下一代网络体系结构

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摘 要：该文首先介绍了互联网体系结构的发展历程和现状,其次对下一代互联网体系结构的研究方向进行了阐述和比较.最后提出基于网络使用模型这一方式来进行互联网体系结构的设计,并给出了模型和要求,得出IPv6可能是下一代互联网体系结构的核心.

关 键 词：网络体系结构；OSI；TCP/IP；IPv6；网络使用模型

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）12-2785-03

1网络体系结构发展及现状

第一个网络体系结构是IBM在1974年提出的SNA（SystemNetworkArchitecture）,包括大型计算机系统（主机）、中型计算机系统、3270终端和台式计算机.

第二个网络体系结构是DEC公司在1975年推出的DNA（DigitalNetworkArchitecture）,其结构包括面向用户功能层、面向网络功能层和面向通信功能层.

第三个是国际标准化组织在1980年推出的开放系统互连参考模型OSI/RM（ReferenceModelofOpenSystemInterconnection）,它是一个定义异种计算机连接标准的框架结构.

第四个是1983年作为因特网上所有主机间共同协议的TCP/IP协议（Tranission-ControlProtocol/InterProtocol）.

上述网络体系结构的对应关系如表1所示：

表1网络体系对应关系

[层数＼&OSI/RM＼&SNA＼&DNA＼&TCP/IP＼&第7层＼&应用层＼&事务服务层＼&网络应用层＼&应用层＼&第6层＼&表示层＼&网络可寻址部件服务层＼&第5层＼&会话层＼&数据流控制和传输控制层＼&会话控制层＼&第4层＼&传输层＼&端点通信层＼&传输层＼&第3层＼&网络层＼&路径控制层＼&路由层＼&网际层＼&第2层＼&数据链路层＼&数据链路控制和物理控制层＼&数据链路层＼&网络接口层＼&第1层＼&物理层＼&物理链路层＼&]

上表显示,各种网络体系结构均采用了分层原则,体系结构为“分层+协议+接口服务”.设计原则也有很多相同之处,包括端到端原则、对等通信原则等.因此,互联网体系结构的核心机制和设计原则是可以继续保留的,它是网络目标和实现的基础.

随着新技术的不断出现、各种应用的开展和用户规模及需求的不断发展,互联网体系结构日渐臃肿的体态开始凸现其缺陷,主要包括IP地址少、QoS能力弱、安全管理难和服务差等问题,这些问题都制约着互联网的进一步发展.

2一代网络体系结构比较

针对互联网体系结构存在的弊端,学者提出了许多研究方向,主要包括两类：革命式和改良式.革命式的本质就是废旧立新,抛开现有的体系结构重新设计,从根本上解决目前体系结构所存在的问题.改良式的思路就是针对现有互联网体系结构存在的不足或缺陷进行增量式修补,以减少或消除这些问题.两者各有利弊,下面就针对目前这两类主要方向的研究项目进行简要阐述.

改良式LISP（Location-IDSeparationProtocol）,即名址分离网络协议,其目标是缓解、抑制路由表的膨胀,解决路由的可扩展问题.关键研究内容是基于路由的身份位置分离技术,具备增量部署和可扩展性特点.

改良式CDN（ContentDeliveryNetwork）,即内容分发网络,其基本思想是尽可能避开互联网上有可能影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节,是内容传输的更快、更稳定.目标是解决互联网信息传输性能、访问质量问题.关键研究内容是请求重定向技术、内容路由、内容分发、内容存储、内容管理和负载均衡技术,具备增量部署和可扩展性.

改良式MobileIP,主要目标是解决移动设备的通信持续问题.关键研究内容是地址绑定技术、隧道技术和路由优化技术等,具备增量部署、可扩展性和移动性.

改良式IPsec（InterProtocolSecurity）,主要目标是解决互联网通信的人证、通信数据私密性和完整性等安全问题.关键研究内容是加密技术,具备增量部署和安全性.

革命式NewArch,其目标是为未来的10到20年开发和评价一种加强的Inter体系结构.关键研究内容是身份位置分离技术、基于角色而非协议的体系结构构造、显示拥塞控制机制、分区机制、支持源路由选择的路由体系结构,具备可扩展性.

革命式GENI（GlobalEnvironmentforNetworkingInnovations）,全称用于网络革新的全球环境,其目标是为未来互联网的研究、开发和部署提供一个通用的大规模试验环境.关键研究内容是可编程技术、分片及虚拟化技术,具备可扩展性和安全性.

革命式FIND（FutureInterDesign）,即未来互联网设计,目标是构造可融合多种网络环境和应用服务需求的互联网.关键研究内容是虚拟化技术、智能感知网络、用户控制的路由技术等,具备可扩展性、移动性和安全性.

革命式NDN（NamedDataNetworking）,目标是构造基于名字的全新互联网体系结构.关键研究内容是基于名字的路由、转发等技术,具备移动性.

革命式MobilityFirst,目标是支持移动通信的未来互联网体系结构.关键研究内容是全局名字解析及路由服务、通用的容迟网络路有协议、逐跳传输技术等,具备可扩展性、移动性和安全性.

革命式NEBULA,目标是建立一个更具安全性的基于云的新一代互联网体系结构.关键研究内容是网络虚拟化技术、加密技术和容错路由路径,具备可扩展性、移动性和安全性.综上所述,革命式研究项目在性能方面更具优势,但这仅仅是在试验网络范围内取得的成绩.而在现实社会中,在兼容现有终端、设备、应用以及保护当前投资上存在较大偏差；而改良式研究项目在各自的关注点上取得了一定的成功,造成的结果是现有互联网体系结构越发臃肿.

3一代网络使用模型及设计要求

下一代互联网体系结构采用何种方式更加合理,该文认为在商业环境中即经济可行性基础上主要是由用户的需求来决定.在市场法则中,用户需求决定市场行为.在用户需求得到满足的市场行为中,存在6个因素,分别为用户规模及分类、需求的获取方式、需求的种类、需求满足的程度、供应商和客户管理.

下一代网络体系结构的设计就是要综合考虑这6个因素,而不单单是考虑解决目前网络体系结构存在的问题.为此,需要对用户未来的市场行为（网络行为）进行假设和推导.

3.1下一代网络使用模型

假设1用户规模将越来越大,分类越来越细.

根据国际电信联盟的统计在2000年至2010年间,全球网民数量已从2.5亿发展到20.8亿.发达国家的网民已超过70%,而非洲和亚洲只有13.5%和26.2%.由此可见,用户规模将会越来越大.从网上商城启用数据发掘功能不难看出,用户的分类将逐渐细化.

假设2需求的获取工具将以无线移动设备为主要类型.

根据国际电信联盟的数据,在2012年9月,全球移动互联网用户数已达15亿.而在2007年和2011年,这一数字分别为2.68亿和11亿.在2011年1月,全球手机总数就已经高达50亿,这使得移动互联网用户增长速度远远高于桌面互联网用户,且依然在加速.2009年初,移动流量在互联网总流量中只占1%,在2012年9月已经达到12%.

假设3需求的获取方式将采用“普通终端+云计算服务模式”.

普通终端因无较强的处理性能要求和存储能力要求,在设计和实现上较为简单,经济性也更强.云计算服务平台的不断推出,如软件即服务中的MicrosoftCRM和Saleorce.、平台即服务中的GoogleAPPEngine、基础架构及服务中的AmazonAWS,也包括国内的百度网盘、360云杀毒等.

假设4需求的种类将是用户自行的日常生活中的各种行为.

现在的网络体系结构其目标主要是信息获取,网络行为主要包括网页浏览、即时通讯、、在线视频、网上购物等.而随着物联网概念的提出和发展,用户体验将成为网络发展的重要因素.如在中国电信物联网农业项目中,用户可以通过远程实时了解植物的生长状态；在车辆定位方面,通过GPS技术定位车辆的运行轨迹和实时位置.满足感和成就感是用户行为的重要原因,而参与体验比信息获取在这一方面将更加强烈.

假设5需求的满足程度将是简单、实时、流畅和安全.

网络用户规模和数量的增大,必然导致用户综合素质的差异化,如受教育程度、专业方向等,这就使得入网方式要人尽可用,无门槛限制.从移动互联网网民的增长数度可以分析出,用户在网络使用过程中对实时性的需求.流畅是确保用户在线视频、数据传输等的基本要求.用户网络行为具有隐私性、保密性和重要性等特点,就像人们在说悄悄话的时候不希望被第三者听见一样,这就要求该过程有足够的安全性.

假设6供应商将呈现保姆式的服务.

在日常生活品的购买中,人们不会关心沃尔玛的进货渠道,不会关心其商品的布置、存放,不会关心其年利润的多少等,人们只关心商品的有无和价格.同样地,用户在入网后只告知其目的和代价,而不会关心服务提供者的实现技术、ISP的组网方式、数据转发等.

假设7客户将采用唯一性标识进行管理.

目前,国内已要求进行实名制上网,在网吧、游戏服务提供商和网上支付等均已强制推行.通过唯一性标识能对网络行为进行追本溯源,确保网络安全和服务质量.

综上所述,未来互联网使用模型将是“一大群唯一标识管理的用户以极其简单的方式通过移动式普通终端从各种云计算供应商中获取的实时、流畅和安全的服务”.

3.2下一代网络体系结构设计要求

为了实现下一代互联网网络使用模型的目标,网络体系结构应考虑如下设计要求：

1）地址空间.下一代互联网地址空间应能满足日益增长的用户数和终端数,特别是物联网的使用需求.

2）终端类型.下一代互联网应能支持各种电子类设备,并消除或屏蔽这些设备之间的差异性.同时,应充分考虑无线移动终端的特点,采用或设计一种先进的技术,实现“随处可用、随时可用”的要求,并确保其连续性.

3）使用简单.下一代互联网在使用方面应更加简单快捷,减少用户操作,降低网络存在感.

4）网络性能.下一代互联网应在端到端之间提供足够大的传输性能,以提高用户体验的流畅度,为新应用的开展提供条件.同时,应满足云计算服务平台中软硬件资源的组织和管理需求.

5）用户体验.下一代互联网应充分考虑用户体验的需求和方式,设计一种简单的结构来丰富用户体验应用.

6）网络管理.下一代互联网应从结构上进行设计,提供相应的管理手段,实现网络、应用的管理需求,从而提高供应商的服务能力.

7）用户管理.下一代互联网应提供用户管理元素,方便组织和实施用户的入网管理,进行用户有效区分,提高网络安全和服务质量.

3.3下一代网络体系结构—IPv6

从互联网的发展历史来看,当前互联网的核心机制和设计原则仍然具有旺盛的生命力（如层次化划分、端到端）,若采用IPv6协议基本上能满足下一代网络体系结构的设计要求.

从研究现状和试用范围来说,IPv6是范围最广、涉众最多的.

从建设方式和经济投入而言,现有的研究成果已经能解决IPv4和IPv6互访问题,所以IPv6可以实现逐步建设、逐步升级.而利用设备本身的更新换代进行升级,经济投入将更加合理.

综上而言,该文认为IPv6将是下一代网络体系结构的核心.

4结束语

本文通过互联网体系结构的发展历程推断出其核心机制和设计原则需要进行保留,随后从增量部署、可扩展性、移动性和安全性4个方面对下一代互联网体系结构的研究项目进行了阐述和分析.最后根据市场规律认为下一代互联网体系结构的研究方向是由用户需求来决定,而非是现有网络体系结构存在&

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