未来互联网络研究进展及关键技术_靳俊峰

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靳俊峰，方青，田明辉

（中国电子科技集团公司第三十八研究所数字技术部，安徽合肥 230088）

摘　要：

目前，互联网的应用已有40多年的历史，发展到今天面临许多未曾想象的挑战，尤其在商业应用方面。安全性、可移动性、内容分发等新的迫切需求通过增量式打补丁已经难以满足。因此，需要一种全新设计的网络来解决这些挑战，即未来互联网络。文章主要对国内外的研究进展做了分析，指出了未来互联网络需要解决的若干关键问题。

关键词：

未来互联网络；虚拟化；可编程；安全性中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1671-1122（2013）02-0073-03

Research Progress and Key Technologies on Future Internet

JIN Jun-feng, FANG Qing, TIAN Ming-hui

( No. 38 Research Institute of CETC, Hefei Anhui 230088,China )

Abstract: The current Internet, which was designed over 40 years ago, is facing unprecedented challenges in many aspects, especially in the commercial context. The emerging demands for security, mobility, content distribution, etc. are hard to be met by incremental changes through ad-hoc patches. New clean-slate architecture designs based on new design principles are expected to address these challenges. In this survey article, we investigate many ongoing research projects from United States, the European Union, Japan, China, and analyze some critical problems to be solved.

Key words: future Internet; virtualization; programmable; security

doi ：10.3969/j.issn.1671-1122.2013.02.020

未来互联网络研究进展及关键技术

基金项目：国家科技支撑计划项目[2011BAH24B05]作者简介：靳俊峰（1983-），男，山西，工程师，博士，主要研究方向：雷达数据处理、多源信息融合、计算机网络； 方青（1971-），男，安徽，高级工程师，硕士，主要研究方向：雷达情报系统设计、信息融合处理、软件工程； 田明辉（1981-），男，黑龙江，工程师，博士，主要研究方向：雷达数据处理、无源定位。

0 引言

随着无线通信、超高速光通信、高性能计算和软件等技术的迅速发展，以及三网融合、物联网、云计算、大数据等互联网创新应用的不断涌现，40多年前发明的以IP v4协议为基础的传统互联网在规模、功能和性能等方面面临着越来越严峻的挑战[1]。主要表现为：

第一，扩展性不足。据统计，2011年基于IP v4的全球路由表表项数目已接近40万，而且随着网络规模的不断增大，路由表呈指数级增长。第二，网络安全漏洞多，可信任度不高。根据赛门铁克诺顿公司的安全报告，中国国内因网络安全与网络犯罪每年造成全国直接经济损失达人民币2890亿元，有超过2.5亿网民成为网络安全问题的受害者。第三，可靠性和网络服务质量（QoS）控制能力低下。IP 网的设计理念是网络没有智能，智能放在终端侧，即IP 网是一个傻瓜网。这是造成IP 网不可控、不可管的根本原因。第四，移动性支持不足。以IP v4和IP v6为基础的传统互联网基于固定（有线）方式接入，未考虑移动应用环境中无线网络和小型终端可能带来的问题，因此难以实现高效的移动互联。第五，能耗巨大，能源利用率低。据思科公司的分析报告显示，当今网络骨干链路的带宽利用率不足40%，大量路由设备负载较低。测试表明路由器在低负载和满载情况下的能耗非常接近，因此目前路由器大都工作在低负载、高能耗的模式下。

为了应对这些技术挑战，美国、欧洲、日本以及中国的科技人员从20世纪90年代就开始进行基于IP v6协议的下一代互联网络研究。中国“十二五”规划明确提出“宽带中国”战略，大规模IP v6网络正在建设中。但IP v6网络是在现有网络架构基础上进行改良与整合，只部分解决了需求多样性、功能复杂性、终端移动性等问题。这种“演进式”的思路是对现有网络协议进行烟囱式、拼盘式的改进，加剧了网络自身的复杂性，难以实现网络的有效管理和全局优化。因此需要一种从体系架构、运行机理、管理机制等方面重新设计的“革命式”方案，即未来互联网络。

1 未来互联网络相关概念

国外诸多研究机构和学者已经开始对未来互联网络展开

研究，并且提出了与未来互联网相似的新一代网络、后IP网

络等新概念和新设想。它们的涵义分别是：

1）未来互联网络。国际电信联盟远程通信标准化组第13

工作组（S G-13）所定义的未来互联网络是能够提供革命性创

新服务与能力的网络，能够克服当前IP网络存在的不足和满

足未来用户对服务的需求[2]。欧美一些重要的“革命式”的

研究项目普遍采用未来互联网络这一说法。

2）新一代网络。新一代网络（New Generation Network，

N WG N）最早起源于日本。研究人员在未来互联网络研究项目

（A K A RI）中对新一代网络做出了明确的解释：新一代网络是

指与基于IP协议的下一代网络不同的未来互联网络[3]。

3）后IP网络。“后IP”（p ost-IP）最早由日本在其新一

代网络计划中提出[4]。欧洲的eMobility研究项目使用“后IP”

代表未来互联网络，该项目主要致力于解决未来互联网络移

动性问题。

综上所述，未来互联网络、新一代网络和后IP网络是针

对IP网络体系结构的不足而提出的，是革命式解决方案，是

利用“推倒重来”的方法重新设计未来互联网络，从根本上

解决现有网络体系结构存在的问题。因此，未来互联网络、

新一代网络和后IP网络是下一代互联网络的发展和延续。

2 全球未来互联网络发展动向

2.1 国外未来互联网络的研发现状

目前，采用革命性方案对网络进行研究正逐步成为一个

全球性研究热点。美国、欧盟、日本都已制定了系统性的研

究计划，图1示出了国外的一些主要的研究项目。

图1 美国、欧盟、日本的未来互联网络研究项目

2.1.1 美国

对于未来互联网络的发展，美国的一种主要观点是超

越IP v6，打造一个全新的、革命性的互联网。代表性项目有

美国国家科学基金会支持的“未来互联网网络设计”（Futu re

Internet Network Design，FIND）和“全球网络创新环境”

（Global

Environment for Network Innovations，GENI）[5]。

FIN D计划是美国国家科学基金会（N SF）网络技术和

系统（NeTS）研究计划中的一个新的重大的长期研究倡议。

FIN D邀请学术界考虑未来15年全球网络的需求将是什么。

如果从头开始设计，不受当前互联网的制约，这样的网络应如

何构建。FIN D关注的研究方向主要着重于安全体系整体设计、

可用性和适应性设计、可管理性设计、经济可行性设计、满

足社会需求、支持未来新的计算网络及应用、全新整体网络

架构的设计及其理论分析等方面。FIN D计划分成3个阶段：

第一阶段（2006—2008年）：致力于未来网络体系结构基础

问题研究，解决安全、命名以及路由等基础性问题；第二阶

段（2009—2011年）：基于第一阶段工作成果提出新的网络体

系结构；第三阶段（2012—2014年）：完成代码继承开发并在

GENI等实验床上测试和论证。

GE NI是FIN D项目的成果之一，是一套用于未来网络研

究的全球性可编程基础设施[6]。GE NI计划包括两大内容：基

础技术及设备研究计划和用于大规模试验新体系结构的全球

基础实验设施。GE NI的研究内容包括：设计新的网络体系结

构和服务，设计安全性、管理鲁棒性、经济持续性、移动性

等关键网络能力，开发新的无线设备、传感器，定制路由器和

光交换等新技术和新应用，开发新的控制、测量和管理软件等。

GE NI的参与单位几乎囊括了美国所有的顶尖机构：美国国防

部，斯坦福、麻省理工、普林斯顿等高校，思科、富士通、惠普、

英飞朗、微软、NEC等著名公司。

2.1.2 欧盟

2007年1月，欧盟启动了第七框架计划（F P7），建立

了“未来互联网络研究和实验”

（Future Internet Research and

Experimentation，FIRE）项目[7]。FIRE基础设施利用了欧

洲已经建立的基于IP v6的泛欧教育科研网（GE A N T），欧洲

以往的一些项目（如EuQ oS、Phosp hor us、N ESSI等）以及

PA N L A B、O N E L A B、F E DERICA等实验床项目。采用联盟

方式组织整个项目，每个参与者都可以共享数据、共享成果。

FIR E与GE NI有很多相似之处：1）都关注如何搭建真实试验

环境，从而为理论研究提供证据支持。2）通过螺旋式的部署

方案，冲破地理上的限制，建立全球性的大规模试验环境。3）

采用虚拟化技术，该技术将独立存在的资源和设施联系起来，

不仅使多个组织协同合作，还能降低能耗和成本。4）具有联

盟和跨学科等特点。

2.1.3 日本及其他

2006年，日本政府启动了未来互联网络研究项目

A K A RI[8]，意思为“黑暗中的亮光”，目标是在2015年前研究

出一个全新的网络架构，并完成基于此网络架构的新一代网

络设计。作为日本新一代网络的代表性项目，其核心思路是摒

弃现有网络体系架构的限制，从整体出发研究出一种全新的网

络架构，解决现今网络的所有问题，满足未来互联网络需求，

然后再考虑与现有网络的过渡问题。2008年4月，日本国立计

算机技术研究所基于JGN2（Japan gigabit network，日本千兆网）