下一代网络的体系结构

2.3  边缘论（End-to-End Argument）受到挑战。

20世纪80年代初总结出Internet边缘论原则的MIT教授David Clark（ITB首届主席）最近发表了一篇要重新思考Internet设计原则的重要论文[2]。20年前他提出的End-to-End Argument表述为："一种应用功能只有当其知识和帮助置于通信系统的边缘才能完全和正确地实现，因此将提出这种应用功能作为通信系统本身的性质是不可能的。" 当时提出这种论断的依据是网络是不可靠的，最终检查是否正确执行只能在处于传输终端的应用层。让网络核心部分只做最通用的数据传输而不实现特殊应用有不少优点：如降低核心网络复杂性，便于升级；提高网络通用性和灵活性，增加新应用不必改变核心网络；提高可靠性等等。但是20年后网络应用环境已大大改变。由于用户急剧增加而互不了解，Internet已变成没有信用的世界，必须在网络的核心部分增加认证、授权等机制使网络更可信。尽力服务不能保证服务质量，特别是流媒体服务质量，需要在网络中间增加存储节点。ISP服务的多样化，要求基于中间服务器的应用。出于信息安全等方面的考虑，政府与中介组织参与网络内容与服务的监督管理，网络核心不可能再是Dumb网。Internet初期的用户都属于技术型，而现今已普及到一般老百姓，许多复杂的软件放在服务器而不是"end"。所有这些变化都要求增加核心网络的功能。今天的商业模式不再是"end to end"，而主要是service inside the network。我们面临十分复杂的应用需求，但不可能走回头路，用简单集中服务代替边缘论。当寻求新的网络体系结构时，end to end 原则所追求的灵活性和开放性应当保留。

2.4  光通信与分组交换技术的融合

线路交换（circuit switch）和分组交换（packet switch）是当代通信网络两大主流技术，前者与光技术紧密相连，后者与电子技术相连。从某种意义上讲，未来的网络就是在光与电的技术融合上做文章。近几年来，光纤通信技术发展基本上每半年翻一番，而电子技术发展已从18个月翻一番逐步降低到二三年翻一番，差距越来越大。今后一二十年，大量的原始创新将致力于缩小这两者的间隔。当代物理学研究揭示光电交接的THz区域有许多奇妙的特性[3]。目前线路交换的瓶颈在于光电转换。所谓光交叉连接设备（OXC）至今还是先转成电信号再交换。如果在THz附近发明一种新技术，有可能直接用光实现分组交换，则将引起网络与通信的一场革命。

路由器带宽利用率极低，只有5 %~50 %，通信行业是所有工业部门中能力利用率最低的产业。当今的路由器太傻，出现阻塞唯一的办法就是丢包，不能识别语音流、图像流和文字流。最需要攻克的不仅仅是提高路由器的速度，而是提高其智能。用全光技术实现交换和路由是许多网络通信科研人员的理想。目前OXC只比电分组交换密集2~3倍，竞争力还不够，今后发展到光子交叉互连（photon cross connect switch）可以在更大粒度上实现交换。由于传输的光波如何延迟和存储的技术还处于实验室阶段，全光路由器实用化的路还很长。但如同程控交换机代替了手工话务员一样，全光网的自动控制、智能化的全光分组交换网络可能会取代今天光网上的手工操作，值得探索。

2.5  UNI和NNI模式

网络上有两种控制机制，路由机制与信令控制机制，无连接的网络用路由机制，有连接的网络靠信令控制建立连接。这两者是水火不容还是可以互相融合是值得研究的问题。其实路由和信令都是实现网络自动化需要的控制技术。线路交换网要全自动，也必须有路由信息。即使IP over optical network也必须在光器件内增加路由与交换功能。国外学者目前在研究两种模式，试图统一分组交换和线路交换[4]。

第一种模式是UNI模式，即User-Network Interface。这是一种层次迭加型的体系结构，将光网络看成服务层，而IP层看成客户层。它提供改进的信令协议，允许客户端向网络要求服务。在这种模式中，分组交换和光学网的路由及控制过程是分离的，两个网络域通过UNI界面动态交互联系，UNI使得双方能互相知道双方。UNI要求新一代的光学服务。 ITU-T提出的自动交换光网络（ASON）是这种模型的代表。这是一种渐进型的模式，技术上相对较成熟。缺点是不利于网络资源全面优化，两个控制面带来管理上的麻烦。UNI的界面定在什么地方也是引起争议的大问题，如果网络层只管点到点的传输即只批发骨干网带宽，前几年的事实已证明纯宽带网公司难以生存，但如果网络层一直管到应用，用户自主的灵活性等Internet优点将会丢失。

另一种模式是NNI（network-network interface）。这是一种集成模式或者称为对等模式，即采用统一的控制平面，实现对等的交换，线路交换与分组交换可集成在一个设备中。进一步发展是在光网上实现动态控制，按需建立和撤销光线路。这就需要光器件之间有路由协议发现邻居和拓扑结构，也需要信令协议建立NNI。在光网中采用基于IP的路由机制和信令协议提出了新的挑战，需要修改IP控制以适应光器件的体系结构。这种模式的优点是采用统一的控制平台，可进行综合优化设计实现更有效的流量工程管理。由于IP路由器了解光网络拓扑信息，可进行显式路由。集成模式的缺点是技术上难度较大，尤其是要求网络运行商提供网络拓扑信息，商业上整合不容易。

分组交换与光网的更紧密耦合是下一代网络的发展方向。我国已开展示范网研究工作并正在组织新的示范网工程。从过去经验来看，示范网侧重于外国新设备的联网演示，主要起到验证国外设备与软件联网可行性的作用，其中也用到一些自主研制的设备或软件，但推广的力度不大。下一代网络如何构建尚没有满意的答案，除了渐进方案外，也应当鼓励提出一些带革命性的方案，即使与当前协议标准不兼容，只要在性能或其他方面有数量级的提高，也值得一试。"八六三"计划尤其应支持有创新思想的试验网。通过试验网验证新的协议，加大对制定国际标准的影响。

3  重视对网络动力学规律的基础研究

IP协议看起来很简单，Internet中不计其数的数据包似乎都在随机的发送，但整体上能正常运行而且具有很强的商业竞争力，背后一定有深刻的道理。网络界学者对网络动力学行为的研究还很不深入。近两年美国NSF支持图灵奖获得者R.Karp等学者从事Internet基础理论的研究。值得指出的是美国Barabasi等物理学者近年来在Science、Physics Review letter等顶级刊物上发表数十篇关于Internet结构与动力学基础研究的论文，引起学术界较大反响[6]。最近的研究结果表明互联网与万维网的节点链接不符合泊松分布而符合帕累托分布，节点连接数的分布与节点总数无关，因此称为Scale-free网。互联网与万维网都是个"小世界"，根据大规模数据统计结果,任意两个网页之间的平均"距离"小于20，任意两个路由器之间平均"距离"小于10。互联网与万维网的Scale-free及小世界特征是由其演进的动态规律形成的（新的节点倾向于与已有较多链接的节点相连）。实际存在于人类社会和生物界的许多复杂网络，例如蛋白质折叠、演艺圈、论文署名作者和引用等都具有与Internet及Web相同的特征。

Scale-free网络具有很强的容错性，但比随机形成的网络更易受攻击，连接最密集的节点成为最易受攻击而导致网络瘫痪的瓶颈。 建立Internet的初衷是应对攻击，但网络的演进出乎创造者的意料。21世纪是复杂性世纪，深入理解复杂性的两个层次---结构与动力学是我们面对的严峻挑战。我们在考虑下一代网络体系结构时，一定要重视有关网络结构与动力学的基础理论研究。