加確定的傳輸性能要求，致力于保障業(yè)務服務多樣化。安全防護問題也必然需要同步提升和發(fā)展，以滿足各類新功能、新業(yè)務的不斷豐富和提升。

2 廣域網(wǎng)新技術發(fā)展

2.1 智能網(wǎng)絡服務操作系統(tǒng)

就如同計算機或手機等設備的操作平臺，設備操作系統(tǒng)將應用與多供應商硬件解耦，智能網(wǎng)絡服務操作系統(tǒng)也應該能夠將網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡域的底層資源與網(wǎng)絡服務應用分離開來，并提供一個集中式的網(wǎng)絡抽象服務平臺。圖1 展示了一個邏輯集中、高度抽象的智能網(wǎng)絡服務操作系統(tǒng)架構，可以把不同網(wǎng)絡域的管理平臺和控制平面統(tǒng)一，并提供在不同技術之間快速配置端到端網(wǎng)絡服務所需的信息。

圖1 邏輯集中式智能網(wǎng)絡服務操作系統(tǒng)架構

通過該架構設計，希望能夠解決或支持以下功能：

（1）通過簡單、可擴展的網(wǎng)絡接口實現(xiàn)實時的網(wǎng)絡控制。

（2）提供底層網(wǎng)絡結構中與應用服務相關的物理層功能，以適應創(chuàng)新功能和業(yè)務。

從1997年成立至今，20余年的發(fā)展歷程之中，勁豹從未停止過自主創(chuàng)新的腳步。公司成立之初，方新通就帶領勁豹成功研發(fā)生產(chǎn)出了全自動絲網(wǎng)印刷機，改寫了絲印行業(yè)主要被手動和半自動設備"統(tǒng)治"的歷史。此后，勁豹在全自動絲網(wǎng)印刷機領域連續(xù)攻關，不斷突破，推出了一代又一代新產(chǎn)品?！拔覀儎倓傃邪l(fā)了一款全球首創(chuàng)的產(chǎn)品，可能會給整個絲網(wǎng)印刷行業(yè)帶來一次變革，目前暫時保密，或將在明年的PRINT CHINA上亮相?！狈叫峦杂猩衩氐卣勂鸬倪@款產(chǎn)品激起了我們的好奇心，勁豹會再一次引領行業(yè)變革嗎？我們拭目以待。

（3）不同的網(wǎng)絡域（如廣域、城域、數(shù)據(jù)中心等）和技術能夠統(tǒng)一操作。

2.2 可重構網(wǎng)絡架構

可重構網(wǎng)絡架構是指，在智能網(wǎng)絡服務操作系統(tǒng)的控制下，針對網(wǎng)絡自動化適應和服務提供為目標，對網(wǎng)絡進行優(yōu)化，具有高度靈活性的架構調(diào)整和動態(tài)重構，以滿足各類創(chuàng)新服務和應用的需求。可重構網(wǎng)絡架構其實是可以與智能網(wǎng)絡服務操作系統(tǒng)相結合研究的，兩者協(xié)同構建出一個完全自上而下的可編程網(wǎng)絡。

要構建出此類可重構網(wǎng)絡架構，主要采用SDN、NFV 等技術[2]對網(wǎng)絡硬件與功能進行虛擬化，通過各類網(wǎng)絡設備的虛擬化形成全新的虛擬網(wǎng)絡設備。一種典型的可重構虛擬化網(wǎng)絡結構如圖2 所示。其中，需要發(fā)展和應用的新技術有：虛擬化軟件交換機成為虛擬網(wǎng)絡的第一跳；將虛擬網(wǎng)絡設備作為可重構網(wǎng)絡的基礎；超大容量路由交換設備對網(wǎng)絡整體性能進行增強；可擴展和靈活自適應的光傳輸系統(tǒng)或光網(wǎng)絡等。

圖2 可重構虛擬化網(wǎng)絡結構

2.3 新型的內(nèi)容路由

近幾年以來，為提高信息和內(nèi)容的傳輸與獲取效率，人們研究了以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡（Content-Centric-Networking，CCN）、以信息為中心的網(wǎng)絡（Information-Centric-Networking，ICN）等技術來優(yōu)化IP 網(wǎng)絡的路由和轉發(fā)等。它們的基本理念是使用基于內(nèi)容名稱的新型CCN/ICN 層來取代IP 層的路由轉發(fā)機制。這需要對網(wǎng)絡中各類路由交換設備進行大的改造，難度很大且應用較少。

針對未來廣域網(wǎng)創(chuàng)新業(yè)務的需求，可以綜合當前CCN/ICN 的思想，設計一種新型的內(nèi)容路由，把當前廣域網(wǎng)的IP 數(shù)據(jù)平面、邊緣SDN 控制與基于云的內(nèi)容興趣代理結合起來，并將用戶感興趣的內(nèi)容轉換為內(nèi)容——服務地址，以便于實現(xiàn)基于內(nèi)容的路由與轉發(fā)等的網(wǎng)絡。圖3 給出了一個典型的基于內(nèi)容興趣代理的路由轉發(fā)實現(xiàn)過程。

圖3 基于內(nèi)容興趣代理的路由轉發(fā)實現(xiàn)過程

2.4 其他相關網(wǎng)絡技術

上述研究給出的技術主要集中在未來廣域網(wǎng)架構或體制方面。為了更好地支撐體系的發(fā)展，廣域網(wǎng)絡還需要發(fā)展應用一些具體的實現(xiàn)技術，以支撐和提供新網(wǎng)絡架構下的各類功能。目前來看主要集中在以下幾方面。

為支持特定使用場景或商業(yè)模式的通信服務要求，需要網(wǎng)絡能夠提供不同特性和能力特征的邏輯網(wǎng)絡功能，采用網(wǎng)絡切片技術便可在通用物理基礎設施上運行多個獨立業(yè)務操作的虛擬網(wǎng)絡。每個網(wǎng)絡切片邏輯上都是一個獨立的端到端網(wǎng)絡，由一組網(wǎng)絡功能（Network Function，NF）及相應資源組成，并針對特定的業(yè)務場景進行優(yōu)化?？赏ㄟ^時延、帶寬、安全性、可靠性等來劃分不同虛擬網(wǎng)絡，從而為不同應用提供端到端的按需定制服務[3]。通過網(wǎng)絡切片技術，未來廣域網(wǎng)將能夠使5G、物聯(lián)網(wǎng)、智能協(xié)同制造、自動駕駛、無人系統(tǒng)等對網(wǎng)絡性能要求各式各樣的應用服務實現(xiàn)統(tǒng)一。

2.4.2 分段路由技術

傳統(tǒng)廣域網(wǎng)中使用多協(xié)議標簽交換（Mulit-Protocol Label Switching，MPLS）技術，包括采用標簽分發(fā)協(xié)議（Label Distribution Protocol，LDP）、基于流量工程擴展的資源預留協(xié)議（Resource reservation Protocol-Traffic Engineering，RSVP-TE）等，提供虛擬專網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）等服務。但由于存在配置使用比較復雜、可擴展性不強、互操作性不好等問題，在實際廣域網(wǎng)中使用發(fā)揮的作用和效果有限。

分段路由（Segmented Routing，SR）技術是一種源路由技術，其核心設計思想是通過在數(shù)據(jù)包報頭中插入分段（Segment）列表，每個Segment 是一個帶有提供各類服務保障信息的指令，用于指示接收到數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡節(jié)點如何處理和轉發(fā)這些數(shù)據(jù)包，從而為各類業(yè)務提供有區(qū)別的服務保障能力[4]。由于是源節(jié)點維護每個流的業(yè)務狀態(tài)信息和需求，并在數(shù)據(jù)包報頭添加適當?shù)腟egment 列表，因此轉發(fā)路徑上的網(wǎng)絡節(jié)點只需要根據(jù)Segment 列表進行相應處理，不需要維護狀態(tài)信息，從而簡化了MPLS 體制下的復雜網(wǎng)絡協(xié)議處理、隧道維護等功能，提供了更靈活、更簡潔、更高效的網(wǎng)絡傳送服務保障。目前該技術已經(jīng)廣泛支持主流網(wǎng)絡設備，可以逐漸投入規(guī)模應用。

2.4.3 時敏與確定性網(wǎng)絡技術

時敏網(wǎng)絡（Time-Sensitive Networking，TSN）技術作為新一代以太網(wǎng)技術，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術的基礎上提供端到端極低時延和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸。因其符合標準的以太網(wǎng)架構，具有精準的流量調(diào)度能力，可以保證多種業(yè)務流量的共網(wǎng)高質(zhì)量傳輸，而且兼具技術及成本優(yōu)勢，適用于時延敏感型應用，如自動駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等場景[5]。雖然TSN 技術發(fā)源與廣泛應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡和局域網(wǎng)內(nèi)部，但其具備的確定性、保證性、可預測性傳輸?shù)忍攸c，對需要承載豐富創(chuàng)新性業(yè)務的未來廣域網(wǎng)來說也非常關鍵，如需要通過廣域網(wǎng)控制的自動駕駛、無人系統(tǒng)等，這些新型網(wǎng)絡特征的需求也十分迫切，因此將TSN 技術應用到廣域網(wǎng)成為很有研究和應用價值的新方向，以滿足未來各式各樣的網(wǎng)絡傳輸需求。

2.4.4 網(wǎng)絡內(nèi)生安全技術

未來廣域網(wǎng)的應用在滿足多樣化服務能力提供的同時，需要考慮如何更加安全、更加高效地提供網(wǎng)絡服務，同時安全防護手段的增加又不能明顯影響新型業(yè)務的特性，因為，傳統(tǒng)的疊加安全防護手段和設備的方式必然對網(wǎng)絡性能、傳輸時延等帶來限制和影響。因此，應該在發(fā)展未來廣域網(wǎng)絡技術的同時，同步實現(xiàn)網(wǎng)絡技術與安全防護技術的融合應用。通過網(wǎng)絡協(xié)議安全增強、網(wǎng)絡節(jié)點可信互聯(lián)、網(wǎng)絡設備可信啟動與可信運行等內(nèi)生安全手段徹底解決網(wǎng)絡安全隱患，同時通過將數(shù)據(jù)轉發(fā)的網(wǎng)絡處理流程與安全處理結合，可以有效保證和減少提高安全防護能力對網(wǎng)絡速率、時延等的限制和影響，以確保廣域網(wǎng)絡基礎設施的安全、高效、可靠運行。

3 結語

未來廣域網(wǎng)的發(fā)展必然是擁有不同服務能力，業(yè)務特性的網(wǎng)絡，同時也是可定制、可重構的“及時適應和具備彈性”的網(wǎng)絡，并且能夠形成大規(guī)模和多網(wǎng)絡自動化服務。本文研究提出的思路可以較好地滿足以上目標，不過要實現(xiàn)上述技術思路的落地和實際規(guī)模應用，還需要產(chǎn)業(yè)鏈的業(yè)界各廠商加強標準制定、體系架構設計、應用實踐等，來加快推動未來廣域網(wǎng)的不斷演進和革新。