智慧標識網絡的未來互聯網體系

張宏科，黃道超

（北京交通大學下一代互聯網互聯設備國家工程實驗室 北京100044）

1 引言

隨著科學技術的發展，信息已經成為當今社會向前發展的巨大推動力，互聯網作為信息的一個成功載體，已經滲透到包括政治、經濟、文化、教育、衛生等人類社會生活的方方面面，成為人們日常生活不可缺少的一部分。然而，現有互聯網是在20世紀70年代設計的，其原始設計思想在互聯網突飛猛進的發展過程中逐漸暴露出諸多缺陷與不足。

第一，現有信息網絡基本是在一種網絡支撐一種主要服務的原創模式下融合發展演進的：電信網主要面向話音業務設計，不能適應寬帶流媒體業務的需要；互聯網主要支持數據業務，隨著網絡用戶和應用的不斷增加，互聯網的服務質量、可信性、移動性等問題已經凸顯出來。而現有信息網絡及演進方案受原創模式設計思想的限制，無法從本質上滿足當前乃至未來服務多元化的要求?；ヂ摼W當初是面向數據業務傳輸設計的，它的拓撲結構是具有冪律結構的無標度網絡，正是這種無標度的冪律結構拓撲導致互聯網對惡意攻擊的抵御能力十分脆弱。

第二，現有互聯網主要采用“三重綁定模型”的原始設計思想，其工作模式相對“靜態”和“僵化”，導致諸多難以解決的問題。如“資源和位置綁定”導致現有互聯網難以實現全網規模的云計算；“控制和數據綁定”難以實現網絡的節能；“身份與位置綁定”難以有效解決網絡的可擴展性、移動性和安全性問題。再如傳統互聯網在智能、感知、認知、動態等智慧化機制方面的支持能力嚴重不足，當用戶或者網絡行為發生變化時，網絡難以感知并實現資源動態適配，造成網絡資源分配不合理、利用率低、能耗大。同時，互聯網當初是面向數據業務傳輸設計的，是具有冪律結構的無標度網絡，正是這種無標度的冪律結構拓撲導致互聯網對惡意攻擊的抵御能力十分脆弱，安全性差。

正是由于現有互聯網體系與機理存在各種嚴重弊端，難以滿足未來信息網絡演進和發展的需求，突破原有互聯網的局限性，設計全新的未來網絡體系與機制，原創性、系統性地創建未來智慧網絡體系理論，在有效解決網絡可擴展性、移動性、安全性等問題的基礎上，使網絡更高效、更優化、更節能等，顯著提升用戶體驗，已經成為當前國內外信息領域迫切需要解決的焦點問題。

2 相關工作

為了突破現有互聯網原創模式的局限，探索并實現未來智慧型互聯網，搶占未來信息網絡領域的制高點，世界各國近年來相繼開展了未來信息網絡體系理論的相關研究。

2005年8月，美國自然科學基金（National Science Foundation,NSF）委員會啟動了全球網絡創新環境（global environment for network innovations，GENI）計劃[1]。GENI引入了切片化、虛擬化和可編程的設計思想，其目標是發現和評估可以作為21世紀互聯網基礎的新的革命性概念、示范和技術，建立一個用于研究未來互聯網體系結構、服務和過渡的實驗環境。目前，GENI正致力于探索研究平臺的第3個階段：確定GENI的技術和操作計劃。然而，GENI計劃的目的僅是構建一個網絡試驗環境，缺乏對新一代信息網絡體系架構及關鍵理論與技術的全面性和系統性研究。

2006年，美國NSF啟動了未來互聯網設計（future internet design，FIND）計劃[2]。2008年，FIND資助了50多個課題，分別從安全性、可靠性、可管理性、新的無線傳感網絡和光纖網絡以及網絡體系結構理論等多個方面，對未來互聯網的設計開展了相關研究。然而，FIND計劃資助的課題大多是探討未來互聯網應該滿足的特征以及從技術上如何實現這些特征，而沒有提出完整的未來互聯網的體系架構。

2008年歐盟啟動了FIRE（future internet research and experimentation）計劃[3]，對未來互聯網絡架構和服務機制進行研究，并建立相應的測試平臺。FIRE計劃資助的科研項目大部分跟未來互聯網體系結構相關。比如：PARADISO（a societal paradigm shift）[4]側重研究人、自然與環境可持續發展對未來互聯網的需求，ECODE（experimental cognitive distributed engine）[5]側重研究和部署認知路由系統，NanoDataCenters[6]對未來互聯網的數據中心和數據交互方式進行研究，Self-NET（self-management of cognitive future internet element）[7]側重設計和驗證未來互聯網絡中的自我認知管理機制，4WARD（architecture and design for the future internet）項目[8]和PSIRP（publish-subscribe internet routing paradigm）項目[9]側重研究未來互聯網中內容的命名與分發方式。

2010年8月，美 國NSF發 布 了FIA（future internet architecture）計劃，作為FIND研究計劃的延續。FIA計劃資助了NDN（named data networking）[10]、MobilityFirst[11]、NEBULA[12]、XIA（expressive internet architecture）[13]4個重大項目。

NDN[10]最初在2009年由Van Jacobson提出并被命名為CCN（content-centric networking）[14]，2010年Lixia Zhang等進一步完善，改名為NDN。NDN將關注的重點從現有網絡的“在哪里”轉移到“是什么”，即用戶和應用關注的內容，探索以內容/服務為中心的網絡體系架構，并在沙漏模型的細腰處采用內容名字。然而，其路由完全依賴于內容名字，帶來了較嚴重的路由可擴展性問題，并且NDN的數據傳輸效率甚至不如傳統TCP的傳輸效率[14]。

MobilityFirst[11]從支持普遍移動性的目標出發，指出未來網絡架構應包含有全球名字解析和時延容忍路由系統、自驗證公鑰地址、環境與位置感知服務、統一的網絡服務管理平臺等功能元素，以滿足未來海量移動設備的通信需求。MobilityFirst主要從對移動性的支持角度，探索未來網絡架構應具有的特征，并沒有完整地提出未來網絡架構的實現方法。

NEBULA[12]提出將網絡中的數據中心互聯，組建成能夠提供可靠、高速服務的核心數據網絡（即“云”），并在其內部支持多路徑傳輸機制、策略安全路由機制等，創建一個以云計算為中心的未來網絡架構。然而，NEBULA重點研究如何在現有互聯網的基礎上支持云計算，缺乏對數據內容的獨立命名，沒有為未來網絡架構提出比較詳細的體系結構以及解決辦法。

XIA[13]提出一種支持主機、內容和服務等主體間間接通信的新型網絡架構，3種主體通過一種可自驗證的廣義標識符進行通信，具有良好的安全性和互操作性。然而，XIA側重于研究未來網絡中的主機、內容和服務等主體間的通信模型，而并沒有討論如何實現未來網絡中資源的動態適配等問題。

此外，2006年5月，日本啟動了AKARI（a small light in the dark pointing to the future，黑暗中的一絲光明）計劃[15]，目標是在2015年之前研究出一個全新的網絡架構，并完成基于此網絡架構的新一代網絡的設計。AKARI計劃致力于下一代網絡架構和核心技術，在2010年完成體系結構的設計，并從2011年開始第二階段的建設試驗床工作。然而，AKARI計劃側重于物理以及網絡層面協議和機制的研究，幾乎沒有涉及智慧服務與網絡。2008年，韓國也設立了未來互聯網論壇（future internet forum，FIF）[16]，以針對未來互聯網的關鍵技術開展研究。然而迄今尚未看到韓國科學家提出的未來互聯網體系架構的報道。2008年10月，德國也啟動了G-Lab（German-Lab）計劃[17]，集合了德國32個頂尖的研究和實驗機構，研究未來互聯網的新應用以及相應的新技術。同時，G-Lab計劃構建了一個包含170多個有線、無線節點的實驗網絡，以驗證所提出新技術的可行性和有效性。目前，尚未見G-Lab計劃提出完整的未來互聯網體系架構。

國外學術界近年來也紛紛撰寫論文，闡述發展未來互聯網體系理論的重要性。比較典型的，如2007年Koponen等人重新設計了Internet的命名和解決方法，提出一種數據導向的網絡架構思想，保障服務和數據接入的持續性、可用性和真實性[18]；2009年Van Jacobson等人提出以內容為中心的網絡架構，通過對網絡中的內容進行直接命名和路由尋址，使網絡實現了從關注內容的位置到內容本身的轉移[14]；2011年，Wei Koong Chai等人設計了支持服務泛在解析和傳輸的未來互聯網架構，旨在有效解決網絡中多媒體數據的有效散播問題[19]；同年，Jianli Pan等人指出，在現有網絡架構基礎上進行優化，難以徹底解決網絡安全性、移動性和內容分發等問題，建議重新設計全新的未來互聯網架構[20]；John Chuang等人則提出在網絡架構設計之初就應充分考慮“競爭性”，如該架構允許不同的消費者按照自身意愿選擇不同的服務提供商，支持用戶導向型路由機制等[21]；Sasitharan Balasubramaniam等人提出了利用生物學中生態系統理論，指導未來網絡架構設計的思想，以改善網絡的頑健性、自適應性和可進化性等[22]；Bengt Ahlgren等人則提出未來網絡架構將必然包含3個方面的內容：以信息為中心的網絡、云計算網絡和開放連通性的服務，認為以上三者的集成將最終形成未來網絡的架構[23]。

就國內發展趨勢而言，國家也非常重視對未來信息網絡體系結構和關鍵理論及技術的研究。“十一五”期間，國家對新一代信息網絡基礎理論研究進行了重點支持。2006年，國家“973”計劃啟動了“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”項目[24～28]，進行未來信息網絡體系結構的基礎研究。2007年，國家“973”計劃資助了“可測可控可管的IP網的基礎研究”項目，主要針對現有IP網的可測、可控、可管性開展研究。2008年國家“973”計劃資助了“新一代互聯網體系結構和協議基礎研究”項目，研究新一代互聯網體系結構與協議。國家“863”計劃信息技術領域2008年度專題課題資助了目標導向類課題“身份與位置分離的新型路由關鍵技術與實驗系統”[29],研究身份與位置標識分離的新型路由尋址體系結構及解決方案。2010年11月，國家“863”計劃信息技術領域啟動了“三網融合演進技術與系統研究”重大項目[30]，將“面向三網融合的創新網絡體系結構”列為重要研究內容。2011年度國家“973”計劃支持了“面向服務的未來互聯網體系結構與機制研究”和“可重構信息通信基礎網絡體系研究”兩個項目。前者以面向服務為核心設計理念，以服務標識作為沙漏模型的細腰，并以服務標識驅動路由和數據傳輸，在體系結構和核心機理層面進行針對性研究；后者側重于構建一個功能可動態重構和擴展的基礎物理網絡，為不同業務構建滿足其根本需求的邏輯承載網，以解決目前IP網絡層的功能瓶頸。2012年2月發布的“973”計劃項目申請指南將“智能協同網絡理論研究”列為重要支持方向[31]。

這些項目的開展，為我國信息網絡領域培養了一批頂尖科學家和優秀的科研人才，并且提高了我國信息網絡領域在世界范圍內的影響力，為我國開展未來信息網絡體系理論的研究提供了良好的技術基礎。特別地，北京交通大學下一代互聯網互聯設備國家工程實驗室在前期“973”計劃項目“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”的資助下，創造性地將網絡劃分為“普適服務層”和“交換路由層”，提出并設計了“4種標識”和“3種映射”的未來互聯網新體系機理與架構，改進了互聯網的網絡設施安全性、移動性、路由表可擴展性以及可控可管性，提升了服務遷移、服務可靠接入、普適服務等能力。該項目實現了完整的原型系統并得到了推廣應用，在IEEE Transactions等國際頂級期刊上發表多篇論文[32～41]。在教育部2009年12月組織的科技成果鑒定中，鑒定委員會一致認為：“該項目在未來信息網絡體系、理論及技術等核心研究領域取得了重大突破性進展。在網絡體系架構、標識解析映射機制等方面有重大創新，具有國際先進水平?！痹?011年11月，科技部組織的國家“973”計劃項目驗收中，該項目結題評價為優秀。

綜上所述，現有網絡已經不能很好地滿足當今應用的需求，阻礙著網絡的進一步發展，重新審視網絡體系結構，甚至考慮革命性的變革已經成為世界各國政府和信息領域研究者們的共識。

圖1 一體化標識網絡新型體系結構模型

圖2 一體化可信網絡的體系結構模型

3 智慧標識網絡的未來互聯網體系

3.1 一體化標識網絡體系架構

傳統信息網絡的原創模式基本是一種網絡支持一種主要服務，如互聯網主要面向數據業務設計，難以保證實時業務及服務質量，電信網主要面向話音業務設計，很難適應寬帶流媒體數據業務的需要?，F有信息網絡的這種原創模式在理論與技術上存在著嚴重的先天缺陷，導致它們基本上都只能支持一種主要業務，難以對其他業務提供良好的支持。

在充分分析了現有信息網絡存在的不足以及未來信息網絡演進的可能趨勢的基礎上，北京交通大學下一代互聯網互聯設備國家工程實驗室依托國家“973”計劃“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”項目，提出的一體化網絡原創模式如圖1所示。該原創模式的總思路可歸納為：“4種標識，3類映射”，實現了在同一種網絡下支持各種不同服務的一體化網絡設計模式，并提出了一個全新網絡的兩層體系結構模型——一體化可信網絡與普適服務新型體系結構模型。該模型包括“網通層”和“服務層”兩個層次。

其中，網通層主要包括虛擬接入子層、虛擬骨干子層以及接入標識解析映射（如圖2所示），其核心理論是一體化網絡接入標識與交換路由標識分離聚合映射理論。虛擬接入子層引入接入標識ID的概念和機制，實現各種固定、移動、傳感網絡等的統一接入；虛擬骨干子層為各種接入網絡提供交換路由標識ID，用于核心網絡上的廣義交換路由和尋路；接入標識解析映射將多個交換路由標識ID映射到多個連接標識ID。

接入標識解析映射定義如下：

其中，zM（n）RID表示網絡中的交換路由標識，M表示某次選路，RID表示交換路由標識ID；xMN（n）AID表示端系統的接入標識，M表示交換路由標識下標，N表示接入位置，AID表示接入標識ID；Ω(·)是一對多的映射函數，完成一個交換路由標識ID到多個接入標識ID的映射；其逆映射Ω-1(·)將不同的接入標識ID映射回交換路由標識ID。

作為網通層支撐理論的接入標識與交換路由標識分離聚合映射理論，其主要作用可歸結如下。

（1）實現了多元化接入與終端的統一接入

使得網通層實現了多元化接入網絡與終端（如互聯網中的固定網絡、移動網絡和傳感網絡等，電信網中的各種接入網絡和終端等）的統一接入，克服了傳統互聯網和電信網的接入網絡單一的問題，拓展了網絡服務的范圍。

（2）保證用戶的隱私性和安全性

各種接入網絡的接入標識代表它們的身份，而交換路由標識僅用于核心網絡進行路由交換。接入標識和交換路由標識分離后，代表用戶身份的接入標識不會在核心網絡上傳播，使得其他用戶不可能通過截獲核心網絡的信息分析用戶的身份，保證了用戶的隱私性；也不可能通過用戶的身份截獲他們的信息，保證了用戶信息的安全性。

（3）保證了網絡的可控可管性

各種接入網絡在申請接入標識時，網絡管理者根據用戶的簽約信息，對各種接入網絡進行接入控制和鑒權，鑒權的結果決定是否接受用戶連接請求，同時決定為用戶提供的服務質量水平。

（4）保證了各種接入網絡及用戶的移動性和傳感性

各種接入網絡在移動到其他位置之后，僅其接入標識需要發生變化，代表核心網絡連接的交換路由標識不需要發生變化，只需要改變交換路由標識和接入標識的映射關系。這樣，核心網絡上的用戶連接不需要中斷，就可以保證用戶繼續接受各種服務。

服務層包括虛擬服務子層、虛擬連接子層以及服務標識解析映射、連接標識解析映射。在服務層需要建立普適服務理論模型，探索與解決一體化網絡下服務的映射、匹配/選擇、組合/分解、執行過程中一系列基礎理論、方法與關鍵技術問題，著重解決為個性化用戶提供多元化服務，即實現服務普適化。一體化網絡下普適服務的服務層模型，如圖3所示。

這里，服務標識映射將虛擬服務子層和虛擬連接子層的工作聯系起來，完成服務對象標識到多個連接標識的映射，實現通信設備間的普適服務連接，映射定義如下：

圖3 一體化網絡的服務層模型

其中，zN（n）SID表示一種服務，N表示服務種類，SID是服務標識；（zNM（n）CID，zNM（n）CNo）表示在服務下映射出的某一連接，M種連接類型選擇，CID是連接標識，zNM（n）CNo表示某一連接的連接號，用于區分每種連接中的某個連接號，CNo表示連接號數；Φ(·)是服務標識解析映射的函數。從式（2）可知，Φ(·)是一對多的映射函數，完成一個服務到多個連接的映射；其逆映射Φ-1(·)完成將連接子層收到的多個連接向一個服務的映射。

3.2 未來智慧協同網絡體系架構

現有信息網絡的原創模式是相對“靜態”和“僵化”的，如網絡不能自動感知服務（業務）的需求變化，網絡資源無法按照需求動態適配等，無法滿足未來網絡“高速”、“海量”、“泛在”、“綠色”的通信需求。要從根本上解決現有信息網絡原始設計的嚴重弊端，必須在一體化標識網絡的基礎上，進一步創建全新的未來智慧型網絡體系與機制，建立相應的基礎理論體系。為此，北京交通大學下一代互聯網互聯設備國家工程實驗室在前期“973”計劃項目“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”成果的基礎上，依托國家“973”計劃項目“未來智慧協同網絡理論基礎研究”項目，深入研究和探索支持智慧（智能、感知、認知、動態等）服務與網絡的未來網絡體系基礎理論，提出資源動態適配的未來智慧協同網絡體系結構模型，提出了資源動態適配的未來智慧協同網絡“三層”、“兩域”總體系架構模型（如圖4所示）?！叭龑印保粗腔鄯諏?、資源適配層和網絡組件層；“兩域”，即實體域和行為域。

圖4中，智慧服務層主要負責服務的標識和描述以及服務的智慧查找與動態匹配等；資源適配層通過感知服務需求與網絡狀態，動態地適配網絡資源并構建網絡族群，以充分滿足服務需求，進而提升用戶體驗，并提高網絡資源利用率；網絡組件層主要負責數據的存儲與傳輸以及網絡組件的行為感知與聚類等。該體系3層結構之間的智慧映射函數分別為F1、F2和F3，如圖5所示，分別完成服務需求到族群的選擇、族群內網絡組件與服務需求的匹配以及網絡組件的行為聚類功能。實體域使用服務標識（service ID,SID）標記一次智慧服務，實現服務的資源和位置分離；使用族群標識（family ID,FID）標記一個族群功能模塊，使用組件標識（node ID,NID）標記一個網絡組件設備，實現網絡的控制和數據分離及身份與位置分離；行為域使用服務行為描述（service behavior description，SBD）、族群行為描述（family behavior description，FBD）和 組 件 行 為 描 述（node behavior description，NBD），分別描述實體域中服務標識、族群標識和組件標識的行為特征。

圖4 “三層”、“兩域”總體系架構模型

圖5 未來智慧協同網絡體系模型

智慧協同網絡體系通過動態感知并智慧化匹配服務需求，進而選擇合理的網絡族群及其內部組件提供智慧化的服務，并通過引入行為匹配、行為聚類、網絡復雜行為博弈決策等機制，實現資源的動態適配和協同調度，使網絡更高效、優化、節能等。

資源動態適配的未來智慧協同網絡的基本工作原理如圖6所示。在智慧服務層和資源適配層之間，使用行為匹配機制，在行為域中，根據服務需求行為描述和族群功能行為描述形成一次映射，為智慧服務尋求最佳的族群功能模塊搭配組合，然后根據實體域的族群間協作機制，控制指定的族群功能模塊進行協同工作，從而實現服務標識到族群標識的映射過程；在資源適配層和網絡組件層之間，使用行為聚類機制，在行為域中根據族群行為描述和組件行為描述形成另一次映射，為族群功能模塊判定最合理的網絡組件構成，然后根據實體域的族群內聯動機制，在族群功能模塊內的網絡組件之間建立相互聯動關系，以完成族群功能模塊的整體功能，實現由族群標識到組件標識的映射過程。通過這兩次映射，網絡資源可以依據服務需求動態適配，從而實現智慧服務。

未來智慧協同網絡的最終目標是用資源動態適配的未來智慧協同網絡體系結構替代現有的網絡體系結構，從而建立一個智慧化的網絡平臺，實現資源的動態適配，以優化利用網絡資源，從而向用戶提供高效、可信的普適服務，顯著提升用戶體驗。

圖6 未來智慧協同網絡體系功能模型

4 原型系統的研究與實現

為了驗證所提出的新網絡體系理論與機制的正確性與可行性，北京交通大學下一代互聯網互聯設備國家工程實驗室研制了一體化標識網絡原型系統，開發了一系列具有自主知識產權的一體化標識網絡設備，具體包括廣義交換路由器、接入交換路由器、接入標識映射服務器、接入標識認證服務器、普適網絡視頻服務器、專用電話代理服務器、多連接服務器、多連接客戶端、服務標識映射服務器、普適網絡Web服務器、普適網絡客戶端、一體化標識骨干路由器、一體化標識接入路由器、標識認證服務器、標識分配服務器、網絡管理服務器、控制服務器、管理服務器、視頻會議服務器等。

研發過程中，嚴格按照軟件工程學和協議工程學方法，將原型系統的研發過程分為需求分析、概要設計、詳細設計、編碼、測試等幾個階段。這些階段是相互疊加的開發過程：只有前一個階段的文檔評審完之后，才可以進入下一個階段。下一個階段進行過程中，如果發現前一個階段設計有誤，必須停止現階段的工作，分析錯誤的原因，修改進行前一階段的設計，只有修改再次經過確認后，方可繼續本階段的工作。

下面給出了未來智慧協同網絡體系理論與關鍵技術仿真與驗證方案，如圖7所示。

針對資源動態適配的未來智慧協同網絡體系的主要基礎理論，擬分別采用DipZoom等軟件對網絡的數據進行分析與建模，采用OMNeT++對“三層”、“兩域”體系架構進行網絡仿真，使用PlanetLab服務驗證平臺進行驗證。在理論得到初步驗證后，建立一個小規模原型系統，通過自主開發的網絡功能測試儀進行網絡功能測試，并對原型系統反饋的數據進行分析，驗證和評估小規模原型系統的正確性與可行性。在此基礎上，將原型系統升級到示范網的應用規模，使用Smartbits網絡測試儀器測試網絡的性能、抗壓能力、異常處理，并對用戶反饋的信息進行分析。最終實現新網絡體系的大規模部署和實現。

擬采用的原型系統拓撲如圖8所示。該原型系統重點從智慧服務層理論與機制、資源適配層理論與機制、網絡組件層理論與機制等方面，全面綜合開展具體驗證工作。

5 結束語

目前，國內外對新一代信息網絡的研究已進入白熱化，基于分離映射的思想在學術界得到了廣泛承認，未來信息網絡全網標識化指日可待，但如何實現智慧化的標識網絡，在有效解決網絡安全、移動、可控可管等的基礎上，使網絡更高效、優化、節能方面尚未形成較為完整的體系，具有很好的發展前景和潛在機遇。本文針對現有互聯網原始設計模式存在的嚴重缺陷，在深化一體化標識網絡基礎理論，擴大一體化標識網絡已有成果的基礎上，指出了未來互聯網體系結構智慧化發展趨勢，為有效解決網絡可擴展性、移動性、安全性等問題，實現網絡更高效、優化、節能等跨越式發展和實質性突破提供了參考。

圖7 未來智慧協同網絡體系理論與關鍵技術仿真與驗證方案

圖8 未來智慧協同網絡原型系統驗證拓撲

1 GENI.http://www.geni.net/

2 FIND.http://www.nets-find.net/

3 FIRE.http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fire/

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7 SELF-NET.https://www.ict-selfnet.eu/

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9 PSIRP.http://www.psirp.org/

10 Named data networking.http://www.named-data.net/

11 Mobility first.http://mobilityfirst.winlab.rutgers.edu/

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