1.1 向自智網絡進化的IP承載網

IP承載網、無線/有線接入網和光傳送網是網絡架構中具有不同功能、扮演不同角色的3個關鍵組成部分，它們在技術特征、應用場景和設計目標上有明顯的區別，但又相互協作，共同構建了現代通信網絡的基礎。無線接入網以Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線保真）、4G/5G等無線通信和連接技術為基礎，主要用于移動通信和無線互聯網接入；有線接入網通過傳統的撥號接入、以太網接入、寬帶接入等方式連接用戶和互聯網；光傳送網以光纖通信技術為基礎，提供極高帶寬、遠距離傳輸的數據傳輸服務；IP承載網作為承載IP的網絡層，負責在網絡之間傳輸數據，以IGP（Interior Gateway Protocol，內部網關協議）/BGP（Border Gateway Protocol，邊界網關協議）/MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多協議標記交換）等網絡互聯協議為基礎，使用路由器、交換機和其他網絡設備來管理數據傳輸。相對于無線接入網和光傳送網，IP承載網具有高度的靈活性和可擴展性，能夠適應不斷變化的業務需求，但也帶來網絡擁塞、時延和安全威脅等挑戰。

IP承載網的發展經歷了從簡單的連通性網絡到高度復雜的智能化網絡系統的過程。隨著技術的不斷演進和網絡需求的多樣化，IP網絡基礎設施和運營方式也在持續進化。

1.早期階段：基礎連通性網絡（20世紀60年代末—20世紀90年代）

在IP承載網的發展歷程中，早期階段的核心在于保證基礎的連通性網絡，這一時期的關鍵進展奠定了互聯網的基礎。可以從以下3個維度來看待這一階段的演進。

（1）ARPANET和TCP/IP：互聯網的起源

互聯網的起源可以追溯到20世紀60年代末，最初的網絡項目ARPANET（Advanced Research Projects Agency Network，高級研究規劃局網絡）是由DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency，美國國防高級研究計劃局）資助的，旨在研究分布式網絡技術。ARPANET的目標是通過分散的網絡結構，實現可靠的通信。它于1969年首次在美國西海岸的4個節點之間建立了網絡連接，使用了分組交換技術，以確保即使某些節點失效，網絡仍然可以繼續運作。

20世紀70年代，TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）/IP逐漸發展起來，成為ARPANET的核心通信協議。TCP/IP的關鍵理念是將數據分成小包，進行獨立傳輸，然后在目標節點重新組裝。這種靈活的方式使得網絡的可靠性和容錯能力得以提升。TCP/IP為后來的互聯網協議奠定了基礎，成為全球網絡通信的通用標準。

到1980年，世界上既有使用TCP/IP的美國軍方的ARPANET，也有很多使用其他通信協議的各種網絡。為了將這些網絡連接起來，NSFNET（National Science Foundation Network，美國國家科學基金會網絡）逐步建立和運營起來，通過在每個網絡內部使用網絡自己的通信協議，在和其他網絡通信時使用TCP/IP的方式，NSFNET把多個網絡互聯起來，這確立了TCP/IP在網絡互聯方面的地位。到了20世紀90年代，隨著瀏覽器技術的出現，WWW（World Wide Web，萬維網）時代也拉開了帷幕。

（2）網絡設備和基礎設施：報文轉發

在IP承載網中，負責處理IP報文轉發的網絡設備是整個網絡的核心。早期的局域網僅使用網卡、集線器、交換機和網橋等設備，這些設備主要在物理層和數據鏈路層進行報文轉發。1986年，思科公司推出了一款名為AGS（Access Gateway Server，接入網關服務器）的多協議路由器，首次實現了不同協議的計算機網絡之間的數據傳輸。這一創新使原來不兼容的計算機網絡能夠通過路由器相互連接。

早期的路由器連接能力有限，能處理的業務量較小，因此對數據處理能力的要求并不高。隨著技術的發展，路由器在網絡基礎設施中的地位逐漸上升，為更復雜的網絡提供更高的性能和靈活性。

（3）路由協議的演進：控制網絡通信

隨著ARPANET和互聯網的擴展，網絡間的路由和數據傳輸變得越來越復雜。為了確保數據能夠正確地從一個節點到達另一個節點，路由協議的演進至關重要。早期的路由協議主要是IGP，用于管理內部網絡的路由。

其中，RIP（Routing Information Protocol，路由信息協議）是早期使用的主要協議之一。RIP通過每隔一定時間向網絡中的其他路由器廣播路由表，確保網絡的路由信息更新。隨著網絡規模的擴大，現在被廣泛使用的IS-IS（Intermediate System to Intermediate System，中間系統到中間系統）路由協議和OSPF（Open Shortest Path First，開放最短通路優先協議），也在20世紀80年代末誕生，更好地實現在復雜網絡環境下的路由快速收斂以及避免路由環路。這些路由協議的演進，為網絡的穩定和連通性提供了關鍵支持。

（4）網絡結構的演進：從局域網到廣域網

早期階段的網絡結構主要集中在局域網。局域網是指在較小范圍內部（例如校園或企業內部）建立的網絡。最初的局域網使用不同的連接方式，如同軸電纜直連和環形拓撲。

20世紀70年代末，以太網的出現改變了局域網的構造方式。它基于共享介質的網絡架構，允許多個設備通過廣播方式通信。以太網的主要特點是提供了一種簡單、可靠且可擴展的連接方式。隨著技術的發展，以太網技術逐漸取代了其他局域網技術，成為組網的主流技術。

在局域網基礎上，城域網和骨干網的概念逐漸形成。城域網是指在城市范圍內連接多個局域網的網絡，而骨干網則是負責在更大范圍內傳輸數據的網絡。這些網絡結構的演進，從局域網到城域網，再到骨干網，為互聯網的擴展和全球連接提供了堅實的基礎。

2.快速發展階段：高速綜合承載網成熟（20世紀90年代—21世紀10年代）

從20世紀90年代到21世紀10年代，IP承載網進入了快速發展的階段，逐步成長為現代社會通信的核心基礎設施之一。

（1）萬物互聯業務的發展

在20世紀90年代，互聯網開始從學術和研究環境走向大眾市場。ISP（Internet Service Provider，互聯網服務提供商）的出現，使得家庭和企業用戶能夠方便地接入互聯網。這一時期，電子郵件、萬維網和文件傳輸等業務迅速發展，互聯網的用戶數量呈指數級增長。人們開始通過互聯網進行電子商務、社交互動和在線娛樂等，這使得網絡流量大幅增加，推動了IP承載網的發展。

萬物互聯的概念在這一時期開始迅速發展，隨著互聯網技術的普及，更多的設備和系統連接到網絡。企業和工業領域開始引入網絡化的設備，形成了早期的IoT（Internet of Things，物聯網）。這些變化帶來了新的網絡需求，需要網絡支持大量設備同時連接，并且確保數據傳輸的可靠性。

（2）網絡設備和基礎設施的發展

隨著互聯網技術的不斷發展，網絡設備的需求也愈加復雜。報文處理不再只是簡單的轉發，還需要支持QoS（Quality of Service，服務質量）、路由查找，以及二層幀頭的剝離和添加等復雜操作。受限于處理器性能不足，早期路由器的查表轉發能力無法滿足日益增長的網絡業務需求，因此ATM（Asynchronous Transfer Mode，異步傳輸方式）交換機曾一度成為互聯網中的核心設備，取代了傳統路由器在IP承載網中的地位。

到20世紀90年代末，互聯網流量逐年成倍增長，路由器的性能得到顯著提升，重新奪回了被ATM搶占的市場。千兆位/秒級別的路由交換機開始普及，逐漸形成了從接入層到匯聚層再到骨干層的多級路由設備體系。這一體系在當今網絡中仍然被廣泛采用。

在轉發技術方面，ASIC（Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路）技術成為制造硬件轉發芯片的核心技術。ASIC芯片內含多個硬件表格和查找引擎，能夠迅速檢索路由表等關鍵信息，大幅提高數據轉發速度。繼ASIC之后，NP（Network Processor，網絡處理機）實現了更高的靈活性。網絡處理機具備可編程能力，由多個微處理器和硬件協處理器組成，支持并行處理。這一架構允許路由器通過軟件控制處理流程，能夠靈活應對流量調度、QoS、擁塞控制，以及路由表查找等復雜操作，顯著提升了路由器的性能。

路由設備的架構也經歷了從轉發與控制功能由單一板卡完成的集中式架構，到轉發與控制功能分別由獨立的轉發板和主控板完成的分布式架構，再到由多個節點協同完成轉發與控制功能的多框集群架構等多種形式。這些架構變化使得路由設備能夠支持多種業務和百吉比特級別的數據路由與交換能力，為現代互聯網的高速發展提供了堅實基礎。

（3）路由協議的發展

從20世紀90年代開始，路由協議的發展伴隨著互聯網的不斷擴展和網絡需求的變化，為現代互聯網提供了堅實的基礎，確保網絡的可擴展性、可靠性和靈活性。

萬物互聯的重要協議——BGP不斷豐富和成熟，成為自治域間建立通信連接的核心協議，把全世界的獨立子網連接了起來。隨著以IS-IS和OSPF為代表的動態IGP的成熟和完善，解決了自治域內復雜網絡拓撲下網絡擴展性和收斂速度方面的問題。MPLS技術的發展增強了網絡可擴展性，并提升了流量工程能力。MPLS允許數據包攜帶標簽，路由器可以根據標簽進行快速的路由選擇。這種機制提高了網絡的傳輸效率，減少了傳統路由協議的開銷。此外，以IGMP（Internet Group Management Protocol，互聯網組管理協議）和PIM（Protocol Independent Multicast，協議無關多播）為代表的組播協議也在這個階段被廣泛應用。組播是一種同時向多個目標發送數據的方式，特別適用于需要廣播或分發數據的應用，如網絡電視、在線教育等。

IPv6作為下一代互聯網協議，也在1994年開始被提出和發展起來，IPv6不僅解決了IPv4（Internet Protocol version 4，第4版互聯網協議）地址耗盡的問題，還簡化了地址配置，提高了路由效率和可擴展性，同時可以更有效地處理移動性和安全機制。IPv6的出現，為互聯網的進一步擴展奠定了基礎。

（4）網絡可靠性和質量的發展

隨著互聯網的廣泛應用，用戶對網絡服務質量的要求不斷提高。以IntServ（Integrated Service，綜合服務）體系和DiffServ（Differentiated Service，區分服務）體系為代表的一系列QoS技術快速發展，從數據面的IP流的分類、計量和標記，緩存管理，隊列調度，擁塞控制等，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，服務等級協定）建模、SLA接納控制、SLA業務配置和SLA一致性監測與控制，QoS允許網絡根據不同業務的優先級分配帶寬，確保關鍵業務在高流量情況下能夠正常運行。

與此同時，為了提高網絡的可靠性，網絡運營商開始引入冗余和備份機制。雙路由器、多鏈路和備份線路等技術，使得網絡即使在某些部分出現故障的情況下，仍能保持連通。網絡管理和監控工具也得到發展，幫助網絡管理員及時發現和解決潛在的問題。

（5）組網結構的發展

網絡結構的演進也是一個重要的方面。隨著互聯網的擴展，城域網和骨干網的規模不斷擴大，形成了更加復雜的網絡拓撲。IP承載網基于網絡層次劃分，發展出包括接入層、匯聚層、核心層在內的城域網；基于承載業務劃分，發展出固定業務承載網、移動業務承載網、數據業務承載網、綜合業務承載網等復雜的網絡形式。在這個階段，網絡結構的復雜性增加，IP承載網和接入網、光傳送網深度互聯，各司其職，組成了真正意義上的萬物互聯網絡。

3.現代階段：自動化和智能化（21世紀10年代至編寫本書時）

在當今全行業數字化轉型的推動下，IP承載網正面臨不斷增長的通信和網絡連接需求。SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）和NFV（Network Functions Virtualization，網絡功能虛擬化）、云計算與數據中心、網絡可信、大數據與AI、可持續性和綠色發展等方面的要求推動了IP承載網的持續發展。

（1）SDN與NFV

為了顯著提高網絡的可擴展性和靈活性，SDN和NFV應運而生。SDN使得網絡能像通用軟件一樣，易于被修改，易于增加新業務，使網絡更加敏捷。SDN架構的核心是在網絡中引入一個SDN控制器，實現轉控分離和集中控制，通過這個集中的控制器，把用戶的需求轉換為轉發器的配置和轉發指令，從而讓網絡可以快速響應用戶多樣化的需求，減少了對傳統轉發設備的依賴。NFV利用虛擬化技術在標準化的通用IT（Information Technology，信息技術）設備（如x86服務器、存儲和交換設備等）上實現各種網絡功能。NFV的目標是取代通信網絡中私有、專用和封閉的網元，實現統一、通用“硬件平臺+業務邏輯軟件”的開放架構。NFV與SDN結合形成控制器加轉發器的完整解決方案，為網絡運營商提供了更高的靈活性，降低了網絡建設和運營的成本。

隨著網絡規劃、建設、維護、優化、運營等端到端流程的加入和豐富，原有網絡運營體系中的網絡管理、OSS（Operational Support System，運行支撐系統）、網絡控制器等多個獨立部件逐步融合，SDN和NFV的架構和技術被吸收和借鑒，演進到自智網絡的架構體系。

（2）云計算與數據中心

云計算和數據中心的迅速發展，推動了IP承載網的演進。數據中心的規模不斷擴大，需要更高的帶寬和更可靠的網絡連接。云計算通過將計算和存儲資源集中化，實現了數據的集中管理和快速訪問，網絡需要具備更高的傳輸速度和可靠性，以確保云服務的質量。云計算的靈活性和彈性，需要網絡具備更快速和敏捷的資源調配能力，支持更復雜的業務應用。

（3）網絡可信

隨著硬件性能的提升、軟件功能的豐富，以及網絡結構的復雜化，確保軟硬件系統安全、可靠地持續運行成為一個重要挑戰。另外，隨著ICT（Information and Communication Technology，信息通信技術）產業對社會經濟的支撐能力越來越強，IP承載網作為核心基礎設施，也承載了越來越多的高價值業務與數據，如何保證IP承載網安全和可信地運營成為一個關鍵問題。在這個背景下，網絡的可信性成為一個重要要求。

網絡可信是指網絡在滿足業務需求之外，同時具備Resilience（韌性）、Security（安全性）、Privacy（隱私性）、Safety（安全性）、Reliability（可靠性）、Availability（可用性）這6個特征的確定性程度。韌性是指網絡在受到攻擊時能夠承受并保持在有定義的運行狀態（包括降級），且能夠恢復并適應攻擊以保證任務達成的能力。安全性指系統對惡意威脅的防護能力，確保網絡中的信息保持機密性、完整性和可用性。隱私性指系統具備保護用戶（含組織和個人）信息的能力，使得用戶能夠行使其個人信息的收集、使用、保有、披露和處置的權利和義務。安全性指系統失效不會導致不可接受的風險，不會危害自然人的生命或健康。可靠性指在給定的條件和時間范圍內能無失效地執行要求的能力。可用性指系統能夠按要求執行狀態的能力。

網絡可信通過一整套系統工程方法，從場景、特征與目標、執行流程、價值觀等幾個維度，讓IP承載網提供值得信任的服務。

（4）大數據與AI

AI技術的發展使網絡走向智能化成為可能。這一趨勢不僅帶來了更高效的網絡管理和自動化，而且推動了網絡性能、靈活性和安全性的全面提升。AI技術與網絡的融合，促使網絡系統具備自主決策和自我優化的能力，為未來網絡的智能化奠定了基礎。

通過機器學習和數據分析，網絡能夠實時監控自身狀態，自動檢測異常行為并采取相應措施，具備了自我修復和自我優化的特性，不僅減少了人工干預，還提高了穩定性；網絡可以預測流量模式，動態調整資源，確保在高峰時期也能高效運行，提高了效率，減少了能源消耗；網絡可以識別潛在的安全威脅，并自動采取措施，防止網絡攻擊，提升了安全性；網絡運營商可以通過數據分析，為用戶提供個性化服務，開發新的商業模式。

（5）可持續性和綠色發展

隨著全球環保意識的增強，可持續性和綠色發展成為IP承載網的重要目標。網絡運營商開始關注能源消耗和碳排放，尋找更加環保的網絡解決方案。通過引入智能化的能源管理和優化策略，IP承載網可以降低能源消耗，支持綠色環保的發展理念。網絡可以通過虛擬化技術和智能化調度，減少對物理硬件的需求，降低能源消耗。同時，綠色發展的理念也推動了網絡設備的創新，推進研發更加節能的網絡設備。

縱觀IP承載網的發展，從一開始的基礎連接功能，到如今的復雜服務能力，已經經歷了顯著的變化。最初，IP承載網的重點在于基本的連通性網絡和數據傳輸，通過路由協議確保不同網絡之間的通信。隨著互聯網的迅速普及，網絡的規模逐漸擴大，網絡的復雜性逐漸增加，IP承載網也開始引入更多的可靠性和可擴展性特征，例如MPLS技術和SRv6技術，以應對流量激增和網絡拓撲的復雜性。

隨著對網絡質量和性能的要求不斷提高，IP承載網發展出了支持服務質量和流量工程的能力，確保在高負載情況下維持穩定的網絡性能。同時，為了應對日益嚴峻的網絡安全威脅，網絡提供了更高級的安全機制，包括防火墻、入侵檢測和預防系統。

現如今，5G的應用逐步成熟，生成式AI技術不斷推動著行業創新。IP承載網需要滿足更加多樣化和動態化的需求，尤其是在5G承載、云計算和物聯網等領域，其關鍵能力將體現在更高的自動化和智能化水平等方面，以實現網絡自我優化、自我修復和自我調整。

未來的IP承載網將成為一個高度自動化和智能化的自治系統，能夠滿足各種業務需求，并確保網絡始終安全、可靠、綠色地運行。不妨設想一下未來網絡的工作場景。

場景一，在城市的工業園區，一座新的智能制造工廠即將開建。當運營商將規劃意圖輸入網絡運營管理系統時，系統會自動生成最優的網絡擴容方案，包括預算和實施計劃。運營官審核計劃后，系統自動生成詳細的施工方案、網絡布線和設備連接圖等。隨后，系統將任務分解給現場實施工程師。工程師在現場完成安裝和上電，網絡運營管理系統則自動完成設備配置、上線測試和驗收等，確保網絡擴容順利完成并投入運營。通過緊密的人網協同，高效完成網絡規劃和建設。

場景二，在西藏的探險小隊突遇事故，需要緊急開展骨折重建手術。網絡運營管理系統立即開通了一條從當地診所到上海某中心醫院的手術專線，提供毫秒級的時延和99.999%的可靠性連接服務。通過這個網絡連接，在上海的專家可以操控機器人遠程完成手術，幫助探險小隊轉危為安。這種低時延、高可靠的網絡服務，保障了關鍵時刻人的生命安全。深度的自動化，讓網絡服務與需求無縫銜接。

場景三，在網絡運行中心，網絡管控系統突然檢測到從北京到上海的企業專線出現了轉發丟包的情況。系統立即觸發業務路由器進行精確故障診斷，發現上海某接入點存在惡意DoS（Denial of Service，拒絕服務）攻擊。系統迅速計算并下發流量阻斷策略，成功隔離了惡意流量，恢復了企業專線的正常運營。同時，系統還生成了故障分析和處置報告，供網絡管理員審核。網絡管控系統實時監測網絡設備、板卡、光模塊的運行情況，發現工作在北京機房的某設備光模塊收發參數異常，存在故障風險。系統立即在凌晨的運維窗口內，驅動在機房內的機器人完成光模塊更換，確保設備7×24h持續、健康運行。無人化的網絡運行中心，網絡零差錯運行。

網絡管控系統實時監控業務和網絡流量情況，并預測未來的網絡負載，在流量達到峰值前提前疏導網絡流量，確保繁忙業務的穩定性。與此同時，在網絡閑時，系統將流量匯聚到部分路由器，并將輕載的路由器降頻運行，以節省電力資源。這種智能化的流量管理策略，不僅提高了網絡的效率，還實現了綠色節能，符合可持續發展的理念。

IP承載網在向未來演進的過程中，需要一套完整的架構和方案支撐，IP自動駕駛網絡實施框架應運而生。在這個框架下，圍繞著IP自動駕駛網絡能帶來哪些好處，網絡應該如何演進，需要什么樣的架構和關鍵技術，以及如何推進和實施這幾個核心問題，定義IP承載網的價值主張，網絡演進的代際特征、架構和關鍵技術，具體的流程和實施方案等，逐步實現IP網絡自智目標。