因特網(wǎng)、IPv9、5G及其挑戰(zhàn)

李臘元
本文簡要介紹了因特網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，因特網(wǎng)的前世今生，IPv9，5G及其挑戰(zhàn)，自主創(chuàng)新與繼承發(fā)展的關(guān)系。

1. 因特網(wǎng)（Internet）

因特網(wǎng)(Internet)是指覆蓋世界范圍的全球性計算機網(wǎng)絡(luò)；互聯(lián)網(wǎng)（internet）則可看成是適用于某些行業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)，如CERNET，CSTNET等。從某種意義上講，后者互聯(lián)網(wǎng)只是前者因特網(wǎng)的子集。目前各媒體，包括官媒大都混淆了這兩個概念，將前者說成是“互聯(lián)網(wǎng)”，這顯然是欠規(guī)范的。根據(jù)我國有關(guān)科學(xué)技術(shù)名詞術(shù)語詞典規(guī)定，在正式的口頭或書面表達中，Internet可直接用英文原文表達，其中文正式譯名為因持網(wǎng)。
因特網(wǎng)由美國羅伯特·卡恩和溫頓·瑟夫設(shè)計并合作發(fā)明TCP/IP。它的前身是Arpa網(wǎng)，該網(wǎng)于I969年由美國國防部投資興建。1986年美國NSF建立了NSFNET，隨后接管了Arpa網(wǎng)，并將其更名為Internet。1990年Arpa網(wǎng)正式宣布關(guān)閉。1996年美國一些研究機構(gòu)和34所大學(xué)提出研制和建造下一代因特網(wǎng)（NGI）或IPv6。從上世記中后期至今，因特網(wǎng)的主干網(wǎng)仍是NSFNET及其增強版。
與少數(shù)發(fā)達國家相比，我國因特網(wǎng)技術(shù)起步較晚。1994年4月，我國才由CSTNET首次連入因特網(wǎng)。其間，除上述兩個互聯(lián)網(wǎng)外，還興建了CHINAGBN，CHINANET等互聯(lián)網(wǎng)。迄今為止，我國在因特網(wǎng)路由，交換，存儲，安全，協(xié)議，尤其是應(yīng)用層面上取得了長足進步。
因特網(wǎng)根域名服務(wù)器一直由美國政府授權(quán)的因特網(wǎng)域名與號碼分配機構(gòu)ICANN統(tǒng)一管理，負責(zé)全球因特網(wǎng)的域名根服務(wù)器，域名體系以IP地址等的統(tǒng)一管理。現(xiàn)有的因特網(wǎng)13個根服務(wù)器中有10個位于美國（其中包括1個主根服務(wù)器），2個分別位于歐洲的英國和瑞典，1個位干亞洲的日本。它們的控制和管理都在美國，而不是簡單的鏡像域名就可以“自主可控”的。

2. lPv9

由于現(xiàn)有的IPv4協(xié)議地址空間為1.0.0.0到239.255.255.255（除去127.0.0.0到127.255.255.255）僅有42億個，加上Internet發(fā)展初期由于對因特網(wǎng)的發(fā)展趨勢估計不足造成的IP地址面臨用盡。IPv9的設(shè)計目的是避免現(xiàn)有IP協(xié)議的大規(guī)模更改,導(dǎo)致下一代因特網(wǎng)能向下兼容及更環(huán)保以減少碳排放量。設(shè)計的主要思想是將TCP/IP的IP協(xié)議與電路交換相融合,利用兼容兩種協(xié)議的路由器，設(shè)計者構(gòu)想能夠通過一系列的協(xié)議，使得三種協(xié)議(ipv4/ipv6/ipv9)的地址能夠在因特網(wǎng)中同時使用，逐步替換當(dāng)前的因特網(wǎng)結(jié)構(gòu)而不對當(dāng)前的架構(gòu)產(chǎn)生過大的影響。目前我國研發(fā)的lPv9是一種十進制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其根服務(wù)器兼容于目前使用的美國的IPv4，IPv6根服務(wù)器。該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)想的大地址空間可在某種程度上改善lPv4地址枯竭的問題，但從技術(shù)的角度來看也面臨一些新的挑戰(zhàn)。
1）地址空間的擴大固然能提供更多的可用地址，但會付出降低傳輸效率的代價。這就需要在地址空間與網(wǎng)絡(luò)傳輸效率之間折衷。
2）多網(wǎng)并存可能會給用戶帶來更多信息共享的機會，但這也會給用戶帶來更大的投資成本，并需要在多網(wǎng)之間頻繁切換，增加額外負載及開銷。
總的來看，目前因特網(wǎng)的主導(dǎo)格局及管控秩序沒有改變，并且會在相當(dāng)長的一個時期不會改變。

3. 5G

“5G”指的是第5代無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與第4代(4G和4G LTE)網(wǎng)絡(luò)相比，在傳輸速率、容量、時延等方面有較大的改進。其中傳輸速率從1G時的2.4-9.6kb/s提升至5G的Gb/s級。與此同時,無線局域網(wǎng)（WLAN）的數(shù)據(jù)傳輸速率也由2Mb/s(IEEE802.11) 提升至6.9Gb/s（IEEE802.11ac）。5G將可能會在無人駕駛汽車、智慧城市、虛擬現(xiàn)實，增強現(xiàn)實VR/AR等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。5G技術(shù)雖然已取得一定的進展，但仍面臨不少嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
1)第三代合作伙伴計劃（3GPP）定義了5G有3個主要特性：eMBB是增強移動寬帶，對應(yīng)的是超高速率的無線連接；mMTC是大容量，主要對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景；而uRLLC強調(diào)的是低時延、高可靠，主要試圖解決無人駕駛以及工業(yè)自動化等領(lǐng)域的問題。盡管如此，其實際應(yīng)用場景并不明晰。上述應(yīng)用場景，大部分可以通過4G實現(xiàn)，5G的技術(shù)指標(biāo)可能會更高一些。低時延、高可靠的技術(shù)難度很大，尤其是時延1毫秒，在端對端的時候，難度更大，至今尚未找到合理可行的解決方案。
2) 核心網(wǎng)是關(guān)鍵。現(xiàn)有的工作大多集中在提升接入網(wǎng)的速度上。核心網(wǎng)的架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件、軟件、通信協(xié)議設(shè)計等均存在不少難題，目前并未找到解決此類瓶頸問題的有效方案。針對單個或數(shù)個基站的測試結(jié)果尚可，一旦處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)則問題仍較多。
3) 頻譜分配問題是5G競爭的焦點。目前部署5G頻譜的方法主要有兩種。（1） 6GHz以下的電磁頻譜(“低到中頻段頻譜”，也稱為“Sub-6”)，主要在3GHz 和4 GHz頻段。（2）24-300GHz之間的頻段(“高頻頻譜”或“毫米波”)，這是目前美國、韓國和日本擬采用的方法。未來5G可能會混用上述兩種方式組網(wǎng)。廣域覆蓋部分會利用Sub-6；毫米波可用于某些特定的場景中提供更精準(zhǔn)的覆蓋，并且由于毫米波較難攔截，更適用于軍事目的。在短時間內(nèi)，3GHz和4GHz頻段可能會成為驅(qū)動5G基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備部署的全球頻段。美國也在考慮Sub-6 頻譜軍民共享的問題，但這又可能帶來擁塞，系統(tǒng)性能下降，安全漏洞等風(fēng)險。在目前的狀況下，美國不太可能大規(guī)模使用Sub-6技術(shù)；另一方面，又由于毫米波覆蓋距離小、高密度基站部署周期長、成本高，也難以在短時間內(nèi)大規(guī)模使用毫米波技術(shù)。
4) 5G網(wǎng)絡(luò)采用更高的頻譜乃至毫米波。毫米波與較低頻段的微波相比，可用的頻譜范圍寬，信息容量大，分辨率高，抗干擾性好。缺點是大氣中傳播衰減嚴(yán)重。它利用大氣窗口的毫米波頻率可實現(xiàn)大容量的衛(wèi)星到地面通信或地面中繼通信。頻率越高覆蓋距離越小。它具備高速率和高帶寬的特性，但卻存在損耗大（穿透損耗、反射損耗、繞射損耗等）和傳輸距離短的弊端，基于高頻譜的5G網(wǎng)絡(luò)需依賴高密度基站，其難度和成本也將因此提升。
5) 基于NSA（非獨立組網(wǎng)模式）架構(gòu)的5G載波僅承載用戶數(shù)據(jù)，其控制信令仍通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。SA（獨立組網(wǎng)模式）需新建5G網(wǎng)絡(luò)，包括新基站、回程鏈路以及核心網(wǎng)。SA在引入全新網(wǎng)元與接口的同時，還將大規(guī)模采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化NVF、軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDW等新技術(shù)。在一段時期內(nèi)，5G與4G仍會處于互補與并存的狀態(tài)。
6) 5G網(wǎng)絡(luò)的集中式無線接入網(wǎng)絡(luò)C-RAN和分布式無線接入網(wǎng)絡(luò)D-RAN都會將移動邊緣計算（MEC）模式作為5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分。MEC采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NVF，軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN，邊緣計算存儲，網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)。 MEC模型強調(diào)在云計算中心與邊緣設(shè)備之間建立邊緣服務(wù)器，在邊緣服務(wù)器上完成相關(guān)計算任務(wù)，5G網(wǎng)絡(luò)需要解決接入網(wǎng)與核心網(wǎng)和因特網(wǎng)的協(xié)同，通信與計算的協(xié)同，邊緣計算與云中心的融合。邊緣計算尚需解決資源分配與調(diào)度，多用戶計算任務(wù)卸載，無縫切換，命名、尋址和路由機制，編程模式，安全隱私，智能邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)。
6G將會是5G與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的產(chǎn)物，可實現(xiàn)全球覆蓋，能夠為移動用戶提供全天候信息服務(wù)。6G將采用毫米波與太赫茲等技術(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星通信等天地融合全覆蓋，傳輸速率可能在5G的基礎(chǔ)上提升100倍，進一步降低時延，從毫秒級降到微秒級。6G技術(shù)在未來將會涉及全息視頻通話、沉浸式購物、遠程全息手術(shù)等應(yīng)用場景。

4. 結(jié)語

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信息科技發(fā)展很快，人類社會正邁入萬聯(lián)網(wǎng)（Internet of Everything）時代。人工智能，云計算，大數(shù)據(jù)，邊緣計算，分布式新型存儲技木，區(qū)塊鏈技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)，量子計算等已不同程度的受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。近年來，我國在超級計算、量子通信技術(shù)等方面取得了世界領(lǐng)先成果，在5G Sub-6接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面取得了可喜的進展，但從總體上講，我國在信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域與世界先進水平還有較大差距，在許多方面仍面臨不少新的挑戰(zhàn)。與其他領(lǐng)域一樣，信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究與技術(shù)開發(fā)也擬有所為和有所不為，正確處理好繼承發(fā)展人類優(yōu)秀科技文化成果與自主創(chuàng)新之間的關(guān)系,不斷縮短與國際先進水平的差距。

主要參考文獻
[1] 李臘元.高性能網(wǎng)絡(luò)計算：云計算，霧計算與邊緣計算(High performance network computing technology：Cloud computing ,fog computing and edge computing )，武漢理工大學(xué)高性能網(wǎng)絡(luò)實驗室，2018
[2] 李春林，駱有隆，李臘元.計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，國防工業(yè)出版社，2010
[3] CAICT5G創(chuàng)新研究中心，美國國防部發(fā)布《5G生態(tài)系統(tǒng)： 對美國國防部的風(fēng)險與機遇》報告，2019.5.5

總結(jié)

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