現在我們都已熟悉5G所承諾達到的資料速率,峰值超過10Gbps。這通常被稱為增強型行動寬頻(enhanced mobile broadband,eMBB),而且包含常見的網際網路服務如電子郵件、上網瀏覽和視訊串流等。但是5G還遠不止這些,有線網路也必須做出調整,以因應日益增加的流量和低延遲需求。

5G包括大規模機器型通訊(massive machine type communication,mMTC);這類服務專注於遠端感測裝置的有限頻寬接取,例如天然氣、供水和供電儀錶等等。還有一種服務叫超可靠低延遲通訊(ultra reliable low latency communication,URLLC);URLLC可以提供對低延遲要求極高的新服務,比如遠端手術、自動駕駛、工廠自動化和各種各樣的觸覺應用。URLLC將會顛覆網路邊緣,改變我們所熟悉的網際網路服務基礎網路拓撲結構。

要瞭解網路拓撲將如何變化,就需要瞭解現今的網際網路服務的網路拓撲結構。為了更清楚說明,圖1是美國網際網路服務供應商(ISP)提供的高階網路示意圖。

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圖1:Comcast網際網路服務覆蓋區域的高階示意圖(來源:Comcast)

當我們透過網際網路觀看電影或收發電子郵件時,所接受的流量將被傳送到某個ISP,其處於某個被稱為網際網路交換中心(IXP)的特定交換節點處。這些節點在圖1的Comcast地圖中是以白色鑽石來標記,並提供了城市名稱。資料透過網路層次結構進行路由,一直到達家庭或企業;對於上傳的資料,則沿反方向路由,直到資料從IXP發送到目的地。

這種透過ISP網路傳輸資料的方式一直是網路中立性爭論的焦點;美國現已廢除了網路中立性法規要求,無論是什麼內容、來源或應用,ISP都要對流經其網路的流量一視同仁。這些法規不適用於連接至IXP的網際網路網路,例如Netflix或Apple TV等供應商,或者在ISP之間提供長距離網際網路資料傳輸的Cogent或Level 3等一級網際網路提供商的專屬內容傳遞網路(content delivery networks,CDN)。本文無意涉及與美國網路中立性法規相關的討論,只是為了說明ISP的標準模式是如此根深蒂固,深入至「最後一哩」資料交付。這種模式現在面臨被顛覆的危險——5G URLLC和類似的有線服務可提供更好的低延遲服務。

低延遲vs.高頻寬

在評估視訊串流等高頻寬服務的網路服務時,我們通常會想到用Mbps或Gbps來衡量網路速度,這是測量頻寬的有用參數。視訊現已佔據全球所有下載網際網路流量的大部分。在高峰時段,Netflix和YouTube加起來可能佔據美國所有網路流量的一半以上。從某種意義上說,每天晚上美國的網際網路都變成了覆蓋全國的有線電視系統;這一事實促使ISP建立專為視訊流應用最佳化的網路。

在這些應用中,內容傳遞延遲不是那麼重要;這些應用對整個網路的總延遲非常不敏感,只要它們可以緩衝端點附近的資料、並且通道的總頻寬足夠就可以。一般來說,很少有人關心他們在Apple TV上下載的電影是否會有一、兩秒的延遲播放。其他服務也是如此,例如電子郵件、檔案傳輸或資料備份等。

然而,有許多新的服務對延遲十分敏感。研究表明,對於觸覺回饋應用──例如演奏樂器或進行遠端手術──的使用者來說,延遲需要減至約1毫秒,才能感覺是同步。對某些某些控制迴路需要嚴格計時的工廠自動化應用來說也是如此,幾種應用的大致延遲時間如圖2所示。

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圖2:幾種延遲敏感型應用的端對端延遲和可靠性要求(來源:Ericsson)

5G URLLC設計了一種編碼和排程(scheduling)協議,可確保使用者與5G基地台之間的最大延遲小於1毫秒;它還能確保非常可靠的傳輸,但我們可能忽略此點而只專注於延遲。

無論5G URLLC空中連結的性能如何,網路拓撲本身都是一個障礙。參考Comcast的地圖可以看出IXP節點之間的距離很遠;筆者家住在美國科羅拉多州西北部的一個山城,大約在丹佛(Denver)和鹽湖城(Salt Lake City)中間。距離本身受光速限制,這就是一個障礙;光在光纖中的傳輸的速度大約是其自由空間速度的2/3,即大約200,000km/s。考慮1毫秒的端對端延遲要求,這相當於往返200公里(約120英哩);這會使IXP單程服務區域降低到60英哩。

這還沒有考慮多個交換機和路由器引導流量通過網路層次結構所引起的網路設備延遲,而且這也不容忽視,在某個地方還必須有應用伺服器。總而言之,這迫使整個應用要盡可能靠近網路邊緣。從IXP到使用者,通過ISP網路進行資料傳輸的標準模式受到顛覆,需要一種能夠將客戶端設備嵌入網路邊緣的新模式。

其他因素

5G URLLC和類似的低延遲傳遞服務並非顛覆網路邊緣的唯一因素,最早的5G應用之一是固定無線接取(fixed wireless access),即以無線的方式將網際網路服務提供給家庭。美國電信業者Verizon已宣佈為沙加緬度(Sacramento)、休士頓(Houston)、印第安納波利斯(Indianapolis)和洛杉磯(Los Angeles)等城市佈署此類網路。這項服務是DSL或有線電視服務的直接競爭對手,挑戰了美國許多地方實際上的雙頭壟斷情勢;競爭加劇將改變網路供應商、消費者和政府主管機關對網路的看法。

標準模式的展開從來都不單純。Comcast由於將自己的內部網路擴建進區域網路,應該被視為美國的一級供應商,以及ISP,該公司並因此獲得了與其他一級供應商的免費互通(settlement-free peering),從而降低了其網際網路接取成本。

在1990年代誕生的網際網路徹底改變了長途通訊,而網路邊緣雖然速度越來越快,卻仍保持著相同的拓撲和功能。由於5G和低延遲應用的衝擊,這個邊緣也將很快被顛覆。

(參考原文:5G poised to disrupt the network edge,by Larry Desjardin)