陳天驕

一、計算機網(wǎng)絡的發(fā)展與挑戰(zhàn)

回顧全球計算機網(wǎng)絡的歷史和現(xiàn)狀，可以將計算機網(wǎng)絡的發(fā)展分為：理論發(fā)展期、單體發(fā)展期、標準發(fā)展期、互聯(lián)發(fā)展期和高速發(fā)展期。

(一)理論發(fā)展期

上世紀60年代，在學術界出現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡的理論雛形。1961年，麻省理工學院的J.C.R.Licklider和W.Clark發(fā)表了第一篇關于包交換的論文，三年后，蘭德公司的Paul Baran發(fā)表了論文《論分布式通信網(wǎng)絡》，學界開始出現(xiàn)了分布式通信行為的網(wǎng)絡概念。在計算機出現(xiàn)的十幾年后，人們就已經(jīng)開始意識到計算機網(wǎng)絡將會給高效通信帶來重大機遇。從此，計算機網(wǎng)絡的研究走入了人們的視野。

(二)單體發(fā)展期

單體計算機網(wǎng)絡是單個計算機以多個設備終端相連進行通信的網(wǎng)絡。當時，在美國出現(xiàn)了擁有兩千多個終端的飛機訂票系統(tǒng)。和其他很多技術一樣，計算機網(wǎng)絡的技術很快就被應用到了軍事方面。1969年，美國國防部創(chuàng)建了世界上首個分組交換網(wǎng)ARPANET，但這只是一個獨立的分組交換網(wǎng)，想使用ARPANET的用戶必須直接與它的交換機相連，這就很難滿足大量的通信需求，所以計算機網(wǎng)絡不得不很快進入到了互聯(lián)發(fā)展期。

(三)互聯(lián)發(fā)展期

到了上世紀70年代，多種網(wǎng)絡的互連技術開始出現(xiàn)，由此誕生了互連網(wǎng)。在1983年，ARPANET將TCP/IP協(xié)議作為標準協(xié)議，使得所有使用TCP/IP協(xié)議的計算機都可以加入互連網(wǎng)并實現(xiàn)通信，所以人們也將這一年作為因特網(wǎng)(Internet)的誕生元年。[1]1985年，美國國家科學基金會NSF開始建立國家科學基金網(wǎng)NSFNET，圍繞六個大型計算機，一個覆蓋了全美主要大學和研究所的三級計算機網(wǎng)絡誕生了。以此為先例，世界上的各個公司和用戶紛紛接入Internet，開啟了Internet的大互聯(lián)時代。

(四)標準發(fā)展期

在大互聯(lián)的時代，新的網(wǎng)絡技術井噴式出現(xiàn)。為使不同的網(wǎng)絡技術能夠兼容，1992年美國成立了Internet協(xié)會(ISOC)來制定行業(yè)標準。Internet協(xié)會將互聯(lián)網(wǎng)標準以RFC文件的形式公開發(fā)表，面向全球所有廠商征求意見與建議，整個過程透明且公正，這一形式極大地促進了Internet的發(fā)展。

(五)高速發(fā)展期

互聯(lián)思想的誕生和標準化流程的制定，都為計算機網(wǎng)絡的高速發(fā)展奠定了堅實的基礎。根據(jù)美國互聯(lián)網(wǎng)及新技術風險投資人Mary Meeker在2017年5月發(fā)布的《2017 Internet Trends》報告，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)已超過34億人，互聯(lián)網(wǎng)全球滲透率達到46%。[2]在當今的信息社會，計算機網(wǎng)絡已滲透到了人類社會的方方面面，在科技、軍事、經(jīng)濟、社交、日常生活等方面都扮演著極其重要的角色，它正在推動著人類社會的前進。計算機網(wǎng)絡作為新時代的基礎設施，為各種網(wǎng)絡應用提供了廣闊的平臺，從最開始的電子郵件、網(wǎng)站檢索到當今的虛擬現(xiàn)實、電子商務、游戲、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡技術與網(wǎng)絡技術相輔相成，共同高速地發(fā)展著。

從上世紀60年代到現(xiàn)在，Internet經(jīng)過七十多年的發(fā)展和完善，已與社會各領域作了深度融合，各領域高速發(fā)展的同時，也產(chǎn)生了許多現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡難以支持的新需求，現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡架構面臨著極大的挑戰(zhàn)。

(1)可擴展問題。隨著計算機網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，因特網(wǎng)逐漸形成多層次的ISP結構，成為世界上規(guī)模最大的網(wǎng)絡，且依然以指數(shù)級的速度增長著。Internet中的租戶和業(yè)務數(shù)目不斷增長，業(yè)務應用對網(wǎng)絡的要求也越來越高，但網(wǎng)絡中使用的架構和協(xié)議相對越來越僵化，只能不斷地增加協(xié)議的修補和提高設備的性能，來滿足新的需求，現(xiàn)有網(wǎng)絡的龐大規(guī)模制約了新協(xié)議的部署，新構架的采用也需要全球多個利益相關的運營商一起達成共識，因此當前對網(wǎng)絡架構的創(chuàng)新僅限于在傳統(tǒng)架構上的“修補”，這使得新的網(wǎng)絡應用的部署變得越來越困難，大規(guī)模的網(wǎng)絡實驗也越來越容易出錯。

(2)服務質量保證問題。服務多樣化已成為當今網(wǎng)絡應用的主潮流，社交網(wǎng)站、視頻網(wǎng)站和AR/VR應用等新媒體都要求大量的互聯(lián)網(wǎng)流量的服務。以視頻服務為例，根據(jù)思科VNI預測，到2020年，視頻將占總IP流量的82%，視頻服務如UHD、4K/8K視頻業(yè)務正在不斷演進，導致視頻服務面臨著電視使用率和廣播使用不斷減少、聯(lián)網(wǎng)設備使用率和流傳輸不斷增加的現(xiàn)狀。[3]面對新媒體的大流量、低時延的服務，網(wǎng)絡怎樣保證服務質量是一個巨大的挑戰(zhàn)。

(3)可控和安全問題。當今網(wǎng)絡采用的是TCP/IP的分布式架構，即使有一些網(wǎng)管系統(tǒng)的出現(xiàn)，還是難以做到網(wǎng)絡狀態(tài)的全局感知和網(wǎng)絡資源的全局掌控及分配。同時，服務質量的保證也要求著通過網(wǎng)絡的控制來進行流量的調度、故障的檢測、業(yè)務優(yōu)先級的劃分、資源的分配。安全問題也是當前網(wǎng)絡面臨的一個重大挑戰(zhàn)，現(xiàn)有網(wǎng)絡架構的主要目的是實現(xiàn)互聯(lián)的穩(wěn)定性和信息共享的時效性，即使出現(xiàn)了防火墻等一系列安全措施，在很大程度上仍不能阻止黑客的入侵。僅在2017年，“58同城”全國簡歷泄露，印度麥當勞約220萬名用戶的收據(jù)泄露，美國鄧白氏(Dun&Bradstreet)公司的涉及軍事人員信息的52G的數(shù)據(jù)庫遭泄露。全球范圍內網(wǎng)絡安全危機事件給各國的國家安全、經(jīng)濟等方面都帶來了巨大的損失，網(wǎng)絡安全問題亟待有效的解決。

縱觀網(wǎng)絡的發(fā)展歷程，面對這些嚴峻的挑戰(zhàn)，為了適應網(wǎng)絡中的新需求，解決網(wǎng)絡發(fā)展中的新問題，未來網(wǎng)絡的概念被提出來。各個國家也紛紛投入了未來網(wǎng)絡的研究，如美國GENI、歐盟FIRE、德國G-LAB、中國CENI、澳大利亞NICTA、日本JGN2plus和韓國K-GENI，各大互聯(lián)網(wǎng)跨國企業(yè)如谷歌、Facebook等也建立了自己的骨干網(wǎng)來支持自己的新業(yè)務。可以斷言，計算機網(wǎng)絡的發(fā)展已進入未來網(wǎng)絡發(fā)展的新階段。

二、百花齊放的未來網(wǎng)絡

未來網(wǎng)絡從來不是指一個特定的網(wǎng)絡，而是一系列分散式發(fā)展的網(wǎng)絡新型架構和技術的統(tǒng)稱。沒有一個網(wǎng)絡架構可以解決所有的業(yè)務需求，面對當今社會服務需求的多樣化，網(wǎng)絡的發(fā)展也會針對不同需求向著不同的分支發(fā)展，多種異構型的網(wǎng)絡架構和技術將繼續(xù)互連互融，不斷地為未來網(wǎng)絡的發(fā)展添磚加瓦，最終形成未來網(wǎng)絡百花齊放的局面。

在業(yè)界，對于未來網(wǎng)絡的發(fā)展一般有兩種思路：一是漸進式發(fā)展，二是革命式發(fā)展。漸進式發(fā)展的核心是修補策略，通過“打補丁”的形式來完善現(xiàn)有網(wǎng)絡架構中的問題，具體做法是基于現(xiàn)有網(wǎng)絡的基礎，升級現(xiàn)有的設備和網(wǎng)絡協(xié)議，或者采用新的計算機技術進行決策，如大數(shù)據(jù)和人工智能。漸進式的發(fā)展避免了大量更換基礎設備，同時也能很好地解決現(xiàn)有網(wǎng)絡中的一些問題，但是這些技術手段并不能提供全面的解決方案。

革命式發(fā)展的主旨是用全新的架構來解決網(wǎng)絡的問題。這種發(fā)展是拋棄現(xiàn)有的網(wǎng)絡架構和協(xié)議，重新設計網(wǎng)絡架構和協(xié)議，從根本上解決IP網(wǎng)絡在可擴展性、服務質量、可控和安全等方面的問題。

現(xiàn)有的未來網(wǎng)絡研究在上述兩種發(fā)展方式上都有了較多成果。有很多成果已投入工業(yè)界使用，同時也有一些研究在推廣落地時遇到了較多阻力，互聯(lián)網(wǎng)時代的技術更迭是日新月異的，不管最終某項技術成功與否，它都將成為未來網(wǎng)絡研究前進的“奠基石”。本文以下列舉了未來網(wǎng)絡研究的部分重點，從中可以看到各項新興技術都可能帶來極大的創(chuàng)新和收益。

(一)網(wǎng)絡虛擬化

在未來網(wǎng)絡的大背景下，網(wǎng)絡虛擬化技術最初作為研究和實驗的靈活平臺被提出來，這個平臺可以促進技術的多樣性，然后慢慢演進，最終能夠克服所謂的互聯(lián)網(wǎng)的僵化問題，并成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的關鍵組成部分。由于網(wǎng)絡虛擬化越來越被重視，所以在未來很長的一段時間內，它會被部署進各種場景內。網(wǎng)絡虛擬化可以在公共的底層物理基礎設施上，劃分許多個相互隔離的網(wǎng)絡，可以為不同運營商實現(xiàn)不同業(yè)務場景提供一系列新的可能性。

網(wǎng)絡虛擬化被認為將彌補信息技術和網(wǎng)絡領域的差距，潛在地推動信息技術和網(wǎng)絡領域的深刻變化。另外，云計算和網(wǎng)絡虛擬化的結合促成了數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，為運營商開辟了巨大的機會。[4]

(二)云計算和邊緣計算

云計算是一種計算模型，它提供按需提供的設施，并通過互聯(lián)網(wǎng)共享資源。云計算技術維護一個可以動態(tài)分配的資源共享池，從而減少軟硬件的管理成本，提供高計算能力和高性能，保障資源的可訪問性和可持續(xù)性。云計算技術可以提供強大的處理能力和大量的資源，使在諸如基站和網(wǎng)關之類地方的高容量通用服務器上部署虛擬機變得更加容易。

云計算技術的產(chǎn)生使得按需提供計算資源和存儲資源成為可能，大大增加了網(wǎng)絡和服務部署的靈活性和可擴展性。移動邊緣計算(MEC)的概念是云計算能力到移動網(wǎng)絡邊緣的延伸，移動邊緣網(wǎng)絡集成了云計算能力，為部署和管理業(yè)務提供了有效的方案。[5]移動邊緣計算在移動網(wǎng)絡邊緣、無線接入網(wǎng)絡(RAN)內以及移動用戶附近，提供IT服務環(huán)境和云計算功能，其目標是減少延遲，確保高效的網(wǎng)絡操作和服務交付，并改進用戶體驗。MEC的環(huán)境具有低延時，近距離、高帶寬以及實時洞察無線網(wǎng)絡信息和位置感知的特點。MEC服務器的容量相對于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心來說較小，不能提供大規(guī)模數(shù)據(jù)中心帶來的可靠性優(yōu)勢，因此結合云技術來引入云化的軟件架構，將軟件功能按照不同能力屬性分層解耦地部署，可以在有限資源下實現(xiàn)可靠性、靈活性和高性能的要求。

(三)軟件定義網(wǎng)絡

從傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構看，當出現(xiàn)一種全新業(yè)務的時候，就只有生產(chǎn)出一種全新的交換機來面向此業(yè)務，但這樣就導致資源利用率十分低下。而從未來網(wǎng)絡的發(fā)展層面看，因特網(wǎng)的形式已然固化，決定了無論是發(fā)展因特網(wǎng)的物理設施，還是發(fā)展因特網(wǎng)的相關協(xié)議和性能，都是相當困難與緩慢的。基于此，SDN技術應運而生。SDN技術的基本思想是將轉發(fā)層面與控制層面分離。轉發(fā)層面為物理網(wǎng)絡設備，如SDN交換機和路由器或者虛擬的設備如Open vSwitch等?？刂茖用鏋镾DN控制器，通過在控制器上開發(fā)應用程序來控制底層的物理或虛擬設備，從而可以針對不同的業(yè)務開發(fā)不同的程序。SDN的集中控制的架構，使新業(yè)務的部署不再依賴于底層物理設備的更新，并且控制權可以開放給用戶，能夠根據(jù)相應的業(yè)務需求，來改變網(wǎng)絡自身的規(guī)則和性能。同時，集中控制可以監(jiān)控全局網(wǎng)絡的網(wǎng)絡狀態(tài)，可以通過數(shù)據(jù)分析迅速高效地進行流量調度、資源劃分和故障檢測和安全防護。SDN使得網(wǎng)絡具有了靈活性和多樣性，使網(wǎng)絡能夠適應互聯(lián)網(wǎng)時代大量多重的業(yè)務需求，這是傳統(tǒng)網(wǎng)絡難以做到的。

(四)信息中心網(wǎng)絡

在2016年僅視頻類流量就占據(jù)所有IP流量的86%*參見：http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/ip-ngn-ip-next-generation-network/white_paper_c11-481360.html.，與內容獲取相關的流量所占的比例將越來越大。隨著互聯(lián)網(wǎng)上層業(yè)務的發(fā)展，與內容有關的流量將繼續(xù)增加。為了面對這一挑戰(zhàn)，學術界與產(chǎn)業(yè)界從網(wǎng)絡體系架構的角度上，提出應該將現(xiàn)有網(wǎng)絡體系架構從面向主機之間端對端連接，轉變?yōu)槊嫦騼热莴@取的模式。這其中最有影響力的就是信息中心網(wǎng)絡(ICN)，ICN采用以信息為中心的網(wǎng)絡通信模型，摒棄了傳統(tǒng)的以IP為細腰的協(xié)議棧結構，采用以信息名字為核心的協(xié)議棧，即信息名字作為網(wǎng)絡傳輸?shù)臉俗R，而不采用IP地址或僅將其作為底層的本地化傳輸標識。

(五)自運營網(wǎng)絡

自運營網(wǎng)絡指的是讓網(wǎng)絡自主高效的運營?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡規(guī)模越來越大，硬件設備和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的數(shù)量都是十分龐大的，這會導致當故障出現(xiàn)時，工程師難以快速精確地找到故障點，同時對正確性的檢測也十分困難。為了解決這些問題，解放人類雙手的自運營網(wǎng)絡由此誕生。其中較著名的是思科公司(Cisco)提出的基于意圖的網(wǎng)絡(IBN)，它代表了一種管理網(wǎng)絡的新方法，它使用特殊的軟件來實現(xiàn)網(wǎng)絡變更的自動規(guī)劃、設計和實施，從而提高其可用性和靈活性。IBN的主要思想是用戶告訴網(wǎng)絡一個“意圖”，而不去具體做一些網(wǎng)絡配置。在理想狀態(tài)下，網(wǎng)絡根據(jù)用戶的意圖，找出需要采取什么行動來實現(xiàn)它。而這個決策過程就可以用人工智能來實現(xiàn)，人工智能使IBN能夠降低網(wǎng)絡策略管理和維護的復雜性，并簡化網(wǎng)絡服務的部署，它使IBN能夠分析數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中提取信息并自動從中學習，而不需要明確編程。學習能力允許算法對數(shù)據(jù)進行預測，隨著更多的數(shù)據(jù)提供，一個學習過程變得更好，隨后導致更好的預測。隨著人工智能各種算法的發(fā)展，我們可以使用這些算法作實時決策，在整個決策過程中不再有人的參與。

三、未來網(wǎng)絡改變人類社會

面對爆炸式增長的業(yè)務需求，未來網(wǎng)絡在學術界和工業(yè)界蓬勃地發(fā)展著，成為了戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要方向?，F(xiàn)在，未來網(wǎng)絡在經(jīng)濟、國防、媒體、社交、醫(yī)療、工業(yè)、教育等領域開始嶄露頭角，進一步推進著互聯(lián)網(wǎng)與各領域的融合。結合現(xiàn)有的科技成果和發(fā)展方向，可以展望未來網(wǎng)絡將給人類社會帶來如下改變：

(一)迅速的信息傳播

低時延是很多應用的一個重要需求，它直接影響到了任務的執(zhí)行效率和用戶的體驗，所以未來網(wǎng)絡必將是一個低時延的網(wǎng)絡，它能使虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、視頻直播、遠程醫(yī)療、金融交易等技術的發(fā)展更加迅速，真正實現(xiàn)信息的快速共享。

(二)注重內容的網(wǎng)絡

如今，流媒體流量占據(jù)著網(wǎng)絡流量主導地位，且用戶關注的不再是信息從哪來，而是信息的內容本身。傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡根據(jù)IP地址進行分組轉發(fā)，必須解析到目的主機才能夠實現(xiàn)通信，對重復的請求很難做到請求合并，組播方案的實現(xiàn)比較復雜。所以需要將關注的重點從現(xiàn)有網(wǎng)絡的“在哪里”轉移到“是什么”，即用戶和應用關注的內容，以內容/服務為中心的網(wǎng)絡體系可以很好地解決這一問題。而ICN網(wǎng)絡采用信息命名路由，減少了冗余流量的產(chǎn)生。ICN在路由中添加了緩存功能，使得轉發(fā)機制從傳統(tǒng)的存儲轉發(fā)變?yōu)榫彺孓D發(fā)，從而有效地提高轉發(fā)效率。

(三)AR/VR的盛行

AR/VR對網(wǎng)絡的要求是更大的容量、更低的延遲和更好的網(wǎng)絡均勻性，這是未來網(wǎng)絡重要的研究目標。可以預見，有了未來網(wǎng)絡作為基礎，AR/VR才能向大眾普及，體驗感、場地局限等都可以得到改善，斯皮爾伯格導演的電影《頭號玩家》中的賽車場景將不再是一種幻想。

(四)唾手可及的計算資源

在數(shù)碼信息時代，計算并不局限于類似計算器的數(shù)字運算，而是滲透到了我們互聯(lián)網(wǎng)生活的方方面面，從高清視頻的編解碼，圖像的PS，到大型游戲的運行都需要高效強勁的運算能力，在硬件設備微型化、便攜化的今天，往往需要將這些計算放到網(wǎng)絡中完成，云計算、邊緣計算和數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，使計算資源唾手可及。在未來，只要攜帶一臺輕便的終端設備，連上網(wǎng)絡，就可隨時隨地地使用需要大量計算的應用程序。

(五)高效的遠程醫(yī)療

面對當今世界相對匱乏的醫(yī)療資源，遠程醫(yī)療進入了人們的視野，現(xiàn)已出現(xiàn)了大量在線診斷的實例，但遠程醫(yī)療至今還未解決手術的難題。手術的特點是高精密、容錯率小，若想通過互聯(lián)網(wǎng)連接機械手臂進行手術操作，就要求視頻回傳時延足夠小，操作指令的下達足夠迅速。通過未來網(wǎng)絡的支持，患者在當?shù)鼐涂梢垣@得相應領域的全世界頂尖醫(yī)生、專家的治療，相關產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟、效率方面都可獲得巨大的收益。

(六)可靠的金融管理

比特幣等虛擬貨幣的驚人估值博得了幾乎所有人的眼球，但區(qū)塊鏈技術可能給金融業(yè)帶來更巨大、更有意義的影響。區(qū)塊鏈解決的是一個信任的問題，使用分布式數(shù)據(jù)存儲、共識機制、加密算法等，以密碼學方式保證生成不可偽造的分布式賬本，這種高容錯、不可篡改的特點會給金融模式帶來巨大的改變。

(七)隨時隨地的互聯(lián)網(wǎng)接入

隨著各種設備終端的出現(xiàn)，未來網(wǎng)絡會是一個超大互聯(lián)的網(wǎng)絡，電腦、手機和平板設備自不必說，往后生活中的任何一樣實物，如水杯、窗簾、衣物，都有可能連入互聯(lián)網(wǎng)，真正迎來萬物互聯(lián)的時代。

(八)網(wǎng)絡推動智能化

人工智能技術已大量地運用到了包括網(wǎng)絡在內的各個領域中，那么未來網(wǎng)絡能為人工智能提供什么？現(xiàn)在，越來越多的技術采用人工智能進行實時的決策，或者利用人工智能處理海量的數(shù)據(jù)，這些都要求大量的CPU、GPU的計算能力，未來網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)中心、云計算、霧計算、邊緣計算等技術都在助力人工智能技術的廣泛應用。

四、我國緊抓發(fā)展未來網(wǎng)絡的新浪潮

我國對未來網(wǎng)絡的研究也在如火如荼地進行。2009年，中國工程院與中國國家自然科學基金委員會聯(lián)合啟動了“面向2030年中國工程科技中長期發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目，在劉韻潔院士的提議下，設立了有關未來網(wǎng)絡的研究咨詢課題。2010年，李國杰、劉韻潔兩位院士聯(lián)合向國家發(fā)改委提議立項未來網(wǎng)絡試驗設施CENI項目。2013年，首個未來網(wǎng)絡小規(guī)模試驗設施在南京未來網(wǎng)絡谷成立，2016年，國家發(fā)改委正式批復國家重大科技基礎設施建設項目未來網(wǎng)絡試驗設施(CENI)項目建議書，整個網(wǎng)絡基礎設施將覆蓋全國40個城市，一百三十余個邊緣網(wǎng)絡，將為未來網(wǎng)絡相關的學術和產(chǎn)業(yè)界研究提供最有力的支撐。

世界各國都在大力發(fā)展未來網(wǎng)絡，中國也必須把握住這一新的浪潮，成為未來網(wǎng)絡的主導者之一。在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展初期，由于部分西方國家對中國的限制，中國互聯(lián)網(wǎng)僅在接入方面就經(jīng)歷了非常艱難的過程，所以在當前的發(fā)展階段，中國必須獨立自主地研究和搭建未來網(wǎng)絡，把發(fā)展權牢牢地掌握在自己手里，突破外國的技術封鎖，真正實現(xiàn)網(wǎng)絡強國的目標。