【编者按】 为推动产业链融合发展，加快数字中国建设，赋能数字经济，中国通信企业协会与江苏未来网络集团有限公司联合开设“未来网络技术产业化应用”专栏，对未来网络关键技术及场景化解决方案等进行跟踪研判与应用分析，为行业发展提供参考及建议。
确定性网络技术发展与产业应用
随着互联网与实体经济深度融合，全球互联网已由消费型向生产型转变，“尽力而为”的传统网络架构难以支撑未来业务对差异化服务、确定性、低时延的需求。为适应未来全球网络变革的新趋势，解决互联网当前所面临的核心技术问题，满足未来业务（如工业互联网、远程手术等）对网络时延、抖动、丢包等服务质量的需求，确定性网络技术受到了学术界和产业界的广泛关注。通过近几年的理论研究和实践探索，确定性网络技术研究逐渐成熟，形成了以 FlexE、TSN、DetNet、DetWiFi、5GDN 为核心的技术体系。一些典型应用场景也逐渐被筛选出来，并部署了相关示范案例，如智慧工厂、智能电网、远程工控等。相关实践经验表明，确定性网络技术可以在多种业务场景下，满足包括高精度确定性网络通信、设备广泛且灵活高效互联、面向 AI/大视频高通量海量通信等在内的未来网络业务需求。预计在不远的将来，确定性网络技术将在先进制造、能源交通、医疗服务等领域展现出巨大生命力和创造力，助力“数字中国”战略建设，实现“制造强国”等国家战略。
1、确定性网络的概念和特征
面对激增的网络应用，如高清实时视频流与工业机器控制等，传统以太网采用“尽力而为”的数据转发方式。网络中会存在大量的微突发现象，进而导致不确定的数据分组时延或网络拥塞等问题，无法实现对传送时延和抖动的准确控制。许多新兴业务，例如无人驾驶、远程医疗、VR 游戏等，对端到端的时延及抖动有着严格的要求。面对上述需求，需要建立一种可以提供“准时、准确”数据传输服务质量的新一代网络。
确定性网络技术可以在传统以太网物理介质的基础上，为多种业务提供端到端确定性服务保障，具备确定带宽、确定时延、确定抖动、确定丢包率等特点，是一种能够提供确定性服务质量的新一代网络技术。通过近几年的理论研究和实践探索，确定性网络技术框架逐渐成熟，形成了以 FlexE、TSN、DetNet、DetWiFi、5GDN 为核心的技术体系，适应不同的应用场景。
2、确定性网络的适用范围
确定性网络适用于对网络有高可靠、低延时、高可用需求的业务场景，例如对时延和可靠性有极高指标要求的工业、物联网应用。其应用场景包括但不限于：工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术、无人驾驶、安防行业等。
目前，以 FlexE、MTN、TSN、DetNet 为代表的确定性网络技术，其典型应用场景简述如下：
灵活以太网（Flexible Ethernet，FlexE）作为一种物理层确定性技术，在以太网技术的基础上实现了业务速率和物理通道速率的解耦，提升了业务传输的灵活性，其主要的适用范围为新型承载网。
城域传输网（Metro Transport Network，MTN）是新一代 5G 回传技术标准，与 SDH、OTN 并列作为 ITU-T 确立的新一代传送网技术体系。其主要适用范围也是承载网，负责连接数量庞大的基站，将广大用户的各类业务数据流从负责接入的无线网回传至核心网。
时间敏感网络（Time-Sensitive Networking, TSN）技术定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，可以确保数据实时、准确和可靠地传输。TSN 技术的适用范围主要为局域网和接入网，例如工业现场网络、车载网络和移动前传网络等。
DetNet 技术可以为三层数据提供确定的低时延、低抖动、低丢包率和高可靠性保障，可实现长距离确定性传输，适用于广域网应用场景。
上述确定性技术侧重于对不同协议层传输能力的加强与优化。DetWiFi、5GDN则侧重于通过融合多天线、网络切片等技术，对WiFi、5G 整体系统传输能力的进一步增强，实现低时延、高可靠的无线接入和传输。
上述核心技术可以与多种新型网络技术结合，适配更多的应用场景，具体如下：
与虚拟化技术/网络切片结合：面向异构融合的多种应用场景，确定性网络可以借助虚拟化技术，结合网络切片技术动态实现自己的“微服务”。这意味着可以将确定性功能进行细分，根据不同的应用需求，在同一张物理网络上划分为多个互相独立的逻辑网络。这不仅能够与底层的硬切片技术相配合，分离不同业务之间的传输，保证在某个切片中的流量发生异常或突发情况下不影响到关键数据流的性能。而且，这种灵活性有利于割接与后续升级，还可以满足不同客户对确定性传输能力的差异化需求，例如将工控网络中的实时交互业务与普通响应业务隔离在不同的切片中并赋予足够的带宽。
与云计算/边缘计算结合：确定性网络可以解决边缘计算网络在传输过程中可能出现的微突发带来的时延和抖动无上界问题。这种结合可以确保数据流的有界低延迟可靠传输，更好地服务于需要极致性能指标的行业场景。此外，确定性网络技术还可以提供差异化、定制化的服务质量保障能力，实现各节点不同功能的灵活部署，为不同终端和业务提供不同优先级的差异化服务。
与算力网络结合：在未来，确定性网络面临着巨大的海量数据处理和存储需求，这将需要大规模的算力资源支持。确保算力资源能够即时地将处理任务分配到相应的计算节点并迅速返回结果，将是一项重大挑战。同时，确定性网络具有深度赋能算力网络及其应用的潜力。确定性技术的高效传输能力有助于算力网络实现实时连接，从而进一步提升算力网络的服务能力。这种整合为支持万物互联中的数据传输、计算任务调度等需求提供了基础，为建设高质量的算力网络奠定了重要基础。
3、确定性网络的目标
在过去的 30-40 年里，相对于其它数字网络技术，基于尽力转发的分组承载网在传输能力、成本等方面有显著优势。然而，随着生产与网络的进一步融合，大量时间敏感类业务开始涌现，传统的尽力转发网络无法满足这些业务在带宽、时延、抖动方面的要求。一些传统的工业总线协议，如 MODBUS-TCP、MODBUSRTU、ETHERCAT、 ETHERNET/IP、PROFINET、OPC UA 以及 MQTT，虽然也能实现一定程度的确定性传输，但存在协议互通性差，应用场景范围有限等问题。另外，一些协议依赖的物理传输介质成本昂贵，阻碍其进一步的大规模推广。因此，学术界和产业界开始关注确定性网络技术。确定性网络的目标包括：
（1）具有较低的部署成本，一些具有严格定时和可靠性需求的应用，原先使用的专用现场总线协议，可以被基于分组以太网的确定性网络协议替代。同时，这些具有严格定时和可靠性需求的应用，可以和普通的分组网络应用（如网页浏览、视/音频流）共享同一个物理网络进行传输。
（2）具有较高的传输通量，确定性网络技术利用低成本、高效率的分组以太网，通过时分复用和统计复用叠加的方式，在复杂链路、海量链接、异构拓扑场景下，提供高可靠、大带宽、零丢包、低时延、有界抖动的端到端确定性服务质量保障。
（3）具有超高的可靠性，针对特定介质，确定性网络技术旨在提供更高的可靠性，表现为更低的丢包率指标。在以太网上，这一服务水平通常要求丢包率在10-9 到 10-12 或更低的范围内；而在无线传感器网络中，目标是实现误帧率在 10-5 数量级的水平。
（4）具有超高的安全性，强大的防御措施，确定性网络技术可以通过系统级的解决方案来确保网络中的各个网元（包括主机、路由器或网桥）在出现异常或网络拥塞的情况下，保障关键流量不受其他流量的影响。
4、确定性网络产业链现状与发展
确定性网络产业具有覆盖范围广、涉及领域宽和服务链条长的特点，吸引了大量厂家的积极涌入。该产业作为一个需要重资本投入的行业，具有投资规模大和回报周期长的特征。由于头部公司在融资、能耗指标获取以及与大客户的合作关系等方面具备优势，它们有机会构建起行业壁垒。
确定性网络产业主要分为上游（芯片、设备、设施和管理供应商）、中游（确定性网络建设者和服务商）和下游（各行业应用客户）三个环节。各环节都有代表性较强的企业，形成了一个完整的确定性网络产业链。
（1）确定性网络产业上游
产业上游主要是为确定性网络建设提供必需基础设施或条件的企业，主要包括芯片厂商、设备提供商、管理和控制服务商。其中芯片厂商提供支持确定性网络技术的网络芯片、FPGA、NP、CPU/GPU/TPU、DSP等设备；设备商提供实际的确定性网络设备；管理和控制服务商则负责提供确定性网络管理和控制系统。这一环节决定了确定性网络产业的创新速度，具有基础性和原料性强的特点。上游企业掌握着核心技术，其芯片、设备和管理控制软件涉及到确定性网络产业的基础和技术研发环节。
（2）确定性网络产业中游
产业中游主要是确定性网络的服务商，包括电信运营商、第三方广域网服务商以及自建确定性网络的各类企业等。产业中游的核心角色是整合上游资源，建设高效稳定的确定网络。目前，确定性网络产业中游企业正在积极进行一些试点工作，尤其是未来网络试验设施CENI已经建成了全球首个确定性网络。这为未来支持各行业的确定性网络应用奠定了基础。中游企业的发展将围绕实现各行各业的可落地方向，解决不同设备厂商之间的互联互通，进一步降低用户使用门槛，并提供低成本全场景端到端确定性解决方案。
（3）确定性网络产业下游
产业下游主要是确定性网络的主要使用者，分布在各行各业。目前，工业制造、能源行业、医疗行业、港口运输、电力以及装备制造、车联网等行业均已开始进行确定性网络实际试点建设。下游产业的发展将随着确定性网络技术的突破和迭代，结合自身应用需求和场景，不断优化和改进确定性网络的技术和方案，以支撑未来确定性网络的规模化部署和落地。
5、确定性技术与算力网络
随着超算数据中心、边缘计算节点、人工智能数据中心等算力基础设施的日益部署及完善，终端用户可以实时接入并使用计算资源。通过将本地计算任务卸载至网络中的算力资源，实现终端计算能力的扩展。然而，如何更加高效地利用这些网络中分散的计算资源成为当前亟须解决的问题。确定性网络能够满足算力网络对数据高速、远距离、无损传输的需求，实现各算力资源之间、用户与算力资源之间的确定性连接。因此，确定性技术是算力网络的关键使能技术，也是算力网络发展必需的网络形态。
（1）算力网络的“确定性”挑战及愿景
算力网络通过改进设计网络架构和协议，打通互联分布式算力节点，统筹算网资源，灵活调度计算任务，实现网络和计算资源的协同优化和高效利用。实现这一目标需要大带宽、低时延、低抖动、高可靠的“确定性网络”为支撑，确定性的算力网将成为实现这一愿景的基础。
首先，需要克服网络实时性的挑战。目前互联网几乎没有实时性的能力，而在工业控制、能源、电力等领域，业务均对网络实时性提出了明确的确定性指标，如时延和抖动等。如果这些领域不能解决网络确定性问题，算力网将难以实现其目标。
第二，需要克服网络传输带宽的挑战。例如，FAST每天产生的数据约为2000多TB，散裂中子源每天产生的数据有600多TB。这么大量的数据需要每天与全球网络进行共享，而网络带宽的不确定性可能直接导致传输效率低下。因此，需要采用确定性细粒度的资源分配技术，实现网络资源的高效、可靠利用。
第三，算力成网方面也面临挑战。当前的算力网呈现出“烟囱化”的趋势，即相互独立、缺乏感知和调度，算力利用率低，使得使用算力的成本增加。因此，可以构建算网一体的统一资源抽象，实现算力资源+网络资源融合的端到端资源分配，实现高效、确定性的算力成网。
（2）确定性算力网络的应用实践
当前，确定性算力网络已成为学术界和产业界关注的重点。2023年4月，国家信息中心发布的《探索构建国家算力网体系着力打造中国式现代化数字新基座》报告中，明确提出以确定性网络技术打造中国式现代化数字新基座。作为未来网络试验设施(CENI)的运营单位，江苏未来网络集团在推动确定性算力网络发展、建设算力网络基础设施、参与全国算力网建设等方面发挥关键作用。
在算力网络建设方面，江苏未来网络集团持续发挥CENI网络资源优势，为国家战略级重大项目提供关键赋能。目前，已成功打造基于CENI的算网融合底座、自主可控信创网底座、产业互联网网络底座、科学网底座等硬核底座。其中，算网融合底座已成为CENI应用的重要路径之首，正推动算力基础设施高质量发展。
在面向“东数西算”战略工程方面，江苏未来网络集团计划基于CENI构建技术上国际领先、安全上自主可控、产业上协同创新的大通量“安全新总线”，部署东西部协同的算网调度中心，并打造相关应用示范，为“东数西算”各类市场主体提供差异化服务，推动东西部的互补、资源共享、协同创新和错位发展。此外，江苏未来网络集团在长三角、郑庆哈、乌大张、贵阳、湖北等地率先布局，包括为郑州市、贵州市、哈密市建设城市算力网，助力苏州市打造长三角算力调度中心，支撑湖北打造国家算力网络中部枢纽等，为全国重点省市算力网建设奠定坚实基础。
作为算力网络创新探索的先行者，江苏未来网络集团凭借确定性网络技术等未来网络关键技术优势，发挥确定性网络技术在面对复杂的实时性、带宽、算力成网等方面的技术优势，成为推动确定性算力网络发展应用的主要力量。江苏未来网络集团与国家信息中心、粤港澳大湾区大数据研究院、中国科学院计算技术研究所、合肥综合性国家科学中心数据空间研究院组建“131”协同创新联合体，可以科学整合、灵活调度各方算力资源，以满足政府治理、产业发展、社会民生等方面的确定性计算需求。目前，江苏未来网络集团已与庆阳市、中卫市、贵阳市、哈密市、乌兰察布市签署战略合作协议，共同打造立足当地、覆盖全省、辐射全国的确定性算力网络体系，打通当地省内经济社会发展信息“大动脉”，以及当地至全国各大枢纽节点的新型网络通道，实现算力资源集约有效调度，为数字中国构建坚实底座。
（本文由江苏未来网络集团供稿）