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我们目前日常使用的互联网就好比是一条普通马路,堵堵停停,时延抖动难以控制。而确定性网络则是利用新技术构建的“信息高速铁路”,是一条近乎完全畅通的道路,时延抖动是可控的,可按用户需要提供差异化服务,能有效解决工业制造、清洁能源、元宇宙等领域的精准控制问题。


——刘韵洁中国工程院院士、网络通信与安全紫金山实验室主任


不久前,在南京召开的第六届未来网络发展大会中,中国工程院院士、网络通信与安全紫金山实验室主任刘韵洁团队研发的“全球首个广域确定性网络系统”正式发布。何为确定性网络,它将为我们的生活和城市发展带来什么?

在刘韵洁看来,确定性网络技术可为数据传输提供质量可确定的带宽、时延、抖动等服务,可为元宇宙、工业互联网、电力、车联网、远程医疗等领域提供准时、准确的信息传输服务。


确定性网络打造信息“高速铁路”


近年来,随着高清实时视频流与工业机器控制等网络应用的增多,传统网络“尽力而为”的数据传输方式越来越难以支撑未来互联网应用对差异化、确定性、低时延网络的需求。例如,工业互联网中的数据上传和控制指令下发、远程机器人手术、无人驾驶、虚拟现实游戏等,需要将端到端的时延控制在1—10毫秒,将时延抖动控制在微秒级,传统网络难以满足以上要求,无法实现确定性的时延、抖动控制等。


同时,虽然一些传统的工业网络协议也能实现一定程度的确定性网络传输,但仍存在协议互通性差、应用场景范围有限等问题。


“互联网从消费领域进入实体经济将面临巨大变革,也存在两个挑战,一个是网络需要确定可控,另一个是网络要能提供差异性的服务。在增强现实、虚拟现实、3D通话、全息影像、交互式游戏、远程工控、自动驾驶、车路协同等领域更是如此。”刘韵洁介绍,确定性已经成为网络发展的关键技术,确定性网络将也成为未来经济和社会发展的重要基础。


确定性网络是一种新型网络技术,其具有“大带宽、低延时、低抖动、高可靠”等优点,可以有效解决传统网络数据传输中的拥堵、延迟、抖动等痛点问题。


刘韵洁打了个比方:我们目前日常使用的互联网就好比是一条普通马路,堵堵停停,时延抖动难以控制。而确定性网络则是利用新技术构建的“信息高速铁路”,是一条近乎完全畅通的道路,时延抖动是可控的,可按用户需要提供差异化服务,能有效解决工业制造、清洁能源、元宇宙等领域的精准控制问题。


近年来,国内外企业、标准组织、产业联盟等都在积极研究确定性网络技术。刘韵洁介绍,国际上,国际互联网工程任务组(IETF)、国际电工委员会(IEC)正在积极推动确定性网络技术标准的落地。在国内,工业互联网产业联盟也启动了时间敏感网络(TSN)产业链名录活动,华为技术有限公司联合30多家单位成立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互联网单位共同组建网络5.0产业和技术创新联盟,开展确定性网络技术研究。


确定性网络的重要性:统一调度入网城市的数据传输


作为一种新型网络基础设施,此次发布的全球首个广域确定性网络系统,提出基于时隙的传输机理、并发业务流整形机制和高效业务流调度算法,研制确定性大网操作系统,实现全网时隙统一调度,并基于未来网络试验设施(CENI)首次实现华为技术有限公司、新华三技术有限公司确定性设备异构组网,正式开通了覆盖北京、南京、上海等35个城市的广域确定性网络,在100%网络负载、途经13个省市1.3万公里距离、1万条确定性业务的情况下,可以实现零丢包、时延抖动小于20微秒。

“这个信息网络的‘高速铁路’开通后,可以给所有入网城市进行数据的统一调度。”网络通信与安全紫金山实验室新型承载网络技术课题负责人汪硕解释道,以往一个城市内各个主体之间的网络应用和数据传递就像各自开私家车一样,自己规划线路和时间,容易造成数据拥堵和丢包。而此次发布的广域确定性网络相当于建立了一个“高速铁路”,根据不同时间段各个城市内不同主体的不同需求,对数据传输的流量、所需带宽等统一调度,再由各个城市向各个主体分发数据资源,减少数据拥堵。


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“在确定性网络的数据传输过程中,要根据不同时隙,即不同时段的业务流量,匹配不同的带宽,设计时隙调度算法,规划相应的流量在固定时间抵达目的地,相当于设计了一套‘高铁买票系统’。”汪硕说,以往的路由器不需要考虑时隙,所以需要为确定性网络重新设计路由器的架构,使其能够成为调度成千上万条数据传输的“高铁线路”,而且还要达到微秒级的控制精度。


不过,要想满足不同主体之间的网络需求,也并非错峰发送数据这么简单,它对确定性网络提出了新的挑战。


在汪硕看来,想实现确定性网络的稳定可靠,需要对网络时延、抖动、丢包率、带宽和数据传输路径等有足够的确定性控制,这就需要设计可定量的网络性能类指标,例如网络可承诺的带宽转发能力、网络可保证的确定性时延上界、网络可保证的确定性业务转发丢包率、时频同步特性等。


“通过近几年的理论研究和实践探索,确定性网络技术框架逐渐成熟。未来,希望我们能以较低的部署成本、较高的传输通量、超高的可靠性和超高的安全性打造一张稳定高效的网络。”汪硕说。


确定性网络的应用场景


刘韵洁表示,在构建数字能源新模式、智慧交通、算力网络、元宇宙、矿山安全生产、远程医疗等领域,确定性网络均大有可为。


“确定性网络的一个重要应用,就是建立算力网络。”刘韵洁说,算力将成为数字经济的核心生产力。中国已经成为全球数据资源大国,但目前的算力中心“各自为战”,形成了一个个数据孤岛,较低利用率导致成本较高。


“这就需要让算力跟网络融合,打通算力资源孤岛,让确定性网络像一个计算机总线一样,把所有算力都连在一起,构建一个全域的超级计算机,赋能人类社会发展。”刘韵洁说。

近期,刘韵洁团队构建了从南京到贵阳跨越2450公里的100G确定性网络。由于传统网络存在普遍的丢包与拥塞问题,在网络拥塞情况下,算力峰值传输速率不足10%,难以满足算力数据中心跨广域的无损数据传输需求。而确定性网络的新型确定性无损传输技术,可系统性解决网络带宽、时延、丢包等问题,峰值传输速率可提升至88%,达到数据中心内部无损网络传输的水平,有效确保网络服务质量。


在远程医疗领域,确定性网络也让手术操作跨越时空。今年2月,青岛大学附属医院副院长牛海涛团队,用时20多分钟,在济南操控一台机器人,“隔空”给青岛大学附属医院(市南院区)动物实验室的试验动物猪进行了远程机器人辅助腹腔镜下肾脏切除术。整个过程网络时延不到6毫秒,医院团队进行远程手术所应用的,正是确定性网络。


在工业互联网领域,确定性网络可以满足工业应用对超大带宽、超低时延抖动等需求,解决工业企业异地工厂互联、远程机械臂控制等的时延抖动控制问题;在能源互联网方面,确定性网络预期可实现电力信息精准同步,最高可为企业降低能耗10%—20%,助力实现碳达峰碳中和。


“目前电网的数据传输频率没有那么高,哪里用电量多、哪里用电量少等信息无法实现快速传递。我们在尝试攻关,尽可能用确定性网络提高信息交换和同步的速度,以实现电力的实时调度,实现‘削峰填谷’。”汪硕说。


在刘韵洁看来,在突破核心技术,建设相关产业生态,实现核心标准、设备自主可控的前提下,确定性网络将有可能成为改变我国互联网发展下半场的技术体系。“谁能把握住互联网发展下半场的历史机遇,谁就能掌握未来科技创新和产业发展的主动权。”刘韵洁说。


来源:科技日报记者金凤

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