下一代互联网体系结构研究现状和发展趋势

    互联网已成为支撑现代社会发展及技术进步的重要的基础设施之一。深刻地改变着人们的生产、生活和学习方式，成为支撑现代社会经济发展、社会进步和科技创新的最重要的基础设施。互联网及其应用水平已经成为衡量一个国家基本国力和经济竞争力的重要标志之一。随着超高速光通信、无线移动通信、高性能低成本计算和软件等技术的迅速发展，以及互联网创新应用的不断涌现，人们对互联网的规模、功能和性能等方面的需求越来越高。三十多年前发明的以IPv4协议为核心技术的互联网面临着越来越严重的技术挑战，主要包括：网络地址不足，难以更大规模扩展；网络安全漏洞多，可信度不高；网络服务质量控制能力弱，不能保障高质量的网络服务；网络带宽和性能不能满足用户的需求；传统无线移动通信与互联网属于不同技术体制，难以实现高效的移动互联网等等。

    为了应对这些技术挑战，美国等发达国家从20世纪90年代中期就先后开始下一代互联网研究。中国科技人员于20世纪90年代后期开始下一代互联网研究。目前，虽然基于IPv6协议的新一代互联网络的轮廓已经逐渐清晰，许多厂商已开始提供成熟的IPv6互联设备，大规模IPv6网络也正在建设并在迅速发展。但是互联网络面临的基础理论问题并不会随着IPv6网络的应用而自然得到解决，相反，随着信息社会和正在逐渐形成的全球化知识经济形态对互联网络不断提出新的要求，更需要人们对现有的互联网络体系结构的基础理论进行新的思考和研究。近年来国际上已经形成了两种发展下一代互联网的技术路线：一种是“演进性”路线，即在现有IPv4协议的互联网上不断“改良”和“完善”网络，最终平滑过渡到IPv6的互联网；另一种是“革命性”路线，以美国FIND/GENI项目为代表，即重新设计全新的互联网体系结构，满足未来互联网的发展需要。

    本文首先介绍国际下一代互联网体系结构的研究现状，涉及美国和欧洲的GENI[1]、FIND[2]、FIRE[3]以及FIA等计划。然后介绍中国下一代互联网体系结构的研究进展，涉及国家重点基础研究发展(“973”)计划、国家高技术研究发展(“863”)计划和中国下一代互联网(CNGI)等项目的研究。在此基础上，本文分析展望未来下一代互联网体系结构研究的发展趋势。

1 国际下一代互联网体系结构研究现状
    国际上各个国家的下一代互联网研究计划不断启动、实施和重组，其研究和实验正在不断深入。从国家地域方面看，美国、欧洲、日、韩都有其各自的计划和举措；从研究内容方面看，有的关注网络基础设施和试验平台的建立，有的关注体系结构理论的创新；从技术路线上看，有的遵从“演进性”的路线，有的遵从“革命性”的路线。

    1996年10月，美国政府宣布启动“下一代互联网”研究计划。陆续地，一些全球下一代互联网项目分别启动。全球下一代互联网试验网的主干网逐渐形成，规模不断扩大，包括美国的Internet2、欧洲的GEANT2、亚洲的APAN以及跨欧亚的TEIN2等。这些项目的设计大多遵循“演进性”的技术路线。

    另一些研究者认为需要从根本上改变互联网的体系结构，才能彻底解决互联网所面临的诸多难题。于是有了“革命性”的研究路线。

    早在2000年，美国启动了NewArch项目，其目标是“为未来的10到20年开发和评价一种加强的Internet体系结构”。NewArch项目研究了互联网变化的需求，并对一些关键的体系结构问题和思想进行了探索，形成了一系列的报告。但其具体实现方案中仍然沿用了现有互联网技术，仅仅在应用层进行了功能性验证。
2003年，美国科学基金会(NSF)启动Clean Slate 100*100研究计划，针对“推倒重来，从零开始”的设计方法论、全面的网络框架及网络拓扑设计、网络协议栈设计等3个方面展开研究，计划到2010年实现1亿家庭用100 Mb/s上网。该项目现在已经结束，并未达到预期的目标。此后，美国NSF还启动了FIND、SING、NGNI等研究项目。2005年，美国NSF又启动全球网络创新环境GENI项目，提出了许多新的概念，并引入了OpenFlow作为实验平台。

    2006年，美国NSF再次启动全新互联网设计(Clean Slate Design for The Internet)项目，除了斯坦福大学等高校的团队以外，还有众多工业界伙伴参与。项目目标是通过建立网络互联、计算和存储的创新平台来彻底改造互联网基础设施和服务，其重点是移动计算。

    2006年，日本政府启动新一代网络架构设计AKARI项目。希望重新设计互联网的体系结构。AKARI共分为3个阶段(JGN2、JGN2+、JGN3)建设试验床。

    2007年，欧盟启动未来互联网研究和实验平台计划FIRE。目标是建立欧洲未来互联网实验平台，支持有关解决网络可扩展性、复杂性、移动性、安全性以及透明性问题的新方法研究。

    2009年，美国NSF启动针对网络科学与工程的研究计划NetSE。并把FIND、SING、NGNI等3个项目并入到NetSE，希望通过跨学科、跨领域的联合研究，突破未来互联网体系结构的研究。2010年NSF又设立了未来互联网体系结构计划FIA。

1.1 全球网络创新环境
    2005年NSF出资3亿美元提出全球网络创新环境(GENI)计划。GENI计划的目的是构建一个全新的、安全的、能够连接所有设备的互联网，以促进互联网的发展，并刺激科技创新，促进经济增长。GENI由两部分组成：研究计划和实验设施。“研究计划”的重点是研究创造新的核心功能，包括要超越现有的数据报、分组和电路交换框架，设计新的命名、寻址和身份识别体系结构，设计内置的网络安全机制和新的网络管理机制，使下一代互联网具有高度安全性和可管理性；“实验设施”的重点是研究能够提供包括传感器和无线移动通信设备等在内的多种接入技术，并能够部署和验证新的体系结构。

    GENI的设计思想中引入了切片化、虚拟化和可编程，按照需要支持的业务类型虚拟地将网络节点设备划分资源和处理能力。

    GENI参考了OpenFlow[4]技术。OpenFlow是一个开放的标准，允许人们在实际网络中运行试验协议，基本思想是：OpenFlow交换机由数据流表、安全通道和OpenFlow协议3个组成部分，网络中的路由和交换设备的最核心的路由和交换信息都存放在“数据流表”里。OpenFlow提出通用的“数据流表”设计思想，每一条“表项”支持规则、操作和状态3个部分。灵活地定义“数据流”，同时“数据流表”支持多种远程的访问和控制，从而达到满足各种需求，控制流量的目的。

    GENI项目的发展遵循一种结构化的自适应的螺旋式的过程，包括规划、设计、实现、集成和应用。2009年1月，GENI实现了新的原始的端到端的工作模型的开发、整合和试运行。下一阶段，建立真正的大规模的虚拟实验环境，加强国际合作是其重点。

1.2 未来互联网设计项目
    未来互联网设计项目(FIND)是由NSF的“网络系统和技术研究计划”(NeTS)于2005年提出的一个长期计划。FIND在网络体系结构各个方面的研究和设计都尽量做到不受到以往的研究思路的影响和束缚，即“Clean Slate Process”。FIND的目标是设计一种全新的满足未来15年社会需求的下一代互联网，其核心功能应安全、健壮、可管理、集成新的网络技术以及新的网络体系结构理论。

    FIND计划初拟分成3个阶段：第1阶段(2006到2008年)关注基础研究，解决互联网安全、命名及路由等基础问题；第2阶段(2009到2011年)提出可能不只一个的网络体系结构方案；第3阶段(2012到2014年)在GENI等实验床上测试和论证。

    2009年4月，FIND发布了新的专家评估报告[5]，建议继续FIND项目，并在网络安全、网络管理和项目总体集成方面投入更多研究精力。

1.3 未来互联网研究和试验项目
    2007年，欧盟在其第七框架(FP7)中设立了未来互联网研究和试验(FIRE)项目。FIRE的主要研究内容包括：网络体系结构和协议的新设计；未来互联网日益增长的规模、复杂性、移动性、安全性和通透性的解决方案；在物理和虚拟网络上的大规模测试环境中验证上述属性。

    FIRE和GENI有着很多的相似之处。它们都关注如何搭建试验环境为理论研究提供证据支持。FIRE也希望通过螺旋式的部署方案，突破地理限制，建立全球性的大规模试验环境；FIRE同样采用虚拟化思想，该技术将独立存在的资源和设施联系起来；FIRE同样也具有联盟和跨学科等特点。

1.4 未来互联网体系结构计划
    2010年美国NSF设立了未来互联网体系结构(FIA)计划。FIA的目标是设计和验证下一代互联网的综合的新型的体系结构，为期3年(2010到2013年)，研究范围包括：网络设计、性能评价、大规模原型实现、端用户应用试验等。FIA资助了4个项目，分别致力于未来网络体系结构研究和设计的不同方向，同时也为集成架构方面有所考虑，为建立综合的可信的未来网络体系结构努力。

    NDN[6]项目致力于使互联网支持不考虑内容存储所在的物理位置，直接提供面向内容的功能。NDN网络将通信的模式从关注于“在哪”，例如地址、服务器、端系统，到关注于“是什么”，即用户和应用关注的内容。NDN通过命名数据而不是它们的位置地址，把数据作为基础实体。项目重点研究建立NDN网络面临的技术挑战，包括路由可扩展性、快速转发、信任模型、网络安全、内容保护和隐私，以及新的支持这一设计的基础通信原理。

    MobilityFirst[7]项目则致力于对无缝的平滑的移动性的支持，它以支持移动节点间的通信为主，而不再是把对移动性的支持当成互联网连接中的一种特殊情况。这一体系结构使用“全面延迟容忍网络”(GDTN)来提供通信稳定性，关注于移动性和可扩展性的平衡，以及充分利用网络资源来实现移动端点间的有效通信。主要的技术包括分布式的命名服务和延迟容忍的路由和传输等。

    NEBULA[8]项目的名字是拉丁文“云”的意思，它是一个体系结构，其中云计算数据中心是主要的数据存储和计算核心。在这一未来的模型中，数据中心被高速的、可靠的、安全的骨干网络连接在一起。这一项目致力于建立一个以云计算为中心的体系结构。

    XIA[9]项目致力于构建一种未来互联网体系结构，具有以下特点：可信、支持长期更新的多种使用模型、支持长期的技术革新、支持不同网络组成角色间的明晰的接口。XIA体系结构的核心是XIP协议，该协议支持不同类别目标直接的通信。XIA目标主要指内容、服务和端系统3种情况。协议簇将保留TCP/IP协议族的细腰特性，即在中间采用互操作协议定义最简单基础的功能。

2 中国下一代互联网体系结构研究进展
    中国较早开展了下一代互联网的研究，国家自然科学基金、国家重点基础研究发展(“973”)计划项目、国家高技术研究发展(“863”)计划项目、科技支撑计划项目、中国下一代互联网(CNGI)项目都是有力的支持，从基础研究、关键技术突破、推广应用3个层次，展开下一代互联网体系结构研究的探索与实践。
2000年底，国家自然科学基金委支持启动了“中国高速互联研究实验网络(NSFCNET)”项目，研制成功中国第一个地区性下一代互联网试验网络。网络采用当时国际上先进的密集波分复用(DWDM)和IPv6技术，连接了清华大学、北京大学的6个节点，开发了一批面向下一代互联网的重大应用，并通过Internet2，实现了中国下一代互联网试验网与国际下一代互联网的对等互联。同时，国家自然科学基金委员会在“十五”期间，资助了一大批下一代互联网及其应用的探索性研究课题。国家自然科学基金委还先后启动了面向下一代互联网及其应用研究的重大研究计划“网络和信息安全”和“以网络为基础的科学活动环境研究”，重点资助了下一代互联网体系结构、新一代网络应用平台和网络管理的基础理论和关键技术研究、网络计算环境的基础科学理论、网络计算环境综合试验平台、网格计算环境示范应用等研究项目课题。2003年后，国家重点基础研究发展(“973”)计划项目陆续支持了新一代互联网相关研究。

    清华大学等5个单位共同承担了国家重点基础研究发展(“973”)计划项目“新一代互联网体系结构理论研究”。这是关于互联网理论研究的“973”项目。主要的研究成果为：

    (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，重点解决现有网络体系结构的单一可扩展性和网络功能的复杂多样性之间的矛盾、未知的网络行为与确定的传输控制目标之间的矛盾、网络的脆弱性和安全可信需求之间的矛盾和稳定的网络体系结构和不断变化的网络服务需求之间的矛盾。建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CERNET和NSFCNET，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。

    2009年该项研究继续得到“973”计划的延续支持，启动了新一期“973”项目“新一代互联网体系结构和协议基础研究”，在前期“973”项目的基础上，从IPv6互联网出发解决互联网的重大技术挑战，继承和发展前期项目初步理论研究成果，不仅注重体系结构的理论探索，同时更加注重体系结构和协议的基础研究，并继续深入研究多维可扩展的网络体系结构及其基本要素，以及体系结构对规模可扩展、性能可扩展、安全可扩展、服务可扩展、功能可扩展、管理可扩展的支持。同时，还面向互联网开始大规模采用IPv6协议，异构环境、普适计算、泛在联网、移动接入和海量流媒体等新应用的涌现，重点解决急需的重大技术挑战(如大规模网络的编址和路由、异构接入网络实时服务质量保证和大规模流媒体高效网络传送等)。

    北京交通大学等单位承担的“973”计划项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”，针对新信息网络的体系理论问题、异质异构网络的一体化问题、新网络体系的服务普适问题、新网络体系下的可信与移动等科学问题展开研究，希望能够创建一体化可信网络与普适服务的基础理论，形成一系列国家与国际标准，并创造性给出一体化可信网络与普适服务的新型体系结构，提出一体化网络广义交换路由、服务标识和连接标识解析映射等机理与原理。项目还研制了原型系统和验证平台，对新型网络体系结构、理论等方面进行验证。

    上海交通大学等单位承担的“973”计划项目“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”，针对国内外网络技术的发展现状和传感器件制造的发展趋势，以建设大规模、实用化、高可靠的新一代无线传感网络系统所急需的关键技术为突破口，围绕3个关键科学问题展开研究：

    (1)低耗自组

    适合于动态自组环境下的低耗节能机制。

    (2)异构互连
    研究不同传感器或传感网络互连的原理。

    (3)泛在协同
    研究大规模部署的无线传感网络数据协同处理与控制。

    项目希望能够实现从传统网络到新一代网络的转变，从系统实体单元的单一同构性到泛在异构性的转变，以能量、时间和空间复杂性最小化为目标，提出一整套无线传感网络基础理论与关键技术的突破，为中国无线传感网络产业的发展提供核心技术的支持。

    在示范网络和推广应用方面，2002年初，杨嘉墀等57名院士致信国务院领导，提出建设中国第二代互联网的学术性高速主干网的建议，受到了国务院领导的高度重视。2003年8月，国务院批准了国家发展改革委、科技部、信息产业部、国务院信息化工作办公室、教育部、中国科学院、中国工程院和国家自然科学基金会提出的“关于推动中国下一代互联网发展有关工作的请示意见”，并正式启动中国下一代互联网示范工程。部署建设了6个主干网(覆盖中国22个城市、连接59个核心节点)、2个国内/国际交换中心(北京和上海)、273个驻地网。2005年和2006年共设立103个CNGI技术试验及产业化项目，其中技术试验、应用示范和标准研究项目56个，系统研发及产业化项目47个。2008年底开始，国家组织实施CNGI试商用项目，包括列入国家拉动内需计划的“教育科研基础设施IPv6技术升级和示范应用”重大项目，以及46个业务试商用及产业化项目。来自中国上百所高校、上百个科研机构、所有全国性电信运营商、几十个设备制造商和软件开发商的上万人参加了上述工程建设，建成了大规模下一代互联网示范网络，提供了重大科研和新型业务的试验床，推动了标准制订和国产网络设备产业化，取得了大量示范性应用成果，增强了下一代互联网领域的自主创新能力，锻炼和培养了一批下一代互联网专业人才。

3 下一代互联网体系结构研究的发展趋势
    经过十多年时间，人们越来越深刻地认识到下一代互联网研究的重要性、复杂性、艰巨性和长期性。发达国家纷纷把下一代互联网研究列入未来信息技术领域的重点发展方向。面对目前互联网存在的重大技术挑战，单靠一般的技术发明和工程实践，很难找到理想的解决方案。基础理论在下一代互联网研究中具有重要的指导作用。

    通过对国际下一代互联网项目，如GENI、FIND、FIRE和FIA的分析，可以看到各国对下一代互联网需求的研究结果基本吻合，认识基本一致，下一代互联网的重大需求主要包括扩展性、安全性、移动性、可管理性、高性能和实时性等方面。

    新一代互联网研究计划重大需求如表1所示[10]。

    虽然基于共同的研究需求，但各个国家在选择新一代互联网体系结构研究路线上却各有不同。目前，对新一代互联网的研究有两种基本思路，一种思路是基于现有的互联网体系结构来解决面临的重大技术挑战，采用IPv6协议的大规模试验网，攻克和试验相关的关键技术；另一种思路是重新设计一种全新的互联网体系结构来解决面临重大技术挑战。

    人们必须承认互联网的技术精髓和成功经验，例如：分层分布式体系结构、无连接分组交换、可扩展的路由寻址、简单实用技术等，这是几十年来互联网迅速发展壮大的根源，是在互联网长期大规模技术试验的基础上逐步形成的体系结构的重要内容。实践表明，互联网体系结构本身具有很好的多维扩展特性。因此，在下一代互联网体系结构研究中，要尽可能继承和发扬目前互联网体系结构的技术精髓，基于IPv6下一代互联网，从基本组成、工作原理和实现机理，攻克重大技术挑战和开发新的革命性应用，开展下一代互联网体系结构的研究。

致谢：
    感谢清华大学信息网络工程研究中心任罡博士整理并且提供相关材料。

4 参考文献
[1] WROCLAWSKI J. GENI: Global Environment for Network Innovations [R/OL]. [2011-01-12]. Using the Component and Aggregate Abstractions in the GENI Architecture, GDD-06-42(2006-12-19). http://www.geni. net.
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[9] EXPRESSIVE INTERNET ARCHITECTURE(XIA) [EB/OL]. [2011-01-12]. HTTP://WWW.CS.CMU.EDU/~XIA/.
[10] 吴建平, 刘莹, 吴茜. 新一代互联网体系结构理论研究进展 [J]. 中国科学, F辑:信息科学 2008,38(10):1540-1564.

收稿日期：2011-01-10

[摘要] 现有互联网面临着众多技术挑战。为了更好地解决这些重大技术挑战，各国启动了多项下一代互联网研究计划，开展下一代互联网体系结构和关键技术研究。文章介绍了国际上和中国下一代互联网体系结构的研究现状和进展，并在此基础上分析展望了未来下一代互联网体系结构研究的发展趋势。

[关键词] 下一代互联网；网络体系结构；发展趋势

[Abstract] The Internet faces many technical challenges. To solve these major technical challenges, a number of Next-Generation Internet (NGI) research projects have been launched. This paper discusses international and domestic research into NGI architecture; and based on this research, analyzes development trends of NGI system architecture.

[Keywords] next-generation Internet; network architecture; development trend