新一代互聯網體系結構的標準研究

互聯網應用環境巨變造成當前“端到端透明”的互聯網體系結構缺乏可控性，面臨著網絡安全、可擴展性和服務質量等多方面的問題。文章基于新一代互聯網體系結構的設計理念、設計原則、演進思路、研究現狀和標準化情況，通過分析在新一代互聯網體系結構的標準化制訂過程中所面臨的問題和挑戰，對互聯網向未來互聯網技術演進的3種方式:改良、整合和革命進行了探討。

關鍵詞:互聯網體系結構;路由擴展性;重疊網;語義網;端到端透明

Due to great changes in the application environment of the Internet， current Internet architecture，with \"end-to-end transparency\" as its principle， is facing many challenges. These challenges include security， scalability， and Quality of Service (QoS). This paper will introduce the design theory， principle and evolutionary strategies of future internet architecture. It will then summarize current study projects and standardization activities related to future internet architecture. Finally， after analyzing problems and challenges during the standardization process， it will provide some predictions for the future.

the Internet architecture; routing scalability; overlay network; semantic web; end to end transparency

1 當前互聯網體系結構面臨的問題

為了實現“人人參與”的理念，互聯網采用了“端到端透明”的體系結構[1]，即用戶可以利用計算機、手機等終端的智能性產生各種信息，網絡只是簡單、“盡力而為”地傳遞信息而不做任何記憶與控制。這種俗稱為“智能終端+傻網絡”的設計原則有效簡化了網絡的功能，把信息處理和控制的復雜性最大限度地交給終端節點(包括服務器和用戶)，使用戶擁有了更大的自主性和更廣闊的創新空間，從根本上提供了人人參與互聯網發展和創新的機會。

隨著互聯網由實驗科研應用向社會化應用的發展，其應用場景發生了巨變，出現了很多與體系結構密切相關的問題，使得原來理想化的“端到端透明”的互聯網核心設計原則遇到了極大的挑戰。首先，用戶群體規模日益擴大，構成日益復雜，互聯網用戶自律和彼此信任的基本假設不復存在，為安全攻擊、病毒和其他有害信息的傳播打開了方便之門;其次，互聯網由最初的用于科研的非商用實驗網演變為國家信息基礎設施的重要組成部分，并不斷向國民經濟各部門滲透，互聯網的規模化應用使得互聯網的安全、商業模型和服務質量等問題成為其可持續健康發展的“瓶頸”;最后，產業鏈各環節之間缺乏有效的利益分配和協調機制，也越來越不利于互聯網新業務進一步的開展。

在互聯網應用場景發生巨變的情況下，現有體系結構使得網絡缺乏可控性的弊端日漸凸現，這體現在網絡安全、服務質量、擴展性以及商業模式等多方面。例如網絡安全方面，互聯網體系結構支持端到端的業務與承載分離，專注于數據包傳遞的傻瓜型網絡為上層應用提供統一的IP接口，將幾乎所有控制能力以及安全責任都推到了網絡邊緣的用戶手中。網絡對于上層應用不感知、不限制，缺乏獎懲機制，使得用戶行為不可控，溯源成本極高，肇事者普遍有恃無恐。這也進一步增加了對互聯網內容實施合法監聽的困難。又如在服務質量方面，互聯網缺乏必要的資源控制管理機制，只能提供“盡力而為”的服務，服務質量的改善只能依賴于網絡資源的增加和用戶資源使用行為的自律。實際上，互聯網不對上層業務和應用提供任何服務質量承諾，導致一些對實時性要求較高的應用(如視頻)很難在互聯網上規模化開展。此外，互聯網的動態路由也在很大程度上增加了互聯網服務質量問題的解決難度。

2 未來互聯網的理念和演進思路

作為國家信息基礎設施的重要組成部分，互聯網必將繼續向國民經濟各部門快速滲透，更加深刻地影響人類的生活和生產方式，大大推動社會信息化的發展進程。同時，互聯網在面向新的應用需求和發展中暴露出了一些問題，雖然未來的互聯網在很多方面可能都需要進行改變，但應該繼續堅持一直崇尚的“人人參與”理念。否則，互聯網將失去前進的動力和方向，也就不能再被稱為“互聯網”。但需要注意的是，堅持互聯網的理念并不是要將“人人參與”所衍生出來的開放、平等、自由和創新等精神絕對化和教條化[2]。

未來互聯網應該仍然堅持“端到端透明性”的體系結構，但應滿足一定的約束條件，即“有條件的端到端透明”。在保證人人能夠繼續參與互聯網發展和創新的前提下，網絡中應內嵌一些對用戶透明的管理和控制機制，抑制用戶的不自律行為，平衡產業鏈不同角色之間的職責和利益。總之，在海量性、無界性、交互性、群體性、自主性等現有外在屬性的基礎之上，未來互聯網將使所有用戶體驗到一個更加安全可信的、更高服務質量的、無所不在的、和諧的網絡虛擬社會。

現有互聯網向未來互聯網的技術演進方式，目前大致有“改良”、“整合”和“革命”3種思路。

“改良”思路認為，考慮到現有互聯網的巨大存量，可以利用新技術對現有互聯網進行修補，例如使用地址翻譯、資源控制、安全監控等技術來解決互聯網體系結構中暴露出來的問題，以滿足互聯網的社會化應用對其不斷增長的各種需求，IPv6可視為其代表性技術，因為IPv6仍然堅持了“端到端透明”的原有互聯網體系結構。

“革命”思路認為，無論是零星的修補還是系統性的修補，只會讓互聯網的發展負擔更重，現有的互聯網體系結構大都已經無法承擔未來國家信息基礎設施的重任，因此需要確定一個長期的目標，設計全新的互聯網。目前新型互聯網體系結構的研究正逐步成為一個全球性研究熱點，各種新思路、新技術不斷涌現，如美國麻省理工學院的FARA模型、加州大學的I3網絡、美國國家科學基金會的GENI計劃[3]等，但是技術發展方向尚未明朗，各種技術需要進一步碰撞與融合。

“整合”思路認為，對現有互聯網技術直接進行零敲碎打式的修補無法真正解決問題，但對互聯網進行徹底革新還需要一個很長的過程。面對迫切需要解決的各種問題，應當尋求一個介于零星修補和徹底革新之間的折衷方案，即做系統性的、大范圍的、整體性的修補。互聯網采用“覆蓋”的方法設計了路由器網絡，覆蓋在各種需要互聯的異構網絡之上，因此其本身是一種重疊網。在現有體系結構的基礎上，可以仍然遵循重疊網的思想，在互聯網承載層之上、應用層之下增加一個墊層，系統性地在這個墊層中實現承載層中個性化和應用層中共性化的功能，在尊重互聯網現實存量的基礎上讓互聯網更加健康地持續發展。

3 未來網絡研究現狀及標準化動態

3.1 典型研究項目

未來網絡體系結構存在著多個研究方向和熱點，如虛擬化網絡、自動網絡、層次交換網絡、高性能網絡、安全可信網絡、長距低耗網絡、高帶寬長延時網絡等。針對這些重要方向，目前各國都在制訂積極政策，并投入大量的資金開展研究，力求在下一代互聯網的研究方面取得先機，其中比較典型的研究項目有美國的PlantLab[4]、歐盟的FP7/4WARD[5]、日本的AKARI[6]以及中國自主研究的PTDN等。

PlanetLab是一個針對未來互聯網技術和服務進行研究、試驗的開放式、全球性試驗床平臺，于2002年開始建設。截止到2009年1月，其平臺已經有474個站點，總計950個節點，分布在40多個國家和地區，2009年2月10日發布了基于分片的設施架構，定義了交互的接口和數據類型。

4WARD是歐盟第七框架計劃FP7在網絡技術領域的代表性的子項目，于2008年1月啟動，采取了“兩條腿走路”策略:一方面通過創新，對現有的單個網絡架構進行改造，克服其不足，提高其性能;另一方面，研究一種總體網絡框架，用于實現各種不同網絡架構的協作運行，從而走出目前這種需要不停對互聯網進行修修補補的窘境。

AKARI是日本NICT 2006年啟動的新一代網絡研究項目，其目標是在2015年前研究出一個全新的網絡構架，并完成基于此網絡架構的新一代網絡的設計。

AKARI計劃2010年前完成體系結構圖的設計，并在過去的4年中研究了大量現有的技術方案。

PTDN是中國工業和信息化部電信研究院于2003年提出的具有自主知識產權的一種未來包交換網絡體系結構。目前，遵照該體系結構的核心路由設備、邊緣路由設備、地址映射系統以及地址翻譯系統的研發已經完成，并實現了多廠商互聯互通。PTDN標準已經提交國際電聯，為ITU SG13工作組全面采納，在NGN框架體系中被明確作為未來包交換承載網(FPBN)的候選方案。目前已經完成3個代表性的國際標準:ITU-T Y.2601、Y.2611和Y.2612。

3.2 主要標準化工作

ITU的工作方向側重于“革命”思路，第十三研究組(SG 13)一直是未來網絡的領導研究小組。最近該小組專門成立了未來網絡焦點組，對未來網絡的愿景、需求、新技術、時間表以及標準化等問題進行探討。未來網絡焦點組迄今已舉辦兩次會議，參加的研究機構主要來自歐洲、中國、日本和韓國等國家，涉及了多個研究方向，如虛擬化網絡、自動網絡、節能網絡等。

目前SG13的主要工作還停留在對未來網絡的設計原則、概念、需求以及技術特征等的收集上，距離達成共識尚很遙遠。

IETF在“改良”和“整合”方向上做了大量研究和標準化工作，其中包括:推出了下一代地址協議IPv6以解決地址擴展性問題;研究下一代路由尋址架構以解決路由擴展性問題，目前已經出現了身份地址分離(ID/Locator)[7-8]和映射封裝(Map/Encaps)[9-10]兩種主要思路;研究能提供P2P分布式域名服務的下一代域名系統(DNS)，以解決DNS過載及安全問題;研究基于多路徑的下一代TCP協議(Multipath-TCP)以獲得更高的網絡吞吐量等等。

萬維網聯盟(W3C)則對語義網的原則和協議的制訂擔負著領導角色。基于語義的體系結構從低往上共有7層:編碼定位層、XML結構層、資源描述層、本體層、邏輯層、證明層和信任層，基于下面4層的主要標準規范已經發布，目前W3C的主要工作是繼續研究建立在RDF之上的新工具和新語言，開發新的應用。

除了上述的ITU、IETF和W3C外，ISO等其他國際化標準組織也都啟動了未來網絡體系結構的研究和標準化工作。

4 結束語

雖然多個標準化組織關于未來網絡體系結構的研究和標準制訂工作已經展開，一些新技術的標準也已經出臺，然而新一代互聯網體系結構的標準化工作依然面臨著問題和挑戰。綜合來看，新一代互聯網的標準可能至少要10～20年才可能完善和實用。

首先，各個標準化組織工作各自為政，彼此之間缺乏共識。譬如，ITU-T熱衷于“革命”思路，致力于推出一個全新的網絡體系結構標準，而IETF相對來說更加“現實”和“短視”，傾向于對現有體系結構進行改良，針對已出現的問題不斷推出新的標準，不考慮太長遠的事情。

其次，各個組織對于網絡體系結構的理解不一致。例如，W3C認為語義網就是下一代互聯網，更多地從應用層來理解網絡體系結構;而ITU-T等其他組織和機構則更多地從承載網層面來理解。

最后，對于新一代互聯網對現有技術的繼承問題，各方態度不一。IETF已經承認，他們在IPv6標準上犯下了一個致命錯誤，就是沒有提供對現有互聯網協議IPv4的向下兼容性。而ITU-T則認為，在以開發性的思路設計未來網絡體系結構時，也許不需要考慮和現有網絡的兼容性。未來的互聯網要不要與現有的IPv4和IPv6兼容，兼容到什么程度，如何汲取IPv6的教訓，這個關鍵問題到目前為止各方依然沒有達成共識，甚至沒有多少研究。

5 參考文獻

[1] 何寶宏. 互聯網“端到端透明”面臨挑戰[N]. 人民郵電， 2006-02-13.

[2] 信息產業部電信研究院. 互聯網技術發展白皮書 第一卷: 發展脈絡與體系結構[J]. 世界電信， 2007，20(7):8-13.

[3] Plain Text-GENI: geni-Trac[EB/OL]. [2009-02-13]. http://svn.planet-lab.org/attachment/wiki/GeniWrapper/sfa.pdf.

[4] PlanetLab[EB/OL]. [2009-05-20]. http://www.planet-lab.org/.

[6] AKARI [EB/OL]. [2009-09-30]. http://akari-project.nict.go.jp/.

[7] MOSKOWITZ R， NIKANDER P. Host identity protocol (HIP) architecture[R]. IETF RFC 4423. 2006.

[8] XU Xiaohu， GUO Dayong. Hierarchical routing architecture (HRA) [C]//Proceedings of Next Generation Internet Networks(NGI’08)， Apr 28-30，2008， Krakow， Poland. Piscataway， NJ， USA: IEEE， 2008: 92-99.

[9] FARINACCI D， ORAN D， FULLER V， et al. Locator/ID separation protocol (LISP) [R]. IETF Network Working Group. Internet Draft draft-farinacci-lisp-10.txt.2008.

[10] FRANCIS P， XU X， BALLANI H. FIB Suppression with virtual aggregation and default routes[R]. IETF Network Working Group. Internet Draft draft-ietf-grow-va-00 September. 2008.

收稿日期:2010-01-08

何寶宏，工業和信息化部電信研究院互聯網研究領域主席，通信標準研究所多媒體研究室主任，中國通信標準化協會IP與多媒體工作委員會副主席，ITU-T Q24/16報告人。長期從事互聯網技術、標準、產業和政策等研究。已主導完成國際標準10余項，發表文章60余篇。

朱剛，清華大學電子工程系工學博士，工業和信息化部電信研究院博士后，主要研究方向為下一代互聯網體系架構、路由擴展性研究等。