新一代互联网体系结构的研究进展与分析.docx

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1、密级： 保密期期限：题目：新新一代互互联网体体系结构构的研究究进展与与分析学 号：姓 名：专 业：导 师：学 院：20111年 112月111日新一代互互联网体体系结构构的研究究进展与与分析摘 要要日益增长长的网络络规模和和用户需需求给互互联网带带来了诸诸多挑战战，新一一代互联联网体系系结构已已经成为为了网络络领域研研究的热热点。本本文就新新一代互互联网研研究背景景，研究究现状，待解决决的问题题进行总总结，并并对位置置标志和和身份标标志分离离的两类类方案进进行了探探讨。关键词：新一代代互联网网位置标标志 身身份标志志 LIISPNEXTT GEENERRATIION INTTERNNET AR

2、CCHITTECTTUREE REESEAARCHH ANND AANALLYSIISABSTTRACCTThe Chaalleengees hhavee beeen brooughht bbecaausee off thhe iincrreassingg neetwoork sizze aand useer nneedds.It hass beeen beccomiing hott too reeseaarchh thhe aarchhiteectuure of thee NGGI. In thiis ppapeer,tthe bacckgrrounnd, ressearrch staatu

3、ss, pprobblemms tto bbe ssolvved of thee NGGI wwilll bee suummaarizzed, annd tthenn,twwo pproggramms aare disscusssedd,whhichh soolveed tthe sepparaatioon oofloocattionn maark andd iddenttityy maark.KEY WORRDS:NGIIloccatiion marrkiddenttityy maarkLLISPP目录1 引引言52 现现状与问问题62.1 国内内外研究究现状662.2 待解解决的问问题73

4、 位位置标志志和身份份标志分分离83.1概概述83.2基基于主机机的路由由体系结结构83.3 基于网网络的路路由体系系结构993.4 两种方方案的比比较与分分析94 结结束语111参考文献献121 引引言互联网经经过400 年的的发展，已经取取得了巨巨大的成成功，目前已然然成为人人们生活活的必需需品，互联网网初期的的设计主主要遵循循了如下下几条原原则：用用位置对对节点进进行标识识；分层的的协议栈栈；在网络络层部署署唯一的的网络互互联协议议，即IPP网络互互联协议议；基于数数据报的的无连接接服务；端点智智能、网网络傻瓜瓜化，即即由端系系统负责责复杂的的网络功功能，连连接端节节点的网网络只负负责简

5、单单的传送送功能。今天互互联网的的成功很很大程度度上源于于这些基基本的设设计原则则。然而，互互联网在在这几十十年中发发生了巨巨大的变变化，在在安全性性、移动动性、可可扩展性性、可控控可管性性、服务务质量等等方面，互联网网原始设设计的缺缺陷逐渐渐暴露出出来。尤尤其随着着以“内容/信息共共享”为主要要特点的的网络应应用的快快速发展展，使得得当前互互联网正正面临着着前所未未有的压压力。具具体来说说主要有有以下几几点：IIP地址址匮乏1，难以更更大规模模扩展；网络服服务质量量(QooS)控控制能力力弱，不不能保障障高质量量对不同同业务的的网络服服务；缺缺乏安全全保障机机制，网网络安全全漏洞多多；对于于

6、用户在在移动互互联网的的要求，传统互互联网由由于其技技术本质质问题难难以满足足；另外外，目前前传统互互联网的的复杂程程度也使使网络控控制和管管理变得得异常艰艰难。世界各国国研究机机构早就就开始重重新考虑虑和研究究互联网网的体系系结构，试图提提出适应应于未来来环境和和应用需需求的新新一代互联联网体系系结构，美国等等发达国国家先后后开始了了新一代代互联网网研究，比较著著名的几几个计划划包括下下一代互互联网（NGII，nexxt ggeneerattionn Innterrnett）、下一一代网（NGNN，neext genneraatioon nnetwworkk）、美美国国家家科学基基金会设设立

7、的全全球网络络创新环环境（GGENII，gllobaal eenviironnmennt ffor nettworrk iinnoovattionn）和未来来互联网网网络设计计（FINND，ffutuure Intternnet dessignn）、欧盟盟第七研研发框架架计划（FP77）等。我国国在新一一代网络络体系结结构方面面刚起步步，已经经在“9733”计划、“8633”计划这这些重大大的国家家科研计计划中设设立了若若干个与与未来网网络相关关的项目目。2 现现状与问问题2.1 国内内外研究究现状美国自然然科学基基金会NNSF于于 20005 年启动动了两项项新一代代互联网网研究计计划: 未

8、来来互联网网设计FFINDD和全球球网络创创新环境境GENNI。2FINND 计计划最大大的特点点在于从从草图设设计开始始，探讨所所需的网网络结构构及其设设计，而不是是增量式式地逐步步改进现现有网络络。FINND 在在网络体体系结构构各个方方面的研研究和设设计都尽尽量做到到不受以以往的研研究思维维的影响响和束缚缚，即“革命式式”、“从头再再来”。GENNI 计计划的目目的则是是构建一一个全新新的、安安全的、能够连连接所有有设备的的互联网网，以促进进互联网网的发展展，并刺激激创新，促进经经济增长长。其目标标是发现现和评估估可以作作为 221 世世纪互联联网基础础的新的的革命性性概念、示范和和技术

9、，建立一一个用于于研究未未来互联联网体系系结构、服务和和过渡的的一个实实验环境境，提供更更多数量量和更好好质量的的研究平平台，并能将将研究成成果迅速速转化为为实际的的产品和和服务，使这些些产品和和服务能能够提高高国家未未来的经经济竞争争力和国国家安全全，并且能能够让当当前的网网络较快快过渡到到新的网网络体系系结构。GENNI 由由两部分分组成：研究计计划（ressearrch proograam）和实验验设施（expperiimenntall faacillityy）。其中中“研究计计划”的重点点是，研究创创造新的的核心功功能，包括要要超越现现有的数数据报、分组和和电路交交换框架架，设计新新的

10、命名名、寻址和和身份识识别体系系结构，构建内内置的网网络安全全机制和和新的网网络管理理机制，使下一一代互联联网具有有高度安安全性和和可管理理性。“实验设设施”的重点点是，研究能能够提供供包括传传感器和和无线移移动通信信设备等等在内的的多种接接入技术术，并能够够部署和和验证新新的体系系结构（例如，新的无无线技术术和光技技术、传传感器网网络、移移动无线线通信、RFIID 等等）。20077年初，欧盟在在其第七七框架FFP7中中设立了了“未来互互联网研研究和试试验”（FIRRE）项项目3。FIIRE是是一项长长期的试试验驱动动的原创创性研究究，涉及及了未来来互联网网的概念念、协议议和体系系结构、相关

11、的的科技、工业和和社会经经济学等等方面。其主要要研究内内容包括括：网络络体系结结构和协协议的新新方法；管理未未来互联联网日益益增长的的规模、复杂性性、移动动性、安安全性和和通透性性；在物物理和虚虚拟结构构的大规规模测试试环境中中验证上上述属性性。同为为未来互互联网研研究计划划， FFIREE和GEENI有有着很多多的相同同之处，它们都都关注如如何搭建建真实试试验环境境，从而而为理论论研究提提供证据据支持。 FIIRE希希望通过过螺旋式式的部署署方案，冲出地地理上的的限制，建立全全球性的的大规模模试验环环境。FFIREE同样采采用虚拟拟化技术术，该技技术将独独立存在在的资源源和设施施联系起起来，

12、不不仅使多多个组织织协同合合作，还还能降低低能耗和和成本。我国在国国家重点点基础研研究发展展计划（“9733”计划）中也明明确提出出了“新的网网络体系系基础研研究”作为重重点研究究课题，设立了了一系列列与未来来或新一一代互联联网有关关的项目目。20003年年，清华华大学、国防科科技大学学、北京京邮电大大学、东东南大学学和中科科院网络络信息中中心 55个单位位共同承承担了国国家“9733”计划项项目“新一代代互联网网体系结结构理论论研究”。还有有以张宏宏科教授授为首席席科学家家的“一体化化可信网网络与普普适服务务体系基基础研究究”，以孟孟洛明教教授为首首席科学学家的“可测可可控可管管的IPP网的

13、基基础研究究”，以吴吴建华教教授为首首席科学学家的“新一代代互联网网体系结结构和协协议基础础研究”等，钱钱华林研研究员在在其层层次交换换网络体体系结构构一书书中也对对未来互互联网的的架构做做了深入入的探讨讨。2.2 待解解决的问问题新一代互互联网的的基本特特征有“扩展性性、高性性能、实实时性、移动性性、安全全性、易易管理和和经济性性”，基于于这些基基本特征征，新一一代互联联网主要要面临有有如下四四个主要要问题。网络体系系结构单单一、可扩展展性不强强和网络络功能的的复杂多多样性的的问题。虽然人人们认为为，采用“边缘论论”作为指指导思想想的基于于尽力而而为的互互联网是是体系结结构可扩扩展性最最好的

14、网网络，但是这这种体系系结构的的可扩展展性也仅仅仅局限限在网络络互联互互通的角角度。在支持持新的服服务方面面则表现现出越来来越多的的局限性性。例如，很难对对组播进进行支持持，也很难难支持大大量主机机都处于于不断移移动状态态的情形形，这些问问题出现现的主要要原因都都是由于于尽力而而为的服服务模型型只考虑虑了互联联互通的的扩展性性目标而而没有考考虑互联联网络在在服务等等其他方方面的可可扩展性性问题。目前的的网络体体系结构构在地址址空间、寻址和和路由方方式、服服务类型型等方面面都很难难进一步步扩展4。未知的网网络行为为与确定的的传输控控制目标标之间的的问题。基于分分组交换换的互联联网络的的流量模模型

15、和行行为模型型还没有有得到很很好的研研究，目前虽虽然在大大规模网网络的流流量分析析中得到到了一些些基于自自相似和和长相关关的理论论成果, 但但是这些些成果背背后的科科学指导导作用还还有待进进一步发发掘。由于流流量模型型和行为为模型的的缺乏，导致人人们对大大规模网网络的控控制和管管理缺乏乏理论指指导，还停留留在直观观和经验验的基础础上，这也远远远不能能满足要要求网络络提供更更好的服服务质量量的需求求。网络的安安全可信信问题5。互联网网络作为为一个巨巨大的系系统工程程，它有其其固有的的脆弱性性。网络上上聚集了了大量的的硬件系系统和无无数的应应用软件件，每一种种硬件或或者软件件的缺陷陷都有可可能被利

16、利用来对对网络进进行攻击击或者恶恶意破坏坏。那么，如何从从理论上上分析网网络的脆脆弱性并并对其进进行保护护是还没没有解决决的难题题。网络在在保证自自身安全全的基础础上，还必须须为应用用提供所所需要的的安全功功能。如何在在应用规规模不断断增长，性能要要求不断断提高的的前提下下保证其其安全是是一个困困难的问问题。网络服务务需求的的复杂多多变的问问题。新新一代互互联网络络的复杂杂性（规模更更大、结结构更复复杂、异异构性更更强）以及用用户和服服务提供供者对服服务需求求的复杂杂性和多多样性（服务的的互操作作性、提提供速度度、可用用性、可可扩展性性、可管管理性和和服务质质量、服服务的智智能化和和个性化化等

17、）使得人人们急需需对如何何构建大大规模互互联网络络服务的的理论指指导。如何根根据新一一代互联联网络的的体系结结构建立立相应的的服务模模型，如何快快速灵活活地为用用户提供供具有高高可用性性、 良良好互操操作性和和高性能能的服务务，如何对对现有的的服务进进行协调调为端用用户提供供可重用用的服务务，如何对对服务进进行管理理，都是困困难而极极有价值值的理论论问题。3 位位置标志志和身份份标志分分离3.1概概述近年来，互联网网的路由由可扩展展性问题题引起了了越来越越多的关关注。在互联联网的无无缺省路路由域(DFZZ)中，路由表表的规模模正以“超线性性”的速度度增长6，这无无疑严重重影响了了互联网网路由系

18、系统的可可扩展性性。目前前研究者者已达成成共识，认为当当前DFFZ中路路由表规规模高速速增长的的根本原因因是由于于IP地地址同时时承担标标识主机机身份和和寻址双双重功能能而导致致的IPP地址语语义过载载。为解决决这个问问题，多多数专家家认为需需要从根根本上对对现有路路由体系系结构进进行重新新设计规规划。为解决路路由系统统的可扩扩展性问问题，目目前已经经提出了了多种方方案77。这些方方案大致致可以被被归纳为为两类：一类方方案是通通过减少少边界网网关协议议(BGGP)消消息更新新的频率率、压缩路路由表或或转发表表来解决决扩展性性问题，如虚拟拟聚合方方案(VVA)；另一类类方案是是基于身身份标识识和

19、位置置标识(ID/Loccatoor)分分离的思思想，将将IP地地址的主主机身份份标识与与路由标标识功能能分开，如主机机标识协协议(HHIP)位置/身份分分离协议议(LIISP)等。第一类类方案只只解决了了路由表表、转发表表快速增增长的问问题。第二类类方案不不仅能够够减小DDFZ中中路由表表的规模模，还支支持站点点的网络络多归属属和流量量工程，实现路路由系统统的可扩扩展。目前学术术界和工工业界的的很多研研究团体体已经提提出了众众多基于于位置和和身份分分离的方方案。大多数数方案的的设计都都遵循两两层命名名空间模模型，即即位置标标识命名名空间和和主机标标识命名名空间，两层命命名空间间方案又又可以按

20、按照位置置标识和和身份标标识分离离点的位位置不同同分为两两类：第第一类方方案在主主机处将将ID/Loccatoor彻底底分离，这需要要对主机机作一定定的修改改；第二二类方案案在边界界路由器器处进行行ID/Loccatoor的分分离，通通过在网网关处进进行封装装映射来来实现，主机无无需作任任何改变变。3.2基基于主机机的路由由体系结结构这类方案案的基本本思想是是在主机机处实现现位置标标识符和和身份标标识符的的彻底分分离。早期MM.ODelll提出出的GSSE就属属于此类类方案，它将主主机的IIPv66地址分分为Loocattor和和ID两两部分，实现了了位置与与身份的的分离，但并不不保证IID的

21、全全球唯一一性和安安全性。此后提提出的LLNAII以及HHIP也也属于此此类方案案。LNAII设计了了一个扁扁平的44层名字字空间结结构，包包括用户户级描述述符(UULD)服务描描述符(SIDD)、主机描描述符(EIDD)和IIP地址址。同时LLNAII还提出出了一个个三级地地址解析析方案，包括将将ULDD解析为为SIDD、将SIID解析析为EIID 将将EIDD解析为为IP地地址。通过增增加SIID和EEID这这两个额额外的名名字空间间和解析析层次，LNAAI不仅仅能够允允许服务务和数据据成为一一级因特特网对象象(能够够直接和和持久地地命名)，还支支持主机机的无缝缝移动和和网络多多归属，并可

22、以以将中间间盒如网网络地址址转换(NATT)和防防火墙等等整合到到互联网网体系架架构。HIP8提提出在网网络层和和传输层层中间插插入一个个新的协协议层主机机标识层层。主机标标识层将将原来紧紧密耦合合的传输输层和网网络层分分开，彻彻底分离离IP地地址的双双重功能能，使IIP地址址只作为为网络层层使用的的位置标标识符，专用于于数据包包的路由由转发，而把主主机标识识的功能能交给主主机标识识符(HHostt IDD)，传传输层使使用主机机标识符符而不是是IP地地址作为为主机的的标识。在双方方进行通通信时，IP地地址的变变化对传传输层透透明，从从而保证证在发生生移动或或者地址址变化时时，通信信可以持持续

23、进行行，而不不会被中中断。3.3 基于网网络的路路由体系系结构此方案的的基本思思想是：将整个个路由域域分为全全局路由由域和本本地路由由域，IID/LLocaatorr的分离离在边界界网关处处实现。全局路路由域是是由边界界网关组组成的，在同一一个本地地路由域域内的实实体之间间的通信信使用身身份标识识符进行行路由，在全局局路由域域内使用用位置标标识符进进行路由由。需要发发往本地地域外的的数据包包携带的的是目的的主机的的身份标标识，它它们首先先被转发发到本地地路由域域的边界界网关处处(源网网关)。源网关关通过某某种映射射服务获获得目的的网关的的位置标标识并将将这个标标识作为为目的地地址。接着，根据目

24、目的网关关的位置置标识，这个数数据包就就可以通通过全局局路由域域到达目目的网关关。目的网网关去掉掉数据包包中的位位置标识识，根据据目的主主机的身身份标识识转发数数据包，最终数数据包将将到达目目的主机机。这类方方案不仅仅仅能够够解决目目前Innterrnett面临的的路由可可扩展问问题 支支持站点点多归属属，而且且由于IID/LLocaatorr在路由由器处进进行分离离，有利利于ISSP进行行流量工工程控制制。Ciscco公司司提出的的LISSP采用用了边缘缘网络和和核心网网络分离离的概念念，将核核心网络络与边缘缘网络划划分不同同的路由由空间9，基本思思想是通通过核心心网络和和边缘网网络的分分离

25、实现现核心网网络的可可扩展性性。它将当当前具有有双重语语义的IIP地址址命名空空间分离离成端节节点身份份标识(EIDD)和路路由地址址(RLLOC)，其中中EIDD用于在在边缘网网络(本本地路由由域)中中进行路路由，而而RLOOC对应应为位置置标识符符，用于于核心网网(全局局路由域域)的路路由，并并通过引引入入口口隧道路路由器(ITRR)和出出口隧道道路由器器(ETTR)对对数据包包的封装装，实现现身份与与位置的的分离。LISSP采用用IP- OVVER- UDDP隧道道技术，其中内内层包头头存放EEID，外层包包头存放放RLOOC。隧道端端点路由由器负责责缓存EEID到到RLOOC的映映射。

26、由于LIISP以以尽量少少地改变变Intternnet的的基础设设施为设设计目标标，所以以在LIISP中中端系统统无需任任何改变变，只需需对现行行的路由由器进行行微小的的改变，并且能能够增量量部署。 当然然， LLISPP也存在在一些问问题。例如，LISSP的实实现依赖赖隧道技技术，边边界路由由器需要要维护流流量状态态，由此此而产生生的可靠靠性和扩扩展性问问题有待待解决。3.4 两种方方案的比比较与分分析以上共介介绍了两两类不同同的路由由体系结结构。LNAAI需要要对现有有的主机机软件作作很大的的改变，包括协协议和应应用程序序，而且且解析这这些名字字空间需需要新的的解析系系统。因此，LNAAI

27、的部部署代价价较大。在引入入了多个个层次的的名字空空间后，安全问问题如拒拒绝服务务攻击也也成为LLNAII的较大大隐患。以HIIP为代代表的在在主机处处实现IID/LLocaatorr分离的的方案实实现了IIP地址址双重语语义的彻彻底解耦耦，完全全解决了了移动性性、网络多多归属问问题，增增强了安安全性，实现了了路由系系统的可可扩展，但是这这类方案案需要对对主机进进行修改改，部署署难度较较大，且且不能支支持有效效的流量量工程。以LIISP为为代表的的采取映映射封装装的方案案在边缘缘路由器器上实现现了核心心网络和和边缘网网络的分分离，边边缘网络络的动态态变化不不会对核核心网络络造成严严重影响响，从

28、而而实现了了路由系系统的可可扩展。这类方方案只需需对路由由器进行行改动，部署代代价较小小，支持持网络多多归属和和流量工工程，能能够增量量部署。这类方方案的最最大问题题是，需需要在入入口隧道道路由器器(ITTR)处处采用查查询映射射，查询询延迟会会导致路路由器丢丢弃或者者缓存大大量分组组，容易易遭受攻攻击。改进方方案是IITR可可以在没没有映射射信息时时，将分分组发送送给映射射系统，让分组组经过映映射系统统进行路路由，导导致映射射系统在在提供映映射功能能的同时时，还要要需要承承载用户户流量的的转发，对映射射系统的的设计和和性能提提出了要要求。通过以上上分析可可以看出出这些方方案各有有优缺点点，其

29、设设计的目目的都是是解决路路由系统统的可扩扩展性这这个首要要问题。当然除除了路由由的可扩扩展性，未来互互联网路路由体系系结构还还要支持持具有扩扩展性的的流量工工程、网络多多归属以以及移动动性，尽尽量简化化自治系系统的重重编址，考虑路路由质量量和安全全。同时，方案的的可部署署性也是是设计时时必须要要考虑的的重要因因素。4 结结束语经过十多多年时间间，人们越越来越深深刻地认认识到下下一代互互联网研研究的重重要性、复杂性性、艰巨巨性和长长期性，发达国国家纷纷纷把新一代互互联网研研究列入入未来信信息技术术领域的的重点发发展方向向。近年来来新一代代互联网网研究已已得到我我国政府府的高度度重视。目前，国内

30、外外的研究究工作大大多仍处处于初始始阶段，尚存大大量的理理论与实实现问题题需要解解决110。中国作作为一个个互联网网用户的的大国，必须抓抓住这个个历史性性的机遇遇，一方方面跟踪踪分析国国际上的的最新研研究进展展，另一一方面立立足自主主创新，努力形形成具有有自主知知识产权权的技术术成果；使中国国在新型型网络体体系结构构研究领领域与国国际水平平同步甚甚至领先先，推动动相关标标准建立立及技术术进步，在从理理论分析析到应用用基础研研究以至至可用技技术实现现和验证证的各个个环节，展开攻攻关，实实现中国国网络技技术领域域技术实实力的一一次跳跃跃性发展展，最终终提升中中国在信信息领域域的核心心技术竞竞争力及

31、及影响力力。参考文献献1 余建斌斌.新一一代互联联网:速速度更快快容量更更大.人人民日报报.20010-07-05.2 吴建平平,刘莹,吴茜.新一代代互联网网体系结结构理论论研究进进展.中国科科学(EE辑:信信息科学学).20008,(10).3 吴建平平,李星,刘莹.下下一代互互联网体体系结构构研究现现状和发发展趋势势.中兴兴通讯技技术.20111,(022).4 吴建平平,吴茜茜,徐恪恪. 下下一代互互联网体体系结构构基础研研究及探探索.计计算机学学报.20088,(099).5陆陆璇,龚向阳阳,程时端端. 新新一代互互联网体体系结构构.中兴通通讯技术术.20099,(044).6 陆璇,龚向阳阳,程时端端. 新新一代互互联网体体系结构构(2).中兴通通讯技术术.20099,(055).7 董平.基于身身份与位位置分离离映射的的可扩展展路由体体系研究究D. 北北京交通通大学,20008.8 杨水根根.主机机标识协协议的移移动性管管理研究究D. 北北京交通通大学,20008.9 李锐.新一代代互联网网体系结结构及关关键技术术研究D. 北京京邮电大大学,220111.10陆璇,龚向阳阳,程时端端. 新新一代互互联网体体系结构构(3).中兴通通讯技术术.20099,(066).