未来网络分析及四种典型技术

未来网络的简单分析及四种典型技术

互联网自诞生以来，经过40 年的发展，目前已然成为人们生活的必需品。互联网的设计主要遵循了以下几条原则：用位置对节点进行标识；分层的协议栈；在网络层部署唯一的网络互联协议；基于数据报的无连接服务；端点智能、网络傻瓜化，即由端系统负责复杂的网络功能，连接端节点的网络只负责简单的传送功能。今天互联网的成功很大程度上源于这些基本的设计原则。

然而，互联网在这几十年中发生了巨大的变化，在安全性、移动性、可扩展性、可控可管性、服务质量等方面，互联网原始设计的缺陷逐渐暴露出来。随着以“内容/信息共享”为主要特点的网络应用的快速发展，当前互联网正面临着前所未有的压力。所有这些都迫使人们重新审视互联网的体系结构，思考各种改进的可能，由此各国开始了对未来网络的研究。

目前国内外的相关组织已经设立了多个规模较大的研究项目来推进未来网络的研究，比较著名的几个计划包括下一代互联网（NGI，next generation Internet）、下一代网（NGN，next generation network）、美国国家科学基金会设立的全球网络创新环境(GENI，global environment for network innovation)和未来互联网网络设计(FIND，future Internet design)、欧盟第七研发框架计划(FP7)等。我国在“973”计划、“863”计划这些重大的国家科研计划中也设立了若干个与未来网络相关的项目。

针对当前互联网存在的各类问题，研究人员从不同的角度出发寻求改进的办法。如前所述，内容“共享”业务的出现和普及是网络压力的根源所在。信息、内容的生成和传播、获取、使用方式的改变是互联网给人们生活带来的最重要改变。基于互联网的各项应用层出不穷，这其中绝大多数是跟“内容”有关的。根据中国互联网信息中心在2010年7月发布的第26次中国互联网络发展状况统计报告，网络音乐、网络新闻、搜索引擎、即时通信、网络游戏、网络视频、电子邮件、博客应用、社交网站、网络文学等是当前最主要的几类网络应用。网络新闻和搜索引擎这两类传统意义上的信息获取应用在2010年6月的使用率分别达到了78.5%和76.3%，其主流应用的地位可见一斑。而网络音乐、网络视频、博客/微博、社交网站、网络论坛等应用其实也都可以看作是内容/信息“共享”的不同实现方式。对于用户来说，内容共享是互联网最主要的一个功能。

另外，从IT业界比较流行的“Web x.0”的提法也可以看出内容在互联网发展中的重要地位。在Web1.0时代，门户网站发布内容，用户通过网络浏览器浏览静态网页来获取信息。在Web2.0 时代，用户不再是网络信息的被动接受者，而是以内容提供者的身份主动参与到内容的产生、传播过程中，P2P、社交网站等具有明显“共享”特征的应用在Web2.0时代飞速发展壮大。尚未到来的Web3.0时代被认为应当具有以下特征：网站内的信息可以直接与其他网站相关信息进行交互，能通过第三方信息平台同时对多家网站的信息进行整合使用，用户在互联网上拥有自己的数据（内容），并能在不同网站上使用。简单的说，Web3.0应当提供更智能、更简单的内容共享服务。

可以看出，能否提供更好的内容/信息共享服务是构想未来互联网发展蓝图时首先需要考虑的问题，也是衡量某项研究是否有价值的一个重要指标。

为了提供更好的内容服务缓解由内容共享给网络带来的压力，无论是底层架构的重新规划还是上层应用的改进扩展，都需要将“内容”置于一个核心的位置上。通过分析现有的相关研究，认为以下几种技术和思想对于实现以“内容”为中心的互联网是比较重要的。

1、位置与标识分离

IP 地址语义过载是当前互联网在命名和寻址体系结构设计中存在的主要缺陷。IP地址语义过载指的是在当前的TCP/IP协议中，IP地址既代表了网络节点的拓扑位置，又是节点的标识。IP地址的双重身份造成了网络在移动性、可扩展性、安全性等方面的问题。

国际Internet架构委员会IAB提出通过位置与标识分离(locator/identifier split)，即使用2个命名空间分别表示节点标识和位置来解决IP 地址过载的问题。目前已经出现了很多locator/identifier split的实现方案。

传统的位置标识分离主要是指主机节点的位置与标识分离。而在以“内容”为中心的未来互联网中，由于“内容”取代“主机”成为网络的“头等实体”(first class entity)，这一思想也被扩展为内容位置与内容标识的分离。例如，可以在分层命名架构中增加了2个新的名字空间——标识数据/服务的service ID和标识节点的entity ID，借此实现标识和位置的分离。

2、基于名字的路由

通常讨论的路由指的是IP 层的路由。用户的内容请求经过“名字解析”（name resolution，例如DNS）转换为IP地址，然后路由器根据IP地址进行数据包的路由转发。这样的定位、路由机制对于以内容分发为主要业务的网络来说并不是最优的，所以在未来网络的研究中，出现了一类新的路由方式，称为基于名字的路由。

斯坦福大学在2000年提出了一个支持名字路由的网络架构TRIAD。该网络在IP层之上增设了一个“内容层”。内容层由支持命名的内容路由器（content routing）来执行基于名字的路由。这些内容路由器像常规的IP路由器和名字服务器那样运行，可以实现基于IP 的路由和基于名字的路由。基于名字的路由需要在现有的Internet上增加2个新的协议：1）因特网名字转换协议（INRP，Internet relay protocol），根据中继节点维护的路由信息实现名字到地址的转换；2）基于名字的路由协议（NBRP，name-based routing protocol），动态地更新中继节点上的路由信息，类似于边界网关协议。当前的内容分发网络就采用了TRIAD 中这种基于名字的路由方式。

在结构化P2P 系统中，基于分布式哈希表（DHT，distributed hash table）的路由是近几年的研究热点，也出现了很多新的路由协议，如Chord、Pastry、CAN、KAD等。在基于DHT的P2P系统中，哈希表的键值通常与文件名关联，从这一点来看基于DHT的路由也是与内容直接相关的。在NDN、DONA、NetInf这些以内容为中心的网络架构中也都通过不同的方式实现了基于名字的路由。

3、发布/订阅模式

发布/订阅系统是一种使分布式系统中各参与者能以“发布/订阅”的方式进行交互的中间件系统。在发布/订阅系统中，信息的生产者和消费者之间所交互的信息被称为“事件”（event）。信息的生产者将“事件”发送给发布/订阅中间件；信息的消费者则向发布/订阅中间件发出一个“订阅条件”，表示对系统中的哪些事件感兴趣；发布/订阅中间件负责将所发布的事件及时、可靠地传送给所有对之感兴趣的信息消费者。信息的生产者称为发布者(publisher)，信息的消费者称为订阅者（subscriber），发布者和订阅者统称为客户（client）。

发布/订阅模式近年来在众多研究领域都得到了广泛的关注，其主要原因是该模式能使大范围的分布式交互有较低的耦合度。

4、内容缓存

为了达到缩短内容获取延时、均衡网络负载的目的，一种常用的方法是使用缓存（caching）技术。缓存代表了这样一类技术：将先前获取到的信息保存到某个存储设备中，为后面对相同信息的请求提供便利。在很多场景中都可以看到缓存技术的应用，如浏览器缓存、Web代理缓存、应用程序缓存等。根据目前对未来互联网研究的了解，但凡涉及减小网络流量、提高响应速度这些问题，大家普遍的做法就是引入缓存机制。例如，在内容分发网络中，布置在网络边缘的缓存服务器会将以前从网站服务器获取到的内容保存下来。当