2020年未来IP网络IDEAS关键技术白皮书.pdf

未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技术 白 皮 书（ 2020 年 ）中 国 移 动 研 究 院 前 言本 白 皮 书 旨 在 提 出 对 于 未 来 IP网 络 关 键 技 术 的 “ IDEAS” 探 索 思路 ， 希 望 通 过 在 智 能 路 由 、 确 定 性 传 输 、 算 力 内 生 、 无 障 碍 连 接 和 安全 性 五 个 方 面 的 探 索 ， 能 够 为 未 来 IP 网 络 相 关 的 关 键 技 术 创 新 研 究提 供 参 考 。本 白 皮 书 的 版 权 归 中 国 移 动 所 有 ， 未 经 授 权 ， 任 何 单 位 或 个 人 不得 复 制 或 拷 贝 本 建 议 之 部 分 或 全 部 内 容 。中 国 移 动 研 究 院 未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技 术 白 皮 书 （ 2020）1目 录1.概 述 .22. Internet的 发 展 和 IDEAS的 创 新 思 路 .32.1 Internet的 发 展 .32.2未 来 IP技 术 的 探 索 .32.3“ IDEAS” 创 新 思 路 .53.智 能 路 由 （ I） .73.1智 能 路 由 的 背 景 .73.2智 能 路 由 的 关 键 技 术 .73.3智 能 路 由 的 研 究 展 望 .94.确 定 性 网 络 （ D） .104.1确 定 性 网 络 的 背 景 .1 04.2确 定 性 网 络 的 关 键 技 术 .1 14.3确 定 性 网 络 的 研 究 展 望 .1 35.算 网 一 体 （ E） .135.1算 网 一 体 的 背 景 .1 35.2算 网 一 体 的 关 键 技 术 .1 55.3算 网 一 体 的 研 究 展 望 .1 66.无 障 碍 连 接 （ A） .176.1无 障 碍 连 接 的 背 景 .1 76.2无 障 碍 连 接 的 关 键 技 术 .1 86.3无 障 碍 连 接 的 研 究 展 望 .2 07.网 络 安 全 可 信 （ S） .207.1网 络 安 全 可 信 的 背 景 .2 07.2网 络 安 全 可 信 的 关 键 技 术 .2 17.3网 络 安 全 可 信 的 研 究 展 望 .2 38.总 结 与 展 望 .23缩 略 语 列 表 .25参 考 文 献 .26中 国 移 动 研 究 院 未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技 术 白 皮 书 （ 2020）21.概 述“ 互 联 网 +” 不 断 催 生 发 展 新 动 能 ， 各 种 新 技 术 、 新 产 业 、 新 业 态 、 新 模 式活 跃 。 互 联 网 经 济 、 网 络 强 国 的 概 念 已 经 深 入 人 心 ， 5G 新 基 建 引 领 了 我 国 的 数字 经 济 大 发 展 。 在 当 今 的 互 联 网 上 ， 视 频 直 播 、 VR/AR、 车 联 网 等 各 种 新 应 用 、新 服 务 不 断 涌 现 。互 联 网 诞 生 之 初 ， 仅 仅 是 为 了 连 接 有 限 的 几 台 计 算 机 ， 而 目 前 的 互 联 网 已 经发 展 到 了 终 端 广 泛 普 及 ， 甚 至 是 万 物 互 联 。 泛 在 的 终 端 和 网 络 使 得 信 息 的 沟 通 更加 便 捷 ， 在 方 方 面 面 影 响 着 人 们 的 生 活 。应 用 服 务 和 终 端 的 变 革 也 促 使 了 网 络 自 身 的 演 进 。 移 动 通 信 网 络 从 3G/4G，正 在 逐 渐 向 5G， 甚 至 是 未 来 的 6G转 型 。 在 无 线 空 口 速 率 提 升 的 同 时 ， 移 动 通 信网 络 架 构 也 在 发 生 转 变 。 3G/4G时 期 ， 移 动 通 信 网 络 架 构 从 传 统 的 TDM Based向IP Based演 进 ； 5G时 期 ， 移 动 通 信 网 络 的 控 制 面 和 用 户 面 进 一 步 解 耦 ， 借 鉴 了IT领 域 的 “ 微 服 务 ” 理 念 提 出 了 SBA（ ServiceBased Architecture） 的 架 构 1。相 应 的 ， 移 动 承 载 网 络 或 者 固 定 网 络 也 在 向 SDN/NFV的 方 向 演 进 ， 运 营 商 IP网络 的 路 由 器 接 口 带 宽 越 来 越 高 ， 设 备 吞 吐 量 越 来 越 大 ， 同 时 也 在 增 强 着 各 种 新 特性 、 新 能 力 ， 以 应 对 不 断 出 现 的 新 业 务 、 新 需 求 。业 界 对 未 来 的 Internet网 络 或 者 IP网 络 做 了 很 多 的 探 索 ， 其 中 的 一 个 共 识是 为 了 应 对 新 的 业 务 需 求 ， 未 来 的 网 络 需 要 支 持 快 速 的 创 新 ， 支 持 新 的 商 业 模 式 。通 过 对 未 来 IP 网 络 的 新 场 景 、 新 需 求 ， 以 及 当 前 热 点 技 术 的 调 研 ， 本 文 档 创 新性 地 提 出 了 “ IDEAS” （ Intelligent Routing, Deterministic Networking,Embedded Computing, All-inclusive Connectivity, Security Guarantee） 未来 IP网 络 关 键 技 术 探 索 思 路 。 本 文 档 将 从 IDEAS的 几 个 不 同 的 角 度 来 阐 述 对 于未 来 IP网 络 关 键 技 术 的 思 考 。中 国 移 动 研 究 院 未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技 术 白 皮 书 （ 2020）32. Internet 的 发 展 和 IDEAS 的 创 新 思 路2.1 Internet的 发 展上 个 世 纪 60、 70年 代 美 国 部 署 的 ARPANET （ Advanced Research ProjectsAgency Network） 是 Internet的 雏 形 ， 起 初 只 用 于 军 事 网 络 。 后 来 ， 各 种 各 样的 计 算 机 网 络 在 规 模 和 数 量 上 的 提 升 ， 促 成 了 不 同 网 络 之 间 的 互 联 需 求 ， 最 终 导致 了 TCP/IP协 议 的 诞 生 ， 也 即 Internet的 诞 生 。 初 期 的 Internet主 要 基 础 是/HTTP， TCP/IP， 分 组 传 输 ， Ethernet 等 ， 完 成 的 业 务 也 比 较 简 单 ， 大 部 分是 实 现 基 础 的 数 据 互 联 ， 设 计 理 念 是 简 单 、 开 放 和 低 成 本 。经 过 几 十 年 的 发 展 ， 随 着 业 务 变 得 越 来 越 复 杂 ， Internet 网 络 自 身 也 变 得越 来 越 复 杂 。 根 据 Wiki百 科 的 定 义 2， Internet是 一 个 使 用 TCP/IP连 接 了 全球 的 计 算 机 网 络 的 系 统 ， 它 内 部 包 含 了 各 种 网 络 ， 可 以 是 本 地 的 ， 也 可 以 是 全 球性 的 ， 具 体 包 括 个 人 网 络 ， 公 共 网 络 ， 学 术 网 络 ， 商 业 网 络 ， 和 政 府 网 络 等 。 因此 ， 从 广 义 上 讲 ， Internet 涉 及 计 算 机 技 术 的 几 乎 方 方 面 面 ， 已 经 形 成 了 一 个庞 大 的 技 术 体 系 。随 着 业 务 类 型 、 用 户 数 量 、 终 端 类 型 的 不 断 演 进 ， Internet 相 关 的 创 新 技术 也 是 层 出 不 穷 ， 例 如 CDN， 云 计 算 ， DC网 络 ， IoT， SDN/NFV， 边 缘 计 算 等 等 。可 以 预 见 的 ， 随 着 未 来 更 多 的 业 务 场 景 ， 连 接 方 式 的 出 现 ， 尤 其 是 未 来 6G网 络的 各 种 探 索 和 需 求 驱 动 ， 未 来 的 Internet或 者 未 来 的 IP网 络 也 需 要 更 多 的 创 新技 术 来 支 撑 。2.2未 来 IP技 术 的 探 索为 了 应 对 各 种 业 务 的 新 需 求 ， 互 联 网 领 域 的 研 究 人 员 一 直 在 致 力 于 对 IP 的改 善 ， 包 括 学 术 界 、 产 业 界 等 。 其 中 ， IETF 是 制 定 互 联 网 协 议 的 权 威 组 织 ， 它是 IP(v6)协 议 、 TCP 协 议 、 DNS 协 议 、 路 由 协 议 等 标 准 的 发 源 地 。 近 年 来 IETF积 极 推 动 IP 技 术 创 新 ， 先 后 成 立 了 源 路 由 （ SPRING） 、 确 定 性 网 络 （ DetNet）中 国 移 动 研 究 院 未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技 术 白 皮 书 （ 2020）4等 工 作 组 。 同 时 ， 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 分 局 （ ITU-T） 的 FG-NET-2030焦 点 组 ，以 及 国 内 2018年 成 立 的 网 络 5.0联 盟 3也 对 IP技 术 创 新 进 行 了 广 泛 的 讨 论 。FG-NET-2030的 Network 2030白 皮 书 4展 望 了 未 来 的 网 络 业 务 ， 包 括 全 息通 信 （ Holographic Type Communications） ， 多 维 感 知 网 络 （ Multi-SenseNetworks） ， 网 络 业 务 的 时 间 工 程 （ Time Engineered Applications） ， 网 络 业务 的 高 可 靠 底 层 架 构 （ Critical Infrastructure） 。 如 图 2-1 所 示 ， 从 业 务 发展 的 角 度 来 看 ， 只 有 攻 克 未 来 IP 网 络 的 关 键 技 术 难 点 ， 才 能 构 建 持 续 演 进 的Internet， 满 足 未 来 IP网 络 越 来 越 多 的 业 务 种 类 和 不 断 增 强 的 业 务 SLA诉 求 。图 2-1 未 来 Internet的 潜 在 核 心 价 值 演 化 趋 势面 对 IP 网 络 “ 尽 力 而 为 ” 设 计 初 衷 所 带 来 的 问 题 ， 业 界 存 在 着 保 守 派 和 改良 派 两 种 演 进 路 线 。 以 IETF为 首 的 保 守 派 推 崇 继 续 以 补 丁 方 式 解 决 TCP/IP协 议栈 面 临 的 问 题 。 改 良 派 则 认 为 这 种 补 丁 式 的 技 术 演 进 无 法 从 根 本 上 解 决 IP网 络面 临 的 问 题 ， 倾 向 于 进 一 步 完 善 IP网 络 顶 层 设 计 。中 国 移 动 参 与 的 “ 网 络 5.0” 联 盟 提 出 了 IP 网 络 “ 阶 段 化 演 进 ” 的 思 路 ，即 基 于 现 有 IP 网 络 协 议 基 础 逐 步 演 进 ， 同 时 在 演 进 思 路 上 采 取 “ 分 代 目 标 、 有限 责 任 ” 的 策 略 ， 以 打 造 新 型 IP网 络 体 系 和 IP网 络 代 际 。中 国 移 动 研 究 院 未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技 术 白 皮 书 （ 2020）52.3“ IDEAS” 创 新 思 路为 了 支 撑 未 来 互 联 网 的 分 代 演 进 ， 本 文 档 从 “ 新 路 由 ” ， “ 新 QoS” ， “ 新算 力 ” ， “ 新 互 联 ” ， “ 新 安 全 ” 五 个 角 度 出 发 ， 提 出 了 针 对 未 来 IP 网 络 关 键技 术 的 “ IDEAS” 创 新 思 路 ， 如 下 图 所 示 。 IDEAS 创 新 网 络 遵 从 Internet“ 开 放互 联 ” 的 原 则 ， 在 IP 网 络 上 逐 步 增 加 新 的 能 力 ， 构 建 持 续 创 新 演 进 的 未 来 IP网 络 。图 2-2 IDEAS 的 未 来 IP 网 络 演 进 思 路在 “ 新 路 由 ” 方 面 ， 基 于 IDEAS 的 未 来 IP 网 络 将 从 目 前 的 SDN控 制 配 置 ，向 智 能 自 治 演 进 ； 在 “ 新 QoS” 方 面 ， 基 于 IDEAS 的 未 来 IP 网 络 将 从 目 前 的 仅支 持 统 计 复 用 ， 向 支 持 确 定 性 SLA 保 障 演 进 ； 在 “ 新 算 力 ” 方 面 ， 基 于 IDEAS的 未 来 IP网 络 将 从 目 前 的 计 算 与 网 络 分 离 ， 向 算 网 一 体 演 进 ； 在 “ 新 互 联 ” 方面 ， 基 于 IDEAS 的 未 来 IP 网 络 将 从 仅 支 持 固 定 的 静 态 连 接 拓 扑 ， 向 支 持 灵 活 寻址 和 动 态 互 联 演 进 ； 在 “ 新 安 全 ” 方 面 ， 基 于 IDEAS的 未 来 IP网 络 将 从 外 挂 式中 国 移 动 研 究 院 未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技 术 白 皮 书 （ 2020）6的 安 全 防 护 ， 向 内 生 安 全 演 进 。“ 五 新 ” 思 路 是 对 未 来 互 联 网 分 代 演 进 的 思 考 ， “ IDEAS” 是 技 术 演 进 路 径的 参 考 。 一 方 面 ， “ IDEAS” 代 表 了 “ 创 意 ” 的 含 义 ； 另 一 方 面 ， “ IDEAS” 可 以分 解 为 五 大 技 术 领 域 ， 如 下 图 所 示 的 Intelligent Routing， DeterministicNetworking， Embedded Computing， All-inclusive Connectivity， SecurityGuarantee， 即 以 “ IDEAS” 为 顶 层 设 计 理 念 ， 聚 焦 智 能 路 由 ， 确 定 性 网 络 ， 算 力网 络 ， 无 障 碍 连 接 和 安 全 性 五 大 技 术 领 域 ， 构 建 面 向 未 来 IP的 网 络 技 术 体 系 。图 2-3 IDEAS 的 五 大 技 术 领 域智 能 寻 址 与 路 由 ： 智 能 化 是 未 来 网 络 的 发 展 方 向 ， 而 寻 址 和 路 由 则 是 IP 网络 的 基 础 能 力 。 产 业 界 和 学 术 界 对 于 智 能 网 络 、 智 能 路 由 的 研 究 将 给 IP网 络 带来 基 础 性 的 变 革 。确 定 性 QoS： 传 统 的 IP 网 络 是 按 照 尽 力 而 为 设 计 的 ， 无 法 很 好 的 支 持 未 来工 业 互 联 网 ， 垂 直 行 业 应 用 的 确 定 性 传 输 需 求 。 确 定 性 技 术 是 未 来 IP 网 络 的 核心 能 力 增 强 ， 将 使 能 IP网 络 新 的 商 业 模 式 。算 网 一 体 ： 算 力 网 络 是 IP网 络 重 要 的 演 进 方 向 之 一 ， 支 持 网 络 即 服 务 。 目前 的 网 络 仅 仅 是 一 个 连 接 手 段 ， 被 旁 路 在 Internet 的 用 户 和 服 务 这 两 个 核 心 价值 点 之 外 。 算 网 一 体 有 助 于 让 运 营 商 摆 脱 哑 管 道 ， 真 正 进 入 Internet 的 核 心 价值 链 ， 构 建 新 的 行 业 生 态 。无 障 碍 连 接 ： 未 来 的 IP 网 络 需 要 实 现 泛 在 互 联 ， 支 撑 IoT， 低 轨 卫 星 网 络等 新 型 网 络 ， 不 断 扩 大 IP的 能 力 边 界 ， 实 现 Internet的 无 障 碍 连 接 。 著 名 的 “ 梅特 卡 夫 定 律 ” 指 出 ， 一 个 网 络 的 用 户 数 目 越 多 ， 那 么 整 个 网 络 和 该 网 络 内 的 每 台计 算 机 的 价 值 也 就 越 大 。中 国 移 动 研 究 院 未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技 术 白 皮 书 （ 2020）7网 络 安 全 可 信 ： 传 统 的 IP网 络 的 安 全 特 性 都 是 外 挂 式 的 ， IP网 络 设 计 之 初 ，为 了 简 化 互 联 ， 并 没 有 考 虑 安 全 方 面 的 问 题 ， 未 来 的 内 生 安 全 增 强 等 技 术 将 能 够让 网 络 变 得 更 加 可 信 ， 使 能 Internet更 自 由 的 互 联 互 通 。3.智 能 路 由 （ I）3.1智 能 路 由 的 背 景在 高 速 发 展 的 互 联 网 时 代 ， 网 络 与 人 工 智 能 的 结 合 成 为 大 势 所 趋 ， 这 种 新 型的 技 术 体 系 可 以 提 升 网 络 效 率 ， 降 低 运 营 成 本 ， 实 现 智 能 可 视 、 智 能 运 维 、 智 能规 划 、 智 能 安 全 等 ， 使 网 络 时 代 变 得 更 加 智 能 、 高 效 、 便 捷 、 安 全 。一 方 面 ， 网 络 自 身 就 是 一 个 规 模 庞 大 、 分 布 广 泛 、 数 据 繁 多 并 不 断 变 化 的 复杂 信 息 系 统 。 从 通 信 技 术 、 网 络 技 术 的 研 发 到 实 际 网 络 的 规 划 建 设 、 运 行 维 护 等存 在 大 量 的 潜 在 场 景 可 以 通 过 人 工 智 能 技 术 进 行 性 能 和 效 率 上 的 提 升 。另 一 方 面 ， 网 络 服 务 于 社 会 生 活 的 方 方 面 面 ， 支 撑 大 量 的 垂 直 行 业 的 信 息 化和 智 能 化 需 求 ， 传 统 的 网 络 服 务 模 式 导 致 的 网 络 僵 化 、 服 务 滞 后 等 短 板 将 无 法 适应 新 需 求 的 发 展 。 软 件 化 的 通 信 网 络 结 合 人 工 智 能 技 术 ， 基 于 网 络 海 量 数 据 对 网络 运 行 状 况 、 各 行 业 客 户 和 个 人 用 户 的 行 为 特 征 ， 以 及 网 络 内 容 流 向 进 行 深 入 剖析 ， 结 合 端 到 端 网 络 资 源 的 变 化 趋 势 ， 实 时 动 态 地 精 准 设 置 用 户 的 业 务 质 量 属 性 ，引 导 全 网 资 源 更 合 理 的 布 局 ， 提 升 网 络 的 整 体 效 率 ， 提 高 用 户 的 业 务 质 量 体 验 。智 能 路 由 也 需 要 从 网 络 自 身 ， 以 及 从 服 务 和 网 络 交 互 两 方 面 入 手 。 一 方 面 ，智 能 路 由 需 要 监 控 网 络 中 的 设 备 和 流 量 情 况 ， 在 智 能 分 析 平 台 进 行 多 维 度 分 析 ，进 行 路 由 调 优 ； 另 一 方 面 ， 智 能 路 由 要 支 持 与 用 户 、 服 务 的 交 互 ， 综 合 考 虑 业 务需 求 、 业 务 特 征 ， 以 及 网 络 情 况 ， 自 动 进 行 路 由 适 配 ， 合 理 利 用 网 络 资 源 ， 优 化用 户 的 服 务 质 量 。3.2智 能 路 由 的 关 键 技 术智 能 路 由 涉 及 到 网 络 的 多 个 层 次 ， 如 下 图 所 示 5。 在 网 络 基 础 设 施 层 ， 应中 国 移 动 研 究 院 未 来 IP 网 络 IDEAS 关 键 技 术 白 皮 书 （ 2020）8支 持 设 备 的 本 地 智 能 ， 一 些 需 要 快 速 决 策 的 任 务 可 以 在 本 地 完 成 决 策 闭 环 ， 例 如一 些 路 由 转 发 策 略 的 生 成 和 执 行 ； 在 网 络 资 源 管 控 层 ， 需 要 支 持 轻 量 化 的 AI 引擎 ， 在 网 络 层 面 实 现 网 络 资 源 、 路 由 策 略 的 优 化 ， 同 时 支 持 上 层 业 务 编 排 的 执 行 ；在 上 层 ， 应 该 支 持 AI的 算 法 库 ， 以 及 网 络 数 据 的 深 度 分 析 ， 同 时 支 持 AI模 块 与运 营 模 块 的 交 互 ， 执 行 复 杂 的 业 务 配 置 和 路 由 映 射 。图 3-1 智 能 路 由 在 各 个 网 络 层 次 的 实 现智 能 路 由 的 相 关 关 键 技 术 包 括 ：可 编 程 网 络 ： 可 编 程 网 络 是 对 网 络 整 体 功 能 和 行 为 的 高 度 抽 象 以 及 软 件 编 程的 自 定 义 ， 其 核 心 思 想 是 通 过 对 网 络 节 点 提 供 开 放 可 编 程 接 口 ， 利 用 编 程 语 言 向网 络 设 备 发 送 灵 活 的 编 程 指 令 ， 实 现 对 网 络 功 能 和 行 为 的 按 需 管 控 和 新 业 务 的 快速 部 署 。 随 着 国 内 外 对 网 络 可 编 程 思 想 认 识 的 不 断 加 深 ， 网 络 可 编 程 技 术 的 不 断完 善 ， 该 技 术 逐 渐 成 为 构 建 未 来 新 型 网 络 的 核 心 技 术 。 网 络 可 编 程 可 以 有 效 的 支撑 智 能 路 由 的 策 略 触 发 ， 以 及 策 略 执 行 ， 从 而 实 现 业 务 需 求 的 灵 活 适 配 。基 于 意 图 的 网 络 IBN (Intent-Based Network)： IBN 是 一 种 在 掌 握 网 络 “ 全息 状 态 ” 的 条 件 下 ， 基 于 人 类 业 务 意 图 ， 借 助 人 工 智 能 技 术 进 行 搭 建 和 操 作 的 闭环 网 络 架 构 。 IBN系 统 由 以 下 几 部 分 组 成 ： 意 图 翻 译 和 验 证 ： 系 统 从 用 户 获 取 业 务 策 略 （ 意 图 ） ， 将 其 转 换 为 网 络