作者 ｜ 黃玉棟，北京郵電大學網絡與交換國家重點實驗室博一在讀，研究方向為網絡體系架構，確定性網絡，郵箱地址: hyduni@163.com.
當前，確定性網絡已成為全球研究熱點和迫切需要的重點方向。一方面，在工業互聯網的大戰略背景下，鋼鐵、石油、礦井、港口、物流、生產制造等行業與ICT技術深度融合，接入設備海量增長，傳統的總線網絡逐步被標準化的確定性以太網取代，確定性網絡將助力產業向智能化、數字化轉型升級，實現提質降本增效。另一方面，新興的時間敏感的場景與應用，比如車聯網、元宇宙、全息通信、遠程遙操作、遠程診療、遠程駕駛、遠程設備維護、沉浸式實時旅游、交互式遠程教育、線上交互演奏音樂會、觸覺互聯網，激發了人們對未來互聯網更大的想象空間，一張帶寬、時延、抖動、丟包等服務質量嚴格有保障的網絡，將開啟一個全新的互聯時代，并帶來萬億級的藍海市場。
以元宇宙應用為例，從技術發展歷史來看，互聯網正從傳遞信息的app應用向與生產、生活、健康、娛樂深度融合的元宇宙演進。2010-2020年，伴隨著移動互聯網、云計算等基礎設施的升級，誕生了抖音、微信、淘寶等國民級應用。2020年至今，新一輪產業技術變革開始，Facebook更名為Meta，谷歌Map推出沉浸式實景三維地圖，微軟收購游戲巨頭動視暴雪，字節收購VR創業公司Pico，騰訊發力XR全真互聯網，國內外巨頭紛紛布局搶占“元宇宙”制高點。此外，對蘋果、小米等硬件廠商而言，2022年一季度全球手機出貨量下滑11%，3月國內手機市場出貨量更是同比下降40.5%，那些能帶來全新交互體驗的頭顯、眼鏡、耳機、手表、手環、手柄等智能穿戴設備或顛覆手機屏幕，成為新的增長點。
未來十年，網絡基礎設施能否實現海量“人-機-物”實時互聯互操作將是中國能否率先孕育出元宇宙的關鍵。然而，互聯網作為其中的核心環節，目前還不具備確定性的時延、抖動、丟包率等服務質量保障能力，不確定的時延將導致沉浸式體驗卡頓、交互暈眩、用戶勸退、甚至可能發生安全事故。因此，必須應用未至，網絡先行。
網絡本身是一個充滿不確定性的復雜系統，它包括了終端設備、網絡設備、以及計算存儲資源；橫向看，網絡要經過多個自治域，比如局域網、接入網、匯聚網、骨干網、云數據中心；縱向看，網絡涵蓋了5G、WiFi、光、以太、TCP/IP、Quic、http等從硬件板卡到軟件操作系統不同層次的精妙協議技術?；ヂ摼W發展五十多年里已被千錘百煉，“盡力而為”轉發是它的根基，要求它具有確定性反倒有點方枘圓鑿，像好看想買的新鞋總是不那么合腳。
為了讓傳統網絡能夠平滑演進到確定性網絡，更為了方便討論研究，本文提出可能的三點原則，供大家定義確定性網絡。
確定性網絡的前提是確定性流量如果我們能嚴格的保障應用的服務質量，那一定是因為我們足夠了解應用的流量。計算機、手機產生的是用戶流量，一般其流量到達曲線可被視為泊松分布，也就是用戶使用的時候流量持續發一段時間，不用的時候變得很小，海量流量匯聚的時候曲線變為正態分布，因此具有長尾時延；傳統網絡對應用不感知，只能盡力地去優化帶寬，降低平均時延。而在工業場景，傳感器、控制器、執行器產生的是機器流量，他們的流量特征是非常明確的，比如控制指令每1ms發送一個100字節的數據包，占用0.8Mbps的帶寬，其到達曲線是沒有突發的平均分布。
此外，計算機TCP擁塞控制的慢開始、快重傳等特性會帶來大量的流量突發，而工業設備（比如PLC）很多沒有TCP/IP協議棧，其在二層MAC直接封裝成幀就發送出去了。以車載網絡為例，其除了影音娛樂外大多數都是機器類的確定性流量，符合這一原則，因此用基于以太網的時間敏感網絡技術去替換車內亂如麻的總線，達到降低車身重量、增大車身空間、提升汽車智能化水平是完全可行的。
那如果流量稍微復雜點，不是完全確定的，確定性網絡還能行嗎？能行。這時我們需要讓網絡去感知應用，和應用簽訂SLA服務等級協議，比如承諾最大帶寬和突發度，再根據需求沿路徑預留帶寬、時隙、緩存等網絡資源。所以，確定性網絡通常也和全局控制、接入控制、建立連接、資源預留、網絡演算等技術相關。如果流量不按承諾的來，則超發的流量可能會被丟棄，或者通過各類流量整形的方式使其滿足承諾的流量到達模型，當然整形本身也會引入額外的時延。更進一步地，如果是完全任意的流量，那確定性網絡則無從談起。
因此，“確定性”等價于加約束，約束越多，則越確定，“確定性流量”就是“確定性網絡”中最大的一個前提約束。
確定性流量只占一小部分假設我們建了一張確定性的網絡，端口速率是100G，那我們能承載100G的確定性流量嗎？這幾乎是不可能的。而如果確定性流量只占10G，剩下的90G都依然是盡力而為的流量，這就比較能辦到。接下來以食堂排隊場景和救護車場景分析為什么確定性流最好只占一小部分。
在食堂排隊場景中，假設一個公司有1000名員工，他們都在中午12點下班同時去食堂用餐，則排在隊伍后面的人必然面臨更長的等待時間。由于大家都是平等的，無論調度怎么優化、怎么插隊，最后一名“確定性員工”都得不到好的時延抖動保障。網絡資源是有限的，網絡的確定性和資源的復用性是磁鐵的兩極。比如拉光纖的專線確定性極高，但其只能點到點傳輸，沒法路由交換和多播，資源復用率低下；以太網采用統計復用，資源利用率高，但當帶寬利用率達到30%-50%或更高時，就會產生大量的丟包，又需要硬切片、優先級隊列等方式去做隔離，降低資源復用率，從而提高確定性保障。
在救護車場景中，高速公路上有專門的應急車道，同時普通車輛也會主動為救護車讓出道路資源，因此救護車得到了優先傳輸的權利，能在確定的時延內到達目的地。在有許多的救護車的情況下，我們也可以通過調整紅綠燈等方式，讓救護車之間互相保持距離，在時間和空間上隔離開即可。此外，這也很好的解釋了確定性網絡不會取代傳統互聯網，因為它是前向兼容的，傳統的盡力而為流量依然可以跑在普通的大馬路上。
因此，確定性等價于優先權，而優先權注定了確定性只能占一小部分。
確定性、靈活性、可擴展性三者只能取二在早期技術演進中，有ATM和以太網之爭，ATM通過建立連接傳遞信元的類似電路交換的方式是可以嚴格保證服務質量的，但其沒有得到廣泛應用。同時，互聯網的QoS技術中有DiffServ和IntServ兩大模型，其中IntServ通過端到端RSVP資源預留的方式也能為特殊的應用提供確定性服務質量保障，但因為需要維護每流狀態導致技術缺少可擴展性，無法應對海量流量的場景，因此也沒有得到廣泛應用。最終，兼具靈活性和可擴展性的以太網/IP一統天下。
由于以太網具有帶寬大、成本低、兼容性好的優點，現在我們想基于以太網實現確定性網絡，總要有舍棄。要了確定性，則靈活性和可擴展性是魚和熊掌不能得兼。比如在局域網范圍內，我們通過一些技術可以建一張動態靈活的確定性網絡，但一定會受限于網絡半徑和跳數等因素。如果我們想擴展到大網，想要在復雜拓撲和海量流量場景下實現確定性傳輸，要了可擴展性，則靈活性一定會大打折扣。而如果一個方案確定性、靈活性、可擴展性三者兼具，那我們很可能需要思考它的技術復雜度和成本昂貴程度是否合適，以及商用落地的可能性。
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