向未来互联网演进

• 互联网自身多个方面都面临着诸多相互关联的关键问题需要研究和解决
• IPv6沿用了IPv4的体系架构，是改良型技术路线的代表
• 未来互联网能否成功依然面临诸多挑战 

1 “未来”互联网的演变
    互联网自诞生以来，其终端、承载网络和应用等都已发生了翻天覆地的变化，但仍然有一个几乎不变的话题：互联网的“未来”在哪里？在互联网的历史发展阶段中，“未来”不断成为“历史”，同时又产生新“未来”和新问题。互联网不同的发展阶段，面临的问题和解决手段也有所不同，大致可以划分为4个阶段[1-2]。

    (1) 理论准备阶段（20世纪60年代）。互联网采用的核心技术是包交换技术，这一时期业界讨论的焦点是包交换技术是否具有“未来”。20世纪60年代初，Paul Baran等人发表论文[3]，提出组建基于包交换技术的网络，在技术上是完全可行的。但由于当时占主流的电路交换技术所带来的强大商业利益和政治影响力，以及计算机技术和数字化技术仍处于发展初期等原因，直接导致当时一些大牌计算机公司和电信公司，总体上都质疑甚至反对包交换技术，认为它没有“未来”。这一时期的典型特征是学术界奠定了互联网技术的理论基础，但产业界主流观点尚未接受，互联网的“未来”还只停留在纸面上。

    (2) 实验阶段（1969—1993年）。仅有建立互联网的理论是远远不够的，还需要通过试验来验证组建的可行性，证明在现实中互联网是有“未来”的。1969年阿帕网的诞生表明从工程技术上讲，组建包交换的网络用于连接计算机是完全可行的。1983年传输控制协议/网际互联协议(TCP/IP)在互联网上的成功应用表明，业界已经找到了这样一种异构网络、大规模互联的技术。这一时期的典型特征有两个：包括IP在内的各种包交换技术，工程上已经证明是完全可行的；以电信业为主体支持的X.25和异步转移模式(ATM)等包交换技术，与以计算机业为主体支持的TCP/IP和以太网技术，展开了激烈的竞赛。

    (3) 应用阶段（1994—2001年）。这一时期随着Tim Berbers Lee [4]在互联网上发明了万维网这样的“杀手级”应用，TCP/IP技术战胜ATM等技术成为最大的赢家，IP化成为潮流。互联网这一时期面临的最重要挑战已不再是证明自身技术的可行性和稳定性，而是考虑统一后如何建设一个新世界。因此互联网“未来”的主要矛盾开始从“外部”转向“内部”，即自身的发展问题。IPv4地址(尤其是B类地址)即将耗尽和路由表的不断膨胀，是自90年代以来互联网面向“未来”的核心问题。互联网工程任务组(IETF)提出发展下一代互联网(NGI)的建议，并且给出权威答案——IPv6。从这时起业界普遍认为，互联网的“未来”在于用IPv6替代IPv4。

    (4) 发展阶段（2001年至今）。随着互联网社会化应用的不断发展，尤其是应用目的从教育科研的“公益”转向以盈利为目的的“商用”，用户群体从“自律”的科研人员转向普通大众，应用环境从数据为主转向话音和视频，接入方式从固定转向移动，终端从计算机转向手机。互联网自身从资源、网络到应用，从管理、安全到政策等，都面临着诸多相互关联的关键问题需要研究和解决。越来越多的人认为IPv6难以满足这些未来发展的需要，业界呼唤更先进、更强大的“未来”互联网。为了区别于IPv6为代表的“下一代互联网”，“未来互联网”在2005年前后开始出现 [5-7]。

2 IPv6的局限性
    关于IPv6和下一代互联网的关系，目前的主流观点认为“IPv6是下一代互联网技术的核心”，或者“基于IPv6的下一代互联网”，但总体来看，IPv6在下一代互联网中的地位随着时间的推移被不断弱化。

    IPv6的设计始于大约20年前。上世纪90年代初，IETF提出做下一代IP(IPng)的直接原因： IPv4地址即将耗尽(尤其是B类地址)及路由表的快速膨胀。这两者的出现将直接导致互联网无法持续发展。为此，1993年在RFC1550[8]中提出了征求新IP协议的呼吁，以替代当时已经使用了10年的IPv4协议，并公布了新协议需实现的主要目标。

    在RFC1550中提出的下一代互联网协议的主要目标包括：“支持几乎无限大的地址空间”、“减小路由表的大小”、“简化协议提高使路由器的性能”、“实现IP级的安全”、“支持实时业务”、“支持组播”、“Mobile IP的支持”、“允许新旧协议共存一段时间”等。这些目标中潜在的矛盾是不可避免的，因此具有不同的实现优先级。编址相关问题(含路由)最为突出，因此它自然而然地成为最高优先级的问题。
后来IETF得到了多个IPng提案，并取长补短，于1998年融合成了现在的IPv6协议。很明显，最后正式批准通过的IPv6技术[9] ，以地址空间的加长为128 bit为核心思想，部分满足了RFC1550提出的主要需求。直至今日虽然基本的IPv6地址长度、包头、路由和安全等机制已经确定和稳定，但一些所谓的“高级”特点仍在不断地发展完善中。

    IPv6所针对的需求是在20年前提出的，当时的互联网还没有商用，安全问题不突出，移动互联网、三网融合甚至物联网的概念也还没出现。因此IPv6沿用了当时看来非常完美的IPv4互联网体系架构(端到端透明)，而且主要针对的是地址短缺和路由扩展性等编址问题。现在看来，不仅是IPv6技术需要不断前进，当时RFC1550提出的对下一代互联网的需求也应该与时俱进。时代呼唤“未来互联网”。

3 未来互联网的研究
    未来互联网/网络存在着多个研究方向和热点，如虚拟化网络、自动网络、层次交换网络、高性能网络、安全可信网络、长距低耗网络及高带宽长延时网络等。针对这些重要方向，目前各国都在积极制订政策，并投入大量的资金开展研究，力求在下一代互联网的研究方面取得先机。其中比较典型的研究项目有美国的PlantLab[5]、欧盟的FP7/4WARD[6]、日本的AKARI[7]以及中国自主研究的公共电信数据网络(PTDN)[10]等。

    除了以上一些国家层面的研究活动，ITU、IETF、国际标准化组织(ISO)和万维网联盟(W3C)等多个标准化组织，也都在进行未来互联网/网络的标准化制订工作。ITU的工作方向侧重于“革命”思路，第十三研究组(SG 13)一直是未来网络的领导研究小组。该小组专门成立了未来网络焦点组，对未来网络的愿景、需求、新技术、时间表以及标准化等问题进行探讨。目前该小组的主要工作还停留在对未来网络的设计原则、概念、需求以及技术特征等的收集上，距离达成共识尚很遥远。IETF一直在做“改良”互联网的标准化工作：推出了下一代地址协议IPv6，以解决地址扩展性问题；研究下一代路由寻址架构以解决路由扩展性问题，目前已经出现了ID/Locator（身份地址分离）和Map/Encaps（映射封装）两种主要思路；研究能提供点对点(P2P)分布式域名服务的下一代域名系统(DNS)，以解决其过载及安全问题；研究基于多路径的下一代TCP协议以获得更高的网络吞吐量等等。W3C则对语义网的原则和协议的制订担负着领导角色。基于语义的体系结构从底往上共有7层：编码定位层、XML结构层、资源描述层、本体层、逻辑层、证明层和信任层。基于下面4层的主要标准规范已经发布，目前W3C的主要工作是继续研究建立在资源描述框架(RDF)之上的新工具和新语言，开发新的应用。此外，ISO也刚启动了未来网络体系架构的研究和标准化工作。

4 向未来互联网的演进路线
    向未来互联网的演进，已经成为全球的共识。但对于如何向下一代互联网（包括下一代IP技术）演进，目前出现了大致两种技术路线：“改良型”和“革命型”。

    (1) 改良型演进的技术路线主张在现有互联网网络体系下进行修补，对网络设备或拓扑进行改造，使其适应新的需求。典型的改良型技术有：针对互联网的地址扩展性的IPv6、路由扩展性的标识/位置分离、服务质量的差分服务、网络安全性的IPSec、名字服务的DNSSec以及移动性的移动IP等。

    (2) 革命型演进的技术路线主张抛弃现有互联网网络体系，建立全新的网络架构，从根本上解决原有体系结构存在的问题。近年来，互联网发达国家以及国际标准组织都加强了对未来网络体系结构的研究，主要包括：美国的PlanetLab、GENI、FIND和FARA，欧盟FP7的4WARD，日本的AKARI，ITU的Future Network等计划。

    改良型路线的支持者认为：对一个存量巨大的互联网进行颠覆性改造，重新建设新网络、应用和内容，甚至培养用户新的使用习惯，无论是时间成本还是经济成本都是巨大的；而革命型路线的支持者认为：采用渐进修补策略，如使用网络地址翻译(NAT)、多协议标记交换(MPLS)、IPv4和IPv6互通等技术，会使得原本简洁的网络结构变得日益复杂（截至2010年10月IETF发布的RFC已超过6 000个）。另外，有些“补丁”的实施又相互钳制，使得增加新的修补措施变得越来越困难。

    改良型与革命型技术路线的主要区别在于是否沿用现有的互联网体系结构。可以认为：IPv6沿用了IPv4的体系架构，是改良型技术路线的代表。但令人遗憾的是，革命性技术路线的互联网体系架构，至今也没有出现业界普遍认可的基本思路。

5 未来互联网面临的挑战
    虽然关于未来互联网的研究和标准化工作，多个国家和标准化组织已经展开，然而未来互联网能否成功依然面临着诸多挑战和问题。

    首先，标准化工作难以协调和统一。各个标准化组织工作各自为政，彼此之间缺乏共识。譬如，ITU热衷于“革命”思路，致力于推出一个全新的网络体系架构标准；而IETF更加“现实”，倾向于在互联网现有体系架构下进行改良，针对已出现的问题推出新的RFC，不考虑太长远的事情，不考虑互联网的新型架构。
其次，对体系架构的理解不同。体系架构是描述网络中不同的组成部分，以及这些部分如何关联起来，它是所有新网络设计的基础性工作。对未来互联网体系架构的理解不同，直接导致了“鸡和鸭讲”的问题。例如，W3C认为语义网就是下一代互联网，更多地从应用层来理解网络体系架构；而ITU等其他组织和机构则更多地从承载网层面来理解；IETF试图不对现有互联网的体系架构做任何改动，因此仍围绕IPv6做文章。随着云计算的兴起，一些人认为云计算就代表着未来互联网的发展趋势和架构。

    第三，对于未来互联网如何继承现有技术的问题，各方态度不一。IETF已经承认，他们在IPv6标准上犯下了一个致命错误，就是没有提供对现有互联网协议IPv4的向下兼容性；而ITU则认为，在以开发性的思路设计未来网络体系架构时，也许不需要考虑和现有网络的兼容性。未来的网络体系架构要不要汲取IPv6的教训，兼容现有的IPv4和IPv6网络，该问题到目前为止依然没有达成共识。

    最后，没有考虑外部环境的巨大变化[11]。互联网向“未来”的发展演进，其实也是互联网不断“复杂化”的一个过程。维持互联网这样一个复杂系统正常运转，最需要的是外部的“能源供给”：廉价的电力资源和取之不竭的计算资源。

6 结束语
    从理论准备阶段开始，在互联网近50年的发展历史中，对向未来互联网演进的问题上，一直以来争议不断。当IP一统天下后，业界焦点开始转移到IP自身问题上来了。IPv6是在大约20年前提出的，因此设计中存在重大缺陷、在下一代互联网中的地位随着时间的推移被不断弱化在所难免。

    5年多来，虽然对未来互联网的研究有多个方向和热点[12]，但即使是在最基本问题(如网络架构、层次模型等) 上都还缺乏共识(当然也有利益之争)。对于未来互联网的研究，目前还过多地拘泥于现有互联网的一些基本思路，缺乏大视野导致缺乏大创新、大突破。对于未来互联网的研究，需要走出现有互联网巨大成功带来的路径依赖“阴影”，从更基础的起点出发。

7 参考文献
[1] 何宝宏, 于群. 40年网络技术发展历程[J]. 中兴通讯技术,2010,16(Z1):17-20.
[2] 信息产业部电信研究院.互联网技术发展白皮书 第一卷 发展脉络与体系架构[J].世界电信,2007,20(7):8-13.
[3] BARAN P. On Distributed Communications Series[EB/OL]. http://www.rand.org/about/history/baran.list.html.
[4] Tim_Berners-Lee[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/Tim_Berners-Lee.
[5] PlanetLab [EB/OL].http://www.planet-lab.org/.
[6] The FP7 4WARD Project: Overview[EB/OL].(2008-12).http://www.4ward-project.eu/index.php?s=overview.
[7] AKARI [EB/OL].http://akari-project.nict.go.jp/.
[8] BRADNER S, MANKIN A. IP: Next Generation (IPng) White Paper Solicitation[R]. IETF RFC1550.1993.
[9] DEERING S, HINDEN R. Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification[R]. IETF RFC2460.1998.
[10] ITU-T Y.2613. The General Technical Architecture for PTDN[S].2010.
[11] 何宝宏.2020年前后将发生互联网革命[J].电信网技术,2010 (3):30-31.
[12] NSF Announces Future Internet Architecture Awards[EB/OL].(2010-08-27).www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=117611.

收稿日期：2010-11-23

[摘要] 随着互联网用户的不断增长、网络应用的日趋丰富、技术水平的持续提高，未来互联网发展的焦点已经不再单纯是简单的接入，而是在此之上的多层次的、具有高可扩展性的增值服务。文章在分析了向未来互联网演进4个不同阶段所面临的重大挑战后，提出目前下一代互联网中重要的IPv6技术已经难以胜任向未来互联网演进的需要。文章强调未来互联网虽然存在着多个研究方向和热点，但在一些基本问题上缺乏共识，因此对于未来互联网的研究需要从更基础的起点出发。

[关键词] 未来互联网; 网络体系结构；下一代互联网(NGI); IPv6

[Abstract] With an abundance of network applications and sustained improvements in technology, Internet development must be focused not only on simple access but also on multilevel and highly scalable value added services. This paper analyzes challenges in the four different stages of evolution to future Internet and suggests IPv6 is not satisfactory for the future Internet. Many avenues of research are being explored for future Internet, but there is still a lack of consensus on basic issues. More research is required into the fundamentals of the future Internet.

[Keywords] future Internet; network architecture; Next Generation Internet (NGI); IPv6