下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
IP承载网、无线/有线接入网和光传送网是网络架构中具有不同功能、扮演不同角色的3个关键组成部分，它们在技术特征、应用场景和设计目标上有明显的区别，但又相互协作，共同构建了现代通信网络的基础。无线接入网以Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真）、4G/5G等无线通信和连接技术为基础，主要用于移动通信和无线互联网接入；有线接入网通过传统的拨号接入、以太网接入、宽带接入等方式连接用户和互联网；光传送网以光纤通信技术为基础，提供极高带宽、远距离传输的数据传输服务；IP承载网作为承载IP的网络层，负责在网络之间传输数据，以IGP（Interior Gateway Protocol，内部网关协议）/BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）/MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标记交换）等网络互联协议为基础，使用路由器、交换机和其他网络设备来管理数据传输。相对于无线接入网和光传送网，IP承载网具有高度的灵活性和可扩展性，能够适应不断变化的业务需求，但也带来网络拥塞、时延和安全威胁等挑战。
IP承载网的发展经历了从简单的连通性网络到高度复杂的智能化网络系统的过程。随着技术的不断演进和网络需求的多样化，IP网络基础设施和运营方式也在持续进化。
在IP承载网的发展历程中，早期阶段的核心在于保证基础的连通性网络，这一时期的关键进展奠定了互联网的基础。可以从以下3个维度来看待这一阶段的演进。
（1）ARPANET和TCP/IP：互联网的起源
互联网的起源可以追溯到20世纪60年代末，最初的网络项目ARPANET（Advanced Research Projects Agency Network，高级研究规划局网络）是由DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency，美国国防高级研究计划局）资助的，旨在研究分布式网络技术。ARPANET的目标是通过分散的网络结构，实现可靠的通信。它于1969年首次在美国西海岸的4个节点之间建立了网络连接，使用了分组交换技术，以确保即使某些节点失效，网络仍然可以继续运作。
20世纪70年代，TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）/IP逐渐发展起来，成为ARPANET的核心通信协议。TCP/IP的关键理念是将数据分成小包，进行独立传输，然后在目标节点重新组装。这种灵活的方式使得网络的可靠性和容错能力得以提升。TCP/IP为后来的互联网协议奠定了基础，成为全球网络通信的通用标准。
到1980年，世界上既有使用TCP/IP的美国军方的ARPANET，也有很多使用其他通信协议的各种网络。为了将这些网络连接起来，NSFNET（National Science Foundation Network，美国国家科学基金会网络）逐步建立和运营起来，通过在每个网络内部使用网络自己的通信协议，在和其他网络通信时使用TCP/IP的方式，NSFNET把多个网络互联起来，这确立了TCP/IP在网络互联方面的地位。到了20世纪90年代，随着浏览器技术的出现，WWW（World Wide Web，万维网）时代也拉开了帷幕。
（2）网络设备和基础设施：报文转发
在IP承载网中，负责处理IP报文转发的网络设备是整个网络的核心。早期的局域网仅使用网卡、集线器、交换机和网桥等设备，这些设备主要在物理层和数据链路层进行报文转发。1986年，思科公司推出了一款名为AGS（Access Gateway Server，接入网关服务器）的多协议路由器，首次实现了不同协议的计算机网络之间的数据传输。这一创新使原来不兼容的计算机网络能够通过路由器相互连接。
早期的路由器连接能力有限，能处理的业务量较小，因此对数据处理能力的要求并不高。随着技术的发展，路由器在网络基础设施中的地位逐渐上升，为更复杂的网络提供更高的性能和灵活性。
（3）路由协议的演进：控制网络通信
随着ARPANET和互联网的扩展，网络间的路由和数据传输变得越来越复杂。为了确保数据能够正确地从一个节点到达另一个节点，路由协议的演进至关重要。早期的路由协议主要是IGP，用于管理内部网络的路由。
其中，RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）是早期使用的主要协议之一。RIP通过每隔一定时间向网络中的其他路由器广播路由表，确保网络的路由信息更新。随着网络规模的扩大，现在被广泛使用的IS-IS（Intermediate System to Intermediate System，中间系统到中间系统）路由协议和OSPF（Open Shortest Path First，开放最短通路优先协议），也在20世纪80年代末诞生，更好地实现在复杂网络环境下的路由快速收敛以及避免路由环路。这些路由协议的演进，为网络的稳定和连通性提供了关键支持。
（4）网络结构的演进：从局域网到广域网
早期阶段的网络结构主要集中在局域网。局域网是指在较小范围内部（例如校园或企业内部）建立的网络。最初的局域网使用不同的连接方式，如同轴电缆直连和环形拓扑。
20世纪70年代末，以太网的出现改变了局域网的构造方式。它基于共享介质的网络架构，允许多个设备通过广播方式通信。以太网的主要特点是提供了一种简单、可靠且可扩展的连接方式。随着技术的发展，以太网技术逐渐取代了其他局域网技术，成为组网的主流技术。
在局域网基础上，城域网和骨干网的概念逐渐形成。城域网是指在城市范围内连接多个局域网的网络，而骨干网则是负责在更大范围内传输数据的网络。这些网络结构的演进，从局域网到城域网，再到骨干网，为互联网的扩展和全球连接提供了坚实的基础。
从20世纪90年代到21世纪10年代，IP承载网进入了快速发展的阶段，逐步成长为现代社会通信的核心基础设施之一。
（1）万物互联业务的发展
在20世纪90年代，互联网开始从学术和研究环境走向大众市场。ISP（Internet Service Provider，互联网服务提供商）的出现，使得家庭和企业用户能够方便地接入互联网。这一时期，电子邮件、万维网和文件传输等业务迅速发展，互联网的用户数量呈指数级增长。人们开始通过互联网进行电子商务、社交互动和在线娱乐等，这使得网络流量大幅增加，推动了IP承载网的发展。
万物互联的概念在这一时期开始迅速发展，随着互联网技术的普及，更多的设备和系统连接到网络。企业和工业领域开始引入网络化的设备，形成了早期的IoT（Internet of Things，物联网）。这些变化带来了新的网络需求，需要网络支持大量设备同时连接，并且确保数据传输的可靠性。
（2）网络设备和基础设施的发展
随着互联网技术的不断发展，网络设备的需求也愈加复杂。报文处理不再只是简单的转发，还需要支持QoS（Quality of Service，服务质量）、路由查找，以及二层帧头的剥离和添加等复杂操作。受限于处理器性能不足，早期路由器的查表转发能力无法满足日益增长的网络业务需求，因此ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输方式）交换机曾一度成为互联网中的核心设备，取代了传统路由器在IP承载网中的地位。
到20世纪90年代末，互联网流量逐年成倍增长，路由器的性能得到显著提升，重新夺回了被ATM抢占的市场。千兆位/秒级别的路由交换机开始普及，逐渐形成了从接入层到汇聚层再到骨干层的多级路由设备体系。这一体系在当今网络中仍然被广泛采用。
在转发技术方面，ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）技术成为制造硬件转发芯片的核心技术。ASIC芯片内含多个硬件表格和查找引擎，能够迅速检索路由表等关键信息，大幅提高数据转发速度。继ASIC之后，NP（Network Processor，网络处理机）实现了更高的灵活性。网络处理机具备可编程能力，由多个微处理器和硬件协处理器组成，支持并行处理。这一架构允许路由器通过软件控制处理流程，能够灵活应对流量调度、QoS、拥塞控制，以及路由表查找等复杂操作，显著提升了路由器的性能。
路由设备的架构也经历了从转发与控制功能由单一板卡完成的集中式架构，到转发与控制功能分别由独立的转发板和主控板完成的分布式架构，再到由多个节点协同完成转发与控制功能的多框集群架构等多种形式。这些架构变化使得路由设备能够支持多种业务和百吉比特级别的数据路由与交换能力，为现代互联网的高速发展提供了坚实基础。
（3）路由协议的发展
从20世纪90年代开始，路由协议的发展伴随着互联网的不断扩展和网络需求的变化，为现代互联网提供了坚实的基础，确保网络的可扩展性、可靠性和灵活性。
万物互联的重要协议——BGP不断丰富和成熟，成为自治域间建立通信连接的核心协议，把全世界的独立子网连接了起来。随着以IS-IS和OSPF为代表的动态IGP的成熟和完善，解决了自治域内复杂网络拓扑下网络扩展性和收敛速度方面的问题。MPLS技术的发展增强了网络可扩展性，并提升了流量工程能力。MPLS允许数据包携带标签，路由器可以根据标签进行快速的路由选择。这种机制提高了网络的传输效率，减少了传统路由协议的开销。此外，以IGMP（Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议）和PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关多播）为代表的组播协议也在这个阶段被广泛应用。组播是一种同时向多个目标发送数据的方式，特别适用于需要广播或分发数据的应用，如网络电视、在线教育等。
IPv6作为下一代互联网协议，也在1994年开始被提出和发展起来，IPv6不仅解决了IPv4（Internet Protocol version 4，第4版互联网协议）地址耗尽的问题，还简化了地址配置，提高了路由效率和可扩展性，同时可以更有效地处理移动性和安全机制。IPv6的出现，为互联网的进一步扩展奠定了基础。
（4）网络可靠性和质量的发展
随着互联网的广泛应用，用户对网络服务质量的要求不断提高。以IntServ（Integrated Service，综合服务）体系和DiffServ（Differentiated Service，区分服务）体系为代表的一系列QoS技术快速发展，从数据面的IP流的分类、计量和标记，缓存管理，队列调度，拥塞控制等，到控制面的MPLS TE（MPLS Traffic Engineering，基于MPLS的流量工程），再到管理面的SLA（Service Level Agreement，服务等级协定）建模、SLA接纳控制、SLA业务配置和SLA一致性监测与控制，QoS允许网络根据不同业务的优先级分配带宽，确保关键业务在高流量情况下能够正常运行。
与此同时，为了提高网络的可靠性，网络运营商开始引入冗余和备份机制。双路由器、多链路和备份线路等技术，使得网络即使在某些部分出现故障的情况下，仍能保持连通。网络管理和监控工具也得到发展，帮助网络管理员及时发现和解决潜在的问题。
（5）组网结构的发展
网络结构的演进也是一个重要的方面。随着互联网的扩展，城域网和骨干网的规模不断扩大，形成了更加复杂的网络拓扑。IP承载网基于网络层次划分，发展出包括接入层、汇聚层、核心层在内的城域网；基于承载业务划分，发展出固定业务承载网、移动业务承载网、数据业务承载网、综合业务承载网等复杂的网络形式。在这个阶段，网络结构的复杂性增加，IP承载网和接入网、光传送网深度互联，各司其职，组成了真正意义上的万物互联网络。
在当今全行业数字化转型的推动下，IP承载网正面临不断增长的通信和网络连接需求。SDN（Software Defined Network，软件定义网络）和NFV（Network Functions Virtualization，网络功能虚拟化）、云计算与数据中心、网络可信、大数据与AI、可持续性和绿色发展等方面的要求推动了IP承载网的持续发展。
（1）SDN与NFV
为了显著提高网络的可扩展性和灵活性，SDN和NFV应运而生。SDN使得网络能像通用软件一样，易于被修改，易于增加新业务，使网络更加敏捷。SDN架构的核心是在网络中引入一个SDN控制器，实现转控分离和集中控制，通过这个集中的控制器，把用户的需求转换为转发器的配置和转发指令，从而让网络可以快速响应用户多样化的需求，减少了对传统转发设备的依赖。NFV利用虚拟化技术在标准化的通用IT（Information Technology，信息技术）设备（如x86服务器、存储和交换设备等）上实现各种网络功能。NFV的目标是取代通信网络中私有、专用和封闭的网元，实现统一、通用“硬件平台+业务逻辑软件”的开放架构。NFV与SDN结合形成控制器加转发器的完整解决方案，为网络运营商提供了更高的灵活性，降低了网络建设和运营的成本。
随着网络规划、建设、维护、优化、运营等端到端流程的加入和丰富，原有网络运营体系中的 网络管理 、OSS（Operational Support System，运行支撑系统）、网络控制器等多个独立部件逐步融合，SDN和NFV的架构和技术被吸收和借鉴，演进到自智网络的架构体系。
（2）云计算与数据中心
云计算和数据中心的迅速发展，推动了IP承载网的演进。数据中心的规模不断扩大，需要更高的带宽和更可靠的网络连接。云计算通过将计算和存储资源集中化，实现了数据的集中管理和快速访问，网络需要具备更高的传输速度和可靠性，以确保云服务的质量。云计算的灵活性和弹性，需要网络具备更快速和敏捷的资源调配能力，支持更复杂的业务应用。
（3）网络可信
随着硬件性能的提升、软件功能的丰富，以及网络结构的复杂化，确保软硬件系统安全、可靠地持续运行成为一个重要挑战。另外，随着ICT（Information and Communication Technology，信息通信技术）产业对社会经济的支撑能力越来越强，IP承载网作为核心基础设施，也承载了越来越多的高价值业务与数据，如何保证IP承载网安全和可信地运营成为一个关键问题。在这个背景下，网络的可信性成为一个重要要求。
网络可信是指网络在满足业务需求之外，同时具备Resilience（韧性）、Security（安全性）、Privacy（隐私性）、Safety（安全性）、Reliability（可靠性）、Availability（可用性）这6个特征的确定性程度。韧性是指网络在受到攻击时能够承受并保持在有定义的运行状态（包括降级），且能够恢复并适应攻击以保证任务达成的能力。安全性指系统对恶意威胁的防护能力，确保网络中的信息保持机密性、完整性和可用性。隐私性指系统具备保护用户（含组织和个人）信息的能力，使得用户能够行使其个人信息的收集、使用、保有、披露和处置的权利和义务。安全性指系统失效不会导致不可接受的风险，不会危害自然人的生命或健康。可靠性指在给定的条件和时间范围内能无失效地执行要求的能力。可用性指系统能够按要求执行状态的能力。
网络可信通过一整套系统工程方法，从场景、特征与目标、执行流程、价值观等几个维度，让IP承载网提供值得信任的服务。
（4）大数据与AI
AI技术的发展使网络走向智能化成为可能。这一趋势不仅带来了更高效的网络管理和自动化，而且推动了网络性能、灵活性和安全性的全面提升。AI技术与网络的融合，促使网络系统具备自主决策和自我优化的能力，为未来网络的智能化奠定了基础。
通过机器学习和数据分析，网络能够实时监控自身状态，自动检测异常行为并采取相应措施，具备了自我修复和自我优化的特性，不仅减少了人工干预，还提高了稳定性；网络可以预测流量模式，动态调整资源，确保在高峰时期也能高效运行，提高了效率，减少了能源消耗；网络可以识别潜在的安全威胁，并自动采取措施，防止网络攻击，提升了安全性；网络运营商可以通过数据分析，为用户提供个性化服务，开发新的商业模式。
（5）可持续性和绿色发展
随着全球环保意识的增强，可持续性和绿色发展成为IP承载网的重要目标。网络运营商开始关注能源消耗和碳排放，寻找更加环保的网络解决方案。通过引入智能化的能源管理和优化策略，IP承载网可以降低能源消耗，支持绿色环保的发展理念。网络可以通过虚拟化技术和智能化调度，减少对物理硬件的需求，降低能源消耗。同时，绿色发展的理念也推动了网络设备的创新，推进研发更加节能的网络设备。
纵观IP承载网的发展，从一开始的基础连接功能，到如今的复杂服务能力，已经经历了显著的变化。最初，IP承载网的重点在于基本的连通性网络和数据传输，通过路由协议确保不同网络之间的通信。随着互联网的迅速普及，网络的规模逐渐扩大，网络的复杂性逐渐增加，IP承载网也开始引入更多的可靠性和可扩展性特征，例如MPLS技术和SRv6技术，以应对流量激增和网络拓扑的复杂性。
随着对网络质量和性能的要求不断提高，IP承载网发展出了支持服务质量和流量工程的能力，确保在高负载情况下维持稳定的网络性能。同时，为了应对日益严峻的网络安全威胁，网络提供了更高级的安全机制，包括防火墙、入侵检测和预防系统。
现如今，5G的应用逐步成熟，生成式AI技术不断推动着行业创新。IP承载网需要满足更加多样化和动态化的需求，尤其是在5G承载、云计算和物联网等领域，其关键能力将体现在更高的自动化和智能化水平等方面，以实现网络自我优化、自我修复和自我调整。
未来的IP承载网将成为一个高度自动化和智能化的自治系统，能够满足各种业务需求，并确保网络始终安全、可靠、绿色地运行。不妨设想一下未来网络的工作场景。
场景一，在城市的工业园区，一座新的智能制造工厂即将开建。当运营商将规划意图输入网络运营管理系统时，系统会自动生成最优的网络扩容方案，包括预算和实施计划。运营官审核计划后，系统自动生成详细的施工方案、网络布线和设备连接图等。随后，系统将任务分解给现场实施工程师。工程师在现场完成安装和上电，网络运营管理系统则自动完成设备配置、上线测试和验收等，确保网络扩容顺利完成并投入运营。通过紧密的人网协同，高效完成网络规划和建设。
场景二，在西藏的探险小队突遇事故，需要紧急开展骨折重建手术。网络运营管理系统立即开通了一条从当地诊所到上海某中心医院的手术专线，提供毫秒级的时延和99.999%的可靠性连接服务。通过这个网络连接，在上海的专家可以操控机器人远程完成手术，帮助探险小队转危为安。这种低时延、高可靠的网络服务，保障了关键时刻人的生命安全。深度的自动化，让网络服务与需求无缝衔接。
场景三，在网络运行中心，网络管控系统突然检测到从北京到上海的企业专线出现了转发丢包的情况。系统立即触发业务路由器进行精确故障诊断，发现上海某接入点存在恶意DoS（Denial of Service，拒绝服务）攻击。系统迅速计算并下发流量阻断策略，成功隔离了恶意流量，恢复了企业专线的正常运营。同时，系统还生成了故障分析和处置报告，供网络管理员审核。网络管控系统实时监测网络设备、板卡、光模块的运行情况，发现工作在北京机房的某设备光模块收发参数异常，存在故障风险。系统立即在凌晨的运维窗口内，驱动在机房内的机器人完成光模块更换，确保设备7×24h持续、健康运行。无人化的网络运行中心，网络零差错运行。
网络管控系统实时监控业务和网络流量情况，并预测未来的网络负载，在流量达到峰值前提前疏导网络流量，确保繁忙业务的稳定性。与此同时，在网络闲时，系统将流量汇聚到部分路由器，并将轻载的路由器降频运行，以节省电力资源。这种智能化的流量管理策略，不仅提高了网络的效率，还实现了绿色节能，符合可持续发展的理念。
IP承载网在向未来演进的过程中，需要一套完整的架构和方案支撑，IP自动驾驶网络实施框架应运而生。在这个框架下，围绕着IP自动驾驶网络能带来哪些好处，网络应该如何演进，需要什么样的架构和关键技术，以及如何推进和实施这几个核心问题，定义IP承载网的价值主张，网络演进的代际特征、架构和关键技术，具体的流程和实施方案等，逐步实现IP网络自智目标。