【引用格式】邬江兴.论网络技术体制发展范式的变革——网络之网络[J].电信科学,2022,38(6):3-12.
WUJX.Revolutionofthedevelopmentparadigmofnetworktechnologysystem—networkofnetworks[J].TelecommunicationsScience,2022,38(6):3-12.
多元性和多样化是宇宙发展的基本特征
迄今为止，广袤的宇宙空间中能被科学界认定存在高级智慧生物的星球只有地球。已经发现构成这个星球无机和有机世界的化学元素有上百种之多，其中天然存在的有94种，科学家在实验室人工合成的有24种。到目前为止，化学元素周期表中的118种元素通过排列组合，已经形成了无法估量、多种多样的化合物。这说明宏观世界、介观世界或者微观世界的可持续发展都离不开多元化或多样性（polyphylyanddiversity）特征的支撑，甚至有人将其称为宇宙发展的第一特征。毫无疑问，多元化、多样性既是自然界也是人类社会进步或变革的基本动力之一，地球生物发展史表明，通过物种间的互补与制衡构成一个和谐共存的生态发展格局，没有竞争性的演进累积和推陈出新的变革延续，自然界会因为物种同质化而无可避免地走向凋亡。因此，繁荣物种及生态圈多样性是自然界生命发展的必然使命与要求。
网络世界遵循自然界基本规律的演进与变革无疑是正确的发展道路，而单一体制网络技术发展道路肯定无法支撑五彩缤纷的已知或未来服务需求，必须构建开放、竞争、互补、多样性、多元化的网络技术生态环境，才能充分释放网络体制与应用业务及商业模式的创新活力。
（1）微电子技术的进步使得用户终端、服务器、网络设备数字化和软/硬件智能化水平不断提升，同时网络基础设施建设和运营维护门槛在大幅度降低，在计算机技术泛在化应用的基础上，由同一网络基础设施通过虚拟化技术提供多业务融合服务，实现了网络架构与业务的相对分离，提高了业务开发灵活性。
（2）相当一个历史时期以来，网络服务的主体对象是社会人，即提供toC服务，社会人对通信服务的要求除了尚未解决的嗅觉、味觉、触觉等信息感知及跨地域传送与交互问题，就是语音、视频、文本或图片等听、视觉类的多媒体业务，共同的特征是对时延、相位、时延抖动、误码率不敏感或具有较高的容忍度，在终端侧提供足够缓冲能力、网络侧具有平均2倍左右的交换与传送平均带宽条件下，应用“尽力而为的分组转发方式”就能较好地满足用户体验质量（qualityofexperience，QoE）要求。
（3）“由网络边缘提供服务的商业模式”，使得toC的多媒体服务发展不再只取决于网络运营商单方面的积极性或市场作为，“网络与业务分离”的商业模式创造了“互联网服务提供者（Internetserviceprovider，ISP）”和“互联网内容提供者（Internetcontentprovider，ICP）”等细分领域市场构架，极大地释放了全社会应用服务创新激情并加速提升了行业信息化的积极性，诞生了不少专注互联网服务的龙头企业。
（4）互联网的泛在化、同质化发展很大程度上源于经济全球化、网络化时代的强力推动作用，商业和社会大环境的刚需影响远远高于网络技术本身的进步意义，其实践规范就是如何解决网络规模化扩展、泛在化应用和承载经济性等带来的工程技术问题。
然而，时至今日，微电子和计算机软/硬件技术进步正在放缓，摩尔定律和登纳德缩放比例定律已触碰芯片制程工艺、功率密度、合格率等“天花板”问题，既有的网络体制可能无法再指望通过微电子或CPU等核心器件性能的不断跃升，满足各类基于虚拟化或硬件加速技术的承载业务性能要求；源于数字电报分组交换的互联网“尽力而为”传送方式，虽然以牺牲资源利用率和有效性为代价勉强满足toC多媒体服务的QoE要求，但很难满足产业互联网时代低时延、确定性服务、算力网、传感网、物联网甚至车联网等toX业务在服务质量（qualityofservice，QoS）方面的严苛要求。特别是基于内容寻址、命名数据寻址、多标识寻址、地球空间坐标寻址、模糊需求寻址、算力资源寻址、高速移动寻址、低碳排放路径寻址等远超传统“五元组”编址/寻址和路由控制能力的新型寻址方式的提出，使得ISP和ICP间技术与商业界限日趋模糊，“网络与业务分离”“业务由网络边缘提供”的消费互联网承载模式已无法适应可设想到但尚在清晰过程中的业务发展需要。
互联网无可争辩的贡献是用“端到端”的虚拟化和智能处理技术，一体化地把原本要用多个物理专网才能提供的toC多媒体服务置于统一的网络构架下；随着可重构网络、软件定义网络（softwaredefinednetwork，SDN）、网络功能虚拟化（networkfunctionsvirtualization，NFV）等技术的提出，互联网架构刚性化的缺陷得到一定程度弥补，但不能解决从消费互联网向多样化垂直应用领域产业互联网转型的难题。
总之，50多年来基于IP互联网体制的技术与工程研究，始终专注于toC领域的应用方面，重点解决一体化的多媒体服务问题，其成功的商业化运作至今仍然未超出给定目标领域服务特征的范畴。所以说，即使是商业成就斐然的消费互联网，在面对服务特征存在诸多不同的产业互联网时，既有的发展范式（paradigm）正在遭遇前所未有的挑战。与库恩的观点不同，笔者以为：即使发生范式的变革也并不意味着原有范式彻底失去意义。事实上，在人类科学进步历程中从未发生过新范式彻底否定旧范式的情景，即便是在迎来基于大数据和人工智能的第四发展范式之际，也不存在否定前3种范式的必要，只是各自适应范畴不同。
数字化时代垂直行业应用推动网络发展范式新变革
范式的概念与理论由美国著名科学哲学家托马斯·库恩在1962年一篇长篇论文中首次提出，并在随后出版的《科学革命的结构（TheStructureofScientificRevolutions）》一书中得到系统阐述。笔者认为，最重要贡献之一在于：把以往貌似堆积无序的科学进展历史“建构”出一个结构，一个关于“范式”的结构，从而发现了“科学革命的结构”。范式的变革往往发生在原有范式无法解决的难题时才会应运而生。数字化时代人类社会、网络世界、物理世界“人网物”三元万物互联，人们不再满足局限于toC领域的多媒体服务，个性化或分众化特征显著的垂直行业应用将成为网络世界的“应用蓝海”，这意味着既有的网络技术体制自我演进或更新换代的发展范式，必须从思维视角、方法论和实践规范层面进行彻底的变革。
3.1新思维视角
3.2新方法论
回顾人类信息通信技术发展史不难看出，其经历了3个标志性阶段。
数字经济、海陆空天多维万物智联或数字孪生、元宇宙时代必然会对网络技术体制提出更加多样性或多元化的需求，已有网络发展范式之方法论缺乏更高维度、更多应用领域的指导意义。新的方法论应当聚焦于“如何在一个技术物理环境中支持多元化或多样性的网络技术体制及业务的共生共存、演进与变革兼容并蓄”问题提供“方法之方法”，且无须涉及任何已有或潜在的应用网络总体架构、寻址方式、路由控制、传送模式、协议体系、业务形态乃至技术演进路线等实践规范层面的内容。
3.3新实践规范
由于范式决定基础理论，基础理论决定具体理论，理论决定模型，模型决定模式。我国知名学者陈世清认为，“范式是学说的坐标，是开展科学研究、建立科学体系、运用科学思想的坐标、参照系与基本方式”。既然网络体制发展范式的坐标转变为多维多元共生融合环境，那么新的实践规范必然围绕如何用一体化环境支持多元化或多样性网络体制的工程化实现问题展开，即需要开发“网络之网络”技术，用一个诸如云平台的“网络基础设施”为上层“应用网络模态（如IPv4/IPv6、标识网络、命名数据网（nameddatanetworking，NDN）、地球空间剖分网络等）”提供“池化”的计算、存储、传送、交换、路由、接入等可商化流通的软/硬件与连接对象资源。
图1多模态智慧网络环境
综上所述，与传统的网络发展范式研究坐标不同，多模态网络发展范式将研究坐标锁定在“如何为各种类型应用网络模态提供一体化、可共享、安全的网络基础设施资源环境”上，因而能充分激发应用网络体制及关联服务的“自由”创新活力，加速应用网络模态多样性生态环境构建。值得注意的是，多模态智慧网络环境支持静态/动态、有线/无线等各种接入或中继链路，支持天基、陆基、空基、海基等静止或机动部署的网络元素，支持多模态终端混合标识接入，支持多模态接口协议解析等。
多模态智慧网络环境与现有互联网的对比如图2所示，与现有互联网相比，多模态智慧网络环境支持各种网络模态（网络技术体制）以类似“应用插件”的形式进行快速部署（或撤收），可解决“目前单一技术体制商业运营网络固有性质，自然地排斥或拒绝新兴网络体制试验和示范，而专门建设的新型试验网又无法获得真实应用场景验证”的成熟度壁垒问题，极大地降低新兴网络技术及应用快速进入市场的门槛，促进形成网络技术创新、产业发展与市场应用“三位一体”协同发展格局。从而可从根本上改变拥有先发技术优势的网络体制和背负庞大先期投资包袱的运营商，无法避免地陷入封闭式自我演进或“穿衣戴帽封装承载”的同质发展模式，自觉或不自觉地排斥或“矮化”新兴应用网络模态的导入。更重要的是，以PINE为基础可以营造网络模态与业务应用和网络基础设施一体化发展的全新生态环境。
图2多模态智慧网络环境与现有互联网的对比
基于多模态网络的云计算平台
云计算平台也称为云平台，无论是以数据存储为主的存储型云平台，或以数据处理为主的计算型云平台，还是计算与数据存储兼顾的综合云平台，都是提供计算（包括必要支撑环境）、网络和存储等软/硬资源服务的平台。作为一个技术物理实体，云计算平台通常以以太网或FC-SAN、IB-SAN等交换机组成的网络为核心，连接众多分布式的、向用户隐藏实现细节的异构（或同构）计算、存储或接入节点资源构成一个综合服务系统，采用虚拟化、动态可扩展、按需部署、异构冗余等技术措施，最终以整体形式呈现给用户，具有灵活性好、可用性强、可靠性高、性价比突出等特点。云计算平台在技术分类上属于分布式同构/异构计算系统，因而数据中心网络（datacenternetwork，DCN）或数据中心互联（datacenterinter-connect，DCI）网络的功能与性能，会直接影响系统内在的服务效能与质量。具体如下。
●通信时延。网络通信时延的大小通常与云平台节点的规模、地域分散程度、网络拓扑级数、交换机/路由器性能、传输技术类型和节点侧-网络侧协议栈处理性能强关联，其直接影响是造成协同度或并行度要求高的任务处理性能与算法设计间存在不可预测的偏差。此外，一些计算任务看起来流量或带宽要求不高的控制数据但却有着极强的实时性或及时性要求，假如无法置于节点内高速缓存或内存中时，仅通过网络支撑节点间传送机制而不考虑业务层与网络层的联合优化机制，则很难在规模化网络环境中获得低时延的预期效果，从而使得协同计算或处理性能不确定。
●确定性时延。网络传输路径复杂度和协议栈处理效率除了影响节点间的通信时延外，还会导致严重的时延不确定性。在执行大规模并行或协同计算任务时，这种时延不确定性会给节点间任务或进程同步性能带来麻烦。因此，凡是分布计算系统，理论上期望能提供通信时延确定甚至精确的网络传送或传输功能，以便通过算法优化抵消时延不确定造成的影响。
●多样化通信模式。一个分布式系统的理想通信模式至少应同时包括点到点、点到多点、广播3类，否则节点间通信或数据分发开销会严重影响分布式计算性能。遗憾的是，目前云平台基于点到点“捆绑”机制等效的多播、广播通信模式与理想目标差距甚远。
图3基于多模态网络的云计算平台
多模态网络应用展望
图4多模态网络的商业应用模式
总之，凡是有多样化网络和业务需求的应用场景，都可以基于多模态网络构成统一网络基础设施形态的信息物理系统。显然，多模态网络解决了长期以来在垂直应用个性化与基础设施建设统一化方面存在的严重对立问题，适应了网络技术演进与变革兼容并蓄多样化、可持续发展之要求，不仅颠覆了现有网络体制发展范式，更是开创了新的网络基础设施技术物理形态，促进了上下游产业和市场游戏规则的重大转变。
结束语
网络世界演进与变革本应遵循多元化和多样性的宇宙基本发展规律，但受到过往科学技术和生产力以及经济社会发展阶段性等诸多主、客观因素影响。网络科技界不得不在“受限条件下寻求最优解”，加之某种网络发展范式一旦成为业界普遍共识且存在似乎足够大的技术演进空间，人们习惯上倾向于选择“戴着锁链的舞者”角色。特别是50多年来，基于IP的消费互联网技术与工程研究在“屡屡唱衰”之中似乎总能“逢凶化吉”取得出乎意料的成功，使得人们很难跳出既有网络发展范式前行动力是否真正枯竭的“思维桎梏”。
作者简介
邬江兴（1953-），男，解放军战略支援部队信息工程大学教授、博士生导师，中国工程院院士，国家数字交换系统工程技术研究中心主任，长期从事计算技术、网络安全、通信网络等领域的科学技术研究工作，曾获国家科学技术进步奖创新团队奖1项、一等奖3项、二等奖4项，2018年以来出版中英文专著4种。