新闻资讯 · 2022年 8月 19日

【Telegram中文版】确定性网络:超越“尽力而为”,瞄准“确保可靠”【Telegram中文官网】

科技日报记者 金凤

Telegram中文

在元宇宙、4K、8K、高清视频等新兴场景中,如何将端到端的时延控制在几毫秒,时延抖动控制在微秒级?

自动驾驶系统运行过程中,如何将车辆、行人、路侧设施等大量数据将及时传输至行驶算法中,同时确保行驶过程中网络波动状况稳定?

在中国工程院院士刘韵洁看来,确定性网络技术,可为数据的传输提供带宽、时延、抖动等质量可确定的服务,在元宇宙、工业互联网、电力、车联网、远程医疗等领域提供“准时、准确”的信息传输服务质量。

前不久在南京召开的第六届未来网络发展大会中,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?

互联网与实体经济结合催生信息传输“高铁”

自20世纪70年代互联网诞生以来,由于其简单的连接机制、不断提高的带宽以及可扩展性和兼容性而被广泛使用。

但是,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”的数据转发方式,越来越难以支撑未来业务对差异化服务、确定性、低时延的需求。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、VR游戏等,需要将端到端时延控制在1-10毫秒,将时延抖动控制在微秒级,但传统的网络却难以满足以上要求,无法实现确定性的时延抖动控制。

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传输,但存在协议互通性差,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AR、VR、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,更需要网络确定可控并能提供差异性服务。”中国工程院院士、紫金山实验室主任刘韵洁介绍,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上的拥堵、延迟、抖动等痛点问题。

刘韵洁打了个比方,网络就像不同的道路,有普通马路、高速公路甚至飞机航线等。我们目前使用的互联网就好比一条“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“信息高铁”,是完全畅通的一条路,时延抖动是可定制的,可按用户需要提供服务,能有效解决工业制造、能源、元宇宙等重大应用的精准控制问题。

近年来,国内外企业、标准组织、产业联盟都在积极研究确定性网络技术。刘韵洁介绍,从国际来看,国际互联网工程任务组(IETF)、国际电工委员会(IEC)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;华为联合30多家单位成立5G确定性网络产业联盟;中国信通院联合国内多家网络相关单位共同组建网络5.0产业和技术创新联盟,开展确定性网络技术研究。

需对时延、抖动、丢包率、带宽和数据传输路径精准控制

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模拟“高铁”系统,提出基于时隙的传输机理、并发业务流整形机制、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、新华三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13000公里距离、10000条确定性业务情况下,实现零丢包、时延抖动小于20微秒。

“这张信息网络的‘高铁网’开通后,相当于可以给所有入网的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博士解释,以往一个城市内,各个工厂之间网络应用和数据传递就像各家开私家车一样,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一个“高铁”时刻表,根据不同时间的各个城市的需求,对数据传输的流量、所需带宽统一调度,再由各个城市向各个工厂分发数据资源,减少“数据拥堵”。

面对时延敏感性业务的迫切需求,如何从“尽力而为”提升为“准时、准确”地控制端到端的时延,对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有确定性的控制。这就需要设计一些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的上界、网络可保证的确定性业务转发丢包率、时频同步特性等。

汪硕举例,“在确定性网络的数据传输过程中,要根据不同时隙,即不同的时段的业务流量不同,匹配不同的带宽,即设计时隙调度算法,规划相应的流量在固定的时间抵达目的地,相当于为高铁设计了一套买票系统。”他说,以往的路由器不需要考虑时隙,而现在就要重新设计路由器的架构,使其能够调度成千上万条数据传输的“高铁”线路,而且能达到微秒级的控制精度。

“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,形成了以DetNet为核心的广域确定性技术体系,未来,希望能以具有较低的部署成本、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。

或将改变我国互联网下半场发展

确定性网络开通后,将给我们带来哪些惊喜?刘韵洁表示,在构建数字能源新模式、智慧交通、算力互联、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。

“确定性网络最现实的一个应用,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,但现在的算力中心像单个的烟囱,形成一个个数据孤岛,低利用率导致成本极高。

“这就需要算力跟网络的融合,要打通算力资源的孤岛,把一个个烟囱拔掉,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,构建一个全域超级计算机,赋能人类社会发展。”

近期,刘韵洁团队构建了从南京到贵阳跨2450公里的100G试验网络,由于传统网络存在大量的丢包与拥塞,在网络拥塞情况下,带宽利用率不足10%,难以满足算力数据中心跨广域的无损数据传输需求,而采用新型确定性无损传输技术后,可系统性解决网络带宽、时延、丢包问题,为业务提供有确定性保障的服务质量,因此,峰值传输速率可提升至88%,可达到数据中心内部无损网络传输水平。

在远程医疗场景,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,在济南操控一台机器人,“隔空”给青大附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,用时20多分钟。整个过程网络时延不到6毫秒,创造了新的纪录。医院团队的远程手术应用的正是确定性网络。

在工业互联网方面,确定性网络也可满足工业应用超大带宽、超低时延抖动、万亿级连接需求,解决工业企业异地工厂互联、远程机械臂控制等时延抖动控制问题;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,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,例如哪里用电量多,哪里用电量少,信息无法那么快感知。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,尽可能快地削峰填谷。”汪硕说。

在刘韵洁看来,突破确定性网络核心技术,建设确定性网络相关产业生态,实现核心标准、设备的自主可控,确定性网络将有可能成为改变我国互联网下半场发展的技术体系。

“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。