網際網路、IPv9、5G及其挑戰

李臘元

本文簡要介紹了網際網路和網際網路的關系，網際網路的前世今生，IPv9，5G及其挑戰，自主創新與繼承發展的關系。

1. 網際網路（Internet）

網際網路(Internet)是指覆寫世界範圍的全球性計算機網絡；網際網路（internet）則可看成是适用于某些行業領域的網絡，如CERNET，CSTNET等。從某種意義上講，後者網際網路隻是前者網際網路的子集。目前各媒體，包括官媒大都混淆了這兩個概念，将前者說成是“網際網路”，這顯然是欠規範的。根據我國有關科學技術名詞術語詞典規定，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。

網際網路由美國羅伯特·卡恩和溫頓·瑟夫設計并合作發明TCP/IP。它的前身是Arpa網，該網于I969年由美國國防部投資興建。1986年美國NSF建立了NSFNET，随後接管了Arpa網，并将其更名為Internet。1990年Arpa網正式宣布關閉。1996年美國一些研究機構和34所大學提出研制和建造下一代網際網路（NGI）或IPv6。從上世記中後期至今，網際網路的主幹網仍是NSFNET及其增強版。

與少數發達國家相比，我國網際網路技術起步較晚。1994年4月，我國才由CSTNET首次連入網際網路。其間，除上述兩個網際網路外，還興建了CHINAGBN，CHINANET等網際網路。迄今為止，我國在網際網路路由，交換，存儲，安全，協定，尤其是應用層面上取得了長足進步。

網際網路根域名伺服器一直由美國政府授權的網際網路域名與号碼配置設定機構ICANN統一管理，負責全球網際網路的域名根伺服器，域名體系以IP位址等的統一管理。現有的網際網路13個根伺服器中有10個位于美國（其中包括1個主根伺服器），2個分别位于歐洲的英國和瑞典，1個位幹亞洲的日本。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

由于現有的IPv4協定位址空間為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發展初期由于對網際網路的發展趨勢估計不足造成的IP位址面臨用盡。IPv9的設計目的是避免現有IP協定的大規模更改,導緻下一代網際網路能向下相容及更環保以減少碳排放量。設計的主要思想是将TCP/IP的IP協定與電路交換相融合,利用相容兩種協定的路由器，設計者構想能夠通過一系列的協定，使得三種協定(ipv4/ipv6/ipv9)的位址能夠在網際網路中同時使用，逐漸替換目前的網際網路結構而不對目前的架構産生過大的影響。目前我國研發的lPv9是一種十進制網絡技術，其根伺服器相容于目前使用的美國的IPv4，IPv6根伺服器。該網絡技術構想的大位址空間可在某種程度上改善lPv4位址枯竭的問題，但從技術的角度來看也面臨一些新的挑戰。

1）位址空間的擴大固然能提供更多的可用位址，但會付出降低傳輸效率的代價。這就需要在位址空間與網絡傳輸效率之間折衷。

2）多網并存可能會給使用者帶來更多資訊共享的機會，但這也會給使用者帶來更大的投資成本，并需要在多網之間頻繁切換，增加額外負載及開銷。

總的來看，目前網際網路的主導格局及管控秩序沒有改變，并且會在相當長的一個時期不會改變。

3. 5G

“5G”指的是第5代無線通信網絡技術，與第4代(4G和4G LTE)網絡相比，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,無線區域網路（WLAN）的資料傳輸速率也由2Mb/s(IEEE802.11) 提升至6.9Gb/s（IEEE802.11ac）。5G将可能會在無人駕駛汽車、智慧城市、虛拟現實，增強現實VR/AR等領域發揮重要作用。5G技術雖然已取得一定的進展，但仍面臨不少嚴峻的挑戰。

1)第三代合作夥伴計劃（3GPP）定義了5G有3個主要特性：eMBB是增強移動寬帶，對應的是超高速率的無線連接配接；mMTC是大容量，主要對應物聯網業務的應用場景；而uRLLC強調的是低延遲時間、高可靠，主要試圖解決無人駕駛以及工業自動化等領域的問題。盡管如此，其實際應用場景并不明晰。上述應用場景，大部分可以通過4G實作，5G的技術名額可能會更高一些。低延遲時間、高可靠的技術難度很大，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) 核心網是關鍵。現有的工作大多集中在提升接入網的速度上。核心網的架構，網絡系統硬體、軟體、通信協定設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。針對單個或數個基站的測試結果尚可，一旦處于聯網狀态則問題仍較多。

3) 頻譜配置設定問題是5G競争的焦點。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、南韓和日本拟采用的方法。未來5G可能會混用上述兩種方式組網。廣域覆寫部分會利用Sub-6；毫米波可用于某些特定的場景中提供更精準的覆寫，并且由于毫米波較難攔截，更适用于軍事目的。在短時間内，3GHz和4GHz頻段可能會成為驅動5G基礎設施和裝置部署的全球頻段。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，系統性能下降，安全漏洞等風險。在目前的狀況下，美國不太可能大規模使用Sub-6技術；另一方面，又由于毫米波覆寫距離小、高密度基站部署周期長、成本高，也難以在短時間内大規模使用毫米波技術。

4) 5G網絡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，可用的頻譜範圍寬，資訊容量大，分辨率高，抗幹擾性好。缺點是大氣中傳播衰減嚴重。它利用大氣視窗的毫米波頻率可實作大容量的衛星到地面通信或地面中繼通信。頻率越高覆寫距離越小。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網絡需依賴高密度基站，其難度和成本也将是以提升。

5) 基于NSA（非獨立組網模式）架構的5G載波僅承載使用者資料，其控制信令仍通過4G網絡傳輸。SA（獨立組網模式）需建立5G網絡，包括新基站、回程鍊路以及核心網。SA在引入全新網元與接口的同時，還将大規模采用網絡虛拟化NVF、軟體定義網絡SDW等新技術。在一段時期内，5G與4G仍會處于互補與并存的狀态。

6) 5G網絡的集中式無線接入網絡C-RAN和分布式無線接入網絡D-RAN都會将移動邊緣計算（MEC）模式作為5G網絡标準的組成部分。MEC采用網絡功能虛拟化NVF，軟體定義網絡SDN，邊緣計算存儲，網絡切片等技術。 MEC模型強調在雲計算中心與邊緣裝置之間建立邊緣伺服器，在邊緣伺服器上完成相關計算任務，5G網絡需要解決接入網與核心網和網際網路的協同，通信與計算的協同，邊緣計算與雲中心的融合。邊緣計算尚需解決資源配置設定與排程，多使用者計算任務解除安裝，無縫切換，命名、尋址和路由機制，程式設計模式，安全隐私，智能邊緣計算等關鍵技術。

6G将會是5G與衛星通信網絡相結合的産物，可實作全球覆寫，能夠為移動使用者提供全天候資訊服務。6G将采用毫米波與太赫茲等技術，實作衛星通信等天地融合全覆寫，傳輸速率可能在5G的基礎上提升100倍，進一步降低延遲時間，從毫秒級降到微秒級。6G技術在未來将會涉及全息視訊通話、沉浸式購物、遠端全息手術等應用場景。

4. 結語

目前，網絡技術及資訊科技發展很快，人類社會正邁入萬聯網（Internet of Everything）時代。人工智能，雲計算，大資料，邊緣計算，分布式新型存儲技木，區塊鍊技術，物聯網，量子計算等已不同程度的受到學術界和産業界的關注。近年來，我國在超級計算、量子通信技術等方面取得了世界領先成果，在5G Sub-6接入網絡技術方面取得了可喜的進展，但從總體上講，我國在資訊科學技術領域與世界先進水準還有較大差距，在許多方面仍面臨不少新的挑戰。與其他領域一樣，資訊科學技術領域的學術研究與技術開發也拟有所為和有所不為，正确處理好繼承發展人類優秀科技文化成果與自主創新之間的關系,不斷縮短與國際先進水準的差距。

主要參考文獻

[1] 李臘元.高性能網絡計算：雲計算，霧計算與邊緣計算(High performance network computing technology：Cloud computing ,fog computing and edge computing )，武漢理工大學高性能網絡實驗室，2018

[2] 李春林，駱有隆，李臘元.計算機網絡技術，國防工業出版社，2010

[3] CAICT5G創新研究中心，美國國防部釋出《5G生态系統： 對美國國防部的風險與機遇》報告，2019.5.5