5G通讯将颠覆网络边缘

现在我们都已熟悉5G所承诺达到的数据速率，峰值超过10Gbps。这通常被称为增强型行动宽带(enhanced mobile broadband，eMBB)，而且包含常见的因特网服务如电子邮件、上网浏览和视讯串流等。但是5G还远不止这些，有线网络也必须做出调整，以因应日益增加的流量和低延迟需求。

5G包括大规模机器型通讯(massive machine type communication，mMTC)；这类服务专注于远程感测装置的有限带宽接取，例如天然气、供水和供电仪表等等。还有一种服务叫超可靠低延迟通讯(ultra reliable low latency communication，URLLC)；URLLC可以提供对低延迟要求极高的新服务，比如远程手术、自动驾驶、工厂自动化和各种各样的触觉应用。URLLC将会颠覆网络边缘，改变我们所熟悉的因特网服务基础网络拓扑结构。

要了解网络拓扑将如何变化，就需要了解现今的因特网服务的网络拓扑结构。为了更清楚说明，图1是美国因特网服务供货商(ISP)提供的高阶网络示意图。

图1：Comcast因特网服务覆盖区域的高阶示意图（来源：Comcast）

当我们透过因特网观看电影或收发电子邮件时，所接受的流量将被传送到某个ISP，其处于某个被称为因特网交换中心(IXP)的特定交换节点处。这些节点在图1的Comcast地图中是以白色钻石来标记，并提供了城市名称。数据透过网络层次结构进行路由，一直到达家庭或企业；对于上传的数据，则沿反方向路由，直到数据从IXP发送到目的地。

这种透过ISP网络传输数据的方式一直是网络中立性争论的焦点；美国现已废除了网络中立性法规要求，无论是什么内容、来源或应用，ISP都要对流经其网络的流量一视同仁。这些法规不适用于连接至IXP的因特网网络，例如Netflix或Apple TV等供货商，或者在ISP之间提供长距离因特网数据传输的Cogent或Level 3等一级因特网提供商的专属内容传递网络(content delivery networks，CDN)。本文无意涉及与美国网络中立性法规相关的讨论，只是为了说明ISP的标准模式是如此根深蒂固，深入至「最后一哩」数据交付。这种模式现在面临被颠覆的危险——5G URLLC和类似的有线服务可提供更好的低延迟服务。

低延迟vs.高带宽

在评估视讯串流等高带宽服务的网络服务时，我们通常会想到用Mbps或Gbps来衡量网络速度，这是测量带宽的有用参数。视讯现已占据全球所有下载因特网流量的大部分。在高峰时段，Netflix和YouTube加起来可能占据美国所有网络流量的一半以上。从某种意义上说，每天晚上美国的因特网都变成了覆盖全国的有线电视系统；这一事实促使ISP建立专为视讯流应用优化的网络。

在这些应用中，内容传递延迟不是那么重要；这些应用对整个网络的总延迟非常不敏感，只要它们可以缓冲端点附近的数据、并且信道的总带宽足够就可以。一般来说，很少有人关心他们在Apple TV上下载的电影是否会有一、两秒的延迟播放。其他服务也是如此，例如电子邮件、文件传输或数据备份等。

然而，有许多新的服务对延迟十分敏感。研究表明，对于触觉回馈应用──例如演奏乐器或进行远程手术──的使用者来说，延迟需要减至约1毫秒，才能感觉是同步。对某些某些控制回路需要严格计时的工厂自动化应用来说也是如此，几种应用的大致延迟时间如图2所示。

图2：几种延迟敏感型应用的端对端延迟和可靠性要求（来源：Ericsson）

5G URLLC设计了一种编码和排程(scheduling)协议，可确保用户与5G基地台之间的最大延迟小于1毫秒；它还能确保非常可靠的传输，但我们可能忽略此点而只专注于延迟。

无论5G URLLC空中链接的性能如何，网络拓扑本身都是一个障碍。参考Comcast的地图可以看出IXP节点之间的距离很远；笔者家住在美国科罗拉多州西北部的一个山城，大约在丹佛(Denver)和盐湖城(Salt Lake City)中间。距离本身受光速限制，这就是一个障碍；光在光纤中的传输的速度大约是其自由空间速度的2/3，即大约200,000km/s。考虑1毫秒的端对端延迟要求，这相当于往返200公里(约120英哩)；这会使IXP单程服务区域降低到60英哩。

这还没有考虑多个交换机和路由器引导流量通过网络层次结构所引起的网络设备延迟，而且这也不容忽视，在某个地方还必须有应用服务器。总而言之，这迫使整个应用要尽可能靠近网络边缘。从IXP到用户，通过ISP网络进行数据传输的标准模式受到颠覆，需要一种能够将客户端设备嵌入网络边缘的新模式。

其他因素

5G URLLC和类似的低延迟传递服务并非颠覆网络边缘的唯一因素，最早的5G应用之一是固定无线接取(fixed wireless access)，即以无线的方式将因特网服务提供给家庭。美国电信业者Verizon已宣布为沙加缅度(Sacramento)、休斯敦(Houston)、印第安纳波利斯(Indianapolis)和洛杉矶(Los Angeles)等城市布署此类网络。这项服务是DSL或有线电视服务的直接竞争对手，挑战了美国许多地方实际上的双头垄断情势；竞争加剧将改变网络供货商、消费者和政府主管机关对网络的看法。

标准模式的展开从来都不单纯。Comcast由于将自己的内部网络扩建进局域网络，应该被视为美国的一级供货商，以及ISP，该公司并因此获得了与其他一级供货商的免费互通(settlement-free peering)，从而降低了其因特网接取成本。

在1990年代诞生的因特网彻底改变了长途通讯，而网络边缘虽然速度越来越快，却仍保持着相同的拓扑和功能。由于5G和低延迟应用的冲击，这个边缘也将很快被颠覆。