美国怕5G颠覆互联网协议?

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  【文/科工力量专栏作者 程小康】

  前几天在风闻《吴基传:5G的重点不是取代4G而在工业互联网》文章下面,有网友给出热评,他认为“5G的最大意义是把当前基于ip寻址的互联网世界,扩展成IP-5GID寻址模式。这样一来,过去的IP协议网络在很多领域(典型就是物联网)可能都会被架空。这将意味基于TCP/IP网络的各种信息管理手段都将被迭代…….。”

  

  (网友的风闻热评)

  看到评论的时候笔者就有点疑惑,因为5G说白了,就是4G的一种升级,从2G只能手机打电话,升级到3G、4G能手机聊QQ、听音乐、看电影,而5G不仅能干前面的事情,而且更快,电影几秒加载完毕,不再卡顿。5G它是一种通信协议,主要是通过物理层面的改进,提升网络的性能,采用更高的频率,不再有信道的重叠,采用毫米波等一些列物理技术手段,提升性能,未来为了能让厂家能生产出标准的5G设备,就需要根据这些升级的技术,制定一系列规范的标准,也就是5G通信协议,这样商家就能生产出标准的5G通信设备。

  与5G通信协议不同,TCP/IP所代表的是互联网协议,是为互联网上数据传输制定的一种规则。打个简单比喻,5G就好像高速公路,通信协议就是为高速公路制定的规则。而互联网协议就是快递公司制定邮寄包裹规则,例如,包裹(数据)打包、包裹(数据)目的地址,包裹(数据)邮递路线等。利用5G高速公路,数据包裹根据协议快速的运到目的地。

  弄明白了5G通信协议和TCP/IP网络协议的关系,可以理解网友的意思,他的意思是,如果以后采用5G这条高速公路,很可能就不会用到TCP/IP网络协议,也就是数据邮递规则(包括传统的IP寻址模式)在很多领域可能被改写或者迭代。

  为此,笔者也特别联系了这位热评网友,很幸运与他取得了联系,他是一名物联网工程师,与他交流的过程中,他给出了自己的观点认为,目前的各种技术还是基于4G平台和TCP/IP网络协议,与娱乐数据的数据量大,可靠性要求低不同,5G时代的工业控制数据,实时性和可靠性要求都相当高,一个指令的传递,晚了半秒或者错了1bit,就极有可能造成灾难性的后果。这和娱乐性通信完全不同,需要大胆假设,当条件具备的时候,TCP/IP网络很有可能被架起来,这个架起来的意思是IP网络可能只是覆盖广大的PC类终端以及骨干网络。而所有的新的应用产生的数据,比如手机或物联网终端,他们的数据极有可能不再必须依赖IP网络。

  他举了一个简单的例子,3G时代,两台手机之间QQ,甲方发消息,首先是在手机网络上传输,然后通过网关(手机网络和IP网络之间节点),通过网关进入IP网络,然后进入另外一个网关,在发往乙方的手机网络,最后到达乙方手机,4G时代,基本还是这种架构。但5G时代,支持终端机之间的信息传递,这就意味着5G网络有自己的即时寻址方案,也就是说甲方发送消息给乙方,可以完全不用再走到IP网络那一层,直接在手机网络领域就完成整个过程,大家都成了内线通话,运营商怎么收费。

  与这位网友交流的过程中,笔者也“涨姿势”不少,确实目前的TCP/IP协议非常复杂,而在未来物联网的世界里,装在实际物体上的采集信息的传感器不适合采用这样复杂的网络协议进行数据传输,例如在车辆网上,采用复杂的协议时,传输数据消耗的时间增加,满足不了实时性要求,可能导致车祸。不过就目前而言,TCP/IP协议退出历史舞台,可能性还很小,因为在传统的互联网领域,这份协议已经深深扎根。物联网作为互联网的一种升级,对互联网是兼容的,马上将TCP/IP协议剔除,可能无法做到。实际物体采集的数据,传到互联网上进行综合处理,还是需要TCP/IP协议。而在以后,物联网终端很强大,根据终端之间联系的需要,建立新的协议,可能不走IP网络,对于这样的构想可能在一个内部生态系统中实现,但是跨区域的远距离数据传输,摆脱IP网络还是难以实现。

  为将5G、物联网、TCP/IP讲清楚,下面将从TCP/IP到底是什么,5G和TCP/IP模型的关系,以及5G物联网与TCP/IP网络联系三个方面进行说明。

  TCP/IP协议到底是什么

  这里反复说道TCP/IP协议,它具体在互联网上起到什么作用呢?了解互联网知识的小伙伴,一定知道经典的OSI(Open System interconnection)七层模型,这是国际标准化组织制定的一个用于计算机或通信系统互联的标准体系,它是一个七层抽象的模型体,既包括抽象的术语和概念,又包括具体的协议。TCP/IP协议就是其中重要的组成部分。

  

  (通信体系中的七层参考模型)

  七层参考模型中 ,第一层是物理层。两个硬件之间如何通信,一台发比特流,另一台要能够接收到,于是有了物理层。其关心的是接口、信号和介质,如:接口的形状、尺寸,接口规定信号的电压、电流、阻抗、速率等特性,数据流传输方式(全双工、半双工)。

  第二层是数据链路层,链路层能控制对物理介质的访问,通过电线能发数据流,也能通过无线电波传送数据。该层定义了如何让格式化的数据进行传输,保证传输的比特流正确,并且有纠正错误功能。

  链路层数据单位是帧,负责MAC地址(硬件地址或物理地址)。一台智能手机,无论走到哪里,它的MAC地址不会改变,但IP地址随着连接到的网络的改变而改变,当然他们之间可以进行转换,每台主机或路由器里面有个ARP(地址解析协议)表,这张表包含了IP地址到MAC地址的映射关系。

  第三层是网络层,主要是IP协议,在一个城市里有很多台计算机,为了要找到要访问的目标计算机,要通过IP地址寻找,经过好多路由节点,才能找到。

  第四层是传输层,比特流通过IP地址能正确的传送到另一台电脑上,但大量数据传输时,如何保证正确传送,网络中断怎么办,这就需要传输层,比如TCP协议,发送大量的数据包,如果有部分数据包丢失,TCP协议保证继续发送缺失的数据,直到数据完整被接受。当然还有UDP协议,它只管发送数据,不管你是否接收到。

  第五层是会话层,解决一个会话的开始和结束。现在能够给指定的计算机发送正确的封装信息,但我们不能每次自己调用TCP打包,然后调用IP协议去找路由,要建立一个自动收发包,自动寻址的功能,于是有了会话层,建立和管理应用程序之间的通信。

  第六层是表示层, 虽然前面能保证应用程序的自动收发包和自动寻址,但像Linux和Windows不同的计算机体系结构使用的数据表示法不同,IBM主机使用EBCDIC编码,大部分PC机使用ASCII编码,这种情况下,便需要表示层来完成转换。

  应用层是参考模型的最高层,也就是第七层,是直接面向用户的程序或服务,包括系统程序和用户程序,比如文件传输协议FTP、电子邮件传输协议SMTP、域名系统服务DNS、网络新闻传输协议HTTP等。

  5G与TCP/IP四层网络模型

  国际标准化组织制定的七层参考模型实际是一个理论模型,但是这种参考模型过于庞杂,复杂招致了许多批评,没有成熟的产品,实际开发过程中,由技术人员开发的TCP/IP协议栈获得了更广泛的应用。

  TCP/IP协议栈分为4层,网络接口(物理层+数据链路层)、网络层(网络层)、传输层(传输层)、应用层(会话层+表示层+应用层)。

  

  (TCP/IP四层网络模型与OSI参考模型对比)

  以朋友之间发送微信为例,其实就经历上述过程。微信所在的是应用层,它按照规定的格式将要发送的数据打包好,写上收发双方的地址,并且标记这是微信发送的,然后传到传输层,传输层TCP协议会把文件切成更小的碎片,并保证数据包能够安全传输。之后网络层通过IP协议找到最佳的路径,最后这个消息通过光纤、WiFi、4G等网络发送出去,到达目的地后,被打散的数据重组成完整的信息,再通过之前的标记,在接收方的微信上显示消息。

  利用设备在以太网、WiFi、4G等网络上网时,这些网络主要是针对的TCP/IP模型中的第一层(网络接口),实际上这一层没有真正描述,只是要能够给其上层(IP网络层)提供一个访问接口,以便在其下传递IP分组,这一层未被定义,具体实现方法将随着网络类型的不同而不同。

  拿以太网来说,它是一种局域网技术,规定了包括物理层的连线、电子信号与介质访问层等通信协议,商家可以据此制造通信设备。所以以太网、WiFi、4G网络是与TCP、IP协议相辅相成,两者关系密不可分,前者提供物理上的连接,是一种高速通道,TCP/IP工作是在上层,是通道上包裹传递规则。

  实际上5G网络提供的是一种更高速的通道,与TCP/IP是互相协作的关系,包裹的邮递规则原则上可以改变,改变后的规则也可以在5G这条高速公路上传输,但是邮递规则改变,将花费很大成本。

  5G比4G传输速度快,肯定得靠硬核技术才能真正提高了,采用毫米波,提升频带宽度,采用更先进的波束赋形,提升信噪比,采用超大规模天线、全双工无线,提升频带宽度和信噪比。具体的技术内容,还得由专业人士解释了。

  5G的传输延迟低,需要尽可能减小数据在核心网和接入网的传播时间,一方面降低信令,如采用全双工技术减少信道估计时间、格式化设计毫米波基站等。另一方面压缩网络处理流程,针对的是手机到基站的无线空口时延,当然核心网上也可以改造一下,配合低延迟,甚至有些公司直接将服务器放在基站下面,降低时延。

  5G时代,采用多天线技术,不但手机里塞好多天线,基站上就更不用说了,多根天线发送,多根天线接收,从而实现海量机器通信。

  

  再加上5G引入NFV(Network function virtualization)虚拟化技术和SDN(Software Defined Network)软件定义网络技术,使得5G实现各个模块的统一管理和资源切分,也就是网络切片,提供按需定制的网络。这一系列优势也是5G物联网成为可能,物联网中“万物”互联,那是否就能直接抛弃既有的IP互联网络,直接实现端到端的连接呢?

  5G物联网与TCP/IP网络

  物联网的概念在上个实际上世纪90年代,就已经有人提出来了,但是由于技术原因受到限制,在4G时代,像智能家居之类的物联网实验,已经有所应用。但是针对理想中的“万物互联”实现还存在困难,一方面目前在IPV4基础上,给每个有电实物或者无电实物上的传感器分配一个IP地址已经不可能,因为IPV4的地址前几年已经分配完了。另一方面,在一些物联网的场景下,需要提供低延迟、速度快、海量通信的无线连接,但是目前的4G难以做到,所以利用5G技术,未来可能做到“万物互联”,将实物信息实时地传递到互联网上。

  像5G网络、4G网络需要与骨干网络连接,构成互联网,物联网再将互联网进行进一步延伸到各种实体,使得“万物”的信息都可以传递到互联网上。

  

  (5G网络、4G网络接入IP城域骨干网)

  现有的互联网是实际上是人与人之间的联系,是虚拟的世界,人们将信息整理好,放在互联网上,与其他人共享(有时要付费)。但是物联网实际上是互联网的升级,兼容互联网,现实生活中的实物信息,通过传感器之类的手段,采集实时信息,传递到互联网上,实现人与物,物与物之间的沟通联系。

  在物联网中需要给每个实物一个地址,这也是目前推动IPV6的原因之一,IPV6号称可以给地球上每一粒沙子提供一个IP地址。IPV6是IPV4的升级,IP地址的表示形式发生变化,以前是32位表示地址,现在128位表示地址。不过,数据在网路上传输还是基于TCP/IP网络模型进行传递。

  物联网终端的采集到的数据,通过5G技术,由基站传递到互联网上,再传到所需的公司服务器里进行储存或者处理,还需按照既有的路由规则,进行传递。数据的打包还是基于TCP等协议,数据的寻址还是基于IP。

  

  关于IP寻址,这里想要说的一点就是,美国虽然有一个根服务器,但我们进行域名解析时,不用每次都去美国寻找。这就好像美国有一张全球地图,中国没有,但对于想去东方明珠的游客,不用千里迢迢的去美国查地图,下虹桥机场,找个书店,买张上海的地图就行。

  当然,也存在另一种寻址构想,是否可以不走IP网络,直接实现物联网端到端的信息传递。但任何一种协议都无法完全架空TCP/IP,除非这是一个内部生态系统。比如说在一个工厂内,可以像组建微信群一样,将所需通信设备地址纳入一个组内,可以设计新的轻量级的通讯协议,不走IP网络,实行局部互联与交流。

  但是远距离信息传递时,就有点麻烦,从上海到纽约的通信,难以通过手机终端连接手机终端,一直连接到纽约,毕竟太平洋上没有手机。而且这样的连接方式,延时得多高,上海这边说一句话,纽约那边什么时候才能听到。而且每个手机节点都在不断移动,那么怎么选择路由的路径。

  

  (IP网络路由寻址)

  就算克服上面所有困难,那运营商也不乐意,直接绕过互联网,他怎么赢利。而且如果世界形成一张网,没有了墙,随意连接任何地址,不受约束,感觉也好像不太可能实现,因为不受约束的世界太可怕。

  为了兼容IP体系,很多协议发展成了XXX over IP,就是在自己的协议层之外包裹了一个IP头。这样做法兼容了IP,虽然提高了传输效率,但是无法解决低延时问题。事实上,目前网络上绝大部分数据传输仍然是基于TCP/IP,新出现的5G不是革命性的东西,没有改变整个网络生态,只是特别的对于高质量低延时的环境下才可能采用特殊协议,但是这些协议没有进行大规模商业应用,可靠性未知。不过,就未来发展而言,5G要想提供低延时高质量服务必然要采用非TCP/IP协议。

  但当前,从5G物联网的远距离(非内部独立生态)数据传输角度来看,数据传输还是得走TCP/IP这套流程,毕竟已经用了很长时间了,在互联网里已经形成强大的根基,技术也很成熟,不可能将现有的路由器等通信设备全部更换。而且物联网也不能扔掉互联网独立发展,这不现实。还有一点就是,就算5G网络独立组网还是要连接到骨干网络上,其数据的传递,目前还是得基于TCP/IP网络。

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