第1章 未来网络体系概述

1.1 未来网络的提出

1.1.1 网络创新的根本动力——需求的发展

自互联网诞生以来，互联网具有的开放透明、结构分层和互通互联等特性使其遍布全球。可以说，互联网已成为现代信息社会的支柱。但是，“尽力而为”“一切基于IP”和“瘦腰”结构（如图1-1所示）等“先天的基因缺陷”，使传统互联网在可扩展性、移动性、安全性、可管可控、绿色节能等方面存在很大不足，这些问题很难以在现有架构下得到有效解决。另一方面，随着互联网与人类社会生活的深度融合，用户对互联网的使用需求已经从简单的端到端模式转变为对海量内容的获取，并发展出移动互联网、物联网、云计算等新的需求模式，现有的互联网难以有效满足这些需求[1]。

为了针对性地消除传统网络IP承载的能力瓶颈，解决服务适配扩展性差、基础互连传输能力弱、业务普适能力低、安全可管可控性差等问题，我们对传统网络体系结构的固有缺陷进行了以下总结。

（1）可扩展性

由于服务和应用数量的急剧增加，可扩展性问题是目前网络最需要解决的问题，主要表现在以下两个方面。

① 网络范围的可扩展性。核心网中边界网关协议（BGP）路由器中转发信息表（FIB）条目数增长过快，路由器的能力极大地限制了网络的可扩展性[2]。

② 网络功能的可扩展性。目前大量的网络服务基于专有硬件提供，服务种类和服务能力受制于硬件的配置，无法支持灵活的业务更新和扩展。

（2）服务质量

近年来，网络服务质量保障需求日趋强烈，而现有网络架构不灵活，无法根据业务需求灵活配置网络资源，导致网络服务也无法多样化的服务质量。另外，现有网络运营方案无法从全网整体性的角度提供定制化服务。因此，运营商应构建具有差异性服务能力的网络体系，根据用户个性化需求，实现计算、存储、传输等网络资源的灵活调度，构建具有不同服务能力的服务网络，进而推动形成新的产业生态链。

（3）安全性

网络地址欺骗、数据泄露、拒绝服务攻击、异常流量等频发的网络安全问题使得互联网疲惫不堪。特别是美国“棱镜门”事件，揭示了互联网在安全设计方面的重大缺失，给人们带来了极大的震撼，使人们对网络安全问题带来威胁的广泛性和严重性印象深刻。互联网存在的安全问题本质上是由网络原始设计的缺陷造成的：互联网完全透明[3]，使得情报窃取和被他人监控变得方便易行；互联网安全缺乏顶层设计[4]，贴膏药式的安全技术和一事一议的安全方案，投入大产出小，越来越难推行；互联网技术受制于人，资源受制于人，管理受制于人，标准受制于人，使我国的网络基础设施成为被攻击、窃取和严控的对象。

（4）绿色节能

TCP/IP网络“核心简单，边缘智能”的特点导致网络自身缺乏感知、管理、控制的能力，从而导致网络资源利用率低下。研究表明，由于休眠、自适应、按需定制等智能机制的缺失，目前网络设备（如路由交换节点、数据中心服务器等）能耗巨大，当前互联网骨干网链路的平均利用率仅为30%～40%[6]。据预测，如果维持当前低效能的现状，2015年仅我国数据中心的能耗就将达到1000亿kW·h左右，相当于三峡电站1年的发电量[6]。

（5）移动性

在早期计算机网络中，网络节点的位置相当固定，网络协议首先要考虑的是两个固定节点之间正常的连接，并不注重网络移动性的要求，网络节点的位置本身也就很自然地被用作网络节点的标识符[7]。体现在传统的TCP/IP网络体系架构中，IP地址既扮演着节点标识符的角色，又扮演着节点定位符，即路由的选择依靠IP地址，这常常被称为IP地址语义过载问题[8]。IP地址语义过载问题影响了计算机网络对移动性的支持，不仅限制了核心路由的扩展性，降低了现有安全机制的效能，还限制了其他新技术的发展。

总之，互联网是在人类信息社会中存在并占据主导地位、可靠、可信、安全、坚固、高性能、高可用、无处不在、无缝集成并具有规模化商业运营能力的全球开放信息基础设施。作为人类信息社会的主流组成部分，它综合了多种现有网络系统的优势，并能支撑世界各国政治、经济、科技、文化、教育、国防等各个领域的全面信息化。通过总结传统网络的固有缺陷，我们对未来网络体系结构的主要需求包括以下几个方面。

① 全方位开放性：未来网络体系结构必须具有更全面的开放性，不但对技术、服务、应用开放，而且对全球网络用户、网络运营商、服务提供者等全方位开放，保证对投资、研究、建设、访问、使用、技术更新、服务增值、新应用开发等的公平开放性。

② 促进多网融合：未来网络体系结构必须能够从总体结构上纳现存各种代表性网络系统于一体，从应用类型和服务功能上集现存各种代表性网络系统的成型特色应用与服务于一身，并能够支持以渐进式演进的方式，渐次实现多种网络系统的逐步融合。

③ 多维度可扩展：未来网络体系结构必须具有多个维度上良好的可扩展性，在网络规模上应保证容量、协议、算法、命名、编址等方面的可扩展性，在网络功能上应保证传输、控制、管理、安全等方面的可扩展性，在网络性能上应保证在各种差异环境中系统具有优雅的升/降级（Graceful Degradation/Upgradation）特性。

④ 动态适应能力：未来网络体系结构必须具有能依据不同情况及需求进行适应性调整的动态适应能力，这种动态适应能力不仅反映在对于不同的网络技术、异构的运行环境的适应性上，而且反映在对于用户个性化服务定制需求的适应性上。

⑤ 服务无处不在：未来网络体系结构必须能够提供无处不在的服务，支持通用移动性和普及计算，确保多样化的联网终端更易于连接入网和访问服务，所提供的网络服务具有更广阔的服务范围、更丰富的服务类型和更灵活的服务形式。

⑥ 可靠、坚固、可控：未来网络体系结构必须可靠、坚固和可控制，既能较好地抵御、消减和弥补由于人为破坏、自然灾害、环境干扰、软/硬件故障等因素所带来的各种影响，又能对用户的行为、各种资源的分配与使用、网络演进中的复杂性增长等有较好的控制能力，从而提高未来网络系统的抗毁性、生存性、有效性、顽健性和稳定性。

⑦ 高性能、高可用：未来网络体系结构必须具有高性能和高可用特性，前者指网络能提供高速网络传输、高效协议处理和高品质网络服务，以支持大量具有各种不同服务质量要求的应用；后者指网络能高效整合各种资源，为授权用户提供便捷易用的服务和丰富多样的应用，并能在网络部分受损或出现故障时以降级方式继续保证网络的可用性。

⑧ 安全、可信、可管：未来网络体系结构必须安全、可信和可管理，保证网络系统的运行以及信息的保密、传播和使用等方面的安全性，能够较好地建立、维护和约束用户之间、用户与网络系统之间的信任关系，提供更加全面、高效的用户管理、资源管理、系统管理和运营管理。

⑨ 成本——效益较高：未来网络体系结构必须具有较高的成本——效益，不但要减少协议、服务、应用等的处理开销和优化其性能，而且支持采取成本较低、代价较小、具有长期效益的技术路线或过渡方案，推进网络的渐进式演进，实现网络的持续、稳妥、良性发展。

⑩ 适合商业运营：未来网络体系结构必须支持网络的规模化商业运营，必须具有合理的盈利模型、完善的商业运营管理、有效的计费手段和积极的投资融资措施，从而促进公平竞争、鼓励私有投资和推动技术创新。

1.1.2 未来网络的基本概念和认识

未来网络是目前网络界的热门话题，但是对未来网络的概念、目标和需求则缺乏明确的讨论和定义，对于未来网络的理解还显得过于遥远和抽象。这里需要指出的是，互联网是一种随着新缺陷和新需求的出现而不断发展的事物。未来网络并不是未来的网络形态或网络应用，也不是完全脱离现有计算机网络发展基础而重新建立的全新网络，而是为了解决当前网络存在的迫切问题和满足当前不断涌现的新需求，不断革新网络架构和技术，推动互联网向前演进，是互联网发展的一个新阶段。研究未来网络不是一种超前的准备，而是最紧迫的需求。

未来网络具有重要的研究意义，但是在具体的研究方向上还处于百家争鸣的阶段。为了推动未来网络的研究，必须建立基本的设计原则。当前对未来网络研究已经形成了以下认识[9]。

（1）未来网络应处理好革新式架构与演进式部署的关系

未来网络中革新式体系架构的思想，核心意义是不受到现有互联网架构的束缚和限制，但是其部署实施必须是一个循序渐进的过程。目前互联网链接了数十亿节点并且拥有数以百万计的应用程序，因此，研究的未来网络架构必须也具备这种特质，即传统的网络节点和应用程序应该要能够在新的架构上进行通信，同样新的节点和应用程序也要能够在现有互联网架构上通信。因此，新旧设备之间在边界点需要提供特殊的设施，保证能够兼容各种版本的底层通信协议，通过小规模部署不断扩大新架构的规模。

（2）未来网络架构应遵循简单开放的基本原则

互联网的使用模式已经从端到端的通信转变为未来网络以内容、数据为中心的模式，设计目标的变化自然导致了设计规则的变化。然而，网络简单开放的特征是网络能够繁荣发展的基础，未来网络的设计目标可以继续探讨，功能可以更加多样，但是形成的架构一定要简单开放，才能推动广泛的使用。

（3）未来网络架构设计应注重应用驱动的因素

网络的大规模发展从来都是以应用为驱动的，无论是推动电话网发展的电话业务，还是推动互联网发展的万维网技术，都是鲜活的实例。事实证明，当有足够重要的应用出现时，兼容性、最优性等因素都不会成为问题。因此，未来网络的研究既要定位于优化现在的网络，更要努力寻找一个可以颠覆当前网络架构的新应用类型。

（4）未来网络架构设计应内嵌安全性等需求

未来网络应当具备安全性、移动性、自管理、中断容忍等一些关键功能。现有的不同项目都是各自偏重某一些问题展开的研究，单一的一个项目无法解决当前出现的种种挑战。目前像FIA这种合作计划正在整合各种先前的研究成果，转化成一个连贯的、融合的项目组。如何整合这些不同的需求和由此产生的架构仍然是一个悬而未决的问题，但这样的趋势已经产生。

（5）未来网络架构应具有天然服务分发能力

过去10年推动互联网发展的主要趋势就是服务的多样性，如Google（谷歌）、Facebook、YouTube以及产生大量的互联网流量的类似服务，而云计算和移动设备的增值导致了互联网服务的进一步增长。因此，面对大量的服务需求，未来网络的一个基本属性就是高效的服务分发能力，支撑多种多样的应用服务提供商提供增值业务的能力，满足负载均衡、容错、复制、多宿、移动性、强安全性、定制应用等各种需求，也就是说，服务有可能成为新的细腰层，而内容和IP都是它的一种特例。

（6）未来网络架构设计应考虑引入利益相关者之间的博弈关系

未来网络体系架构需要在多个利益相关者（用户、互联网服务提供商、应用服务提供商、数据拥有者和政府）之间提供可扩展灵活的接口进行交互，未来网络的设计必须要综合考虑社会和经济因素，来平衡和调节各利益相关者之间的利益。

（7）未来网络架构验证应考虑建设大规模网络

目前，不同国家的未来网络体系架构研究的测试床都是专门基于先前的研究项目建设的，具有不同的功能和重点。因此，从长远的角度来看，如何建立一个可控可管、能够实现资源虚拟化共享的实验平台是未来网络研究的一个重点方向。另外，虚拟共存、资源动态分配、架构优胜劣汰的实验平台特征，也很可能成为未来网络运营的一种基础模式。