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对未来网络若干问题的思考

作者:蒋林涛  来源:电信网技术  时间:2011-09-16

1  未来网络的目标与需求

    近几年来,未来网络成了热门话题。其原因有两种:一种是目前的网络不能满足信息通信产业发展的需要,影响了信息产业的发展,需要发展新网络技术;另一种是网络技术要发展,这一代网络在使用,就需要为以后看一看,是否还有更好的网络技术,也就是要有储备技术。很显然,这两种原因对未来网络要求的紧迫程度是大不一样的,对于前者而言要求是非常紧迫,因为已经影响到产业的发展,对于后者则不一样,因为是用于储备,可以等20~30年都行。当然,从目前的网络现状来说,前者是主要原因,目前网络技术的确存在不小的问题,尽管目前仍在使用,但已经是勉为其难了,在很多场合已经是难以为继了。

    未来网络是目前网络界的热门话题,但是对未来网络的目标,对于未来网络的明确需求,则很少谈到或者是更本不谈。未来网络的目标和需求没有统一的认识,目标、需求不明确,如何去寻找合适的技术方案,除了空谈,不可能有所作为。要有明确的目标和需求,需要对通信网进行分代研究,因为未来网络太泛、太过于抽象,无法对它确定明确的目标。通信网分代后,对于具体的一代网络就可以来确定明确的目标和需求。在这方面移动通信领域做得很好,堪称楷模。移动通信领域从来不说未来移动通信网、下一代移动网络等十分抽象而不着边际的话,而是非常务实的先确定目标,然后再按预订的目标去做。第一代移动通信有具体的需求和目标,第二代移动通信、第三代移动通信、第四代移动通信同样有具体的需求和目标。每一代移动通信网先确定具体目标,然后按目标去确定技术方案,完成后再设计后一代的目标,一代一代逐步前进、切实可行,成效卓著。

    相比之下,未来网络的研究就显得非常含糊。未来网络目标是什么?未来网络是最近的将来要用的网络,还是遥远的将来要用的网络?未来网络,下一代网络,新一代网络是不是一回事,目前网络有没有问题?是否有急需解决的问题?在这些问题没有明确之前,要进行未来网络的研究,是很难的、甚至是不可能的。归根到底,要研究未来网络,需求、目标必须十分清晰。

    像移动通信网的分代研究一样,通信网络也可以用分代的方法来研究。

●通信网络的第一代是模拟通信网,在通信的历史长河中曾经用了很多年,有一部分技术目前还在使用(如从电话机到本地电话局之间,目前仍然采用模拟通信技术)。

●第二代通信网是时分复用的数据网,目前全部技术及应用已经完成,它的主体是基于时隙交换的电路交换网和建立在SDH技术上的数据传送网。第二代通信网非常完美地运行了数十年,为电话通信带来了巨大的进步和效益,第二代通信网的技术、特别是在传送网中的应用,在今后相当长的一段时间内还将有很大的用途。当然,第二代通信网没有实现端到端,从用户到局端用的是模拟技术,ISDN技术曾经期望弥补端到端时分复用的数据网的缺失,但没有成功,有技术上的原因也有商业上的原因。总体上来说,第二代通信网目标明确,效果卓越。

●第三代通信网是建立在统计复用基础上的分组数据网,发展第三代通信网的起源是为了节省当时十分昂贵的传输资源。因为时分复用的数据网中,相互通信的每一对用户资源是独占的,在通信全过程中,即使用户并不传送信息,资源也空闲着。以电话通信为例,通话的双方只有一方在讲话,讲话的一方是在使用资源的,听的一方是不需要资源的,但网络是为双方都保留了资源;进一步说讲话方在讲话的时候也有间隙,在话音的间隙中也无信息传送,其时也无须资源,但资源仍然被占据着。实际上,时分复用的数据网资源的消耗是实际需要的2~5倍。针对这种资源的消耗情况,又因为当年传输资源十分昂贵,由此提出了建立在统计复用基础上分组数据网,这就是第三代通信网。在分组数据网中,发送方要将需要传送的信息封装成一个一个包(分组),在每一个分组包标上目的地址和源地址,在接收端,按接收者的地址来分配。发送信息者占有传输资源,不发送信息者不占有传输资源。以分组的方式实现资源的统计复用,从而大大的节省了传输资源,由此带来了巨大的经济利益。

    分组数据技术在一开始就是与第二代技术(时分复用数据技术)是平行发展的,分组数据网用于传送拥有突发特性的的数据信息,时分复用数据网则主要用于电话。到目前为止,分组数据网已经有很多种了。电信数据网有分组数据网(X.25)、帧中继(F.R)和异步转移模式(ATM);计算机数据网有以太网和IP网等。这些网各有各的特点,能够完成各自的设计目标。

    20世纪90年代后IP网异军突起,IP网是数据网的重大突破,它首次将不面向连接的分组数据网用于广域网,从而引发了通  信网的巨大变革。但是IP网是存在严重问题的,IP网存在两个体系性瓶颈:地址空间短缺,现有IPv4地址体系已无法满足发展的需要。网络的安全、可信、可管可控和服务质量等矛盾无法在现有IP网的体系架构得到根本解决。这些问题不解决,网络不可持续发展。从通信网分代的观点来看,这是通信网的第三代,它的主要特征是采用数据分组网技术,尽管种类很多,但存在问题尚多,是分组数据网的初级阶段,是分组数据网的“战国时代”。

    对未来网络而言,看得过于遥远过于抽象是于事无补的。网络目前实实在在存在严重问题,务实的解决这些问题应该是未来网络的主要任务。能在可见的未来(当然时间越短越好)用得上,解决实际问题,应该是期望中的未来网络。因此,将未来网络明确的定义为第四代网络,为第四代网络确定明确的目标和需求,将是目前的首要任务。

    未来网络(重点讨论第四代通信网络)到底要具备什么样的能力,它的目标是什么?它能满足什么样的技术需求才行?

    能够看得到、并可以用得上的未来网络(第四代通信网络)至少要能满足如下的技术需求:

(1)能够满足变速率通信和支持点到点、点到多点的多进程通信

    近年来,并将持续相当长的时间内,用户要求的通信数据速率的范围是相当宽的,从数十比特的短信通信到数十兆比特的特高清视频通信,速率的跨度达4~6个数量级。第四代通信网络必须要具有在如此大的数据速率范围内,进行全网的资源调度的能力,并还要能确保提供资源的精度。时分复用的数据网显然没有这样的能力,当年的ISDN要在全网范围内动态的去捆绑若干个B通道都做不到。其次就是多进程通信,原来的电话是单进程通信,一次通信过程中只有一个进程在进行通信,目前的现实情况是,用户在大部分场合是多进程通信,而且不仅是点到点的多进程通信,还有点到多点、多点到多点的多进程通信。例如,一个用户同时浏览多个网页,家庭网络中,家庭中众多成员通过一条线路,同时进行多项不同的通信工作等。这些要求是第四代通信网络必须支持的。

(2)可信、安全的网络

    目前,“可信”提得很广泛,但是很不确切。要做实事,则要求一定要具体化,否则就只能是空谈。对第四代网络来说,可信主要从用户出发角度出发来谈的,网络可信指得是用户对网络可信,比如说:目前得电话网,用户是对它相信的,电话银行、电话股票等业务用户能够在不加密的情况下进行,就充分表明用户对电话网是信任的,国家的电子政务内网能在ATM网上和SDH传送网上运行,用户对ATM和SDH网也是信任的;从另一个层面来说,国家对电话网,ATM,SDH网也很放心;因此,到目前为止大家都认为电信网是可信的,因此我们对网络可信的要求,只要它能和传统的电信网一样,网络就是可信的了。具体一点来说,网络能够达到:确保用户信息安全——用户信息不被非法窃听和篡改,确保用户信息的私密性和安全性,提供进行执法监听的能力,拥有溯源的能力,提供紧急通信的能力,网络就是可信的了。

    对于网络的安全性,也要具体化。一谈到安全性,就会浮想联翩,从网络的可用性一直到病毒,似乎都是网络安全性要管的。这样一来,网络安全性就变得非常复杂而难于考虑了。与可信问题相同,要做实事则要求一定要具体化,否则也只能是空谈。对第四代网络的安全主要是网络的可用性,其中包括网络的高可用性、节点设备的可靠性和节点设备的抗攻击。具体一点来说,网络能够达到:节点设备高可靠(硬件可靠和软件稳定),网络的健壮性,设备及链路故障的快速恢复,控制平面、管理平面与用户平面相隔离,明确可靠的机制以区分管理平面、控制平面以及用户平面中的报文,能够确保内部的控制和管理平面的流量不受外部攻击的影响,并保证在极端条件下的控制和管理层面的安全和稳定。达到上述要求,网络就是安全的了。

(3)可管、可控的网络

    可管、可控是网络的基本要求。可管就是对需要的网络情况有知情的能力,其中包括:网络的拓扑结构和网络的设备配置和运行状态,网络的性能,网络的安全状态等的管理。具体一点来说,网络能够达到:网络具有完备的管理功能,包括安全管理、性能管理、配置管理、设备管理、配置管理等;可控就是要有对网络的控制能力,其中包括对不同业务类别资源的分类管控能力,对业务开放和部分业务关闭的能力,对业务保障必要的资源,对紧急通信的支持等。

(4)开放性和可持续发展

    开放性,包括对互联网存在的全部业务的开放性、对电信网存在的全部业务的开放性、对新业务的开放性,对用户业务的开放性等。可扩展性,包括地址(资源)的可扩展性、网络拓扑结构的可扩展性、网络管理的可扩展性、资源管理的可扩展性等。

2  未来网络的技术基础

(1)概述

    近年来,通信技术发展是相当的快,特别是传输技术和交换技术,目前在一条光纤上传输Tbit/s级的流量已不困难,这样的设备已经可以大规模产业化了;Tbit/s的交换能力也已经是可实现的,目前已经可以做到单设备的Tbit/s的交换或路由能力,设备也已经可以大规模产业化了。与此同时,基于统计复用理论的数据分组技术带来的问题(安全问题、服务质量问题等),在严重的困扰着产业界。通信产业界在寻找出路之际,又想到了基于时隙交换的网络技术,由于这个声音在增强,未来网络的主流技术到底是以数据分组技术为基础的网络,还是基于时隙交换的网络技术。

    未来网络需要支持窄带业务、宽带业务、固定业务、移动业务以及所有这些业务形态组合而成的业务。

    在使用窄带业务时,用户需要网络提供与窄带业务相适配的网络能力,窄带业务可能是实时的语音业务,也可能是非实时的数据业务,即使在窄带业务的环境下,由于组合业务的存在,对网络带宽的要求也是变长度的,并且还需要同时适用实时业务和非实时业务。

    在使用宽带业务时,用户需要网络提供与宽带业务相适配的网络能力和带宽,带宽可以从数百kbit/s到数十Mbit/s。当用户在上述复合的环境上工作时,用户要求网络能在全网范围内提供快速、灵活、按需保质的网络传输资源。这样的要求在固定通信的环境下,采用基于时隙交换的网络技术做到已经是非常困难,当用户处于移动环境下,采用基于时隙交换的网络技术来进行网络资源的动态调度就更为困难了,这是问题的一方面。当然,对于这样的应用场景,目前还有技术手段,即按照所有业务对网络资源要求的上限来提供资源,比如说每人40Mbit/s这样做是可以满足上述所有要求的,当然无论运营者或消费者都是不合理的,是对社会资源的巨大浪费,从节能减排和资源的合理使用来说是不可取的。另一方面,目前用户之间通信的应用场景已经不是简单的点对点通信,简单的只在一个时间片内只是做一件事。一个经常可以看到的场景是:一个人一边在打电话,一边在上网;或者在一个家庭内,有的人在上网,有的人的打电话,有的人在看网络电视,有的人在用P2P下载大型的视频文件等。也就是说,目前的通信已经是点对点、点对多点、多点对多点,多种通信连接的复杂应用;对于这样的应用场景,采用基于时隙交换的网络技术来进行网络资源的动态调度和连接几乎是不可能的。从目前可用的技术来看,只有以数据分组网才有这样的能力。

(2)技术路线

    目前的互联网和电信网都建立在IP网的基础上,IP网已经成为事实上的国家信息基础设施的核心,也是三网融合的基础网络。但是,IP网存在两个体系性瓶颈,而网络的安全、可信、可管可控和服务质量等问题无法在现有IP网的体系架构得到根本解决。

    IPv6地址空间大可以解决地址空间短缺。但是,IPv6是IPv4的延续、升级和改进,在网络的安全、可信、可管、可控和服务质量等体系性瓶颈问题上与IPv4相同没有本质上的改进,网络性能没有实质性的提高,不能提供超越IPv4的业务能力。

    IPv6是一项成熟的技术,标准已经基本制订完成,标准是技术话语权的主要标志,美国仍然是绝对主导。IPv6所有的原创技术几乎都来自美国,IPv6地址分配的主导权仍在美国,域名体系的主控权也在美国,美国在IPv6上仍将保持强势。

    IPv6网的网络设备和业务应用等方面的实现技术和IPv4十分类似,国内外IPv4的网络设备制造商和业务应用开发商已经具备向IPv6升级和实现产业化的能力,IPv6的产业格局和地位是IPv4产业格局的延续,我国的产业已经处于国际第一集团的前列地位,技术上则仍然是跟随者,核心技术的空心化问题依然存在。

    IP网在安全、可信、可管、可控和服务质量等方面存在的体系性瓶颈问题已经成为发展巨大障碍,严重的制约了通信信息业的发展,全世界在为之努力。美国提出GENI和FIND计划,欧洲提出FIRE计划,日本、韩国等IT技术发达国家都有相应的计划,所有的工作在进行之中,但迄今为止还没有提出可行的技术方案和有效解决办法。网络技术的这种现状,为我国信息产业的发展和获得产业的核心竞争力留下了巨大的技术机遇。

    在下一代网的研究中,存在两条技术路线。其一是改良式的技术路线。该技术路线不改变已有IP网的体系结构,在已有IP网的体系结构的基础上,增加地址空间的容量(如IPv6用128比特地址结构)、源地址检查、无状态地址映射、地址与标识分离等技术,这条改良技术路线在国际、国内已进行了10余年的实践,已有的实践结果表明,改良的技术路线无法根本上解决网络的安全、可信方面和服务质量等瓶颈性的问题。其二是革命性的技术路线,该技术路线认为IP网是一种分组数据网,设计一个新型分组数据网,彻底解决已有IP网的问题。革命性的技术路线从理念来说是革命性的,因为有充分的理由表明,现有的IP网存在基因缺陷的问题,不是修修补补可以改变得了的,必须从根本上改造这些有缺陷的基因;但是革命性技术路线的产物,不会是一个建立在凭空想像的“空中楼阁”,完全抛弃已有的技术基础搞一个莫名其妙的新东西,而是在认真研究了所有技术后,“取其精华、去其糟粕”从一个很高的起点起步,来进行研究所得的产物。从这个意义上说,革命性的技术路线的产物一定是站在巨人肩上的产物,是建立在坚实技术基础上的产物。鉴于国内在网络技术上已有很好的技术和产业基础,已经到了由“技术跟随”到“技术主导”的战略转折点。我国已经有条件来走革命性的技术路线,只有这样我国才有可能实现跨越式发展,才有可能实现超越。

(3)新型分组数据网

    在ITU-T中,我国提出分组电信数据网(Packet Telecomm Data Network,PTDN)。分组电信数据网(PTDN)支持双模工作方式,即分组电信数据网支持不面向连接的工作方式,这是主要的工作方式;理论与实践均表明不面向连接的工作方式拥有****的开放性和网络的可扩展性,IP网的成功之处就是它采用了不面向连接的工作方式;PTDN保留IP网的最重要的特点,即采用不面向连接的工作方式,确保了网络的扩展性和对IP网的有效继承性,通过引人电信网的特点,实现网络的可知、可控和可管。PTDN也支持面向连接的工作方式,以便适应特定场景的用途。分组电信数据网采用层次化网络,双地址映射的地址体系和按地域分配的有序地址结构,基于节点势能的确定性路由技术,自动多路由生成技术,拥有电信级的保护、倒换能力。

●分组电信数据网(PTDN)为了实现网络可信性和保证网络安全性,在数据平面、控制平面与管理平面采用一系列技术措施,将数据平面分割信任区与非信任区,在信任区内信息以透明方式传送,以确保网络提供“执法监听”能力。非信任区中的用户信息可以非透明的方式传送,保证用户信息的安全和完整。控制平面中SNI、UNI与NNI相分离,以确保网络节点控制平面的安全性。管理平面用户不可达,以确保网络节点的安全性。

●分组电信数据网(PTDN)为了实现网络的分层管控和网络提供支持多业务的能力;采用多数据平面技术。分组电信数据网支持多数据平面;数据平面之间信息严格隔离;数据平面之间资源完全独立,即使在最极端的场合资源也确保独立和安全。数据平面的独立OAM,以确保数据平面拥有完全独立的性能。

●分组电信数据网(PTDN)为了保证资源的合理使用,符合绿色节能的国际大趋势和证业务的确定性服务质量和支持合理的商业模型,分组电信数据网拥有完备的资源管理,公平算法、超配置丢弃等资源管理技术组合使用,实现网络资源精确可控,确保业务网所需的服务质量;网络资源可规划,网络资源可知,网络资源可度量;提供支持紧急通信的能力。

●分组电信数据网(PTDN)为了优质广播业务的需要,分组电信数据网采用可控组播及组播的资源保证技术,组播群之间信息严格隔离,组播群之间资源完全独立,组播资源精细化管理,组播资源可知、可管、可控。

3  结束语

    第三代通信网络的特点是:采用数据分组网技术,这些网各有各的特点,能够完成各自的设计目标。种类很多,但存在问题尚多,是分组数据网的初级阶段,是分组数据网的“战国时代”。20世纪90年代以来IP网异军突起,IP网是数据网的重大突破,它首次将不面向连接的分组数据网用于广域网,从而引发了通信网的巨大变革。但是IP网是存在严重问题的,第三代通信网已经进入发展的十字路口,已经不能满足通信信息产业高速发展的需要。研究第四代通信网(下一代网、新一代网、未来通信网)已经不是为20~30年后使用而研究储备技术,而是当前就需要,近年内就需要使用的技术,是十分紧迫的事情。我国的通信信息产业正经历由大变强的关键时刻,把握下一代网络的发展方向,把握我国企业在下一代网络研究和开发中的创新和技术主导地位,就可以有效地提升国内企业的国际竞争力,实现我国由通信大国向通信强国的战略转折。

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