ODICT未来网络融合

Posted 2023-05-17

参考技术A 未来融合的网络：ODICT，

未来5~10年，从消费互联网向产业互联网的演进最令人期待。未来网络将融合万网、万物和万业，将各种异构异

质的垂直行业网络整合成统一的互联网，以支撑工业控制、智能电网、远程医疗、自动驾驶等产业化应用[1]

。虚拟现实（VR）、增强现实 （AR）、全息等新媒体应用也同样值得关注。元宇宙概念的提出，使得人们对未来虚拟社会和物理社会的无缝衔接充满期待。可穿戴技术、机器人技术、可植入技术、超硅计算与通信技术的快速发展与应用，为业务创新奠定坚实的技术基础。新型业务的快速发展，将创造出新的生活方式、数字经济[2]和社会结构。

中国政府、运营商、设备商都提出了相应的要求或发展方向。《工业互联网创新发展行动计划 （2021—2023 年）》 提出，需要加快工业设备网络化改造，推进企业内网升级，推动信息技术（IT）网络与运营技术 （OT） 网络的融合，建设工业互联网园区网络；中国移动提出“5G+AICDE”（5G与人工智能、物联网、云计算、大数据、边缘计算的融合）发展战略；中国电信构建2030云网一体的融合网络架构；中国联通发布《CUBE-Net3.0》，确定“联接+计算+智能”的发展方向。

中兴通讯对未来网络提出的发展愿景是：运营、数据、信息、通信技术 （ODICT） 融合的网络 2030，使能网络绿色、智能、安全、确定、可管可控，最终实现万物智联。

新型服务模式

未来网络将提供算网一体服务,将从目前的“管道型”服务向计算、网络、存储一体化的新型基础设施服务演进。

未来网络不仅仅是“网络”，还是算网一体的智能化基础设施，将实现“算力无处不在，网络无处不达”的愿景。面对

各种行业应用和 AR/VR 实时业务对算力就近服务的需求，算力资源将从中心云的集中模式逐渐向云、边、端的分布式

模式转变。未来网络将把全网的算力资源、网络的精准传输能力更好地结合起来，并实现云、边、端三级算力的分配和

协同。同时，未来网络不仅提供“裸资源”的服务，还将成为互联网公共能力的提供者，比如提供人工智能（AI）平台

能力、大视频基础能力、内生安全能力等。未来网络提供的能力平台将带动各行各业的业务创新，促进整个社会数字服务的发展。

未来网络将对自身的网络架构、技术体系、运维模式进行智能化改造，以提高资源利用效率，降低成本和功耗。据

统计，信息通信技术 （ICT） 产业的能耗占到全球总能耗的6%。未来这个比例还将不断增长。未来网络将通过网络架

构的优化 （比如算网一体等）、资源利用率的提高、新型技术 （比如光电集成） 的应用，大幅降低流量/能耗比。未来

网络还将通过数字孪生等智能技术，促进整个网络的自动化运行，降低运维成本和出错率。

ODICT技术和架构的融合

网络的发展历程是业务需求驱动多领域技术不断融合发展壮大的过程。在通信技术 （CT）的基础上引入信息技术（IT），能够让网络组网变得更灵活，使上层应用接入网络变得更方便。ICT 技术的融合在推动网络发展的同时也推

动了IT技术的发展。网络与OT技术的融合，将加快工业设备的网络化改造，深化“5G+工业互联网”[3]，推动企业内网升级和外网建设。网络和业务的发展相生相随，相互促进。随着网络的发展，行业应用提出了新愿景。高清云游戏、工业视觉、元宇宙等需要网络在满足高带宽的同时也要满足低时延、网络确定性以及边缘高算力等需求。ICT 技术的融合，可使能网络基础更强健，在具备工业领域的低时延、低抖动、高可靠的确定性的同时，也具备满足元宇宙、扩展现

实 （XR）、工业视觉等领域的上行高带宽网络基础的需求。此时引入智能数据 （DT） 技术，网络将从能用走向好用，在用户体验优化、高效运维、安全保障等方面发挥巨大作用。随着 OT、DT、IT、CT 多领域技术的不断融合、相互促进，未图2 算网一体服务 来网络架构和技术将推动网络及多领域技术共同演进。

业务和网络的协同

在网络发展的历史上，业务和网络的关系曾经从“耦合”向“去耦合”的方向发展[4]。传统电信网的网络与业务层紧密耦合，业务功能由网络设备提供。网络提供单一的业务，比如公共交换电话网（PSTN）、数据网、电视网等。这种网络的优点是服务质量好，用户体验好；但缺点是业务体系封闭，不利于技术创新。

随着多媒体业务的发展，业务种类变得越来越丰富，业务和网络耦合的模式已不能满足业务发展的需要。电信行业逐渐将业务功能从网络中解耦出来，形成独立的业务网元，比如智能网、短信、IP多媒体系统 （IMS） 等。基于传输控制协议（TCP）/互联网协议（IP）的互联网把业务和网络的解耦发挥到了极致。互联网的两大设计原则是端到端原则和

分层解耦原则[5]。端到端原则把互联网的复杂性放在两端，使网络层尽可能保持简单；分层解耦原则尽量避免互联网层

间的内部交互。这种架构设计使得业务可以脱离网络而独立发展，降低了互联网业务的创新门槛，增加了业务部署的便利。

然而，目前互联网架构把业务和网络过分去耦合，使得两者处于互相割裂的状态。端到端原则隔离了两端和网络，

使得终端和云端无法感知网络的状况；分层解耦原则隔离了应用层和网络层，使得上层应用无法向网络传递个性化的需

求信息，最终绝大多数业务只能按照“尽力而为”的模式运行。随着互联网业务的纵深演进，尤其是产业互联网的发

展，业务和网络的割裂状态越来越不能满足业务的需求。例如，对传输质量有要求的业务希望网络能够提供确定性的传

输能力，即带宽、丢包率、时延都是可以预期的，而不仅仅是尽力而为的；对安全性有高要求的垂直行业则希望网络不仅仅提供传输功能，还要提供“有安全保障”的传输，即保持信息传送的完整、可靠、不被非授权访问；此外，还有的

业务希望感知网络的状态，如链路利用率、丢包率、缓存队列等，以便调整自身的传输窗口，保持最优的传输效率。

因此，业务和网络的完全耦合或者完全去耦合都不能满足未来的业务需求。在未来网络的架构中，业务和网络必须

以某种方式“再耦合”。这既能保持业务的独立性，又使得网络能够感知业务的关键需求，以便于精准匹配相应的服务

等级协议 （SLA） 策略。如何在未来网络的架构和协议方面建立业务和网络之间的桥梁，是未来网络面临的一大挑战

3 服务化平台

网络运营商是商用互联网的主要建设者和运营者。运营商投入巨资拓展网络覆盖范围，提升网络连接速度，极大地

促进了互联网的发展。如何在网络发展成功的同时，在业务方面也取得成功，是下一代网络需要考虑的。电信行业一直在发展“综合业务数字网”技术，以试图实现网络和业务的综合运营：从20世纪80年代末的综合业务数字网（ISDN）技术，到90年代的异步传输模式（ATM）技术和电信级IP综合承载网技术，再到2000年之后的IP多媒体子系统 （IMS） 技术。实践表明，电信行业从技术到标准再到应用的发展模式，无法在互联网业务的竞争中取得优势。互联网业务更注重商业模式灵活性、业务创新能力、迭代速度、资本运作等方面，而互联网服务商在这些方面更具优势，比如美国的Facebook、Amazon、Google，中国的BAT（百度、阿里巴巴、腾讯） 等。对网络运营商来说，与其在

业务创新方面下功夫，不如将自身定位为基础设施和平台的提供者，即从网络运营商扩展为基础设施和平台运营商。

网络运营商曾经对平台运营模式做过尝试。比如，在2010年前后运营商提出“智能管道”的理念，试图把网络功能开放出来供业务调用，但只有短信等少数功能的开放取得成功，而最为重要的网络服务质量的能力未能实现开放。例如，服务质量实现了像 DiffServ、IntServ、多协议标签交换流量工程 （MPLS-TE） 等技术标准的制定，同时新的分段路由流量工程 （SR-TE）、SR-Policy等技术标准也在制订之中，但这些技术只在运营商自营业务中得到部署，并没有得到更广泛的应用，尤其是没有和互联网服务商的业务相结合起来。

面对“新型服务模式”的愿景，未来网络应当成为一个服务化平台，不仅能提供网络连接服务，还能提供算、网、存一体化的基础设施服务，甚至通过进一步扩展提供共性能力的服务（比如安全能力、AI能力、大数据等）。未来网络提供的服务化平台，不同于目前云服务商提供的私有化的“烟囱式”平台。打破“平台垄断”是促进行业竞争、经济健康发展的需要。在这一点上，电信行业有自身的优势，不仅有成熟的标准组织和体系，还有互联互通的文化和传统。因此，未来网络的服务化平台是统一定义的、互联互通的平台。网络架构创新从 ODICT 技术和架构融合、业务和网络协同、服务化平台 3 个方面进行，包含算网一体服务化平台、网络能力提升、基础支撑技术等内容.

新一波潮流来袭：网络与计算之融合

从计算机诞生伊始，“计算”这个词汇便随着时代的变迁不断丰富着自己的内涵，IT从业者为了提高计算效率也给“计算”赋予了更多载体，高性能计算、云计算、量子计算都在通过各个领域为计算赋能。时代发展离不开网络，本文要讨论的话题就是——网络如何与计算融合。

为什么要关心计算和网络的融合？

计算与网络一直密不可分，网络与计算的高效融合也成为了未来计算发展的趋势。我们也可以看到与计算机相关的硬件和软件（如运行虚拟机的通用CPU、传统操作系统和编程语言）越来越多地被用于各类网络功能。诸如交换机，路由器和NIC之类的网络设备也正在变得可编程，以允许在网络中完成各类通用计算。

在以数据中心为代表的高密度计算集群中，应用呈多元化和分布化，更大的网络带宽也带来了海量数据，对I/O处理的计算需求也不断飙升，新型的网络功能虚拟化也在进一步蚕食CPU的算力，同时GPU的负载转移工作也是杯水车薪。

网络带宽远远超过计算能力

目前，服务器网络带宽正面临快速增长。200Gbps以太网网卡已经成为主流，厂商还在不断研发新的400Gbps NIC，而1Tbps很快将成为下一个目标。另一方面，处理网络I/O的计算容量空间正在不断缩小。例如，对于典型的使用32字节键值的键值存储，为了在100 X86 CPU内核的情况下保持400Gb/s的线速，一个内核大约需要500个周期来处理每个键值对。即使在这种理想的假设下，这种微不足道的计算能力也仅仅能够在网络堆栈中执行一些LLC或内存访问，留给应用程序逻辑的东西少得可怜。换句话说，未来具有线速I/O处理需求的应用程序注定要受到CPU和内存的限制。

多年来，各种底层网络层功能已经被应用到了网卡硬件中。这些硬件卸载构成了网络I/O处理的主干，范围从简单的分散聚集I/O、校验、计算和数据包分段到完整的传输层加速器，如TCP卸载和RDMA。

商用服务器对于线速I/O的低延迟处理需求达到了前所未有的高度，硬件无法跟上数据中心网络工作负载的快速变化。例如，用于访问网络附加存储、新标准和隧道格式的压缩技术都在快速发展，超过了ASIC开发和部署的生命周期。此外，数据中心网络范式从专有的中间盒，例如防火墙和***检测系统，转变为虚拟网络功能(VNF) ，这也进一步推动了计算需求。VNF给CPU的网络处理带来了负担，并且也对计算提出了更高的要求。

CPU和GPU的挑战

网络I/O的性能问题长期以来一直备受关注，其重点在于消除操作系统网络堆栈中的低效率以及优化NIC-CPU交互。目前实现VNF的常用方法是完全绕过网络堆栈，直接从用户级库（例如DPDK）访问原始数据包。此外，CPU和NIC硬件提供了几种机制来提高I/O处理的效率，例如，将数据直接引入CPU LLC（DDIO），并通过减少CPU内核之间的缓存争用(例如，接收端扩展)和降低中断频率(例如，中断调制)来提高可扩展性。但即使采用了这些增强功能，在10Gbps的速度下依旧需要多个CPU内核来执行公共网络功能。此外，现有系统也会因为CPU资源争用而导致延迟增加，包处理性能也出现波动。
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