我們目前日常使用的互聯(lián)網(wǎng)就好比是一條普通馬路，堵堵停停，時延抖動難以控制。而確定性網(wǎng)絡則是利用新技術(shù)構(gòu)建的“信息高速鐵路”，是一條近乎完全暢通的道路，時延抖動是可控的，可按用戶需要提供差異化服務，能有效解決工業(yè)制造、清潔能源、元宇宙等領域的精準控制問題。
——劉韻潔 中國工程院院士、網(wǎng)絡通信與安全紫金山實驗室主任
◎本報記者 金 鳳
不久前，在南京召開的第六屆未來網(wǎng)絡發(fā)展大會中，中國工程院院士、網(wǎng)絡通信與安全紫金山實驗室主任劉韻潔團隊研發(fā)的“全球首個廣域確定性網(wǎng)絡系統(tǒng)”正式發(fā)布。何為確定性網(wǎng)絡，它將為我們的生活和城市發(fā)展帶來什么？
在劉韻潔看來，確定性網(wǎng)絡技術(shù)可為數(shù)據(jù)傳輸提供質(zhì)量可確定的帶寬、時延、抖動等服務，可為元宇宙、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、電力、車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等領域提供準時、準確的信息傳輸服務。
確定性網(wǎng)絡打造信息“高速鐵路”
近年來，隨著高清實時視頻流與工業(yè)機器控制等網(wǎng)絡應用的增多，傳統(tǒng)網(wǎng)絡“盡力而為”的數(shù)據(jù)傳輸方式越來越難以支撐未來互聯(lián)網(wǎng)應用對差異化、確定性、低時延網(wǎng)絡的需求。例如，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)上傳和控制指令下發(fā)、遠程機器人手術(shù)、無人駕駛、虛擬現(xiàn)實游戲等，需要將端到端的時延控制在1—10毫秒，將時延抖動控制在微秒級，傳統(tǒng)網(wǎng)絡難以滿足以上要求，無法實現(xiàn)確定性的時延、抖動控制等。
同時，雖然一些傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議也能實現(xiàn)一定程度的確定性網(wǎng)絡傳輸，但仍存在協(xié)議互通性差、應用場景范圍有限等問題。
“互聯(lián)網(wǎng)從消費領域進入實體經(jīng)濟將面臨巨大變革，也存在兩個挑戰(zhàn)，一個是網(wǎng)絡需要確定可控，另一個是網(wǎng)絡要能提供差異性的服務。在增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、3D通話、全息影像、交互式游戲、遠程工控、自動駕駛、車路協(xié)同等領域更是如此?！眲㈨崫嵔榻B，確定性已經(jīng)成為網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵技術(shù)，確定性網(wǎng)絡將也成為未來經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎。
確定性網(wǎng)絡是一種新型網(wǎng)絡技術(shù)，其具有“大帶寬、低延時、低抖動、高可靠”等優(yōu)點，可以有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸中的擁堵、延遲、抖動等痛點問題。
劉韻潔打了個比方：我們目前日常使用的互聯(lián)網(wǎng)就好比是一條普通馬路，堵堵停停，時延抖動難以控制。而確定性網(wǎng)絡則是利用新技術(shù)構(gòu)建的“信息高速鐵路”，是一條近乎完全暢通的道路，時延抖動是可控的，可按用戶需要提供差異化服務，能有效解決工業(yè)制造、清潔能源、元宇宙等領域的精準控制問題。
近年來，國內(nèi)外企業(yè)、標準組織、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等都在積極研究確定性網(wǎng)絡技術(shù)。劉韻潔介紹，國際上，國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(IETF)、國際電工委員會(IEC)正在積極推動確定性網(wǎng)絡技術(shù)標準的落地。在國內(nèi)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也啟動了時間敏感網(wǎng)絡(TSN)產(chǎn)業(yè)鏈名錄活動，華為技術(shù)有限公司聯(lián)合30多家單位成立5G確定性網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，中國信息通信研究院聯(lián)合國內(nèi)多家互聯(lián)網(wǎng)單位共同組建網(wǎng)絡5.0產(chǎn)業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，開展確定性網(wǎng)絡技術(shù)研究。
統(tǒng)一調(diào)度入網(wǎng)城市的數(shù)據(jù)傳輸
作為一種新型網(wǎng)絡基礎設施，此次發(fā)布的全球首個廣域確定性網(wǎng)絡系統(tǒng)，提出基于時隙的傳輸機理、并發(fā)業(yè)務流整形機制和高效業(yè)務流調(diào)度算法，研制確定性大網(wǎng)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)全網(wǎng)時隙統(tǒng)一調(diào)度，并基于未來網(wǎng)絡試驗設施(CENI)首次實現(xiàn)華為技術(shù)有限公司、新華三技術(shù)有限公司確定性設備異構(gòu)組網(wǎng)，正式開通了覆蓋北京、南京、上海等35個城市的廣域確定性網(wǎng)絡，在100%網(wǎng)絡負載、途經(jīng)13個省市1.3萬公里距離、1萬條確定性業(yè)務的情況下，可以實現(xiàn)零丟包、時延抖動小于20微秒。
“這個信息網(wǎng)絡的‘高速鐵路’開通后，可以給所有入網(wǎng)城市進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一調(diào)度?！本W(wǎng)絡通信與安全紫金山實驗室新型承載網(wǎng)絡技術(shù)課題負責人汪碩解釋道，以往一個城市內(nèi)各個主體之間的網(wǎng)絡應用和數(shù)據(jù)傳遞就像各自開私家車一樣，自己規(guī)劃線路和時間，容易造成數(shù)據(jù)擁堵和丟包。而此次發(fā)布的廣域確定性網(wǎng)絡相當于建立了一個“高速鐵路”，根據(jù)不同時間段各個城市內(nèi)不同主體的不同需求，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁?、所需帶寬等統(tǒng)一調(diào)度，再由各個城市向各個主體分發(fā)數(shù)據(jù)資源，減少數(shù)據(jù)擁堵。
“在確定性網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸過程中，要根據(jù)不同時隙，即不同時段的業(yè)務流量，匹配不同的帶寬，設計時隙調(diào)度算法，規(guī)劃相應的流量在固定時間抵達目的地，相當于設計了一套‘高鐵買票系統(tǒng)’。”汪碩說，以往的路由器不需要考慮時隙，所以需要為確定性網(wǎng)絡重新設計路由器的架構(gòu)，使其能夠成為調(diào)度成千上萬條數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹案哞F線路”，而且還要達到微秒級的控制精度。
不過，要想滿足不同主體之間的網(wǎng)絡需求，也并非錯峰發(fā)送數(shù)據(jù)這么簡單，它對確定性網(wǎng)絡提出了新的挑戰(zhàn)。
在汪碩看來，想實現(xiàn)確定性網(wǎng)絡的穩(wěn)定可靠，需要對網(wǎng)絡時延、抖動、丟包率、帶寬和數(shù)據(jù)傳輸路徑等有足夠的確定性控制，這就需要設計可定量的網(wǎng)絡性能類指標，例如網(wǎng)絡可承諾的帶寬轉(zhuǎn)發(fā)能力、網(wǎng)絡可保證的確定性時延上界、網(wǎng)絡可保證的確定性業(yè)務轉(zhuǎn)發(fā)丟包率、時頻同步特性等。
“通過近幾年的理論研究和實踐探索，確定性網(wǎng)絡技術(shù)框架逐漸成熟。未來，希望我們能以較低的部署成本、較高的傳輸通量、超高的可靠性和超高的安全性打造一張穩(wěn)定高效的網(wǎng)絡?！蓖舸T說。
或?qū)⒏淖兾覈ヂ?lián)網(wǎng)發(fā)展下半場
劉韻潔表示，在構(gòu)建數(shù)字能源新模式、智慧交通、算力網(wǎng)絡、元宇宙、礦山安全生產(chǎn)、遠程醫(yī)療等領域，確定性網(wǎng)絡均大有可為。
“確定性網(wǎng)絡的一個重要應用，就是建立算力網(wǎng)絡?！眲㈨崫嵳f，算力將成為數(shù)字經(jīng)濟的核心生產(chǎn)力。中國已經(jīng)成為全球數(shù)據(jù)資源大國，但目前的算力中心“各自為戰(zhàn)”，形成了一個個數(shù)據(jù)孤島，較低利用率導致成本較高。
“這就需要讓算力跟網(wǎng)絡融合，打通算力資源孤島，讓確定性網(wǎng)絡像一個計算機總線一樣，把所有算力都連在一起，構(gòu)建一個全域的超級計算機，賦能人類社會發(fā)展。”劉韻潔說。
近期，劉韻潔團隊構(gòu)建了從南京到貴陽跨越2450公里的100G確定性網(wǎng)絡。由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡存在普遍的丟包與擁塞問題，在網(wǎng)絡擁塞情況下，算力峰值傳輸速率不足10%，難以滿足算力數(shù)據(jù)中心跨廣域的無損數(shù)據(jù)傳輸需求。而確定性網(wǎng)絡的新型確定性無損傳輸技術(shù)，可系統(tǒng)性解決網(wǎng)絡帶寬、時延、丟包等問題，峰值傳輸速率可提升至88%，達到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部無損網(wǎng)絡傳輸?shù)乃?，有效確保網(wǎng)絡服務質(zhì)量。
在遠程醫(yī)療領域，確定性網(wǎng)絡也讓手術(shù)操作跨越時空。今年2月，青島大學附屬醫(yī)院副院長牛海濤團隊，用時20多分鐘，在濟南操控一臺機器人，“隔空”給青島大學附屬醫(yī)院(市南院區(qū))動物實驗室的試驗動物豬進行了遠程機器人輔助腹腔鏡下腎臟切除術(shù)。整個過程網(wǎng)絡時延不到6毫秒，醫(yī)院團隊進行遠程手術(shù)所應用的，正是確定性網(wǎng)絡。
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域，確定性網(wǎng)絡可以滿足工業(yè)應用對超大帶寬、超低時延抖動等需求，解決工業(yè)企業(yè)異地工廠互聯(lián)、遠程機械臂控制等的時延抖動控制問題；在能源互聯(lián)網(wǎng)方面，確定性網(wǎng)絡預期可實現(xiàn)電力信息精準同步，最高可為企業(yè)降低能耗10%—20%，助力實現(xiàn)碳達峰碳中和。
“目前電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸頻率沒有那么高，哪里用電量多、哪里用電量少等信息無法實現(xiàn)快速傳遞。我們在嘗試攻關，盡可能用確定性網(wǎng)絡提高信息交換和同步的速度，以實現(xiàn)電力的實時調(diào)度，實現(xiàn)‘削峰填谷’。”汪碩說。
在劉韻潔看來，在突破核心技術(shù)，建設相關產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實現(xiàn)核心標準、設備自主可控的前提下，確定性網(wǎng)絡將有可能成為改變我國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下半場的技術(shù)體系?！罢l能把握住互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下半場的歷史機遇，誰就能掌握未來科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主動權(quán)?！眲㈨崫嵳f。