未来网络技术与发展趋势综述.pdf
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2021 年 1 月 Journal on Communications January 2021
第 42 卷第 1 期 通 信 学 报 Vol.42
No.1
未来网络技术与发展趋势综述
黄韬
1,2
，刘江
1,2
，汪硕
1,2
，张晨
2
，刘韵洁
1,2
（1. 北京邮电大学网络与交换国家重点实验室，北京 100876；2. 网络通信与安全紫金山实验室，江苏 南京 211111）
摘 要：对面向 2030 的未来网络领域的发展趋势进行了综述。首先，介绍了网络体系架构和试验设施领域的研
究进展；其次，从网络控制与编排、网络深度可编程、网络确定性服务、网络计算存储一体化、网络与人工智能、
网络与区块链、智能安全网络、网络空天地海一体化 8 个方面阐述了当前热点网络技术的背景、进展和主要成果；
最后，分析了面向 2030 的未来网络发展趋势，预计到 2030 年未来网络将支撑万亿级、人机物、全时空、安全、
智能的连接与服务。希望能为未来网络相关领域的研究提供参考和帮助。
关键词：未来网络体系结构；网络操作系统；可编程数据平面；确定性网络；网络计算存储一体化；网络人工智
能；网络安全
中图分类号：TP393
文献标识码：A
DOI: 10.11959/j.issn.1000−436x.2021006
Survey of the future network technology and trend
HUANG Tao
1,2
，LIU Jiang
1,2
，WANG Shuo
1,2
，ZHANG Chen
2
，LIU Yunjie
1,2
1. State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
2. Purple Mountain Laboratories, Nanjing 211111, China
Abstract: Several typical technologies about the future network were introduced. First, the background of each technol-
ogy were introduced. Then, the current research progress and main results of each technology were expounded from eight
aspects: network control and orchestration, programmable network, deterministic network, network computing and stor-
age integration, network with artificial intelligence, network with blockchain, intelligent security network, space network.
Finally the development trends and challenges of each technology were analyzed. It was expected that by 2030, the future
network will support trillion-level, human-machine, all-time-space, safe, and intelligent connections and services. It is
hoped that it can provide references and help for future network research.
Keywords: future network architecture, network operating system, programmable data plane, deterministic network,
network computing and storage integration, network artificial intelligence, network security
1 引言
互联网是人类历史上最重要的基础设施之一。
互联网已经从最初的科研型网络发展成消费型网
络，目前正在向生产型网络转变，未来网络发展迎
来新的机遇。在互联网过去几十年的发展过程中，
涌现出一系列优秀的技术和标准，如 TCP
（transmission control protocol）/IP（Internet proto-
col）、OSPF（open shortest path first）、BGP（border
gateway protocol ）、 MPLS （ multi-protocol label
switching）、IPv6（Internet protocol version 6）、BBR
（bottleneck bandwidth and RTT）、QUIC（quick UDP
收稿日期：2020-05-18；修回日期：2020-08-18
基金项目：国家重点研发计划基金资助项目（No.2018YFB1800500）；国家自然科学基金资助项目（No.61902033）；北京市
自然科学基金资助项目（No.4204105）；广东省重点领域研发计划基金资助项目（No.2018B010113001）
Foundation Items: The National Key Research and Development Program of China (No.2018YFB1800500), The National Natural
Science Foundation of China (No.61902033), Beijing Natural Science Foundation (No.4204105), The Research and Developmen
t
Program in Key Areas of Guangdong Province (No.2018B010113001)
第 1 期 黄韬等：未来网络技术与发展趋势综述 ·131·
Internet connection）、SDN（software defined net-
work）、NFV（network function virtualization）、
VxLAN（visual extensible local area network）等，
以及移动通信网络领域的 3G/4G/5G 网络相关技术
等，这些技术为互联网的发展演进提供了重要支
撑，做出了历史性贡献。然而，随着互联网功能从
“信息传输”向“产业服务”转变，传统互联网技
术正迎来新的挑战。
从需求驱动角度看，新的业务将对未来网络提
出更高的要求。业界预测，未来网络将需要满足超
低时延（毫秒级）、超高通量带宽（＞1 Tbit/s）、超
大规模连接（>1 000 亿连接）等需求。例如，在消
费型业务领域，AR（augmented reality）/VR（virtual
reality）/3D 通话、全息传送、交互式游戏等沉浸式
业务将对网络低时延、大带宽性能提出更高要求；
在工业互联网领域，精仪制造、远程工控、数字孪
生等生产性业务则要求网络具备更好的低时延、低
抖动能力；在车联网领域，自动驾驶、车路协同、
无人车、无人机、无人船等新兴业务则会对网络提
出低时延、高可靠的双重需求。此外，参考 Gartner
近期发布的 2020 年十大技术性趋势，超级自动化、
透明度和可追溯性、授权边缘、分布式云、自主设
备、实用区块链、AI（artificial intelligence）安全等
技术和应用将对互联网提出更高要求，推动未来网
络向智能化、柔性化和可定制化方向发展。
从技术挑战角度看，未来 10 年互联网在可扩
展性、移动性、安全性、服务质量保障、高效服务
分发、绿色节能等方面，仍将面临巨大挑战。虽然
从 21 世纪初开始，一些问题已被学术界意识到，
并开展了诸多创新性研究，然而很多技术难题仍未
能从根本上解决，并且随着网络规模日益增大而变
得愈加严峻。例如，在可扩展性方面，网络流量增
长速度远高于芯片处理性能增长速度，如何构建新
一代网络芯片甚至变革网络架构体系，以满足未来
10 年网络流量爆炸性增长需求成为新的难题；在服
务质量保障方面，传统 TCP/IP 网络遵循“尽力而
为”的设计理念，网络设备主要负责数据分组的转
发，网络侧重公平性原则，不强调对全网的可管可
控，然而随着新业务对服务质量保障需求的增加，
未来网络亟须增加差异性服务能力，实现网络端到
端确定性可控。
为解决传统互联网暴露出的种种问题，世界各
国都在积极探索未来网络相关技术方案，并抢先展
开战略布局。通过设立重大项目，从“网络体系架
构设计”和“网络试验平台构建”这 2 个角度入手，
探索新的网络体系并进行测试验证，本文首先系统
地追踪了国内外未来网络学术界和产业界的最新
发展情况，在此基础上再从网络体系架构和创新试
验平台 2 个角度展开分析。“网络体系架构”是目
前网络研究领域公认的一项科学难题，也是当前世
界各国信息网络领域争相研究的焦点。本文系统梳
理了近 10 年未来网络体系架构方面的研究进展和
思路，并在此基础上提出了思考和设想。“网络创
新试验平台”作为未来网络技术创新研究的基本手
段，在国际上得到广泛重视，全球已经建立了超过
10 个大规模网络试验设施。本文系统梳理了全球网
络创新试验平台的主要思路和最新进展，并在此基
础上介绍了中国主导建设的未来网络试验设施的
核心思路及发展趋势。
面向 2030 年的需求，本文期望构建可提供“万
亿级、人机物、全时空、安全、智能”的未来网络。
然而，网络的创新发展必须要兼容现有的基础，即
使提出革命性的创新技术也需要找到演进式的部
署路线，本文在对未来网络体系架构研究的基础
上，梳理了网络控制编排、网络深度可编程、网络
确定性服务、网络计算存储一体化、网络空天地海
一体化、网络+人工智能、网络+区块链、智能安全
网络八大核心技术，并给出了业界最新进展及其发
展趋势的思考。最后，本文给出了面向 2030 的未
来网络发展展望。
2 未来网络体系架构
2.1 国内外未来网络体系架构研究进展
自未来网络的概念提出以来，各国高度重视未
来网络体系架构的创新研究，并纷纷加大投入力度
支持学术界对未来网络架构进行探索。美国未来网
络研究项目主要由国家科学基金会（NSF）管理，
包括未来互联网设计（FIND, future Internet design）
和未来互联网架构（FIA, future Internet architec-
ture）计划。FIND 从 2005 年开始资助了关于新型
网络体系结构、网络虚拟化、网络感知测量等方面
的近 50 个研究项目，FIA 于 2010 年启动，对命名
数据网络、MobilityFirst、XIA（expressive Internet
architecture）、Nebula 等项目提供支持，从内容中心
网络架构、移动网络架构、网络安全可信机制、分
布式数据中心互联等方面探索未来网络关键机制。
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