关于未来网络研究的调研报告.pdf
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1、I 关于未来网络研究的调研报告关于未来网络研究的调研报告 中科院计算技术研究所信息技术战略研究中心中科院计算技术研究所信息技术战略研究中心 中科院计算机网络信息中心信息化发展战略与评估中心中科院计算机网络信息中心信息化发展战略与评估中心 2016.11 信息技术与信息化前瞻情报分析系列报告 FIAR-01 II 目目 录录 1 未未来网络研究的背景来网络研究的背景.1 1.1 现有网络存在的问题.1 1.2 其他方面的阻碍.3 1.3 业务应用的发展与驱动.3 1.4 产业发展背景.3 1.4.1 国际的产业变革形势.3 1.4.2 未来信息技术发展.4 1.5 未来网络研究思路.4 2 未来
2、网络研究主要技术方向未来网络研究主要技术方向.5 2.1 组网技术.5 2.1.1 SDN 早期工作.5 2.1.1.1 4D Approach.5 2.1.1.2 Ethane.5 2.1.1.3 Google 的 B4 网络.6 2.1.2 SDN 说明.7 2.1.3 NFV 说明.8 2.1.4 SDN 与 NFV.10 2.2 新型网络体系机构.11 2.2.1 ICN、CCN、NDN.11 2.2.1.1 DONA.12 2.2.1.2 CCN.12 2.2.1.3 NDN.14 2.2.1.4 SDN 与 ICN 融合.15 2.2.2 基于安全与可扩展的网络架构(XIA).16
3、 2.2.3 移动网络(MobilityFirst).18 2.2.3.1 介绍.18 2.2.3.2 协议组件.19 2.2.3.3 特征.20 2.2.3.4 进一步信息.21 2.2.4 云网络(NEBULA).21 2.2.4.1 介绍.21 2.2.4.2 构成与特点.23 2.2.4.3 网络体系架构.24 2.2.4.4 进一步信息.25 2.2.5 FI-WARE.25 2.2.6 其他.26 2.2.6.1 PSIRP 与 PURSUIT.26 2.2.6.2 4WARD.27 III 2.2.6.3 ChoinceNet.27 2.2.6.4 RINA/PRISTINE.2
4、9 2.3 大规模网络创新试验床技术.29 2.3.1 试验床的整体架构.30 2.3.2 试验床组网.30 2.3.3 联邦部署.30 2.3.4 试验支撑系统.31 3 有关技术的标准化与推广有关技术的标准化与推广.32 3.1 SDN 技术标准化.32 3.1.1 介绍.32 3.1.2 ONF.32 3.1.3 IETF.33 3.1.4 ITU-T.33 3.1.5 OpenDayLight.34 3.1.6 OpenContrail.35 3.1.7 ONOS.35 3.2 NFV 技术标准化.36 3.2.1 介绍.36 3.2.2 ETSI.36 3.2.3 OPNFV.37
5、3.2.4 3GPP.38 3.3 SDN 相关的研究计划.39 3.3.1 CableLabs.39 3.3.2 BBF.39 3.3.3 Domain 2.0.40 3.4 ICN 技术标准化.41 4 标准化组织关于未来网络的研究动态标准化组织关于未来网络的研究动态.41 4.1 ITU-T.41 4.1.1 SG13.41 4.1.2 ITU-T FG IMT-2020.43 4.2 3GPP.44 4.3 ETSI.45 4.4 IRTF.45 4.5 5G.47 4.5.1 5G 介绍.47 4.5.2 5G 路标.50 4.5.3 5G 网络概要级框架.50 4.5.3.1 网络
6、逻辑功能框架.51 4.5.3.2 基础设施平台.52 IV 4.5.4 5G 采用技术介绍.52 4.5.4.1 SDN、NFV、ICN.52 4.5.4.2 端到端网络切片.52 5 有关有影响力专家的最新研究动态有关有影响力专家的最新研究动态.54 5.1 人员基本信息介绍与主页.54 5.2 Nick McKeow.55 5.2.1 介绍.55 5.2.2 最新论文.55 5.3 Scott Shenker.55 5.3.1 介绍.55 5.3.2 研究领域.56 5.3.3 技术观点.56 5.4 Van Jacobson.56 5.4.1 介绍.56 5.4.2 会议.57 5.5
7、 Zhang Lixia.57 5.5.1 介绍.57 5.5.2 会议.57 5.6 Jennifer Rexford.57 5.6.1 介绍.57 5.7 Vint Cerf.58 5.8 David D.Clark.58 5.9 Constantine Dovrolis.58 5.9.1 介绍.58 5.9.2 近年论文.59 5.10 小结.59 6 讨论分析讨论分析.59 6.1 主流方向.59 6.2 领域热点.60 6.3 发展趋势.60 6.4 其他特点与趋势.62 7 对我国未来网络研究的建议对我国未来网络研究的建议.62 7.1 当前我国未来网络建设有关背景.62 7.1.
8、1 国际未来网络项目合作与互联互通.62 7.1.2 国内信息化发展战略.63 7.1.3 实施网络强国战略.64 7.2 国内未来网络研究情况.65 7.2.1 面向服务的未来互联网体系结构.65 7.2.2 未来网络试验基础设施.67 V 7.3 我国未来网络发展建议.68 8 附录附录.70 8.1 国外未来网络项目与进展.70 8.1.1 美国.70 8.1.1.1 NewArch.70 8.1.1.2 FIND.71 8.1.1.3 FIA 和 FIA-NP.71 8.1.1.4 GENI.71 8.1.2 欧洲.72 8.1.2.1 FIRE.72 8.1.3 日本.73 8.1.
9、3.1 AKARI.73 8.1.3.2 新一代网络研究与发展计划.73 8.2 网络试验床国际代表性项目.74 8.2.1 PlanetLab.74 8.2.2 GENI.74 8.2.3 FIRE.75 8.2.4 其他试验床.75 8.3 欧美重要项目规划中有关内容介绍.75 8.3.1 NITRD.75 8.3.2 Horizon 2020.76 8.4 未来网络国外研究进展与现状.77 8.5 未来网络国外研究机构情况.79 8.6 美国 NITRD 中涉及机构介绍.80 8.7 美国 NITRD2017 年预算中未来网络方面有关机构的规划.81 9 与本次调研相关的说明与本次调研相
10、关的说明.84 9.1 调研范围.84 9.2 术语和缩略语.85 9.3 主要参考文献.86 -1-关于未来网络研究的调研报告关于未来网络研究的调研报告 1 未来未来网络网络研究研究的的背景背景 1.1 现有网络存在现有网络存在的的问题问题 现今的互联网是在 20 世纪 60 年代阿帕网(ARPANET)的基础上发展起来的。早期的网络主要用于资源共享,如使用远程的设备,或者在科研机构之间传递数据等,因而,业务流量相对较小,而且通信双方都是可信的。互联网体系结构在设计之初由于当时各种背景所限,设计基础是分组交换技术以及端到端透明和尽力而为等理念。早期网络采用尽力而为(Best Effort)的
11、交付方式,网络在转发分组时,不保证通信的可靠性,也不提供安全性、服务质量(Quality of Service,QoS)等保障,更复杂的网络任务由通信的两端实现。这使得网络的核心相对简单,在一定程度上推动了互联网在全球范围内的普及。最初互联网有如下特性:(1)处于一个可信环境中。所有用户都是军事或科研人员,互相信任,所有设备也处于(受保护的)可信环境中;(2)接入网络的设备比较单一,只有主机和服务器;(3)设备之间采用专门的铜质电缆连接;(4)网络节点数少,最初只有 4 个,终端数少(数百或数千),用户数少(数千);(5)应用单一,主要是文件传输和消息交换;(6)用户是专业研究人员,拥有相关专
12、业知识。但是经过 50 余年的发展,互联网已经发展成为当今和未来社会基本信息基础设施,深入经济、文化和军事等人类活动的各个领域,远远超过了当初单纯军事教育科研的目的。目前的互联网已发展为集商业运营、公共服务、个人娱乐、政府管理为一体的多方平台,已演变成全球化的、缺乏明确治理规则的复杂空间。当前互联网特性和最初的截然不同:(1)处于不可信环境中;(2)接入网络设备多样化;(3)设备之间连接介质多样化;(4)网络节点数量和终端数量巨大,用户数众多(数十亿,未来可能数百亿);(5)应用多样化;(6)用户多样化,拥有相关专业知识水平差异化。互联网发展过程中遇到了各种各样的问题如地址匮乏、移动性、多宿主
13、等,尤其是安全问题(授权、身份认证、完整性、机密性、不可抵赖性、可审计性、可用性和可控性等),实际上解决问题采用的方法都是零散式、修补式的,经过近 30 年积累,这导致整个系统越来越复杂,面临更多新的问题。随着用户规模和业务规模的不断增长,以及物联网、社会网络、大流量视频等新应用模式的出现,互联网体系结构中存在的一些固有问题和困难也逐渐凸显,使得互联网在可扩展性、安全性、隐私保护、服务质量、能耗等方面,难以适应全球网络规模的 -2-急剧扩张。1.可扩展性问题可扩展性问题 该问题主要是指网络增长模式不能满足发展的需求,例如,随着用户数量和应用需求的不断增加,网络流量增加的速度已远远超过摩尔定律与
14、路由器性能提升的速度,这导致运营商不断进行被动扩容,并为之付出了大量成本。同时,骨干路由器的路由表急剧膨胀,目前全球活跃路由表条目已经超过 40 万条。而且正在以每两年 1.3 倍的速度增长。路由表条目的快速增长大大降低了路由查找性能,增加了路由器的系统开销,而在现有互联网体系结构中,只能通过不断地增加硬件设备性能来缓解该项问题,尚未找到根本性的解决方案。2.安全性安全性与隐私与隐私问题问题 随着互联网应用的飞速发展与大规模普及,网络安全成为一个不得不重视的重要挑战。由于互联网最初设计的主要目的是实现鲁棒性互联和资源共享,并未充分考虑到网络的安全需求,虽然陆续有 IPSec、DNSSec、RA
15、DIUS 等技术被提出以加强网络安全性,但整个互联网的安全保障仍处于被动应对的状态,网络的安全性问题缺乏系统性的解决方案。在网络空间,隐私的丧失很容易发生。在移动互联、网络社交、定位系统与大数据分析愈演愈烈的今天,手机、导航仪、电脑、电视机,每个电机设备都有可能成为数据的记录端口,隐私保护则成为了最大的难题。3.可管可控性问题可管可控性问题 现有的互联网采取了尽力而为的服务机制,网络本身缺乏感知和测量功能,也没有真正有效的控制与资源调度手段,越来越无法满足未来新型网络应用的需求。随着网络规模越来越大,如何实现网络系统的高效管控、自诊断、自恢复也成为亟待解决的关键难题。4.移动性问题移动性问题
16、早期互联网主要为以计算机为代表的具有一定处理能力的固定终端提供数据交换服务。目前随着便携式移动设备和物联网、泛在网的出现,互联网的终端形态发生了很大的变化,突出表现为终端的移动性显著增加,数据传输路径频繁更换,严重破坏了上层应用服务的连续性,甚至难以保证传统意义上的端到端传输。如何高效地实现网络对移动性的支持成为亟待攻克的重要问题。5.绿色与节能问题绿色与节能问题 现今的互联网已成为耗能大户。思科公司的分析报告显示,一些高端路由器的能耗甚至已高达兆瓦级。如何构建高效节能的网络已经成为影响国民经济和社会发展的重大科技问题。-3-1.2 其他方面的阻碍其他方面的阻碍 现有专用通信设备的不足,网络设
17、备投资居高不下,而与此同时运营商网络流量不断增长,收入增长却不明显,形成增量不增收的现象。网络协议方面,现今的互联网采用沙漏状体系结构,处于细腰部位的是 IP协议。这是一种以主机为中心的通信模式。每台主机被赋予一个全球唯一的 IP地址,IP 地址既代表主机的位置,也代表主机的身份。主机上的所有内容和应用程序均与这个 IP 地址绑定。用户在获取特定的内容时,必须先指定某个主机作为内容的提供方,并给出其 IP 地址,然后通过网络把内容从源主机传递到目的主机。1.3 业务应用业务应用的的发展与驱动发展与驱动 依据Cisco的技术报告,到2020年,全球将拥有41亿网民,每月产生194.4EB的流量。
18、而随着在线视频、社交媒体等应用的兴起,视频流量将占网络总流量的82%。海量的用户需求为现有互联网架构带来了巨大的挑战。1.用户无法选择最优的内容提供方。对热点视频的访问可能会造成部分网络反复传送相同的内容,既浪费了资源,也影响了服务质量。这是因为,即使多个提供方拥有相同的内容,用户也只能通过有限的渠道(如搜索引擎等)获取提供方的地址,因而难以依据距离等信息指定最优的提供方。2.传统的 TCP/IP 网络只提供不可靠的交付,因而无法满足安全性、QoS 等要求。网络的发展越来越受基于网络的业务应用需求驱动,大规模用户和用户服务商对网络的影响越来越大。随着基于网络的应用的普及,用户量、业务的多样性、
19、业务流量对网络产生巨大影响;在整个网络业务产业链中,业务服务厂商的影响也逐渐增加,传统的网络受运营商、设备商影响的形式已经改变;受用户的影响,业务服务厂商对于支撑自身提供服务的网络需要更强的管控力和灵活性。1.4 产业发展背景产业发展背景 1.4.1 国际的国际的产业变革产业变革形势形势 未来网络的发展直接关系到全球化、国家发展、国家安全、新型社会建设。世界各国加快网络空间战略布局,围绕关键资源获取、国际规则制定的博弈日趋尖锐复杂。加快信息化发展,建设数字国家、网络强国等已经成为全球共识。当前,美国实施先进制造伙伴计划、德国发布工业 4.0、中国出台中国制造 2025、日本也提出了第五期科学技
20、术基本计划,世界迎来第四次产 -4-业革命的大变革。日本提出以制造业为核心,灵活利用信息通信技术,基于因特网或物联网,打造世界领先的超智能社会(社会 5.0),不断创造新价值和新服务。超智能社会是继狩猎社会、农耕社会、工业社会、信息社会之后的新型社会,是在必要时,可以将必要的物品和服务提供给需要的人,能够极其细致地满足各种社会需求,所有人超越年龄、性别、地域或语言等差异都能获得高质量的服务,可以快乐舒适生活的社会。超智能社会中科技创新将发挥先导性作用,网络空间和物理世界高度融合。1.4.2 未来信息技术发展未来信息技术发展 2015 年 9 月,世界经济论坛发布了一份预测信息技术拐点及其社会影
21、响的调查报告。该报告筛选出了 21 项有望于 2018 至 2027 年间发生的技术拐点,总结了这些拐点技术所构成的六大宏观趋势,并介绍了其可能产生的社会影响。技术拐点和平均期望年份如下:以上技术的发展构成了六大宏观趋势,包括:(1)人与互联网、(2)随处可见的计算、通讯及存储、(3)物联网、(4)人工智能和大数据、(5)共享经济与分布式信任和(6)物质的数字化。1.5 未来网络研究思路未来网络研究思路 自 2000 年起,世界各地众多研究人员和学术机构已经展开各种项目试图重新设计一种未来的互联网来取代当今的互联网以适用现在和未来的需求。项目可能有不同的名称如未来互联网、下一代互联网、新一代网
22、络等。最有革命性的解决方向是 design from scratch 或者beginning from a clean slate,即不受原来互联网设计限制全新设计互联网体系结构。CleanSlate100*100 是美国国家科学基金(NSF,national science foundation)在 2003 年启动的一项研究计划,计划目标是通过针对推倒重来,从零开始的设计方法论、全面的网络框架及网络拓扑设计、网络协议栈设计方面的研究,构建传输速率为 100Mbps,规模为 100 million 的未来国家级互联网。-5-2 未来网络未来网络研究研究主要技术主要技术方向方向 未来网络技术研
23、究涉及范围广泛,有多项问题值得研究和探讨,下面根据目前国际研究热点,主要从组网技术、新型网络体系结构、大规模网络创新试验床三个方面进行介绍。组网技术主要关于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)。新型网络体系结构包括美国、欧洲关于网络体系结构的技术,如 ICN、XIA、MobilityFirst、NEBULA、FI-WARE 开放平台等。大规模网络试验床为新型网络体系架构、协议和算法的演进式验证和部署提供了有效的基础与保障,是未来网络领域的一个研究重点,这里也做了说明。2.1 组网技术组网技术 2.1.1 SDN 早期工作早期工作 软件定义网络(SDN)是一种新型的网络架构,它的设计
24、理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离,并实现可编程化控制。SDN 由应用层、控制层和基础设施层组成,其三大特征是控制转发分离、控制层进行逻辑集中控制、控制层向应用层开放 API。符合这 3 个特征的 SDN 架构可能影响和改变运营商网络的方方面面,是目前通信产业非常关注的技术。2.1.1.1 4D Approach 2005 年,在 CMU(卡内基梅隆大学)张辉教授的带领下,4D Approach 研究团队在 CCR 期刊上发表论文A Clean slate 4D approach to network control and management。论文中提出:网络的关键是协同,这是控
25、制和管理平面的事,重新构建网络的机遇和重点在控制平面。2015 年,该论文获得 SIGCOMMM 10 年内影响最大的论文奖(Test of Time Award),理由是 4D Approach 研究促使了 SDN的诞生。2.1.1.2 Ethane SDN 的概念来源于美国斯坦福大学 Clean Slate 研究组提出的一种新型网络创新架构 Ethane 项目。Ethane 最初是为了提出一个新型的企业网络架构,以简化管理模型。其基本功能是网络安全控制。Ethane 把转发设备分成集中式的控制器和 Ethane 交换机。控制策略存储在控制器中。交换机接收到分组后,首先把分组发送至控制器。控
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