未來網絡發展趨勢研究

宣恒農　劉田田　張潤馳　趙冬　苗春玲

摘 要： 多媒體網絡、智能網絡的出現使互聯網的發展面臨挑戰。針對互聯網的現狀，指出了進行未來網絡研究的必要性；簡要描述了未來網絡的概念；回顧了未來網絡的研究規劃；闡明了國內外研究現狀，其中包括：物聯網、數據中心網絡、云計算、云安全和系統級故障診斷等；在此基礎上分析了未來網絡的發展趨勢，預測其發展前景，以及在發展中有待解決的問題。

關鍵詞： 未來網絡； 物聯網； 數據中心網絡； 云計算； 系統級故障診斷

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）03-01-02

0 引言

隨著網絡技術的不斷發展，互聯網現已成為一種涉及多學科、高科技的應用領域，其性質從一個以科研為主的網絡逐步演變為全球規模的信息基礎設施。上世紀90年代以來，以Internet為代表的互聯網進入高速發展階段之后，出現了多媒體網絡、智能網絡等，與原有互聯網的矛盾逐漸凸顯，這些矛盾已經影響到網絡的可持續發展，這使得對新一代網絡的研究提上日程，于是催生出“未來網絡（Future Network）”[1]，如今未來網絡技術的研究成了炙手可熱的新領域。未來網絡也叫“下一代網絡（NGN，Next Generation Network）”或“下一代互聯網（Next Generation of Internet）”，學術界至今未有明確的定義[2]。

1 未來網絡的研究規劃

1993年美國政府提出了“NGII（Next Generation Internet-

Initiative）”計劃，該計劃的目標是開發規模更大、速度更快的下一代網絡結構，提供更為先進、實時性更高的網絡應用服務，實現更快速的交換和路徑選擇，同時保證網絡信息的可靠性和安全性。

2005年，美國國家科學基金會設立了兩項未來網絡計劃：未來互聯網網絡設計計劃（FIND）和全球網絡創新環境計劃（GENI）。2007年歐盟啟動第七框架計劃，建立歐洲未來互聯網研究和實驗項目（FIRE），投入達4000萬歐元。

我國為了徹底改變互聯網落后于人的現狀，抓住未來網絡發展機遇，國家級的戰略研究項目“中國下一代互聯網國家示范工程項目（CNGI）”于2003年醞釀并啟動。以此搭建我國第一個未來網絡實驗平臺，致力于未來網絡體系結構的研究。

2 未來網絡的國內外研究現狀

2.1 物聯網

物聯網[3-4]較早的定義是由MIT Auto ID Center 在1999年提出的：在現有計算機互聯網的基礎上，利用RFID、無限數據通信等技術，構造一個以實現物品自動識別和信息互聯共享功能，并且能夠覆蓋世界萬事萬物的未來超級網絡，即物聯網。

2009年，IBM提出“智慧的地球”，全世界為之沸騰，物聯網再次掀起熱潮，許多國家將發展物聯網技術納入重大信息發展戰略之中。

“智慧的地球”利用物聯網技術試圖改變政府、公司和個人之間的交互方式，從而實現更廣泛的互聯互通以及更深入的智能化。物聯網在歐洲受到了歐盟委員會的高度重視已被正式立為歐洲戰略性發展計劃，作為全球第一個物聯網發展戰略規劃，《歐盟物聯網行動計劃》于2009年正式出臺，該計劃標志著歐盟國家層面上將物聯網的實現提上日程。同年，中國國務院總理溫家寶提出“感知中國”之后，物聯網也成了我國的研究熱點，國內各大電信運營商紛紛將物聯網作為未來移動互聯網的重點發展方向。此外，新加坡公布了“智慧2015”，澳大利亞、法國、德國等都在加快未來網絡基礎設施的建設步伐[5-6]。

2.2 數據中心網絡

數據中心網絡[7]是指數據中心內部通過高速鏈路以及交換機連接大量服務器的網絡。數據中心網絡的核心是由數萬臺高性能服務主機按照新型拓撲連接而成，通過網絡為各類用戶提供大數據處理服務。數據中心網絡采用先進的網絡技術和存儲技術，結合“設備虛擬化”理念，承載了網絡中大部分的服務請求和數據存儲量，提供高效率的大數據運算功能，為客戶業務提供高性價比的數據服務平臺，體現了一種網絡服務集中化的思想。

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。其中，美國和歐洲的數據中心數量幾乎占據全球總量的一半。關于數據中心網絡的研究成果有軟件定義數據中心（DCN）、“OpenFlow”網絡交換模型[9]、國內學者劉曉茜等人提出的“雪花結構模型”[10]等。在未來一段時期內，虛擬化，高速化，集中化，支持大數據將是數據中心網絡可預見的發展趨勢。

2.3 云計算

云計算[11]是一種可以調用的虛擬化資源池，這些資源池可以根據負載動態重新配置，以達到最優化使用的目的。云計算由Web服務和網格的演化、發展而來，故而云計算與這兩者有很多相似之處。目前，世界級大公司亞馬遜、微軟、谷歌、英特爾等均提出“云計劃”，例如Google的云計算平臺和云計算的網絡應用程序、IBM和Google聯合進行的“藍云”計劃、亞馬遜云計算AWS（Amazon Web Service）計劃等[12]。

2.4 云安全與系統級故障診斷

在未來網絡技術的研究和發展過程中，傳統的反病毒模式已不能滿足新型網絡發展的安全需求，應運而生的是云安全技術（Cloud security technology）。云安全技術的思想就是通過云端的服務器，即時搜集海量的病毒庫信息，對使用者的本地端進行及時有效的保護，達到網絡共享信息的目的。

相比傳統的反病毒技術，云安全技術具有明顯的優勢：一方面，云中病毒樣本是從大量客戶端收集的，相比傳統病毒庫更全面，提高了查殺病毒的能力和處理效率；另一方面，傳統用戶在病毒查殺時需要耗費大量計算機資源，而云安全技術將查殺病毒放在服務端，節省了計算機用戶本地的資源耗費，客戶端體積更小，功能更強。

為了使未來網絡能夠健康的發展，“系統級故障診斷”扮演著不可缺少的角色。系統級故障診斷的大致思想是：讓系統中的處理機相互測試，通過對測試結果進行邏輯分析確定故障處理機。現有的系統級故障診斷研究成果包括：基于PMC模型的DSD算法，基于Hopfield算法的Compete算法、集團算法、基于PMC模型的遺傳算法、人工免疫診斷算法、神經網絡診斷算法，以及筆者提出的方程診斷算法[13-14]等。筆者首次建立PMC方程模型的定義（即PMC模型的方程描述），針對傳統的圖論診斷算法離不開t-可診斷性和相信大多數（即假定系統中故障機的臺數少于處理機總臺數的一半）的特點，引入絕對故障基等概念，并充分運用集團工具，在不以t-可診斷性和相信大多數作前提假設的情況下，找到了求PMC模型全體相容故障模式的具體方法——方程診斷算法。

3 未來網絡的發展趨勢

未來網絡在不久的將來究竟會發展成什么樣，我們不妨根據當前的研究現狀，對未來網絡的發展前景作一個合理的預測。

3.1 網絡規模的擴大和用戶數的激增

隨著物聯網、云計算以及多媒體技術大規模的發展與應用，用戶和終端規模進一步擴大。若以城域網為單位，用戶規模超千萬、終端規模超億將成為未來網絡的重要特征。PC的普及以及寬帶費用的降低，使得一切都不是問題，未來網絡全民時代的到來自然將不再是傳說。美國國家科學基金會 （National Science Foundation）預測，截止到2020年，全球未來網絡用戶將增加到50億。

3.2 未來網絡的智能性

未來網絡的智能性主要表現為，通過模擬人腦的思維活動，為用戶提供更加方便、直觀、友好的應用。目前，關于未來網絡的智能化不僅體現在觸屏電腦、查閱資料、簡單的數據統計和簡單的智能控制方面，未來網絡的智能化發展空間還十分廣闊，如智能性決策系統、分布知識庫系統、智能性分布控制系統、智能代理技術等。未來網絡的智能化將為人們的生活帶來極大的便利，還需要進一步加強研究和探索。

3.3 網絡多媒體

未來網絡把人們所需要的多種形式信息轉換成具有文字、圖形、圖像和聲音等多種信息形式。目前，數字攝像輸入、壓縮解壓、語音聲控輸入等多媒體信息傳輸技術，視頻存儲、語音存儲等多媒體存儲技術，彩顯、彩打等多媒體利用控制技術，以及n4MX芯片等多媒體處理技術的發展，為多媒體技術和未來網絡技術的結合和發展，提供了強大的技術支持。未來網絡的多媒體性將為人類日益豐富多彩的生活提供極大的便利和保障，成為未來網絡的重點發展方向之一。

4 結束語

近年來，世界各國紛紛開展關于未來網絡的研究，在未來網絡架構、網絡性能、云計算、物聯網、數據中心等方面取得了許多重大成果。在進展迅速的同時，未來網絡的安全性、路由可擴展性、信息甄別等是未來網絡進程中首先要解決的問題。以現有的研究成果為基礎，繼續推進并加大開發研究力度，增進全球范圍的交流合作，必將實現未來網絡規劃，為全球網絡體系帶來一個劃時代的技術飛躍。

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