智慧标识网络的未来互联网体系

张宏科，黄道超

（北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室 北京100044）

1 引言

随着科学技术的发展，信息已经成为当今社会向前发展的巨大推动力，互联网作为信息的一个成功载体，已经渗透到包括政治、经济、文化、教育、卫生等人类社会生活的方方面面，成为人们日常生活不可缺少的一部分。然而，现有互联网是在20世纪70年代设计的，其原始设计思想在互联网突飞猛进的发展过程中逐渐暴露出诸多缺陷与不足。

第一，现有信息网络基本是在一种网络支撑一种主要服务的原创模式下融合发展演进的：电信网主要面向话音业务设计，不能适应宽带流媒体业务的需要；互联网主要支持数据业务，随着网络用户和应用的不断增加，互联网的服务质量、可信性、移动性等问题已经凸显出来。而现有信息网络及演进方案受原创模式设计思想的限制，无法从本质上满足当前乃至未来服务多元化的要求。互联网当初是面向数据业务传输设计的，它的拓扑结构是具有幂律结构的无标度网络，正是这种无标度的幂律结构拓扑导致互联网对恶意攻击的抵御能力十分脆弱。

第二，现有互联网主要采用“三重绑定模型”的原始设计思想，其工作模式相对“静态”和“僵化”，导致诸多难以解决的问题。如“资源和位置绑定”导致现有互联网难以实现全网规模的云计算；“控制和数据绑定”难以实现网络的节能；“身份与位置绑定”难以有效解决网络的可扩展性、移动性和安全性问题。再如传统互联网在智能、感知、认知、动态等智慧化机制方面的支持能力严重不足，当用户或者网络行为发生变化时，网络难以感知并实现资源动态适配，造成网络资源分配不合理、利用率低、能耗大。同时，互联网当初是面向数据业务传输设计的，是具有幂律结构的无标度网络，正是这种无标度的幂律结构拓扑导致互联网对恶意攻击的抵御能力十分脆弱，安全性差。

正是由于现有互联网体系与机理存在各种严重弊端，难以满足未来信息网络演进和发展的需求，突破原有互联网的局限性，设计全新的未来网络体系与机制，原创性、系统性地创建未来智慧网络体系理论，在有效解决网络可扩展性、移动性、安全性等问题的基础上，使网络更高效、更优化、更节能等，显著提升用户体验，已经成为当前国内外信息领域迫切需要解决的焦点问题。

2 相关工作

为了突破现有互联网原创模式的局限，探索并实现未来智慧型互联网，抢占未来信息网络领域的制高点，世界各国近年来相继开展了未来信息网络体系理论的相关研究。

2005年8月，美国自然科学基金（National Science Foundation,NSF）委员会启动了全球网络创新环境（global environment for network innovations，GENI）计划[1]。GENI引入了切片化、虚拟化和可编程的设计思想，其目标是发现和评估可以作为21世纪互联网基础的新的革命性概念、示范和技术，建立一个用于研究未来互联网体系结构、服务和过渡的实验环境。目前，GENI正致力于探索研究平台的第3个阶段：确定GENI的技术和操作计划。然而，GENI计划的目的仅是构建一个网络试验环境，缺乏对新一代信息网络体系架构及关键理论与技术的全面性和系统性研究。

2006年，美国NSF启动了未来互联网设计（future internet design，FIND）计划[2]。2008年，FIND资助了50多个课题，分别从安全性、可靠性、可管理性、新的无线传感网络和光纤网络以及网络体系结构理论等多个方面，对未来互联网的设计开展了相关研究。然而，FIND计划资助的课题大多是探讨未来互联网应该满足的特征以及从技术上如何实现这些特征，而没有提出完整的未来互联网的体系架构。

2008年欧盟启动了FIRE（future internet research and experimentation）计划[3]，对未来互联网络架构和服务机制进行研究，并建立相应的测试平台。FIRE计划资助的科研项目大部分跟未来互联网体系结构相关。比如：PARADISO（a societal paradigm shift）[4]侧重研究人、自然与环境可持续发展对未来互联网的需求，ECODE（experimental cognitive distributed engine）[5]侧重研究和部署认知路由系统，NanoDataCenters[6]对未来互联网的数据中心和数据交互方式进行研究，Self-NET（self-management of cognitive future internet element）[7]侧重设计和验证未来互联网络中的自我认知管理机制，4WARD（architecture and design for the future internet）项目[8]和PSIRP（publish-subscribe internet routing paradigm）项目[9]侧重研究未来互联网中内容的命名与分发方式。

2010年8月，美 国NSF发 布 了FIA（future internet architecture）计划，作为FIND研究计划的延续。FIA计划资助了NDN（named data networking）[10]、MobilityFirst[11]、NEBULA[12]、XIA（expressive internet architecture）[13]4个重大项目。

NDN[10]最初在2009年由Van Jacobson提出并被命名为CCN（content-centric networking）[14]，2010年Lixia Zhang等进一步完善，改名为NDN。NDN将关注的重点从现有网络的“在哪里”转移到“是什么”，即用户和应用关注的内容，探索以内容/服务为中心的网络体系架构，并在沙漏模型的细腰处采用内容名字。然而，其路由完全依赖于内容名字，带来了较严重的路由可扩展性问题，并且NDN的数据传输效率甚至不如传统TCP的传输效率[14]。

MobilityFirst[11]从支持普遍移动性的目标出发，指出未来网络架构应包含有全球名字解析和时延容忍路由系统、自验证公钥地址、环境与位置感知服务、统一的网络服务管理平台等功能元素，以满足未来海量移动设备的通信需求。MobilityFirst主要从对移动性的支持角度，探索未来网络架构应具有的特征，并没有完整地提出未来网络架构的实现方法。

NEBULA[12]提出将网络中的数据中心互联，组建成能够提供可靠、高速服务的核心数据网络（即“云”），并在其内部支持多路径传输机制、策略安全路由机制等，创建一个以云计算为中心的未来网络架构。然而，NEBULA重点研究如何在现有互联网的基础上支持云计算，缺乏对数据内容的独立命名，没有为未来网络架构提出比较详细的体系结构以及解决办法。

XIA[13]提出一种支持主机、内容和服务等主体间间接通信的新型网络架构，3种主体通过一种可自验证的广义标识符进行通信，具有良好的安全性和互操作性。然而，XIA侧重于研究未来网络中的主机、内容和服务等主体间的通信模型，而并没有讨论如何实现未来网络中资源的动态适配等问题。

此外，2006年5月，日本启动了AKARI（a small light in the dark pointing to the future，黑暗中的一丝光明）计划[15]，目标是在2015年之前研究出一个全新的网络架构，并完成基于此网络架构的新一代网络的设计。AKARI计划致力于下一代网络架构和核心技术，在2010年完成体系结构的设计，并从2011年开始第二阶段的建设试验床工作。然而，AKARI计划侧重于物理以及网络层面协议和机制的研究，几乎没有涉及智慧服务与网络。2008年，韩国也设立了未来互联网论坛（future internet forum，FIF）[16]，以针对未来互联网的关键技术开展研究。然而迄今尚未看到韩国科学家提出的未来互联网体系架构的报道。2008年10月，德国也启动了G-Lab（German-Lab）计划[17]，集合了德国32个顶尖的研究和实验机构，研究未来互联网的新应用以及相应的新技术。同时，G-Lab计划构建了一个包含170多个有线、无线节点的实验网络，以验证所提出新技术的可行性和有效性。目前，尚未见G-Lab计划提出完整的未来互联网体系架构。

国外学术界近年来也纷纷撰写论文，阐述发展未来互联网体系理论的重要性。比较典型的，如2007年Koponen等人重新设计了Internet的命名和解决方法，提出一种数据导向的网络架构思想，保障服务和数据接入的持续性、可用性和真实性[18]；2009年Van Jacobson等人提出以内容为中心的网络架构，通过对网络中的内容进行直接命名和路由寻址，使网络实现了从关注内容的位置到内容本身的转移[14]；2011年，Wei Koong Chai等人设计了支持服务泛在解析和传输的未来互联网架构，旨在有效解决网络中多媒体数据的有效散播问题[19]；同年，Jianli Pan等人指出，在现有网络架构基础上进行优化，难以彻底解决网络安全性、移动性和内容分发等问题，建议重新设计全新的未来互联网架构[20]；John Chuang等人则提出在网络架构设计之初就应充分考虑“竞争性”，如该架构允许不同的消费者按照自身意愿选择不同的服务提供商，支持用户导向型路由机制等[21]；Sasitharan Balasubramaniam等人提出了利用生物学中生态系统理论，指导未来网络架构设计的思想，以改善网络的顽健性、自适应性和可进化性等[22]；Bengt Ahlgren等人则提出未来网络架构将必然包含3个方面的内容：以信息为中心的网络、云计算网络和开放连通性的服务，认为以上三者的集成将最终形成未来网络的架构[23]。

就国内发展趋势而言，国家也非常重视对未来信息网络体系结构和关键理论及技术的研究。“十一五”期间，国家对新一代信息网络基础理论研究进行了重点支持。2006年，国家“973”计划启动了“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”项目[24～28]，进行未来信息网络体系结构的基础研究。2007年，国家“973”计划资助了“可测可控可管的IP网的基础研究”项目，主要针对现有IP网的可测、可控、可管性开展研究。2008年国家“973”计划资助了“新一代互联网体系结构和协议基础研究”项目，研究新一代互联网体系结构与协议。国家“863”计划信息技术领域2008年度专题课题资助了目标导向类课题“身份与位置分离的新型路由关键技术与实验系统”[29],研究身份与位置标识分离的新型路由寻址体系结构及解决方案。2010年11月，国家“863”计划信息技术领域启动了“三网融合演进技术与系统研究”重大项目[30]，将“面向三网融合的创新网络体系结构”列为重要研究内容。2011年度国家“973”计划支持了“面向服务的未来互联网体系结构与机制研究”和“可重构信息通信基础网络体系研究”两个项目。前者以面向服务为核心设计理念，以服务标识作为沙漏模型的细腰，并以服务标识驱动路由和数据传输，在体系结构和核心机理层面进行针对性研究；后者侧重于构建一个功能可动态重构和扩展的基础物理网络，为不同业务构建满足其根本需求的逻辑承载网，以解决目前IP网络层的功能瓶颈。2012年2月发布的“973”计划项目申请指南将“智能协同网络理论研究”列为重要支持方向[31]。

这些项目的开展，为我国信息网络领域培养了一批顶尖科学家和优秀的科研人才，并且提高了我国信息网络领域在世界范围内的影响力，为我国开展未来信息网络体系理论的研究提供了良好的技术基础。特别地，北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室在前期“973”计划项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”的资助下，创造性地将网络划分为“普适服务层”和“交换路由层”，提出并设计了“4种标识”和“3种映射”的未来互联网新体系机理与架构，改进了互联网的网络设施安全性、移动性、路由表可扩展性以及可控可管性，提升了服务迁移、服务可靠接入、普适服务等能力。该项目实现了完整的原型系统并得到了推广应用，在IEEE Transactions等国际顶级期刊上发表多篇论文[32～41]。在教育部2009年12月组织的科技成果鉴定中，鉴定委员会一致认为：“该项目在未来信息网络体系、理论及技术等核心研究领域取得了重大突破性进展。在网络体系架构、标识解析映射机制等方面有重大创新，具有国际先进水平。”在2011年11月，科技部组织的国家“973”计划项目验收中，该项目结题评价为优秀。

综上所述，现有网络已经不能很好地满足当今应用的需求，阻碍着网络的进一步发展，重新审视网络体系结构，甚至考虑革命性的变革已经成为世界各国政府和信息领域研究者们的共识。

图1 一体化标识网络新型体系结构模型

图2 一体化可信网络的体系结构模型

3 智慧标识网络的未来互联网体系

3.1 一体化标识网络体系架构

传统信息网络的原创模式基本是一种网络支持一种主要服务，如互联网主要面向数据业务设计，难以保证实时业务及服务质量，电信网主要面向话音业务设计，很难适应宽带流媒体数据业务的需要。现有信息网络的这种原创模式在理论与技术上存在着严重的先天缺陷，导致它们基本上都只能支持一种主要业务，难以对其他业务提供良好的支持。

在充分分析了现有信息网络存在的不足以及未来信息网络演进的可能趋势的基础上，北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室依托国家“973”计划“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”项目，提出的一体化网络原创模式如图1所示。该原创模式的总思路可归纳为：“4种标识，3类映射”，实现了在同一种网络下支持各种不同服务的一体化网络设计模式，并提出了一个全新网络的两层体系结构模型——一体化可信网络与普适服务新型体系结构模型。该模型包括“网通层”和“服务层”两个层次。

其中，网通层主要包括虚拟接入子层、虚拟骨干子层以及接入标识解析映射（如图2所示），其核心理论是一体化网络接入标识与交换路由标识分离聚合映射理论。虚拟接入子层引入接入标识ID的概念和机制，实现各种固定、移动、传感网络等的统一接入；虚拟骨干子层为各种接入网络提供交换路由标识ID，用于核心网络上的广义交换路由和寻路；接入标识解析映射将多个交换路由标识ID映射到多个连接标识ID。

接入标识解析映射定义如下：

其中，zM（n）RID表示网络中的交换路由标识，M表示某次选路，RID表示交换路由标识ID；xMN（n）AID表示端系统的接入标识，M表示交换路由标识下标，N表示接入位置，AID表示接入标识ID；Ω(·)是一对多的映射函数，完成一个交换路由标识ID到多个接入标识ID的映射；其逆映射Ω-1(·)将不同的接入标识ID映射回交换路由标识ID。

作为网通层支撑理论的接入标识与交换路由标识分离聚合映射理论，其主要作用可归结如下。

（1）实现了多元化接入与终端的统一接入

使得网通层实现了多元化接入网络与终端（如互联网中的固定网络、移动网络和传感网络等，电信网中的各种接入网络和终端等）的统一接入，克服了传统互联网和电信网的接入网络单一的问题，拓展了网络服务的范围。

（2）保证用户的隐私性和安全性

各种接入网络的接入标识代表它们的身份，而交换路由标识仅用于核心网络进行路由交换。接入标识和交换路由标识分离后，代表用户身份的接入标识不会在核心网络上传播，使得其他用户不可能通过截获核心网络的信息分析用户的身份，保证了用户的隐私性；也不可能通过用户的身份截获他们的信息，保证了用户信息的安全性。

（3）保证了网络的可控可管性

各种接入网络在申请接入标识时，网络管理者根据用户的签约信息，对各种接入网络进行接入控制和鉴权，鉴权的结果决定是否接受用户连接请求，同时决定为用户提供的服务质量水平。

（4）保证了各种接入网络及用户的移动性和传感性

各种接入网络在移动到其他位置之后，仅其接入标识需要发生变化，代表核心网络连接的交换路由标识不需要发生变化，只需要改变交换路由标识和接入标识的映射关系。这样，核心网络上的用户连接不需要中断，就可以保证用户继续接受各种服务。

服务层包括虚拟服务子层、虚拟连接子层以及服务标识解析映射、连接标识解析映射。在服务层需要建立普适服务理论模型，探索与解决一体化网络下服务的映射、匹配/选择、组合/分解、执行过程中一系列基础理论、方法与关键技术问题，着重解决为个性化用户提供多元化服务，即实现服务普适化。一体化网络下普适服务的服务层模型，如图3所示。

这里，服务标识映射将虚拟服务子层和虚拟连接子层的工作联系起来，完成服务对象标识到多个连接标识的映射，实现通信设备间的普适服务连接，映射定义如下：

图3 一体化网络的服务层模型

其中，zN（n）SID表示一种服务，N表示服务种类，SID是服务标识；（zNM（n）CID，zNM（n）CNo）表示在服务下映射出的某一连接，M种连接类型选择，CID是连接标识，zNM（n）CNo表示某一连接的连接号，用于区分每种连接中的某个连接号，CNo表示连接号数；Φ(·)是服务标识解析映射的函数。从式（2）可知，Φ(·)是一对多的映射函数，完成一个服务到多个连接的映射；其逆映射Φ-1(·)完成将连接子层收到的多个连接向一个服务的映射。

3.2 未来智慧协同网络体系架构

现有信息网络的原创模式是相对“静态”和“僵化”的，如网络不能自动感知服务（业务）的需求变化，网络资源无法按照需求动态适配等，无法满足未来网络“高速”、“海量”、“泛在”、“绿色”的通信需求。要从根本上解决现有信息网络原始设计的严重弊端，必须在一体化标识网络的基础上，进一步创建全新的未来智慧型网络体系与机制，建立相应的基础理论体系。为此，北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室在前期“973”计划项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”成果的基础上，依托国家“973”计划项目“未来智慧协同网络理论基础研究”项目，深入研究和探索支持智慧（智能、感知、认知、动态等）服务与网络的未来网络体系基础理论，提出资源动态适配的未来智慧协同网络体系结构模型，提出了资源动态适配的未来智慧协同网络“三层”、“两域”总体系架构模型（如图4所示）。“三层”，即智慧服务层、资源适配层和网络组件层；“两域”，即实体域和行为域。

图4中，智慧服务层主要负责服务的标识和描述以及服务的智慧查找与动态匹配等；资源适配层通过感知服务需求与网络状态，动态地适配网络资源并构建网络族群，以充分满足服务需求，进而提升用户体验，并提高网络资源利用率；网络组件层主要负责数据的存储与传输以及网络组件的行为感知与聚类等。该体系3层结构之间的智慧映射函数分别为F1、F2和F3，如图5所示，分别完成服务需求到族群的选择、族群内网络组件与服务需求的匹配以及网络组件的行为聚类功能。实体域使用服务标识（service ID,SID）标记一次智慧服务，实现服务的资源和位置分离；使用族群标识（family ID,FID）标记一个族群功能模块，使用组件标识（node ID,NID）标记一个网络组件设备，实现网络的控制和数据分离及身份与位置分离；行为域使用服务行为描述（service behavior description，SBD）、族群行为描述（family behavior description，FBD）和 组 件 行 为 描 述（node behavior description，NBD），分别描述实体域中服务标识、族群标识和组件标识的行为特征。

图4 “三层”、“两域”总体系架构模型

图5 未来智慧协同网络体系模型

智慧协同网络体系通过动态感知并智慧化匹配服务需求，进而选择合理的网络族群及其内部组件提供智慧化的服务，并通过引入行为匹配、行为聚类、网络复杂行为博弈决策等机制，实现资源的动态适配和协同调度，使网络更高效、优化、节能等。

资源动态适配的未来智慧协同网络的基本工作原理如图6所示。在智慧服务层和资源适配层之间，使用行为匹配机制，在行为域中，根据服务需求行为描述和族群功能行为描述形成一次映射，为智慧服务寻求最佳的族群功能模块搭配组合，然后根据实体域的族群间协作机制，控制指定的族群功能模块进行协同工作，从而实现服务标识到族群标识的映射过程；在资源适配层和网络组件层之间，使用行为聚类机制，在行为域中根据族群行为描述和组件行为描述形成另一次映射，为族群功能模块判定最合理的网络组件构成，然后根据实体域的族群内联动机制，在族群功能模块内的网络组件之间建立相互联动关系，以完成族群功能模块的整体功能，实现由族群标识到组件标识的映射过程。通过这两次映射，网络资源可以依据服务需求动态适配，从而实现智慧服务。

未来智慧协同网络的最终目标是用资源动态适配的未来智慧协同网络体系结构替代现有的网络体系结构，从而建立一个智慧化的网络平台，实现资源的动态适配，以优化利用网络资源，从而向用户提供高效、可信的普适服务，显著提升用户体验。

图6 未来智慧协同网络体系功能模型

4 原型系统的研究与实现

为了验证所提出的新网络体系理论与机制的正确性与可行性，北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室研制了一体化标识网络原型系统，开发了一系列具有自主知识产权的一体化标识网络设备，具体包括广义交换路由器、接入交换路由器、接入标识映射服务器、接入标识认证服务器、普适网络视频服务器、专用电话代理服务器、多连接服务器、多连接客户端、服务标识映射服务器、普适网络Web服务器、普适网络客户端、一体化标识骨干路由器、一体化标识接入路由器、标识认证服务器、标识分配服务器、网络管理服务器、控制服务器、管理服务器、视频会议服务器等。

研发过程中，严格按照软件工程学和协议工程学方法，将原型系统的研发过程分为需求分析、概要设计、详细设计、编码、测试等几个阶段。这些阶段是相互叠加的开发过程：只有前一个阶段的文档评审完之后，才可以进入下一个阶段。下一个阶段进行过程中，如果发现前一个阶段设计有误，必须停止现阶段的工作，分析错误的原因，修改进行前一阶段的设计，只有修改再次经过确认后，方可继续本阶段的工作。

下面给出了未来智慧协同网络体系理论与关键技术仿真与验证方案，如图7所示。

针对资源动态适配的未来智慧协同网络体系的主要基础理论，拟分别采用DipZoom等软件对网络的数据进行分析与建模，采用OMNeT++对“三层”、“两域”体系架构进行网络仿真，使用PlanetLab服务验证平台进行验证。在理论得到初步验证后，建立一个小规模原型系统，通过自主开发的网络功能测试仪进行网络功能测试，并对原型系统反馈的数据进行分析，验证和评估小规模原型系统的正确性与可行性。在此基础上，将原型系统升级到示范网的应用规模，使用Smartbits网络测试仪器测试网络的性能、抗压能力、异常处理，并对用户反馈的信息进行分析。最终实现新网络体系的大规模部署和实现。

拟采用的原型系统拓扑如图8所示。该原型系统重点从智慧服务层理论与机制、资源适配层理论与机制、网络组件层理论与机制等方面，全面综合开展具体验证工作。

5 结束语

目前，国内外对新一代信息网络的研究已进入白热化，基于分离映射的思想在学术界得到了广泛承认，未来信息网络全网标识化指日可待，但如何实现智慧化的标识网络，在有效解决网络安全、移动、可控可管等的基础上，使网络更高效、优化、节能方面尚未形成较为完整的体系，具有很好的发展前景和潜在机遇。本文针对现有互联网原始设计模式存在的严重缺陷，在深化一体化标识网络基础理论，扩大一体化标识网络已有成果的基础上，指出了未来互联网体系结构智慧化发展趋势，为有效解决网络可扩展性、移动性、安全性等问题，实现网络更高效、优化、节能等跨越式发展和实质性突破提供了参考。

图7 未来智慧协同网络体系理论与关键技术仿真与验证方案

图8 未来智慧协同网络原型系统验证拓扑

1 GENI.http://www.geni.net/

2 FIND.http://www.nets-find.net/

3 FIRE.http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fire/

4 PARADISO.http://paradiso-fp7.eu/

5 ECODE.http://www.ecode-project.eu/wiki

6 NANODATACENTERS.http://www.nanodatacenters.eu/

7 SELF-NET.https://www.ict-selfnet.eu/

8 4WARD.http://www.4ward-project.eu/

9 PSIRP.http://www.psirp.org/

10 Named data networking.http://www.named-data.net/

11 Mobility first.http://mobilityfirst.winlab.rutgers.edu/

12 Nebula.http://nebula.cis.upenn.edu/

13 XIA-eXpressive internet architecture.http://www.cs.cmu.edu/～xia/

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15 AKARI.http://akari-project.nict.go.jp/eng/index2.htm

16 Future internet forum.http://fif.kr/home.php

17 German Lab.http://www.german-lab.de/

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