5g網絡是哪一年出來的-5g是哪年開始的

編者按

此前，APNIC首席科學家杰夫·休斯頓（Geoff Huston）發(fā)文，對互聯(lián)網發(fā)展25年的歷史進行回顧，并對互聯(lián)網未來發(fā)展進行展望。我們將分期刊載文章，本期將介紹互聯(lián)網過去25年的發(fā)展，并對數(shù)據傳輸技術進行分析回顧。

杰夫·休斯頓

APNIC首席科學家

互聯(lián)網并不像你想象的那么年輕。蘋果公司于2007年發(fā)布的iPhone手機現(xiàn)在已經16歲了；YouTube也是一個成熟的青少年，它于2005年首次發(fā)布，現(xiàn)在已經18歲了。

這兩個例子對互聯(lián)網來說還算是比較新的。首個網絡瀏覽器Mosaic于1993年發(fā)布，那是大約30年前。更早的時候，互聯(lián)網以NSFNET的形式，從ARPA的根基中崛起，那是在1986年。在1983年初，ARPANET度過了“協(xié)議切換日”（ARPANET flag day），開始將TCP作為其端到端傳輸協(xié)議。更早之前，在1974年，Vint Cerf和Bob Kahn發(fā)表了第一篇學術論文，描述了分組交換網絡的協(xié)議和底層架構框架，這是互聯(lián)網的前身。

而這一成就建立在更早的基礎之上，20世紀60年代末期有多項工作展示了分組交換方式在計算機網絡中的可行性。這些分組交換網絡的努力包括Donald Davies在英國國家物理實驗室領導的一項工作，Larry Roberts在美國領導的一個ARPA項目，以及Louis Pouzin在法國CYCLADES網絡的工作。這些項目又部分源自Paul Baran在蘭德公司發(fā)表于1960~1964年間的關于分布式通信和分組交換網絡的工作。互聯(lián)網遠非一個不成熟的新人，它已經積累了相對長久的譜系。

而且，這是一次狂野的旅程。互聯(lián)網經歷了幾次經濟繁榮和衰退，每一次都伴隨著歷史上最精彩的盲目狂熱以及之后迎來的清醒糾正。它引發(fā)了整個世界的通信企業(yè)的全面重組，帶來的變化已經改變了我們每個人的工作和生活方式。在短短25年里取得如此成就，實在是驚人！

我們應該從1998年開始探索互聯(lián)網過去25年的歷史。那時，關于互聯(lián)網作為全球通信媒介最終能夠獲得成功的任何疑慮都被徹底消除。互聯(lián)網不再只是一個研究實驗，也不再是在采用開放系統(tǒng)互聯(lián)（Open Systems Interconnect，OSI）框架道路上的一個中間站。

到了1998年，數(shù)據通信領域中再也沒有任何其他技術能滿足我們日益增長的數(shù)據通信的需求。IP現(xiàn)在是當下和未來一個世紀的數(shù)據通信技術。當時業(yè)界的信息非常明確，通信企業(yè)必須在每個產品和服務中采用互聯(lián)網，否則就會危及自己在這個行業(yè)的未來。

傳統(tǒng)的電信企業(yè)再也不能帶著禮貌的嘲弄甚至明顯的蔑視態(tài)度來看待互聯(lián)網了。是時候進行業(yè)變革了。這一行業(yè)中最大的企業(yè)，那些老牌的“前壟斷”電信企業(yè)，在這個行業(yè)幾十年來最大的變革中捉襟見肘。而這次，同時發(fā)生的開放管制和競爭意味著通信行業(yè)的整個未來正被交到一小部分互聯(lián)網企業(yè)手中。

到了1998年，互聯(lián)網終于大紅大紫。任務顯然已經完成，互聯(lián)網獲得了勝利。但不久后，一場新的革命又來了，這次是移動服務領域的革命。在經歷了其他公司一系列笨拙的初期努力（還有人記得無線應用協(xié)議WAP嗎?）之后，iPhone憑借其時尚設計和驚人功能的完美結合進入了市場。

移動通信行業(yè)難以滿足對基于互聯(lián)網的移動數(shù)據的狂熱需求。在移動互聯(lián)網成功的基礎上，互聯(lián)網開始與電視網絡競爭，通過流媒體視頻與現(xiàn)有的廣播和有線電視系統(tǒng)競爭。故事還沒有結束；通信仍在推動著我們的世界，互聯(lián)網仍在繼續(xù)發(fā)展和變革。

任何技術的演進過程都會出現(xiàn)意想不到的奇特轉折。在某些時候，簡約和極簡主義會被復雜和裝飾所取代，而在另一些時候，戲劇性的突破會揭示技術的核心理念，并去除一層層多余的附加物。互聯(lián)網的技術演進似乎也不例外，其歷程中也包含了這樣意料之外的曲折。

相比對過去25年的各種變化和發(fā)展進行無序的觀察，我將以傳統(tǒng)的協(xié)議棧模型作為模板，從底層的傳輸媒介開始考察，然后考察IP層、傳輸層、應用和服務，最后考察互聯(lián)網商業(yè)。

固網

現(xiàn)在看來，這似乎是一個完全陌生的概念，但1998年的互聯(lián)網服務提供商（Internet Service Provider，ISP）業(yè)務仍以撥號的調制解調器技術為基礎。調制解調器速度的技術水平不斷提高，從9600bps到14.4kbps，再到28kbps，最后到56kbps，榨干了模擬語音電路所包含的相位-振幅編碼空間中可以使用的每一個比特。模擬調制解調器不斷被新技術所取代，它不可靠，客戶難以使用，最重要的是它速度還很慢！互聯(lián)網上的幾乎所有其他內容都被迫進行了定制，以便通過調制解調器連接并以合理的速度下載。為了確保快速下載，網頁由壓縮后的圖像精心編制而成，純文本也因此成為主流。情況只會變得更好，而且也的確如此。

接入網的演進最初是將網絡內部數(shù)字化的核心暴露在邊緣網絡。第一種方法是ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業(yè)務數(shù)字網），它將底層的數(shù)字語音電路引入到邊緣網絡。64kbps的速度相比起模擬的調制解調器只是微小的改進，接入技術的下一個重要進展是使用DSL（Digital Subscriber Line，數(shù)字用戶線路）。

DSL仍然使用網絡最后一公里的模擬信道，但它沒有使用單個低速模擬承載信號，而是在接入電路中疊加了大量獨立的模擬承載信號，在網格框架內的基本模擬電路上執(zhí)行某種形式的頻分復用。DSL依賴于電話公司在高信號質量和噪音抑制條件下運行銅纜接入電路的程度，以及調制解調器行業(yè)在數(shù)字信號處理能力上的不斷提升。

令人驚訝的是，通過這些傳統(tǒng)的銅纜接入網絡，DSL往往能夠達到每秒幾十兆比特的速度。然而，DSL在很大程度上是一種過渡方案，是在尋找一種可行的商業(yè)模式，可以使用開放式的光纖接入網絡來逐步取代老化的銅纜接入網絡，并能夠承擔部署的成本。

向基于光纜的固定線路接入網絡的過渡仍在繼續(xù)。如前所述，光纖接入網絡面臨的挑戰(zhàn)在于找到一種合適的商業(yè)模式，能夠維持必要的資本投資來支持替換現(xiàn)有的銅纜網絡基礎設施。

一些國家采用了公共部門的計劃，如澳大利亞的國家寬帶網絡（National Broadband Network，NBN）計劃，而另一些國家的社區(qū)則仍然致力于私營部門的活動。還有一些地方則采取混合方式，在私營部門計劃中加入一定程度的地方公共部門激勵措施。這里的問題是，在大多數(shù)情況下，固定線路住宅接入網絡并不能提供吸引人的投資機會——高昂的前期資本投入以及接入網絡基礎設施覆蓋地區(qū)普遍不足的使用率都是不利因素。

通常情況下，一個住宅社區(qū)無法支持多個光纖接入網絡的部署，這就引出了本地接入壟斷的相關問題，以及如何在單一物理接入網絡上允許一定程度的競爭性接入服務的挑戰(zhàn)。即使如此，光纖接入仍在世界許多地方繼續(xù)推進。盡管存在許多障礙，將有線銅纜網絡轉變?yōu)槟軌驗槊總€連接提供數(shù)百兆比特率的光纖接入網絡的過渡仍在繼續(xù)。

移動網絡

移動接入網絡經歷了完全不同的發(fā)展，多年來，移動行業(yè)的發(fā)展一直是由需求驅動的。

20世紀80年代推出的首批移動數(shù)據服務網絡不過是在單個語音頻帶電路上工作的低速數(shù)字編碼器。這些1G網絡通常提供2.4Kbps的數(shù)據下載速率。下一代移動服務2G在90年代開始使用。它仍然以語音服務為主，雖然理論上可以支持100kbps的數(shù)據訪問速度，但這一數(shù)據傳輸速率在很大程度上是理想化的。

隨著3G移動服務的推出，互聯(lián)網與移動服務出現(xiàn)了交集。3G架構可將IP連接直接推送到手機，支持1~2Mbps的數(shù)據傳輸速率。這種網絡功能再配合新一代的手機，首先是2002年的黑莓手機，然后是2007年的iPhone，將移動服務轉變?yōu)橐环N大眾消費級服務。

這種服務的高利潤吸引了傳統(tǒng)語音行業(yè)的注意，最終結果是大規(guī)模開放了無線電頻譜，創(chuàng)建了一個互聯(lián)網接入環(huán)境，其規(guī)模迅速趕上有線接入市場，并在收入利潤方面完全超過了它。

這種大規(guī)模的需求升級給移動系統(tǒng)的容量帶來了進一步壓力。2009年，移動領域推出了4G服務，開放了更多頻段，并在移動設備上添加了多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple Output，MIMO）無線電技術，以提高每個連接設備的可用容量。

隨著時間的推移，這些服務被配置為每臺設備提供50Mbps至100Mbps的峰值下載速度。同時，該行業(yè)每年還售出數(shù)以億計的移動設備。4G不再使用電路交換服務，而是完全使用分組交換。

2018年，5G問世。5G可以由更多頻段支持，包括24至47GHz的高頻毫米波頻段。這些更高的載波頻率可以提供千兆比特數(shù)據服務，但代價是更高密度的基站，以彌補更高無線電頻率導致的更短的信號傳播距離。

移動數(shù)據服務真正徹底改變了互聯(lián)網，使其從“你訪問的目標”變成了“你口袋中隨時可用的工具”。現(xiàn)在，互聯(lián)網已成為設備上的一套應用程序，可以隨身攜帶。無論你身在何處，在做什么，都永遠可用，永遠在線。但這并不完全正確。如果你走到足夠偏遠的地區(qū)或大洋上，聯(lián)網的種種選擇很快就會消失殆盡，只剩下價格昂貴的衛(wèi)星服務。

衛(wèi)星網絡

這些衛(wèi)星服務自20世紀60年代初就開始運營了，但由于發(fā)射成本高昂、容量有限以及地面服務提供商的利益競爭，這些服務的運營往往處于不可用的邊緣。1990年代末摩托羅拉公司的銥星項目就是最好的例子，在全部服務衛(wèi)星群發(fā)射之前，這個耗資50億美元的項目就已宣告破產。

星鏈（Starlink）是衛(wèi)星服務領域的新人，它使用約4000顆近地軌道（Low Earth Orbiting，LEO）衛(wèi)星的集群，到目前為止似乎突破了這一財務的障礙。Starlink利用可重復使用的運載火箭、帶有轉發(fā)器陣列的更小（也更輕）的衛(wèi)星以及新一代的數(shù)字信號處理能力，向個人用戶零售100Mbps或更高的接入服務。

由于衛(wèi)星軌道較低，Starlink服務在性能方面能夠直接與地面接入服務競爭。引入航天器之間的激光鏈路則意味著該系統(tǒng)可以在任何地點提供服務。與幾十年前的銥星系統(tǒng)一樣，限制因素是獲得必要的許可，以便在各個國家地區(qū)的地理范圍內獲得客戶。

Starlink在容量、覆蓋范圍和成本方面無疑是革命性的。問題在于它是否具有足夠的革命性，以及它能否擴大規(guī)模，為數(shù)億用戶提供大容量的服務。目前，這些問題并不容易回答，但近地軌道衛(wèi)星服務所固有的限制表明，基于地面的接入網絡具有潛在的優(yōu)勢。盡管如此，Starlink正在重新定義許多經濟體的互聯(lián)網接入市場，并設定了其路基競爭對手現(xiàn)在必須要達到的價格和性能基準。

基礎設施

如果我們把目光從接入網絡轉移到互聯(lián)網“核心”在過去25年中的變化，那么我們會再次看到巨大的變化。1998年，互聯(lián)網是利用電話網絡過剩的容量建立起來的。

1998年，大多數(shù)互聯(lián)網服務提供商的核心基礎設施仍然是通過租賃電話中繼線路（E-1和T-1線路，然后是E-3和T-3線路，隨著容量需求的增加，是OC-1線路）來建立的。從網絡中挖掘出更多的容量正變得更加具有挑戰(zhàn)性。622Mbps的IP線路也在被部署，雖然其中許多線路是使用155Mbps的ATM網絡線路構建的，它們使用基于路由器的負載均衡，通過四條并行的線路分擔IP負載。千兆比特的線路也指日可待，1998年就進行了在2.5Gbps的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）線路上運行IP的初步試驗。

在某種意義上，1998年是IP傳輸?shù)年P鍵一年。在此之前，IP還只是電信公司電路交換網絡基礎設施的另一種數(shù)據應用。這種電信基礎設施主要是為支持電話而設計和建造的。從模擬語音線路到64K數(shù)字線路，再到更高速的中繼承載網，IP一直在語音網絡的基礎設施之上運行。在那時，通信基礎設施連接著各個有大量呼叫業(yè)務的人口中心。

互聯(lián)網有著不同的需求。互聯(lián)網的流量模式與語音流量不同，IP性能對每一毫秒的額外延遲都很敏感。將互聯(lián)網限制在語音網絡之上的疊加層已顯示出緊張跡象，而到1998年，情況發(fā)生了變化。

互聯(lián)網開始對傳輸容量提出更高的要求，網絡基礎設施進一步發(fā)展的驅動力不再是語音，而是數(shù)據。繼續(xù)提供規(guī)模日益擴大的語音交換基礎設施而僅僅是為了將其重新打包成IP基礎設施是毫無意義的。所以到了1998年，業(yè)界開始考慮一個全IP高速網絡會是什么樣子——從光纜中的光子一直到互聯(lián)網應用的設計，全部都是IP網絡。

與此同時，隨著波分復用技術（Wave Division Multiplexing，WDM）在光纖系統(tǒng)中的引入，光纖系統(tǒng)也在發(fā)生變化。使用光電中繼器和準同步數(shù)字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）多路復用器的老式光纖設備允許單對光纖傳輸約560Mbps的數(shù)據。波分復用技術允許一對光纖使用不同波長承載多個數(shù)據信道，每個信道支持高達10Gbps的數(shù)據傳輸速率。使用密集波分復用（Dense WDM，DWDM）的光纖鏈路信道容量在40到160個波長信道之間。

結合全光放大器的使用，光纖系統(tǒng)整個發(fā)展過程中最引人注目的部分是，今天能夠以與上世紀90年代中期560Mbps光纜系統(tǒng)大致相同的成本，建造一個總容量為每秒Tb級別的光纜系統(tǒng)。這意味著25年間光纖性價比提高了100萬倍。

部署這些大容量DWDM光纖系統(tǒng)的動力從來不是基于電話業(yè)務的擴展。該行業(yè)的爆炸式增長完全是為了支持IP網絡的需求。因此，毫不奇怪的是，在IP網絡傳輸需求不斷增長的同時，傳輸模式也發(fā)生了轉變，我們不再將路由器插入電信公司的交換設備并使用虛擬的點對點電路來傳輸IP，而是開始將路由器接入DWDM設備的不同波長信道中，并在互聯(lián)網的核心部分運行全IP網絡。

在過去25年中，從根本上改變這些核心傳輸系統(tǒng)的不僅僅是DWDM。在光纖領域，還有兩項具有變革性的技術。首先是光放大器的使用。摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）提供了一種高效的信號放大手段去調制下一級激光驅動器，而無需將信號轉換成數(shù)字形式再由數(shù)模轉換器轉換回去。這使得光纖系統(tǒng)不需要集成每秒Tb級的數(shù)字系統(tǒng)就能夠支持每秒Tb的數(shù)據容量。

第二個根本性的變革是信號調制從基本的開/關信號轉變?yōu)槔眯盘柕南辔环群蜆O性來增加光纖內波長信道總容量的信號調制技術。這里的關鍵技術是數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），隨著我們對這些DSP中導體控制通道（Conductor Track）寬度的技術改進，可以增加單個芯片上門電路的數(shù)量，這樣就可以支持更復雜的信號操作算法，從而提高DSP功能的靈敏度。

2010年，我們在DSP中使用40nm軌距硅芯片，支持極化模式正交相移鍵控（Polarization Mode Quadrature Phase Shift Keying，PM-QPSK），這使得光纜可以在單波長信道中以100Gbps的數(shù)據速率運行，或在光纖中以8Tbps的聚合速率運行。而現(xiàn)在，2023年，DSP使用5nm軌距，可支持對190G波特的基本信號的PCS-144QAM調制，進而支持每個波長信道2.2Tbps的數(shù)據傳輸速率，或每股光纖105Tbps總容量。12股光纜的總容量能達到1.2Pbs。

這種高性能的光纜系統(tǒng)通常用于海底光纜系統(tǒng)，以連接各大陸之間的數(shù)據中心。在數(shù)據中心和其他地面場景中，我們現(xiàn)在使用每波長200G和400G信道的光纖系統(tǒng)作為通用的技術基礎。其主要結果是，傳輸能力在一般意義上不再是稀缺資源。從任何意義上講，它都是一種供應豐富的商品[1]。無論是短途還是長途，對通信能力進行定量配給都是毫無意義的。

這不僅是通信行業(yè)經濟框架的重大變化，還改變了我們使用通信的方式。在資源匱乏的系統(tǒng)中，我們傾向于使用“即時”（just-in-time，JIT）式的傳輸機制，只有在需要時才在通信系統(tǒng)中傳輸內容；而在資源豐富的系統(tǒng)中，我們可以使用“以防萬一”（just-in-case，JIC）式的傳輸機制，這對互聯(lián)網的體系結構產生了巨大影響。事實上，在過去的25年中，通信基礎設施的基礎容量得到了非同尋常的提高，這也許是整個互聯(lián)網格局中最重要的變化。我們在研究內容網絡時就會看到這一點。

在網絡運營方面，我們看到了一些變革的苗頭，但這似乎是一個較為保守的領域，采用新的網絡管理工具和實踐需要時間。

互聯(lián)網在25年前就統(tǒng)一使用了簡單網絡管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol，SNMP），盡管它存在安全缺陷、效率低下、使用令人惱火的抽象語法標記（Abstract Syntax Notation One，ASN.1）等缺點，而且還被用于支持某些形式的分布式拒絕服務（Distributed Denial-of-Service，DDoS）攻擊，但它仍然被廣泛使用。

但是，SNMP只是一種網絡監(jiān)控協(xié)議，而不是網絡配置協(xié)議，任何嘗試過使用SNMP進行寫操作的人都可以證明這一點。最新的網絡配置協(xié)議（Network Configuration Protocol，NETCONF）和YANG（Yet Another Next Generation）模型正試圖將這個領域的配置管理轉變?yōu)楸然诿钚校–ommand-Line Interface，CLI）腳本驅動的交換機接口更有用的東西。

與此同時，我們也看到諸如Ansible、Chef、NAPALM和SALT等編排工具進入了網絡運營領域，允許編排數(shù)千個單獨組件的管理任務。這些網絡運行管理工具在改善自動化網絡管理方面邁出了可喜的一步，但離理想的終點還相差甚遠。

我們離全自動網絡管理框架的理想終點還很遙遠。當然，向自適應自主控制系統(tǒng)提供網絡基礎設施和可用資源，讓控制系統(tǒng)監(jiān)控網絡并修改網絡組件的運行參數(shù)，以持續(xù)滿足網絡的服務級目標，一定是可行的。“駕駛”網絡的“自動駕駛汽車”在哪里？也許未來10年就能實現(xiàn)。

注釋

[1]譯注：本文數(shù)次提到的商品（commodity）、商品化（commoditization）等概念是指貨物原本具有品牌和獨特性的經濟價值，最終因市場的充分競爭而消失不見，成為簡單商品的轉變，是從壟斷性競爭到完全競爭的轉變。

本文刊登于《中國教育網絡》2023年7月刊

翻譯：常得量

責編：項陽

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