張弓 霍大偉 李英濤@華為2012實驗室
未來網絡的核心挑戰是如何解決網絡架構制約商業模型創新的問題。
運營商的收益依賴于用戶規模，用戶增長面臨瓶頸。互聯網最初架構的思想就是為了流量而建網，并不考慮不同應用的各異需求。這樣的架構至今沒有變化，因此運營商收益嚴重依賴于用戶和流量規模。在UIUC大學Srikant教授的代表性論文《Economics of Network Pricing With Multiple ISPs》中，說明了運營商的收益主要來自于用戶數量和流量的規模增長。從互聯網的計價方式看，無論是以前的按用量計費和包月模式，還是近年來的新模式，如限量模型(Flat rate with cap)，分時計費(Smart Data Pricing)，補貼用量計劃(Sponsored data plan)等，均服務于以流量為中心的商業模型，始終依賴用戶規模的增長。近年來，隨著用戶數量規模增長觸及天花板以及運營成本的大幅提高，運營商面臨著增量不增收的巨大壓力。
網絡中立規則制約服務差異化。網絡中立原則的初衷是保護新型企業和應用，消除因內容供應商的資本差異帶來的歧視，防止出現內容提供商的壟斷。在現有架構下，運營商不可以因業務來源而作區分化服務。網絡無法滿足低延遲、高帶寬要求的高附加值業務(如高清視頻)的服務質量，導致內容提供商開始自建網絡，使運營商收益受損。美國加州大學教授John Musacchio等在論文《A Two-Sided Market Analysis of Provider Investment Incentives With an Application to the Net-Neutrality Issue》中建立了雙邊市場(Two-sided market)模型，并指出在一定條件下網絡中立不利于公眾利益，造成公地悲劇(castles on the Rhine effect)。哥倫比亞大學Vishal Misra教授與其合作者提出Public Option ISP方法，可以市場化方式消除對內容提供商的選擇性歧視，節約監管開銷。在現有架構下保持網絡中立性是不是可以達到原有初衷？值得商榷。
不同應用需要不同架構，網絡架構決定用戶體驗
在語音通信時代，消費的主體是單一的人，人與人的語音通信是對電信網絡的基本需求，網絡提供的服務也是單一的語音為主(輔助少量電報等數據通信)，網絡發展所面臨的主要挑戰是提高用戶數的覆蓋，降低通信的成本。研究發現，在語音通信網絡中，用戶的呼叫到達過程符合泊松分布，即大部分時間內活躍用戶數在統計的角度都穩定在一個均值，統計復用成為可能。這使得分層匯聚成為電信網絡的基本架構，從接入到城域然后到骨干層層匯聚的架構，能夠在充分滿足整體用戶需求的情況下，降低網絡的建設和管理成本，成為電信網多年建設的基本指導原則。
進入互聯網時代后，用戶對網絡消費的模式發身了巨大變化，電信網分層匯聚的網絡架構面臨了很大的挑戰。對于互聯網用戶，他們除了原有的人與人的通信外，更大量的是人與物(機器及數據中心)的通信，而且通信的時間長度、帶寬需求也變得更大和更不確定。1999年，美國科學家Barabasi和Albert在《科學》雜志上發表了著名論文 《Emergence of Scaling in Random Networks 》，指出了互聯網的應用符合無標度網絡(scale-free networks)的特征。無標度網絡又稱為冪律分布網絡。在這個網絡中，存在與大部分用戶相連的超級節點(如Google、Facebook等)以及大部分節點都與幾個超級節點相連的特點，與符合泊松分布的電話網絡有本質的不同。加拿大Calgary大學教授Zongpeng Li等發表的著名論文《The flattening internet topology: natural evolution, unsightly barnacles or contrived collapse?》指出了在互聯網時代網絡扁平化是必然趨勢。對于符合冪律分布的網絡，扁平化的網絡架構更為適合，資源效率更高。扁平化成為互聯網時代網絡建設的指導原則。
隨著車聯網、物聯網、虛擬現實等新業務的出現，勢必會對未來網絡架構產生影響。華為未來網絡理論實驗室和香港中文大學John Lui教授、香港城市大學Guanrong Chen教授等聯合提出了一種全新的馬爾科夫過程模型，發現未來網絡業務特征與語音網絡的泊松分布和互聯網的冪律分布有明顯的不同，未來網絡業務符合馬爾科夫過程模型分布。這個分布的核心特征是應用隨時間呈現多樣化的動態轉換特性。舉例來說，高清視頻、物聯網等各行各業的應用需求差異化更大。在車聯網中，車與車之間的通信要求低延時，資源效率最優的集中到中心節點的處理方式并不合適，需要具備局部自治的能力；而對于遠程視頻醫療這種大帶寬、低延時、高可靠的業務，現有網絡架構很難滿足要求。因此，在網絡架構的設計上，需要引入新的架構，才能夠確保對客戶體驗的有效支撐，需要一個由應用驅動的網絡架構。
應用驅動網絡開啟差異化服務新范式
應用驅動網絡(Application Driven Network，ADN)是為應用提供差異化服務的新范式。ADN提出為應用建網，為每個應用提供一個邏輯獨立的網絡，以滿足每個應用自有的、對網絡的各項需求。ADN從理念上直接解決了差異化服務和網絡中立的矛盾。
電信行業的定勢思維只強調“資源效率優先”， 一味提高網絡設備的資源利用率，只能降低成本，不能增收。ADN第一次提出了“應用效率與資源效率并重”的理念，通過提高應用的效率，方便用戶使用應用，改善用戶體驗，達到增收目的。
ADN主張為應用建網，為每個應用提供一個邏輯獨立的網絡，以滿足每個應用自有的、對網絡的各項需求，構建“面向應用的網絡重構、面向應用的資源虛化、面向應用的分層控制”的能力。
1) 面向應用的網絡重構能力：應用對網絡需求的抽象。ADN剖析應用對網絡的需求、使用特點等，構建應用的多維抽象模型，為應用編排網絡資源，以滿足應用的需求。例如，滿足泊松分布的人與人通信業務、滿足冪率分布的人與機器通信業務、以及滿足馬爾科夫過程分布的機器與機器通信，都可通過范式模型映射到不同網絡資源，從而提供高滿意度的網絡服務。
2) 面向應用的資源虛化能力：網絡資源的隔離與復用。NFV、網絡切片技術等，已將原先統一的、唯一的網絡資源，例如無線空口、鏈路帶寬、計算能力、存儲空間，抽象為多個邏輯管道。ADN在此基礎之上，需進一步對網絡資源進行統計復用，以符合應用對網絡的需求模型。
3) 面向應用的分層控制能力：快神經/慢神經的控制。ADN從為應用提供差異化服務出發，結合網絡資源全局優化的需求。加州理工學院的John C. Doyle教授等提出快/慢神經控制理論。基于該理論，ADN從時間、空間、價值等多個維度對網絡資源進行快/慢控制。慢控制器將拓撲結構、應用業務模型特征等網絡慢變信息作為輸入，找到網絡資源切片劃分方法以及網絡最優控制點。快控制器通過對網絡快變狀態如交換機內隊列和鏈路狀態等進行實時觀測，利用卡爾曼濾波算法，在不同的分片上將網絡以最小的代價驅動到最優點控制點。慢控制與快控制協同工作，可使得全網絡工作在最優控制點附近，以實現面向應用的服務優化。
ADN的框架可分為三個平面：
1) S平面：實現對應用的抽象建模，提煉應用對于網絡的需求，例如帶寬、時延等，并根據應用的需求，為其分配合理的網絡資源，優化應用的網絡傳輸效率。應用對于信息交互的需求，具有不確定性，從而造成網絡流量具有動態性和不可預知性。S平面能夠根據網絡的運行狀態，動態調整各個應用的網絡資源，從而達到全局的資源優化。
2) C平面：對部分網絡節點或資源進行局部控制。全局控制需要采集、匯總全局信息，導致控制環路過長，控制效果不佳。C平面的引入，可以縮短控制環路，加快響應速度，從而提升控制效果。
3) D平面：承載數據通道。為不同應用提供獨立的網絡資源，實現獨立的網絡調度策略、擁塞控制策略、排隊機制等，從而為應用提供差異化的服務。
圖1：ADN概念框架圖
ADN架構支撐“基于用戶體驗的運營模式”落地
按照應用縱向分配資源是ADN 與標準通信網絡最大的變革。標準的通信網絡架構，是橫向按照資源分層的，從資源層到控制層，最高到應用層。ADN的核心概念，則在于按照不同的應用縱向拉通，由應用層自上而下到控制層，最后到資源層，構成針對不同應用的多個縱向層。 通過“橫”“縱”變化，ADN可以提供更好的用戶體驗。
在傳統網絡中，網絡資源的管理一般是按照網絡層次分組，例如，接入網、城域網、骨干網的概念，按照網絡層次分組，有利于資源實用率最大化，但對應用并不是體驗最佳：一個典型應用，可能跨多個網絡功能單元，使得應用的開通和調整都變得非常復雜。通常的情況下，應用需要針對網絡做相應的調整以達到好的用戶體驗。
ADN 主張通過應用業務特征的識別，分配與之相匹配的資源和執行針對應用的業務管理，讓網絡主動適配應用。在多個應用場景下，資源如何分配，依據什么原則分配，如何均衡現有資源分配以及對將來可能的新應用的平衡等問題，都是ADN架構能否成功應用的關鍵。不同的業務流量模型，其系統性能(例如延遲、吞吐等)表現，受調度與資源分配策略影響極大。MIT大學 Mihalis G. Markakis博士在其博士學位論文《Scheduling in Switched Queueing Networks with Heavy-Tailed Traffic》中的研究顯示，與符合泊松到達特性的業務不同，對具有重尾分布特性的業務類型，采用多隊列負載均衡的調度策略可以取得顯著的性能提升；在實現系統規模擴張時，應采用scale-out而非scale-up策略。對于應用業務特征的識別，我們已經分析明確了針對話音的泊松分布模型，針對互聯網的冪律分布模型、針對下一代網絡的馬爾可夫過程分布等特征，這些特征是ADN分配資源的理論依據。
ADN 架構中引入了面向應用的資源分配機制。專門的資源分配層：對于話音的應用，按照泊松分布的規律，分配層次化網絡連接資源；對于到數據中心的互聯網應用，按照冪律分布的規律，分配扁平化的網絡資源滿足要求；對于車聯網應用，依據馬爾可夫過程分布的規律，分配區域自治的網絡資源以滿足低延時的要求，分配集中資源滿足大并發類的應用； 同時，根據對業務發展的預測，適當預留關鍵資源，以適應未來應用變化的需求。
在ADN 的架構下，云化技術可以作為支撐ADN 資源分配層的支撐技術，而SDN和NFV技術，則為在一張網絡上支撐多種應用提供了技術能力保障，超寬帶互聯使得資源的分配和調度更為靈活和便捷。在ADN框架下，現有的技術投入得以有效的集成共同支撐用戶體驗的提升。對于未來的5G網絡需求分析表明，業務多樣化和用戶體驗也是其典型特征，ADN架構也能夠很好的支持未來5G的網絡需求。
“應用效率與資源效率并重”成就“基于用戶體驗的運營模式”
現有通信網絡主要是面向單一業務的“資源效率優先”模式。早期的通信網絡以話音為主，互聯網的前身ARPANet也是面向單一業務的網絡。早期互聯網的需求主要集中在大流量低成本的數據服務上。劍橋大學的Frank Kelly 教授在其論文《Charging and rate control for elastic traffic》中證明了ARPANet的基礎通信協議TCP是資源效率最優的，也因此沿用至今。通信需求和協議最優使得網絡建設和發展一直以來的主要目標是提供更高效率的更大帶寬，可以稱之為面向單一業務的“資源效率優先”模式。
當今互聯網應用種類快速增多，多樣化增強，現有網絡無法支撐。對于早期的通信網絡和互聯網，最大的成本在于網絡的鋪設，光纖、交換機等物理資源，“資源效率優先”是必然的結果。與話音網和互聯網相比，未來網絡最大的特征在于應用多樣化。應用的多樣化會表現為對網絡資源需求的多樣化，如高清視頻、物聯網為代表的應用對資源需求差異巨大。雖然隨著技術的不斷進步，網絡的帶寬不斷提升，成本不斷降低，然而現有網絡仍然面臨體驗差、應用滿足率不高的困境。因此大型內容提供商開始自建網絡，根據自身業務和應用進行優化設計以提升網絡效能。2011年，明尼蘇達大學的Zhi-Li Zhang在論文《Characterizing Roles of Front-end Servers in End-to-End Performance of Dynamic Content Distribution》明確指出Google擁有為自身應用而自建的骨干網是其搜索體驗佳的一大優勢。這說明一味聚焦“資源效率優先”已經成為滿足多樣化的用戶體驗要求的障礙，而為應用建網是未來網絡發展的必然趨勢。
ADN可以支撐應用建網，提升用戶體驗。ADN可以在資源總量不變的情況下根據各種應用的特點優化配置，滿足各應用不同的需求，提升應用的體驗。例如，加州大學伯克利分校的Shenker教授在其論文《pFabric: Minimal Near-Optimal Datacenter Transport》中指出如何在已知業務應用的情況下對不同應用的不同時延需求做優化，以低復雜度算法提高用戶體驗。在現實中，因應用需求迥異而無法得到現行網絡支撐的例子大量存在。例如，利用網絡對水表、電表自動抄表的物聯網應用，用戶終端數量巨大，對帶寬的要求不大，但對控制信道的需求很多，且對成本約束非常苛刻，現有的移動通信網絡無法在低成本約束下滿足應用需求。又如即時通訊應用(如微信)的信令風暴問題：此類應用對帶寬消耗不大，但需不斷保持網絡連接的刷新，現有網絡難以支撐。前一個案例可以通過網絡切片進行解決，后一個問題也可以通過預留一定的信令資源進行解決，而ADN可以作為上述方法的架構支撐。
ADN在滿足應用效率的基礎上還可以支持資源效率。ADN可以滿足應用效率的需求，提高用戶的體驗。但這不意味著ADN要以犧牲資源效率為前提。ADN通過思想理念的轉變，以SDN、NFV等各種技術為基礎，為應用效率服務。同時，ADN還要通過網絡效用最大化(NUM)理論使得應用效率和資源效率有機解耦，共同提升，有效降低建網成本，提高運營效率，促進應用增收。應用效率和資源效率相輔相成的必然性也可以從計算機行業的發展歷史看出。計算機最早出現的時候，是作為專業的計算工具使用的，容量和性能有限，如何發揮CPU的效率是其發展的焦點，計算機編程的匯編語言，也是精確控制到CPU的每一個具體的物理資源；隨著技術的不斷進步，CPU的能力不斷提升，編程語言也發展到更高級的C語言，以犧牲部分資源效率，降低了使用的復雜度，提升了應用效率；隨著摩爾定律驅動的硬件的不斷進步，操作系統的出現使得計算機的應用有了本質的突破，應用效率的提升帶來市場空間的上萬倍擴展，最終造就了21世紀最大的產業，從“資源效率優先”向“應用效率與資源效率并重”轉變帶來市場空間的增長，反過來為提升“資源效率優先”提供動力，二者構成良性循環。
為應用建網正處于關鍵的歷史時刻。目前多數運營商都意識到了網絡應為應用而建這個趨勢。利用“網絡切片”對網絡進行配置就是在這方面的早期嘗試。ADN概念提出的最大意義，在于幫助運營商在網絡架構理論上真正具備對于應用多樣化的支持和服務能力，突破原有“資源效率優先”時代單一的以流量、帶寬為標準的服務模式，進入關注應用體驗的多業務應用時代。正如當年PARC實驗室提出的計算機圖形化概念，使得計算機具備了滿足消費者應用需求的能力，造就了后來蘋果、微軟等一大批公司的輝煌和整個產業的興起；我們相信，ADN概念和架構也將使得運營商網絡對未來物聯網時代的豐富的業務能夠提供更有效的支持，最終形成“應用效率”與“資源效率”的良性循環，開創“基于用戶體驗的運營模式”的新時代。
“基于客戶體驗的運營模式”是一個具有普遍意義的理念，不但使用于指導未來電信網絡的發展，也可以用來指導存儲、計算以致于整個ICT行業發現新的業務增長機會；同樣的，應用驅動的網絡架構(ADN)，也可以擴展到應用驅動的存儲(ADS)、應用驅動的計算(ADC)和應用驅動的ICT(ADICT)；這里的A可以是常規意義上的應用，也可以是行業應用，甚至可以是未來待創造出來的新應用，想像空間巨大，增長空間同樣巨大。
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