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未来一定时期内网络发展
发布日期 : 2017-12-27编辑 : admin 浏览次数 :
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1 研究未来网络的意义
  “未来网络”[1]是对未来一定时期内网络发展的称呼与描述。由于未来网络的含义过于抽象,至今学术界无法对它进行明确的定义。概括地说,未来网络是能够提供现有网络技术难以做到的服务、能力和设施的网络,是为了解决现有网络存在的问题、满足用户对网络功能的更多需求、顺应将来一定时期内网络发展的总体趋势而提出的新型网络构想。
  对未来网络的研究并非空中楼阁。首先,建立在TCP/IP体系结构上的现有网络面临着诸多问题:网络规模被动扩张、IP地址资源缺乏、网络速度无法适应高速网络应用的发展、网络时时因负载过高而崩溃、网络体系本身无法保证网络传输内容的安全……对未来网络的研究最主要的目的就是力图跨越传统网络的技术障碍,解决出现的各种问题。
  同时,在现有网络的功能基础上,人们希望未来网络可以拥有更强大的商业与应用价值。随着物联网、云计算等大量新型网络服务的开展以及大数据时代的到来,传统网络从技术上已越来越难满足用户日益高涨的新需求,未来网络在各个方面都已表现出传统网络技术不可比拟的优越性。
  2 未来网络的发展历程
  未来网络与传统网络在发展过程中并无明确的界限与鸿沟,而是一种渐进式地演变。一般认为,20世纪90年代初期起,传统网络开始逐渐暴露出各种问题,拉开了对“未来网络”规划与研究的序幕。
  自互联网诞生以来,美国一直占据着全球网络格局规划的主导地位。20世纪90年代之后,由于当时网络本身存在着技术上的不足,加之接入网络的用户数量猛增,使得Internet不堪重负。1993年,美国政府率先提出NGII计划,该计划的目标是在解决现有网络存在问题的同时,开发规模更大、速度更快的下一代网络体系结构,提供更先进、更实时的网络服务,同时保证网络信息的可靠性和安全性。
  随着NGII计划的开展,到了20世纪末,网络技术发展到了一个新层次。IP电话、网络视频等网络业务也逐步向传统电信领域延伸,这给电信产业带来了冲击。在巨大的竞争压力下,电信业提出了关于下一代网络(NGN) 的发展构想。NGN计划以软交换为中心,提供QoS数据传送技术,力图在一个统一的网络平台上提供多媒体业务,以实现用户对业务使用的一致性。
  之后的若干年里,全球互联网络进一步向开放、融合、高速、高性能的方向发展。为了满足时代对网络提出的新要求,2005年,美国启动了全球网络创新环境计划(GENI)[2]。GENI计划以“虚拟化、可编程、可切片”理念为核心,重新设计互联网体系结构。同期设立的还有未来互联网设计研究计划(FIND),该计划更侧重于对未来互联网体系架构的研究。
  在全球发展未来网络的潮流影响下,欧盟及其成员国也迅速成立了相关的产业联盟,先后设立了FEDERICA计划[3]、FIRE计划[4]等等。这些未来网络研究项目大多开展面向多方面、宽领域的未来网络核心技术的研究,同步建设大规模开放性未来网络实验平台,通过合作实验逐步构建出未来网络的体系结构。
  3 未来网络的研究现状
  3.1 多媒体网络
  多媒体网络是一种将包括文本、图像、视频和音频等形式的信息结合在一起,通过计算机进行综合处理的全新网络技术。经过几十年的发展,最新提出的新一代多媒体网络设计思想主要包括以下三个方面[5]:一是通过抽象的方法,如名址分离、可编程路由等,实现网络的可演进性;二是采用分布式的系统架构方法提高系统的可扩展性;三是在接入设备中加入存储、视频处理等计算功能,提高数据的传输效率与面向终端用户的自适应能力。
  当前多媒体网络的研究重点包括:将网络带宽提高到适合多媒体内容传输的方法;多媒体网络中信息交换方式与高层协议;多媒体网络信息服务器的构架;多媒体网络的通信协议及性能等。
  3.2 解决网络地址问题
  当前网址分配体系的最大问题是网络地址资源有限:IPv4的网络地址已于2011年2月3日在全球范围内分配完毕。地址不足限制了同一时间内网络终端的接入数量,严重阻碍了互联网规模的扩大与功能扩展。当前学术界对如何解决未来网络地址分配问题主要持“改良式”与“革命式”这两种截然不同的观点。
  持改良式观点的研究者认为:IPv6协议与IPV4协议同属TCP/IP协议体系,其主要优势[6]包括扩大了的地址空间(采用128位地址长度,拥有的地址达到2^128个)、支持移动和即插即用、可以更好实现网络多播、在IPV4的基础上增加了路由探测、参数探测、地址自动配置与解析等功能;在网络安全方面,采用身份验证方式阻止信息报探测、IP欺骗、连接截获等网络不安全行为的发生;也增加了诸如源地址检查、无状态地址映射等新技术。
  IPv6取代IPv4的关键是过渡技术的选取,当前对IPv6的研究重点也主要在这一方面。现已提出并经过实证可行的过渡技术主要有以下三种:1.双栈技术[7]:在网络节点上同时运行IPv4和IPv6的协议栈,根据收到的分组切换使用;2.隧道技术:当数据需要在使用不同协议的链路(隧道)上传送时,将数据包封装在合适的协议中,通过链路(隧道)后再解封;3.翻译技术:通过建立IPv4与IPv6地址间的映射表,以分配临时IP地址的方式进行数据传递。
  当前国际学术界普遍认为:用IPv6取代IPv4是维持当前地址增长趋势的惟一可行途径。2012年开始,IPv6在全球逐渐进入商业部署阶段,国际互联网组织也制定了相应的国际标准。我国现阶段的CNKI工程[8]、物联网、云计算和三网合一等多项业务都是在采用IPV6的基础上开展的。   “革命式”方法也被称作“clean-slate”[9],意指抛弃现有网络体系,从白板开始设计一个全新的未来网络体系结构。持这种观点的研究者认为:造成当前网络问题的根本原因是TCP/IP网络体系设计本身的缺陷,IPv6仅仅是IPv4的延续和改进,无法从根本上解决网络中存在的问题,因此需要构建全新的网络体系结构。在设计中充分考虑现有IP网存在的基因性缺陷,以期彻底解决当前网络存在的问题。
  革命性技术路线不是凭空想象的“闭门造车”,而是从坚实的现有技术基础起步,以未来网络为实现领域进行探索性研究。当前全球基于“Clean Slate”理念的研究项目有很多,具有代表意义的包括美国的CCN[10]、NDN[11]和斯坦福大学的Clean-Slate项目[12]等等,这些项目都取得了不少阶段性成果。
  3.3 网络计算
  网络计算是将分布在网络上的计算机、软件、信息、知识等数据资源和计算资源组织成一个逻辑整体,将整个网络虚拟化为一台计算能力超强、资源接近无限的超级计算设备。随着未来网络的发展,信息处理方式也已步入网络计算的时代。
  网络计算主要有四种典型形式:网格计算、对等计算、企业计算、和普适计算。其中网格计算与对等计算是网络计算研发的主要方向。当前发展较为成熟的是基于网格计算思想的“云计算”技术。
  云计算网络[13]是在数据中心的基础上建立起来的,网络核心可以智能地进行网络资源配置,把用户提交的计算处理任务拆分成若干较小的服务,分配给网络中的海量计算机进行运算,最后将结果收集整合,返回给用户。对用户而言,云计算模式隐藏了基础设施的复杂情况。与传统的多机系统相比,云计算模式弱化了地理因素的限制,拥有更强大的超级计算能力。
  当前云计算领域主要研究内容包括计算资源调度算法、虚拟化技术、云平台安全技术等[14]。在世界云计算商用领域,Google云在全球已拥有100多万台高性能服务器;Amazon、IBM、Microsoft、Yahoo也各自拥有几十万台服务器。与国外同期发展情况相比,国内云计算发展规模相对较小,在功能与安全性方面尚有改进之处。
  3.4 数据中心
  维基百科对数据中心给出的定义是:“数据中心是一整套复杂的设施,它不仅包括计算机系统和其它与之配套的设备(例如通信和存储系统),还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置”。数据中心主要经历了四个发展阶段:20世纪60年代出现的以主机为核心的微型数据中心、70年代后以广域网,局域网系统为核心的小型数据中心、90年代开始形成的以互联网为核心的Internet数据中心、以及2007年至今发展起来的“现代数据中心”[15]。
  现代数据中心是虚拟化技术和互联网结合的产物,通常由至少上万台超级服务器主机按某种拓扑结构连接而成,采用先进的虚拟化网络分配技术、大容量数据存储技术和任务分配调度算法,通过因特网为用户提供高性能的大数据处理服务。目前,全球数据中心总量大约为350万个,主要集中分布在美国、欧洲、日本和中国等地区。
  现阶段关于数据中心网络的研究以虚拟化、数据中心运行效率、新型网络拓扑结构和数据中心网络节能方法为主。虚拟化领域主要研究成果包括软件定义数据中心、“OpenFlow”网络交换模型[16],提出了动态数据中心网络流量调度模型[17]、模块化数据中心[18]等方法以改进数据中心的运行与管理效率,代表性的数据中心网络结构有Fat-Tree、BCube、DCell、Monsoon、VL2、雪花结构模型[19-20]等。网络节能方向主要是提出通过调节设备状态节能[21]、改进虚拟机和任务调度算法节能[22-23]等等。根据当前国内外研究进展,在未来一段时期内,新型网络结构、数据中心网络协议、虚拟化地址配置方法、整体节能方案等将是数据中心网络可预见的研究重点[24]。
  3.5 网络安全与故障诊断
  在未来网络新技术发展的同时,安全问题也不容忽视。传统的反病毒模式已逐渐不能满足新型网络发展的安全需求,应运而生的是云安全(Cloud Security)技术。
  云安全的思想[25]是将计算机用户与负责安全保护的服务商技术平台联系起来,组成一个大型查杀网络。与传统的反病毒技术相比,云安全技术具有明显的优势:一方面,云中病毒样本是在全网用户中收集的,它比传统病毒库更全面;另一方面,云安全技术将病毒查杀工作主要放在服务端,节省了计算机用户本地的资源耗费,提高了查杀病毒的能力和效率。
  当前对于未来网络安全方面的研究还包括未来网络核心系统的安全性、新型防火墙设备、身份识别、访问控制机制、认证与授权机制、传送安全机制等等。
  在网络防御策略、病毒查杀手段层出不穷之余,对由于各种原因出现故障的网络系统进行故障诊断的技术也在同步发展。国外研究者在传统多机系统故障诊断方法的基础上,提出了分层自适应分布式诊断模型、基于比较的诊断策略、超立方体诊断模型和利用遗传算法、人工免疫算法等进行故障诊断[26-31]。笔者在[32-34]等文中也研究了系统级故障诊断的相关问题,提出对PMC等几种常见故障模型进行方程诊断的新型算法。系统级故障诊断的许多思想和方法可用于未来网络系统的故障识别与诊断。
  4 未来网络的发展前景
  未来网络究竟会发展成什么样?我们可以根据现有的研发情况及相关统计资料,预测未来网络的发展前景。
  4.1 未来网络的规模将更大
  截至2012年,全球的互联网用户总数已经达到24亿。美国国家科学基金会预测,随着未来网络技术的进步,网络范围的广泛覆盖,接入网络成本的降低,2020年之前,全球的网络用户数量将达到50亿。由此带来的是未来网络规模的急剧扩大。
  4.2 未来网络将更开放   未来网络的开放有两层含义:第一,未来网络的接口是开放的,各类异构终端设备都支持在统一的接入标准下,经由通用的外部接口接入未来网络;第二,未来网络的网络资源是共享的[35],用户能够方便地在全网找到需要的公开信息与文档,现存的信息资源缺乏、信息不对等的问题将逐渐消失。
  4.3 大数据时代的到来
  越来越多的有价值数据将在未来网络中存储并传递,网络数据量的激增使全球网络逐渐进入“大数据”时代。大数据将以PB、EB甚至ZB为计量单位,对大数据的分析和使用往往需要在极短的时间内完成,甚至实时使用。IBM的研究报告指出:在整个人类文明所获得的全部数据中,90%是在过去两年内产生的,预计到2020年,全球网络数据规模将达到现在的44倍。
  4.4 网络高速化与移动化
  高速化的含义有两点:一是网络设备运行速度的高速化,即未来网络应当拥有更大的传输带宽、更精简的路由表及更快的网络分包传输机制;二是网络服务的高速化,对于高计算强度、大数据的网络业务,借助庞大的云系统,在服务质量机制(QoS)保证下可以快速完成。高速化是大数据趋势的技术基础。
  移动化是指未来网络可以摆脱地理位置与环境条件的束缚,各类终端几乎在任何地点、任何时间都可以接入网络。高质量的无线接入与卫星通信技术将在未来网络中得到广泛的运用。现已研发出的HSPA、WiMax、LTE、AIE等新型移动接入技术都促进了网络移动性的发展。
  4.5 未来网络将更加开源
  种种迹象表明,技术开源化是当今网络发展的一个大趋势,越来越多的技术联盟及非营利组织支持向大众公开核心与非核心的一切相关技术。开源的网络产品有初创成本低、用户可参与产品的维护与修改、bug可以被及时发现与修复、产品质量更可靠等优点。在未来网络时代,服务提供商间的竞争将更加激烈,开源网络服务的透明与安全性会吸引更多的用户,开发风险低与市场适应能力强促使网络服务商提供开源化的产品和技术服务。
  5 未来网络研发过程中应当注意的问题
  未来网络当前的研发势头迅猛,根据以往网络发展的经验教训,我们指出一些在技术创新时应注意的问题,并提出相应的建议。
  安全性问题:在未来网络云平台创建初期,由于理论尚不健全,技术刚刚起步,难免存在漏洞或缺陷,给网络黑客创造了可乘之机。当前云平台主要面临的安全难题是如何在虚拟化技术中实施安全隔离和安全监控。云平台应当建立有效的流量监控机制、防火墙隔离制度与全平台网络防御机制,对平台中主干线路和局部块域予以实时监控和管理,同时应当有破坏恢复与隔离机制,减少网络攻击与局部故障发生后可能引发的全局性反应。
  网络节能问题[36]:当前网络设备生产商研究的重点大多是大容量、高运行速度的网络设备开发、高传输速率的通信载体构建等等。然而,更高速的网络设备服务往往意味着更大的运行功率,运行功率又与耗电量正相关。截至目前,互联网耗电量约占全球总电量的5.14%。显然,仅仅为了节能而拒绝开发新技术是因噎废食,但在提高未来网络的服务效率同时,重视节能设备的开发、采用恰当的网络布局规划、研究高效的网络寻址分包算法、精简网络的整体架构也不失是一条节能的可行之路。
  商业模型问题:各研究力量在投入资源对未来网络进行深入研究的同时,良好商业模型的同步构建也应当予以足够的重视。回顾TCP/IP协议体系结构在全球范围内的形成过程[37],1977年,国际标准化组织开始对全球通用的网络标准框架进行研究,形成了OSI/RM七层协议体系结构雏形,90年代初,全套的OSI/RM国际标准都已制定完成。然而,由于OSI标准没有足够的商业驱动力,加之网络设备商对TCP/IP体系的默认,采用TCP/IP协议的因特网已经在事实上覆盖了全世界,最终,耗费巨大科研力量产生的OSI/RM结构体系仅仅是一整套“完美而庞大”的理论。在其它行业的标准制定中,专家与科研机构往往占据了绝对的话语权和决定权,而在计算机网络这一技术发展迅速、可以创造巨大商业价值的领域,具有强劲市场背景的国际大型IT公司在“事实”标准化方面的影响力亦不可小觑。因此,任何优秀可行的未来网络规划理念都必须找到合适的商业模型作为推广基础,以免重蹈OSI/RM的覆辙。
  6 结束语
  近年来,世界范围内关于未来网络的研究正在广泛开展,在未来网络架构、网络提速、网络性能、物联网、数据中心、云计算、网络查杀、故障诊断理论与技术创新等方面取得了不少重大成果;于此同时,未来网络的安全管理、绿色节能和商业推广模式问题也不应被忽视。只要继续加大研究力度,在现有研究成果的基础上继续推进,增进全球范围内的交流与合作,相信未来网络的宏伟规划必将早日实现,为全球网络体系带来一个划时代的技术飞跃。