作者 ｜ 黃玉棟，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博一在讀，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，確定性網(wǎng)絡(luò)，郵箱地址: hyduni@163.com.

當(dāng)前，確定性網(wǎng)絡(luò)已成為全球研究熱點(diǎn)和迫切需要的重點(diǎn)方向。一方面，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大戰(zhàn)略背景下，鋼鐵、石油、礦井、港口、物流、生產(chǎn)制造等行業(yè)與ICT技術(shù)深度融合，接入設(shè)備海量增長，傳統(tǒng)的總線網(wǎng)絡(luò)逐步被標(biāo)準(zhǔn)化的確定性以太網(wǎng)取代，確定性網(wǎng)絡(luò)將助力產(chǎn)業(yè)向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)降本增效。另一方面，新興的時(shí)間敏感的場景與應(yīng)用，比如車聯(lián)網(wǎng)、元宇宙、全息通信、遠(yuǎn)程遙操作、遠(yuǎn)程診療、遠(yuǎn)程駕駛、遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)、沉浸式實(shí)時(shí)旅游、交互式遠(yuǎn)程教育、線上交互演奏音樂會(huì)、觸覺互聯(lián)網(wǎng)，激發(fā)了人們對(duì)未來互聯(lián)網(wǎng)更大的想象空間，一張帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包等服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)格有保障的網(wǎng)絡(luò)，將開啟一個(gè)全新的互聯(lián)時(shí)代，并帶來萬億級(jí)的藍(lán)海市場。

以元宇宙應(yīng)用為例，從技術(shù)發(fā)展歷史來看，互聯(lián)網(wǎng)正從傳遞信息的app應(yīng)用向與生產(chǎn)、生活、健康、娛樂深度融合的元宇宙演進(jìn)。2010-2020年，伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)，誕生了抖音、微信、淘寶等國民級(jí)應(yīng)用。2020年至今，新一輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革開始，F(xiàn)acebook更名為Meta，谷歌Map推出沉浸式實(shí)景三維地圖，微軟收購游戲巨頭動(dòng)視暴雪，字節(jié)收購VR創(chuàng)業(yè)公司Pico，騰訊發(fā)力XR全真互聯(lián)網(wǎng)，國內(nèi)外巨頭紛紛布局搶占“元宇宙”制高點(diǎn)。此外，對(duì)蘋果、小米等硬件廠商而言，2022年一季度全球手機(jī)出貨量下滑11%，3月國內(nèi)手機(jī)市場出貨量更是同比下降40.5%，那些能帶來全新交互體驗(yàn)的頭顯、眼鏡、耳機(jī)、手表、手環(huán)、手柄等智能穿戴設(shè)備或顛覆手機(jī)屏幕，成為新的增長點(diǎn)。

未來十年，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施能否實(shí)現(xiàn)海量“人-機(jī)-物”實(shí)時(shí)互聯(lián)互操作將是中國能否率先孕育出元宇宙的關(guān)鍵。然而，互聯(lián)網(wǎng)作為其中的核心環(huán)節(jié)，目前還不具備確定性的時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等服務(wù)質(zhì)量保障能力，不確定的時(shí)延將導(dǎo)致沉浸式體驗(yàn)卡頓、交互暈眩、用戶勸退、甚至可能發(fā)生安全事故。因此，必須應(yīng)用未至，網(wǎng)絡(luò)先行。

網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)充滿不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，它包括了終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、以及計(jì)算存儲(chǔ)資源；橫向看，網(wǎng)絡(luò)要經(jīng)過多個(gè)自治域，比如局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)、骨干網(wǎng)、云數(shù)據(jù)中心；縱向看，網(wǎng)絡(luò)涵蓋了5G、WiFi、光、以太、TCP/IP、Quic、http等從硬件板卡到軟件操作系統(tǒng)不同層次的精妙協(xié)議技術(shù)。互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展五十多年里已被千錘百煉，“盡力而為”轉(zhuǎn)發(fā)是它的根基，要求它具有確定性反倒有點(diǎn)方枘圓鑿，像好看想買的新鞋總是不那么合腳。

為了讓傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能夠平滑演進(jìn)到確定性網(wǎng)絡(luò)，更為了方便討論研究，本文提出可能的三點(diǎn)原則，供大家定義確定性網(wǎng)絡(luò)。

確定性網(wǎng)絡(luò)的前提是確定性流量

如果我們能嚴(yán)格的保障應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量，那一定是因?yàn)槲覀冏銐蛄私鈶?yīng)用的流量。計(jì)算機(jī)、手機(jī)產(chǎn)生的是用戶流量，一般其流量到達(dá)曲線可被視為泊松分布，也就是用戶使用的時(shí)候流量持續(xù)發(fā)一段時(shí)間，不用的時(shí)候變得很小，海量流量匯聚的時(shí)候曲線變?yōu)檎龖B(tài)分布，因此具有長尾時(shí)延；傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)用不感知，只能盡力地去優(yōu)化帶寬，降低平均時(shí)延。而在工業(yè)場景，傳感器、控制器、執(zhí)行器產(chǎn)生的是機(jī)器流量，他們的流量特征是非常明確的，比如控制指令每1ms發(fā)送一個(gè)100字節(jié)的數(shù)據(jù)包，占用0.8Mbps的帶寬，其到達(dá)曲線是沒有突發(fā)的平均分布。

此外，計(jì)算機(jī)TCP擁塞控制的慢開始、快重傳等特性會(huì)帶來大量的流量突發(fā)，而工業(yè)設(shè)備（比如PLC）很多沒有TCP/IP協(xié)議棧，其在二層MAC直接封裝成幀就發(fā)送出去了。以車載網(wǎng)絡(luò)為例，其除了影音娛樂外大多數(shù)都是機(jī)器類的確定性流量，符合這一原則，因此用基于以太網(wǎng)的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)去替換車內(nèi)亂如麻的總線，達(dá)到降低車身重量、增大車身空間、提升汽車智能化水平是完全可行的。

那如果流量稍微復(fù)雜點(diǎn)，不是完全確定的，確定性網(wǎng)絡(luò)還能行嗎？能行。這時(shí)我們需要讓網(wǎng)絡(luò)去感知應(yīng)用，和應(yīng)用簽訂SLA服務(wù)等級(jí)協(xié)議，比如承諾最大帶寬和突發(fā)度，再根據(jù)需求沿路徑預(yù)留帶寬、時(shí)隙、緩存等網(wǎng)絡(luò)資源。所以，確定性網(wǎng)絡(luò)通常也和全局控制、接入控制、建立連接、資源預(yù)留、網(wǎng)絡(luò)演算等技術(shù)相關(guān)。如果流量不按承諾的來，則超發(fā)的流量可能會(huì)被丟棄，或者通過各類流量整形的方式使其滿足承諾的流量到達(dá)模型，當(dāng)然整形本身也會(huì)引入額外的時(shí)延。更進(jìn)一步地，如果是完全任意的流量，那確定性網(wǎng)絡(luò)則無從談起。

因此，“確定性”等價(jià)于加約束，約束越多，則越確定，“確定性流量”就是“確定性網(wǎng)絡(luò)”中最大的一個(gè)前提約束。

確定性流量只占一小部分

假設(shè)我們建了一張確定性的網(wǎng)絡(luò)，端口速率是100G，那我們能承載100G的確定性流量嗎？這幾乎是不可能的。而如果確定性流量只占10G，剩下的90G都依然是盡力而為的流量，這就比較能辦到。接下來以食堂排隊(duì)場景和救護(hù)車場景分析為什么確定性流最好只占一小部分。

在食堂排隊(duì)場景中，假設(shè)一個(gè)公司有1000名員工，他們都在中午12點(diǎn)下班同時(shí)去食堂用餐，則排在隊(duì)伍后面的人必然面臨更長的等待時(shí)間。由于大家都是平等的，無論調(diào)度怎么優(yōu)化、怎么插隊(duì)，最后一名“確定性員工”都得不到好的時(shí)延抖動(dòng)保障。網(wǎng)絡(luò)資源是有限的，網(wǎng)絡(luò)的確定性和資源的復(fù)用性是磁鐵的兩極。比如拉光纖的專線確定性極高，但其只能點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，沒法路由交換和多播，資源復(fù)用率低下；以太網(wǎng)采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用，資源利用率高，但當(dāng)帶寬利用率達(dá)到30%-50%或更高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的丟包，又需要硬切片、優(yōu)先級(jí)隊(duì)列等方式去做隔離，降低資源復(fù)用率，從而提高確定性保障。

在救護(hù)車場景中，高速公路上有專門的應(yīng)急車道，同時(shí)普通車輛也會(huì)主動(dòng)為救護(hù)車讓出道路資源，因此救護(hù)車得到了優(yōu)先傳輸?shù)臋?quán)利，能在確定的時(shí)延內(nèi)到達(dá)目的地。在有許多的救護(hù)車的情況下，我們也可以通過調(diào)整紅綠燈等方式，讓救護(hù)車之間互相保持距離，在時(shí)間和空間上隔離開即可。此外，這也很好的解釋了確定性網(wǎng)絡(luò)不會(huì)取代傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，因?yàn)樗乔跋蚣嫒莸模瑐鹘y(tǒng)的盡力而為流量依然可以跑在普通的大馬路上。

因此，確定性等價(jià)于優(yōu)先權(quán)，而優(yōu)先權(quán)注定了確定性只能占一小部分。

確定性、靈活性、可擴(kuò)展性三者只能取二

在早期技術(shù)演進(jìn)中，有ATM和以太網(wǎng)之爭，ATM通過建立連接傳遞信元的類似電路交換的方式是可以嚴(yán)格保證服務(wù)質(zhì)量的，但其沒有得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)的QoS技術(shù)中有DiffServ和IntServ兩大模型，其中IntServ通過端到端RSVP資源預(yù)留的方式也能為特殊的應(yīng)用提供確定性服務(wù)質(zhì)量保障，但因?yàn)樾枰S護(hù)每流狀態(tài)導(dǎo)致技術(shù)缺少可擴(kuò)展性，無法應(yīng)對(duì)海量流量的場景，因此也沒有得到廣泛應(yīng)用。最終，兼具靈活性和可擴(kuò)展性的以太網(wǎng)/IP一統(tǒng)天下。

由于以太網(wǎng)具有帶寬大、成本低、兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在我們想基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)，總要有舍棄。要了確定性，則靈活性和可擴(kuò)展性是魚和熊掌不能得兼。比如在局域網(wǎng)范圍內(nèi)，我們通過一些技術(shù)可以建一張動(dòng)態(tài)靈活的確定性網(wǎng)絡(luò)，但一定會(huì)受限于網(wǎng)絡(luò)半徑和跳數(shù)等因素。如果我們想擴(kuò)展到大網(wǎng)，想要在復(fù)雜拓?fù)浜秃Ａ苛髁繄鼍跋聦?shí)現(xiàn)確定性傳輸，要了可擴(kuò)展性，則靈活性一定會(huì)大打折扣。而如果一個(gè)方案確定性、靈活性、可擴(kuò)展性三者兼具，那我們很可能需要思考它的技術(shù)復(fù)雜度和成本昂貴程度是否合適，以及商用落地的可能性。