下一代互聯網體系結構研究現狀和發展趨勢

互聯網已成為支撐現代社會發展及技術進步的重要的基礎設施之一。深刻地改變著人們的生產、生活和學習方式，成為支撐現代社會經濟發展、社會進步和科技創新的最重要的基礎設施。互聯網及其應用水平已經成為衡量一個國家基本國力和經濟競爭力的重要標志之一。隨著超高速光通信、無線移動通信、高性能低成本計算和軟件等技術的迅速發展，以及互聯網創新應用的不斷涌現，人們對互聯網的規模、功能和性能等方面的需求越來越高。三十多年前發明的以IPv4協議為核心技術的互聯網面臨著越來越嚴重的技術挑戰，主要包括：網絡地址不足，難以更大規模擴展；網絡安全漏洞多，可信度不高；網絡服務質量控制能力弱，不能保障高質量的網絡服務；網絡帶寬和性能不能滿足用戶的需求；傳統無線移動通信與互聯網屬于不同技術體制，難以實現高效的移動互聯網等等。

為了應對這些技術挑戰，美國等發達國家從20世紀90年代中期就先后開始下一代互聯網研究。中國科技人員于20世紀90年代后期開始下一代互聯網研究。目前，雖然基于IPv6協議的新一代互聯網絡的輪廓已經逐漸清晰，許多廠商已開始提供成熟的IPv6互聯設備，大規模IPv6網絡也正在建設并在迅速發展。但是互聯網絡面臨的基礎理論問題并不會隨著IPv6網絡的應用而自然得到解決，相反，隨著信息社會和正在逐漸形成的全球化知識經濟形態對互聯網絡不斷提出新的要求，更需要人們對現有的互聯網絡體系結構的基礎理論進行新的思考和研究。近年來國際上已經形成了兩種發展下一代互聯網的技術路線：一種是“演進性”路線，即在現有IPv4協議的互聯網上不斷“改良”和“完善”網絡，最終平滑過渡到IPv6的互聯網；另一種是“革命性”路線，以美國FIND／GENI項目為代表，即重新設計全新的互聯網體系結構，滿足未來互聯網的發展需要。

本文首先介紹國際下一代互聯網體系結構的研究現狀，涉及美國和歐洲的GENIE、FIND、FIRE以及FIA等計劃。然后介紹中國下一代互聯網體系結構的研究進展，涉及國家重點基礎研究發展(“973”)計劃、國家高技術研究發展(“863\")計劃和中國下一代互聯網(CNGI)等項目的研究。在此基礎上，本文分析展望未來下一代互聯網體系結構研究的發展趨勢。

1 國際下一代互聯網體系結構研究現狀

國際上各個國家的下一代互聯網研究計劃不斷啟動、實施和重組，其研究和實驗正在不斷深入。從國家地域方面看，美國、歐洲、日、韓都有其各自的計劃和舉措；從研究內容方面看，有的關注網絡基礎設施和試驗平臺的建立，有的關注體系結構理論的創新；從技術路線上看，有的遵從“演進性”的路線，有的遵從“革命性”的路線。

1996年10月，美國政府宣布啟動“下一代互聯網”研究計劃。陸續地，一些全球下一代互聯網項目分別啟動。全球下一代互聯網試驗網的主干網逐漸形成，規模不斷擴大，包括美國的Intemet2、歐洲的GEANT2、亞洲的APAN以及跨歐亞的TEIN2等。這些項目的設計大多遵循“演進性”的技術路線。

另一些研究者認為需要從根本上改變互聯網的體系結構，才能徹底解決互聯網所面臨的諸多難題。于是有了“革命性”的研究路線。

早在2000年，美國啟動了NewArch項目，其目標是“為未來的10到20年開發和評價一種加強的Intemet體系結構”。NewArch項目研究了互聯網變化的需求，并對一些關鍵的體系結構問題和思想進行了探索，形成了一系列的報告。但其具體實現方案中仍然沿用了現有互聯網技術，僅僅在應用層進行了功能性驗證。

2003年，美國科學基金會(NsF)啟動Clean Slate 100\"100研究計劃，針對“推倒重來，從零開始”的設計方法論、全面的網絡框架及網絡拓撲設計、網絡協議棧設計等3個方面展開研究，計劃到2010年實現1億家庭用100Mb／s上網。該項目現在已經結束，并未達到預期的目標。此后，美國NSF還啟動了FIND、SING、NGNI等研究項目。2005年，美國NSF又啟動全球網絡創新環境GENI項目，提出了許多新的概念，并引入了OpenFlow作為實驗平臺。

2006年，美國NSF再次啟動全新互聯網設計(clean Slate DesignforTheInterne)項目，除了斯坦福大學等高校的團隊以外，還有眾多工業界伙伴參與。項目目標是通過建立網絡互聯、計算和存儲的創新平臺來徹底改造互聯網基礎設施和服務，其重點是移動計算。

2006年，日本政府啟動新一代網絡架構設計AKARI項目。希望重新設計互聯網的體系結構。AKARI共分為3個階段(JGN2、JGN2+、JGN3)建設試驗床。

2007年，歐盟啟動未來互聯網研究和實驗平臺計劃FIRE。目標是建立歐洲未來互聯網實驗平臺，支持有關解決網絡可擴展性、復雜性、移動性、安全性以及透明性問題的新方法研究。

2009年，美國NSF啟動針對網絡科學與工程的研究計劃NetSE。并把FIND、SING、NGNI等3個項目并人到NetSE，希望通過跨學科、跨領域的聯合研究，突破未來互聯網體系結構的研究。2010年NSF又設立了未來互聯網體系結構計劃FIA。

1.1全球網絡創新環境

2005年NSF出資3億美元提出全球網絡創新環境(GENI)計劃。GENI計劃的目的是構建一個全新的、安全的、能夠連接所有設備的互聯網，以促進互聯網的發展，并刺激科技創新，促進經濟增長。GENI由兩部分組成：研究計劃和實驗設施。“研究計劃”的重點是研究創造新的核心功能，包括要超越現有的數據報、分組和電路交換框架，設計新的命名、尋址和身份識別體系結構，設計內置的網絡安全機制和新的網絡管理機制，使下一代互聯網具有高度安全性和可管理性；“實驗設施”的重點是研究能夠提供包括傳感器和無線移動通信設備等在內的多種接入技術，并能夠部署和驗證新的體系結構。

GENI的設計思想中引入了切片化、虛擬化和可編程，按照需要支持的業務類型虛擬地將網絡節點設備劃分資源和處理能力。

GENI參考了OpenFlowl技術。OpenFlow是一個開放的標準，允許人們在實際網絡中運行試驗協議，基本思想是：0penFlow交換機由數據流表、安全通道和OpenFlow協議3個組成部分，網絡中的路由和交換設備的最核心的路由和交換信息都存放在“數據流表”里。OpenFlow提出通用的“數據流表”設計思想，每一條“表項”支持規則、操作和狀態3個部分。靈活地定義“數據流”，同時“數據流表”支持多種遠程的訪問和控制，從而達到滿足各種需求，控制流量的目的。

GENI項目的發展遵循一種結構化的自適應的螺旋式的過程，包括規劃、設計、實現、集成和應用。2009年1月，GENI實現了新的原始的端到端的工作模型的開發、整合和試運行。下一階段，建立真正的大規模的虛擬實驗環境，加強國際合作是其重點。

1.2未來互聯網設計項目

未來互聯網設計項目(FIND)是由NSF的“網絡系統和技術研究計劃”(NeTs)于2005年提出的一個長期計劃。FIND在網絡體系結構各個方面的研究和設計都盡量做到不受到以往的研究思路的影響和束縛，即“Clean Slate Process”。FIND的目標是設計一種全新的滿足未來15年社會需求的下一代互聯網，其核心功能應安全、健壯、可管理、集成新的網絡技術以及新的網絡體系結構理論。

FIND計劃初擬分成3個階段：第1階段(2006到2008年)關注基礎研究，解決互聯網安全、命名及路由等基礎問題；第2階段(2009到2011年)提出可能不只一個的網絡體系結構方案；第3階段(2012到2014年)在GENI等實驗床上測試和論證。

2009年4月，FIND發布了新的專家評估報告，建議繼續FIND項目，并在網絡安全、網絡管理和項目總體集成方面投入更多研究精力。

1.3未來互聯網研究和試驗項目

2007年，歐盟在其第七框架(FP7)中設立了未來互聯網研究和試驗(FIRE)項目。FIRE的主要研究內容包括：網絡體系結構和協議的新設計；未來互聯網日益增長的規模、復雜性、移動性、安全性和通透性的解決方案；在物理和虛擬網絡上的大規模測試環境中驗證上述屬性。

FIRE和GENI有著很多的相似之處。它們都關注如何搭建試驗環境為理論研究提供證據支持。FIRE也希望通過螺旋式的部署方案，突破地理限制，建立全球性的大規模試驗環境；FIRE同樣采用虛擬化思想，該技術將獨立存在的資源和設施聯系起來；FIRE同樣也具有聯盟和跨學科等特點。

1.4未來互聯網體系結構計劃

2010年美國NSF設立了未來互聯網體系結構(FIA)計劃。FIA的目標是設計和驗證下一代互聯網的綜合的新型的體系結構，為期3年(2010到2013年)，研究范圍包括：網絡設計、性能評價、大規模原型實現、端用戶應用試驗等。FIA資助了4個項目，分別致力于未來網絡體系結構研究和設計的不同方向，同時也為集成架構方面有所考慮，為建立綜合的可信的未來網絡體系結構努力。

NDNt+I項目致力于使互聯網支持不考慮內容存儲所在的物理位置，直接提供面向內容的功能。NDN網絡將通信的模式從關注于“在哪”，例如地址、服務器、端系統，到關注于“是什么”，即用戶和應用關注的內容。NDN通過命名數據而不是它們的位置地址，把數據作為基礎實體。項目重點研究建立NDN網絡面臨的技術挑戰，包括路由可擴展性、快速轉發、信任模型、網絡安全、內容保護和隱私，以及新的支持這一設計的基礎通信原理。

MobilityFirst項目則致力于對無縫的平滑的移動性的支持，它以支持移動節點間的通信為主，而不再是把對移動性的支持當成互聯網連接中的一種特殊情況。這一體系結構使用“全面延遲容忍網絡”(GDTN)來提供通信穩定性，關注于移動性和可擴展性的平衡，以及充分利用網絡資源來實現移動端點間的有效通信。主要的技術包括分布式的命名服務和延遲容忍的路由和傳輸等。

NEBULAm項目的名字是拉丁文“云”的意思，它是一個體系結構，其中云計算數據中心是主要的數據存儲和計算核心。在這一未來的模型中，數據中心被高速的、可靠的、安全的骨干網絡連接在一起。這一項目致力于建立一個以云計算為中心的體系結構。

XIA項目致力于構建一種未來互聯網體系結構，具有以下特點：可信、支持長期更新的多種使用模型、支持長期的技術革新、支持不同網絡組成角色間的明晰的接口。XIA體系結構的核心是XIP協議，該協議支持不同類別目標直接的通信。XIA目標主要指內容、服務和端系統3種情況。協議簇將保留TCPfIP協議族的細腰特性，即在中間采用互操作協議定義最簡單基礎的功能。

2 中國下一代互聯網體系結構研究進展

中國較早開展了下一代互聯網的研究，國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展(“973\")計劃項目、國家高技術研究發展(‘‘863”)計劃項目、科技支撐計劃項目、中國下一代互聯網(cNGI)項目都是有力的支持，從基礎研究、關鍵技術突破、推廣應用3個層次，展開下一代互聯網體系結構研究的探索與實踐。

2000年底，國家自然科學基金委支持啟動了“中國高速互聯研究實驗網絡(NSFCNErr)”項目，研制成功中國第一個地區性下一代互聯網試驗網絡。網絡采用當時國際上先進的密集波分復用(DWDM)和IPv6技術，連接了清華大學、北京大學的6個節點，開發了一批面向下一代互聯網的重大應用，并通過Internet2，實現了中國下一代互聯網試驗網與國際下一代互聯網的對等互聯。同時，國家自然科學基金委員會在“十五”期間，資助了一大批下一代互聯網及其應用的探索性研究課題。國家自然科學基金委還先后啟動了面向下一代互聯網及其應用研究的重大研究計劃“網絡和信息安全”和“以網絡為基礎的科學活動環境研究”，重點資助了下一代互聯網體系結構、新一代網絡應用平臺和網絡管理的基礎理論和關鍵技術研究、網絡計算環境的基礎科學理論、網絡計算環境綜合試驗平臺、網格計算環境示范應用等研究項目課題。2003年后，國家重點基礎研究發展(“973\")計劃項目陸續支持了新一代互聯網相關研究。

清華大學等5個單位共同承擔了國家重點基礎研究發展(“973”)計劃項目“新一代互聯網體系結構理論研究”。這是關于互聯網理論研究的“973”項目。主要的研究成果為：

(1)在基礎理論方面，圍繞新一代互聯網絡發展過程中的主要矛盾研究新一代互聯網絡的基礎理論問題，重點解決現有網絡體系結構的單一可擴展性和網絡功能的復雜多樣性之間的矛盾、未知的網絡行為與確定的傳輸控制目標之間的矛盾、網絡的脆弱性和安全可信需求之間的矛盾和穩定的網絡體系結構和不斷變化的網絡服務需求之間的矛盾。建立新一代互聯網絡體系結構的多維可擴展模型和分析驗證理論；建立互聯網動態行為模型和分析理論；建立互聯網的資源管理與控制理論；研究互聯網的脆弱性模型并建立可信性模型理論；建立互聯網的服務模型和服務管理理論；建立系統的互聯網科學實驗理論框架和多維網絡行為觀測模型。

(2)在網絡體系結構設計和實現方面，基于上述理論成果，設計出面向新一代互聯網絡的提供多維可擴展的、可管理的、安全的網絡體系結構和服務總體框架，設計其中主要的協議機制、關鍵算法并實現可運行驗證的原型系統。

(3)在實驗平臺建設和實驗方面，提出互聯網基礎研究的綜合實驗驗證理論框架，為基礎研究成果的實驗驗證提供理論支持；依托CERNET和NSFCNET，建設一個新一代互聯網技術的實驗、驗證和演示平臺，為基礎研究成果的實驗驗證提供實驗環境；依托實驗平臺完成一系列典型實驗和展示項目。

2009年該項研究繼續得到“973”計劃的延續支持，啟動了新一期“973”項目“新一代互聯網體系結構和協議基礎研究”，在前期“973”項目的基礎上，從IPv6互聯網出發解決互聯網的重大技術挑戰，繼承和發展前期項目初步理論研究成果，不僅注重體系結構的理論探索，同時更加注重體系結構和協議的基礎研究，并繼續深入研究多維可擴展的網絡體系結構及其基本要素，以及體系結構對規模可擴展、性能可擴展、安全可擴展、服務可擴展、功能可擴展、管理可擴展的支持。同時，還面向互聯網開始大規模采用IPv6協議，異構環境、普適計算、泛在聯網、移動接人和海量流媒體等新應用的涌現，重點解決急需的重大技術挑戰(如大規模網絡的編址和路由、異構接入網絡實時服務質量保證和大規模流媒體高效網絡傳送等)。

北京交通大學等單位承擔的“973”計劃項目“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”，針對新信息網絡的體系理論問題、異質異構網絡的一體化問題、新網絡體系的服務普適問題、新網絡體系下的可信與移動等科學問題展開研究，希望能夠創建一體化可信網絡與普適服務的基礎理論，形成一系列國家與國際標準，并創造性給出一體化可信網絡與普適服務的新型體系結構，提出一體化網絡廣義交換路由、服務標識和連接標識解析映射等機理與原理。項目還研制了原型系統和驗證平臺，對新型網絡體系結構、理論等方面進行驗證。

上海交通大學等單位承擔的“973”計劃項目“無線傳感網絡的基礎理論及關鍵技術研究”，針對國內外網絡技術的發展現狀和傳感器件制造的發展趨勢，以建設大規模、實用化、高可靠的新一代無線傳感網絡系統所急需的關鍵技術為突破口，圍繞3個關鍵科學問題展開研究：

(1)低耗自組：適合于動態自組環境下的低耗節能機制。

(2)異構互連

研究不同傳感器或傳感網絡互連的原理。

(3)泛在協同

研究大規模部署的無線傳感網絡數據協同處理與控制。

項目希望能夠實現從傳統網絡到新一代網絡的轉變，從系統實體單元的單一同構性到泛在異構性的轉變，以能量、時間和空間復雜性最小化為目標，提出一整套無線傳感網絡基礎理論與關鍵技術的突破，為中國無線傳感網絡產業的發展提供核心技術的支持。

在示范網絡和推廣應用方面，2002年初，楊嘉墀等57名院士致信國務院領導，提出建設中國第二代互聯網的學術性高速主干網的建議，受到了國務院領導的高度重視。2003年8月，國務院批準了國家發展改革委、科技部、信息產業部、國務院信息化工作辦公室、教育部、中國科學院、中國工程院和國家自然科學基金會提出的“關于推動中國下一代互聯網發展有關工作的請示意見”，并正式啟動中國下一代互聯網示范工程。部署建設了6個主干網(覆蓋中國22個城市、連接59個核心節點)、2個國內／國際交換中心f北京和上海)、273個駐地網。2005年和2006年共設立103個CNGI技術試驗及產業化項目，其中技術試驗、應用示范和標準研究項目56個，系統研發及產業化項目47個。2008年底開始，國家組織實施CNGI試商用項目，包括列入國家拉動內需計劃的“教育科研基礎設施IPv6技術升級和示范應用”重大項目，以及46個業務試商用及產業化項目。來自中國上百所高校、上百個科研機構、所有全國性電信運營商、幾十個設備制造商和軟件開發商的上萬人參加了上述工程建設，建成了大規模下一代互聯網示范網絡，提供了重大科研和新型業務的試驗床，推動了標準制訂和國產網絡設備產業化，取得了大量示范性應用成果，增強了下一代互聯網領域的自主創新能力，鍛煉和培養了一批下一代互聯網專業人才。

3 下一代互聯網體系結構研究的發展趨勢

經過十多年時間，人們越來越深刻地認識到下一代互聯網研究的重要性、復雜性、艱巨性和長期性。發達國家紛紛把下一代互聯網研究列入未來信息技術領域的重點發展方向。面對目前互聯網存在的重大技術挑戰，單靠一般的技術發明和工程實踐，很難找到理想的解決方案。基礎理論在下一代互聯網研究中具有重要的指導作用。

通過對國際下一代互聯網項目，如GENI、FIND、FIRE和FIA的分析，可以看到各國對下一代互聯網需求的研究結果基本吻合，認識基本一致，下一代互聯網的重大需求主要包括擴展性、安全性、移動性、可管理性、高性能和實時性等方面。

新一代互聯網研究計劃重大需求如表1所示。

雖然基于共同的研究需求，但各個國家在選擇新一代互聯網體系結構研究路線上卻各有不同。目前，對新一代互聯網的研究有兩種基本思路，一種思路是基于現有的互聯網體系結構來解決面臨的重大技術挑戰，采用IPv6協議的大規模試驗網，攻克和試驗相關的關鍵技術；另一種思路是重新設計一種全新的互聯網體系結構來解決面臨重大技術挑戰。

人們必須承認互聯網的技術精髓和成功經驗，例如：分層分布式體系結構、無連接分組交換、可擴展的路由尋址、簡單實用技術等，這是幾十年來互聯網迅速發展壯大的根源，是在互聯網長期大規模技術試驗的基礎上逐步形成的體系結構的重要內容。實踐表明，互聯網體系結構本身具有很好的多維擴展特性。因此，在下一代互聯網體系結構研究中，要盡可能繼承和發揚目前互聯網體系結構的技術精髓，基于IPv6下一代互聯網，從基本組成、工作原理和實現機理，攻克重大技術挑戰和開發新的革命性應用，開展下一代互聯網體系結構的研究。

致謝：

感謝清華大學信息網絡工程研究中心任罡博士整理并且提供相關材料。