前瞻篇

确定性网络是数字经济的重要基础

刘韵洁

随着互联网与实体经济深度融合，工业互联网、人工智能、大数据等数字技术正不断渗透到实体经济领域，催生出“数字经济”这类新的经济形态。通过互联网新技术，数字经济对传统产业进行全方位、全链条的改造，进而提高全要素生产率，对经济发展起到放大、叠加、倍增的作用。建设数字经济已被正式纳入《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，这凸显了发展数字经济对于催生新兴产业、助推实体经济提质增效的重大战略意义。

从网络技术的角度来看，传统“尽力而为”的网络架构难以满足未来数字经济产业对网络差异化服务、确定性和低时延的需求。为此，学术界和产业界开始聚焦确定性网络技术研究，以满足未来业务（如工业互联网和远程手术等）对网络时延、抖动、丢包等服务质量的需求。通过近年来在理论研究和实践验证方面的不断探索，以FlexE（Flexible Ethernet，灵活以太网）、TSN（Time-Sensitive Networking，时效性网络）、DetNet（Deterministic Networking，确定性网络）等为核心的确定性网络技术体系已逐渐成形。然而，从宏观发展的角度来看，确定性网络技术仍存在核心技术体系架构不明确、应用场景及发展路线不清晰、行业落地应用不充分、生态建设较为滞后等问题。本文阐述了未来网络的发展趋势，分析了当前未来网络关键技术的研究进展，并给出了未来网络在数字经济中的应用思考。本文重点强调，当下我们需要抓住未来网络发展的重大机遇，突破确定性网络核心技术，在全球引领整个信息产业技术发展。

一、未来网络的发展需求与趋势

数字经济已成为未来产业变革的重大机遇，数字经济是继农业经济、工业经济之后的主要经济形态，是中国经济在第四次工业革命中实现换道超车的宝贵机遇，对实现高质量发展和中华民族伟大复兴具有非常重要的战略意义。《2021—2022全球计算力指数评估报告》显示，计算力指数平均每提高1个点，对数字经济会有3.5%的贡献，对GDP将有1.8%的推动。

我国高度重视数字经济发展，发展数字经济已成为国家重大战略，现代信息网络已成为主要载体，将为我国数字经济发展提供基础支撑。随着网络时代的不断演进，网络业务需求也发生翻天覆地的变化，新业务的涌现推动计算与网络走向新变革。2000年，中国正式步入互联网时代，电子邮箱、门户网站等一系列非实时业务只需要网络完成简单的通信传输，对网络时延、带宽、算力要求较低。2010年，3G、4G的落地推动移动网络业务快速发展，中国进入了移动互联网时代，今日头条、微信、网易音乐等各种移动App应运而生，对网络性能提出了更高要求，网络时延达到百ms级，网络带宽达到100Mbit/s。2020年至今，工业互联网、远程医疗、AR/VR、车联网等新技术的兴起，推动我国向数字经济产业互联网时代迈进，同时也对网络提出超高要求，如超低时延（1ms）、超大带宽（1Tbit/s）、海量连接（百亿级）、超强算力（＞29000 GFLOPS/人），而计算密集、时延敏感是产业互联网时代新型网络业务的两个核心特征。

回顾互联网时代的演进过程和网络业务发展路径，面对新业务、新需求、新挑战，网络架构迫切需要做出变革。下面总结了在未来网络发展进程中所面临的几个重大需求。

1.人工智能（Artificial Intelligence，AI）大模型并行训练需求

AI大模型逐步走向通用，AI的潜力成为近年AI领域的热门方向。大模型的参数规模达到万亿个、10万亿个级别，ChatGPT超大规模模型训练需要大规模算力，以具有60亿个参数的大型模型GPT-3为例，它的训练使用了微软专门建设的AI计算系统，由1万个V100 GPU组成，其中每个GPU服务器的网络性能达到400Gbit/s，而且GPT-3的I/O性能接近100Gbit/s，对应的网络需要4*HDR 200G网络支持和4张200G IB网卡。因此，我们亟须通过算力协同和并行计算来应对外国的芯片封锁等行为。广域算力资源互联共享需要解决并行协同计算来提升算能，远程使用算力资源需要提升传输效率、节约传输成本，这些都需要确定性网络提供支撑。美国微软Azure 70%以上的流量都使用RDMA协议，并在2023年初步实现80km广域RDMA互联。然而，非确定性RDMA在2%丢包率需求下表现不佳，TCP/IP吞吐率降低37%，RoCE吞吐率降为0。总之，构建“无损确定性广域传输能力”已成为算力广域高效传输互联的重要基础。

2.能源互联网确定性需求

2020年，我国能源行业产生的二氧化碳排放量占总排放量的72.7%，电力行业二氧化碳排放量占能源行业二氧化碳排放总量的40%左右，电力行业的碳达峰、碳中和进度将直接影响“双碳”目标实现进程。由于电力系统中的控制命令和传感数据对网络传输的实时性、确定性、可靠性有严苛的要求，能源系统也制定了相关的标准，需要确定性网络来支撑这些标准的实施。美国能源部TSQKD项目（2018—2021）基于TSN（时间敏感网络）及QKD（量子密钥分发）技术研究安全可靠的确定性电力及工控通信网络，基于TSN的微电网测试床，可以实现在混传流条件下各种电力电子控制器100ns左右的同步控制脉冲。实践证明，确定性网络确实能够有效解决传输的服务质量问题，实现带宽、路径、时延、抖动的端到端精准可控，满足碳达峰、碳中和应用需求。

3.工业互联网确定性需求

确定性网络赋能工业制造升级已成为大型企业发展的关键，传统“尽力而为”的网络已无法满足宝武集团云化PLC、中石油、中石化等新业务200μs以内的时延、抖动保障需求。IEC 61499标准常用于分布式工业控制系统，而基于IEC 61499系统建模和确定性IP网络成为下一代智能工业控制重要支撑，提供虚拟化运行环境，使任意设备都可作为控制器使用；PLC云化要求网络实现100μs以下抖动、低时延、高可靠性工业智能控制；智慧煤矿场景中的工业高清视觉、海量数据采集、远程控制、人员和设备定位、音视频通信等技术要求达到小于20ms的时延。云边端协同远程控制已成为IEC 61499、IEC 61131体系架构的重要变革方向，是解决目前工业核心技术被国外垄断、通信协议“七国八制”的关键。

4.元宇宙、数字孪生确定性需求

面向元宇宙、8K、AR/VR等新业务需求，需要提供更高的传输速率、更低的时延、更低的丢包率，以及更灵活的业务部署能力。时延、算力、泛在缓存需求和随时随地接入处理是元宇宙对网络性能的主要需求。①时延需求：元宇宙中实现XR和触感业务协同、全息感知通信等技术的目标愿景是实现1ms端到端时延；②算力需求：元宇宙相关技术的实现依靠超强算力，其中AR/VR要求达到3900 EFLOPS，区块链要求达到5500 EFLOPS，AI要求达到16000 EFLOPS，以处理连续长周期、突发短周期智能服务；③泛在缓存需求：元宇宙中的内容预测及分发、视觉和触觉回放等功能要求实现全网泛在缓存，以配合业务计算处理；④随时随地接入处理：元宇宙用户可以随时接入网络并确保移动性QoE，业务可以即时响应计算处理并提供QoS保障。

此外，AI促进了计算和存储的云化，随着计算能力和存储性能的提高，网络压力凸显，节点间网络通信时延占比在50%以上，成为存储性能瓶颈。“东数西存”“东数西训”等业务需要满足算力节点间跨广域算力传输需求，亟须解决RDMA跨广域问题。传统以太网丢包对RoCE吞吐率影响大，只有将丢包率降到十万分之一以下才能保证RoCE吞吐率不受影响，设计一个新型RDMA广域传输协议是实现算力跨广域传输的重要需求。

近年来，国内外企业、标准组织、产业联盟积极研究TSN、DetNet等确定性网络技术。IETF在2015年10月成立了DetNet工作小组，侧重于为L3上的数据提供确定性时延、丢包、抖动及高可靠性；3GPP于R16、R17阶段开始支持IEEE TSN协议的5G网络系统，确立了5G网络系统的确定性机制并进行标准化；在3GPP R18标准中，将实现5G网络与DetNet网络的互联互通。国内的工业互联网产业联盟启动了“时间敏感网络产业链名录活动”；华为联合30多家单位成立了5G确定性网络产业联盟；中国信息通信研究院联合国内多家网络相关单位共同组建了网络5.0产业和技术创新联盟，开展了DIP技术研究。确定性网络已成为未来网络产业发展的核心，是我国在网络领域实现“换道超车”的重要契机。

二、未来网络关键技术研究进展

为顺应未来网络发展趋势，确定性网络成为新的研究焦点。远程医疗、新能源、交通系统、交易系统等应用场景，如果没有确定性网络作为支撑，其既定的产业愿景就难以很好地实现。为了解决这些问题，我们在未来网络关键技术研究方面展开进一步探索，下面详细介绍一些关键技术研究进展。

（一）“确保所需”的服务定制网络体系架构

针对当前互联网从“消费型”向“生产型”的转变需求，我们提出了从“尽力而为”到“确保所需”的服务定制网络（Service Customized Network，SCN）技术体系，以解决网络架构问题，基于传统网络架构在服务、定制和网络三方面做出创新：①服务——从“以网络为中心”到“以应用为中心”；②定制——从“可管不可控”到“全网可管控”；③网络——从“封闭僵化不确定”到“开放弹性可预期”。相应地，SCN的分层架构包括“新型网络承载”“网络操作系统”和“云网超融合”三大平面，具有支撑产业互联网发展所需的智能、安全、柔性、可定制等特性。

这种“确保所需”的网络体系架构能够突破面向服务的未来网络体系架构与基础理论，解决传统互联网TCP/IP协议僵化和不可控问题，攻克确定性网络系列核心问题，实现互联网核心技术的自主可控，掌握发展主动权。

（二）广域确定性网络基础理论技术突破

在大规模广域网中，端到端网络时延可分为局域时延、广域时延及对端局域时延三部分，针对突发流多、负载大和汇聚点过多造成的长尾时延问题，我们设计了新的广域确定性网络基础理论，突破大规模广域网确定性网络技术，实现“微秒级”确定性保障服务能力；面向端到端业务需求，构建5G+TSN+DetNet+MEC的端到端确定性算力网络。

骨干抖动控制技术是应用广域网确定性网络的关键，但该技术在落实过程中存在三大核心难题：①广域网不可将线路传输时延看作0，TSN等局域队列机制无法工作；②广域网接入业务流量带宽、时延、抖动需求各不相同，需要解决流量归一化适配问题；③广域网中存在海量设备，拓扑变化复杂，需要解决流量路由与时隙调度问题。针对上述难题，我们也给出了相应的解决方案：①针对难题一，采用基于时隙的端到端传输机制建立数据面确定性队列模型，支持TSN等局域队列机制的正常使用；②针对难题二，通过基于离散阵形的高精度抖动控制机制来解决异构并发业务流量接入问题；③针对难题三，提出在线时隙映射与调度算法来实现高效率业务流量调度。

（三）确定性网络大网级网络操作系统和网络设备

为了加速新的网络架构和网络基础理论的落地实施，我们发布了全球首个大网级网络操作系统（CNOS，司络），并攻关确定性网络设备和系统，推动确定性网络技术的部署。

1.确定性网络大网级网络操作系统

CNOS是首个由中国主导的大网级网络操作系统，首次提出基于服务网格（Service Mesh）的微服务化网络操作系统架构，突破异构设备统一驱动框架、容灾高可靠等关键技术。该系统具有全局状态实时采集、业务按需服务、资源智能调度三大功能，以及全维度场景、强兼容、高性能等特点，可实现基于微服务的功能动态扩展，具备分钟级链路开通、毫秒级故障倒换、端到端逐跳可控等能力，支持兼容厂商设备和白盒化设备。截至目前，该系统在全球近400个城市1100多个节点的大规模骨干网中已稳定运行5年以上，并成功应用于工业互联网等重大领域。

2.攻关确定性网络设备与系统

有了控制全局调度的“大脑”，硬件设计也不容忽视，需要加强硬件设备开发，以配合操作系统的落地使用。为有效推动确定性网络技术的部署和落地，我们研制了骨干确定性大网控制器、TSN交换机控制器，制定了TSN跨域互联、5G确定性等技术方案，最终经中国信息通信研究院权威测试，可实现最大时延、抖动小于20μs。首先，我们设计了可编程确定性周期队列（PCSQ），它的核心机制包括基于时间片高精度轮转出队机制、节点内出入队协同机制、节点间周期映射机制和全局周期标签规划机制。其次，我们研制了支持20μs抖动控制的100GE确定性转发业务板，实现了SRv6标签扩展、频率同步、时隙测量与标定等功能，落地应用至山东构建5600km确定性区域网络。

（四）确定性网络在未来网络试验设施项目中验证成功

未来网络承担了国家大科学装置——未来网络试验设施（CENI）的建设工作。CENI是我国通信与信息领域首个大科学工程。该设施于2019年启动建设，建设周期为5年，将建成一个开放、易使用、可持续发展的大规模通用试验设施，为研究新型网络体系架构提供简单、高效、低成本的试验验证环境，支撑我国网络科学与网络空间技术研究在关键设备、网络操作系统、路由控制技术、网络虚拟化技术、安全可信机制、创新业务系统等方面取得突破。

基于全新的网络架构，未来网络试验设施已具备按需定制服务能力、确定性服务能力、多云互联服务能力、智驱安全防护能力四大关键能力，能够为企业提供低时延、低抖动、高可靠的网络接入服务，可以更好地满足产业互联网对网络性能的苛刻要求。

2022年8月，基于未来网络试验设施，我们在全球率先实现广域确定性网络大规模部署验证，已覆盖省会、计划单列等35个城市，首次实现华为、新华三异构厂家设备的组网，并得出结论：在非确定性路径下，随着背景流量大小不同，业务流量有较大波动；而在确定性路径下，无论背景流量多大，均能提供稳定的流量带宽和时延保障。

（五）国内首个泛边界异构大规模多云交换平台

依托CENI，我们构建了业界首个泛边界异构大规模多云交换平台，已实现与阿里云、腾讯云、华为云、天翼云、微软云、AWS云、OpenStack、VMware等各大公有云、私有云互通，覆盖全国40多个PoP点。我们还与中国电信开展合作共建，共同成立联合实验室，以提供多云技术服务，中国电信出资构建的“云网开放赋能平台”也已完成首批技术服务合同签订。为积极推动多云产业生态构建，我们联合中国信息通信研究院在2021年工业和信息化部工业互联网网络创新大会上向业界正式发布了“工业互联网多云融合计划”。

（六）全球首个云原生算网操作系统

我们还研发了全球首个云原生算网操作系统，解决了算力资源和网络资源统一调度问题，可跨多方算网资源，在广域范围内实现应用与流量的按需调度；可跨核心、边缘、端侧实现“计算+网络”的一体化交付，可为VR/AR、车联网、元宇宙等新型业务提供一站式算网服务。

面向云原生的算网架构体系、基于算网资源感知的最优任务调度策略和面向多元异构服务器的服务编排策略是该操作系统的三大重要组成部分。从业务角度来看，该操作系统又具备三大核心能力和四大平台能力。三大核心能力包括：①广域服务互联——负载均衡全自动、带宽时延可定制和访问控制泛边界；②多方资源供给——多算多网一体化、用户方案随心选及链上交易可溯源；③全局应用分发——算网联合声明、全维策略可定义和移动随行自漂移。四大平台能力包括：①算网资源——注册与定价；②应用分发——策略与部署；③服务互联——标识与策略；④链上存证——交易与账单。

类比计算机系统资源灵活按需调配模式，基于云原生算网操作系统，实现对算力、网络资源的高效控制与调度。

三、未来网络在数字经济中的应用思考

随着数字经济的快速发展，未来网络的应用正成为推动经济增长和社会发展的重要力量。无论是云计算、物联网、人工智能还是区块链等新兴技术，都离不开网络的支撑和连接。未来网络的应用将对各行各业产生深远影响，从传统产业到新兴产业，从大企业到小微企业，都将受益于数字化和网络化转型。然而，未来网络的应用也面临着一系列挑战和问题，如网络安全、数据隐私和数字鸿沟等。因此，我们需要对未来网络在数字经济中的应用进行深入思考，以更好地把握机遇、应对挑战，推动数字经济的可持续发展。

（一）确定性网络支撑“东数西算”八大枢纽互联

所谓“东数西算”，是指将东部地区日益增长的算力需求投放到西部地区，对数据进行存储、传输、计算等运作，有利于带动西部地区经济增长和数据产业的集约化发展。“东数西算”的主要策略就是重复利用西部地区的绿色能源，如太阳能、风能、水能。如何使东部用户高效且低成本地使用西部网络是互联网所面临的关键问题。确定性网络具备大通量、小抖动、低时延、高可靠的特点，是解决该问题的一个理想方案。

基于CENI算网操作系统构建抗攻击能力强、传输效率高、可定制成本低的算力网络新总线，连接“东数西算”八大算力枢纽，为“东数西算”重大工程的整体安全、可靠、高效运行提供有力支撑。结合远距RDMA技术，CENI从数据传输源头提供确定性传输保障，并大幅提升同等带宽下的吞吐能力。

（二）工业互联网

工业互联网应用场景广泛，目前已延伸至40个国民经济大类，涉及原材料、装备、消费品、电子等制造业各大领域，以及采矿、电力、建筑等实体经济重点产业，形成了千姿百态的融合应用实践。智慧工厂、智慧办公、智慧煤矿等新应用也衍生出了更多新业务场景，而这些场景也对网络提出了更高层次的需求。

以智慧工厂应用中的生产车间场景为例，该场景中的数控机床、PDA扫码枪和工业平板等自动化工艺设备，以及自动导航车辆（AGV）、无人叉车和巡检机器人等物料自动储运设备，通过内置的无线通信模组或部署的网关设备接入无线网络，实现设备连接无线化，大幅降低网线部署成本，缩短生产线调整时间。无线网络与多接入边缘计算（MEC）系统结合，部署车间柔性生产制造应用，满足工厂在柔性生产制造过程中对实时控制、数据集成与互操作、安全与隐私保护等方面的关键需求，支持生产线根据生产要求进行快速重构，实现同一条生产线根据市场对不同产品的需求进行快速配置优化。因此，为生产车间场景提供的无线网络需要满足以下要求：网络不中断，有容错机制，能够实现无线零漫游；有较低的网络时延（小于50ms）和低丢包率（小于0.5%），网络设备能够对抗恶劣的工业环境。而传统互联网技术难以满足严苛的性能需求，亟须引入新的网络架构。

我国有87.8%的工业、制造业分布在长三角一带，基于确定性网络技术和CENI，建设智能、柔性、安全、可定制的长三角一体化网络，满足江苏省、国家工业互联网、能源互联网、专用场景、车联网等重大科研试验与产业示范应用需求，实现核心技术创新引领与实体经济深度融合，赋能垂直行业。

（三）服务国家“碳中和”和“碳达峰”目标

在当前的能源环境下，为了应对全球气候变化和实现可持续发展目标，国家提出了“碳中和”和“碳达峰”目标。为了有效实现上述目标，我国已经建设了“一网一中心一平台”的综合能源服务平台，它在能源管理和节能减排方面发挥着重要的作用。

综合能源服务平台的建设实现了省、市、县、园区和用能单位五级管理，通过“一网一中心一平台”的架构，为能源管理提供全面支持。该平台基于确定性网络的能源大数据中心实现了电力系统能源数据的秒级监测，通过该平台，企业可以优化基本电费申报方式，从而节约基本电费支出10%以上。这一功能的实现不仅提高了能源监测的精确性，也为企业节能减排提供了技术支持。

综合能源服务平台通过提供多个业务模块和功能，涵盖了工业制造、建筑园区和政府监管场景，为供能侧、用能侧、市场侧、监管侧和服务侧提供了综合能源精准服务。

该平台的核心功能包括能源数据监测与分析、能源利用优化、节能减排管理、能源市场监管和综合能源服务等。通过能源数据监测与分析，用户可以实时了解能源消耗情况，发现能源浪费和低效用能的问题，并根据数据分析结果采取相应的优化措施。通过节能减排管理提供能源节约方面的指导和支持，帮助企业制订和实施节能减排方案，提高能源效率，降低碳排放量。

综合能源服务平台的应用不仅有助于实现国家“碳中和”和“碳达峰”目标，也为各个行业和企业提供了更好的能源管理和节能减排的机会。综合能源服务平台的建设和应用，使能源管理和节能减排变得更加精准和高效。通过数据的监测、分析和优化，企业可以实现能源消耗的最佳配置，提高能源利用效率，降低能源成本。同时，该平台的应用也为政府提供了更全面的能源监管手段，可以促进能源可持续发展和环境保护。

（四）服务卫星互联网重大战略

在服务卫星互联网重大战略方面，我们采取了一系列创新性举措。

首先，我们采用高低轨多级协同架构来提高卫星网络的性能和容量。这种架构将高低轨道卫星相互配合，可以增强网络可靠性，扩大网络覆盖范围。通过合理的设计和优化，我们可以构建更高效的卫星通信系统。

其次，我们研发了一套高动态服务质量保障机制，以应对卫星网络中的高速移动和复杂信道条件。在高动态环境下，网络的稳定性和可靠性是至关重要的。通过研究和创新，我们开发出适应高动态环境的服务质量保障机制，确保网络能够在各种复杂情况下正常运行。

再次，为了应对可能的毁坏和攻击，我们研发了一套高抗毁的空间组网协议。在面临破坏性事件时，这套协议可以保证卫星网络能够正常运行。采用先进的加密技术和安全协议，可以提高网络的抗毁能力，确保网络安全运行。

最后，我们设计了高效的星地大规模天线，以扩大卫星网络的容量和覆盖范围。通过优化天线设计和布局，实现更高效的信号传输和接收，提高网络的性能，扩大网络覆盖范围。这将有助于满足日益增长的数据传输需求。空间超大容量太赫兹是该设计的另一个亮点。

总体来说，为了实现服务卫星互联网的重大战略目标，我们联合国内相关科研单位，研制完成能够实现卫星组网与控制的卫星网络控制系统，并且研制高度仿真的卫星网络半实物仿真平台，推动卫星互联网技术的发展和应用。同时，我们还牵头制定相关标准，以促进卫星互联网技术的规范化和标准化。

四、总结

确定性网络有望解决传统互联网拥塞无序的问题，推动互联网从“尽力而为”到“确保所需”的技术体系变革。建议抓住全球未来网络发展的重大机遇，突破确定性网络核心技术，在全球引领整个信息产业技术发展。建设确定性网络相关产业生态，实现核心标准、芯片、设备的自主可控，在“东数西算”、远程医疗、“碳达峰”等场景中实现应用。

（根据在2023年6月3日中国互联网络信息中心举办的“未来互联网发展研讨会”上的发言整理）