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题目：新一代互联网体系结构研究进展和分析

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12月11日

新一代互联网体系结构研究进展和分析

摘 要

日益增加网络规模和用户需求给互联网带来了很多挑战，新一代互联网体系结构已经成为了网络领域研究热点。本文就新一代互联网研究背景，研究现实状况，待处理问题进行总结，并对位置标志和身份标志分离两类方案进行了探讨。

关键词： 新一代互联网 位置标志 身份标志 LISP

NEXT GENERATION INTERNET ARCHITECTURE RESEARCH AND ANALYSIS

ABSTRACT

The Challenges have been brought because of the increasing network size and user needs. It has been becoming hot to research the architecture of the NGI. In this paper,the background, research status, problems to be solved of the NGI will be summarized, and then,two programs are discussed,which solved the separation of location mark and identity mark.

KEY WORDS: NGI location mark identity mark LISP

目录

1 引言 5
2 现实状况和问题 6
2.1 中国外研究现实状况 6
2.2 待处理问题 7
3 位置标志和身份标志分离 8
3.1概述 8
3.2基于主机路由体系结构 8
3.3 基于网络路由体系结构 9
3.4 两种方案比较和分析 9
4 结束语 11
参考文件 12

1 引言
互联网经过40 年发展，已经取得了巨大成功，现在已然成为大家生活必需品，互联网早期设计关键遵照了以下几条标准：用位置对节点进行标识；分层协议栈；在网络层布署唯一网络互联协议，即IP网络互联协议；基于数据报无连接服务；端点智能、网络傻瓜化，即由端系统负责复杂网络功效，连接端节点网络只负责简单传送功效。今天互联网成功很大程度上源于这些基础设计标准。
然而，互联网在这几十年中发生了巨大改变，在安全性、移动性、可扩展性、可控可管性、服务质量等方面，互联网原始设计缺点逐步暴露出来。尤其伴随以“内容/信息共享”为关键特点网络应用快速发展，使得目前互联网正面临着前所未有压力。具体来说关键有以下几点：IP地址匮乏[1]，难以更大规模扩展；网络服务质量(QoS)控制能力弱，不能保障高质量对不一样业务网络服务；缺乏安全保障机制，网络安全漏洞多；对于用户在移动互联网要求，传统互联网因为其技术本责问题难以满足；另外，现在传统互联网复杂程度也使网络控制和管理变得异常艰苦。
世界各国研究机构早就开始重新考虑和研究互联网体系结构，试图提出适应于未来环境和应用需求新一代互联网体系结构，美国等发达国家前后开始了新一代互联网研究，比较著名多个计划包含下一代互联网（NGI，next generation Internet）、下一代网（NGN，next generation network）、美国国家科学基金会设置全球网络创新环境（GENI，global environment for network innovation）和未来互联网网络设计（FIND，future Internet design）、欧盟第七研发框架计划（FP7）等。中国在新一代网络体系结构方面刚起步，已经在“973”计划、“863”计划这些重大国家科研计划中设置了若干个和未来网络相关项目。

2 现实状况和问题
2.1 中国外研究现实状况
美国自然科学基金会NSF于 年开启了两项新一代互联网研究计划: 未来互联网设计FIND和全球网络创新环境GENI。[2]FIND 计划最大特点在于从草图设计开始，探讨所需网络结构及其设计，而不是增量式地逐步改善现有网络。FIND 在网络体系结构各个方面研究和设计全部尽可能做到不受以往研究思维影响和束缚，即“革命式” 、“从头再来”。GENI 计划目标则是构建一个全新、安全、能够连接全部设备互联网，以促进互联网发展，并刺激创新，促进经济增加。其目标是发觉和评定能够作为 21 世纪互联网基础新革命性概念、示范和技术，建立一个用于研究未来互联网体系结构、服务和过渡一个试验环境，提供更多数量和愈加好质量研究平台，并能将研究结果快速转化为实际产品和服务，使这些产品和服务能够提升国家未来经济竞争力和国家安全，而且能够让目前网络较快过渡到新网络体系结构。GENI 由两部分组成：研究计划（research program）和试验设施（experimental facility）。其中“研究计划”关键是，研究发明新关键功效，包含要超越现有数据报、分组和电路交换框架，设计新命名、寻址和身份识别体系结构，构建内置网络安全机制和新网络管理机制，使下一代互联网含有高度安全性和可管理性。“试验设施”关键是，研究能够提供包含传感器和无线移动通信设备等在内多个接入技术，并能够布署和验证新体系结构（比如，新无线技术和光技术、传感器网络、移动无线通信、RFID 等）。
初，欧盟在其第七框架FP7中设置了“未来互联网研究和试验”（FIRE）项目[3]。FIRE是一项长久试验驱动原创性研究，包含了未来互联网概念、协议和体系结构、相关科技、工业和社会经济学等方面。其关键研究内容包含：网络体系结构和协议新方法；管理未来互联网日益增加规模、复杂性、移动性、安全性和通透性；在物理和虚拟结构大规模测试环境中验证上述属性。同为未来互联网研究计划， FIRE和GENI有着很多相同之处，它们全部关注怎样搭建真实试验环境，从而为理论研究提供证据支持。 FIRE期望经过螺旋式布署方案，冲出地理上限制，建立全球性大规模试验环境。FIRE一样采取虚拟化技术，该技术将独立存在资源和设施联络起来，不仅使多个组织协同合作，还能降低能耗和成本。
中国在国家关键基础研究发展计划（“973”计划）中也明确提出了“新网络体系基础研究”作为关键研究课题，设置了一系列和未来或新一代互联网相关项目。，清华大学、国防科技大学、北京邮电大学、东南大学和中科院网络信息中心 5个单位共同负担了国家“973”计划项目“新一代互联网体系结构理论研究”。还有以张宏科教授为首席科学家“一体化可信网络和普适服务体系基础研究”，以孟洛明教授为首席科学家“可测可控可管IP网基础研究”，以吴建华教授为首席科学家“新一代互联网体系结构和协议基础研究”等，钱华林研究员在其《层次交换网络体系结构》一书中也对未来互联网架构做了深入探讨。

2.2 待处理问题
新一代互联网基础特征有“扩展性、高性能、实时性、移动性、安全性、易管理和经济性”，基于这些基础特征，新一代互联网关键面临有以下四个关键问题。
网络体系结构单一、可扩展性不强和网络功效复杂多样性问题。即使大家认为，采取“边缘论”作为指导思想基于尽力而为互联网是体系结构可扩展性最好网络，不过这种体系结构可扩展性也仅仅局限在网络互联互通角度。在支持新服务方面则表现出越来越多不足。比如，极难对组播进行支持，也极难支持大量主机全部处于不停移动状态情形，这些问题出现关键原因全部是因为尽力而为服务模型只考虑了互联互通扩展性目标而没有考虑互联网络在服务等其它方面可扩展性问题。现在网络体系结构在地址空间、寻址和路由方法、服务类型等方面全部极难深入扩展[4]。
未知网络行为和确定传输控制目标之间问题。基于分组交换互联网络流量模型和行为模型还没有得到很好研究，现在即使在大规模网络流量分析中得到了部分基于自相同和长相关理论结果, 不过这些结果背后科学指导作用还有待深入发掘。因为流量模型和行为模型缺乏，造成大家对大规模网络控制和管理缺乏理论指导，还停留在直观和经验基础上，这也远远不能满足要求网络提供愈加好服务质量需求。
网络安全可信问题[5]。互联网络作为一个巨大系统工程，它有其固有脆弱性。网络上聚集了大量硬件系统和无数应用软件，每一个硬件或软件缺点全部有可能被利用来对网络进行攻击或恶意破坏。那么，怎样从理论上分析网络脆弱性并对其进行保护是还没有处理难题。网络在确保本身安全基础上，还必需为应用提供所需要安全功效。怎样在应用规模不停增加，性能要求不停提升前提下确保其安全是一个困难问题。
网络服务需求复杂多变问题。新一代互联网络复杂性（规模更大、结构更复杂、异构性更强）和用户和服务提供者对服务需求复杂性和多样性（服务互操作性、提供速度、可用性、可扩展性、可管理性和服务质量、服务智能化和个性化等）使得大家急需对怎样构建大规模互联网络服务理论指导。怎样依据新一代互联网络体系结构建立对应服务模型，怎样快速灵活地为用户提供含有高可用性、 良好互操作性和高性能服务，怎样对现有服务进行协调为端用户提供可重用服务，怎样对服务进行管理，全部是困难而极有价值理论问题。

3 位置标志和身份标志分离
3.1概述
多年来，互联网路由可扩展性问题引发了越来越多关注。在互联网无缺省路由域(DFZ)中，路由表规模正以“超线性”速度增加[6]，这无疑严重影响了互联网路由系统可扩展性。现在研究者已达成共识，认为目前DFZ中路由表规模高速增加根本原因是因为IP地址同时负担标识主机身份和寻址双重功效而造成IP地址语义过载。为处理这个问题，多数教授认为需要从根本上对现有路由体系结构进行重新设计计划。
为处理路由系统可扩展性问题，现在已经提出了多个方案[7]。这些方案大致能够被归纳为两类：一类方案是经过降低边界网关协议(BGP)消息更新频率、压缩路由表或转发表来处理扩展性问题，如虚拟聚合方案(VA)；另一类方案是基于身份标识和位置标识(ID/Locator)分离思想，将IP地址主机身份标识和路由标识功效分开，如主机标识协议(HIP)位置/身份分离协议(LISP)等。第一类方案只处理了路由表、转发表快速增加问题。第二类方案不仅能够减小DFZ中路由表规模，还支持站点网络多归属和流量工程，实现路由系统可扩展。
现在学术界和工业界很多研究团体已经提出了众多基于位置和身份分离方案。大多数方案设计全部遵照两层命名空间模型，即位置标识命名空间和主机标识命名空间，两层命名空间方案又能够根据位置标识和身份标识分离点位置不一样分为两类：第一类方案在主机处将ID/Locator根本分离，这需要对主机作一定修改；第二类方案在边界路由器处进行ID/Locator分离，经过在网关处进行封装映射来实现，主机无需作任何改变。
3.2基于主机路由体系结构
这类方案基础思想是在主机处实现位置标识符和身份标识符根本分离。早期M.O'Dell提出GSE就属于这类方案，它将主机IPv6地址分为Locator和ID两部分，实现了位置和身份分离，但并不确保ID全球唯一性和安全性。以后提出LNAI和HIP也属于这类方案。
LNAI设计了一个扁平4层名字空间结构，包含用户级描述符(ULD)服务描述符(SID)、主机描述符(EID)和IP地址。同时LNAI还提出了一个三级地址解析方案，包含将ULD解析为SID、将SID解析为EID 将EID解析为IP地址。经过增加SID和EID这两个额外名字空间和解析层次，LNAI不仅能够许可服务和数据成为一级因特网对象(能够直接和持久地命名)，还支持主机无缝移动和网络多归属，并能够将中间盒如网络地址转换(NAT)和防火墙等整合到互联网体系架构。
HIP[8]提出在网络层和传输层中间插入一个新协议层——主机标识层。主机标识层将原来紧密耦合传输层和网络层分开，根本分离IP地址双重功效，使IP地址只作为网络层使用位置标识符，专用于数据包路由转发，而把主机标识功效交给主机标识符(Host ID)，传输层使用主机标识符而不是IP地址作为主机标识。在双方进行通信时，IP地址改变对传输层透明，从而确保在发生移动或地址改变时，通信能够连续进行，而不会被中止。
3.3 基于网络路由体系结构
此方案基础思想是：将整个路由域分为全局路由域和当地路由域，ID/Locator分离在边界网关处实现。全局路由域是由边界网关组成，在同一个当地路由域内实体之间通信使用身份标识符进行路由，在全局路由域内使用位置标识符进行路由。需要发往当地域外数据包携带是目标主机身份标识，它们首先被转发到当地路由域边界网关处(源网关)。源网关经过某种映射服务取得目标网关位置标识并将这个标识作为目标地址。接着，依据目标网关位置标识，这个数据包就能够经过全局路由域抵达目标网关。目标网关去掉数据包中位置标识，依据目标主机身份标识转发数据包，最终数据包将抵达目标主机。这类方案不仅仅能够处理现在Internet面临路由可扩展问题 支持站点多归属，而且因为ID/Locator在路由器处进行分离，有利于ISP进行流量工程控制。
Cisco企业提出LISP采取了边缘网络和关键网络分离概念，将关键网络和边缘网络划分不一样路由空间[9]，基础思想是经过关键网络和边缘网络分离实现关键网络可扩展性。它将目前含有双重语义IP地址命名空间分离成端节点身份标识(EID)和路由地址(RLOC)，其中EID用于在边缘网络(当地路由域)中进行路由，而RLOC对应为位置标识符，用于关键网(全局路由域)路由，并经过引入入口隧道路由器(ITR)和出口隧道路由器(ETR)对数据包封装，实现身份和位置分离。LISP采取IP- OVER- UDP隧道技术，其中内层包头存放EID，外层包头存放RLOC。隧道端点路由器负责缓存EID到RLOC映射。
因为LISP以尽可能少地改变Internet基础设施为设计目标，所以在LISP中端系统无需任何改变，只需对现行路由器进行微小改变，而且能够增量布署。 当然， LISP也存在部分问题。比如，LISP实现依靠隧道技术，边界路由器需要维护流量状态，由此而产生可靠性和扩展性问题有待处理。
3.4 两种方案比较和分析
以上共介绍了两类不一样路由体系结构。LNAI需要对现有主机软件作很大改变，包含协议和应用程序，而且解析这些名字空间需要新解析系统。所以，LNAI布署代价较大。在引入了多个层次名字空间后，安全问题如拒绝服务攻击也成为LNAI较大隐患。以HIP为代表在主机处实现ID/Locator分离方案实现了IP地址双重语义根本解耦，完全处理了移动性、网络多归属问题，增强了安全性，实现了路由系统可扩展，不过这类方案需要对主机进行修改，布署难度较大，且不能支持有效流量工程。以LISP为代表采取映射封装方案在边缘路由器上实现了关键网络和边缘网络分离，边缘网络动态改变不会对关键网络造成严重影响，从而实现了路由系统可扩展。这类方案只需对路由器进行改动，布署代价较小，支持网络多归属和流量工程，能够增量布署。这类方案最大问题是，需要在入口隧道路由器(ITR)处采取查询映射，查询延迟会造成路由器丢弃或缓存大量分组，轻易遭受攻击。改善方案是ITR能够在没有映射信息时，将分组发送给映射系统，让分组经过映射系统进行路由，造成映射系统在提供映射功效同时，还要需要承载用户流量转发，对映射系统设计和性能提出了要求。
经过以上分析能够看出这些方案各有优缺点，其设计目标全部是处理路由系统可扩展性这个首要问题。当然除了路由可扩展性，未来互联网路由体系结构还要支持含有扩展性流量工程、网络多归属和移动性，尽可能简化自治系统重编址，考虑路由质量和安全。同时，方案可布署性也是设计时必需要考虑关键原因。

4 结束语
经过十多年时间，大家越来越深刻地认识到下一代互联网研究关键性、复杂性、艰巨性和长久性，发达国家纷纷把新一代互联网研究列入未来信息技术领域关键发展方向。多年来新一代互联网研究已得到中国政府高度重视。现在，中国外研究工作大多仍处于初始阶段，尚存大量理论和实现问题需要处理[10]。中国作为一个互联网用户大国，必需抓住这个历史性机遇，首先跟踪分析国际上最新研究进展，其次立足自主创新，努力形成含有自主知识产权技术结果；使中国在新型网络体系结构研究领域和国际水平同时甚至领先，推进相关标准建立及技术进步，在从理论分析到应用基础研究以至可用技术实现和验证各个步骤，展开攻关，实现中国网络技术领域技术实力一次跳跃性发展，最终提升中国在信息领域关键技术竞争力及影响力。

参考文件
[1] 余建斌.新一代互联网:速度愈加快容量更大.人民日报.-07-05.
[2] 吴建平,刘莹,吴茜.新一代互联网体系结构理论研究进展.中国科学(E辑:信息科学).,(10).
[3] 吴建平,李星,刘莹.下一代互联网体系结构研究现实状况和发展趋势.中兴通讯技术.,(02).
[4] 吴建平,吴茜,徐恪. 下一代互联网体系结构基础研究及探索.计算机学报.,(09).
[5] 陆璇,龚向阳,程时端. 新一代互联网体系结构.中兴通讯技术.,(04).
[6] 陆璇,龚向阳,程时端. 新一代互联网体系结构(2).中兴通讯技术.,(05).
[7] 董平.基于身份和位置分离映射可扩展路由体系研究[D]. 北京交通大学,.
[8] 杨水根.主机标识协议移动性管理研究[D]. 北京交通大学,.
[9] 李锐.新一代互联网体系结构及关键技术研究[D]. 北京邮电大学,.
[10] 陆璇,龚向阳,程时端. 新一代互联网体系结构(3).中兴通讯技术.,(06).