下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

　　互聯(lián)網(wǎng)已成為支撐現(xiàn)代社會發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步的重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。深刻地改變著人們的生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)方式，成為支撐現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步和科技創(chuàng)新的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用水平已經(jīng)成為衡量一個國家基本國力和經(jīng)濟(jì)競爭力的重要標(biāo)志之一。隨著超高速光通信、無線移動通信、高性能低成本計算和軟件等技術(shù)的迅速發(fā)展，以及互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，人們對互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模、功能和性能等方面的需求越來越高。三十多年前發(fā)明的以IPv4協(xié)議為核心技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)面臨著越來越嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：網(wǎng)絡(luò)地址不足，難以更大規(guī)模擴(kuò)展；網(wǎng)絡(luò)安全漏洞多，可信度不高；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量控制能力弱，不能保障高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)帶寬和性能不能滿足用戶的需求；傳統(tǒng)無線移動通信與互聯(lián)網(wǎng)屬于不同技術(shù)體制，難以實現(xiàn)高效的移動互聯(lián)網(wǎng)等等。

　　為了應(yīng)對這些技術(shù)挑戰(zhàn)，美國等發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)90年代中期就先后開始下一代互聯(lián)網(wǎng)研究。中國科技人員于20世紀(jì)90年代后期開始下一代互聯(lián)網(wǎng)研究。目前，雖然基于IPv6協(xié)議的新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輪廓已經(jīng)逐漸清晰，許多廠商已開始提供成熟的IPv6互聯(lián)設(shè)備，大規(guī)模IPv6網(wǎng)絡(luò)也正在建設(shè)并在迅速發(fā)展。但是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)面臨的基礎(chǔ)理論問題并不會隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用而自然得到解決，相反，隨著信息社會和正在逐漸形成的全球化知識經(jīng)濟(jì)形態(tài)對互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不斷提出新的要求，更需要人們對現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行新的思考和研究。近年來國際上已經(jīng)形成了兩種發(fā)展下一代互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)路線：一種是“演進(jìn)性”路線，即在現(xiàn)有IPv4協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)上不斷“改良”和“完善”網(wǎng)絡(luò)，最終平滑過渡到IPv6的互聯(lián)網(wǎng)；另一種是“革命性”路線，以美國FIND/GENI項目為代表，即重新設(shè)計全新的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，滿足未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要。

　　本文首先介紹國際下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，涉及美國和歐洲的GENI［1］、FIND［2］、FIRE［3］以及FIA等計劃。然后介紹中國下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，涉及國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展（“973”）計劃、國家高技術(shù)研究發(fā)展（“863”）計劃和中國下一代互聯(lián)網(wǎng)（CNGI）等項目的研究。在此基礎(chǔ)上，本文分析展望未來下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展趨勢。

　　1 國際下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

　　國際上各個國家的下一代互聯(lián)網(wǎng)研究計劃不斷啟動、實施和重組，其研究和實驗正在不斷深入。從國家地域方面看，美國、歐洲、日、韓都有其各自的計劃和舉措；從研究內(nèi)容方面看，有的關(guān)注網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和試驗平臺的建立，有的關(guān)注體系結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)新；從技術(shù)路線上看，有的遵從“演進(jìn)性”的路線，有的遵從“革命性”的路線。

　　1996年10月，美國政府宣布啟動“下一代互聯(lián)網(wǎng)”研究計劃。陸續(xù)地，一些全球下一代互聯(lián)網(wǎng)項目分別啟動。全球下一代互聯(lián)網(wǎng)試驗網(wǎng)的主干網(wǎng)逐漸形成，規(guī)模不斷擴(kuò)大，包括美國的Internet2、歐洲的GEANT2、亞洲的APAN以及跨歐亞的TEIN2等。這些項目的設(shè)計大多遵循“演進(jìn)性”的技術(shù)路線。

　　另一些研究者認(rèn)為需要從根本上改變互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，才能徹底解決互聯(lián)網(wǎng)所面臨的諸多難題。于是有了“革命性”的研究路線。

　　早在2000年，美國啟動了NewArch項目，其目標(biāo)是“為未來的10到20年開發(fā)和評價一種加強(qiáng)的Internet體系結(jié)構(gòu)”。NewArch項目研究了互聯(lián)網(wǎng)變化的需求，并對一些關(guān)鍵的體系結(jié)構(gòu)問題和思想進(jìn)行了探索，形成了一系列的報告。但其具體實現(xiàn)方案中仍然沿用了現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，僅僅在應(yīng)用層進(jìn)行了功能性驗證。

　　2003年，美國科學(xué)基金會（NSF）啟動Clean Slate 100*100研究計劃，針對“推倒重來，從零開始”的設(shè)計方法論、全面的網(wǎng)絡(luò)框架及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計等3個方面展開研究，計劃到2010年實現(xiàn)1億家庭用100 Mb/s上網(wǎng)。該項目現(xiàn)在已經(jīng)結(jié)束，并未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。此后，美國NSF還啟動了FIND、SING、NGNI等研究項目。2005年，美國NSF又啟動全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境GENI項目，提出了許多新的概念，并引入了OpenFlow作為實驗平臺。

　　2006年，美國NSF再次啟動全新互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計（Clean Slate Design for The Internet）項目，除了斯坦福大學(xué)等高校的團(tuán)隊以外，還有眾多工業(yè)界伙伴參與。項目目標(biāo)是通過建立網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、計算和存儲的創(chuàng)新平臺來徹底改造互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)，其重點是移動計算。

　　2006年，日本政府啟動新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計AKARI項目。希望重新設(shè)計互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。AKARI共分為3個階段（JGN2、JGN2+、JGN3）建設(shè)試驗床。

　　2007年，歐盟啟動未來互聯(lián)網(wǎng)研究和實驗平臺計劃FIRE。目標(biāo)是建立歐洲未來互聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，支持有關(guān)解決網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、復(fù)雜性、移動性、安全性以及透明性問題的新方法研究。

　　2009年，美國NSF啟動針對網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與工程的研究計劃NetSE。并把FIND、SING、NGNI等3個項目并入到NetSE，希望通過跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的聯(lián)合研究，突破未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究。2010年NSF又設(shè)立了未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)計劃FIA。

　　1.1 全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境

　　2005年NSF出資3億美元提出全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境（GENI）計劃。GENI計劃的目的是構(gòu)建一個全新的、安全的、能夠連接所有設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)，以促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并刺激科技創(chuàng)新，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長。GENI由兩部分組成：研究計劃和實驗設(shè)施。“研究計劃”的重點是研究創(chuàng)造新的核心功能，包括要超越現(xiàn)有的數(shù)據(jù)報、分組和電路交換框架，設(shè)計新的命名、尋址和身份識別體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制和新的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，使下一代互聯(lián)網(wǎng)具有高度安全性和可管理性；“實驗設(shè)施”的重點是研究能夠提供包括傳感器和無線移動通信設(shè)備等在內(nèi)的多種接入技術(shù)，并能夠部署和驗證新的體系結(jié)構(gòu)。

　　GENI的設(shè)計思想中引入了切片化、虛擬化和可編程，按照需要支持的業(yè)務(wù)類型虛擬地將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備劃分資源和處理能力。

　　GENI參考了OpenFlow［4］技術(shù)。OpenFlow是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)，允許人們在實際網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行試驗協(xié)議，基本思想是：OpenFlow交換機(jī)由數(shù)據(jù)流表、安全通道和OpenFlow協(xié)議3個組成部分，網(wǎng)絡(luò)中的路由和交換設(shè)備的最核心的路由和交換信息都存放在“數(shù)據(jù)流表”里。OpenFlow提出通用的“數(shù)據(jù)流表”設(shè)計思想，每一條“表項”支持規(guī)則、操作和狀態(tài)3個部分。靈活地定義“數(shù)據(jù)流”，同時“數(shù)據(jù)流表”支持多種遠(yuǎn)程的訪問和控制，從而達(dá)到滿足各種需求，控制流量的目的。

　　GENI項目的發(fā)展遵循一種結(jié)構(gòu)化的自適應(yīng)的螺旋式的過程，包括規(guī)劃、設(shè)計、實現(xiàn)、集成和應(yīng)用。2009年1月，GENI實現(xiàn)了新的原始的端到端的工作模型的開發(fā)、整合和試運(yùn)行。下一階段，建立真正的大規(guī)模的虛擬實驗環(huán)境，加強(qiáng)國際合作是其重點。

　　1.2 未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計項目

　　未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計項目（FIND）是由NSF的“網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和技術(shù)研究計劃”（NeTS）于2005年提出的一個長期計劃。FIND在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各個方面的研究和設(shè)計都盡量做到不受到以往的研究思路的影響和束縛，即“Clean Slate Process”。FIND的目標(biāo)是設(shè)計一種全新的滿足未來15年社會需求的下一代互聯(lián)網(wǎng)，其核心功能應(yīng)安全、健壯、可管理、集成新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)理論。

　　FIND計劃初擬分成3個階段：第1階段（2006到2008年）關(guān)注基礎(chǔ)研究，解決互聯(lián)網(wǎng)安全、命名及路由等基礎(chǔ)問題；第2階段（2009到2011年）提出可能不只一個的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方案；第3階段（2012到2014年）在GENI等實驗床上測試和論證。

　　2009年4月，F(xiàn)IND發(fā)布了新的專家評估報告［5］，建議繼續(xù)FIND項目，并在網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)管理和項目總體集成方面投入更多研究精力。

　　1.3 未來互聯(lián)網(wǎng)研究和試驗項目

　　2007年，歐盟在其第七框架（FP7）中設(shè)立了未來互聯(lián)網(wǎng)研究和試驗（FIRE）項目。FIRE的主要研究內(nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議的新設(shè)計；未來互聯(lián)網(wǎng)日益增長的規(guī)模、復(fù)雜性、移動性、安全性和通透性的解決方案；在物理和虛擬網(wǎng)絡(luò)上的大規(guī)模測試環(huán)境中驗證上述屬性。

　　FIRE和GENI有著很多的相似之處。它們都關(guān)注如何搭建試驗環(huán)境為理論研究提供證據(jù)支持。FIRE也希望通過螺旋式的部署方案，突破地理限制，建立全球性的大規(guī)模試驗環(huán)境；FIRE同樣采用虛擬化思想，該技術(shù)將獨(dú)立存在的資源和設(shè)施聯(lián)系起來；FIRE同樣也具有聯(lián)盟和跨學(xué)科等特點。

　　1.4 未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)計劃

　　2010年美國NSF設(shè)立了未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)（FIA）計劃。FIA的目標(biāo)是設(shè)計和驗證下一代互聯(lián)網(wǎng)的綜合的新型的體系結(jié)構(gòu)，為期3年（2010到2013年），研究范圍包括：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、性能評價、大規(guī)模原型實現(xiàn)、端用戶應(yīng)用試驗等。FIA資助了4個項目，分別致力于未來網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計的不同方向，同時也為集成架構(gòu)方面有所考慮，為建立綜合的可信的未來網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)努力。

　　NDN［6］項目致力于使互聯(lián)網(wǎng)支持不考慮內(nèi)容存儲所在的物理位置，直接提供面向內(nèi)容的功能。NDN網(wǎng)絡(luò)將通信的模式從關(guān)注于“在哪”，例如地址、服務(wù)器、端系統(tǒng)，到關(guān)注于“是什么”，即用戶和應(yīng)用關(guān)注的內(nèi)容。NDN通過命名數(shù)據(jù)而不是它們的位置地址，把數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)實體。項目重點研究建立NDN網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括路由可擴(kuò)展性、快速轉(zhuǎn)發(fā)、信任模型、網(wǎng)絡(luò)安全、內(nèi)容保護(hù)和隱私，以及新的支持這一設(shè)計的基礎(chǔ)通信原理。

　　MobilityFirst［7］項目則致力于對無縫的平滑的移動性的支持，它以支持移動節(jié)點間的通信為主，而不再是把對移動性的支持當(dāng)成互聯(lián)網(wǎng)連接中的一種特殊情況。這一體系結(jié)構(gòu)使用“全面延遲容忍網(wǎng)絡(luò)”（GDTN）來提供通信穩(wěn)定性，關(guān)注于移動性和可擴(kuò)展性的平衡，以及充分利用網(wǎng)絡(luò)資源來實現(xiàn)移動端點間的有效通信。主要的技術(shù)包括分布式的命名服務(wù)和延遲容忍的路由和傳輸?shù)取?/p>

　　NEBULA［8］項目的名字是拉丁文“云”的意思，它是一個體系結(jié)構(gòu)，其中云計算數(shù)據(jù)中心是主要的數(shù)據(jù)存儲和計算核心。在這一未來的模型中，數(shù)據(jù)中心被高速的、可靠的、安全的骨干網(wǎng)絡(luò)連接在一起。這一項目致力于建立一個以云計算為中心的體系結(jié)構(gòu)。

　　XIA［9］項目致力于構(gòu)建一種未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，具有以下特點：可信、支持長期更新的多種使用模型、支持長期的技術(shù)革新、支持不同網(wǎng)絡(luò)組成角色間的明晰的接口。XIA體系結(jié)構(gòu)的核心是XIP協(xié)議，該協(xié)議支持不同類別目標(biāo)直接的通信。XIA目標(biāo)主要指內(nèi)容、服務(wù)和端系統(tǒng)3種情況。協(xié)議簇將保留TCP/IP協(xié)議族的細(xì)腰特性，即在中間采用互操作協(xié)議定義最簡單基礎(chǔ)的功能。