未來網絡的研究現狀與發展前景

摘 要：扼要闡述未來網絡的研究意義，介紹未來網絡的發展歷程，全面分析未來網絡在多媒體網絡、網址分配、網絡計算、數據中心、網絡安全及故障診斷等相關領域的研究現狀，并在此基礎上預測未來網絡在網絡規模、開放開源、傳輸速度等方面的發展前景。最后指出在未來網絡發展過程中應當注意的網絡安全、網絡節能及商業模型構建等問題。

關鍵詞：未來網絡；網絡計算；IPv6；數據中心；故障診斷

1 研究未來網絡的意義

“未來網絡”[1]是對未來一定時期內網絡發展的稱呼與描述。由于未來網絡的含義過于抽象，至今學術界無法對它進行明確的定義。概括地說，未來網絡是能夠提供現有網絡技術難以做到的服務、能力和設施的網絡，是為了解決現有網絡存在的問題、滿足用戶對網絡功能的更多需求、順應將來一定時期內網絡發展的總體趨勢而提出的新型網絡構想。

對未來網絡的研究并非空中樓閣。首先，建立在TCP/IP體系結構上的現有網絡面臨著諸多問題：網絡規模被動擴張、IP地址資源缺乏、網絡速度無法適應高速網絡應用的發展、網絡時時因負載過高而崩潰、網絡體系本身無法保證網絡傳輸內容的安全……對未來網絡的研究最主要的目的就是力圖跨越傳統網絡的技術障礙，解決出現的各種問題。

同時，在現有網絡的功能基礎上，人們希望未來網絡可以擁有更強大的商業與應用價值。隨著物聯網、云計算等大量新型網絡服務的開展以及大數據時代的到來，傳統網絡從技術上已越來越難滿足用戶日益高漲的新需求，未來網絡在各個方面都已表現出傳統網絡技術不可比擬的優越性。

2 未來網絡的發展歷程

未來網絡與傳統網絡在發展過程中并無明確的界限與鴻溝，而是一種漸進式地演變。一般認為，20世紀90年代初期起，傳統網絡開始逐漸暴露出各種問題，拉開了對“未來網絡”規劃與研究的序幕。

自互聯網誕生以來，美國一直占據著全球網絡格局規劃的主導地位。20世紀90年代之后，由于當時網絡本身存在著技術上的不足，加之接入網絡的用戶數量猛增，使得Internet不堪重負。1993年，美國政府率先提出NGII計劃，該計劃的目標是在解決現有網絡存在問題的同時，開發規模更大、速度更快的下一代網絡體系結構，提供更先進、更實時的網絡服務，同時保證網絡信息的可靠性和安全性。

隨著NGII計劃的開展，到了20世紀末，網絡技術發展到了一個新層次。IP電話、網絡視頻等網絡業務也逐步向傳統電信領域延伸，這給電信產業帶來了沖擊。在巨大的競爭壓力下，電信業提出了關于下一代網絡（NGN） 的發展構想。NGN計劃以軟交換為中心，提供QoS數據傳送技術，力圖在一個統一的網絡平臺上提供多媒體業務，以實現用戶對業務使用的一致性。

之后的若干年里，全球互聯網絡進一步向開放、融合、高速、高性能的方向發展。為了滿足時代對網絡提出的新要求，2005年，美國啟動了全球網絡創新環境計劃（GENI）[2]。GENI計劃以“虛擬化、可編程、可切片”理念為核心，重新設計互聯網體系結構。同期設立的還有未來互聯網設計研究計劃（FIND），該計劃更側重于對未來互聯網體系架構的研究。

在全球發展未來網絡的潮流影響下，歐盟及其成員國也迅速成立了相關的產業聯盟，先后設立了FEDERICA計劃[3]、FIRE計劃[4]等等。這些未來網絡研究項目大多開展面向多方面、寬領域的未來網絡核心技術的研究，同步建設大規模開放性未來網絡實驗平臺，通過合作實驗逐步構建出未來網絡的體系結構。

3 未來網絡的研究現狀

3.1 多媒體網絡

多媒體網絡是一種將包括文本、圖像、視頻和音頻等形式的信息結合在一起，通過計算機進行綜合處理的全新網絡技術。經過幾十年的發展，最新提出的新一代多媒體網絡設計思想主要包括以下三個方面[5]：一是通過抽象的方法，如名址分離、可編程路由等，實現網絡的可演進性；二是采用分布式的系統架構方法提高系統的可擴展性；三是在接入設備中加入存儲、視頻處理等計算功能，提高數據的傳輸效率與面向終端用戶的自適應能力。

當前多媒體網絡的研究重點包括：將網絡帶寬提高到適合多媒體內容傳輸的方法；多媒體網絡中信息交換方式與高層協議；多媒體網絡信息服務器的構架；多媒體網絡的通信協議及性能等。

3.2 解決網絡地址問題

當前網址分配體系的最大問題是網絡地址資源有限：IPv4的網絡地址已于2011年2月3日在全球范圍內分配完畢。地址不足限制了同一時間內網絡終端的接入數量，嚴重阻礙了互聯網規模的擴大與功能擴展。當前學術界對如何解決未來網絡地址分配問題主要持“改良式”與“革命式”這兩種截然不同的觀點。

持改良式觀點的研究者認為：IPv6協議與IPV4協議同屬TCP/IP協議體系，其主要優勢[6]包括擴大了的地址空間（采用128位地址長度，擁有的地址達到2^128個）、支持移動和即插即用、可以更好實現網絡多播、在IPV4的基礎上增加了路由探測、參數探測、地址自動配置與解析等功能；在網絡安全方面，采用身份驗證方式阻止信息報探測、IP欺騙、連接截獲等網絡不安全行為的發生；也增加了諸如源地址檢查、無狀態地址映射等新技術。

IPv6取代IPv4的關鍵是過渡技術的選取，當前對IPv6的研究重點也主要在這一方面。現已提出并經過實證可行的過渡技術主要有以下三種：1.雙棧技術[7]：在網絡節點上同時運行IPv4和IPv6的協議棧，根據收到的分組切換使用；2.隧道技術：當數據需要在使用不同協議的鏈路（隧道）上傳送時，將數據包封裝在合適的協議中，通過鏈路（隧道）后再解封；3.翻譯技術：通過建立IPv4與IPv6地址間的映射表，以分配臨時IP地址的方式進行數據傳遞。

當前國際學術界普遍認為：用IPv6取代IPv4是維持當前地址增長趨勢的惟一可行途徑。2012年開始，IPv6在全球逐漸進入商業部署階段，國際互聯網組織也制定了相應的國際標準。我國現階段的CNKI工程[8]、物聯網、云計算和三網合一等多項業務都是在采用IPV6的基礎上開展的。

“革命式”方法也被稱作“clean-slate”[9]，意指拋棄現有網絡體系，從白板開始設計一個全新的未來網絡體系結構。持這種觀點的研究者認為：造成當前網絡問題的根本原因是TCP/IP網絡體系設計本身的缺陷，IPv6僅僅是IPv4的延續和改進，無法從根本上解決網絡中存在的問題，因此需要構建全新的網絡體系結構。在設計中充分考慮現有IP網存在的基因性缺陷，以期徹底解決當前網絡存在的問題。

革命性技術路線不是憑空想象的“閉門造車”，而是從堅實的現有技術基礎起步，以未來網絡為實現領域進行探索性研究。當前全球基于“Clean Slate”理念的研究項目有很多，具有代表意義的包括美國的CCN[10]、NDN[11]和斯坦福大學的Clean-Slate項目[12]等等，這些項目都取得了不少階段性成果。

3.3 網絡計算

網絡計算是將分布在網絡上的計算機、軟件、信息、知識等數據資源和計算資源組織成一個邏輯整體，將整個網絡虛擬化為一臺計算能力超強、資源接近無限的超級計算設備。隨著未來網絡的發展，信息處理方式也已步入網絡計算的時代。

網絡計算主要有四種典型形式：網格計算、對等計算、企業計算、和普適計算。其中網格計算與對等計算是網絡計算研發的主要方向。當前發展較為成熟的是基于網格計算思想的“云計算”技術。

云計算網絡[13]是在數據中心的基礎上建立起來的，網絡核心可以智能地進行網絡資源配置，把用戶提交的計算處理任務拆分成若干較小的服務，分配給網絡中的海量計算機進行運算，最后將結果收集整合，返回給用戶。對用戶而言，云計算模式隱藏了基礎設施的復雜情況。與傳統的多機系統相比，云計算模式弱化了地理因素的限制，擁有更強大的超級計算能力。

當前云計算領域主要研究內容包括計算資源調度算法、虛擬化技術、云平臺安全技術等[14]。在世界云計算商用領域，Google云在全球已擁有100多萬臺高性能服務器；Amazon、IBM、Microsoft、Yahoo也各自擁有幾十萬臺服務器。與國外同期發展情況相比，國內云計算發展規模相對較小，在功能與安全性方面尚有改進之處。

3.4 數據中心

維基百科對數據中心給出的定義是：“數據中心是一整套復雜的設施，它不僅包括計算機系統和其它與之配套的設備（例如通信和存儲系統），還包含冗余的數據通信連接、環境控制設備、監控設備以及各種安全裝置”。數據中心主要經歷了四個發展階段：20世紀60年代出現的以主機為核心的微型數據中心、70年代后以廣域網，局域網系統為核心的小型數據中心、90年代開始形成的以互聯網為核心的Internet數據中心、以及2007年至今發展起來的“現代數據中心”[15]。

現代數據中心是虛擬化技術和互聯網結合的產物，通常由至少上萬臺超級服務器主機按某種拓撲結構連接而成，采用先進的虛擬化網絡分配技術、大容量數據存儲技術和任務分配調度算法，通過因特網為用戶提供高性能的大數據處理服務。目前，全球數據中心總量大約為350萬個，主要集中分布在美國、歐洲、日本和中國等地區。

現階段關于數據中心網絡的研究以虛擬化、數據中心運行效率、新型網絡拓撲結構和數據中心網絡節能方法為主。虛擬化領域主要研究成果包括軟件定義數據中心、“OpenFlow”網絡交換模型[16]，提出了動態數據中心網絡流量調度模型[17]、模塊化數據中心[18]等方法以改進數據中心的運行與管理效率，代表性的數據中心網絡結構有Fat-Tree、BCube、DCell、Monsoon、VL2、雪花結構模型[19-20]等。網絡節能方向主要是提出通過調節設備狀態節能[21]、改進虛擬機和任務調度算法節能[22-23]等等。根據當前國內外研究進展，在未來一段時期內，新型網絡結構、數據中心網絡協議、虛擬化地址配置方法、整體節能方案等將是數據中心網絡可預見的研究重點[24]。

3.5 網絡安全與故障診斷

在未來網絡新技術發展的同時，安全問題也不容忽視。傳統的反病毒模式已逐漸不能滿足新型網絡發展的安全需求，應運而生的是云安全（Cloud Security）技術。

云安全的思想[25]是將計算機用戶與負責安全保護的服務商技術平臺聯系起來，組成一個大型查殺網絡。與傳統的反病毒技術相比，云安全技術具有明顯的優勢：一方面，云中病毒樣本是在全網用戶中收集的，它比傳統病毒庫更全面；另一方面，云安全技術將病毒查殺工作主要放在服務端，節省了計算機用戶本地的資源耗費，提高了查殺病毒的能力和效率。

當前對于未來網絡安全方面的研究還包括未來網絡核心系統的安全性、新型防火墻設備、身份識別、訪問控制機制、認證與授權機制、傳送安全機制等等。

在網絡防御策略、病毒查殺手段層出不窮之余，對由于各種原因出現故障的網絡系統進行故障診斷的技術也在同步發展。國外研究者在傳統多機系統故障診斷方法的基礎上，提出了分層自適應分布式診斷模型、基于比較的診斷策略、超立方體診斷模型和利用遺傳算法、人工免疫算法等進行故障診斷[26-31]。筆者在[32-34]等文中也研究了系統級故障診斷的相關問題，提出對PMC等幾種常見故障模型進行方程診斷的新型算法。系統級故障診斷的許多思想和方法可用于未來網絡系統的故障識別與診斷。

4 未來網絡的發展前景

未來網絡究竟會發展成什么樣？我們可以根據現有的研發情況及相關統計資料，預測未來網絡的發展前景。

4.1 未來網絡的規模將更大

截至2012年，全球的互聯網用戶總數已經達到24億。美國國家科學基金會預測，隨著未來網絡技術的進步，網絡范圍的廣泛覆蓋，接入網絡成本的降低，2020年之前，全球的網絡用戶數量將達到50億。由此帶來的是未來網絡規模的急劇擴大。

4.2 未來網絡將更開放

未來網絡的開放有兩層含義：第一，未來網絡的接口是開放的，各類異構終端設備都支持在統一的接入標準下，經由通用的外部接口接入未來網絡；第二，未來網絡的網絡資源是共享的[35]，用戶能夠方便地在全網找到需要的公開信息與文檔，現存的信息資源缺乏、信息不對等的問題將逐漸消失。

4.3 大數據時代的到來

越來越多的有價值數據將在未來網絡中存儲并傳遞，網絡數據量的激增使全球網絡逐漸進入“大數據”時代。大數據將以PB、EB甚至ZB為計量單位，對大數據的分析和使用往往需要在極短的時間內完成，甚至實時使用。IBM的研究報告指出：在整個人類文明所獲得的全部數據中，90%是在過去兩年內產生的，預計到2020年，全球網絡數據規模將達到現在的44倍。

4.4 網絡高速化與移動化

高速化的含義有兩點：一是網絡設備運行速度的高速化，即未來網絡應當擁有更大的傳輸帶寬、更精簡的路由表及更快的網絡分包傳輸機制；二是網絡服務的高速化，對于高計算強度、大數據的網絡業務，借助龐大的云系統，在服務質量機制（QoS）保證下可以快速完成。高速化是大數據趨勢的技術基礎。

移動化是指未來網絡可以擺脫地理位置與環境條件的束縛，各類終端幾乎在任何地點、任何時間都可以接入網絡。高質量的無線接入與衛星通信技術將在未來網絡中得到廣泛的運用。現已研發出的HSPA、WiMax、LTE、AIE等新型移動接入技術都促進了網絡移動性的發展。

4.5 未來網絡將更加開源

種種跡象表明，技術開源化是當今網絡發展的一個大趨勢，越來越多的技術聯盟及非營利組織支持向大眾公開核心與非核心的一切相關技術。開源的網絡產品有初創成本低、用戶可參與產品的維護與修改、bug可以被及時發現與修復、產品質量更可靠等優點。在未來網絡時代，服務提供商間的競爭將更加激烈，開源網絡服務的透明與安全性會吸引更多的用戶，開發風險低與市場適應能力強促使網絡服務商提供開源化的產品和技術服務。

5 未來網絡研發過程中應當注意的問題

未來網絡當前的研發勢頭迅猛，根據以往網絡發展的經驗教訓，我們指出一些在技術創新時應注意的問題，并提出相應的建議。

安全性問題：在未來網絡云平臺創建初期，由于理論尚不健全，技術剛剛起步，難免存在漏洞或缺陷，給網絡黑客創造了可乘之機。當前云平臺主要面臨的安全難題是如何在虛擬化技術中實施安全隔離和安全監控。云平臺應當建立有效的流量監控機制、防火墻隔離制度與全平臺網絡防御機制，對平臺中主干線路和局部塊域予以實時監控和管理，同時應當有破壞恢復與隔離機制，減少網絡攻擊與局部故障發生后可能引發的全局性反應。

網絡節能問題[36]：當前網絡設備生產商研究的重點大多是大容量、高運行速度的網絡設備開發、高傳輸速率的通信載體構建等等。然而，更高速的網絡設備服務往往意味著更大的運行功率，運行功率又與耗電量正相關。截至目前，互聯網耗電量約占全球總電量的5.14%。顯然，僅僅為了節能而拒絕開發新技術是因噎廢食，但在提高未來網絡的服務效率同時，重視節能設備的開發、采用恰當的網絡布局規劃、研究高效的網絡尋址分包算法、精簡網絡的整體架構也不失是一條節能的可行之路。

商業模型問題：各研究力量在投入資源對未來網絡進行深入研究的同時，良好商業模型的同步構建也應當予以足夠的重視。回顧TCP/IP協議體系結構在全球范圍內的形成過程[37]，1977年，國際標準化組織開始對全球通用的網絡標準框架進行研究，形成了OSI/RM七層協議體系結構雛形，90年代初，全套的OSI/RM國際標準都已制定完成。然而，由于OSI標準沒有足夠的商業驅動力，加之網絡設備商對TCP/IP體系的默認，采用TCP/IP協議的因特網已經在事實上覆蓋了全世界，最終，耗費巨大科研力量產生的OSI/RM結構體系僅僅是一整套“完美而龐大”的理論。在其它行業的標準制定中，專家與科研機構往往占據了絕對的話語權和決定權，而在計算機網絡這一技術發展迅速、可以創造巨大商業價值的領域，具有強勁市場背景的國際大型IT公司在“事實”標準化方面的影響力亦不可小覷。因此，任何優秀可行的未來網絡規劃理念都必須找到合適的商業模型作為推廣基礎，以免重蹈OSI/RM的覆轍。

6 結束語

近年來，世界范圍內關于未來網絡的研究正在廣泛開展，在未來網絡架構、網絡提速、網絡性能、物聯網、數據中心、云計算、網絡查殺、故障診斷理論與技術創新等方面取得了不少重大成果；于此同時，未來網絡的安全管理、綠色節能和商業推廣模式問題也不應被忽視。只要繼續加大研究力度，在現有研究成果的基礎上繼續推進，增進全球范圍內的交流與合作，相信未來網絡的宏偉規劃必將早日實現，為全球網絡體系帶來一個劃時代的技術飛躍。

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