专家报告1-未来网络发展趋势与思考（2016-5-27，海口，CERNET）.pdf
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未来网络发展趋势与前景 刘韵洁 2016－05－27 提 纲 第一部分 未来网络技术的进展情况 第二部分 对未来网络发展趋势的思考 第三部分 未来网络试验设施(CENI)项目 互联网面临严重挑战，未来网络迎来发展机遇 未来网络 （第三代互联网） 网络功能： 传输信息消费型生产型 第一代互联网 与实体经济深度融合 工业互联网 第二代互联网 能源互联网 车联网 互联网面临的 万维网 主要问题 … 电子商务 可扩展性 军事与科研 阿帕网 安全性 可控可管性 能耗问题 1969 1989 1990 2009 2010 时间 3 互联网取得巨大成功，但仍面临严峻挑战 挑战1：传统网络结构不灵活，不能适应涌现的新业务需求， 服务质量难以保证，产业价值链难以为继。 挑战2：互联网流量飞速增长，信息冗余传输严重，难以适应 未来信息海量增长的需求。 挑战3：信息网络和传统行业深度融合，但现有网络在实时性、 安全性、灵活性等方面难以满足应用需求。 4 挑战1——基础网络设施扩容缺乏有效商业模式支撑 OTT业务爆炸式发展对运营商网络造成极大冲击。 谁愿无偿承担OTT业务的基础网络建设？ • 2014年11月，AT&T宣布停止高速光纤互联网投资。 若没有完善的基础网络支撑，OTT也将失去明天。 基础网络设施 5 挑战1——互联网服务商期待更好的网络服务质量 据调查，85%用户愿意为更好的业务体验支付最高25%溢价。 网站的访问体验很大程度上直接影响企业的收益 6 挑战1——互联网服务商期待更好的网络服务质量 2013.01，Google与法国电信达成合作，以向后者额外付费的方式获取流量 的优先级权限。 美国Netflix视频服务占据北美互联网下载流量的近三分之一，其所需的巨 大流量让有线电视运营商的网络负载过重。2013年10月开始，Comcast订阅 用户在黄金时段获取Netflix视频内容的平均数据流速度下降了27%。2014年 2月，Netflix同意向Comcast付费，以确保其用户获得更快的网速。 7 挑战2——全球IP流量快速增长，难以适应未来增长需求 单位PB 互联网流量发展情况 据 Cisco 研 究 报 告 ， 2015 180000 年全球每月IP总流量达到 160000 140000 59.9EB，预计到2019年， 120000 每月将达到168.4EB。 100000 80000 视频流量将会占据大部分 60000 的网络流量，思科公司预 40000 20000 测到2019年，视频流量将 0 2014 2015 IP总流量 2016 视频流量 2017 2018 CDN承载流量 2019 占所有IP流量的80%。 以移动互联网为代表的全球IP流量高速增长，给运营商网 络基础设施带来巨大压力及挑战。 8 挑战2——网络内容大量重复传输 互联网大量内容重复（冗余）传输 – 图片、微博、视频等大部分内容分发型应用存在大量重复传输问题 • 在线视频流量将会占据互联网90%流量（ Cisco预计） • 视频重复传输问题严重，优酷在2014年第二季度有7部电视剧播放量过3亿次 视频流量快速增长 优酷大量视频重复传输 9 挑战3——互联网与实体经济深度融合是发展必然趋势 ——“互联网+” “互联网+”不仅是互联网应用的扩展，更强调与传统行业深度融合。 “互联网+”与工业互联网、工业4.0、中国制造2025等在理念上是一脉 相承的。 中国：“互联网+”战略、中国制造2025 美国：工业互联网 德国：工业4.0 英国：英国制造2050 日本：机器人新战略 全球各国“重金融、轻工业”的思维开始扭转，纷纷制定国家级 战略，推动互联网与传统行业融合，抢占发展制高点。 10 互联网与实体经济深度融合是发展必然趋势 ——工业互联网的新需求 全球工业系统与高级计算、分析、感应 技术以及互联网技术融合。通过智能机 器间的连接并最终将人机连接，结合软 件和大数据分析，重构全球工业、激发 生产力。 传输数据 传输结果 形成可视 化结果 云网络： 分析数据 工厂： 产生数据 控制/调整 工业生产 分享结果 控制信令 给互联网带来的挑战： 安全可靠：工业数据传 输对安全性要求很高 实时性：控制/调整工业 生产信令需实时下达 服务等级区分：付费不 同的工厂可以得到不同 的QoS服务 海量数据处理能力 11 美国工业互联网案例 ——通用电气（GE）公司 • 2011年，GE在硅谷建立了全球软件研发中心，启动了工业互联网的开发， 包括平台、应用以及数据分析等； • 2012年11月，GE发布《工业互联网—冲破思维与机器的边界》报告，将工 业互联网称之为200年来的“第三波”创新与变革； • 2013年，GE宣布将在未来3年投入15亿美元开发工业互联网； • 2014年3月，GE与AT&T、思科、IBM和英特尔发起成立工业互联网联盟 • GE公司预测，如果工业互联网能够使生产率每年提高1%-1.5%，那么未来 20年，它将使美国人的平均收入比当前提高25%-40%；如果世界其它地区 能确保实现美国生产率增长的一半，那么工业互联网在此期间会为全球 GDP增加10万亿-15万亿美元。 未来网络已成为全球竞争焦点 美国 未 来 2014年 美国科学基金会 FIA-NP计 划（Future Internet 互 Architecture Next Phase） 联 2010年 美国科学基金会FIA计划 网 （Future Internet 基 Architecture） 美国科学基金会 础 2005年 FIND计划（Future Internet 研 Design） 究 提供网络实验环境 未 来 互 联 网 试 验 网 研 究 欧盟 Horizon 2020 FIRE计划（Future Internet Research and Experiment) 日韩 标准组织 日本：AKARI、 2011年，ONF(开放网络联盟，1500 RISE +会员） 2012年，NFV(网络功能虚拟化，230 FIBRE FIRE计划与巴西合作 韩国：K-GENI +会员） 2013年，OPEN DAYLIGHT ECIAO (开源网络操作系统，154 +会员) FIRE计划与中国合作 2014年，OPNFV（开放网络功能虚拟 奠定理论技术基础 化，55+会 员） 产业界 德国G-LAB 韩国ETRI 欧盟FIRE 中国CENI 日本JGN2plus 澳大利亚 NICTA 美国GENI， 200+节点 美国：AT&T 、思科、 IBM、微软 、英特尔、谷歌、亚马逊 欧盟：德国电信，西班牙电信、 Vodafon、BT、 日本：NEC，NTT 13 学术进展：未来网络的一些候选方案 内容中心网络(CCN) 软件定义网络(SDN) 云网络(Nebula) 可表述网络(XIA) …… …… 未来移动网络(MobilityFirst) 可选网络(ChoiceNet) …… 14 产业进展：向开源方向转变 各个标准组织正在全力推动SDN/NFV产业生态链建设 + 由过去的“注重标准”向“标准与开源”并重转变 15 产业进展：向开源方向转变 1)控制平面——开源网络操作系统 2013年4月，思科、IBM、微软等18 家 联 手 合 作 建 立 开 源 SDN 项 目 OpenDaylight，打造开源网络操作系 统。 2014年12月，斯坦福大学和加州大学 伯克利分校SDN先驱创立的非营利性 组织ON.Lab也紧锣密鼓地推出了自己 的开源SDN操作系统——ONOS。 现状：1)各家利益正在多方博弈； 2)北向接口与东西向接口协议刚刚开始讨论； 3)扩展性、可用性、性能等方面还有很大空间。 16 产业进展：向开源方向转变 2)数据平面——Google、Facebook、AT&T拥抱开源 积极推动开源硬件设备定制 自2004年到2012年，Google数据中心交换吞吐 率从2T上升到1.3P，通过定制开源硬件，依赖 可扩展性极强的网络架构对其交换和处理能力 进行横向叠加，在性能、功耗、成本上取得最 佳折衷 Facebook于2011年发起Open Compute Project （OCP），Google、AT&T、Microsoft等公司积 极参与贡献开源硬件设计 Facebook’s open hardware modular switch 高性能网络设备数据平面开源软件化 Intel公司推出基于软件的高速数据平面DPDK ，可以在通用处理器上达到100Gpbs吞吐率， 逐渐接近传统专用硬件设备的转发速率 Cisco公司2016.2开源了自己的高性能数据平 面产品fd.io（The Fast Data Project），提 出数据平面的通用加速架构 SW/HW Architecture of Open Source Switch 17 SDN、NDN技术发展成熟度预测 SDN NDN 2015年，NDN技术正式被Gartner纳入技术发展成熟度曲线 18 AT&T Domain 2.0计划：网络转型 开 放 • 通过API方便第三方参与， 简 洁 • 剔除服务和运营中复杂的 灵 活 商业云计算环境 增加AT&T的供应商和合作 租户应用 和虚拟机 伙伴数量 租户应用 和虚拟机 API和动态策略控制 内容，支持更加灵活的业 务模式 • 满足不断变化的客户需 求， 多样化的性能和可 靠性要求，提高资本运营 网络功能虚拟化基础设施云 无线访问 宽带光纤访问 虚拟化 设备 … 虚拟化 设备 云功能 设计 分组和光纤传输 效率 2013年11月，AT&T发布Domain 2.0愿景白皮书。 2014年9月，AT＆T宣布基于SDN的“按需服务网络(On Demand Networking)” 19 AT&T Domain 2.0计划进展情况 SDN/NFV：2015年原定计划5%，实际完成5.7%，2016年目标 提升至30%，2020年目标75% 开源软件：使用率从5%提升至10%（Open Daylight、ONOS 、OpenStack、Open NFV） 综合云数据中心（AIC）：2015年全球建设69个，目前已经 完成至74个 AT&T启动13万员工再培训计划，每周培训时间10-15小时。 5年内裁员30%。 AT&T 成立创新实验室及孵化器，孵化企业超过1000家， 主导产业生态，激发创新活力。 20 其他网络转型计划 Google：B4 China Moblie：NovoNet2020 Deutsche Telekom ：Terastream ChinaUnicom：CUBE-NET 21 提 纲 第一部分 未来网络技术的进展情况 第二部分 对未来网络发展趋势的思考 第三部分 未来网络试验设施(CENI)项目 22 驱动未来网络技术发展的新需求 Security Hyper Scale Cloud Service Data Analytics 5G IOT 23 服务定制网络（SCN） • 简单、开放、可扩展 • 安全可靠 • 融合 • 高效、灵活调控网络及信息资源 服务定制网络（SCN） Service Customized Network 24 交通运输体系给我们的启示 交通运输体系差异化运输方式： 普通公路不收费 高速公路收费 普通列车低收费 高铁高收费 水运低收费 航空提供差异化服务高收费 用户可根据需求，选择不同交通运输方式，并支付不同费用。 目前互联网不按照流量收费，类似于普通公路不收费：都保证不了服务质量。 网络能够灵活提供差异化服务质量保证，势在必行。 25 服务定制网络SCN——系统架构 创新：服务定制网络架构SCN • SCN(Service Customized Network) 攻克组网核心技术和三大核心 平台 获得国际知名专家高度认同 ISP1 ISP2 内容与服 务层 综合业务管 理平台 统一内容 管理系统 为我国未来网络发展 奠定了技术基础。 信息处理与 数据挖掘 内容感知 4 资源控制与 管理层 2 3 DNS解析器 1 接入网关 5 4 区域分级资 源管控调度 3' 3'',4'' 全网资源调度 与管控中心 资源管控调度 中心 4' 基于层次化结 构的资源管控 云联邦 区域分级资 源管控调度 DNS解析器 网络感知 6 基础网络 互联互通 AS3 AS1 虚拟化 AS2 数据中心 用户终端设备 控制中心互 联互通 物理基础 设施层 企业网络 路由交换 设备 内容管控及调度平台 软件定义路由器平台 大数据测量感知平台 服务可定制、服务可迁移、服务可感知 26 基于SCN架构的未来网络试验网（2013.08.08开通） • 已在南京、北京、上海、 广州、西安等26个主要城市 完成部署。 • 国内80多个创新团队以及 美国XIA、欧盟团队在试验 网中进行试验。 • 已与现有互联网及欧美未 来网络实验网互联互通。 虚拟网络（128个） 车联网 未来网络将 与实体经济 深度融合。 能源互联网 工业互联网 “普通马路” “高速公路” “专用车道” “高铁” “飞机” 27 SCN体系架构得到了国际相关知名专家的高度评价 Scott shenker，SDN主 要提出者，美国工程院 院士，UC Berkeley教 授：与SDN 2.0传递相同 信息 Serge Fdida，巴黎第 六大学副校长，欧盟未 来网络试验设施 OneLab、OpenLab等主要 负责人：联邦机制对于 未来网络试验设施至关 重要 Dan Pitt，ONF执行主 席，中国在SDN商业化方 面走的很快，SCN理念和 ONF理念很接近。 Wei Zhao，澳门大学校 长，前美国国家科学基 金会(NSF)计算机与网络 系统分部主任，IEEE Fellow：CENI非常适合 Wintenet实现验证 Peter Steenkiste，美 国CMU教授，未来网络体 系结构XIA项目负责人， IEEE Fellow：希望XIA 在CENI上部署验证 28 提 纲 第一部分 未来网络技术的进展情况 第二部分 对未来网络发展趋势的思考 第三部分 未来网络试验设施(CENI)项目 29 未来网络试验设施项目 (CENI: China Environment for Network Innovations) 实验验证是互联网研究的基本方法。网络技术的创新与应用需要 一个大规模、国家级的实验网络平台。 体系结构理论创新 关键技术与机制突破 互联网面临安全、扩展、能耗 等可持续发展挑战 工业互联网、能源互联网、互 联网+等互联网与实体经济结 合提出新需求与挑战 核心设备与系统研发 大规模组网验证测试 试验验证是网络研究、设备开 业务创新与验证 发、应用创新的基本方法 CENI：全面提升网络创新能力，增强网络产业核心竞争力，保 障网络空间安全，确保网络可持续发展 30 未来网络试验设施(CENI)项目 2013年2月，国务院8号文件将该项目列入“国家重大科技基础 设施建设中长期规划（2012-2030）” 2015年8月，在发改委的组织下未来网络试验设施项目（CENI）正式立项， 江苏省未来网络创新研究院作为总牵头单位，同时汇聚国内60多所高校、40 多个科研院所与企业开始研发建设工作。 31 未来网络试验设施(CENI)总体建设目标 ● 统一顶层设计 ● 多网各具特色 ● 资源充分共享 ● 需求驱动发展 云数据中心 试验工具与测量设施 40/100G 网络测量平台 流量仿真系统 4个云数据中心 （南京北京合肥深圳） 安全攻击模拟器 骨干交换网络覆盖40个城市 … PVR PVR PVR PVR PVR 40/100G PVR PVR 边缘网络 边缘网络 4G/5G网络 WLAN 传感器网络 … 4G/5G网络 …… 40个城市建设100个边缘网络 WLAN 传感器网络 … 32 基于CENI平台可开展各类创新性工作 骨干网改造提升实验验证 基于数据中心重构网络实验验证 光与IP网络融合实验验证 5G网络新型体系架构实验验证 4K视频业务分发实验验证 网络操作系统实验验证 业务编排系统实验验证 运营商网络大数据实验验证 …… 33 (1) 骨干网改造解决思路 趋势与挑战：大量高性能复杂设备(专用架构)、硬件成本和维护成本高昂， 缺乏可扩展性 多机箱Multi-Chassis架构 SDN/NFV架构组网 高能耗、高价格、僵化 节能、低成本、灵活性 演进及部署路线（两步走）： • 第一阶段：Underlay层维持不变，重点在Overlay层进行软件定 义和虚拟化改造，优化网络性能 • 第二阶段：Underlay层的设备也逐步SDN/NFV化，降低成本 34 (2) 基于数据中心云架构重构网络 趋势：数据中心发展对传统网络模型带来巨大变革 • 拓扑结构扁平化 – 传统层次化 密集互联的扁 平化 – 内容供应商建立自己的大型骨 干网络，如Google, Facebook – 网络供应商开始提供CDN或云存 储服务与应用 • 网络流量趋势转移 – 近两年大部分跨域网络流量增 长直接发生在大型内容供应商 、CDNs以及用户接入网络之间 – 而不是在传统的几大网络供应 商之间 Ref: Craig Labovitz, Scott lekel Johnson, Danny McPherson, Jon Oberheide, and Farnam Jahanian. Internet Inter-Domain Traffic. In Proc. of ACM SIGCOMM ’10 35 网络流量模型的变化趋势 36 运营商网络转型：构筑以DC为中心的网络架构 本地DC 区域DC 网络云 中心DC 区域云业务 NFV SDN控制 业务云 云业务 家庭 企业 CO 汇 聚 R 城域网 R R DCI（新建） R Internet骨干 R Internet R 基站 省内 跨省 1. 规划布局数据中心，打破区域限制，以人口、流量、距离等因素规划DC布局 2. 按照云业务特征，设计网络架构，差异化OTT云服务，保障不同云业务的服务质量 3. 统一云平台架构，采用统一的云基础设施同时承载网络云和业务云 37 超大规模数据中心网络(MSDC)解决思路 Alibaba Controller NETCO NF 基于Overlay和Underlay分 REST API To DC Router Vendor Controller 层架构实现网络流量调度 96*40GE DSW (DC Switch) Region 1 Region 2 • Overlay层，基于SDN实现，高 效扩展性、负载均衡、集 PSW (Pod Switch) PoD 1 PoD N 中控制带来的流量优化 4*40GE ASW (Access Switch) … … … • Underlay层,基于三层IP硬件 交换机实现VXLAN 40GE Link 10GE Link GE Link POD Scale: 2xPSW, 16xASW, 384xServer Site Scale: 44xPoD, totally 8 DSW, 88xPSW, 704xASW, 10KxServer VM Scale: 30 VM per Server, 300K VM per DC 虚拟机规模: 单数据中心 30万虚机 38 边缘网络端局云化解决思路 企业网 互联网边 缘 自助门户 CPE 支持任意接入（安 全宽带/租用线路） 家庭网 vRouter Internet 云 VNF服务链 CPE 基于云的智能发现、请求、业务编排自 动化与管理 该平台优势 • 提供一揽子解决方案，建立一个包含运营商、软件提供商、云服务等等的生态圈。 • 解决了企业网和云端虚拟数据中心的安全管理问题，所有的服务器、终端一律可控 可管。 • 提供基于大数据的分析报告，帮助中小企业提供运营效率。 39 城域网基础设施云化解决思路 WAN WAN P P P Leaf Leaf Leaf Leaf DCI DCI PE PE Access Access P PE PE Access Access Man Fabric 大地云网一体化设计 CDN NfV DC DC 未来城域网也可以基于Leaf-Spine架构进行重构 40 (3) 传送网“光+IP融合”解决思路 消费者门户 10G Connection from NodeA:PortA to NodeZ:Port Z with latency less<10ms ONOS 控制器 光网络与IP网络的融合与协同组网 DC1 DC2 OVS3 OVS5 IP OVS1 IP OVS4 OVS2 IP IP IP 光电路重路由 光电路 R7 OE4 OE2 OE1 OE7 ROADM ROADM ROADM ROADM ROADM OE3 ROADM OE5 OE6 ROADM 来源：ONRC Use Case 41 (4) 5G网络按需适配新型架构 网络切片 • 通过网络编排与管理系统对具体场景需求进行网络功能剪裁和按需组 (SDN/虚拟 网部署，以满足不同场景对带宽、时延、服务质量等差异化要求。 化) 网络功能 • 采用标准的IT虚拟化技术，在通用硬件设备上，以软件形式部 虚拟化NFV 署各种功能模块 42 (5) 高可用高可靠大网级网络操作系统 关键技术 • 网络操作系统的虚 拟化切片能力 • 大规模可扩展组网 架构(东西向) • 北向服务封装与能 力开放 • 云网协同、端到端 的业务编排系统 43 (6) 4K高清视频业务内容调度分发平台 面向4K、8K等发展趋势，面向海 量高清视频文件的广域传输需求 ，采用两级架构，在天津、北京 、江苏、广东、重庆开展跨域实 验 该实例基于实验平台构建原型系统，用于验证海量信息资源智能感知、调度、动态灾备等 功能 利用各级数据中心和云网络资源，结合SDN控制能力构建新一代内 容分发平台，可向CP直接开放能力和接口，构建新的产业生态。 44 (7) 物联网 50.1 Billion Devices @ 2020 根据Cisco报告，预计到2020年，全球将会有500亿的设备采用物联网进 行连接 根据Gartner估计，到2020年，物联网将会培育1.9万亿美元的市场，包 括医疗、制造、农业、运输、能源、零售、环保等大型行业 物联网设备海量性、异构性、安全性、时延等方面对网络提 出巨大挑战，可基于CENI网络实验验证：可扩展的网络编址 技术、灵活的网络管控、异构自组网机制。 未来网络是中国实现弯道超车难得历史机遇 全球互联网用户在2015年将超30亿 ，中国用户6.69亿，占全球22%（ eMarketer） 中国互联网用户数是美国2.5倍 中国=美国+印度+巴西+日本+俄罗斯 (用户数) 来源：eMarketer，2014年11月 梅特卡夫定律：网络的有用性（ 价值）随着用户数量的平方数增 加而增加。 中国在未来网络领域已开展的布局 2013年2月，国务院8号 文将CENI项目列为“国 家重大科技基础设施建 设中长期规划”。 2011 年 11 月 ， 江苏成立未来 网络创新研究 院。 2015年，天地一体化信 息网络重大工程立项。 2015年6月，北 京市在北京工 业大学成立未 来网络创新高 精尖中心。 2016年，科技部宽带通 信与新型网络重点项目 准备立项。 2016，国家自然基金委 重大研究计划—计算、 存储、传输一体化的未 来智能互联网正在准备 立项。 2016 年 ， 北 京 协同创新研究 院未来网络协 同创新中心。 47 结束语 1.面向全球“产业互联网”发展的大潮，对网络提出 了一系列新的要求与挑战，未来网络与实体经济结 合，将有十分巨大的市场前景 2.全球运营商、设备商、 大学、研究机构各方可以更 多的联合创新，在网络核心技术方面突破 3.积极开展体制机制创新，探讨新的激励机制，加强 行业技术的人才培养 48