新一代互联网体系结构的标准研究

摘要:互联网应用环境巨变造成当前"端到端透明"的互联网体系结构缺乏可控性，面临着网络安全、可扩展性和服务质量等多方面的问题。文章基于新一代互联网体系结构的设计理念、设计原则、演进思路、研究现状和标准化情况，通过分析在新一代互联网体系结构的标准化制订过程中所面临的问题和挑战，对互联网向未来互联网技术演进的3种方式：改良、整合和革命进行了探讨。

关键字:互联网体系结构；路由扩展性；重叠网；语义网；端到端透明

英文摘要: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.

英文关键字:the Internet architecture; routing scalability; overlay network; semantic web; end to end transparency

基金项目：国家高技术研究发展计划("863"计划)课题(2008AA01A301)

1 当前互联网体系结构面临的问题

为了实现"人人参与"的理念，互联网采用了"端到端透明"的体系结构[1]，即用户可以利用计算机、手机等终端的智能性产生各种信息，网络只是简单、"尽力而为"地传递信息而不做任何记忆与控制。这种俗称为"智能终端＋傻网络"的设计原则有效简化了网络的功能，把信息处理和控制的复杂性最大限度地交给终端节点(包括服务器和用户)，使用户拥有了更大的自主性和更广阔的创新空间，从根本上提供了人人参与互联网发展和创新的机会。

随着互联网由实验科研应用向社会化应用的发展，其应用场景发生了巨变，出现了很多与体系结构密切相关的问题，使得原来理想化的"端到端透明"的互联网核心设计原则遇到了极大的挑战。首先，用户群体规模日益扩大，构成日益复杂，互联网用户自律和彼此信任的基本假设不复存在，为安全攻击、病毒和其他有害信息的传播打开了方便之门；其次，互联网由最初的用于科研的非商用实验网演变为国家信息基础设施的重要组成部分，并不断向国民经济各部门渗透，互联网的规模化应用使得互联网的安全、商业模型和服务质量等问题成为其可持续健康发展的"瓶颈"；最后，产业链各环节之间缺乏有效的利益分配和协调机制，也越来越不利于互联网新业务进一步的开展。

在互联网应用场景发生巨变的情况下，现有体系结构使得网络缺乏可控性的弊端日渐凸现，这体现在网络安全、服务质量、扩展性以及商业模式等多方面。例如网络安全方面，互联网体系结构支持端到端的业务与承载分离，专注于数据包传递的傻瓜型网络为上层应用提供统一的IP接口，将几乎所有控制能力以及安全责任都推到了网络边缘的用户手中。网络对于上层应用不感知、不限制，缺乏奖惩机制，使得用户行为不可控，溯源成本极高，肇事者普遍有恃无恐。这也进一步增加了对互联网内容实施合法监听的困难。又如在服务质量方面，互联网缺乏必要的资源控制管理机制，只能提供"尽力而为"的服务，服务质量的改善只能依赖于网络资源的增加和用户资源使用行为的自律。实际上，互联网不对上层业务和应用提供任何服务质量承诺，导致一些对实时性要求较高的应用(如视频)很难在互联网上规模化开展。此外，互联网的动态路由也在很大程度上增加了互联网服务质量问题的解决难度。

2 未来互联网的理念和演进思路

作为国家信息基础设施的重要组成部分，互联网必将继续向国民经济各部门快速渗透，更加深刻地影响人类的生活和生产方式，大大推动社会信息化的发展进程。同时，互联网在面向新的应用需求和发展中暴露出了一些问题，虽然未来的互联网在很多方面可能都需要进行改变，但应该继续坚持一直崇尚的"人人参与"理念。否则，互联网将失去前进的动力和方向，也就不能再被称为"互联网"。但需要注意的是，坚持互联网的理念并不是要将"人人参与"所衍生出来的开放、平等、自由和创新等精神绝对化和教条化[2]。
未来互联网应该仍然坚持"端到端透明性"的体系结构，但应满足一定的约束条件，即"有条件的端到端透明"。在保证人人能够继续参与互联网发展和创新的前提下，网络中应内嵌一些对用户透明的管理和控制机制，抑制用户的不自律行为，平衡产业链不同角色之间的职责和利益。总之，在海量性、无界性、交互性、群体性、自主性等现有外在属性的基础之上，未来互联网将使所有用户体验到一个更加安全可信的、更高服务质量的、无所不在的、和谐的网络虚拟社会。

现有互联网向未来互联网的技术演进方式，目前大致有"改良"、"整合"和"革命"3种思路。

"改良"思路认为，考虑到现有互联网的巨大存量，可以利用新技术对现有互联网进行修补，例如使用地址翻译、资源控制、安全监控等技术来解决互联网体系结构中暴露出来的问题，以满足互联网的社会化应用对其不断增长的各种需求，IPv6可视为其代表性技术，因为IPv6仍然坚持了"端到端透明"的原有互联网体系结构。

"革命"思路认为，无论是零星的修补还是系统性的修补，只会让互联网的发展负担更重，现有的互联网体系结构大都已经无法承担未来国家信息基础设施的重任，因此需要确定一个长期的目标，设计全新的互联网。目前新型互联网体系结构的研究正逐步成为一个全球性研究热点，各种新思路、新技术不断涌现，如美国麻省理工学院的FARA模型、加州大学的I3网络、美国国家科学基金会的GENI计划[3]等，但是技术发展方向尚未明朗，各种技术需要进一步碰撞与融合。

"整合"思路认为，对现有互联网技术直接进行零敲碎打式的修补无法真正解决问题，但对互联网进行彻底革新还需要一个很长的过程。面对迫切需要解决的各种问题，应当寻求一个介于零星修补和彻底革新之间的折衷方案，即做系统性的、大范围的、整体性的修补。互联网采用"覆盖"的方法设计了路由器网络，覆盖在各种需要互联的异构网络之上，因此其本身是一种重叠网。在现有体系结构的基础上，可以仍然遵循重叠网的思想，在互联网承载层之上、应用层之下增加一个垫层，系统性地在这个垫层中实现承载层中个性化和应用层中共性化的功能，在尊重互联网现实存量的基础上让互联网更加健康地持续发展。

3 未来网络研究现状及标准化动态

3.1 典型研究项目

未来网络体系结构存在着多个研究方向和热点，如虚拟化网络、自动网络、层次交换网络、高性能网络、安全可信网络、长距低耗网络、高带宽长延时网络等。针对这些重要方向，目前各国都在制订积极政策，并投入大量的资金开展研究，力求在下一代互联网的研究方面取得先机，其中比较典型的研究项目有美国的PlantLab[4]、欧盟的FP7/4WARD[5]、日本的AKARI[6]以及中国自主研究的PTDN等。

PlanetLab是一个针对未来互联网技术和服务进行研究、试验的开放式、全球性试验床平台，于2002年开始建设。截止到2009年1月，其平台已经有474个站点，总计950个节点，分布在40多个国家和地区，2009年2月10日发布了基于分片的设施架构，定义了交互的接口和数据类型。

作者：何宝宏　朱刚   来源：中兴通讯技术－－2010年 第2期　总第90期