未来互联网体系：现状、热点与探索实践

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作者：权伟, 张宏科

随着互联网用户数量和应用规模的不断扩张, 其原始设计在安全性、移动性和可扩展性等方面问题日益凸显, 世界各国争相探索研究未来的互联网体系, 旨在从根本上解决互联网原始设计弊端. 论文阐述了作者对未来互联网体系研究的总结和主要观点: 

 从互联网关键问题出发, 分析了构建新互联网体系的必要性和面临主要挑战, 总结了未来互联网体系的研究现状. 

 评述了未来互联网发展趋势和当前若干新兴热点技术, 如SDN, NFV, NS 和ICN 等. 

 介绍了作者提出的以协同标识为特征的新型互联网体系架构, 以及为我国未来互联网体系研究和发展所进行的相关探索.

1概述

现有互联网用户数量和应用规模不断扩大, 其原始设计思想受到严重挑战, 逐渐暴露出安全性、移动性、可扩展性差等严重问题, 使得现有互联网无法满足经济与社会发展对信息网络的重大迫切需求. 为了缓解互联网存在的问题, 国内外学者陆续提出了许多 “增量式” 改进方案. 然而, 持续的 “打补丁” 方式使得原来简单的体系结构和机制变得复杂, 造成网络可管性受限、灵活自适应性降低, 同时增加入侵风险等. 因此, 国际上陆续开始超前地、跨越式地重新构思和设计新互联网体系来适应未来互联网发展.

构建新型互联网体系是业界目前公认的一项科学难题, 也是当前世界各国信息网络领域争相研究的焦点, 面临多重技术挑战: 

难以探索并找到互联网原始设计严重弊端的根源;

难以短时间对新网络体系与机制的科学性、合理性验证分析;

特别地, 从本质上有效综合解决现有互联网各种严重弊端充满挑战;

尤其是大范围、大规模的系统应用部署极具挑战.

据作者目前调研, 至今尚未见到任何一种综合有效解决上述问题的新型网络系统, 相关研究仍处于起步阶段, 众多设计方案有待进一步分析和验证, 规模部署与应用仍还需时间. 

2未来互联网体系研究现状

针对互联网面临着安全性、移动性、可扩展性差等诸多问题, 国内外各研究机构相继开展了对未来信息网络体系架构的相关研究, 并针对其发展制定了相应的宏观决策、设立了一系列研究计划, 力图抢占未来信息网络领域的制高点.

       代表性地, 美国自然科学基金委(NSF)资助 FIND 计划, 旨在推动新型网络基础设施的研究. 2005 年, 美国NSF启动了全球网络创新环境 GENI 计划. 2010 年, 美国 NSF 连续资助 FIA 计划中的4个未来互联网体系结构项目. 2012 年, ChoiceNet 申请并纳入 FIA 计划, 成为第5个子项目. 同年, 为了进一步完善信息网络与应用的基础研究, 美国启动了“US IGNITE”计划. 在此基础上, 2014 年 FIA 获得 NSF 的滚动资助, 成立了FIA-NP. 2015 年, 美国陆军又启动 WIN-T 项目.

        与此同时, 欧洲多个国家也开展未来网络体系架构的研究. 欧盟 FP6 致力于未来网络技术和系统体系结构的研究, FP7 则启动了未来互联网研究计划 FIRE, 在支持未来网络新方法研究的同时, 重点资助相关原型系统的开发. 2014 年, FP7 陆续启动了一系列 H2020 项目. 2017 年, FP7 进一步设立 H2020-FI 等.

在亚洲, 2006 年日本启动了AKARI 计划, 设计全新的互联网体系架构. 接着, 建立 AsiaFI 论坛促进亚洲国家与其他洲在未来互联网研究方面的合作. 我国也较早地开始对未来信息网络体系结构和关键技术的研究, 国家中长期发展规划将其作为优先发展领域. 国家自然科学基金委员会也陆续启动了 "未来网络体系结构与关键技术"、"后IP 网络体系结构及其机理探索" 等一系列重点项目. 与此同时, 一批国内科研人员投入到国家未来网络创新平台CENI 的建设中.

3热点技术与发展趋势

诸多创新研究为未来互联网体系结构走向稳定成熟奠定了基础. 在世界各国重大计划的支持下, 业界逐渐形成一些热点技术, 如美国 GENI 项目资助的 SDN、欧盟 ETSI 提出NFV、美国 FIA 资助的 NDN 等. 代表性方案如下:

   软件定义网络(Software Dened Network, SDN): SDN 核心技术思想是通过将控制层面与数据层面解耦、集中式软件管理以及可编程化操作等实现网络功能可定制和网络流量的高效、灵活的管理, 从而得到网络性能优化与提升.  

  信息中心网络(Information Centric Networking, ICN): ICN 设计思想是通过 “以信息为中心” 来取代原来的 “以地址为中心”, 提供一种高效可靠的内容分发模式, 来满足未来海量数据通信需求. 

   网络功能虚拟化(Network Function Virtualization, NFV): 欧洲电信标准化组织 ETSI 提出 NFV 网络架构, 解决运营商网络管理设备高成本、高能耗的问题. 

 网络切片(Network Slicing, NS): NS 概念提供一种端到端的解决方案, 允许使用一个通用网络基础设施来创建虚拟网络, 允许在每个网络切片中灵活地配置和重用网络元件和功能, 以满足特定的应用要求.

信息技术的不断发展使得人类对网络的需求多种多样且瞬息万变. 任何一种静态、僵化、固定的网络体系均难以彻底地解决互联网存在的各种问题, 满足人类社会对未来网络发展需求. 因此, 构建智慧、灵活的网络体系, 能够融合多种先进技术, 动态地适应不同应用环境, 实现 “以动制动、以变应变", 是未来互联网发展的必然趋势.

4

智慧协同标识网络体系
——未来网络探索与实践

针对网络体系智慧灵活化的问题, 我国下一代互联网互联设备国家工程实验室团队通过十余年潜心研究, 首次提炼出传统互联网具有 “横紧纵松、三重绑定” 特性, 即 “横向结构紧耦合”、“纵向结构松耦合”, 以及 “用户与网络”、“控制与数据”、“资源与位置” 绑定, 是导致其体系静态、僵化、固定的本质原因. 

为了从根源上解决现有互联网体系 “横紧纵松、三重绑定” 带来的诸多问题, 智慧协同标识网络体系 (Smart Identier Network, SINET) 由我国自主设计并提出. 不同于传统的互联网体系分层结构, SINET 网络体系采用 “两域”、“三层” 的网络模型. 值得提出的是, SINET 的 “两域”、“三层” 的网络模型是一种互联网体系的最优划分方案, 结构简单而又紧凑, 为构建完备的未来互联网体系提供了可供参考的方法.

目前, SIENT 体系的部分研究已得到国际社会的认可. 智慧协同标识网络系统及部分成果成功应用于电信运营商及高铁、工业制造等行业. 代表性地, 智慧协同标识网络在高铁调度应急专网和铁路运维检修专网等专用环境得到规模应用, 成功解决高铁运行场景中远程视频、语音可靠通信等技术难题, 为动车组的安全运行提供可靠保障; 在最高时速300 km/h 的京沪高铁上, 通过网络资源感知协同, 可用带宽提升2.4～5.2 倍, 有效解决高速移动环境下数据高速传输问题; 应用于工业制造领域,在高密集、多跳物联网环境下, 传输可靠性从0.79～0.95 提升到0.95～0.99, 有效解决了极端恶劣工业网络的数据低延时、高可靠传输问题. 值得提出的是, 目前 SIENT 仅仅是完成了第一阶段设计与研究,取得了初步的研究成果, 应用主要针对专网和局域网场景. 在这种架构下, 针对更广泛的应用场景, 进行多种多样的应用设计和大规模的应用验证, 需要更多同行研究者参与、协作和完善. 我们相信, 智慧协同标识网络作为我国自主研发的互联网体系标志性成果之一, 定将逐步实现向移动车联网、工业互联网、天空地网络、卫星导航等重要产业推进, 满足未来网络发展要求, 助力实现我国网络强国梦.

结束语：

互联网体系的变革目前正经历着一个白热化阶段. 世界各国争相探索研究未来的互联网体系, 旨在从不同角度解决消除互联网原始设计弊端. 目前逐渐形成了一些主流技术, 如SDN, NFV, NS 和 ICN 等. 但是, 任何单一技术突破均难以满足未来网络发展的需求. 因此, 该论文指出以智慧协同标识网络为代表, 构建智慧、灵活的网络体系, 能够融合多种先进技术, 动态地适应不同应用环境, 实现\以动制动、以变应变", 是未来互联网发展的必然趋势. 另一方面, 互联网体系研究是一项耗时耗力的工程, 只有在合理的科学理论与方法论基础上, 进行大量技术储备、大范围地协调, 才能构建出满足人类发展需求的未来互联网体系.

未来互联网体系的研究现状、热点与探索实践

权伟, 张宏科

中国科学: 信息科学, 2017, 47(6): 804-810

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http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSI/47/6/10.1360/N112017-00059

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