_什么是网络体系结构_新型信息通信网络体系结构的研究现状与趋势

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新型信息通信网络体系结构的研究现状与趋势

中国联通网站

作者：曹蓟光       2007-9-4 10:51

信息通信  网络  体系结构  

    一、现有信息通信网络体系结构存在的问题

    随着人们对信息服务需求的日益增长，信息社会呼唤可信赖、安全可靠的网络与通信服务，而现有网络面对这些需求暴露出了诸多问题和深层次的矛盾，已经不能满足未来信息社会持续发展的需要。

    1．互联网存在的问题

    互联网不能保证基本的安全性和可信任性，不可控、不可管、不能保证服务质量。

    首先，互联网的不可信任性表现在设计、建设和运行管理的各个环节，频繁爆发的互联网安全事件是互联网脆弱性的具体表现。互联网的安全问题极大地限制了互联网更深层次的应用与业务的创新空间，并严重制约着互联网的发展及其巨大潜力的发挥。同时，也影响到国民经济的健康发展，甚至威胁社会的安定和国家的安全。

    其次，互联网本质上提供的是一种“尽力而为”的无连接的服务，不提供任何服务质量保证。在以FTP，Email，Web服务为主的数据业务环境下，互联网基本能够满足用户需求。但是，面对语音电话、IPTV等实时流媒体传递，以及大量终端出现移动通信的需求，已有的互联网难以提供足够的性能、功能和必要的服务质量。

    互联网的核心理念之一是对数据进行无记忆传送，在网络中尽量不保存或少保存状态信息，从而保证网络设备的简单和高效。这种理念使得网元中缺少用于管理的必要信息，使得管理员无法高效对网络进行管理和控制。

    2．电信网的问题

    传统电信网在多业务综合承载、新业务灵活部署等方面存在不足，基于IP内核的下一代网络(NGN)发展受到互联网基因缺陷的困扰。

    现有电信网正在以IP为核心实施承载网的技术变迁，业务网将依托在以IP为技术基础的承载网之上已没有太多的悬念。然而，现有IP承载网的不可控、不可管，不能提供服务质量保证，不能保证基本的安全性和可信任性，且加密技术滥用和失控，给信息通信安全造成严重威胁，现有IP承载网的设计思路不能适应因网络流量模型的变化而产生的新的业务承载需求。

    当前，电信业务是建立在不可靠的IP网之上的，业务网中存在大量不合理的功能，缺乏具有本国特色的创新型业务。电信领域和互联网领域的业务实现思路不同，优缺点各异，缺乏必要的融合与协调，未来业务实现思路尚不清晰，业务网成熟度和稳定性也不高。业务具体实现方式多样、混乱、易变，互联互通难度大。单独建设的多个业务网络难以实现灵活的业务组合，难以为用户提供个性化、综合化服务。业务网易于受到攻击，溯源能力不足，存在安全性隐患。业务网与承载网适配性较差，系统效率低，灵活性差。用户数据分离或关联关系复杂，多业务平台没有实现统一的SP／CP接入，没有开放、便利的业务开发环境，导致第三方应用逻辑和内容资源难以重用。各增值业务平台的业务能力均比较单调，没有统一的业务管理平台来融合管理多种业务能力。此外，现有网络的运行与维护体系严重滞后承载网络和业务网络的发展。

    3．有线电视网的问题

    有线电视网是国家信息基础设施的重要组成部分。但是，其单向的推送式服务形式和单一的盈利模式已经不能满足人们对多种娱乐方式的需求，正面临向数字化过渡、双向化改造、扩展信息服务能力和更新商业模式等艰巨任务。

    对于数字化改造的问题，在跨越了“改造还是不改造”的争议门槛后，现今面临的主要问题是“如何改、怎么改”的问题。传统的模拟电视网向数字化转换的战略在我国已经全面展开，在逐步摸索的过程中，形成了“青岛模式”、“杭州模式”、“深圳模式”等多种发展模式，目前国家广电总局正逐步推进有线电视数字化由部分城市试点向全国大中城市全面铺开。同时，按照大容量、双向交互、多功能的要求大力推进网络改造，积极拓展网络业务和服务，推动数字有线电视全功能网的建设。

    二、新型信息通信网络体系结构

    现有信息网络的上述问题是由其网络体系结构方面的基因缺陷造成的。近十多年的实践证明，仅对现有网络修修补补不能从根本上解决业已存在的瓶颈问题。结合未来信息通信需求和网络融合趋势，从接入、交换、承载、传输、业务提供等多个层面出发，研究、开发和试验具有安全、可信、可管、可控、可靠、灵活、低成本等多种特征的新型信息通信网络体系结构已经成为一种重要的研究方向。由于这个领域的研究成果对各国在未来信息社会的国际大格局中的地位和本国国民经济发展有重要的影响，已成为世界各国竞相争夺的战略重点。

    互联网起源于美国，美国对全球未来网络体系结构的发展方向有着重要的影响。目前，美国对未来网络体系结构的基本认识是，在通信技术变革的初期，将出现多种新型的网络体系结构，这些新技术的优缺点要通过长期的研究与试验才能有清晰的认识，过早、武断地评判哪种新技术会成为主流是有很大风险的，因此政府要给各种新技术以公平竞争、自由发展的机会。

    为此，在国家信息基础网络的研究、开发方面，美国政府主要由美国自然基金会NSF和美国国防部高级研究计划署DARPA资助了一系列新一代网络的研究、开发和探索项目。其中包括建立一个适用于各种新型网络试验的综合网络环境，亦即GENI计划，采用自顶向下的方法设计全新的互联网体系结构，即FIND行动。基于P2P技术来组建重叠(OVERLAY)网络，即PlanetLab试验，针对网络安全研发下一代光网络，即动态多太比特核心光网络计划等。

    1．全球网络创新环境GENI

    2005年8月，美国自然基金会NSF宣布了GENI计划，希望通过GENI项目构建一个全新的、安全的、能够连接所有设备的、能灵活适应多种新型网络体系结构的互联网络。其目标是构建基于“资源片”有效调度的灵活的试验网络，为各种新型网络方案构建试验床。各种新型的网络体系结构都可以在这个开放的试验网络上进行配置，从而实现一个物理网络支撑多个逻辑网络，对应多种不同的新型网络实现方案。其主要研究内容包括网络分布式体系结构、资源片调度管理机制、各种网络实现方案向试验床的适配机制等。

    2．未来互联网设计计划FIND

    FIND是NSF资助的一个大型长期的研究规划，于2005年开始启动。该项目的目的是让研究人员发挥自己的创新与能动性，设计一个全新的未来15年内社会所需要的网络。该项目最大的特点在于从顶层草图设计开始，探讨所需的网络结构及其设计，而不是增量式地逐步改进现有网络。FIND支持在下一代网络(Future Internet)组网架构方面基础的或革命性的创新。所有FIND提案都必须与架构问题有关，包括定义未来网络基础的设计原理与结构，而不能是具体技术。

    3．PlanetLab

    2002年3月，Larry Peterson(普林斯顿)和David Cul Ier(UC Berkeiey和Intel研究院)组织了一个在全球范围内对网络服务有兴趣的的研究人员会议，提议PlanetLab作为研究团体的试验平台。这个由伯克利——Intel研究院主持的会议吸引了30名来自MIT、华盛顿、莱斯、普林斯顿等大学的研究人员。在随后几年，该项目得到学术界、产业界和政府机构的广泛参与。PlanetLab是用作计算机组网与分布式系统研究试验床的计算机群。它于2 002年设立，到2006年1O月由分布在全世界的338个站点的708个节点组成。它是一个开放的、针对下一代互联网及其“雏形”应用和服务进行开发和测试的全球性平台，是一种计算服务“覆盖网络”(0verlay)，也是开发全新互联网技术的开放式全球性测试平台。每个研究项目有一个虚拟机接入结点构成的子网。账号限于拥有PlanetLab结点的公司和大学的所属个人。

    4．100x100计划

    100x100意指100Mbit／s接入带宽到100M户家庭，以1Gbit／s的接入带宽到1M个小型公司单位。该项目不再强调精确数字，而强调一个完整的设计哲学。该项目将经济学家、安全与网络专家、网络规划专家以及政策专家集中在一起，目的在于绘制出超越当今Internet局限的未来网络蓝图。通过吸取过去30年的经验和技术储备，试图重排网络设计基础准则的优先级，以设计出尺度上泛在的、经济上自我可持续的、可抗攻击又易于管理的网络。当前，正在对骨干网、光纤接入、无线、安全、经济学以及网络控制进行深入研究。统一了解架构主题及团队协同构建结构化网络，包括接入网和骨干网，并进行整体设计，包括端到端无损失的流控制、网络范围的控制与管理等。

    5．网络与信息技术研发计划NITRD

    NITRD计划是对先进网络、计算系统、软件和信息管理技术等进行研发的计划，是对计算机和网络技术进行基础和长期的研究。美国认为，NITRD计划是其国家安全、科技领导地位、研究与学习21世纪社会的基础。NITRD的研究为21世纪国家的发展提供了必要的技术保证，是具有战略意义的国家资源。

    NITRD计划的目标是，确保美国在计算科学、信息和通信技术等领域的领导地位，满足联邦政府的目标，并维护美国21世纪在学术、工业和政府各方面的利益。加快先进的试验性信息技术的运用，以维护美国在科学、工程和数学领域的领导地位，提高人民的生活质量，促进经济的长期增长。提高终生学习的可能性，保护环境，有效利用信息技术，加强国家安全。通过对计算科学、信息和通信技术等领域长期的科学与工程学上的研究，促进美国的生产力发展和工业竞争力。

    NITRD计划的主要研究领域包括高端计算的体系结构及其应用(HEC I&A)、高端计算技术的研发(HEC R&D)、人机交互和信息管理(HCI&IM)、大规模网络(LSN)、软件设计及其产业化(SDP)、高信度软件和系统(HCSS)、IT对社会、经济和劳动者的影响(SEW)等。

    6．动态多太比特核心光网络计划

    动态多太比特核心光网络计划是美国于2006年8月发布的旨在彻底改变美国全球互联网络基础设施的可操作性、性能、生存性和安全性的新的研究计划。主要是寻求高度动态、Multi-Terabit核心光网络体系结构、协议、控制和管理的方案。该项目的目标是，研发一套新型光网络的体系结构、协议、算法以及管理和控制系统，并对其进行建模与仿真。构造一个全球范围的核心网络，即连接全球范围内主要站点的大容量、长距离基础设施。这个网络可提高网络能力10倍以上，提升多层流量处理、容量管理和网络操作性，同时大大降低每比特费用和功耗，并极大地简化网络操作。这个网络要支持非常快速的建链／拆链时间，从而允许跨全球的低延迟应用、相互协作应用和网格计算应用。这个网络还应该支持快速和有效的网络多点失败恢复。另外，欧盟、韩国、日本、英国等也制定了信息网络发展策略或启动了相关的大型研究计划。

    总之，目前全球网络与通信界都在积极探索新型信息通信网络的发展方向，出现了很多基础科学研究成果和工程技术试验模型。这些成果各有特点，从不同的需求、不同的角度对新一代信息通信网络体系结构进行了研究与试验，为我国在这一领域的研究提供了宝贵的经验，也是我国在这一领域实现自主创新的基础。

    三、国际研究现状与趋势

    网络体系结构是个笼统的概念，不同研究背景和研究目的的科研人员对其具体的研究范畴有着不同的理解。但一般认为，网络体系结构主要包括功能模型、拓扑模型和应用模型等，其中功能模型是核心部分。功能模型定义网络系统如何被分割成小的、具有不同功能的部分，以及这些部分之间如何相互作用，如何通过这些部分的排列组合实现网络系统的整体功能。

    目前，国际上对这一领域的研究可以分为两个部分，一个部分是从网络基础理论研究的角度出发来试图解决新型网络的基本科学问题。另一部分是从工程技术研究角度出发，解决网络与业务实现的具体问题。这两个部分是相互影响，互动发展的。目前，在新型网络体系结构的基础理论研究中，有两个重要方向，一个是对现有网络层次化功能模型的改进，另一个是探索非层次化的网络体系结构。

    新型网络体系结构的研究正向扁平化、多层迭代、功能灵活布置方向发展。其发展方向不是孤立或相互排斥的，而是逐步融合的。

    笔者认为，在未来网络体系结构的研究中，层次化模型依然有着重要的指导意义。但基于角色、面向对象等非层次化网络体系结构的设计思路将发挥越来越重要的作用。这几种网络体系结构的研究方向需要进一步融合。

    在设计一个新型网络体系结构时，不必沿袭传统层次化网络模型的设计方法，而是分别针对承载网和业务网络，从应用场景出发，明确通信中的角色(Role based)以及这些不同角色之间的协同关系，构建角色模型。在此基础上，明确这些角色协同工作时需要涉及哪些必要的功能，从而构建“工具箱”。这些工具箱中功能模块的不同组合方式对应不同的网络体系结构，甚至可进一步研究这些工具协同工作的总线结构(或其他可能的工具组装方式)，从而实现新型网络体系结构的通用设计平台，在这一平台上可以更加灵活地设计新型网络。

    例如，在新型承载网络的设计中，不必先划分网络层与链路层，分层单独进行设计，而应对承载网中所设计的角色、通信需求明确以后，先规划新型承载网应该包括哪些功能模块，这些功能模块中哪些是基础模块，哪些是衍生模块，规范各个模块的外部接口(功能模块的具体实现有多种方式，如面向对象方法。但这属于工程实现技术，是一种具体的网络功能设计方法)。在此基础上，可以设计多种功能模块的组合方式(单独的功能插件可以组合成紧密结合的大颗粒的功能实体——“功能片”)和工作流程，从而实现更加灵活开放的网络体系结构。

    三网融合趋势下的业务网络设计也可采用这种思路，即先明确各种业务的通信角色(在新型业务体系研究中要着重面向视频类业务，因为这类业务是未来通信的主要方式)，再精炼、抽象、聚合出功能集合，共性部分可成为基础工具，并派生出针对特定业务的扩展工具，从而通过这些功能模块的不同组合实现针对特定业务的新型业务体系。

    因此，基于角色、面向对象等技术可以作为设计新型网络体系结构的有效手段，并与层次化网络体系结构相结合。而在层次模型中，应充分考虑到网络与业务过度分离所带来的诸多问题(如资源感知困难、跨层资源管理能力弱、网络管控能力较差、网络与业务匹配效率低下、商业模式不合理等问题)，可能会出现新的网络层次——网络与业务感知与粘合层。这个新的网络层次可以在网络与业务分离的趋势下更好地实现网络与业务的匹配，提高资源利用率和工作效率。同时，此层次还负责构建统一的网络边界，实现UNI／NNI／SNI接口，实现各种异构网络的统一接入和标识转换(映射)。

    在未来网络体系结构研究中，以下几个领域可能会成为新的研究热点：

    (1)网络与业务的感知及粘合模型与具体技术研究。这是一个创新的热点。

    (2)工具箱的设计，即网络功能与业务功能的抽象与封装。这是设计的要点，面向对象技术可能发挥重要作用。

    (3)功能片的组成，即网络功能和业务功能的组合方式与工作流程，基于角色的设计方法成为功能片设计的重要手段。

    四、新型网络体系结构的发展策略

    目前是通信技术的变革期，也是一个技术创新的活跃期。在这一关键时期，承载网络和业务网络均面临重大调整，网络中的结构模型、功能分布、传输模式、编址与命名、寻址与路由、服务质量保证方式、网络安全性、可运营可管理能力、业务支撑能力等多个方面均有许多创新机会。我国应抓住目前的技术创新变革、网络升级换代、业务高度融合、新兴社会服务层出不穷等难得时机，结合我国国情，积极探索创新发展道路。

    (1)国家应从战略高度重视新型信息通信网络体系结构的研究与试验工作。新型网络体系结构对于改善我国国家信息基础设施，解决我国网络与通信核心技术“空心化”问题，加快新一代高可信网络的技术研究和产业化进程，实现我国信息产业从大到强的跨越式发展，提高社会信息化水平，维护国家信息安全、保护公众利益乃至推动整个社会的经济发展，增强国家综合实力等方面均具有重要而积极的意义。世界各国(如美国、韩国、欧盟、日本、英国等)都试图紧紧抓住技术升级换代的重大机遇期，政府牵头组织关键项目，实现重大信息通信技术突破，通过知识产权和技术标准确立信息技术优势。

    (2)应给予多种网络体系结构自由研究发展的空间，不要武断扼杀某一方向。任何一个技术变革期，都会出现多种新的技术方向和新的实现思路。这些技术方向面临的需求不同，其技术特点也各不相同，可能存在着明显的缺点和不足。但这些技术都处于不断变化与调整的过程中，技术的融合与相互借鉴对技术的成熟起到了极其关键的作用。因此，在这些技术出现时，要给予其充分发展和公平竞争的机会，而不是用传统的理论体系去衡量与评价新的技术方向，或武断地扼杀某个技术方向。

    美国在对待新技术问题上就注意到了这一点，他们不是组织大规模的专家评审来确定某个技术方向是否是未来发展的重点，而是为各种技术创造宽松的发展环境，给以其充分的发展空间，如美国构建了GENI网络环境，在这一开放的网络试验环境中，政府同时支持同一领域的多个技术方向。这种做法对于一个成熟的技术领域，在节省资源、避免弯路等方面有着重要的作用，但不适合于技术变革期的技术发展。因为这一时期的技术方向并不明朗，技术决策的风险是很大的。这一点值得中国借鉴，国家在支持技术发展时，不要人为地搞同类项目的捆绑和组合，非要确定唯一的一个技术方向。

    (3)基于现网改造和构建全新体系结构的思路可并行发展。目前，对未来网络体系结构的研究在业界存在两条思路，一条是充分考虑到现网存量，采用修补的方法来完善现有网络，这是一种短期内的可行思路。另一条是采用自顶向下的方法，最大限度地鼓励创新，提出全新的网络体系结构，这是长期的目标。这两种思路并不矛盾，应该并行进行，而不是用一种思路压倒另一种思路。在并行研究过程中，新型网络体系结构要充分利用现有技术，提高技术的成熟速度。在研究到一定程度时两种思路要进行融合，即要考虑到新型网络与现有网络的融合问题和现有网络的过渡问题。

    (4)通过知识产权和技术标准确立信息技术优势。未来网络体系结构的研究是一种前瞻性和战略性的研究，要在研究中注重知识产权的保护，对一些创新性的想法和设计要及时申请专利，并努力把自有专利国际标准化，在保护自主知识产权的同时扩大对国际标准的影响。

    国际上对未来网络发展有重要影响的国际标准化组织主要有国际电信联盟(ITU)和互联网工程任务组(IETF)，前者主要面向电信领域，后者主要面向互联网。目前，两个组织都正在从各自的出发点积极探索未来信息基础网络的发展趋势和技术框架。从当前情况来看，两者的思路有着很大的不同，具体的技术方案也尚在酝酿之中。ITU主要关注现有电信网的过渡和演进，注重网络和业务的可管、可控、可运营。IETF则坚持互联网开放、平等、自由参与的原则，探索如何为互联网用户提供更加方便、开放、自由的信息交流方式。

    我国应利用在ITU组织的有利态势，争取拥有自主知识产权的关键技术进入国际标准，并在一些重要的领域起到国际技术方向主导者的作用。目前，我国是ITU正式成员，有7个大型企业成为ITU的部门成员。中国在ITU已有一位ITU副秘书长、一位高级工作人员、六位研究组副主席和多位课题报告人等，而且ITU也需要中国的支持和参与。最近一两年，我国正逐步从ITU-T国际标准的参与者和跟踪者向标准与技术的主导者及引领者转变。在一些重要的领域，如未来包交换承载网、NGN业务等领域已经主导完成了多个ITU标准建议。以此为基础大胆预测，在未来五年，至少有十个以上核心国际标准将由中国主导完成。这是我国自主知识产权走向国际的良好开端。因此，我国应充分利用ITU平台，在其中发挥重要作用，完成在未来信息基础网络标准的系列突破，逐步提升我国在国际标准组织的地位和作用。

    而IETF是一个民间组织，所有参与人员均以个人身份参加，并且已经形成一个相对固定的技术决策群体，我国短时间内很难进入这个决策层，因此中国主导的关键技术也很难成为IETF的建议。近期，我国应以积极参与、熟悉规则、了解方向、加强合作、寻求突破为目的，结合我国网络发展的实际需求，选择适当的技术领域，通过国际合作，逐步扩大影响，，争取在一些核心技术的标准化方面有所突破。

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