劉韻潔院士：新型網絡產業發展戰略研究

作者：汪碩、吳芃、盧華、黃韜、張繼棟、劉韻潔

新型網絡產業作爲兼具創新引領性、交叉融合性的前沿領域，對推動我國新一代信息技術創新與應用、促進工業化和信息化融合發展具有重大價值，也是搶佔新興產業制高點和經濟增長點的有力手段。

中國工程院劉韻潔院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第2期撰文，研判了新型網絡技術的發展需求，針對多類應用場景闡述解決方案，凸顯產業化價值；詳細梳理了國內外新型網絡產業的宏觀發展態勢、技術應用現狀。在凝練我國新型網絡產業發展思路的基礎上，研判相關產業發展的重點方向，據此提出短期、中期、長期3個階段中各細分方向的具體發展目標。文章研究表明，制定新型網絡產業戰略規劃體系、加強前沿基礎理論創新研究，是我國新型網絡產業的發展亟需；新型網絡架構與基礎理論、超低時延/確定性時延網絡、網絡操作系統、雲網融合、可編程網絡是重點技術方向。

一、前言

互聯網從最初的單一軍用網絡普及到軍用、民用、商用等諸多方面，成爲與經濟社會高度相關的信息基礎設施，對社會生產力發展影響重大，而網絡技術和應用的迅猛發展加速了互聯網新一輪變革。綜合採用新的網絡系統架構、新的網絡安全技術和手段，既能在短期內滿足新業務市場需求，又能着眼長期、全面解決我國互聯網架構管理體系存在的一系列問題。

互聯網在飛速普及的同時，面臨着多方面挑戰：安全與可信性、網絡可規劃與性能可預期、大連接下的感知與管控、泛在移動性等。全息技術、工業智能控制等新型應用明顯有別於傳統網絡，也對未來網絡提出了帶寬、時延、抖動等方面的性能需求。傳統的傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）網絡設計旨在進行高效的數據傳輸，提供“盡力而爲”的服務，可能帶來難以預料的時間延遲和抖動，無法保證服務質量要求（如吞吐量和傳送時延）。

未來網絡的核心在於：對異構技術融合的支持，大規模的可拓展性，高效的網絡基礎體系結構。面向工業互聯網、天地一體化網絡等新型重大需求，探索前沿網絡基礎理論，攻克高帶寬通量、超低時延、大連接規模等網絡前沿技術和方案。未來網絡應革新當前TCP/IP網絡運作方式，提出並應用各種新型網絡體系架構，同時納入低時延與確定性網絡、雲邊協同計算網絡、人工智能（AI）網絡等前沿關鍵技術；有望支持數量爲萬億個級別的安全連接和服務，實現人、機、物的全時空互聯。經過多年發展，未來網絡產業目前已形成了較爲成熟的生態環境，運營商、設備商、互聯網公司等多方面力量結合，在競爭中互相促進，共同推動未來網絡產業的發展和應用，不斷推動產品和服務的全球化。未來網絡產業作爲戰略新興產業的重點發展方向之一，將對全球智能製造、天地一體化網絡、物聯網等產業領域構成重大影響。

製造強國、網絡強國是我國重點推進的工作。新型網絡技術作爲網絡強國的基石，其戰略價值尤爲突出。全球未來網絡產業在競爭與合作中快速成長，掀起新一輪產業浪潮，各國在未來網絡產業發展上均有着不同規模的投入和成果。我國應把握歷史性發展機遇，加速推進新型網絡產業發展，全面部署新型網絡技術與產業的融合應用研究。本文圍繞新型網絡產業發展問題，提煉戰略需求，梳理髮展現狀，論述重點方向，闡明階段目標，並提出對策建議，以期爲我國新型網絡技術與產業研究提供理論參考。

二、新型網絡產業發展的需求分析

（一）消費型互聯網

消費互聯網是爲滿足消費者在互聯網上的消費需求（如閱讀、出行、娛樂、生活）而產生的網絡類型，可提供更加便捷的消費體驗；與網絡和數字技術密不可分，通過信息化、數字化手段來支持居民消費需求，甚至促成消費習慣的變化。消費互聯網的發展依賴於未來網絡技術的深度應用，與AI、區塊鏈、大數據、第五代移動通信（5G）技術深入融合。這一過程可驅動商業場景的數字化變革，有助於實施供給側結構性改革，優化供需之間的連接方式，爲消費升級提供底層保障。

消費型互聯網主要面向終端用戶提供聲音、數據、視頻等多種網絡服務與應用。數據、視頻等內容規模持續增長，對網絡帶寬的需求越來越大；特別是虛擬現實/增強現實（AR/VR）、直播點播、4K/8K高清視頻等業務出現後，用戶的良好體驗取決於網絡能夠提供的數據容量。例如，4K/8K高清視頻是未來網絡中的重要業務之一，單一用戶收看普通4K視頻需要20 Mbps帶寬，而收看極致 4K視頻需要100 Mbps帶寬、收看8K視頻需要800 Mbps帶寬。中國寬帶發展聯盟的寬帶測速報告顯示，在2019年第三季度，我國固定寬帶網絡平均下載速率僅爲37.69 Mbit/s，還遠達不到極致4K視頻、8K視頻的普及要求。

由此可見，需要進一步優化和提升已有通信網絡，同時建設具有超高速帶寬的新型數據通信網絡，匹配網絡流量急劇提升的應用趨勢，支持未來消費型互聯網增強沉浸式交互體驗對大帶寬的需求；探索利用軟件定義廣域網、邊緣計算等技術，減少跨網流量，提升網絡帶寬資源的整體利用率。

（二）生產型互聯網

生產型互聯網是支撐建造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業雲網，主要面向製造業數字化、網絡化、智能化的需求，構建基於海量數據收集、匯聚、分析的服務體系。

生產型互聯網的核心是基於全面互聯形成以數據爲驅動的智能技術，以網絡、數據、安全作爲工業生產和互聯網的共性基礎與支撐，支持實現企業全要素、各環節的泛在深度互聯。近年來，全球產業競爭的格局出現了明顯變化，使得我國產業發展面臨新的重大挑戰，如信息通信技術、能源、材料等。工業系統互聯、數據傳輸交換的基礎是網絡，涉及網絡聯接、標識解析、邊緣計算等關鍵技術。

在網絡與實體經濟深度融合的背景下，生產型互聯網應針對低時延、確定性時延、網絡安全、網絡業務定製、萬億級連接規模等多方面的工業應用需求，採用軟件定義網絡、邊緣計算、網絡AI等新的技術架構來解決網絡挑戰。

未來網絡技術爲工業互聯網發展賦能：軟件定義網絡提高工業互聯網的網絡集中管控能力，支持網絡資源調度的智能化和差異化；邊緣計算解決工業互聯網安全與實時控制等問題；網絡AI增強工業系統診斷、預測、決策、控制等智能化功能。生產型互聯網還較多涉及：基於時間敏感網絡的信息技術/運營技術（IT/OT）融合系統、基於邊緣計算的工廠內集成應用系統、工業適配的低功耗廣域網、工業互聯網標識服務體系、異構標識的多根互聯技術、開放環境下的可信解析技術、工廠外部的協議轉換技術、車間內部的靈活組網技術等。

（三）5G與物聯網/車聯網

隨着汽車無人駕駛、工業自動化、物聯網的出現，通信的主體開始從人與人轉向人與物，甚至機器與機器。未來將是人、流程、數據、事物連接更加緊密的萬物互聯時代，新型網絡技術將在其中扮演重要的角色。

根據無線網絡的需求，5G應用主要分爲三類：增強移動寬帶（eMBB）、超可靠和低延遲通信（URLLC）、海量機器類通信（mMTC）。

①在eMBB場景下，需要5G網絡來支持極高速率的數據傳輸；國際電信聯盟的5G性能指標顯示，5G的下行和上行峰值數據速率分別爲20 Gbps、 10 Gbps。

②在URLLC場景下，對5G網絡的延遲和可靠性提出較高要求；在車輛對外界的信息交換（V2X）通信等低延遲的應用方面，5G網絡預計支持小於1 ms的接入網延遲、小於10 ms的端到端延遲；國際電信聯盟（ITU）建議5G網絡的可靠性要大於99%，對於特定的部署場景和用例甚至要接近99.999%。

③在mMTC場景下，5G網絡的連接能力支持智能家居、智慧城市等各垂直行業的深度融合；對於在智能城市、工業物聯網等行業應用，連接到網絡的設備數量很高，ITU建議5G網絡的設備連接能力爲1×104 ~1×106 臺/km。

（四）天地一體化網絡

未來網絡應對新型信息服務需求，需要天、地、空等多維信息的綜合。天地一體化網絡對於構建全方位、全天候的全球信息網絡具有重大意義，可有效提高通信容量，增強通信的時效性、可靠性、魯棒性。天地一體化網絡將不同軌道、多種類型衛星，臨近空間平臺，地面應用終端等，按照空間信息資源的最大有效綜合利用原則進行互通互聯，構成系統優化、功能完備的智能化體系，形成能與海、陸、空基信息系統融合的信息獲取、傳輸、綜合應用的網絡。

天地一體化網絡可在以下方面積極探索示範應用：公共安全、應急救災、搶險救援、聯合作戰、交通物流、航空管理、海洋維權、智慧城市等，以此拓展新興信息服務業態，帶動信息產業化發展和轉型。天地一體化網絡發展也涉及多項關鍵技術：體系結構設計與優化技術、星座設計與優化技術、網絡協議設計與優化技術、網絡資源虛擬化及按需組網技術、網絡可靠信息傳輸技術、網絡安全防護技術、網絡運維管理技術、高併發差異化用戶接入控制技術、仿真驗證及評估技術等。

三、新型網絡產業發展態勢

（一）國外新型網絡產業的發展現狀

近年來，發達國家針對新型網絡建設的重點方向，制定發展規劃、推行專項政策、加大資源投入，支持學術界和工業界對網絡架構、核心技術的深入研究，力求提前佈局並主導長期發展。

在國家信息基礎網絡研究方面，美國主要由國家科學基金會、國防部高級研究計劃局提供項目資助，代表性項目是適用於各種新型網絡試驗的綜合網絡環境計劃（GENI），開發新型網絡體系結構的命名數據網絡（NDN）。

歐洲在新型網絡方面的研發佈局主要由第七框架計劃（FP7）進行資助，旨在發展以信息爲中心的全新架構，涉及未來網絡的多個細分方向，代表性項目有發佈–訂閱模式互聯網路由範式（PSIRP）、發佈–訂閱模式互聯網技術（PURSUIT）。此外，歐盟實施了政府和社會資本合作（PPP）類項目，用於補充開展新型網絡技術應用方面的有效性驗證。

日本國家信息與通信研究院（NICT）早在2006年就提出了研究新型網絡體系架構的未來互聯網研究計劃（AKARI）。2010年，NICT聯合工業界和學術界，整合多個相關研究項目形成了新一代網絡研發項目，提升對未來網絡研究的覆蓋性，重點關注未來新型網絡的核心技術。

（二）我國新型網絡產業的發展現狀

通信產業是我國發展優先級較高的戰略性產業，國家出臺了多項政策，力求加強產業統籌規劃，引導產業健康發展。《中國製造2025》《國家信息化發展戰略綱要》要求，全面推動核心信息通信設備體系化發展與規模化應用，加強信息資源的規劃、建設、管理。

近年來，我國通信業進入快速發展的新階段，研發投入水平持續提高，研究隊伍與創新能力不斷增強。通信產業發展對通信基礎服務設施提出了更高要求，通信基礎服務設施的先進程度決定了通信服務的基礎質量和能力。衛星通信、光纖通信、5G、多感同步、AR/VR等新興技術拓展了應用場景，也爲通信服務業創新發展提供了動力源。通信業的發展與製造業轉型升級、智慧城市建設、區塊鏈等前沿方向進行融合演變，催生更多綜合性的新應用；成爲產業人才、資金、技術等要素匯聚的重要領域，同時驅動通信行業的持續性創新發展。

（三）新型網絡產業的細分方向進展

1. 新型架構相關標準體系

以ITU、國際互聯網工程任務組（IETF）、中國通信標準化協會（CCSA）爲代表的標準組織，推出的標準因其架構科學性、內容先進性、需求預知性、市場適應性而獲得行業廣泛認可。隨着新型網絡技術的突破、產業運用的發展，這些標準組織在新型網絡架構領域技術標準方面既競爭又合作，爲推動新型架構的應用與發展提供了必要條件。

ITU電信標準組織（ITU-T）的下一代網絡研究組SG13，2012年首先開展軟件定義網絡（SDN）與電信網絡結合的標準研究，先後完成系列化的SDN需求與協議標準化工作；SG15、SG20等研究組在物聯網、5G承載網等方向發佈了多項成果；網絡2030焦點組（FG-NET-2030）在2018年成立，重點研究2030年以後的網絡體系架構、需求、應用、能力。

IETF作爲全球互聯網技術標準組織，當前與SDN相關的研究項目/工作組有6個；成立信息中心網絡研究組（ICNRG），將正在進行的信息中心網絡（ICN）研究與整個互聯網發展相關的解決方案結合，旨在提高網絡的傳輸效率，增強網絡的可擴展性和通信方案的穩健性；在SDN/網絡功能虛擬化（NFV）方面，發佈了RFC8430、RFC8431等新標準。

CCSA是負責制定我國通信行業標準的主要組織，成立了以SDN爲核心的未來數據網絡（FDN）、軟件化智能型通信網絡（SVN）等工作組，近年來在SDN/NFV標準方面立項了多個研究項目。2020年1月，CCSA發佈了我國首批14項5G標準，完成併發布《5G網絡下的雲化虛擬現實平臺技術白皮書》《工業互聯網標識解析標準化白皮書》《雲化增強現實關鍵場景及技術白皮書》，提供了關鍵的標準化建議，支持了我國電信網絡的高效發展。

2. 網絡設備產業

傳統網絡結構僵化、功能單一、靈活性差，難以滿足新興業務的網絡信息需求。SDN、NFV等概念的提出，顯著增強網絡靈活性、可控性，獲得廣泛關注。智慧醫療、智慧農業、智能駕駛、工業互聯網、智能家居等新應用、新場景的出現，進一步拓寬了市場對新型網絡設備的需求。網絡設備紛紛向白盒化演進。與傳統交換機不同，白盒交換機採用更加開放的架構來實現對傳統交換的硬件/軟件解耦，使得網絡設備更加通用化，易於保持網絡的開放靈活，加之具備可編程能力，有效降低綜合運行成本。

3. 網絡操作系統產業

國際數據公司研究認爲，到2022年，超過70%的企業將部署統一的混合/多雲管理技術、工具、流程。信息技術（IT）組織正在致力發展多雲架構，一般至少採用兩家或以上的雲服務平臺；由於多雲互聯場景中的關鍵技術問題未能解決，絕大多數企業在實際部署中仍然較多采購單一的雲平臺服務。目前，多個異構雲之間的互通能力不佳，用戶在使用雲的同時面臨嚴重的供應商鎖定問題。

4. 網絡試驗設施產業

網絡發展需要大規模、真實的試驗環境，用於支持創新架構和技術的測試驗證。我國建設了未來網絡試驗設施（CENI）、長三角區域一體化網絡、大灣區未來網絡試驗與應用環境，將 SDN/NFV等技術運用於未來網絡實驗設施。發達國家和地區也在開展國家級網絡創新試驗環境建設，如綜合網絡環境計劃 GENI（美國）、未來的互聯網研究與實驗 FIRE（歐盟）、千兆網絡 JGN-X（日本）、科研環境開放網絡 KREONET-S（韓國）。

5. 重點應用場景與生態

以SDN爲代表的未來網絡技術不斷成熟，已經進入小規模試驗驗證階段。未來網絡將探索移動回傳網、移動核心網、骨幹網、大規模數據中心等運營商網絡的大規模商用部署。通過融合SDN/NFV/雲等新型網絡重構技術，實現網絡設備IT化、網絡轉發層與控制層分離，強化大數據應用，構建全局按需調度資源、網絡能力完全開放的運營一體化網絡。

四、我國新型網絡產業的發展重點

發展新型網絡技術與產業，對加快我國新型產業發展、提高創新發展的長期動力、形成國際競爭新優勢，具有重大戰略意義。發展工業互聯網、物聯網、消費型互聯網，全面拓寬網絡功能與服務領域，體現智能化、泛用化、精細化；提高網絡資源的整體利用率，推動網絡產業發展壯大。

我國網絡基礎設施完備，網絡相關產業鏈完善，基礎科研能力較強；重點發展天地一體化網絡、消費型互聯網、工業互聯網、物聯網、5G移動通信等新應用方向，突破衛星通信、光纖通信、SDN、AI、確定性網絡等技術並實施產業推進。以產業推進帶動技術發展，以技術突破反哺產業推進，最終實現網絡結構轉型，由簡單鏈接型網絡向智慧功能型網絡演進。

關於我國未來網絡產業的戰略佈局，應從網絡、通信、安全三方面着手，分類實施技術攻關和應用推廣；重點構建服務定製網絡（SCN）平臺及應用、人–機–物互聯的全域全頻譜無線移動通信、網絡通信內生安全平臺及應用。

在未來網絡方面，應對工業互聯網、天地一體化網絡、軍民功能結合網絡等重要需求，探索未來網絡的基礎理論與關鍵技術，加快部署具有國際影響力的創新型示範應用，支撐製造強國、網絡強國建設。

在未來新型通信方面，針對5G、第六代移動通信（6G）發展需求，攻克5G毫米波核心芯片與器件關鍵技術，適度超前開展6G研究；突破天地融合大規模無線傳輸技術、太赫茲與可見光通信技術，融合智能通信與大數據，構建世界一流的移動通信綜合試驗平臺。

在網絡安全方面，面向防禦未知威脅能力的重大需求，發展具有主動免疫能力的網絡空間創新防禦技術，探索和發展網絡空間安全的顛覆性技術；引領世界網絡空間安全發展潮流，如5G網絡安全、管控系統安全、架構內生安全等。

五、我國新型網絡產業的發展目標

我國新型網絡產業的健康發展，着眼於網絡結構轉型優化、網絡性能與服務質量穩步上升、行業創新能力不斷增強、“互聯網+”和工業互聯網等概念落地應用，實現網絡基礎設施發展均衡、網絡行業創新能力強大、面向公衆提供智慧服務的長遠目標。把握未來10~15年的發展機遇期，基於SDN/NFV等技術實施網絡全面雲化、網絡結構轉型，科學穩妥地向下一代網絡演進，全面提高網絡性能。

（一）2025年發展目標

在天地一體化網絡方面，按照“天基組網、地網跨代、天地互聯”思路，覆蓋太空、空中、陸地、海洋，爲天基、陸基、海基各類用戶活動提供信息保障；計劃發射批次衛星來組成星座網絡，規模化地建設地面基站，促成科技成果的有效應用。

在工業互聯網方面，打造3個以上的行業標識服務二級節點，培育一批獨立經營的企業級平臺，打造工業互聯網平臺試驗和公共服務體系，推動“企業上雲”；完善工業互聯網體系頂層設計，升級建設企業外網絡，改造建設企業內網絡，完善工業互聯網的互聯網協議第6版（IPv6）應用部署；推進連接中小企業的專線提速降費工作，按需保障工業互聯網領域的無線電頻譜等關鍵資源；組建必要的行業研究機構，承擔地區工業互聯網標識解析的管理職能。

在物聯網方面，行業應用標準、關鍵技術標準基本具備並逐步完善，物聯網各環節的標準化體系逐步形成；利用產業規模的放大效應，促成傳感感知等關鍵環節技術創新活躍度提升。

在5G方面，全面佈局5G網絡建設、創新應用、產業發展，實現全國城鎮的5G網絡覆蓋，儘快實現農村與城市“同網同速”，同時大幅降低研發管理成本；推進5G與VR、工業互聯網、車聯網、智慧城市、智慧農業、智慧醫療的融合應用；深入實施產業跨越發展舉措，如加速佈局5G基礎產業、加快數字經濟發展、打造5G產業方陣、匯聚5G產業創新能力。

（二）2035年發展目標

在天地一體化網絡方面，深化參與各方在新一代信息技術、高層次人才等方面的交流合作，推動新一代信息技術與實體經濟的深度融合，合力打造數字經濟發展新模式；積極引導參與企業深度合作，共同推動天地一體化重大項目的運行發展；拓展網絡空間，推動衛星通信技術進步，實現與移動通信網、地面互聯網的互聯融合。

在工業互聯網方面，研製工業互聯網核心技術和產品，推動邊緣計算、深度學習、AR/VR、區塊鏈等在工業互聯網的應用，構建具有自主知識產權的技術體系，批量發佈和應用工業互聯網先進硬件產品；提升大型企業的工業互聯網創新與應用水平，實施底層網絡化、智能化改造，建設互聯工廠、全透明數字車間，形成智能化生產、網絡化協同、個性化定製、服務化延伸等應用模式。

在 6G 通信方面，作爲概念性的無線網絡移動通信技術，應支撐未來的信息社會需要，實現其“一念天地，萬物隨心”的發展願景；朝着低空空間衛星通信方向發展，引入空、天、地、海一體化網絡，採用統一的標準協議架構和技術體系。着力突破並探索應用太赫茲技術、設備與網絡安全等。

在面向2035的未來網絡方面，超前佈局未來網絡相關產業，關注完全向後兼容的新理念、新架構、新協議、新方案，以支持現有應用和新應用爲基準目標發展新型網絡技術；發揮未來網絡與通信產業所具有的發展引導作用，保持我國網絡相關產業與技術研究的前沿優勢地位。

六、新型網絡產業發展建議

網絡與通信行業飛速發展，需要科學論證和實施我國未來新型網絡產業戰略規劃，制定完善的政策和法規，發揮好政府機構的產業發展引導與調控作用；營造良好的市場環境，優化技術、資金、人才等發展要素配置，加快重大項目實施，推進產業應用。

在全球競爭趨於激烈的背景下，提高新型網絡技術與產業體系自主創新能力是未來工作的重中之重。建議加強新興網絡技術前沿基礎理論與應用研究，根本性扭轉我國產業核心技術受制於人的局面，促進技術研發與產業應用的融合。

新型網絡產業的重點技術方向如下。

一是新型網絡架構與基礎理論技術。着重研究開放、靈活、通用的新型網絡架構，推動“以網絡資源爲中心”向“以應用服務爲中心”轉變；支持算力、數據、內容等各類服務資源的智能動態分佈、按需連接協同，構建基於全新網絡架構的未來網絡基礎設施。關聯性要素有：ICN、可表述網絡、移動有線網絡、服務定製網絡、全維可定義網絡、地址驅動網絡、意圖網絡、網絡5.0、確定性網絡、可編程網絡、區塊鏈網絡、算力網絡等。

二是超低時延/確定性時延網絡技術。着重研究軟件定義的確定性網絡架構、確定性骨幹網絡操作系統，基於集中式控制器的網絡流量優化調度機制及策略。具體包括：支持骨幹網端到端帶寬、時延、時延抖動的快速感知技術，支持骨幹級別的確定性路徑算法和流量調優，具備端到端有界時延抖動保障能力的調度算法。

三是網絡操作系統技術。着重發展網絡資源融合、網絡可編程、面向業務應用層提供網絡服務等能力，構建統一的智能管控平臺。通過精細化管理、縱向跨層智能調度、高度智能化網絡運維控制，實現網絡資源高效管理，構建具有按需服務能力的網絡開放核心系統。

四是雲網融合技術。着重研究面向“多系統、多場景、多業務”、體現“企業上雲”需求的雲計算技術部署信息系統。明晰各類雲服務需求，建設適應按需開放網絡需求的承載網絡。通過網絡與雲的敏捷打通、按需互聯，形成體現智能化、自服務、高速靈活等特性的雲網融合技術體系。

五是可編程網絡技術。着重研究軟件定義網絡、可編程芯片、可編程智能網卡和可編程語言、軟件模塊化網絡功能相關技術，簡化信息轉化流程。建立編程控制數據包的高效解析和轉發模式，支持網絡及設備“自上而下”向用戶開放可編程功能，形成數據轉發平面的可編程能力。

中國工程院院刊授權轉載

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