论文研究-下一代互联网展望--后IP网络 .pdf

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下一代互联网展望--后IP网络,樊秀梅,王超,综述文章几十年前提出的IP技术,如今逐渐出现了技术的限制,网络的规模大大超出原始的设计目标,面对人们在性能、有效性、移动性�
山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 制和拥塞控制方法,以至于更好的解决链路中断、数据包丢失和链路「扰等制约因素;2 80提髙移动P的扩展性,不再宄全依赖本地代理和隧道技术;3)根据主机的移动特性,提出 恰当的定位技术;4)将无线宽带覆盖扩展到其他重要的平台,例如飞机、髙速列车、轮船 等。[5] 13可用性和有效性 可用性指当网终需要连接的时候,网络系统能够正确响应并连接的可能性。现如今,路 85由系统质量的下降和操作复杂性的增加导致网络的可用性卜降,这个问题由于现有体系结构 的限制而不能彻底根除 与此同时,基于可用性而引发出的另一问题由此而出,互联网的快恢复机制,由于链 路屮断所导致的数据短时间内无法传输,现有网络需要数秒的时间才能够得以解决,而对后 IP网终的要求是恢复时间控制在一秒一下甚至更短。 因此,后IP网终中关于可用性面临的挑战有:1)对网终运行状态的监测;2)路由系 统的快速恢复机制:3)全球网终链接覆盖的有效性,特別在重要的紧急情况下,网络的有 效性。[6] 14可扩展性 可扩展性是目前互联网技术取得成功的重要因索之一,无连接分组交换技术不要求网络 95交换节点记录数据传送的轨迹,成为互联网易于护展的基础;分层的路由寻址结构使得全球 属于不同管理域的网络相互寻址变得相对简单可行。[7]但是,随着互联网iV4地址即将耗 尽,可联网客户端已绎增加到了数以亿计的数量级之后,现有网络已很难容纳如此巨人的网 终拓扑,路由系统的扩展性已经成为了ISP最关注的问题。[8] 后IP网络面临的挑战主妻有:1)对后m络的地址空间进行合理的规划和设计,以 100实现高效的路由;2)路由表项以log(m级数增长(n为节点数);3)路由系统的健壮性、 稳定性,确保网络基础设施能够应对越来越多的自治系统,尤其是外囯自治系统。 1.5QoS服务质量和可管理性 传统可联网为面向非实时的数据通信而设计,多媒体应用的飞速发展对网终提出了不同 于薮据应用的服务质量要求,2010年,互联网骨干业务的80%以上流量是敏感延时的流媒 105体业务,现有內络业务对服务质量(QoS)的要求越来越高,自上世纪80年代开始矿究QoS 之后,凵提出综合服务和区分服务两种QuS体系结构,但都没有在当前网络中成功应用 服务质量的保让根木上依赖」对网络資源的有效管理和控制,而当前互联网较差的可管叫控 性导致服务质量的研究没有本质的突破。[8] 因此,在QoS方面,后P网络面临着如下挑战:1)为未米占统治地位的实时父互式 l10业务提供良好支持和服务质量保障;2)允诈为每个网络配置对其性能、可靠性和策略的高 层需求和目标;3)网终管理控制系统应具有数据平面当前全局状态的准确信息,直接对数 据平面进行控制,而将决簧逻辑与分布式系统分离。 2后IP网络的研究现状 目前虽然国际上启动了很多的与未米互联网相关的研究计划或项目,但是它们有的还只 115是停留在起步和规划阶段,还没有形成清晰的理论研究方案;有的虽然取得不少的创新,但 是也仅涵盖了未来互联网要求的某个或几个方面,仅解决了现有网络存在的问题和弊端,还 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 缺乏对新信息网络体系结构及关键理论与技术深入杌究。因此,至今仍没有完全建立起个 能对当前互联网发展方冋提供指导、满足未米网络发展需求、并正确反映整个网络发展趋势 的新一代网络体系结构。到目前为止,美国、欧盟、日本、韩国及∏U-已经从2005年开 120始陆续组织了未来互联网的研究计划和工作组,我们将对其分別阐述。图1为各国关于下 代互联网研究的时间表: U S NewArch(DARPA) 100x100 Clean Slate Project (NSF) SIGCOMM FDNA FIND(NSI Planetlab GENI Initiative GENI ototyping Spiral 1 2700 2002 20030042005206200720082009210 FP6 Euro-NF Europe Euro-NGI Euro-FGI FIRE AWARD mObility GEANT 二3 Japan UNS Strategic Programs (P) -Generation Network (NICT) I AKCARI Achitecture Design NWGN JGN 图1各国后P网络研究时闫表 Fig. I Post-IP h schedule 1252.1GENI Global Environment for network innovations(GEND)」2005年由美国国家科学基金 ( National science foundation,NSF)启动,目的在于对全球互联网进行革命性创新,为促 进全球未米网络体系结构、业务和应用的研究而设计的一个公共设施,以克服传统互联网在 女全性、可靠性和可管理性等方面的不足。为达到此目标,GENI要构建一个全新的、安全 130的、能够连接所冇设备的互联网。GENI定义了目标互联网的多个基本特征:可编程性,虚 拟化技术,多种类型资源共享、安全性、鲁棒性、开放性、多样化、可扩展性、可观测性、 易用性[9],基于多个组成部分的实验平台 GENI的概念性设计图如图2所示,GENI由多个互联的系统资源组成,路由器和各种 终端设备可深层次编程,通过虚拟化的网络平台和多种控制框架互联,管理者、实验人员和 135月户可以实现基于部分设施网络实验和应用。GENI已基于 Internet2[0开展」针对网终安 全、开放式全球测试平台( Planetlab1)、网络控制与测量、资源分配及传感器融合、无线 网络等5种对象的网络控制框架,以保障网络资源(如处理器,路由器)能得到最大限度的共 享,互联网用户需求得到最大程度的满足。 GENI目的在于增加网络和分布式系统实验硏究成果的质量和数量,加速这些成果的 40业化进程,最终实现现有互联网的变革。研究者可以使用GEN在大规模系统上评估新的网 终体系结构,随着此网络用户数的增加,而使新系统的评佔更为准确和实际。[12] 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn Virtualized Deeply programmable Programmable federated, with end-to-end virtualized"s/ices Federated 二 INfrastructure Heterogeneous, and evolving over time via spiral development obile wireless Network 图2GENI概念设计图 Fig 2 GENI architecture 145 2.2 Clean Slate design for the Internet Clean Slate Design for the Internet是NSF于2006年启动的仝新互联网设计项日,该项日 以美国斯坦福大学为首,由多个工业界伙伴如 Cisco、 Docomo、NEC、 ERICSSON以及 Xilinx 等参与。确定了以“移动计算”为重心,抛弃了传统上联网的 TCP/IP协议、路由以及交换 将“互联网服务”、“计算”以及“存储”确立为未来互联网的主休。在此基础上。该研究主要从 150网络理论认知与设计、网络框架构建、网络安全及物理传输技术融合、验证平台攴撑4个方 面入手,对下一代互联网进行研究。到目前为止,该研究进展主要在以 OpenFlow为代表的 可二次开发的网络接口的开发上,为研究者提供开放的Gbt速率级別的网络路由及交换支 撑平台、异构网终实现拥塞控制的算法设计、安全性处理、开放的流实验平台和开放移动互 联冈架构等方面取得突破。[13] 155 该研究涵盖了十个子方向:1)可编程开放移动互联网2) openflow3)web安仝4) 可编程的虚拟网络设施5)无线波长利用6)企业网络安仝: ethane7) NetFPGa平台 8)fow- -level models for the internet9)快速动态光纤传输路径10)流控制协议。[l4 2 3 FIND. NOSs. WN NBD. NeTs FIND( Future Iπ nternet Design)是NSF网络系统与技术计划的个长期研究项目,研究 l60网络系统及相关技术,侧重于从网络架构方面米关注后P网络的设计与构建。FIND项目涉 及三个阶段,第一阶段为定位未来网络的功能元素和他们之问的交互,提出全新的体系结构, 使其能够满足未来网络的不同要求,并且对其评信和测试。第阶段将会布建第一阶段提出 的、现有网络不能满足的基础设施。第三阶段通过选定的网络体系结构,实现协议的结构细 节和源码。[15] 165 NOSS则侧重于传感系统网络,WN侧重于无线网终,NBD侧重于FIND、NOSS、WN 没有涉及到的其他领域。2007年,FIND同NOSS( Networking of Sensor Systems)、WN ( Wireless networks)、NBD( Networking Broadly Defined)共冋并入了NeTS( Networking 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn Technology and Systems),以综合各个领域设计出个鲁棒性强、大规模的、不同层次的网 络体系结构。[161 170 2 4 SING, NGNI SING( Scientific foundations for internet' s Next generation)是NSF的研究项目,从科学 认识的方面对后IP网终进行设训和构建。主要关注以下各方面的理论研究:通信,普适讠 算和优化理论,代数运算符号学,计算几何学,信息处理,计算理论等。[17] NGNI( Next-Genemtion networked Information)则侧重」信息处理。例如,在下一代互 175联网中,信息如何采集,依据不同背景和内谷进行存取,信息的可管理性等等。[18 2.5 Future Internet Research and Experimentation ( FIRE 欧盟第七框架于207年启动了FIRE的长期试验驱动的原创性研究项目。其硏究目标 是探讨未来互联网的网终体系结构和协议的新方法,从而支持并管理规模性、复杂性、移动 性、安全性以及透明性需求日益增长的未来互联网。FIRE包含两层含义,一个是大规模网 180终设施的构建,另一个是在此基础上的实验驱动研究。作为一个试验驱动型研究项目,FIRE 的研究于段如下措施的反复循环:未来互联网的设计,试验环境的构建,实验的实施和结果 反馈收集。FIRE的试验半台的基础来自 Planetlab[19]、 Onelab2[20]。FIRE的研究包括跨层 通信方法、内容聚合体系结构、网络服务研究、社会网络,同时,还包括无线网络体系架构 和协议的设计,以更好的支持终端的移动性。FIRE的项目关系如图3所示:[21] experimentally-driven, multi-disciplinary research OPNES ECOD long-tern large scale testing new paradigms at large scale vAL+十 WISEBED Federica oneLan support actions FIREWORL PAPADISO 185 图3FIRE项日关系图 Fig 3 FIRE projects relationship 其研究的核心项目包括4WARD和 TRILOGY,旨在解决现有网络的问题、互操作体系 1∞0结构的设计与开发、多网终体系结构虚拟化的一致性 关于FIRE项目的覆盖领域如图4所示。[22] 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn User centric Multiple access/operator) ata cenE:c排 networks P2P networks Sensor Networks Artualisatian concents DTM &:Multi-hop netorks 图4FIRE涉及领域 Fig 4 FIRE covered ficld 195 2.6 Architecture Design Project for New Generation Network(AKARD) 206年,新一代网络体系结构设计 AKARI在日本政府的支持下展开。AKAR项目研 究的是下一代网终体系结构和核心技术,时间规划如图5所示,从2006年开始,2015年完 成,2015年后通过试验床开始进行试验。研究分为两部分:一部分是NXGN,这只是一个 占用五年时间的短期研究,目的是在现有网终的基础上,对网络进行改进;另一部分是 200NWGN,日的是重新设计互联网,以适应互联网未来发展需要。[23] New Generation Network(NWGN) Vision, Design NXGN 1)Unconstraint design fClean-slate approach 2)Incrementa development with a future direction Past Present Next Generation Network Nety/ork Network(NXGN 2005 2010 2015 图5 AKARI时间规划 Fig 5 AKARI Conceptual positioning of Post-IP 205 此硏究项目是以2020年为阶段目标。提出了需要对互联网现有的体系结构进行重新设 计,并通过相应的实验平台进行验证与推广。 AKARI实验验证通过分布式 overlay的方式, 即在现有的网络上通过已分布全球的 Planctlab构架虚拟网终,把底层网终资源抽取到重叠 网,再开展相应的验证。[24]现阶段提出的未来互联网体系结构图6所示 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn User a User B User C User interface Application Universal access Overlay network Customizable Flexible Common network: Replaces IF Broad Band Ubiquitous Scale-free Underlay network (Photonic (Mobile(Sensor>) 2 图6未来互联网体系结构 Fig 6 Architecture of Post-IP 2.7 Future Internet Forum (FIF) 韩国的FIF计划起步于208年,着眼于下一代互联网体系结构以及相关的前沿知识, 研究的方向分为体系结构、尢线、服务、测试床、策略、标准化和內络科学,并且由相应的 215研究组负责每个方向的研究。迄今为止,所达到的科饼成果多数为无线网络和体系结构,而 其他方面所得到的成果不是很多。[25] 2.8 Focus Group on Future Network(FG-FN) 2009年,IU在SGl3下成立了FG-N的Q.21工作组,旨在从前膽性的角度设计未 来互联网,这标志着工业界开始关注后P网络的研究。该工作组初步定义了由路由/交换 220层和服务层构成的二层网终模型,并定义了未来互联网的3种业务类型,分别为HBS(Hugc Band service)、BPS( Broadband packet service)、TMS(Tiny- Band mass service)。另外,提出 了未来网络的若干个关键技术点,包括网终虚拟化、能量消耗,物体标识与识别,可编程网 终、跨层通信、自治管理和维护、因果关系知识服务、数据/内容中心服冬、媒体分发、客 户定制QoS/QoE、新的控制和管理功能——~络资源分享和隔离等。ITU的FG-FN工作 225汁计划将未来互联网的研究提升到了工业界和标准化的层面,影响深远,意义重大[26]。图7 为IU规划的未来互联网实现目标图。 awareness awareness Vetwork managemert Environmental Social and economic awareness awareness 图7未来互联网实现目标 Fig. 7 Objective of future internet 8 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 23029新一代互联网体系结构理论研究 我国973基础研究计划重点支持了清华人学炅建平教授主持的“新一代互联网体系结构 理论研究¨[η,项日围绕新一代互联网体系结构中的关键科学问題,在探索新一代互联网体 系结构所面临的基础问题上,取得了初步研究结果:提岀多维可扩展的新一代互联网体系结 构,其主要思想是从传统互联內针对內络互联互通的单一可扩展性发展为下一代互联內的多 235维度的可扩展性。多维可扩展性要素包括规模可扩展、性能叮扩展、安全扩展、功能可扩 展和服务可扩展,其中规模可扩展和性能可扩展是其他三个要素的基础。规模可扩展采用 ipv6技术米实现,性能可扩展采用可扩展父换节点米实现,安全可扩展采用真实ipv6地址 米实现,功能可扩展采用4over6机制米实现,而服务可扩展采用端到端无连接服务质量控 制来实现。 2403总结 从上文我们可以看出,后IP互联网的矶究现在已经引起世界各国的广泛关注,ITU的 介入说明了⊥业界也着手了后IP网终的研究,我们都意识到了后IP网络的研究不仅关系到 当前 internet的发展趋势,同时也关系到了几十年后互联网的发展状况。各国纷纷采用新的 理念和方法研究后I网络,以抢占后I网络研究的制高点,而我国至今还没有完全采用全 245新的设计理念去构建后P网终的计划,只停留在零散的研究阶段,因此,设置国家级的后 IP网络研究项目迫在眉睫。 后IP互联网研究需要瞄准新一代互联网应用面临的重大技术挑战和国家信息基础建设 发展的重大战略需求,围绕后P內终体系结构中的关键科学问题开展研究,在继续和发展 已有理论研究成果的基础上,重点硏究后IP內络体系结构和协议的原理和算法:依托已经 250建成的国家新一代互联网实验坏境对饼究成果进行较大规模的实验和验证,争取进入国际新 代互联网前沿科学技术硏究的先进行列,逐步形成新ˉ代网络体系结构和协议的理论体 系,为我国后P网络及其应用的技术创新提供科学基础理论攴持,为未米国家信息化发展 做出实质性贡献。 255参考文献]( References [l]林闯,雷蕾.下一代互联网体系结构研究[冂计算机学报,2007,30(5:693-711 [2] Anja Feldmann. 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