建设网络创新环境，推动网络技术革新
毋
庸置疑，如今互联网对国家安全、社会进步和经济发展都起着重大作用，已经成为世界各国社会和经济发展高度依赖的基础设施；但是随着互联网的快速发展，其覆盖范围、应用类型等不断扩张，互联网基础设施存在很多架构问题，难以满足应用需求。
许多创新的未来网络技术和架构被提出，但是难以在互联网大规模真实环境下部署试验。新型网络体系结构和新型网络协议在设计方法、编址方式、转发机制、控制模式等方面存在巨大差异，而当前网络设备和试验环境的封闭性又严重制约着网络的技术创新和体系演进。设计和实现促进未来网络体系结构创新的环境，对支撑未来网络的技术创新和体系演进具有重要的意义。
针对网络体系结构创新试验问题的挑战，清华大学牵头国家863计划项目“未来网络体系结构和创新环境”，提出构建未来网络体系结构创新环境（FINE）。该项目由清华大学牵头负责，清华大学、中国科学院计算所、北京邮电大学、东南大学、北京大学等分别负责各课题。项目的目标是：采用创新理念和技术路线，研究未来网络创新体系结构，突破关键技术，研制新型网络设备和软件系统，建设未来网络体系结构的创新试验环境。研究内容中心网等各种新型网络体系结构和新协议，依托FINE进行实验验证。
在系统设计上，FINE利用抽象设计的思想，建立数据平面抽象、控制平面抽象、网络资源抽象3层抽象。通过数据平面抽象，在网络设备层面兼容各种开放的转发技术，既兼顾了试验网建设和部署成本，又能够提供支持网络创新的各类转发能力。通过控制平面抽象，屏蔽下层多种数据平面抽象的异构性，为上层应用提供统一的控制接口和统一的网络视图，为新体系和新协议的灵活、高效实现提供了支持。通过网络资源抽象，建立多个特定的逻辑视图，为多个体系和多个业务同时运行提供平台支撑。
软件定义网络（SDN）的核心价值在于具有对其他体系结构进行描述能力的“元体系结构”，因此项目组选择了SDN思想作为未来网络体系结构创新环境的设计思想。FINE的总体架构包括4个层次，即设备资源平面、网域控制平面、应用平面以及管理平面（如图1所示）。该架构可更加灵活、方便地支持各种新型网络体系结构和新网络业务。
图1 未来网络体系结构创新环境（FINE）总体架构
FINE总体架构的最下层是设备资源平面，包括网络设备和数据平面抽象两个子层。
在设备资源平面之上，将网络的控制平面与数据平面设备资源分离，形成一个统一的网域控制平面，该控制平面以网域操作系统和虚拟化云服务平台两个子层，屏蔽下层转发平面的多样性和异构性，并为上层应用提供统一网络视图和统一控制接口。
图1中，右边是FINE总体架构的管理平面。其根据未来网络的特点和管理需求，通过感知预测、主动探测、性能推理、故障检测与定位、接口标准化与测试等手段，完成对未来网络应用层需求及网络层实时状态的全面动态感知，为未来网络资源的动态分配与调度提供基础。
FINE总体架构的最上层是新型网络体系/协议的应用平面。新体系和新协议通过调用控制接口，请求试验的虚拟网络和相应的网络资源，并能够利用网域操作系统提供的控制接口快速实现体系和协议功能。
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项目在新型网络设备、未来网络管理平台、内容中心新型网络体系结构、创新环境建设等方面取得了创新性成果，获得了学术和产业界的高度评价。
虚拟化可编程路由器
可编程虚拟路由器已在南京开通的小规模实验环境中测试部署。该试验环境作为新型网络协议并行实验的平台，已支持多个实验测试。例如，新型的面向服务的未来互联网体系结构（SOFIA）是一种非IP体系结构，传统路由器并不支持该协议数据包的转发处理。项目组通过可编程虚拟路由器（如图2所示）的开放接口，将SOFIA成功部署在多台路由器上，测试了文件下载等典型应用。
图2 虚拟化可编程路由器层次结构
未来网络测量和管理平台
项目组研制了一个未来网络测量和管理技术验证平台（如图3所示），实现了资源配置、测量管理、基本监控、资源调度、跨网协商等功能，对未来网络测量与管理中的信息感知机制、分布式测量机制、动态资源调度和重配置、跨网资源调度等关键技术进行了验证。基于研究成果，形成了一项国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）国际标准M.3170.4，为多管理域多提供商异构网络环境下的资源调度接口提供标准化以及测试指导。
图3 未来网络测量和管理平台功能图
基于内容聚类与兴趣适配的双结构内容分发
项目组基于广播通信融合的思想，深入开展了面向未来网络的双结构内容分发技术研究，利用自主研发的内容分发系统和新型网元设备，构建了跨越南京、北京、上海三地的内容分发实验平台（如图4所示），并将其作为FINE的一个典型实例进行了实验验证。同时依托该项目的工作，积极配合参与中国未来网络创新试验设施的建设工作，在面向全国的79个未来网络前瞻性研究课题中表现突出，作为遴选出的5个汇报演示课题之一，进行了成果展示，得到专家的好评。
图4 双结构内容分发综合实验平台示意
项目组提出的统一内容标签（UCL）理念，得到了新华社等单位的重视，各方联合提出的《统一内容标签格式规范》，于2015年1月成为新华社技术标准；同年7月，国家标准化管理委员会对其进行国家标准立项，并于2016年9月通过UCL国家标准的复审。此项工作有望在新闻内容标引、网络内容治理、信息有效利用等方面发挥重要作用。
基于内容名字寻址路由协议
在内容中心网络体系结构方面，项目组围绕内容名字寻址路由，重点开展了内容寻址、路由和缓存等方面的研究，突破了现有内容命名、名字路由等技术的局限性，并开发了国内首个HTTP内容寻址协议（如图5所示）及内容网络原型系统。构建以“泛在缓存”和“命名路由”机制为核心的HTTP-ICN视频内容分发系统，兼容现有互联网，具备“存储换带宽”和“内容寻址”等功能，并得到实际部署。
图5 定向内容寻址协议
未来网络创新环境建设
未来网络创新环境包括数据平面、控制器、设备和试验网建设等多个方面，取得许多创新成果，并得到实际推广应用。
提出的新型数据平面带状态抽象转发（SFA）技术，其论文成果发表在国际一流会议国际纳米光子学会议（ICNP）2015上，并获得了会议“最佳论文提名奖”，已经与相关企业达成技术转让合作协议。提出的新型开放路由数据转发平面OpenRouter，使传统网络设备快速支持类OpenFlow协议、支持控制器的开放式管控。研制了DCS708、DCRS5908等型号的OpenRouter设备，进行了量产和商业化大规模销售。在20多所高校的校园网进行了实际部署和试验。研制的支持OpenFlow 1.3、VxLAN、NETCONF和网络性能测量技术的华三系列交换机已经得到大规模推广应用。
在控制层面，提出了新型的混合式层次化的域内多控制器可扩展控制平面Orion，以及跨域控制机制WE-Bridge，受到国际关注和高度评价。
未来网络创新环境试验网平台包括国内和国际两个部分。项目建设了15节点的FINE国内创新网络试验平台（如图6所示），覆盖教育网、电信、广电、军队等领域网络的15个示范点，是一种大规模、多行业、具有不同网络业务和环境的广泛代表性的软件定义的动态调度虚拟化试验网。该试验网带动了15个节点的开放网络设备、软件定义网络、动态调度的虚拟化试验网的相关研究，为构建更大规模的创新网络试验平台奠定了基础。
图6 FINE国内创新网络试验平台总体架构
项目建设了横跨亚、美、欧的FINE国际试验平台，实现了中国、日本、美国、荷兰等SDN试验网的域间互联、试验与应用，为构建更大规模的SDN国际互联网奠定了基础。
基于以上15个节点的FINE国内创新网络试验平台和横跨亚美欧的FINE国际试验平台建设，项目组对多种新体系结构和IP新协议的支持情况开展了充分的试验与验证，包括基于SDN的接入网源地址验证的试验、基于OpenRouter的域内源地址验证的试验、基于SFA的带状态防火墙和快速重路由的试验、双结构内容分发系统的试验、SDN域间细粒度路由的试验、命名数据网路由协议的试验。
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目组通过3年攻关，构建了未来网络创新平台，为中国未来网络基础设施重大科技项目奠定了重要的基础。接下来的研究将主要集中于以下4个方面。
进一步加强可编程网络设备的研究和推广应用：可编程虚拟路由器将不仅在未来网络创新环境中广泛推动应用，而且将作为网络功能虚拟化（NFV）的核心设备。为此，项目组将研究虚拟I/O性能优化、网络功能服务链编排以及数据包高效处理等关键技术，由一个物理设备商支持多个网络功能运行，从而构建网络功能云（Network Function Cloud）架构和系统。
进一步加强未来网络管理平台的研究：项目组研究的网络测量技术成果可直接应用于网络节点设备，如网络测量设备或路由器，具有良好的产业化前景，将为下一代网络（测量）设备的研制提供理论和实现技术上的支撑；所取得的管理技术成果可直接应用于未来网络的管理控制平台，将为未来网络的灵活高效管控提供重要的支持。
加强内容中心网络体系结构的研究：内容中心网络是当前国内外的研究热点之一，是未来网络体系架构的典型代表，但目前的内容中心网络架构尚不完善，有必要针对安全性、高分发效率等优点进一步开展研究。该项目倡导的广播通信融合的思想，与国家正在推动的天地一体化互联网发展战略、中国未来网络创新试验设施建设高度契合，相关研究工作对加强互联网内容管理、提升信息空间安全同样具有重要意义。项目组将在此基础上，与相关单位开展深层次的合作和项目成果推广，促成双结构网络的落地应用，提高互联网的内容分发效率，缓解信息服务的可扩展性与安全性问题，与业内同行一起共同推动未来网络的发展及其创新应用。
加强未来网络创新环境的研究和支持更多的创新试验：目前项目建设的15节点的FINE国内创新网络试验平台，带动了国内开放网络设备、SDN、动态调度的虚拟化试验网的相关研究，为构建更大规模的创新网络试验平台奠定了基础。项目组将在国家重大科技基础设施“未来网络试验设施”中进一步推广应用该项目的技术，为未来网络创新研究提供更大的试验、验证平台，为国家未来网络创新研究做出更大的贡献。
致谢：感谢国家863计划项目“未来网络体系结构和创新环境”（项目编号：2013AA013500 ）的支持。
毕军：清华大学网络科学与网络空间研究院网络体系结构研究室主任，长江学者特聘教授。
罗军舟：东南大学计算机科学与工程学院院长，教授。
李振宇：中国科学院计算技术研究所副研究员。
李文璟：北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室教授。
张行功：北京大学计算机所副教授。
王旸旸：清华大学网络科学与网络空间研究院博士后。
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