2018-10-19 11:16:25
3525
當今世界正處于“網(wǎng)絡信息世界與自然世界和人類社會”深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化進程中，百年一遇，這是生產(chǎn)力又一次質(zhì)的重大跨越，像人類歷史所經(jīng)歷過的農(nóng)耕文明和工業(yè)文明一樣影響深遠、意義重大，這一進程正深刻改變著世界的競爭格局、安全格局、經(jīng)濟格局、社會格局、軍事格局和文化格局，由此帶來國家發(fā)展新機遇、百姓生活新空間、社會治理新領域、產(chǎn)業(yè)升級新動能和國際競爭新疆域。網(wǎng)絡通信技術的整體發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出網(wǎng)絡、架構、連接、空間、軟件、數(shù)據(jù)、帶寬、虛擬、數(shù)字、微型十大特征。
趨勢一 網(wǎng)絡特征
網(wǎng)絡是信息發(fā)送、接收、傳輸、交換的平臺，它把各個節(jié)點的信息流連通到一起，實現(xiàn)資源共享。網(wǎng)絡是本世紀的科技象征。從普通百姓看，網(wǎng)絡已逐漸成為隨時隨地的“場景”，像陽光、空氣、水和電一樣，成為一種普適的“存在”，可以不改變其基本形狀向各個方向發(fā)展。從技術發(fā)展上看，網(wǎng)絡通信先后經(jīng)歷了模擬、數(shù)字、互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)四個階段。其發(fā)展趨勢是3s-abc，即“3”指人-網(wǎng)-物三元千億級萬物互聯(lián)(連接整個世界，5G全覆蓋和千兆接入)以及與各行業(yè)各技術的系統(tǒng)性融合，“s”指軟件定義網(wǎng)絡、網(wǎng)絡功能虛擬化與開源(SDN/NFV/OpenSource)，“a”指網(wǎng)絡的萬物互聯(lián)與技術融合以人工智能化方式實現(xiàn)，“b”是網(wǎng)絡的大數(shù)據(jù)化，“c”是指網(wǎng)絡的云化，大帶寬、廣覆蓋、高通量、微小型化、綠色節(jié)能成為基本特征，所有的服務以用戶為中心。這相當于在自然世界和人類社會之上疊加了一個神經(jīng)層，其本質(zhì)是深度信息化，具有超乎想象的信息感知、傳輸、存儲和處理能力，與傳統(tǒng)行業(yè)和區(qū)域結合，將催生出巨多的可能性。由此帶來國家發(fā)展新機遇、百姓生活新空間、社會治理新領域、產(chǎn)業(yè)升級新動能和國際競爭新疆域。這是人類有史以來生產(chǎn)方式的一次重大提升和轉變。未來，如果有一天網(wǎng)絡及通信系統(tǒng)全部癱瘓，會引發(fā)大批人類活動停擺，經(jīng)濟損失慘重，那么這將會是幾年內(nèi)難以忘懷的重大事故。
趨勢二 架構特征
這一特征將體現(xiàn)出5G網(wǎng)絡體系架構的四大轉變，即從復雜封閉體系向開放、開源的新型SDN/NFV云網(wǎng)一體化架構轉變，從行政管理體制及傳統(tǒng)組網(wǎng)思維向互聯(lián)網(wǎng)思維轉變，從被動適應網(wǎng)絡變化向主動快速靈活應對轉變，組成網(wǎng)絡架構各要素單元的來源從傳統(tǒng)買賣關系向建構產(chǎn)業(yè)鏈新生態(tài)系統(tǒng)轉變。以互聯(lián)網(wǎng)為例，其TCP/IP、無連接模式、IP層PDU格式、存儲轉發(fā)、路由機制等保持不變，完成軟件功能與硬件平臺分離并解耦;軟件功能云化并開源;從以辦公室為中心組網(wǎng)，轉向以云DC為中心組網(wǎng);架構統(tǒng)一，集中管控提升效率，降低成本;由運營商定義業(yè)務轉向由用戶定義業(yè)務;從傳統(tǒng)供應商買賣關系轉向產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)系統(tǒng)建構。5G愿景除滿足面向人的通信需求“增強移動寬帶”外，還增加了面向物聯(lián)網(wǎng)“大規(guī)模機器通信(mMTC)”和“高可靠低時延通信(ULLC)”。這三大需求給未來5G移動網(wǎng)絡帶來巨大挑戰(zhàn)，例如，為滿足用戶體驗速率提升百倍和數(shù)據(jù)流量提升千倍的需求，需要極大提升無線接入網(wǎng)絡吞吐量、核心網(wǎng)傳輸鏈路容量，通過新型多載波、大規(guī)模天線、新型多址接入、高階編碼調(diào)制、全雙工等，提升無線傳輸技術的頻譜利用率。通過密集的小區(qū)部署提升空間復用率、提高頻譜利用率和增加頻譜帶寬可提升無線接入系統(tǒng)容量。5G還需滿足海量終端連接和各類業(yè)務的高可靠、低時延、低成本、低功耗等差異化需求。可以新建、更換、選擇、組合各個實體模塊虛擬化來架構一個靈活的、可擴展的、可軟件定義的開放系統(tǒng)滿足需求。包括無線通信在內(nèi)的信息通信技術正與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，架構正趨向統(tǒng)一。未來幾年，P比特級光纖傳輸、E比特級交換、千兆以上接入將逐步成為現(xiàn)實，互聯(lián)網(wǎng)仍將是主導體系架構，其影響最大、覆蓋最廣、用戶最多的全球地位不會改變。
趨勢三 連接特征
梅特卡夫定律說：網(wǎng)絡的價值與網(wǎng)絡連接節(jié)點數(shù)的平方成正比，節(jié)點數(shù)越多，價值越高。盡管計算機推動全球進入高效運行，但1億臺相互連接的PC或手機所產(chǎn)生的價值和影響力要遠遠超過一臺價值過億元的超級計算機，而且連接的影響是顛覆性的，會改變很多傳統(tǒng)的商業(yè)模式。計算機的未來主要不在計算而在于連接。連接這一特征體現(xiàn)出傳感感知，有線互連、無線互連，光纖互連，可見光互連、紅外互連、太赫茲互連，水下互連，海洋互連，人與人、人與物、物與物互連，從消費領域互連向工業(yè)領域互連推進，新型連接不斷涌現(xiàn)，向所有行業(yè)和區(qū)域延伸，體現(xiàn)出大帶寬、廣覆蓋、高通量、綠色節(jié)能等特征。連接可以不斷地突破距離限制、時間限制，突破聽力制約、視力制約、能力制約、知識制約、腦力制約，等等，所有能產(chǎn)生價值的東西，無論大小，都會在多個層面上接入到龐大的網(wǎng)絡中。新的層級結構會孕育出嶄新的事物，涌現(xiàn)出低層級中不可能出現(xiàn)的結果。以我國網(wǎng)絡零售額為例，2017年達7.2萬億元，同比增長32%;移動支付交易額約200萬億元，居世界首位。到2017年6月，我國檢測到的移動應用是421萬款(引自工信部的數(shù)據(jù))，這些主要是連接的貢獻。缺少了這個龐大的網(wǎng)絡，就沒有活力、沒有智能、沒有進化。連接一切，把事物從未知變?yōu)橐阎褵o價值的變?yōu)橛袃r值、把看似無關的事物關聯(lián)起來可以變?yōu)橐粋€有機整體，可以把很多不可能變?yōu)榭赡埽€會出現(xiàn)更多新的東西。連接可以不斷地產(chǎn)生新需求、新概念、新模式。把過百至上千億的東西聯(lián)在一起，形成覆蓋全球的龐然大物，無處不在，勢不可當，是地球上迄今為止涌現(xiàn)出的最壯觀的事物。未來它會一直保持，持續(xù)升級，不斷進化，可能將遠遠超過人類的智慧。
趨勢四 空間特征
這一特征體現(xiàn)出網(wǎng)絡通信可以突破空間限制，位置限制，微觀世界、生物環(huán)境的限制，可以突破高溫低溫環(huán)境的限制、高壓低壓的限制、海底和地球內(nèi)部的限制，以及其他人類不適合生存的環(huán)境的限制。目前，網(wǎng)絡已覆蓋超過5億平方公里的土地，上百億臺的機器，70億人的手機，以比人類快得多的速度運行。下一步，網(wǎng)絡通信將從消費領域向工業(yè)領域推進，部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和IPv6。連接工廠全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈，成為支撐工業(yè)系統(tǒng)智能化發(fā)展的關鍵基礎設施。在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)上擴展、演化和升級而逐步形成，而其范圍、功能、復雜性又可能遠超過現(xiàn)在的網(wǎng)絡，時延更低、可靠性更強、安全性更高，重塑傳統(tǒng)制造業(yè)，將深刻改變傳統(tǒng)制造業(yè)的制造流程、制造理念、制造生態(tài)和制造工具，推動傳統(tǒng)制造業(yè)轉型升級，逐步進入智能制造新空間、新領域。再下一步，體現(xiàn)出網(wǎng)絡互聯(lián)從目前地面上的平面二維互聯(lián)向陸海空三維互聯(lián)、微觀世界互聯(lián)及外太空和星際互聯(lián)不斷延伸。連接會延伸到地球的所有物理維度，逐漸地，連接可能會從“人類社會”“物理世界”和“信息世界”，延伸到“數(shù)據(jù)世界”“生物世界(如大腦、細胞等)”“材料世界”“能源世界”“化學世界”等所有人類希望產(chǎn)生價值并造福人類的空間場所。更遠的未來，有可能可以突破太陽系、銀河系和宇宙的限制。
趨勢五 軟件特征
2017年年末，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)覆蓋超過了220個國家和地區(qū)，全球網(wǎng)民超過35.5億(連接數(shù)量)，移動電話用戶約76億，移動寬帶用戶41.9億，固定電話用戶9.57億，固定寬帶用戶9.7億(引自ITU數(shù)據(jù))。這其中大量使用軟件，網(wǎng)絡可冗余、可升級、可進化。通信系統(tǒng)軟件最誘人的地方是可不斷增加系統(tǒng)的靈活性、不斷增加系統(tǒng)的功能，具有可擴展性、按需使用的及時性、可重用性、可重構性，目標是軟件定義一切，把靈活性發(fā)揮到極致。不過，代價也很明顯，網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設備中所用的大型軟件可能是人類目前所能制造的最復雜的事物之一了，代碼數(shù)量的大和小、
多和少能帶來本質(zhì)差異，形成大型軟件復雜性墻。嵌入式操作系統(tǒng)和大型通信設備的軟件已遠超過1000萬行代碼。巨量代碼和少數(shù)程序的行為存在重大差異，這些大型復雜通信軟件具有內(nèi)在的不穩(wěn)定性，不太可能用插值函數(shù)判斷系統(tǒng)的行為。對于一個具有海量可能性的軟件系統(tǒng)，你很難對所有的可能性進行測試，因為它是不連續(xù)系統(tǒng)。其中的可擴展性、高可用性、服務質(zhì)量控制和可信性等都是難點。
趨勢六 數(shù)據(jù)特征
網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)密不可分，缺一不可，數(shù)據(jù)及其服務是國家戰(zhàn)略和經(jīng)濟的基礎設施。有統(tǒng)計稱，人類在計算機商品化之前的整個歷史過程中已積累了12EB數(shù)據(jù)，到2006年達到180EB，在2006—2011年間已超過1600EB，這一數(shù)字每3年就會翻4倍，2015年就已達到8ZB(引自《第四次工業(yè)革命》)，2017年年底突破16ZB。這些體現(xiàn)出近幾年網(wǎng)絡中呈現(xiàn)的大數(shù)據(jù)(指那些一般軟件工具難以捕獲、存儲、管理和分析的數(shù)據(jù)，有人把數(shù)據(jù)比作新的石油)，5V特征引發(fā)傳統(tǒng)網(wǎng)絡信息技術的新挑戰(zhàn)：海量性(Volume)、時效性(Velocity)、價值密度低(Value)、多樣性(Variety)、真實性(Veracity)。網(wǎng)絡中從關注因果關系，轉向更多地關注數(shù)據(jù)相關性、時效性和個性化。
目前看，大數(shù)據(jù)殺手級處理手段還未出現(xiàn)，國內(nèi)某經(jīng)濟大省2018年6月一個月的數(shù)據(jù)流量達6.9萬T，每月增長160%~200%，如何承載和處理，我們還無技術對策。大約再過20年，全球數(shù)據(jù)量將可能達到堯字節(jié)，這是目前已知的最大數(shù)量級術語，更大數(shù)量級至今還未定義。問題是，今天幾乎所有的數(shù)據(jù)信息都是按照人類能理解的習慣編排的，可我們能力已達到極限了，需要把數(shù)據(jù)信息按機器或人工智能能夠理解的方式進行編排，一旦這些數(shù)據(jù)信息能被機器知化，將會有顛覆性創(chuàng)新和新奇的事物呈現(xiàn)在我們面前。IBM前CEO認為：計算模式大約每15年發(fā)生一次變革，1965年是大型機，1980年是PC，1995年是互聯(lián)網(wǎng)，2010年是移動互聯(lián)網(wǎng)(實際上，后兩項都是網(wǎng)絡通信技術)。如果是這樣，2025年是什么，2040年又是什么，急需發(fā)明嶄新的技術方法或范式。
趨勢七 帶寬特征
按照庫伯定律，在給定無線頻譜中傳送的信息量每兩年半就翻一番。再比如，互聯(lián)網(wǎng)上每秒比特的傳送量每16個月就翻一番。IDC公司的研究報告認為，全球每18個月數(shù)據(jù)量翻一番，處理能力和存儲能力落后于信息流量的增長幅度，成為新的瓶頸。2017年，中國信息消費規(guī)模已達到4.5萬億元，占最終消費支出約10%。預計2020年，將達到6萬億元，年均增長將超過11%。
再以光纖通信為例，中國第一個光纖通信系統(tǒng)工程是1982年連接武漢三鎮(zhèn)的8Mb/s工程，到2017年單波商用系統(tǒng)已達到100Gb/s，增長1.25萬倍。如果算上波分復用，商用系統(tǒng)至少已達到100×100Gb/s，35年增長125萬倍。一般認為，骨干網(wǎng)光纖傳輸帶寬每9~12個月翻一番。無線移動也類似，通信速率不斷提高，從傳統(tǒng)的2G通信到近年來的4G通信，傳輸速率提升幾千倍，目前4G-LTE商用系統(tǒng)空口速率按照1000Mb/s計算，與30年前“大哥大”手機相比，速率增長約10萬倍。2015年，全球移動數(shù)據(jù)比15年前增加了4億倍。連接帶寬將呈Gbps→Tbps→Pbps→Ebps→Zbps的發(fā)展趨勢，連接帶寬還將繼續(xù)呈指數(shù)型增長，呈現(xiàn)高帶寬、大容量、長距離特征。追求更高帶寬是人類信息發(fā)展的基礎目標。
趨勢八 虛擬特征
網(wǎng)絡虛擬特征主要指Cyberspace，無質(zhì)、無實體、無界。據(jù)統(tǒng)計，每年全球因網(wǎng)絡安全問題(惡意攻擊、病毒等)造成的損失超過千億元，不斷警醒我們捍衛(wèi)國家主權和安全、維護人身安全和社會穩(wěn)定的重要性。網(wǎng)絡無孔不入、以空前的速度在全球各個領域擴散，其重要性與戰(zhàn)略性與日俱增，Cyberspace已成為各國競爭博弈的新領域、新空間，已延伸并內(nèi)嵌到意識形態(tài)、國家安全、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展各方面，網(wǎng)絡(虛擬)空間已成為繼陸、海、空、天之后人類第五疆域和戰(zhàn)略空間，制網(wǎng)權與制海權、制空權、制天權同等重要，網(wǎng)絡空間已成為各國爭奪的焦點。
互聯(lián)網(wǎng)既是國家戰(zhàn)略資源的倍增器，同時也是國家戰(zhàn)略的命門和死穴。另一方面，網(wǎng)絡空間不斷與實體經(jīng)濟融合，自然界和人類社會的很多重要功能，比如購物、微信、遠程教育、醫(yī)療、辦公等將不斷向虛擬空間轉移，實現(xiàn)非物質(zhì)化或減物質(zhì)化，這既是發(fā)展趨勢，也是競爭的需要。Cyberspace資源越用越豐富、“地盤”越開發(fā)越大。網(wǎng)絡空間的核心技術，如高端核心芯片、操作系統(tǒng)軟件、關鍵工藝裝備、虛擬現(xiàn)實等，已成為國之重器，是掌握網(wǎng)絡空間主導權、控制權和話語權的基礎。
趨勢九 數(shù)字特征
網(wǎng)絡化與數(shù)字化互為依存，數(shù)字化是基礎。數(shù)字信號的傳送穩(wěn)定性好、可靠性高，采樣定理為數(shù)字化奠定了基礎。數(shù)字化是現(xiàn)代計算機的基礎，如果沒有數(shù)字化，就沒有今天的計算機，今天計算機的運算和功能都是通過數(shù)字計算完成的。數(shù)字化是多媒體技術的基礎，至少包括數(shù)字、文字、圖像、語音、視頻等。數(shù)字化是軟件的基礎，是人工智能的基礎，至少包括系統(tǒng)軟件、工具軟件、應用軟件等，數(shù)字濾波、編碼、解碼、壓縮解壓等都是通過數(shù)字化完成的。人們認為信息社會的經(jīng)濟是數(shù)字經(jīng)濟，這說明數(shù)字化對經(jīng)濟的影響有多么重大。近幾年，生產(chǎn)資料中首次出現(xiàn)非物質(zhì)成分——數(shù)據(jù)，這是一個重大變化。2017年，我國數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模達27.2萬億元，占GDP的比重為32.9%，位居世界第二(引自工信部數(shù)據(jù))。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、智能制造中最基礎的環(huán)節(jié)也是數(shù)字化?；ヂ?lián)網(wǎng)從消費領域進入工業(yè)領域，意義重大，其中最基礎的還是數(shù)字化。主要由模擬量刻畫的物理世界將會逐步完成數(shù)字化，這是自然世界和人類社會與網(wǎng)絡化并駕齊驅的一次重大轉型，通過模數(shù)和數(shù)模轉換打通數(shù)字和模擬兩個世界。
趨勢十 微型特征
“微電子學”也叫“微小型化電子學”，是50年前發(fā)展起來的一門高度活躍、富有生命力的學科，是網(wǎng)絡通信技術的核心技術之一。它涉及半導體物理、半導體材料物理、半導體器件、工藝裝備、集成電路、電磁場與微波技術、納米技術、量子力學、信號處理、熱力學和制造工藝的基礎理論和實驗技術等。高集成度、低功耗、高性能、高可靠性也是網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展方向之一。受摩爾定律的影響，網(wǎng)絡通信的各類元器件普遍朝著微小型化方向發(fā)展，功能不斷增加、能耗不斷降低、重量不斷減輕、尺寸不斷縮小、價格不斷降低。以計算機存儲為例，一兆字節(jié)存儲量，1955年價格為6000美元，1993年為1美元，2010年為1美分，現(xiàn)在大約是0.01美分，今后還會繼續(xù)降低。過去50年摩爾定律一直推動著集成電路產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)階段看，晶體管微小型化的平面布局正逼近物理與工藝極限，摩爾定律的趨勢也將放緩或變軌，急需新的方法和手段實現(xiàn)突破。(中國工程院院士 余少華)