数字化网络化智能化进程加快 网络通信技术呈十大特征

 

 

　　网络是信息发送、接收、传输、交换的平台，它把各个节点的信息流连通到一起，实现资源共享。网络是本世纪的科技象征。从普通百姓看，网络已逐渐成为随时随地的“场景”，像阳光、空气、水和电一样，成为一种普适的“存在”，可以不改变其基本形状向各个方向发展。从技术发展上看，网络通信先后经历了模拟、数字、互联网和移动互联四个阶段。其发展趋势是3s-abc，即“3”指人-网-物三元千亿级万物互联（连接整个世界，5G全覆盖和千兆接入）以及与各行业各技术的系统性融合，“s”指软件定义网络、网络功能虚拟化与开源（SDN/NFV/OpenSource），“a”指网络的万物互联与技术融合以人工智能化方式实现，“b”是网络的大数据化，“c”是指网络的云化，大带宽、广覆盖、高通量、微小型化、绿色节能成为基本特征，所有的服务以用户为中心。这相当于在自然世界和人类社会之上叠加了一个神经层，其本质是深度信息化，具有超乎想象的信息感知、传输、存储和处理能力，与传统行业和区域结合，将催生出巨多的可能性。由此带来国家发展新机遇、百姓生活新空间、社会治理新领域、产业升级新动能和国际竞争新疆域。这是人类有史以来生产方式的一次重大提升和转变。未来，如果有一天网络及通信系统全部瘫痪，会引发大批人类活动停摆，经济损失惨重，那么这将会是几年内难以忘怀的重大事故。

 

 

　　这一特征将体现出5G网络体系架构的四大转变，即从复杂封闭体系向开放、开源的新型SDN/NFV云网一体化架构转变，从行政管理体制及传统组网思维向互联网思维转变，从被动适应网络变化向主动快速灵活应对转变，组成网络架构各要素单元的来源从传统买卖关系向建构产业链新生态系统转变。以互联网为例，其TCP/IP、无连接模式、IP层PDU格式、存储转发、路由机制等保持不变，完成软件功能与硬件平台分离并解耦；软件功能云化并开源；从以办公室为中心组网，转向以云DC为中心组网；架构统一，集中管控提升效率，降低成本；由运营商定义业务转向由用户定义业务；从传统供应商买卖关系转向产业链生态系统建构。5G愿景除满足面向人的通信需求“增强移动宽带”外，还增加了面向物联网“大规模机器通信（mMTC）”和“高可靠低时延通信（ULLC）”。这三大需求给未来5G移动网络带来巨大挑战，例如，为满足用户体验速率提升百倍和数据流量提升千倍的需求，需要极大提升无线接入网络吞吐量、核心网传输链路容量，通过新型多载波、大规模天线、新型多址接入、高阶编码调制、全双工等，提升无线传输技术的频谱利用率。通过密集的小区部署提升空间复用率、提高频谱利用率和增加频谱带宽可提升无线接入系统容量。5G还需满足海量终端连接和各类业务的高可靠、低时延、低成本、低功耗等差异化需求。可以新建、更换、选择、组合各个实体模块虚拟化来架构一个灵活的、可扩展的、可软件定义的开放系统满足需求。包括无线通信在内的信息通信技术正与互联网深度融合，架构正趋向统一。未来几年，P比特级光纤传输、E比特级交换、千兆以上接入将逐步成为现实，互联网仍将是主导体系架构，其影响最大、覆盖最广、用户最多的全球地位不会改变。

 

 

　　梅特卡夫定律说：网络的价值与网络连接节点数的平方成正比，节点数越多，价值越高。尽管计算机推动全球进入高效运行，但1亿台相互连接的PC或手机所产生的价值和影响力要远远超过一台价值过亿元的超级计算机，而且连接的影响是颠覆性的，会改变很多传统的商业模式。计算机的未来主要不在计算而在于连接。连接这一特征体现出传感感知，有线互连、无线互连，光纤互连，可见光互连、红外互连、太赫兹互连，水下互连，海洋互连，人与人、人与物、物与物互连，从消费领域互连向工业领域互连推进，新型连接不断涌现，向所有行业和区域延伸，体现出大带宽、广覆盖、高通量、绿色节能等特征。连接可以不断地突破距离限制、时间限制，突破听力制约、视力制约、能力制约、知识制约、脑力制约，等等，所有能产生价值的东西，无论大小，都会在多个层面上接入到庞大的网络中。新的层级结构会孕育出崭新的事物，涌现出低层级中不可能出现的结果。以我国网络零售额为例，2017年达7.2万亿元，同比增长32%；移动支付交易额约200万亿元，居世界首位。到2017年6月，我国检测到的移动应用是421万款（引自工信部的数据），这些主要是连接的贡献。缺少了这个庞大的网络，就没有活力、没有智能、没有进化。连接一切，把事物从未知变为已知、把无价值的变为有价值、把看似无关的事物关联起来可以变为一个有机整体，可以把很多不可能变为可能，还会出现更多新的东西。连接可以不断地产生新需求、新概念、新模式。把过百至上千亿的东西联在一起，形成覆盖全球的庞然大物，无处不在，势不可当，是地球上迄今为止涌现出的最壮观的事物。未来它会一直保持，持续升级，不断进化，可能将远远超过人类的智慧。

 

 

　　这一特征体现出网络通信可以突破空间限制，位置限制，微观世界、生物环境的限制，可以突破高温低温环境的限制、高压低压的限制、海底和地球内部的限制，以及其他人类不适合生存的环境的限制。目前，网络已覆盖超过5亿平方公里的土地，上百亿台的机器，70亿人的手机，以比人类快得多的速度运行。下一步，网络通信将从消费领域向工业领域推进，部署工业互联网和IPv6。连接工厂全系统、全产业链，成为支撑工业系统智能化发展的关键基础设施。在现有互联网上扩展、演化和升级而逐步形成，而其范围、功能、复杂性又可能远超过现在的网络，时延更低、可靠性更强、安全性更高，重塑传统制造业，将深刻改变传统制造业的制造流程、制造理念、制造生态和制造工具，推动传统制造业转型升级，逐步进入智能制造新空间、新领域。再下一步，体现出网络互联从目前地面上的平面二维互联向陆海空三维互联、微观世界互联及外太空和星际互联不断延伸。连接会延伸到地球的所有物理维度，逐渐地，连接可能会从“人类社会”“物理世界”和“信息世界”，延伸到“数据世界”“生物世界（如大脑、细胞等）”“材料世界”“能源世界”“化学世界”等所有人类希望产生价值并造福人类的空间场所。更远的未来，有可能可以突破太阳系、银河系和宇宙的限制。

 

 

　　2017年年末，互联网已经覆盖超过了220个国家和地区，全球网民超过35.5亿（连接数量），移动电话用户约76亿，移动宽带用户41.9亿，固定电话用户9.57亿，固定宽带用户9.7亿（引自ITU数据）。这其中大量使用软件，网络可冗余、可升级、可进化。通信系统软件最诱人的地方是可不断增加系统的灵活性、不断增加系统的功能，具有可扩展性、按需使用的及时性、可重用性、可重构性，目标是软件定义一切，把灵活性发挥到极致。不过，代价也很明显，网络通信系统设备中所用的大型软件可能是人类目前所能制造的最复杂的事物之一了，代码数量的大和小、

 

　　多和少能带来本质差异，形成大型软件复杂性墙。嵌入式操作系统和大型通信设备的软件已远超过1000万行代码。巨量代码和少数程序的行为存在重大差异，这些大型复杂通信软件具有内在的不稳定性，不太可能用插值函数判断系统的行为。对于一个具有海量可能性的软件系统，你很难对所有的可能性进行测试，因为它是不连续系统。其中的可扩展性、高可用性、服务质量控制和可信性等都是难点。

 

 

　　网络与数据密不可分，缺一不可，数据及其服务是国家战略和经济的基础设施。有统计称，人类在计算机商品化之前的整个历史过程中已积累了12EB数据，到2006年达到180EB，在2006—2011年间已超过1600EB，这一数字每3年就会翻4倍，2015年就已达到8ZB（引自《第四次工业革命》），2017年年底突破16ZB。这些体现出近几年网络中呈现的大数据（指那些一般软件工具难以捕获、存储、管理和分析的数据，有人把数据比作新的石油），5V特征引发传统网络信息技术的新挑战：海量性（Volume）、时效性（Velocity）、价值密度低（Value）、多样性（Variety）、真实性（Veracity）。网络中从关注因果关系，转向更多地关注数据相关性、时效性和个性化。

 

　　目前看，大数据杀手级处理手段还未出现，国内某经济大省2018年6月一个月的数据流量达6.9万T，每月增长160%~200%，如何承载和处理，我们还无技术对策。大约再过20年，全球数据量将可能达到尧字节，这是目前已知的最大数量级术语，更大数量级至今还未定义。问题是，今天几乎所有的数据信息都是按照人类能理解的习惯编排的，可我们能力已达到极限了，需要把数据信息按机器或人工智能能够理解的方式进行编排，一旦这些数据信息能被机器知化，将会有颠覆性创新和新奇的事物呈现在我们面前。IBM前CEO认为：计算模式大约每15年发生一次变革，1965年是大型机，1980年是PC，1995年是互联网，2010年是移动互联网（实际上，后两项都是网络通信技术）。如果是这样，2025年是什么，2040年又是什么，急需发明崭新的技术方法或范式。

 

 

　　按照库伯定律，在给定无线频谱中传送的信息量每两年半就翻一番。再比如，互联网上每秒比特的传送量每16个月就翻一番。IDC公司的研究报告认为，全球每18个月数据量翻一番，处理能力和存储能力落后于信息流量的增长幅度，成为新的瓶颈。2017年，中国信息消费规模已达到4.5万亿元，占最终消费支出约10%。预计2020年，将达到6万亿元，年均增长将超过11%。

 

　　再以光纤通信为例，中国第一个光纤通信系统工程是1982年连接武汉三镇的8Mb/s工程，到2017年单波商用系统已达到100Gb/s，增长1.25万倍。如果算上波分复用，商用系统至少已达到100×100Gb/s，35年增长125万倍。一般认为，骨干网光纤传输带宽每9~12个月翻一番。无线移动也类似，通信速率不断提高，从传统的2G通信到近年来的4G通信，传输速率提升几千倍，目前4G-LTE商用系统空口速率按照1000Mb/s计算，与30年前“大哥大”手机相比，速率增长约10万倍。2015年，全球移动数据比15年前增加了4亿倍。连接带宽将呈Gbps→Tbps→Pbps→Ebps→Zbps的发展趋势，连接带宽还将继续呈指数型增长，呈现高带宽、大容量、长距离特征。追求更高带宽是人类信息发展的基础目标。

 

 

　　网络虚拟特征主要指Cyberspace，无质、无实体、无界。据统计，每年全球因网络安全问题（恶意攻击、病毒等）造成的损失超过千亿元，不断警醒我们捍卫国家主权和安全、维护人身安全和社会稳定的重要性。网络无孔不入、以空前的速度在全球各个领域扩散，其重要性与战略性与日俱增，Cyberspace已成为各国竞争博弈的新领域、新空间，已延伸并内嵌到意识形态、国家安全、社会稳定和经济发展各方面，网络（虚拟）空间已成为继陆、海、空、天之后人类第五疆域和战略空间，制网权与制海权、制空权、制天权同等重要，网络空间已成为各国争夺的焦点。

 

　　互联网既是国家战略资源的倍增器，同时也是国家战略的命门和死穴。另一方面，网络空间不断与实体经济融合，自然界和人类社会的很多重要功能，比如购物、微信、远程教育、医疗、办公等将不断向虚拟空间转移，实现非物质化或减物质化，这既是发展趋势，也是竞争的需要。Cyberspace资源越用越丰富、“地盘”越开发越大。网络空间的核心技术，如高端核心芯片、操作系统软件、关键工艺装备、虚拟现实等，已成为国之重器，是掌握网络空间主导权、控制权和话语权的基础。

 

 

　　网络化与数字化互为依存，数字化是基础。数字信号的传送稳定性好、可靠性高，采样定理为数字化奠定了基础。数字化是现代计算机的基础，如果没有数字化，就没有今天的计算机，今天计算机的运算和功能都是通过数字计算完成的。数字化是多媒体技术的基础，至少包括数字、文字、图像、语音、视频等。数字化是软件的基础，是人工智能的基础，至少包括系统软件、工具软件、应用软件等，数字滤波、编码、解码、压缩解压等都是通过数字化完成的。人们认为信息社会的经济是数字经济，这说明数字化对经济的影响有多么重大。近几年，生产资料中首次出现非物质成分——数据，这是一个重大变化。2017年，我国数字经济规模达27.2万亿元，占GDP的比重为32.9%，位居世界第二（引自工信部数据）。工业互联网、工业4.0、智能制造中最基础的环节也是数字化。互联网从消费领域进入工业领域，意义重大，其中最基础的还是数字化。主要由模拟量刻画的物理世界将会逐步完成数字化，这是自然世界和人类社会与网络化并驾齐驱的一次重大转型，通过模数和数模转换打通数字和模拟两个世界。

 

 

　　“微电子学”也叫“微小型化电子学”，是50年前发展起来的一门高度活跃、富有生命力的学科，是网络通信技术的核心技术之一。它涉及半导体物理、半导体材料物理、半导体器件、工艺装备、集成电路、电磁场与微波技术、纳米技术、量子力学、信号处理、热力学和制造工艺的基础理论和实验技术等。高集成度、低功耗、高性能、高可靠性也是网络通信技术的发展方向之一。受摩尔定律的影响，网络通信的各类元器件普遍朝着微小型化方向发展，功能不断增加、能耗不断降低、重量不断减轻、尺寸不断缩小、价格不断降低。以计算机存储为例，一兆字节存储量，1955年价格为6000美元，1993年为1美元，2010年为1美分，现在大约是0.01美分，今后还会继续降低。过去50年摩尔定律一直推动着集成电路产业的持续发展，现阶段看，晶体管微小型化的平面布局正逼近物理与工艺极限，摩尔定律的趋势也将放缓或变轨，急需新的方法和手段实现突破。

（中国工程院院士 余少华）