因特网、IPv9、5G及其挑战

李腊元
本文简要介绍了因特网和互联网的关系，因特网的前世今生，IPv9，5G及其挑战，自主创新与继承发展的关系。

1. 因特网（Internet）

因特网(Internet)是指覆盖世界范围的全球性计算机网络；互联网（internet）则可看成是适用于某些行业领域的网络，如CERNET，CSTNET等。从某种意义上讲，后者互联网只是前者因特网的子集。目前各媒体，包括官媒大都混淆了这两个概念，将前者说成是“互联网”，这显然是欠规范的。根据我国有关科学技术名词术语词典规定，在正式的口头或书面表达中，Internet可直接用英文原文表达，其中文正式译名为因持网。
因特网由美国罗伯特·卡恩和温顿·瑟夫设计并合作发明TCP/IP。它的前身是Arpa网，该网于I969年由美国国防部投资兴建。1986年美国NSF建立了NSFNET，随后接管了Arpa网，并将其更名为Internet。1990年Arpa网正式宣布关闭。1996年美国一些研究机构和34所大学提出研制和建造下一代因特网（NGI）或IPv6。从上世记中后期至今，因特网的主干网仍是NSFNET及其增强版。
与少数发达国家相比，我国因特网技术起步较晚。1994年4月，我国才由CSTNET首次连入因特网。其间，除上述两个互联网外，还兴建了CHINAGBN，CHINANET等互联网。迄今为止，我国在因特网路由，交換，存储，安全，协议，尤其是应用层面上取得了长足进步。
因特网根域名服务器一直由美国政府授权的因特网域名与号码分配机构ICANN统一管理，负责全球因特网的域名根服务器，域名体系以IP地址等的统一管理。现有的因特网13个根服务器中有10个位于美国（其中包括1个主根服务器），2个分别位于欧洲的英国和瑞典，1个位干亚洲的日本。它们的控制和管理都在美国，而不是简单的镜像域名就可以“自主可控”的。

2. lPv9

由于现有的IPv4协议地址空间为1.0.0.0到239.255.255.255（除去127.0.0.0到127.255.255.255）仅有42亿个，加上Internet发展初期由于对因特网的发展趋势估计不足造成的IP地址面临用尽。IPv9的设计目的是避免现有IP协议的大规模更改,导致下一代因特网能向下兼容及更环保以减少碳排放量。设计的主要思想是将TCP/IP的IP协议与电路交换相融合,利用兼容两种协议的路由器，设计者构想能够通过一系列的协议，使得三种协议(ipv4/ipv6/ipv9)的地址能够在因特网中同时使用，逐步替换当前的因特网结构而不对当前的架构产生过大的影响。目前我国研发的lPv9是一种十进制网络技术，其根服务器兼容于目前使用的美国的IPv4，IPv6根服务器。该网络技术构想的大地址空间可在某种程度上改善lPv4地址枯竭的问题，但从技术的角度来看也面临一些新的挑战。
1）地址空间的扩大固然能提供更多的可用地址，但会付出降低传输效率的代价。这就需要在地址空间与网络传输效率之间折衷。
2）多网并存可能会给用户带来更多信息共享的机会，但这也会给用户带来更大的投资成本，并需要在多网之间频繁切換，增加额外负载及开销。
总的来看，目前因特网的主导格局及管控秩序没有改变，并且会在相当长的一个时期不会改变。

3. 5G

“5G”指的是第5代无线通信网络技术，与第4代(4G和4G LTE)网络相比，在传输速率、容量、时延等方面有较大的改进。其中传输速率从1G时的2.4-9.6kb/s提升至5G的Gb/s级。与此同时,无线局域网（WLAN）的数据传输速率也由2Mb/s(IEEE802.11) 提升至6.9Gb/s（IEEE802.11ac）。5G将可能会在无人驾驶汽车、智慧城市、虚拟现实，增强现实VR/AR等领域发挥重要作用。5G技术虽然已取得一定的进展，但仍面临不少严峻的挑战。
1)第三代合作伙伴计划（3GPP）定义了5G有3个主要特性：eMBB是增强移动宽带，对应的是超高速率的无线连接；mMTC是大容量，主要对应物联网业务的应用场景；而uRLLC强调的是低时延、高可靠，主要试图解决无人驾驶以及工业自动化等领域的问题。尽管如此，其实际应用场景并不明晰。上述应用场景，大部分可以通过4G实现，5G的技术指标可能会更高一些。低时延、高可靠的技术难度很大，尤其是时延1毫秒，在端对端的时候，难度更大，至今尚未找到合理可行的解决方案。
2) 核心网是关键。现有的工作大多集中在提升接入网的速度上。核心网的架构，网络系统硬件、软件、通信协议设计等均存在不少难题，目前并未找到解决此类瓶颈问题的有效方案。针对单个或数个基站的测试结果尚可，一旦处于联网状态则问题仍较多。
3) 频谱分配问题是5G竞争的焦点。目前部署5G频谱的方法主要有两种。（1） 6GHz以下的电磁频谱(“低到中频段频谱”，也称为“Sub-6”)，主要在3GHz 和4 GHz频段。（2）24-300GHz之间的频段(“高频频谱”或“毫米波”)，这是目前美国、韩国和日本拟采用的方法。未来5G可能会混用上述两种方式组网。广域覆盖部分会利用Sub-6；毫米波可用于某些特定的场景中提供更精准的覆盖，并且由于毫米波较难拦截，更适用于军事目的。在短时间内，3GHz和4GHz频段可能会成为驱动5G基础设施和设备部署的全球频段。美国也在考虑Sub-6 频谱军民共享的问题，但这又可能带来拥塞，系统性能下降，安全漏洞等风险。在目前的状况下，美国不太可能大规模使用Sub-6技术；另一方面，又由于毫米波覆盖距离小、高密度基站部署周期长、成本高，也难以在短时间内大规模使用毫米波技术。
4) 5G网络采用更高的频谱乃至毫米波。毫米波与较低频段的微波相比，可用的频谱范围宽，信息容量大，分辨率高，抗干扰性好。缺点是大气中传播衰减严重。它利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星到地面通信或地面中继通信。频率越高覆盖距离越小。它具备高速率和高带宽的特性，但却存在损耗大（穿透损耗、反射损耗、绕射损耗等）和传输距离短的弊端，基于高频谱的5G网络需依赖高密度基站，其难度和成本也将因此提升。
5) 基于NSA（非独立组网模式）架构的5G载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输。SA（独立组网模式）需新建5G网络，包括新基站、回程链路以及核心网。SA在引入全新网元与接口的同时，还将大规模采用网络虚拟化NVF、软件定义网络SDW等新技术。在一段时期内，5G与4G仍会处于互补与并存的状态。
6) 5G网络的集中式无线接入网络C-RAN和分布式无线接入网络D-RAN都会将移动边缘计算（MEC）模式作为5G网络标准的组成部分。MEC采用网络功能虚拟化NVF，软件定义网络SDN，边缘计算存储，网络切片等技术。 MEC模型强调在云计算中心与边缘设备之间建立边缘服务器，在边缘服务器上完成相关计算任务，5G网络需要解决接入网与核心网和因特网的协同，通信与计算的协同，边缘计算与云中心的融合。边缘计算尚需解决资源分配与调度，多用户计算任务卸载，无缝切换，命名、寻址和路由机制，编程模式，安全隐私，智能边缘计算等关键技术。
6G将会是5G与卫星通信网络相结合的产物，可实现全球覆盖，能够为移动用户提供全天候信息服务。6G将采用毫米波与太赫兹等技术，实现卫星通信等天地融合全覆盖，传输速率可能在5G的基础上提升100倍，进一步降低时延，从毫秒级降到微秒级。6G技术在未来将会涉及全息视频通话、沉浸式购物、远程全息手术等应用场景。

4. 结语

当前，网络技术及信息科技发展很快，人类社会正迈入万联网（Internet of Everything）时代。人工智能，云计算，大数据，边缘计算，分布式新型存储技木，区块链技术，物联网，量子计算等已不同程度的受到学术界和产业界的关注。近年来，我国在超级计算、量子通信技术等方面取得了世界领先成果，在5G Sub-6接入网络技术方面取得了可喜的进展，但从总体上讲，我国在信息科学技术领域与世界先进水平还有较大差距，在许多方面仍面临不少新的挑战。与其他领域一样，信息科学技术领域的学术研究与技术开发也拟有所为和有所不为，正确处理好继承发展人类优秀科技文化成果与自主创新之间的关系,不断缩短与国际先进水平的差距。

主要参考文献
[1] 李腊元.高性能网络计算：云计算，雾计算与边缘计算(High performance network computing technology：Cloud computing ,fog computing and edge computing )，武汉理工大学高性能网络实验室，2018
[2] 李春林，骆有隆，李腊元.计算机网络技术，国防工业出版社，2010
[3] CAICT5G创新研究中心，美国国防部发布《5G生态系统： 对美国国防部的风险与机遇》报告，2019.5.5