ADN：开启用户体验新时代

文/张弓霍大伟李英涛

未来网络的核心挑战

运营商的收益依赖于用户规模，用户增长面临瓶颈。互联网最初的架构思想就是为了流量而建网，并不考虑不同应用的各异需求。这样的架构至今没有变化，因此，运营商的收益严重依赖于其用户和流量规模。在UIUC大学Srikant教授的代表性论文《Economics of Network Pricing With Multiple ISPs》中说明了运营商的收益主要来自于用户数量和流量的规模增长。从互联网的计价方式看，无论是以前的按使用量计费和包月计费模式，还是近年来兴起的限量模型（Flat Rate with Cap）、分时计费（Smart Data Pricing）、补贴用量计划（Sponsored Data Plan）等新模式，均服务于以流量为中心的商业模型，始终依赖用户规模的增长。近年来，随着用户数量规模增长触及天花板以及运营成本的大幅提高，运营商面临着增量不增收的巨大压力。

网络中立规则制约服务差异化。网络中立原则的初衷是保护新型企业和应用，消除因内容供应商的资本差异带来的歧视，防止出现内容提供商的垄断。在现有架构下，运营商不可以因业务来源而进行区分化服务。网络无法满足低延迟、高带宽要求的高附加值业务（例如高清视频）的服务质量，导致内容提供商开始自建网络，使运营商收益受损。加州大学教授John Musacchio等在论文《A Two-Sided Market Analysis of Provider Investment Incentives With an Application to the Net-Neutrality Issue》中建立了双边市场（Two-sided market）模型，并指出在一定条件下网络中立不利于公众利益，会造成公地悲剧（castles on the Rhine effect）。哥伦比亚大学Vishal Misra教授与其合作者提出Public Option ISP方法，可以市场化方式消除对内容提供商的选择性歧视，节约监管开销。在现有架构下保持网络中立性是不是可以达到原有初衷？值得商榷。

不同应用需要不同网络架构

在语音通信时代，消费的主体是单一的人，人与人之间的语音通信是对电信网络的基本需求，网络提供的服务也是单一的语音为主（辅助少量电报等数据通信），网络发展所面临的主要挑战是提高覆盖范围、降低通信成本。研究发现，在语音通信网络中，用户的呼叫到达过程符合泊松分布，即大部分时间内从统计角度看活跃用户数都稳定在一个均值，统计复用成为可能。这使得分层汇聚成为电信网络的基本架构，从接入到城域再到骨干层层汇聚的架构，能够在充分满足整体用户需求的情况下，降低网络的建设和管理成本，成为多年来电信网建设的基本指导原则。

进入互联网时代后，用户的网络消费模式发生了巨大变化，电信网分层汇聚的网络架构面临很大挑战。互联网用户的需求除了原有的人与人通信外，更大量的是人与物（机器和数据中心）之间的通信，而且通信时长和带宽需求也变得更大和更不确定。1999年，美国科学家Barabasi和Albert在《科学》杂志上发表了著名论文《Emergence of Scaling in Random Networks》，指出了互联网应用符合无标度网络（scale-free networks）的特征。无标度网络又称为幂律分布网络，在这个网络中，存在着与大部分用户相连的超级节点（例如Google和Facebook等），而且大部分节点都与几个超级节点相连的特点，与符合泊松分布的语音网络有本质的不同。加拿大Calgary大学教授Zongpeng Li等发表的著名论文《The Flattening Internet Topology: Natural Evolution, Unsightly Barnacles or Contrived Collapse?》指出，在互联网时代网络扁平化是必然趋势，因为对于符合幂律分布的网络，扁平化的网络架构更为适合，资源效率更高。扁平化已成为互联网时代网络建设的指导原则。

随着车联网、物联网和虚拟现实等新业务的出现，势必会对未来网络架构产生影响。华为未来网络理论实验室与香港中文大学的John Lui教授和香港城市大学的Guanrong Chen教授等联合提出了一种全新的马尔可夫过程模型，发现未来网络的业务特征与语音网络的泊松分布和互联网的幂律分布有着明显的不同。未来网络业务符合马尔可夫过程模型分布，其核心特征是应用随时间呈现多样化的动态转换特性。举例来说，高清视频、物联网等各行各业的应用需求差异化更大。在车联网中，车与车之间的通信要求低延时，资源效率最优的集中到中心节点的处理方式并不合适，需要具备局部自治的能力；而对于远程视频医疗这种大带宽、低延时和高可靠的业务，现有网络架构很难满足要求。因此，在网络架构的设计上，需要引入新的架构——一个由应用驱动的网络架构，才能确保对客户体验的有效支撑。

ADN：开启差异化服务新范式

电信行业的定势思维只强调“资源效率优先”，一味提高网络设备的资源利用率，这虽然降低了成本，但不能实现增收。应用驱动网络（Application Driven Network，ADN）则第一次提出了“应用效率与资源效率并重”的理念，通过提高应用的效率，方便用户使用应用，改善用户体验，从而达到增收的目的。

ADN主张为应用建网，为每个应用提供一个逻辑独立的网络，以满足不同应用对网络的不同需求，实现“面向应用的网络重构”、“面向应用的资源虚化”和“面向应用的分层控制”的能力。

面向应用的网络重构能力：应用对网络需求的抽象。ADN剖析应用对网络的需求和使用特点等，构建应用的多维抽象模型，为应用编排网络资源，以满足应用的需求。例如，满足泊松分布的人与人通信业务、满足幂律分布的人与机器通信业务，以及满足马尔可夫过程分布的机器与机器通信，都可通过范式模型映射到不同的网络资源，从而提供高满意度的网络服务。

面向应用的资源虚化能力：网络资源的隔离与复用。NFV和网络切片技术等已将原先统一的、唯一的网络资源，例如无线空口、链路带宽、计算能力和存储空间，抽象为多个逻辑管道。在此基础之上，ADN需进一步对网络资源进行统计复用，以符合应用对网络的需求模型。

面向应用的分层控制能力：快神经/慢神经的控制。ADN从为应用提供差异化服务出发，结合了网络资源全局优化的需求。根据加州理工学院John C. Doyle教授等提出的快/慢神经控制理论，ADN从时间、空间和价值等多个维度对网络资源进行快/慢控制。其中，慢控制器将网络慢变信息如拓扑结构和应用业务模型特征等作为输入，找到网络资源的切片划分方法以及网络最优控制点；快控制器通过对网络快变状态如交换机内队列和链路状态等进行实时观测，利用卡尔曼滤波算法，在不同的分片上将网络以最小的代价驱动到最优控制点。慢控制与快控制协同工作，可以使全网络工作在最优控制点附近，以实现面向应用的服务优化。

支撑“基于用户体验的运营模式”落地

按照应用纵向分配资源是ADN相对于标准通信网络最大的变革。标准的通信网络架构是横向按照资源分层的，从资源层到控制层、最高到应用层。ADN的核心概念则在于按照不同的应用纵向拉通，由应用层自上而下到控制层、最后到资源层，构成针对不同应用的多个纵向层。通过“横”、“纵”变化，ADN可以提供更好的用户体验。

在传统网络中，网络资源的管理一般按照网络层次进行分组，例如接入网、城域网和骨干网的概念，按照网络层次分组有利于资源实用率最大化，但应用体验并非最佳：一个典型应用可能跨多个网络功能单元，使得应用的开通和调整都变得非常复杂。通常的情况下，应用需要针对网络进行相应的调整以达到好的用户体验。

ADN主张通过应用业务特征的识别分配与之相匹配的资源，执行针对应用的业务管理，让网络主动适配应用。在多个应用场景下，资源如何分配、依据什么原则分配、如何均衡现有资源分配，以及对将来可能的新应用的平衡等问题，都是ADN架构能否成功应用的关键。不同的业务流量模型，其系统性能（例如延迟和吞吐等）表现受调度与资源分配策略影响极大。MIT大学Mihalis G. Markakis博士在论文《Scheduling in Switched Queueing Networks with Heavy-Tailed Traffic》中指出，与符合泊松到达特性的业务不同，对具有重尾分布特性的业务类型，采用多队列负载均衡的调度策略可以取得显著的性能提升；在实现系统规模扩张时，应采用scale-out而非scale-up策略。对于应用业务特征的识别，我们已经分析明确了针对话音的泊松分布模型、针对互联网的幂律分布模型，以及针对未来网络的马尔可夫过程分布等特征，这些特征是ADN分配资源的理论依据。

ADN架构中引入了面向应用的资源分配机制——专门的资源分配层：对于语音应用，按照泊松分布规律分配层次化网络连接资源；对于到数据中心的互联网应用，按照幂律分布规律分配扁平化的网络资源；而对于车联网应用，则依据马尔可夫过程分布规律分配区域自治的网络资源以满足低延时的要求、分配集中资源满足大并发类的应用；同时，根据对业务发展的预测，适当预留关键资源以适应未来应用变化的需求。

在ADN架构下，云化技术可以作为支撑ADN资源分配层的支撑技术，而SDN和NFV技术则为在一张网络上支撑多种应用提供了技术能力保障，超宽带互联使得资源的分配和调度更为灵活和便捷。在ADN框架下现有的技术投入得以有效地集成，共同支撑用户体验的提升；而对于未来5G网络的需求分析表明，业务多样化和用户体验也是其典型特征，ADN架构也能够很好地支持未来5G的网络需求。

迈向“应用效率与资源效率并重”的新时代

早期的通信网络和互联网的需求主要集中在话音和大流量、低成本的数据服务上，这使得网络建设和发展一直以来的主要目标是提供更高效率和更大带宽，可以称之为面向单一业务的“资源效率优先”模式。而未来网络最大的特征在于应用的多样化，表现为对网络资源需求的多样化，例如以高清视频和物联网为代表的应用对资源需求差异巨大。这说明一味聚焦“资源效率优先”已经成为满足多样化用户体验要求的障碍，而为应用建网是未来网络发展的必然趋势。

ADN可以支撑应用建网，提升用户体验

ADN可以在资源总量不变的情况下根据各种应用的特点优化配置，满足各类应用不同的需求，提升应用的体验。在现实中，因应用需求迥异而无法得到现行网络支撑的例子大量存在。例如，利用网络对水表和电表进行自动抄表的物联网应用，其用户终端数量巨大，对带宽的要求不高，但对控制信道的需求很多，且对成本约束非常苛刻；又如微信等即时通信应用的信令风暴问题，此类应用对带宽消耗不大，但需不断保持网络连接的刷新。前一个案例可以通过网络切片解决，后一个问题也可以通过预留一定的信令资源解决，而ADN可以作为上述方法的架构支撑。

ADN在满足应用效率的基础上还可以支持资源效率

ADN可以满足应用效率的需求，提高用户的体验，但这并不意味着ADN需要以牺牲资源效率为前提。ADN通过思想理念的转变，以SDN和NFV等各种技术为基础，为应用效率服务。同时，ADN还要通过网络效用最大化（NUM）理论使应用效率和资源效率有机解耦、共同提升，有效降低建网成本，提高运营效率，促进应用增收。应用效率和资源效率相辅相成的必然性也可以从计算机行业的发展历史看出。计算机最早出现的时候，是作为专业的计算工具使用的，容量和性能有限，如何发挥CPU的效率是其发展的焦点，计算机编程的汇编语言，也是精确控制到CPU的每一个具体的物理资源；随着技术的不断进步，CPU的能力不断提升，编程语言也发展到更高级的C语言，以牺牲部分资源效率，降低了使用的复杂度，提升了应用效率；随着摩尔定律驱动的硬件的不断进步，操作系统的出现使得计算机的应用有了本质的突破，应用效率的提升带来市场空间的上万倍扩展，最终造就了21世纪最大的产业。从“资源效率优先”向“应用效率与资源效率并重”转变将带来市场空间的增长，反过来为提升“资源效率优先”提供动力，二者构成良性循环。

为应用建网正处于关键的历史时刻

目前，多数运营商已经意识到了网络应为应用而建这个趋势，利用“网络切片”对网络进行配置就是在这方面的早期尝试。ADN概念提出的最大意义在于帮助运营商在网络架构理论上真正具备对于应用多样化的支持和服务能力，突破原有“资源效率优先”时代单一的以流量和带宽为标准的服务模式，进入关注应用体验的多业务应用时代。正如当年PARC实验室提出的计算机图形化概念使计算机具备了满足消费者应用需求的能力，造就了后来的苹果和微软等一大批公司的辉煌以及整个产业的兴起；我们相信，ADN概念和架构也将使运营商网络能够为未来物联网时代的丰富业务提供更有效的支持，最终形成“应用效率”与“资源效率”的良性循环，开创“基于用户体验的运营模式”的新时代。

“基于客户体验的运营模式”是一个具有普遍意义的理念，不但适用于指导未来电信网络的发展，也可以用来指导存储、计算以致整个ICT行业发现新的业务增长机会；同样的， ADN也可以扩展到应用驱动的存储（ADS）、应用驱动的计算（ADC）和应用驱动的ICT（ADICT）；这里的A既可以是常规意义上的应用，也可以是行业应用，甚至可以是未来待创造出来的新应用，其想象空间巨大，增长空间同样巨大。

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