網絡2030的新服務和新能力

賽迪譯叢

簡介與定義

第五代移動通信技術使大帶寬支持的沉浸式媒體，以及海量機器類通信和超高可靠低時延通信支持的新型關鍵任務型應用廣泛出現。未來十年，多媒體的進一步發展將使網絡應用變得更加豐富，更具沉浸性和交互性。因此，未來網絡不僅需要足夠的帶寬和無處不在的連接性，還需提供一些現在尚不支持的新功能。現有的互聯網基礎設施基本上都只提供“盡力而為”的網絡服務。差異化網絡服務允許對數據流進行優先級排序和網絡資源預留。一些傳輸層協議也通過數據重傳等方案設法增加網絡服務的可靠性。

為支持新應用，未來網絡服務需超越“盡力而為”的承諾，在時延保證、多信道、多通信方的數據包/流同步、數據擁塞和資源爭奪等方面，進一步支持“高精度”這一新概念。為滿足上述要求和挑戰，未來網絡需要新的服務和能力。本文重點介紹支持2030年及以后的新型應用和垂直行業的新型網絡層服務（簡稱“網絡2030服務”）。網絡2030服務包括基本服務和綜合服務。

本文中使用的術語舉例：網絡服務是指由網絡提供的服務，使發送方和接收方能夠相互通信和交換信息;基本網絡服務是一種在網絡系統節點上部署的專用服務，該網絡系統節點在兩個或多個應用程序系統節點之間傳遞服務，該服務無法進一步分解，例如，IP數據包的路由和轉發是現有的一項基本網絡服務;綜合網絡服務是指通過其他網絡服務的組合提供的網絡服務，一般由多個基本服務組成;高精度網絡服務是對服務質量級別做出明確、嚴格、精準定義的并提供支持的網絡服務;流是從數據源到目的地的一組共享通用屬性的數據包序列;數據流是可以打包數據并映射到一個（或多個）流，以通過網絡服務進行傳遞的應用級別的流;并發流是指協調服務中，具有相互依賴關系的一組流;成員流則是并發流中所包含的各個流;時延是從發送方發送數據包開始（即從數據包的第一位）到接收方完全接收到數據包為止（即到數據包的最后一位）所經過的時間;丟失率是在給定時間間隔內，流中未達到服務要求的數據包數量與流中包含的數據包總數的比率;服務接口為用戶或應用使用網絡服務時的連接接口。

六大主要驅動因素

（一）工業和機器人自動化。機器通信（M2M）需要非常高的定時精度來分發控制命令和收集遙測數據。網絡2030服務需要為數據包傳遞提供高等級的可靠性、低時延、高定時精度等能力的支持。

（二）全息媒體和多媒體技術。全息圖、觸覺和其他感官數據將為用戶提供身臨其境的“實”用戶體驗，并促進用戶在一個“虛—實”界限越來越模糊的世界中互動。這類應用將需要服務具備非常高的數據吞吐量、較低的時延、對服務質量下降的容忍能力以及能夠協調多方數據流實時匯集的能力。

（三）自動化和關鍵基礎設施。關鍵任務型應用，如自動駕駛、無人機、自動交通控制系統等，需要在相互之間以及周圍環境之間進行多種類的實時通信。支持這類應用的網絡服務必須具備安全性、可信性保障，并存在嚴格的問責機制。

（四）應用程序及其需求的多樣性。未來的許多新型應用可能由人工智能（AI）驅動，涉及人、機器和IT系統之間大量的數據通信。由此產生的某些網絡需求可能會完全超乎人類現在的想象。未來網絡服務需要能夠根據技術和應用需求的發展，進行相應的動態調整。

（五）服務問責機制的要求。網絡服務的嚴格要求通常會直接影響網絡運營和維護的成本。服務問責機制考察服務提供商是否按照協議提供了相應的服務。建立在證據基礎上的問責機制可以激勵服務提供商提供新型服務和應用創新。支持服務問責機制的網絡將為服務提供商及用戶帶來更多新的應用產品和服務。

（六）區分不同程度的失真容限。具有失真容限的應用是指允許數據短時間中斷或數據部分丟失，并仍能正常運行和使用的應用。未來網絡服務應當能夠區分不同類型應用對失真的容忍程度，并以更加多樣化的方式來處理各類失真，進一步確定其應用的優先級和有針對性的保護方案。

及時和準時服務

（一）驅動因素。網絡2030服務需要遵循嚴格的可量化時延目標，即支持“高精度”通信服務。以觸覺類應用為例，為保證往返控制環路能夠在不到10毫秒的時間內傳達反饋，觸覺應用要求端到端網絡時延上限為5毫秒。如果不能滿足這么短的時延保證，不僅用戶的體驗質量會下降，應用本身也可能會變得毫無意義。再如，某些工業控制器需要遙測和遙控數據流有極其準確的同步和間隔，以促進機器人可沿多個自由度精確運行。

（二）服務概述。網絡2030服務中的時延高精度是指數據包交付具有精確的時延。在交付時，對數據包的時延設定了上下限的服務稱為“及時”和“準時”服務。及時服務確保以不超過所要求時延的方式交付數據包，服務可以在時延期限之前的任何時間送達數據包。典型應用是支持緩沖功能的多媒體應用。準時服務確保數據包在特定的時間范圍內被送達，即同時具有最大時延和最小時延限制。數據包的傳送必須不遲于時間窗口的上限，也不得早于時間窗口的下限。及時服務可被視為準時服務的一種特殊情況。準時服務的解決方案要求網絡能夠緩沖數據包或在某些情況下推遲傳送數據包。支持及時、準時服務的網絡需具備對時延的感知功能，以便能夠確定數據包是否符合時延目標并做出相應的處理。此外，這類服務還必須能夠評估網絡系統是否能夠滿足時延目標。傳統網絡中，端到端時延約為100毫秒，而網絡2030的可接受時延可能會大幅縮短，并且能夠提供確定的時延，在精確的時間內運行。

（三）現有差距。傳統網絡支持多種機制來減少和優化時延。這些機制幾乎都不支持可預先量化的時延目標，只能對網絡時延進行測量，而不能精確達到某一時延。因此，時延結果只能被接受。網絡2030服務需要解決的差距涉及支持時延目標的能力，這些目標已被精確量化為服務請求的一部分。現有的網絡體系結構，如互聯網服務質量（QoS）體系結構、時間敏感網絡（TSN）、確定性網絡體系結構（DetNet）等，都不足以滿足網絡2030服務對時延目標的要求。

協調通信服務

（一）驅動因素。網絡2030服務需要遵循嚴格的可量化協調目標的通信服務，例如，在多方遠程全息會議應用中或在多人交互式、沉浸式游戲中，需要為不同的接收者實時放置虛擬對象。虛擬對象位置的任何更改都應同時在其他位置進行渲染，如果接收器完全不了解彼此的行為，它們將在同一數字場景的不同視角上運行，進而產生視覺沖突。為了應對網絡中傳遞路徑的異構性，實現完全同步的運行，網絡服務需要某種機制能夠同時向各方提供所需信息。

（二）服務概述。互聯網是一個時空異構環境，在時間和空間上會產生不同的內容交付行為。在時延、抖動和帶寬方面，沒有任何兩個路徑（甚至同一路徑上不同的流）可以被假定具有相同屬性。然而，許多新興應用都要求在多個流或多個路徑上承載的信息及時傳遞。網絡2030服務中的協調通信服務將根據應用的時間、順序或應用定義屬性等相互依賴的約束條件，在多個數據流之間進行協作。支持協調通信服務的網絡需要明確跨越多個流的各種依賴性或約束條件，并根據這些約束條件聚合多個流的數據，進而呈現給一個或多個用戶。與及時和準時服務的不同之處在于，協調服務可能僅具有相對的交付時間約束（例如，指定成員流的時延必須相同，而未指定特定的時延值）。

（三）現有差距。對協調服務的要求比較復雜。如果完全留給應用來協調和管理流會導致端點的負擔過大，端點緩沖區和內存受限也會導致無法完成多個流之間的協調。此外，網絡內部的動態變化給應用管理端點的協調服務帶來了更多困難。現有的基于服務器的協調一般采用存儲轉發模式，路徑帶寬效率低下，內容的安全性也受到質疑。網絡中的群組通信由組播路由器（PIM協議）以盡力而為的方式進行支持，該協議既不攜帶任何依賴關系的信息，也不主動進行協調。

定性通信服務

（一）驅動因素。數據包是網絡傳輸的基本單元，在網絡中只能被完整地傳輸或丟棄。在可靠的數據包傳遞過程中，在接收到發送失敗的指示后，未能到達其目的地的數據包會重新發送，該過程會花費一些時間，并將一直持續，直到接收者接收到全部完整的數據包為止。可見，該過程可能導致相當大的網絡時延。數據包在網絡中丟失的原因通常有以下三個：一是由于網路擁塞，轉發器的內存有限而被丟棄;二是設備或網絡連接錯誤導致數據丟失;三是網絡連接上的數據比特差錯導致數據錯誤。隨著網絡帶寬越來越高，網絡服務傾向于用更大的數據包來提供線速數據傳輸。因此，重傳的數據量將比過去更大。然而“工作保留”原則認為，系統應盡可能只執行一次工作并保留結果，以避免多次重復相同的處理步驟。因此，數據包某一部分的錯誤或丟失不應該影響已經接收到的部分。例如，全息型實時視頻會議可以容忍通信質量的下降，但不能容忍數據的非連續傳輸（斷續的音視頻和凍結的畫面）。為了保持這類應用的流暢和及時通信，需要采用新的網絡數據傳輸方案。

（二）服務概述。傳統網絡協議利用丟棄分組來避免網絡擁塞。這類方法都假設分組的所有部分同等重要。但實際上，數據載荷的某些部分對應用而言可能比其他部分更為重要。定性通信服務致力于解決可靠傳輸協議的時延和工作保留問題。定性通信服務允許發送方按相對優先級對數據包中的有效載荷進行分組，然后允許網絡在需要時選擇性地丟棄優先級較低的部分。這樣既可以減少網絡擁塞，也可以確保關鍵數據的連續性，同時還能最大程度地減少數據重傳。支持定性通信服務的網絡需要具備區分用戶有效載荷各部分以及各部分優先級的能力，同時允許轉發節點、接收節點設備丟棄優先級較低的部分。此外，高級定性通信服務還將具備動態調整有效載荷中各部分優先級的能力。網絡2030定性通信服務是對整個數據包丟失的一項實質性改進，它可以使數據包中的部分內容及時地交付，進而實現更精細的帶寬調節，從而解決擁塞和數據包損壞的問題。

（三）現有差距。現有的傳輸解決方案僅在完整的數據包上運行，并使用重傳機制來應對由于擁塞或鏈路錯誤導致的數據丟失，在較大的顆粒度上維護流的完整性。例如，使用快速重路由（FRR）技術可以緩解鏈路或設備故障，但會受到故障檢測時間和重新配置路由路徑的時間的限制。IEEE TSN和IETF DetNet采用增加備用系統來減輕設備故障損失以及擁塞損失等，這將所需的網絡帶寬擴展到兩倍以上。這都與網絡2030服務對時延和帶寬的需求不相符。

網絡2030綜合服務

觸覺通信服務

（一）驅動因素。國際電信聯盟（ITU）將觸覺互聯網定義為將超低時延與極高可用性、可靠性和安全性相結合的網絡。觸覺互聯網將對涉及觸覺的遠程基礎設施和設備進行實時監視、管理和控制。觸覺包括兩種反饋類型：一種是指觸摸物體表面時可以感受到的反饋，例如壓力、紋理和溫度等;另一種是指作用在手臂等執行器中的肌肉、關節和肌腱上有助于位置感知的重力、拉力等的動覺反饋。涉及以上兩種反饋的通信稱為觸覺通信。觸覺通信將與遠程醫療、在線沉浸式游戲、遠程協作等應用融合，共同構成工業4.0的骨干應用領域。觸覺互聯網將為觸覺通信提供一種實時傳達觸覺和動覺的媒介，為用戶提供真正的身臨其境的操控感。例如，在遠程手術場景下，從遠程站點進行操作的外科醫生，可以實時獲取患者和手術室的視聽和遙測信息，進而操作執行器對遠方的患者進行手術。

（二）服務概述。觸覺通信服務都需要網絡具有極低的時延。人腦對不同的感覺輸入具有不同的反應時間，一般是觸覺1ms、視覺10ms、音頻100ms。從人類操作執行器到提供觸覺反饋的往返時間大約為5毫秒或更短。觸覺通信服務通常涉及以下信道：一是觸覺反饋信道將觸覺數據從一個或多個遠程觸覺傳感器（如機械手臂中的傳感器）傳遞到觸覺執行器（如數據手套），進而將觸覺傳遞給用戶;二是控制信道用于操作遠程執行器（如機械手臂）;三是遠程位置的實時視覺饋送（如高分辨率視頻、VR、全息圖）;四是遠程位置的實時音頻饋送;五是遠程位置的實時遙測饋送。上述每個信道可以使用單獨的及時和準時服務，為了改善這些信道之間的同步，還可使用協調通信服務。觸覺通信的理想指標為端到端時延1～5ms、極低數據包丟失率、5Gbps～1Tbps的超高帶寬等。

（三）現有差距。當前存在的主要差距涉及網絡以足夠低的時延來支持基本服務以實現觸覺反饋信道的能力，以及通過極低的丟失率達到較高可靠性的觸覺應用的能力，即缺少滿足性能的網絡2030基本服務。此外，跨更大的網絡和更廣闊的地理區域的觸覺通信會因信號傳輸無法超過光速而受到距離方面的限制。

全息通信服務

（一）驅動因素。作為用戶與計算機系統進行交互的一種方式，全息圖早已進入了人類的想象。隨著全息顯示技術取得了長足的進步，全息應用正逐漸成為現實。例如，全息會議將遠程參會者的全息圖投影到本地會議室中。全息數據再現一般通過全息圖或點云實現。全息圖需要從不同的視角、傾斜度和角度捕獲同一圖像。例如，在流暢的全息再現中，差異化的圖像間隔通常為0.5°，為適應10°傾斜度以及20°角度的視角差異，就需要含有800個獨立圖像的二維圖像陣列。點云則由體積數據組成，即三維框中的一組三維“體積像素（體素）”，從本地的任何視角都可以動態渲染實際圖像。由此可見，全息通信將導致巨大的帶寬需求。

（二）服務概述。全息通信網絡是用于傳輸包含全息數據（即可用于渲染全息圖像的數據）的流。全息通信服務一般包含以下信道：一是全息數據信道承載具有嚴格的時延要求的流，某些信道可能具有不同的服務質量要求;二是附加信道指示如何合成來自多個全息數據信道的圖像;三是反向信道指示如何根據用戶視角的轉移來控制部分全息圖像的出現和消失。上述每個信道可以單獨使用及時和準時服務。為改善這些信道之間的同步能力，還可使用協調通信服務。此外，為緩解數據中斷和網絡擁塞，定性通信服務也將被大量應用。

（三）現有差距。當前存在的主要差距為網絡以足夠低的時延和足夠高的帶寬來支持基本服務，從而實現全息數據交付的能力，即缺少滿足性能的網絡2030基本服務。此外，現有技術尚不支持聚合帶寬（一組流之間共享帶寬并動態分配帶寬的技術）。為減少全息數據量，可利用諸如用戶交互性預測方案之類的正在持續研究的技術，在保持可接受的數據質量的同時，將需要傳輸的數據量減到最少。

未來網絡服務的其他方面

除了支持上述新服務外，未來的網絡2030服務還要有能力滿足以下方面的一些要求。

（一）服務接口。盡管網絡和應用都在不斷發展，但兼容性原則要求服務接口保持相對穩定。因此，網絡2030服務接口將采取演進的方式發展，以便持續支持包括套接字在內的眾所周知的各種接口。而網絡服務接口也將需要考慮新的網絡服務參數，例如：針對及時和準時服務，需要在應用和網絡之間動態協調時延目標;針對協調通信服務，需要組成并發流;針對定性通信服務，需要指定有效載荷的相關性等。

（二）可編程性和靈活的開發周期。未來，網絡提供商必須能夠快速引入新的網絡服務，網絡服務也需要快速適應新的部署環境和用戶需求。這對網絡的可編程性具有很高要求。網絡2030需要新的網絡編程模型和可編程網絡硬件的支持，其網絡可編程性將更加進步，開發周期將更加靈活，從“開發—運營”模式轉變為“流—運營”模式，即網絡在流量級別上的動態可編程模式。

（三）可管理性。所有類型的網絡2030服務都對時延和精度提出了非常高的要求，并且期望達到零數據包丟失和更高的可用性。為了能夠提供和運營網絡2030服務，網絡需要在以下兩個可管理性方面有所進步。一是確保網絡2030能提供高精度服務的可管理性。為了確保高精度的及時和準時服務，網絡測量技術也需要改進，毫秒級測量精度可能需要升級為大約10微秒的測量精度。此外，網絡采樣能力（即能夠覆蓋到的測量范圍）也應當大幅提升。二是確保網絡2030大規模運營的可管理性。現在的大多數情況下，人類對網絡的控制過程已經逐漸被托管在中央位置或云中的網絡管理系統和控制器所取代。對更短控制回路的日益增長的需求將使網絡管理服務逐漸向網絡邊緣側遷移，甚至遷移到終端設備本身。網絡2030需要新的網絡管理體系結構的支持，不再依靠集中的網絡管理系統和控制器，而是在整個網絡中，以分布式或分散的方式提供更強大的網絡管理功能。

（四）安全性。除傳統的IP網絡安全機制外，網絡2030服務還需要其他網絡安全機制的保護。網絡2030協調通信服務和定性通信服務面臨更多的信息安全挑戰。例如，針對協調通信服務，通過攻擊單個成員流，可能損害并發流和其他成員流。針對定性通信服務，僅保護數據包的完整性是不夠的，還需要在各個數據塊級別上保護數據塊和數據包的有效負載。

（五）彈性。網絡彈性是指網絡系統在面對各種網絡故障或網絡攻擊時，能夠繼續提供和維持可接受的網絡服務水平的能力。網絡彈性主要通過以下三種方法提供。一是邏輯和物理網絡實體的冗余和多樣性。從主實體到備用實體的切換必須非常快，大約微秒甚至更少。二是使用網絡協議來提供快速重新收斂，并在發生網絡故障事件之后維持現有網絡連接的可用性。三是通過數據包復制、網絡編碼和糾錯來克服數據包丟失。

（六）無損傳輸。對于要求高精度和低時延的任務關鍵型應用而言，避免數據丟失并實現無損網絡傳輸服務是其重要目標。盡管任何網絡服務都無法保證數據零丟失，但應盡可能排除由單個網絡設備或鏈路故障而造成的數據丟失。為實現無損網絡傳輸服務，常常會導致較高的網絡成本。可能的解決方案包括機器學習和人工智能（AI）等。

（七）隱私。目前，用戶隱私的定義尚未完全明確。很少有用戶知道如何跟蹤、共享以及與誰共享其個人身份信息（PII）。網絡2030對隱私服務具有以下要求：一是匿名化，為防止竊聽者通過數據包捕獲進行個人身份跟蹤，數據包中的可見信息應難以直接關聯到PII;二是用戶數據不透明，即網絡2030服務不能依靠用戶數據來提供服務，只能依靠數據包中特定的服務可見數據標識;三是安全存儲，對于某些網絡2030服務，數據包可能會被暫時緩存在路由器等網絡中間設備中，應確保這些數據不容易被復制或轉移;四是流匿名化，應該對用戶數據進行混淆，以動態方式將流隨機化，保證難以通過對流的分析，進而識別用戶的流模式和類型。此外，網絡2030服務還可能采用其他一些解決方案。一是通過更強的加密技術，更改數據包格式，使數據包中的信息對竊聽者來說不具重要性。二是避免在網絡服務中長期使用固定的網絡地址，以防止被追蹤。三是制定有關PII定義、數據所有者的能力和許可的法規，以進一步彌補現有法規針對隱私的漏洞。四是除傳統的有效負載加密手段外，對數據包頭使用同態加密形式進行加密，允許以隱私保護模式執行各種網絡操作，而不會暴露數據包頭中攜帶的用戶身份信息等元數據。

（八）可信度。隨著未來端到端通信與新型網絡服務的部署，數據包將穿越多個位于不同網絡管理域下的邊界。網絡2030服務也將依賴不同網絡節點的可信度，對數據包進行處理，保護數據的完整性和用戶的隱私。網絡2030服務需要一種新的機制來評估和驗證各種處理數據包的網絡節點的可信度，以及數據包本身的完整性。可能采用的一些機制包括：一是引入可信度評分，依靠網絡安全機制來驗證、授權和確保數據包完整性和網絡節點的可信度。二是制定針對網絡節點超出可信接受范圍時的數據處理規則。

（九）計費和服務交付確認。就所需的服務級別而言，網絡2030服務對網絡提出了極高的要求。為驗證網絡服務提供商承諾的服務水平是否兌現，就需要網絡計費技術的進步。例如，服務水平的測量要足夠準確，需要提供服務證明（包括服務水平交付證明）以對網絡服務進行計費和收費。當下的服務統計技術在很大程度上依賴于界面統計信息和流記錄，它們的生成依賴數據采樣，很容易產生采樣誤差，統計可能并不完全準確，并且對于交付的實際服務水平（如時延、跨流協調）而言并沒有太多參考意義，還可能受到加密及與隱私有關問題的限制。新的實用型網絡服務統計技術有待進一步發掘。