5G通訊功能強(qiáng)大，將顛覆網(wǎng)絡(luò)邊緣

現(xiàn)在我們都已熟悉5G所承諾達(dá)到的數(shù)據(jù)速率，峰值超過10Gbps。這通常被稱為增強(qiáng)型行動(dòng)寬帶(enhanced mobile broadband，eMBB)，而且包含常見的因特網(wǎng)服務(wù)如電子郵件、上網(wǎng)瀏覽和視訊串流等。但是5G還遠(yuǎn)不止這些，有線網(wǎng)絡(luò)也必須做出調(diào)整，以因應(yīng)日益增加的流量和低延遲需求。

5G包括大規(guī)模機(jī)器型通訊(massive machine type communication，mMTC);這類服務(wù)專注于遠(yuǎn)程感測裝置的有限帶寬接取，例如天然氣、供水和供電儀表等等。還有一種服務(wù)叫超可靠低延遲通訊(ultra reliable low latency communication，URLLC);URLLC可以提供對低延遲要求極高的新服務(wù)，比如遠(yuǎn)程手術(shù)、自動(dòng)駕駛、工廠自動(dòng)化和各種各樣的觸覺應(yīng)用。URLLC將會(huì)顛覆網(wǎng)絡(luò)邊緣，改變我們所熟悉的因特網(wǎng)服務(wù)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

要了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑷绾巫兓托枰私猬F(xiàn)今的因特網(wǎng)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了更清楚說明，圖1是美國因特網(wǎng)服務(wù)供貨商(ISP)提供的高階網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖1：Comcast因特網(wǎng)服務(wù)覆蓋區(qū)域的高階示意圖(來源：Comcast)

當(dāng)我們透過因特網(wǎng)觀看電影或收發(fā)電子郵件時(shí)，所接受的流量將被傳送到某個(gè)ISP，其處于某個(gè)被稱為因特網(wǎng)交換中心(IXP)的特定交換節(jié)點(diǎn)處。這些節(jié)點(diǎn)在圖1的Comcast地圖中是以白色鉆石來標(biāo)記，并提供了城市名稱。數(shù)據(jù)透過網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行路由，一直到達(dá)家庭或企業(yè);對于上傳的數(shù)據(jù)，則沿反方向路由，直到數(shù)據(jù)從IXP發(fā)送到目的地。

這種透過ISP網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的方式一直是網(wǎng)絡(luò)中立性爭論的焦點(diǎn);美國現(xiàn)已廢除了網(wǎng)絡(luò)中立性法規(guī)要求，無論是什么內(nèi)容、來源或應(yīng)用，ISP都要對流經(jīng)其網(wǎng)絡(luò)的流量一視同仁。這些法規(guī)不適用于連接至IXP的因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，例如Netflix或Apple TV等供貨商，或者在ISP之間提供長距離因特網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃ogent或Level 3等一級因特網(wǎng)提供商的專屬內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(luò)(content delivery networks，CDN)。本文無意涉及與美國網(wǎng)絡(luò)中立性法規(guī)相關(guān)的討論，只是為了說明ISP的標(biāo)準(zhǔn)模式是如此根深蒂固，深入至「最后一哩」數(shù)據(jù)交付。這種模式現(xiàn)在面臨被顛覆的危險(xiǎn)——5G URLLC和類似的有線服務(wù)可提供更好的低延遲服務(wù)。

低延遲vs.高帶寬

在評估視訊串流等高帶寬服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)，我們通常會(huì)想到用Mbps或Gbps來衡量網(wǎng)絡(luò)速度，這是測量帶寬的有用參數(shù)。視訊現(xiàn)已占據(jù)全球所有下載因特網(wǎng)流量的大部分。在高峰時(shí)段，Netflix和YouTube加起來可能占據(jù)美國所有網(wǎng)絡(luò)流量的一半以上。從某種意義上說，每天晚上美國的因特網(wǎng)都變成了覆蓋全國的有線電視系統(tǒng);這一事實(shí)促使ISP建立專為視訊流應(yīng)用優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)。

在這些應(yīng)用中，內(nèi)容傳遞延遲不是那么重要;這些應(yīng)用對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總延遲非常不敏感，只要它們可以緩沖端點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)、并且信道的總帶寬足夠就可以。一般來說，很少有人關(guān)心他們在Apple TV上下載的電影是否會(huì)有一、兩秒的延遲播放。其他服務(wù)也是如此，例如電子郵件、文件傳輸或數(shù)據(jù)備份等。

然而，有許多新的服務(wù)對延遲十分敏感。研究表明，對于觸覺回饋應(yīng)用──例如演奏樂器或進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)──的使用者來說，延遲需要減至約1毫秒，才能感覺是同步。對某些某些控制回路需要嚴(yán)格計(jì)時(shí)的工廠自動(dòng)化應(yīng)用來說也是如此，幾種應(yīng)用的大致延遲時(shí)間如圖2所示。

圖2：幾種延遲敏感型應(yīng)用的端對端延遲和可靠性要求(來源：Ericsson)

5G URLLC設(shè)計(jì)了一種編碼和排程(scheduling)協(xié)議，可確保用戶與5G基地臺(tái)之間的最大延遲小于1毫秒;它還能確保非?？煽康膫鬏?，但我們可能忽略此點(diǎn)而只專注于延遲。

無論5G URLLC空中鏈接的性能如何，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔旧矶际且粋€(gè)障礙。參考Comcast的地圖可以看出IXP節(jié)點(diǎn)之間的距離很遠(yuǎn);筆者家住在美國科羅拉多州西北部的一個(gè)山城，大約在丹佛(Denver)和鹽湖城(Salt Lake City)中間。距離本身受光速限制，這就是一個(gè)障礙;光在光纖中的傳輸?shù)乃俣却蠹s是其自由空間速度的2/3，即大約200,000km/s?？紤]1毫秒的端對端延遲要求，這相當(dāng)于往返200公里(約120英哩);這會(huì)使IXP單程服務(wù)區(qū)域降低到60英哩。

這還沒有考慮多個(gè)交換機(jī)和路由器引導(dǎo)流量通過網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)所引起的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備延遲，而且這也不容忽視，在某個(gè)地方還必須有應(yīng)用服務(wù)器?？偠灾?，這迫使整個(gè)應(yīng)用要盡可能靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣。從IXP到用戶，通過ISP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)模式受到顛覆，需要一種能夠?qū)⒖蛻舳嗽O(shè)備嵌入網(wǎng)絡(luò)邊緣的新模式。

其他因素

5G URLLC和類似的低延遲傳遞服務(wù)并非顛覆網(wǎng)絡(luò)邊緣的唯一因素，最早的5G應(yīng)用之一是固定無線接取(fixed wireless access)，即以無線的方式將因特網(wǎng)服務(wù)提供給家庭。美國電信業(yè)者Verizon已宣布為沙加緬度(Sacramento)、休斯敦(Houston)、印第安納波利斯(Indianapolis)和洛杉磯(Los Angeles)等城市布署此類網(wǎng)絡(luò)。這項(xiàng)服務(wù)是DSL或有線電視服務(wù)的直接競爭對手，挑戰(zhàn)了美國許多地方實(shí)際上的雙頭壟斷情勢;競爭加劇將改變網(wǎng)絡(luò)供貨商、消費(fèi)者和政府主管機(jī)關(guān)對網(wǎng)絡(luò)的看法。

標(biāo)準(zhǔn)模式的展開從來都不單純。Comcast由于將自己的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建進(jìn)局域網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該被視為美國的一級供貨商，以及ISP，該公司并因此獲得了與其他一級供貨商的免費(fèi)互通(settlement-free peering)，從而降低了其因特網(wǎng)接取成本。

在1990年代誕生的因特網(wǎng)徹底改變了長途通訊，而網(wǎng)絡(luò)邊緣雖然速度越來越快，卻仍保持著相同的拓?fù)浜凸δ?。由?G和低延遲應(yīng)用的沖擊，這個(gè)邊緣也將很快被顛覆。