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网络转型的始点--人联网

物联网的到来,对网络发展来说究竟意味着什么,似乎很难琢磨。其实,要理解并预测未来网络的发展趋势,就先要从“人网”的发展模式说起,在理解了曾经的发展模式后,“物网”的发展也就不难“预见”了。

作者:王峰|2018-04-11 14:49

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以往的网络主要用于个人用户的接入,也称之为“人网”。在“人网”的发展逐渐趋近“饱和”的形势下,物联网(“物网”)被寄予厚望。

物联网的到来,对网络发展来说究竟意味着什么,似乎很难琢磨。

其实,要理解并预测未来网络的发展趋势,就先要从“人网”的发展模式说起,在理解了曾经的发展模式后,“物网”的发展也就不难“预见”了。

网络转型的始点--人联网

一、网络容量的增长模式

如今,TCP/IP( Transmission Control Protocol / Internet Protocol)协议已经成为了全球互联网和通信行业的标准协议,我们平时使用的各类智能终端(手机、电脑、平板等)都装配有相应的通信模块。

互联网在TCP/IP协议簇的基础上逐渐发展起来,使得全球各地的信息在其中穿梭,IP网络作为信息工具推动了经济全球化迅速的发展。

在TCP/IP出现之前,计算设备之间也有通信,但通信的方式相对独立,并不具备通用性。

1969 年﹐美国政府机构试图设计出一套网络系统﹐用来连接各个离散的计算系统。他们希望:当战争来临之际,如果部份计算机网路遭到破坏而失效﹐其他未瘫痪的网络还能用来传送战备资料。

此后TCP/IP 协定诞生了,并于1985 年,在美国﹑欧洲好几百个大学﹑政府机构﹑研究实验室中“落了户”。它具有很好的开放性和兼容性。其数据包中只需要携带目的地址就可以实现端到端的信息传递(网络具有透传信息的特性)。它具备动态的路由协议,可以自动侦测网络状态,并对受损的信息路径进行修复。

它的种种优点逐渐被需要联网的大众所接受。 1994 年﹐超过三百万台的计算机接入了IP网络。

网络能力增长的关键因素

IP网络之所以能够日渐庞大,有两个最重要的因素:1、IP网络具备良好的延展性;2、随着技术进步,网络节点的系统性能在不断增长。

延展性,就是通过在原有网络中增加新节点(预配置好的新节点,通过网线或光纤接到原有节点的接口上),就能自动识别并加入到原有网络中,参与信息转发工作,从而扩展网络的接入范围和数据带宽。

网络节点性能,主要取决于其核心部件的性能----芯片性能。自1965年,英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出了著名的摩尔定律后,芯片的性能就神奇般地飞速发展了几十年(24个月翻一倍)。

直到今天,因为芯片工艺已经达到物理特性的瓶颈,以及受成本因素影响,使得芯片性能的“攀升”降了速,但它依然还在快速提升的过程中。芯片性能的飞速提高,使得设备厂商的设备性能节节攀升,新一代产品的性能总是远高于上一代产品。

所以,网络和服务器设备能够通过替换旧有节点不断提高整体性能,从而满足用户和终端设备日益膨胀的网络连接需求。

(源自:http://36kr.com <摩尔定律的黄昏与计算行业的黎明>)

二、个人市场中,网络需求增长的特点

目前,所有网络的服务对象主要还是以“人”为主。不管是电信网络、互联网,还是企业专网,都是服务于人的网络,人在网络中是应用的主导者。所以,人的需求对于网络而言,是最主要的发展驱动力,这种情况在2G/3G时代的运营商网络上体现得非常典型(这里主要阐述的是以语音、短信业务为主的电信核心网)。

1. 影响2/3G业务需求的因素

由于2/3G网络的传统通信业务比较单一(语音、短信、少量上网和企业应用),所以网络的需求从整体上可以抽象地看成是一个一阶线性公式:网络的整体业务需求=用户数˟人均业务量。

(1) 用户数

网络的服务对象是用户,用户是业务使用的主体,用户的连接需求直接决定了通信服务的使用总量(在传统电信网络中,连接的需求主要是语音通话)。因此,在业务总容量增幅的预测中,“在网用户数”是通信需求最重要的变量。并且,不同的省市的电信网络规模,往往是由该地区的注册用户数量来决定的。

(2) 人均业务量

影响人均业务量的因素很多,整体上有三种:用户需求、业务品质、业务场景。

a. 用户需求

在网络发展的初期,价格是重要的影响因素。但是到了网络发展的中后期(进入移动互联时期),价格就不再成为“主要矛盾”,业务创新也趋缓,用户的需求也就趋于稳定。

用户的需求逐渐接近“天花板”,本质上是因为人的信息处理能力有限。

人的精力总是有限的。人需要吃饭睡觉,过度的信息获取会使得身心疲劳,影响身体状态。并且,人的注意力和行动力具有专一性。也就是说,人多数情况下很难做到“多进程”处理事务。

比如笔者在电脑前写作的时候,就没有办法拿起手机玩《王者荣耀》,毕竟我只有一个大脑两双手,身体的“零部件”难以“复用”到其它活动上去。除非,我学会了“影分身”(某动漫中的分身技能)。

个人业务的处理能力有限:从互联网业务中就能看出人的精力有限,虽然现代发达的软件工业已经为我们创造出了400万个APP软件,但普通人的智能手机上平均只安装了50个的APP,且每天高频使用的只有10个左右。

个人社交的交互能力有限:在生活、工作较稳定的状态下,有限的精力,使得人用于维系社交关系的通信连接数也会保持在一个恒定值上。并且在生活的颠簸中,该值波动的幅度也不会太大。这个上限值就是“邓巴数”。

2009年,它由英国牛津大学的人类学家罗宾·邓巴(Robin Dunbar)提出:人类智力决定了人类拥有稳定社交网络的人数是148人,约等于150人。任何人用于维系社交关系的通信连接数会保持在一个稳定的值上。“邓巴数”与电话、短信的需求量戚戚相关。

b. 业务品质

业务品质,就是业务对网络质量的要求以及网络资源的消耗量。

一方面,业务对网络资源的消耗量,在业务成熟后就基本不变了。业务迭代会带来消耗量的小幅变化,但对整体的影响不大。业务品质的“飞跃”会带来更多的网络资源消耗的需求(例如通话业务从“语音通话”升级为“视频通话”),但在业务创新逐渐趋缓的情况下,爆炸性的需求增加并不多见。

所以,在网络发展的中后期,业务整体对网络消耗也趋向于稳定。

在传统的通信领域,自短信和语音业务诞生以来,单次业务对网络的需求基本就没有太大变化;互联网业务差异性较大,但不同业务对网络带宽和质量的需求也都比较稳定。

c. 业务场景

各类业务场景会带来用户数、业务需求的差异和波动。

  • 在电信市场发展的初期,新增用户还会带动老用的需求增加,形成业务规模的整体上升。比如,家庭中原本只有一人(父亲)有电话,而后妈妈、爷爷奶奶、外公外婆,以及子女也有了手机,那么爸爸(老用户)的通话需求也会有较大的提升。
  • 在电信市场发展的中后期,人口的群集和潮汐效应所产生的需求波动,也会影响对通信业务的预测和对网络容量的规划。上班高峰,人口都集中在产业园区,产生大量通信业务;下班后,迁移到住宅区,通讯需求也随之迁移过去。
  • 影响业务需求的因素还包括用户的职业特性、文化习惯、地域风俗、活跃程度、通信资费。

整体来看,业务场景对网络能力的需求具有一定的地域性和时效性(临时性),对网络需求量的影响有限。

在2/3G网络中,影响人均业务量的三个重要因素(用户需求、业务品质、业务场景),都处于较稳定的状态,并不会带来持续、大幅的业务量增加。

虽然有各种因素会影响业务需求的预测,但在2/3G时代,个人的业务量虽然会因非关键因素产生波动或跳变(从一个固定值“跳跃”到一个新的固定值),但它基本是恒定的,即单位用户的业务需求是定值。

所以,全体用户的业务需求基本都可以用一个一阶的线性方程来整体估算(即:网络的整体业务需求=用户数*平均业务量)。

2. 2/3G网络能力的最低要求

正是由于传统的通信网络是服务于人的信息系统,所以网络中每增加一位用户,就需要通信网络同步增加相应的容量。

对于网络容量以及所包含的单个网络设备的容量,它们所需要的最低处理能力,就以业务需求为参照,可以抽象地表示为一个一阶线性方程:O(n)=an+b(n为全部用户数,a、b为常量系数,且a是每位用户平均消耗的系统性能,b为系统运行最基本的资源开销)。

因为市场需求是网络能力的“指南针”,所以每年伊始,运营商需要通过对市场增长(以人数增长为主)的预测,来进行网络扩容的规划(增加节点或替换旧设备)。

业务容量增幅的多少,主要参照“业务需求”公式中的“以往全体用户的平均业务量”,以及预测增加的“用户数”,再酌情考虑其它非关键因素。

以上的一阶线性公式只是一种抽象的表述,实际的网络扩容规划要比简单的线性公式复杂很多,其中会包含很多种类型的需求指标和测算公式(包括整体性指标和局部的性能需求)。

以语音为主的2/3G网络,整体性指标包括“用户数”、“Erl(话务量-爱尔兰)”、“BHCA(Busy Hour Call Attempt,忙时每小时起呼次数)”等等。而随着数据业务的爆发式增长,还加入了“连接数”和“数据流量”等衡量“数据业务量(主要为互联网业务,区别于电信的电路业务:电话、短信)”的整体性指标。

虽然实际的网络预测要考虑、兼顾方方面面的因素,但整体性指标几乎都与“用户数”、“业务量(即业务对网络资源消耗量)”息息相关。

因此,2/3G电信网络的业务需求可以抽象理解为一个以“用户数”为“变量”的一阶线性方程。电信网络的扩容需求,主要根据新增人数的预测,进行容量规划、设计并予以实施。

(注释:Erl表示通信信道的话务量负荷,即单位小时内信道占用的总时长,信道数量*实际时长/1小时。)

3. 网络能力和业务需求增长的趋势

对于以“人(用户)”为本的网络(电信网、互联网),在过去几十年间,随着用户数量的不断增长,业务需求带动着网络能力持续攀升。其中,业务需求是由“用户数量”和用户的“业务需求”决定的;网络能力是由“网络规模”(节点数量)和“节点性能”决定的。

网络工程师们通过增加网络设备以及替换(升级)网络设备,来保持网络能力的高速增长。虽然在网络发展的前期,用户迅猛的增长速度使得网络发展捉襟见肘,然而整体上,网络(包括电信网和互联网)能力的增长速度超过了连接需求的增长。

在“网络”和“市场”漫长的长跑比赛中,网络能力逐渐“跑赢”了市场需求的增长。这种网络能力的增长发展模式,一直持续到今天,并且网络能力还在扩大领先优势。

网络的“能力增速>需求增速”发展态势,在后通信/互联网时代,体现得非常明显。

由于用户和业务的增速趋缓,而网络的核心组件-网元节点设备(路由器、交换机、电信交换机、防火墙)的能力依然在摩尔定律的推动下持续增长,使得网络能力不再成为瓶颈,而能够满足全球人口的通信连接需求,并且还能兼顾体积和成本:缩小设备体积;减少设备投入网络的数量、设备的换代周期延长等。

此外,摩尔定律,在一定程度上还改变了传统电信设备的设计和生产制造。

原本的电信设备,只能用于电信业务的承载,是针对电信业务的专用信息处理设备。设备通过精密、复杂的内部模块设计,可以最大化地发挥计算性能,以满足电信级的高QoS质量要求和高并发的业务需求。

而随着芯片性能和软件工业的飞速发展,复杂的设备结构,已经可以由通用计算设备(板件)装载行业功能软件来实现了。

并且,能进一步以云计算、虚容器的方式构建虚拟化的网络节点,动态调配计算资源,这正是运营商最近常提起的“NFV”(网络功能虚拟化,Network Function Virtualization)。

【本文是51CTO专栏作者王峰的原创文章,转载请联系作者本人获取授权】

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