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1、未来网络体系架构的发展趋势未来网络体系架构的发展趋势华南师范大学计算机学院中文摘要随着计算机技术和互联网业务的蓬勃发展，面对用户对当前网络提出的越来越多的需求，传统的因特网架构开始遇到瓶颈，包括管控性、可扩展性、安全性和移动性等一系列问题。网络业务和应用的进一步扩展受到限制，促使互联网向下一代网络迈进和发展。本文将概括在未来网络领域的研究现状，归纳当前网络存在的一系列问题，并根据“改良式”和“改革式”的两条研究路线对部分研究成果进行介绍。在此基础上，文章将对未来网络的研究进展做出总结，并结合当前存在的问题对提出对未来网络的展望。关键词： 因特网架构， 未来网络， 改良式， 改革式 目录中文摘要
2、IAbstractII1 引言22 传统网络存在的问题33 国内外研究现状43.1 美国的GENI、FIND和FLA43.2 欧盟新一代互联网研究计划FIRE43.3 我国下一代互联网基础理论研究现状43.4 其他国家在该领域的研究现状54 改良式的未来网络研究64.1 下一代IP协议IPv664.1.1 IPv6产生背景64.1.2 IPv6介绍64.1.3 IPv6的优点84.2 Loc/ID Split名址分离网络体系94.2.1 名址分离网络体系产生背景94.2.2 LISP名址分离网络协议介绍94.2.3 LISP的移动性扩展104.2.3 LISP的移动性扩展105 改革式的未来网
3、络研究115.1 NDN命名数据网络115.1.1 NDN命名数据网络产生背景115.1.2 NDN网络的体系结构115.1.3 NDN体系架构具备优点145.2 SDN软件定义网络155.2.1 SDN软件定义网络诞生背景155.2.2 SDN网络体系架构介绍155.2.3 OpenFlow协议介绍165.2.4 软件定义网络的优点176 未来网络的发展186.1 革命式和改良式架构的关系186.2 未来互联网的体系结构应遵循简单开放原则186.3 未来互联网体系结构应内嵌安全等安全需求186.4 未来互联网体系结构将更多的面向服务196.5 未来互联网体系结构将更具有智能化特征197 总结
4、20参考文献21致 谢22 1 引言让我们回顾一下互联网的发展历史。在上世纪六十年代，人们开始研究不同于电话网络的的分组交换网络。随后以ARPANET(The Advanced Research Projects Agency Network，美国国防高等研究计划署开发的世界上第一个运营的封包交换网络)为代表，人们开始研究如何将各种采用不同协议的网络进行网络互联。1982年，TCP/IP协议簇被标准化，世界范围的全互联的TCP/IP网络Internet的概念被引入。1989年，中国高速互联研究实验网NCFCNET 建立。1994年，中国第一个国际互联网络中国科技网CSTNET诞生。到2009年
5、，全球互联网用户数已经超过18亿。仅短短40余年，互联网飞速发展，规模庞大，日益普及，应用丰富多彩，深刻地改变了人们的生产和生活方式。互联网取得了当初设计时无法料想到的巨大的成功。尽管如此，互联网的发展仍面临着越来越多的问题和挑战，其中一些问题可以通过修补来得以解决或缓解，但更多的问题需要从互联网体系结构的根本上来解决。很多学者指出只有设计好互联网的体系结构，才能满足未来互联网的发展。因此，近年来，对于未来互联网体系结构的研究成为网络领域的研究热点，各个国家如美国、欧盟、日本及中国等国家和地区都启动了未来互联网体系结构方面的研究项目。综合来看，未来互联网的研究方向主要有“改革式”和“改良式”两
6、种。前者认为现有的互联网体系结构已经不能满足未来对于互联网的需求，因此，互联网需要从零开始，重新构建一个全新的网络结构。而“改良式”的观点认为，目前的互联网已成规模，从零开始是不现实的，应当在现有的面向服务网络的体系结构基础上进行改进、整合或改良，从而靠向未来网络需求的方向不断演进。2 传统网络存在的问题传统互联网在40余年的时间内飞速的发展，但是伴随着互联网商业模式的逐步转变和多样化，互联网体系架构中最初的一些设计理念开始显露弊端，成为当前网络向前发展难以克服的困难和日后发展的隐患。当前传统网络暴露出来的问题主要有以下几种：(1) IP短缺互联网的成功在很大程度上归功于IP的简单性、统一性以
7、及全球可达性。然而，作为互联网的基础资源，IPv4地址已出现了严重的紧缺态势，向IPv6协议过渡成为必经之路。如何实现向下一代互联网的平滑演进，确保互联网的可持续性发展是当前互联网需要解决的重要问题。(2) 路由可扩展性随着Internet规模的不断扩大和用户的不断增加，出现了全球的路由表项急剧膨胀。通常，在Internet上执行BGP协议的路由器会拥有数十万个条路由表项，庞大的路由表使得路由更新速度和查询速度变慢，使得路由器成为了网络性能的瓶颈。(3) 网络性能和服务质量当前的互联网的网络层结构遵循尽力而为的思想，网络的行为是自发不可控的，这使在互联网上直接承载的电信业务不能保证其服务质量。
8、传统电信网络是基于信令和面向连接的，通过网络资源独占的方式来保障服务质量。(4) 安全性互联网设计之初，网络规模限制在一个相对封闭、可控的范围内，基本不存在安全隐患。而网络技术和网络应用的发展最终促使互联网成为一个开放、不可控的复杂系统，由此不可避免地面临多种安全问题。(5) 移动性随着便携式移动终端日益普及，移动终端上的业务流量占网络流量的比重日益增加。终端的移动性显著加剧了网络的动态性及其上承载服务的不稳定性。其次，物联网的出现使得智能终端的数量爆炸式增长。这些都对当前互联网的移动性提出了新的挑战。3 国内外研究现状面对互联网在飞速发展中暴露出的越来越多的问题，许多发达国家均先后启动了下一
9、代互联网的研发和建设，这些具备先进性和试验性的网络科研成果为下一代互联网及未来互联网的关键技术研究提供了优良的实验环境，并且在其自身的不断发展和演进中，也在探索和验证未来互联网的体系结构。3.1 美国的GENI、FIND和FLA美国自然科学基金会NSF于2005年启动了两项新一代互联网研究计划：GENI（Global Environment for Networking Innovation）和FIND（Future Internet Design）。GENI旨在构建一个全新的、安全的、能够连接所有设备的互联网，以促进互联网的发展并刺激创新，促进经济增长。它的目标是发现和评估可以作为21 世纪
10、互联网基础的新的革命性概念、示范和技术，建立一个用于研究未来互联网体系结构、服务和过渡的一个实验环境，提供更多数量和更好质量的研究平台，并能将研究成果迅速转化为实际的产品和服务，让当前的网络较快过渡到新的网络体系结构。FIND鼓励研究人员采用革命性(Clean-Slate)设计方法重新设计一个崭新的未来互联网体系。2005 年开始，FIND 资助了关于未来网络各个方面的50 多个研究项目，包括新型体系结构、路由机制、网络虚拟化、内容分发系统、网络管理、感知与测量、安全、无线移动等。FIA 是继FIND 之后的未来网络下一研究阶段计划，它于2010 年启动并陆续启动支持了NDN、Mobility
11、First、Nebula、XIA、ChoiceNet 五个项目，这些项目分别从内容中心网络架构、移动网络架构、云网络架构、网络安全可信机制、经济模型等方面对未来网络架构的关键机理进行探索研究。3.2 欧盟新一代互联网研究计划FIRE2007年初，欧盟正式设立了“未来互联网研究和试验”项目FIRE(Future Internet Research and Experimentation)。FIRE是一项长期的试验驱动的原创性研究，涉及未来互联网的概念、协议和体系结构、相关的科技、工业和社会经济学等方面。其主要研究内容包括:网络体系结构和协议的新方法；管理未来互联网日益增长的规模、复杂性、移动性、
12、安全性和通透性；在物理和虚拟结构的大规模测试环境中验证上述属性。3.3 我国下一代互联网基础理论研究现状面对互联网的主要技术挑战和下一代互联网的重大需求，我国较早的展开了下一代互联网基础理论研究。2003年就启动了中国下一代互联网示范工程CNGI(Chinas Next Generation Internet)这一重大项目。该项目主要目的是搭建以 IPv6 为核心的下一代互联网实验平台。除 CNGI 项目外，自 2003 年，国家“973”项目又陆续支持了新一代互联网相关研究，该项目的主要目标是：(1) 在基础理论方面，围绕新一代互联网络发展过程中的主要矛盾研究新一代互联网络的基础理论问题，建
13、立新一代互联网络体系结构的多维可扩展模型和分析验证理论；建立互联网动态行为模型和分析理论；建立互联网的资源管理与控制理论；研究互联网的脆弱性模型并建立可信性模型理论；建立互联网的服务模型和服务管理理论；建立系统的互联网科学实验理论框架和多维网络行为观测模型。(2) 在网络体系结构设计和实现方面，基于上述理论成果，设计出面向新一代互联网络的提供多维可扩展的、可管理的、安全的网络体系结构和服务总体框架，设计其中主要的协议机制、关键算法并实现可运行验证的原型系统。 (3) 在实验平台建设和实验方面，提出互联网基础研究的综合实验验证理论框架，为基础研究成果的实验验证提供理论支持；依托国家已有的下一代互
14、联网试验平台，建设一个新一代互联网技术的实验、验证和演示平台，为基础研究成果的实验验证提供实验环境；依托实验平台完成一系列典型实验和展示项目。在这些项目的资助下，我国也提出了一些新型的互联网体系结构方案。比如由钱华林研究员等提出的层次交换网络体系结构，由张宏科教授等提出的普适服务网络体系结构等。3.4 其他国家在该领域的研究现状在未来互联网研究上，日本和韩国也启动了多项研究项目，如日本国家信息通信研究院主导的AKARI项目，韩国电子通信研究院主导的FIRST项目等。在国际上，有关未来互联网体系结构方面的重大项目大多数采用革命式 (clean-slate)的设计路线，并大都基于科研网络来研发新型
15、体系结构及建设大规模试验床。到目前为止，未来网络的发展总体还处于探索阶段，当前均有一些未来互联网体系结构的研究思路和方向提出，但实际应用中尚未有成熟的方案及部署实现。4 改良式的未来网络研究改良式，又称为“dirty-Slate”或“进化式”路线，其思路是针对现有互联网体系结构存在的不足进行增量式修补。如解决地址问题的CIDR协议、解决安全认证问题的IPSec协议、以及解决用户移动性问题的Mobile-IP协议，它们都是针对现有互联网体系结构进行改良而提出的。改良派学者认为，互联网的研究目标在于理解当前互联网的行为，确认存在的或者紧迫的问题，并在与旧系统兼容和增量部署两个限制条件下解决问题，而革命式的思路超越了当前互联网体系结构，并没有考虑转换代价，导致提出的方案部署开销非常庞大。4.1 下一代IP协议IPv64.1.1 IPv6产生背景第二代互联网IPv4技术的最大问题是网络地址资源有限。从理论上讲，IPv4可编址1600万个网络、40亿台主机，
