因特網、IPv9、5G及其挑戰

李臘元
本文簡要介紹了因特網和互聯網的關系，因特網的前世今生，IPv9，5G及其挑戰，自主創新與繼承發展的關系。

1. 因特網（Internet）

因特網(Internet)是指覆蓋世界范圍的全球性計算機網絡；互聯網（internet）則可看成是適用于某些行業領域的網絡，如CERNET，CSTNET等。從某種意義上講，后者互聯網只是前者因特網的子集。目前各媒體，包括官媒大都混淆了這兩個概念，將前者說成是“互聯網”，這顯然是欠規范的。根據我國有關科學技術名詞術語詞典規定，在正式的口頭或書面表達中，Internet可直接用英文原文表達，其中文正式譯名為因持網。
因特網由美國羅伯特·卡恩和溫頓·瑟夫設計并合作發明TCP/IP。它的前身是Arpa網，該網于I969年由美國國防部投資興建。1986年美國NSF建立了NSFNET，隨后接管了Arpa網，并將其更名為Internet。1990年Arpa網正式宣布關閉。1996年美國一些研究機構和34所大學提出研制和建造下一代因特網（NGI）或IPv6。從上世記中后期至今，因特網的主干網仍是NSFNET及其增強版。
與少數發達國家相比，我國因特網技術起步較晚。1994年4月，我國才由CSTNET首次連入因特網。其間，除上述兩個互聯網外，還興建了CHINAGBN，CHINANET等互聯網。迄今為止，我國在因特網路由，交換，存儲，安全，協議，尤其是應用層面上取得了長足進步。
因特網根域名服務器一直由美國政府授權的因特網域名與號碼分配機構ICANN統一管理，負責全球因特網的域名根服務器，域名體系以IP地址等的統一管理。現有的因特網13個根服務器中有10個位于美國（其中包括1個主根服務器），2個分別位于歐洲的英國和瑞典，1個位干亞洲的日本。它們的控制和管理都在美國，而不是簡單的鏡像域名就可以“自主可控”的。

2. lPv9

由于現有的IPv4協議地址空間為1.0.0.0到239.255.255.255（除去127.0.0.0到127.255.255.255）僅有42億個，加上Internet發展初期由于對因特網的發展趨勢估計不足造成的IP地址面臨用盡。IPv9的設計目的是避免現有IP協議的大規模更改,導致下一代因特網能向下兼容及更環保以減少碳排放量。設計的主要思想是將TCP/IP的IP協議與電路交換相融合,利用兼容兩種協議的路由器，設計者構想能夠通過一系列的協議，使得三種協議(ipv4/ipv6/ipv9)的地址能夠在因特網中同時使用，逐步替換當前的因特網結構而不對當前的架構產生過大的影響。目前我國研發的lPv9是一種十進制網絡技術，其根服務器兼容于目前使用的美國的IPv4，IPv6根服務器。該網絡技術構想的大地址空間可在某種程度上改善lPv4地址枯竭的問題，但從技術的角度來看也面臨一些新的挑戰。
1）地址空間的擴大固然能提供更多的可用地址，但會付出降低傳輸效率的代價。這就需要在地址空間與網絡傳輸效率之間折衷。
2）多網并存可能會給用戶帶來更多信息共享的機會，但這也會給用戶帶來更大的投資成本，并需要在多網之間頻繁切換，增加額外負載及開銷。
總的來看，目前因特網的主導格局及管控秩序沒有改變，并且會在相當長的一個時期不會改變。

3. 5G

“5G”指的是第5代無線通信網絡技術，與第4代(4G和4G LTE)網絡相比，在傳輸速率、容量、時延等方面有較大的改進。其中傳輸速率從1G時的2.4-9.6kb/s提升至5G的Gb/s級。與此同時,無線局域網（WLAN）的數據傳輸速率也由2Mb/s(IEEE802.11) 提升至6.9Gb/s（IEEE802.11ac）。5G將可能會在無人駕駛汽車、智慧城市、虛擬現實，增強現實VR/AR等領域發揮重要作用。5G技術雖然已取得一定的進展，但仍面臨不少嚴峻的挑戰。
1)第三代合作伙伴計劃（3GPP）定義了5G有3個主要特性：eMBB是增強移動寬帶，對應的是超高速率的無線連接；mMTC是大容量，主要對應物聯網業務的應用場景；而uRLLC強調的是低時延、高可靠，主要試圖解決無人駕駛以及工業自動化等領域的問題。盡管如此，其實際應用場景并不明晰。上述應用場景，大部分可以通過4G實現，5G的技術指標可能會更高一些。低時延、高可靠的技術難度很大，尤其是時延1毫秒，在端對端的時候，難度更大，至今尚未找到合理可行的解決方案。
2) 核心網是關鍵。現有的工作大多集中在提升接入網的速度上。核心網的架構，網絡系統硬件、軟件、通信協議設計等均存在不少難題，目前并未找到解決此類瓶頸問題的有效方案。針對單個或數個基站的測試結果尚可，一旦處于聯網狀態則問題仍較多。
3) 頻譜分配問題是5G競爭的焦點。目前部署5G頻譜的方法主要有兩種。（1） 6GHz以下的電磁頻譜(“低到中頻段頻譜”，也稱為“Sub-6”)，主要在3GHz 和4 GHz頻段。（2）24-300GHz之間的頻段(“高頻頻譜”或“毫米波”)，這是目前美國、韓國和日本擬采用的方法。未來5G可能會混用上述兩種方式組網。廣域覆蓋部分會利用Sub-6；毫米波可用于某些特定的場景中提供更精準的覆蓋，并且由于毫米波較難攔截，更適用于軍事目的。在短時間內，3GHz和4GHz頻段可能會成為驅動5G基礎設施和設備部署的全球頻段。美國也在考慮Sub-6 頻譜軍民共享的問題，但這又可能帶來擁塞，系統性能下降，安全漏洞等風險。在目前的狀況下，美國不太可能大規模使用Sub-6技術；另一方面，又由于毫米波覆蓋距離小、高密度基站部署周期長、成本高，也難以在短時間內大規模使用毫米波技術。
4) 5G網絡采用更高的頻譜乃至毫米波。毫米波與較低頻段的微波相比，可用的頻譜范圍寬，信息容量大，分辨率高，抗干擾性好。缺點是大氣中傳播衰減嚴重。它利用大氣窗口的毫米波頻率可實現大容量的衛星到地面通信或地面中繼通信。頻率越高覆蓋距離越小。它具備高速率和高帶寬的特性，但卻存在損耗大（穿透損耗、反射損耗、繞射損耗等）和傳輸距離短的弊端，基于高頻譜的5G網絡需依賴高密度基站，其難度和成本也將因此提升。
5) 基于NSA（非獨立組網模式）架構的5G載波僅承載用戶數據，其控制信令仍通過4G網絡傳輸。SA（獨立組網模式）需新建5G網絡，包括新基站、回程鏈路以及核心網。SA在引入全新網元與接口的同時，還將大規模采用網絡虛擬化NVF、軟件定義網絡SDW等新技術。在一段時期內，5G與4G仍會處于互補與并存的狀態。
6) 5G網絡的集中式無線接入網絡C-RAN和分布式無線接入網絡D-RAN都會將移動邊緣計算（MEC）模式作為5G網絡標準的組成部分。MEC采用網絡功能虛擬化NVF，軟件定義網絡SDN，邊緣計算存儲，網絡切片等技術。 MEC模型強調在云計算中心與邊緣設備之間建立邊緣服務器，在邊緣服務器上完成相關計算任務，5G網絡需要解決接入網與核心網和因特網的協同，通信與計算的協同，邊緣計算與云中心的融合。邊緣計算尚需解決資源分配與調度，多用戶計算任務卸載，無縫切換，命名、尋址和路由機制，編程模式，安全隱私，智能邊緣計算等關鍵技術。
6G將會是5G與衛星通信網絡相結合的產物，可實現全球覆蓋，能夠為移動用戶提供全天候信息服務。6G將采用毫米波與太赫茲等技術，實現衛星通信等天地融合全覆蓋，傳輸速率可能在5G的基礎上提升100倍，進一步降低時延，從毫秒級降到微秒級。6G技術在未來將會涉及全息視頻通話、沉浸式購物、遠程全息手術等應用場景。

4. 結語

當前，網絡技術及信息科技發展很快，人類社會正邁入萬聯網（Internet of Everything）時代。人工智能，云計算，大數據，邊緣計算，分布式新型存儲技木，區塊鏈技術，物聯網，量子計算等已不同程度的受到學術界和產業界的關注。近年來，我國在超級計算、量子通信技術等方面取得了世界領先成果，在5G Sub-6接入網絡技術方面取得了可喜的進展，但從總體上講，我國在信息科學技術領域與世界先進水平還有較大差距，在許多方面仍面臨不少新的挑戰。與其他領域一樣，信息科學技術領域的學術研究與技術開發也擬有所為和有所不為，正確處理好繼承發展人類優秀科技文化成果與自主創新之間的關系,不斷縮短與國際先進水平的差距。

主要參考文獻
[1] 李臘元.高性能網絡計算：云計算，霧計算與邊緣計算(High performance network computing technology：Cloud computing ,fog computing and edge computing )，武漢理工大學高性能網絡實驗室，2018
[2] 李春林，駱有隆，李臘元.計算機網絡技術，國防工業出版社，2010
[3] CAICT5G創新研究中心，美國國防部發布《5G生態系統： 對美國國防部的風險與機遇》報告，2019.5.5

總結

以上是生活随笔為你收集整理的因特网、IPv9、5G及其挑战的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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