智慧標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系

張宏科，黃道超

（北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 北京100044）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)向前發(fā)展的巨大推動(dòng)力，互聯(lián)網(wǎng)作為信息的一個(gè)成功載體，已經(jīng)滲透到包括政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、衛(wèi)生等人類社會(huì)生活的方方面面，成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚囊徊糠?。然而，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)是在20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)的，其原始設(shè)計(jì)思想在互聯(lián)網(wǎng)突飛猛進(jìn)的發(fā)展過(guò)程中逐漸暴露出諸多缺陷與不足。

第一，現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)基本是在一種網(wǎng)絡(luò)支撐一種主要服務(wù)的原創(chuàng)模式下融合發(fā)展演進(jìn)的：電信網(wǎng)主要面向話音業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，不能適應(yīng)寬帶流媒體業(yè)務(wù)的需要；互聯(lián)網(wǎng)主要支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，隨著網(wǎng)絡(luò)用戶和應(yīng)用的不斷增加，互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量、可信性、移動(dòng)性等問(wèn)題已經(jīng)凸顯出來(lái)。而現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)及演進(jìn)方案受原創(chuàng)模式設(shè)計(jì)思想的限制，無(wú)法從本質(zhì)上滿足當(dāng)前乃至未來(lái)服務(wù)多元化的要求?；ヂ?lián)網(wǎng)當(dāng)初是面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸設(shè)計(jì)的，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是具有冪律結(jié)構(gòu)的無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，正是這種無(wú)標(biāo)度的冪律結(jié)構(gòu)拓?fù)鋵?dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)對(duì)惡意攻擊的抵御能力十分脆弱。

第二，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)主要采用“三重綁定模型”的原始設(shè)計(jì)思想，其工作模式相對(duì)“靜態(tài)”和“僵化”，導(dǎo)致諸多難以解決的問(wèn)題。如“資源和位置綁定”導(dǎo)致現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)難以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)規(guī)模的云計(jì)算；“控制和數(shù)據(jù)綁定”難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能；“身份與位置綁定”難以有效解決網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、移動(dòng)性和安全性問(wèn)題。再如傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)在智能、感知、認(rèn)知、動(dòng)態(tài)等智慧化機(jī)制方面的支持能力嚴(yán)重不足，當(dāng)用戶或者網(wǎng)絡(luò)行為發(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)難以感知并實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)適配，造成網(wǎng)絡(luò)資源分配不合理、利用率低、能耗大。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)初是面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸設(shè)計(jì)的，是具有冪律結(jié)構(gòu)的無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，正是這種無(wú)標(biāo)度的冪律結(jié)構(gòu)拓?fù)鋵?dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)對(duì)惡意攻擊的抵御能力十分脆弱，安全性差。

正是由于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系與機(jī)理存在各種嚴(yán)重弊端，難以滿足未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和發(fā)展的需求，突破原有互聯(lián)網(wǎng)的局限性，設(shè)計(jì)全新的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系與機(jī)制，原創(chuàng)性、系統(tǒng)性地創(chuàng)建未來(lái)智慧網(wǎng)絡(luò)體系理論，在有效解決網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、移動(dòng)性、安全性等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，使網(wǎng)絡(luò)更高效、更優(yōu)化、更節(jié)能等，顯著提升用戶體驗(yàn)，已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外信息領(lǐng)域迫切需要解決的焦點(diǎn)問(wèn)題。

2 相關(guān)工作

為了突破現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)原創(chuàng)模式的局限，探索并實(shí)現(xiàn)未來(lái)智慧型互聯(lián)網(wǎng)，搶占未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的制高點(diǎn)，世界各國(guó)近年來(lái)相繼開(kāi)展了未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)體系理論的相關(guān)研究。

2005年8月，美國(guó)自然科學(xué)基金（National Science Foundation,NSF）委員會(huì)啟動(dòng)了全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境（global environment for network innovations，GENI）計(jì)劃[1]。GENI引入了切片化、虛擬化和可編程的設(shè)計(jì)思想，其目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)和評(píng)估可以作為21世紀(jì)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的新的革命性概念、示范和技術(shù)，建立一個(gè)用于研究未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)和過(guò)渡的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。目前，GENI正致力于探索研究平臺(tái)的第3個(gè)階段：確定GENI的技術(shù)和操作計(jì)劃。然而，GENI計(jì)劃的目的僅是構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)環(huán)境，缺乏對(duì)新一代信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及關(guān)鍵理論與技術(shù)的全面性和系統(tǒng)性研究。

2006年，美國(guó)NSF啟動(dòng)了未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)（future internet design，F(xiàn)IND）計(jì)劃[2]。2008年，F(xiàn)IND資助了50多個(gè)課題，分別從安全性、可靠性、可管理性、新的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)理論等多個(gè)方面，對(duì)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)開(kāi)展了相關(guān)研究。然而，F(xiàn)IND計(jì)劃資助的課題大多是探討未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該滿足的特征以及從技術(shù)上如何實(shí)現(xiàn)這些特征，而沒(méi)有提出完整的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)。

2008年歐盟啟動(dòng)了FIRE（future internet research and experimentation）計(jì)劃[3]，對(duì)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和服務(wù)機(jī)制進(jìn)行研究，并建立相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)。FIRE計(jì)劃資助的科研項(xiàng)目大部分跟未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)。比如：PARADISO（a societal paradigm shift）[4]側(cè)重研究人、自然與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展對(duì)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的需求，ECODE（experimental cognitive distributed engine）[5]側(cè)重研究和部署認(rèn)知路由系統(tǒng)，NanoDataCenters[6]對(duì)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)交互方式進(jìn)行研究，Self-NET（self-management of cognitive future internet element）[7]側(cè)重設(shè)計(jì)和驗(yàn)證未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的自我認(rèn)知管理機(jī)制，4WARD（architecture and design for the future internet）項(xiàng)目[8]和PSIRP（publish-subscribe internet routing paradigm）項(xiàng)目[9]側(cè)重研究未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)中內(nèi)容的命名與分發(fā)方式。

2010年8月，美 國(guó)NSF發(fā) 布 了FIA（future internet architecture）計(jì)劃，作為FIND研究計(jì)劃的延續(xù)。FIA計(jì)劃資助了NDN（named data networking）[10]、MobilityFirst[11]、NEBULA[12]、XIA（expressive internet architecture）[13]4個(gè)重大項(xiàng)目。

NDN[10]最初在2009年由Van Jacobson提出并被命名為CCN（content-centric networking）[14]，2010年Lixia Zhang等進(jìn)一步完善，改名為NDN。NDN將關(guān)注的重點(diǎn)從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的“在哪里”轉(zhuǎn)移到“是什么”，即用戶和應(yīng)用關(guān)注的內(nèi)容，探索以內(nèi)容/服務(wù)為中心的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，并在沙漏模型的細(xì)腰處采用內(nèi)容名字。然而，其路由完全依賴于內(nèi)容名字，帶來(lái)了較嚴(yán)重的路由可擴(kuò)展性問(wèn)題，并且NDN的數(shù)據(jù)傳輸效率甚至不如傳統(tǒng)TCP的傳輸效率[14]。

MobilityFirst[11]從支持普遍移動(dòng)性的目標(biāo)出發(fā)，指出未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)包含有全球名字解析和時(shí)延容忍路由系統(tǒng)、自驗(yàn)證公鑰地址、環(huán)境與位置感知服務(wù)、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理平臺(tái)等功能元素，以滿足未來(lái)海量移動(dòng)設(shè)備的通信需求。MobilityFirst主要從對(duì)移動(dòng)性的支持角度，探索未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)具有的特征，并沒(méi)有完整地提出未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法。

NEBULA[12]提出將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，組建成能夠提供可靠、高速服務(wù)的核心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（即“云”），并在其內(nèi)部支持多路徑傳輸機(jī)制、策略安全路由機(jī)制等，創(chuàng)建一個(gè)以云計(jì)算為中心的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。然而，NEBULA重點(diǎn)研究如何在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上支持云計(jì)算，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的獨(dú)立命名，沒(méi)有為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出比較詳細(xì)的體系結(jié)構(gòu)以及解決辦法。

XIA[13]提出一種支持主機(jī)、內(nèi)容和服務(wù)等主體間間接通信的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，3種主體通過(guò)一種可自驗(yàn)證的廣義標(biāo)識(shí)符進(jìn)行通信，具有良好的安全性和互操作性。然而，XIA側(cè)重于研究未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)、內(nèi)容和服務(wù)等主體間的通信模型，而并沒(méi)有討論如何實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中資源的動(dòng)態(tài)適配等問(wèn)題。

此外，2006年5月，日本啟動(dòng)了AKARI（a small light in the dark pointing to the future，黑暗中的一絲光明）計(jì)劃[15]，目標(biāo)是在2015年之前研究出一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并完成基于此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新一代網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。AKARI計(jì)劃致力于下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和核心技術(shù)，在2010年完成體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并從2011年開(kāi)始第二階段的建設(shè)試驗(yàn)床工作。然而，AKARI計(jì)劃側(cè)重于物理以及網(wǎng)絡(luò)層面協(xié)議和機(jī)制的研究，幾乎沒(méi)有涉及智慧服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)。2008年，韓國(guó)也設(shè)立了未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)論壇（future internet forum，F(xiàn)IF）[16]，以針對(duì)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究。然而迄今尚未看到韓國(guó)科學(xué)家提出的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的報(bào)道。2008年10月，德國(guó)也啟動(dòng)了G-Lab（German-Lab）計(jì)劃[17]，集合了德國(guó)32個(gè)頂尖的研究和實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)，研究未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的新應(yīng)用以及相應(yīng)的新技術(shù)。同時(shí)，G-Lab計(jì)劃構(gòu)建了一個(gè)包含170多個(gè)有線、無(wú)線節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，以驗(yàn)證所提出新技術(shù)的可行性和有效性。目前，尚未見(jiàn)G-Lab計(jì)劃提出完整的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。

國(guó)外學(xué)術(shù)界近年來(lái)也紛紛撰寫(xiě)論文，闡述發(fā)展未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系理論的重要性。比較典型的，如2007年Koponen等人重新設(shè)計(jì)了Internet的命名和解決方法，提出一種數(shù)據(jù)導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)思想，保障服務(wù)和數(shù)據(jù)接入的持續(xù)性、可用性和真實(shí)性[18]；2009年Van Jacobson等人提出以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容進(jìn)行直接命名和路由尋址，使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了從關(guān)注內(nèi)容的位置到內(nèi)容本身的轉(zhuǎn)移[14]；2011年，Wei Koong Chai等人設(shè)計(jì)了支持服務(wù)泛在解析和傳輸?shù)奈磥?lái)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，旨在有效解決網(wǎng)絡(luò)中多媒體數(shù)據(jù)的有效散播問(wèn)題[19]；同年，Jianli Pan等人指出，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，難以徹底解決網(wǎng)絡(luò)安全性、移動(dòng)性和內(nèi)容分發(fā)等問(wèn)題，建議重新設(shè)計(jì)全新的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[20]；John Chuang等人則提出在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)充分考慮“競(jìng)爭(zhēng)性”，如該架構(gòu)允許不同的消費(fèi)者按照自身意愿選擇不同的服務(wù)提供商，支持用戶導(dǎo)向型路由機(jī)制等[21]；Sasitharan Balasubramaniam等人提出了利用生物學(xué)中生態(tài)系統(tǒng)理論，指導(dǎo)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的思想，以改善網(wǎng)絡(luò)的頑健性、自適應(yīng)性和可進(jìn)化性等[22]；Bengt Ahlgren等人則提出未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將必然包含3個(gè)方面的內(nèi)容：以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)放連通性的服務(wù)，認(rèn)為以上三者的集成將最終形成未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)[23]。

就國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)而言，國(guó)家也非常重視對(duì)未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵理論及技術(shù)的研究?！笆晃濉逼陂g，國(guó)家對(duì)新一代信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論研究進(jìn)行了重點(diǎn)支持。2006年，國(guó)家“973”計(jì)劃啟動(dòng)了“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目[24～28]，進(jìn)行未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究。2007年，國(guó)家“973”計(jì)劃資助了“可測(cè)可控可管的IP網(wǎng)的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目，主要針對(duì)現(xiàn)有IP網(wǎng)的可測(cè)、可控、可管性開(kāi)展研究。2008年國(guó)家“973”計(jì)劃資助了“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目，研究新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議。國(guó)家“863”計(jì)劃信息技術(shù)領(lǐng)域2008年度專題課題資助了目標(biāo)導(dǎo)向類課題“身份與位置分離的新型路由關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”[29],研究身份與位置標(biāo)識(shí)分離的新型路由尋址體系結(jié)構(gòu)及解決方案。2010年11月，國(guó)家“863”計(jì)劃信息技術(shù)領(lǐng)域啟動(dòng)了“三網(wǎng)融合演進(jìn)技術(shù)與系統(tǒng)研究”重大項(xiàng)目[30]，將“面向三網(wǎng)融合的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”列為重要研究?jī)?nèi)容。2011年度國(guó)家“973”計(jì)劃支持了“面向服務(wù)的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與機(jī)制研究”和“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系研究”兩個(gè)項(xiàng)目。前者以面向服務(wù)為核心設(shè)計(jì)理念，以服務(wù)標(biāo)識(shí)作為沙漏模型的細(xì)腰，并以服務(wù)標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)路由和數(shù)據(jù)傳輸，在體系結(jié)構(gòu)和核心機(jī)理層面進(jìn)行針對(duì)性研究；后者側(cè)重于構(gòu)建一個(gè)功能可動(dòng)態(tài)重構(gòu)和擴(kuò)展的基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)，為不同業(yè)務(wù)構(gòu)建滿足其根本需求的邏輯承載網(wǎng)，以解決目前IP網(wǎng)絡(luò)層的功能瓶頸。2012年2月發(fā)布的“973”計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)指南將“智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)理論研究”列為重要支持方向[31]。

這些項(xiàng)目的開(kāi)展，為我國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域培養(yǎng)了一批頂尖科學(xué)家和優(yōu)秀的科研人才，并且提高了我國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)的影響力，為我國(guó)開(kāi)展未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)體系理論的研究提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。特別地，北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室在前期“973”計(jì)劃項(xiàng)目“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”的資助下，創(chuàng)造性地將網(wǎng)絡(luò)劃分為“普適服務(wù)層”和“交換路由層”，提出并設(shè)計(jì)了“4種標(biāo)識(shí)”和“3種映射”的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)新體系機(jī)理與架構(gòu)，改進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施安全性、移動(dòng)性、路由表可擴(kuò)展性以及可控可管性，提升了服務(wù)遷移、服務(wù)可靠接入、普適服務(wù)等能力。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了完整的原型系統(tǒng)并得到了推廣應(yīng)用，在IEEE Transactions等國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表多篇論文[32～41]。在教育部2009年12月組織的科技成果鑒定中，鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為：“該項(xiàng)目在未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)體系、理論及技術(shù)等核心研究領(lǐng)域取得了重大突破性進(jìn)展。在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、標(biāo)識(shí)解析映射機(jī)制等方面有重大創(chuàng)新，具有國(guó)際先進(jìn)水平?！痹?011年11月，科技部組織的國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目驗(yàn)收中，該項(xiàng)目結(jié)題評(píng)價(jià)為優(yōu)秀。

綜上所述，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能很好地滿足當(dāng)今應(yīng)用的需求，阻礙著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，重新審視網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，甚至考慮革命性的變革已經(jīng)成為世界各國(guó)政府和信息領(lǐng)域研究者們的共識(shí)。

圖1 一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)新型體系結(jié)構(gòu)模型

圖2 一體化可信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)模型

3 智慧標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系

3.1 一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

傳統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)的原創(chuàng)模式基本是一種網(wǎng)絡(luò)支持一種主要服務(wù)，如互聯(lián)網(wǎng)主要面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，難以保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)及服務(wù)質(zhì)量，電信網(wǎng)主要面向話音業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，很難適應(yīng)寬帶流媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要。現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)的這種原創(chuàng)模式在理論與技術(shù)上存在著嚴(yán)重的先天缺陷，導(dǎo)致它們基本上都只能支持一種主要業(yè)務(wù)，難以對(duì)其他業(yè)務(wù)提供良好的支持。

在充分分析了現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)存在的不足以及未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的可能趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室依托國(guó)家“973”計(jì)劃“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目，提出的一體化網(wǎng)絡(luò)原創(chuàng)模式如圖1所示。該原創(chuàng)模式的總思路可歸納為：“4種標(biāo)識(shí)，3類映射”，實(shí)現(xiàn)了在同一種網(wǎng)絡(luò)下支持各種不同服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模式，并提出了一個(gè)全新網(wǎng)絡(luò)的兩層體系結(jié)構(gòu)模型——一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)新型體系結(jié)構(gòu)模型。該模型包括“網(wǎng)通層”和“服務(wù)層”兩個(gè)層次。

其中，網(wǎng)通層主要包括虛擬接入子層、虛擬骨干子層以及接入標(biāo)識(shí)解析映射（如圖2所示），其核心理論是一體化網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)識(shí)與交換路由標(biāo)識(shí)分離聚合映射理論。虛擬接入子層引入接入標(biāo)識(shí)ID的概念和機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各種固定、移動(dòng)、傳感網(wǎng)絡(luò)等的統(tǒng)一接入；虛擬骨干子層為各種接入網(wǎng)絡(luò)提供交換路由標(biāo)識(shí)ID，用于核心網(wǎng)絡(luò)上的廣義交換路由和尋路；接入標(biāo)識(shí)解析映射將多個(gè)交換路由標(biāo)識(shí)ID映射到多個(gè)連接標(biāo)識(shí)ID。

接入標(biāo)識(shí)解析映射定義如下：

其中，zM（n）RID表示網(wǎng)絡(luò)中的交換路由標(biāo)識(shí)，M表示某次選路，RID表示交換路由標(biāo)識(shí)ID；xMN（n）AID表示端系統(tǒng)的接入標(biāo)識(shí)，M表示交換路由標(biāo)識(shí)下標(biāo)，N表示接入位置，AID表示接入標(biāo)識(shí)ID；Ω(·)是一對(duì)多的映射函數(shù)，完成一個(gè)交換路由標(biāo)識(shí)ID到多個(gè)接入標(biāo)識(shí)ID的映射；其逆映射Ω-1(·)將不同的接入標(biāo)識(shí)ID映射回交換路由標(biāo)識(shí)ID。

作為網(wǎng)通層支撐理論的接入標(biāo)識(shí)與交換路由標(biāo)識(shí)分離聚合映射理論，其主要作用可歸結(jié)如下。

（1）實(shí)現(xiàn)了多元化接入與終端的統(tǒng)一接入

使得網(wǎng)通層實(shí)現(xiàn)了多元化接入網(wǎng)絡(luò)與終端（如互聯(lián)網(wǎng)中的固定網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和傳感網(wǎng)絡(luò)等，電信網(wǎng)中的各種接入網(wǎng)絡(luò)和終端等）的統(tǒng)一接入，克服了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)的接入網(wǎng)絡(luò)單一的問(wèn)題，拓展了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的范圍。

（2）保證用戶的隱私性和安全性

各種接入網(wǎng)絡(luò)的接入標(biāo)識(shí)代表它們的身份，而交換路由標(biāo)識(shí)僅用于核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由交換。接入標(biāo)識(shí)和交換路由標(biāo)識(shí)分離后，代表用戶身份的接入標(biāo)識(shí)不會(huì)在核心網(wǎng)絡(luò)上傳播，使得其他用戶不可能通過(guò)截獲核心網(wǎng)絡(luò)的信息分析用戶的身份，保證了用戶的隱私性；也不可能通過(guò)用戶的身份截獲他們的信息，保證了用戶信息的安全性。

（3）保證了網(wǎng)絡(luò)的可控可管性

各種接入網(wǎng)絡(luò)在申請(qǐng)接入標(biāo)識(shí)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理者根據(jù)用戶的簽約信息，對(duì)各種接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入控制和鑒權(quán)，鑒權(quán)的結(jié)果決定是否接受用戶連接請(qǐng)求，同時(shí)決定為用戶提供的服務(wù)質(zhì)量水平。

（4）保證了各種接入網(wǎng)絡(luò)及用戶的移動(dòng)性和傳感性

各種接入網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)到其他位置之后，僅其接入標(biāo)識(shí)需要發(fā)生變化，代表核心網(wǎng)絡(luò)連接的交換路由標(biāo)識(shí)不需要發(fā)生變化，只需要改變交換路由標(biāo)識(shí)和接入標(biāo)識(shí)的映射關(guān)系。這樣，核心網(wǎng)絡(luò)上的用戶連接不需要中斷，就可以保證用戶繼續(xù)接受各種服務(wù)。

服務(wù)層包括虛擬服務(wù)子層、虛擬連接子層以及服務(wù)標(biāo)識(shí)解析映射、連接標(biāo)識(shí)解析映射。在服務(wù)層需要建立普適服務(wù)理論模型，探索與解決一體化網(wǎng)絡(luò)下服務(wù)的映射、匹配/選擇、組合/分解、執(zhí)行過(guò)程中一系列基礎(chǔ)理論、方法與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，著重解決為個(gè)性化用戶提供多元化服務(wù)，即實(shí)現(xiàn)服務(wù)普適化。一體化網(wǎng)絡(luò)下普適服務(wù)的服務(wù)層模型，如圖3所示。

這里，服務(wù)標(biāo)識(shí)映射將虛擬服務(wù)子層和虛擬連接子層的工作聯(lián)系起來(lái)，完成服務(wù)對(duì)象標(biāo)識(shí)到多個(gè)連接標(biāo)識(shí)的映射，實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備間的普適服務(wù)連接，映射定義如下：

圖3 一體化網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)層模型

其中，zN（n）SID表示一種服務(wù)，N表示服務(wù)種類，SID是服務(wù)標(biāo)識(shí)；（zNM（n）CID，zNM（n）CNo）表示在服務(wù)下映射出的某一連接，M種連接類型選擇，CID是連接標(biāo)識(shí)，zNM（n）CNo表示某一連接的連接號(hào)，用于區(qū)分每種連接中的某個(gè)連接號(hào)，CNo表示連接號(hào)數(shù)；Φ(·)是服務(wù)標(biāo)識(shí)解析映射的函數(shù)。從式（2）可知，Φ(·)是一對(duì)多的映射函數(shù)，完成一個(gè)服務(wù)到多個(gè)連接的映射；其逆映射Φ-1(·)完成將連接子層收到的多個(gè)連接向一個(gè)服務(wù)的映射。

3.2 未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)的原創(chuàng)模式是相對(duì)“靜態(tài)”和“僵化”的，如網(wǎng)絡(luò)不能自動(dòng)感知服務(wù)（業(yè)務(wù)）的需求變化，網(wǎng)絡(luò)資源無(wú)法按照需求動(dòng)態(tài)適配等，無(wú)法滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)“高速”、“海量”、“泛在”、“綠色”的通信需求。要從根本上解決現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)原始設(shè)計(jì)的嚴(yán)重弊端，必須在一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步創(chuàng)建全新的未來(lái)智慧型網(wǎng)絡(luò)體系與機(jī)制，建立相應(yīng)的基礎(chǔ)理論體系。為此，北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室在前期“973”計(jì)劃項(xiàng)目“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”成果的基礎(chǔ)上，依托國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目“未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目，深入研究和探索支持智慧（智能、感知、認(rèn)知、動(dòng)態(tài)等）服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系基礎(chǔ)理論，提出資源動(dòng)態(tài)適配的未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，提出了資源動(dòng)態(tài)適配的未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)“三層”、“兩域”總體系架構(gòu)模型（如圖4所示）。“三層”，即智慧服務(wù)層、資源適配層和網(wǎng)絡(luò)組件層；“兩域”，即實(shí)體域和行為域。

圖4中，智慧服務(wù)層主要負(fù)責(zé)服務(wù)的標(biāo)識(shí)和描述以及服務(wù)的智慧查找與動(dòng)態(tài)匹配等；資源適配層通過(guò)感知服務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地適配網(wǎng)絡(luò)資源并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)族群，以充分滿足服務(wù)需求，進(jìn)而提升用戶體驗(yàn)，并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率；網(wǎng)絡(luò)組件層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸以及網(wǎng)絡(luò)組件的行為感知與聚類等。該體系3層結(jié)構(gòu)之間的智慧映射函數(shù)分別為F1、F2和F3，如圖5所示，分別完成服務(wù)需求到族群的選擇、族群內(nèi)網(wǎng)絡(luò)組件與服務(wù)需求的匹配以及網(wǎng)絡(luò)組件的行為聚類功能。實(shí)體域使用服務(wù)標(biāo)識(shí)（service ID,SID）標(biāo)記一次智慧服務(wù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的資源和位置分離；使用族群標(biāo)識(shí)（family ID,FID）標(biāo)記一個(gè)族群功能模塊，使用組件標(biāo)識(shí)（node ID,NID）標(biāo)記一個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制和數(shù)據(jù)分離及身份與位置分離；行為域使用服務(wù)行為描述（service behavior description，SBD）、族群行為描述（family behavior description，F(xiàn)BD）和 組 件 行 為 描 述（node behavior description，NBD），分別描述實(shí)體域中服務(wù)標(biāo)識(shí)、族群標(biāo)識(shí)和組件標(biāo)識(shí)的行為特征。

圖4 “三層”、“兩域”總體系架構(gòu)模型

圖5 未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系模型

智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系通過(guò)動(dòng)態(tài)感知并智慧化匹配服務(wù)需求，進(jìn)而選擇合理的網(wǎng)絡(luò)族群及其內(nèi)部組件提供智慧化的服務(wù)，并通過(guò)引入行為匹配、行為聚類、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜行為博弈決策等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)適配和協(xié)同調(diào)度，使網(wǎng)絡(luò)更高效、優(yōu)化、節(jié)能等。

資源動(dòng)態(tài)適配的未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理如圖6所示。在智慧服務(wù)層和資源適配層之間，使用行為匹配機(jī)制，在行為域中，根據(jù)服務(wù)需求行為描述和族群功能行為描述形成一次映射，為智慧服務(wù)尋求最佳的族群功能模塊搭配組合，然后根據(jù)實(shí)體域的族群間協(xié)作機(jī)制，控制指定的族群功能模塊進(jìn)行協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)標(biāo)識(shí)到族群標(biāo)識(shí)的映射過(guò)程；在資源適配層和網(wǎng)絡(luò)組件層之間，使用行為聚類機(jī)制，在行為域中根據(jù)族群行為描述和組件行為描述形成另一次映射，為族群功能模塊判定最合理的網(wǎng)絡(luò)組件構(gòu)成，然后根據(jù)實(shí)體域的族群內(nèi)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，在族群功能模塊內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)組件之間建立相互聯(lián)動(dòng)關(guān)系，以完成族群功能模塊的整體功能，實(shí)現(xiàn)由族群標(biāo)識(shí)到組件標(biāo)識(shí)的映射過(guò)程。通過(guò)這兩次映射，網(wǎng)絡(luò)資源可以依據(jù)服務(wù)需求動(dòng)態(tài)適配，從而實(shí)現(xiàn)智慧服務(wù)。

未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)是用資源動(dòng)態(tài)適配的未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)替代現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從而建立一個(gè)智慧化的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)適配，以優(yōu)化利用網(wǎng)絡(luò)資源，從而向用戶提供高效、可信的普適服務(wù)，顯著提升用戶體驗(yàn)。

圖6 未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系功能模型

4 原型系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證所提出的新網(wǎng)絡(luò)體系理論與機(jī)制的正確性與可行性，北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室研制了一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具體包括廣義交換路由器、接入交換路由器、接入標(biāo)識(shí)映射服務(wù)器、接入標(biāo)識(shí)認(rèn)證服務(wù)器、普適網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、專用電話代理服務(wù)器、多連接服務(wù)器、多連接客戶端、服務(wù)標(biāo)識(shí)映射服務(wù)器、普適網(wǎng)絡(luò)Web服務(wù)器、普適網(wǎng)絡(luò)客戶端、一體化標(biāo)識(shí)骨干路由器、一體化標(biāo)識(shí)接入路由器、標(biāo)識(shí)認(rèn)證服務(wù)器、標(biāo)識(shí)分配服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、控制服務(wù)器、管理服務(wù)器、視頻會(huì)議服務(wù)器等。

研發(fā)過(guò)程中，嚴(yán)格按照軟件工程學(xué)和協(xié)議工程學(xué)方法，將原型系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程分為需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試等幾個(gè)階段。這些階段是相互疊加的開(kāi)發(fā)過(guò)程：只有前一個(gè)階段的文檔評(píng)審?fù)曛?，才可以進(jìn)入下一個(gè)階段。下一個(gè)階段進(jìn)行過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)前一個(gè)階段設(shè)計(jì)有誤，必須停止現(xiàn)階段的工作，分析錯(cuò)誤的原因，修改進(jìn)行前一階段的設(shè)計(jì)，只有修改再次經(jīng)過(guò)確認(rèn)后，方可繼續(xù)本階段的工作。

下面給出了未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系理論與關(guān)鍵技術(shù)仿真與驗(yàn)證方案，如圖7所示。

針對(duì)資源動(dòng)態(tài)適配的未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系的主要基礎(chǔ)理論，擬分別采用DipZoom等軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與建模，采用OMNeT++對(duì)“三層”、“兩域”體系架構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，使用PlanetLab服務(wù)驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。在理論得到初步驗(yàn)證后，建立一個(gè)小規(guī)模原型系統(tǒng)，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)功能測(cè)試儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能測(cè)試，并對(duì)原型系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證和評(píng)估小規(guī)模原型系統(tǒng)的正確性與可行性。在此基礎(chǔ)上，將原型系統(tǒng)升級(jí)到示范網(wǎng)的應(yīng)用規(guī)模，使用Smartbits網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的性能、抗壓能力、異常處理，并對(duì)用戶反饋的信息進(jìn)行分析。最終實(shí)現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)體系的大規(guī)模部署和實(shí)現(xiàn)。

擬采用的原型系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D8所示。該原型系統(tǒng)重點(diǎn)從智慧服務(wù)層理論與機(jī)制、資源適配層理論與機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)組件層理論與機(jī)制等方面，全面綜合開(kāi)展具體驗(yàn)證工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)新一代信息網(wǎng)絡(luò)的研究已進(jìn)入白熱化，基于分離映射的思想在學(xué)術(shù)界得到了廣泛承認(rèn)，未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)標(biāo)識(shí)化指日可待，但如何實(shí)現(xiàn)智慧化的標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)，在有效解決網(wǎng)絡(luò)安全、移動(dòng)、可控可管等的基礎(chǔ)上，使網(wǎng)絡(luò)更高效、優(yōu)化、節(jié)能方面尚未形成較為完整的體系，具有很好的發(fā)展前景和潛在機(jī)遇。本文針對(duì)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)原始設(shè)計(jì)模式存在的嚴(yán)重缺陷，在深化一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論，擴(kuò)大一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)已有成果的基礎(chǔ)上，指出了未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)智慧化發(fā)展趨勢(shì)，為有效解決網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、移動(dòng)性、安全性等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)更高效、優(yōu)化、節(jié)能等跨越式發(fā)展和實(shí)質(zhì)性突破提供了參考。

圖7 未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系理論與關(guān)鍵技術(shù)仿真與驗(yàn)證方案

圖8 未來(lái)智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)驗(yàn)證拓?fù)?/p>

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27 董平,秦雅娟,張宏科.支持普適服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)研究.電子學(xué)報(bào)，2007,35(4):599～606

28 楊冬,周華春,張宏科.基于一體化網(wǎng)絡(luò)的普適服務(wù)研究.電子學(xué)報(bào)，2007,35(4):607～613

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