chanong 李国杰
（中国科学院计算技术研究所，北京）
[摘要]本文总结了关于下一代网络的共识和分歧，分析了分歧的原因，提出应重视网络架构研究，包括重新认识边缘理论（End-to-End）、光通信和分组交换技术在从UNI模式向NNI模式融合过渡时，还必须注重网络结构和动力学的基础研究。
[关键词] 网络架构； 光通信； 分组交换; 大学； NNI； 网络动态
【中文图书馆分类号】TP 【文献识别码】A 【文章编号】1009-1742 (2002) 00-0000-00
1 关于下一代网络的共识和分歧
1.1 下一代网络的基本共识
·光纤通信技术的发展速度超过摩尔定律，DWDM将成为光纤通信的主流技术。
·基于IP协议的数字业务将逐渐成为通信和网络领域的主要业务
·无线和移动通信是下一代网络的重要组成部分，固定和移动网络融合是重要的发展方向。
·光分组交换在不久的将来还无法实现。 下一代网络的建设需要光（子）技术（线路交换）和电子技术（分组交换）的互补结合。
·下一代网络应具备可扩展性、灵活性、QoS、安全性和电信运营级可靠性，并提供足够的地址（IPv6）。
·下一代网络应致力于信息共享和协同工作，在TCP/IP和Web协议的基础上形成更易于共享和协作的新标准和协议。
1.2 对下一代网络理解的一些差异
· 分布式服务（食堂式）还是集中式服务（超市式）？
·网络的智能是在边缘还是在中心？ End to End 的基本论点还成立吗？ 主干网络应该更简单还是更复杂？
·按照功能对网络设备进行细分，即在服务器、路由器、交换机等多个层面进行横向整合，或者按语音、数据等业务细分进行纵向整合。
·是客户端/服务器（/）结构还是点对点结构？
·是试图消除信令、减少控制，还是强调信令和控制？ 控制网络是否独立于所需的数据层？
·从更长远的角度（10年到15年）来看，区别在于是重点发展全光网络还是光电混合网络。
·短时间内，分歧的焦点集中在数据链路层的实现上，即IP层和物理层之间采用什么技术，是重点发展IP over DWDM还是IP/ SDH/DWDM？
·从指导思想上看，是替代策略还是基于语音业务逐步增强业务能力的渐进策略？ 是强调三网在竞争中走向技术统一还是强调技术融合（）？
1.3 下一代网络分歧的原因
·由于技术背景不同（计算机、邮电、广播电视等），每位学者对下一代网络技术的侧重点有所不同。
·由于不同行业有不同的经济利益，对网络发展前景尤其是过渡措施的不同看法，实际上反映了不同的经济利益诉求。
·下一代网络的预测和规划不完全是技术问题，而是优化国民经济结构的问题。 我们应该关注经济学家的意见。
·认识上的差异往往就像同一枚硬币的两面，都有合理的成分。
1.4 发展前景与摸着石头过河
无论下一代网络的发展趋势如何不同，目前的网络建设基本采用国外大公司的设备。 因此，从某种意义上说，目前几大网络公司的产品决定了网络发展的方向，大公司根据短期市场需求开发新产品，采取摸着石头过河的技术路线。 是跟随国外大公司的脚步，还是独立思考，做一些前瞻性研究，用我国自主技术影响下一代网络标准，值得思考。
2下一代网络架构
2.1 应重视网络架构研究
所谓网络架构（网络架构），有时也称为网络顶层设计，是一个网络系统的整体结构（从物理连接到应用），包括描述协议和通信机制的设计原则[1]。 网络系统结构的选择是基于对各种网络应用的深入理解而抽象出的设计原则。 我国在水利、交通、建筑等大型工程中历来重视总体设计，但在管网建设时却往往忽视了系统结构。 网络技术发展非常迅速，需要前瞻性的架构设计。 我们现在网络建设中出现的很多问题都是源于忽视架构。 在讨论下一代网络时，我们必须高度重视网络架构研究。
2、系统架构初衷及需求变化
该架构是在 20 世纪 70 年代确定的。 在IETF近10年制定的各种标准（RFC）中，有40多个标准涉及架构（标题中）。 除了我们熟悉的IETF之外，协会中还有一个重要的组织——ITB（董事会），它充当架构看门狗的角色，确保设计原则30年来没有发生重大改变。
发展初期，面临的主要需求是网络互联、网络健壮、网络设备异构、分布式管理、低成本、易于接入互联网等。 因此，当时确定的网络架构是无连接的分组交换。 结构（哑）、高层功能放置在网络边缘，采用路由机制和尽力服务（最佳）原则。
过去30年取得了巨大的发展。 全球有 5 亿人通过家用计算机访问互联网。 各种以前无法想象的应用对网络架构提出了很多新的需求，比如移动性、随时变化的资源、流媒体服务、网络能力的分配（不完全基于公平性，也取决于付出多少）以及很快。 这些新的应用需求迫使我们重新审视架构，甚至考虑革命性的改变。 但网络架构的改变不仅要考虑技术需求，还要考虑很多非技术因素，包括企业模式、法律法规等。因此，不能完全采用自上而下的方式，应该采取迭代改进的方式。通过了。 新架构无法完全满足所有应用需求，必须提取最基本、最通用的需求（称为元需求）。 根据元需求定义最小的全局网络机制集，然后定义满足不同需求的子架构。
2.3 边缘理论（End-to-End）受到挑战。
麻省理工学院教授 David Clark（ITB 首任主席）在 20 世纪 80 年代初总结了边缘理论的原理，最近发表了一篇需要重新思考设计原理的重要论文 [2]。 他在20年前提出的End-to-End表述是：“一个应用功能只有当它的知识和帮助被放置在通信系统的边缘时，才能完整、正确地实现。因此，这个应用功能将被提出为本质上是不可能的。”当时这个断言的依据是网络不可靠，最终的正确执行只能在传输端的应用层进行。 让网络核心部分只传输最常见的数据而不实现特殊应用有很多好处：比如降低核心网的复杂度，方便升级； 提高网络的通用性和灵活性，在不改变核心网络的情况下添加新的应用； 但20年后，网络应用环境发生了巨大变化。 由于互不了解的用户迅速增加，已经成为一个没有信任的世界。 网络的核心部分必须加入认证、授权等机制，使网络更加可信。 尽力服务无法保证服务质量，尤其是流媒体服务质量，需要在网络中间增加存储节点。 ISP服务的多样化需要基于中间服务器的应用。 出于信息安全等考虑，政府和中介组织参与网络内容和服务的监督管理，网络的核心不能再是Dumb 。 早期的用户都是技术人员，但现在已经普及到普通人了。 很多复杂的软件都放在服务器上而不是“端”。 所有这些变化都需要增加核心网络的功能。 如今的商业模式不再是“端到端”，而是主要是。 我们面临非常复杂的应用需求，但不可能回头用简单的中心化服务取代边缘主义。 在追求新的网络架构时，应保留端到端原则所追求的灵活性和开放性。
2.4 光通信与分组交换技术的融合
线路交换（ ）和分组交换（ ）是当代通信网络的两种主流技术。 前者与光学技术紧密相连，后者与电子技术紧密相连。 从某种意义上说，未来网络将聚焦于光与电的技术融合。 近年来，光纤通信技术的发展基本上每六个月翻一番，而电子技术的发展则从18个月翻一番逐渐下降到两三年翻一番，而且差距越来越大。 在未来一两年内，大量原创创新将致力于缩小两者之间的差距。 当代物理学研究表明，光电界面所在的太赫兹区域具有许多奇妙的特性[3]。 目前线路交换的瓶颈在于光电转换。 所谓光交叉设备（OXC）仍然是先转换电信号，然后再进行交换。 如果在太赫兹附近发明一项新技术，就有可能直接利用光来实现分组交换，这将引起网络和通信的革命。
路由器带宽利用率极低，只有5%~50%。 通信业是所有工业部门中产能利用率最低的。 现在的路由器太愚蠢了。 造成拥塞的唯一方式就是丢包，并且它们无法识别语音流、图像流和文本流。 最需要克服的不仅仅是提高路由器的速度，而是提高其智能性。 利用全光技术实现交换和路由是很多网络通信研究者的理想。 目前OXC的密度仅为电包交换的2～3倍，竞争力不够。 未来将发展光子交叉互连（cross），实现更大粒度的交换。 由于如何对传输的光波进行延迟和存储的技术还处于实验室阶段，距离全光路由器的实际应用还有很长的路要走。 但正如程控交换机取代了人工操作一样，全光网络和智能全光分组交换网络的自动控制可能会取代当今光网络的人工操作，这是值得探索的。
2.5UNI和NNI模式
网络上有两种控制机制，路由机制和信令控制机制。 无连接网络使用路由机制，而连接网络依靠信令控制来建立连接。 两者是互不相容还是可以融合，是一个值得研究的问题。 事实上，路由和信令都是实现网络自动化所需的控制技术。 线路交换网络必须完全自动化，并且还必须具有路由信息。 即使 IP over 也必须在光学设备内添加路由和交换功能。 目前国外学者正在研究两种模型，试图将分组交换和线路交换统一起来[4]。
第一种模式是UNI模式，即User-。 这是一种分层叠加架构，将光网络视为业务层，将IP层视为客户层。 它提供了改进的信令协议，允许客户端向网络请求服务。 在这种模式下，分组交换和光网络的路由和控制过程是分离的，两个网络域通过UNI接口动态互连。 UNI 使双方能够相互了解。 UNI需要新一代的光服务。 ITU-T提出的自动交换光网络(ASON)就是这种模型的代表。 这是一种渐进的模式，技术上也比较成熟。 缺点是不利于网络资源的综合优化，而且两个控制平面带来管理麻烦。 UNI的接口设置在哪里也是一个争议很大的问题。 如果网络层只管理点对点的传输，即只批发骨干网的带宽，过去几年的事实已经证明，纯粹的宽带网络公司很难生存。 但如果网络层始终管理到应用程序，用户自主性和灵活性的优势就会丧失。
另一种模式是 NNI (-)。 这是一种集成模式或者点对点模式，它使用统一的控制平面来实现点对点交换。 线路交换和分组交换可以集成到一台设备中。 进一步的发展是实现对光网络的动态控制，按需建立和取消光线路。 这需要光设备之间的路由协议来发现邻居和拓扑，以及建立NNI的信令协议。 光网络中基于IP的路由机制和信令协议的采用带来了新的挑战，需要修改IP控制以适应光设备的架构。 该模型的优点是采用统一的控制平台，可以进行全面的优化设计，实现更有效的交通工程管理。 由于IP路由器了解光网络拓扑信息，因此可以执行显式路由。 融合模式的缺点是技术难度大，特别是需要网络运营商提供网络拓扑信息，商业融合困难。
分组交换与光网络的更紧密耦合是下一代网络的发展方向。 志富教授最近发表了许多文章和演讲来阐明这一发展方向[5]。 教授推测的下一代网络的发展方向值得关注。
我国已开展示范网研究工作，并正在组织新的示范网工程。 从以往的经验来看，示范网以国外新设备组网示范为主，主要用于验证国外设备和软件组网的可行性。 也有使用一些自主研发的设备或软件，但推广力度不强。 关于如何建设下一代网络，目前还没有令人满意的答案。 除了增量解决方案外，还应该鼓励一些革命性的解决方案。 即使它们与当前的协议标准不兼容，只要在性能或其他方面有数量级的改进，它们就值得一试。 。 “863”计划尤其要支持具有创新理念的实验网络。 通过试验网验证新协议，加大对国际标准制定的影响力。
3.关注网络动力学规律的基础研究
IP协议看起来很简单，无数的数据包似乎是随机发送的。 但整体上可以正常运行，具有较强的商业竞争力。 这背后一定有深刻的原因。 网络领域的学者尚未对网络动力学进行深入的研究。 近两年，美国NSF支持图灵奖获得者R. Karp等学者从事基础理论研究。 值得指出的是，近年来，美国等国物理学家在《结构与动力学基础研究》等顶级期刊上发表了数十篇论文，在学术界引起了巨大反响[6]。 最近的研究结果表明，互联网和万维网的节点链接并不服从泊松分布，而是服从帕累托分布。 节点连接数的分布与节点总数无关，因此称为无标度网络。 互联网和万维网都是“小世界”。 根据大规模数据统计，任意两个网页之间的平均“距离”小于20，任意两个路由器之间的平均“距离”小于10。互联网的无标度、小世界特性万维网是由其演化的动态规律形成的（新节点往往会连接到已经拥有更多链接的节点）。 人类社会和生物学中实际存在的许多复杂网络，例如蛋白质折叠、娱乐圈、论文署名作者、引文等，都具有与网络相同的特征。
无标度网络具有高度容错性，但比随机形成的网络更容易受到攻击。 连接最密集的节点成为最脆弱的瓶颈，可能导致网络瘫痪。 它最初是为了应对攻击而构建的，但网络的演变已经超出了其创建者的预期。 21世纪是一个复杂的世纪。 深入理解两个层次的复杂性——结构和动力学——是我们面临的严峻挑战。 当我们考虑下一代网络架构时，必须重视网络结构和动力学的基础理论研究。
参考：
[1] R、Clark D、S 等人。 下一个- ., 2000年7月15日, , 2000-07-15
[2] MS，克拉克·D·D.之：端到端VS美丽新世界[J].ACM Trans on，。 2001, 1(1): 70~109
[3] 江绵恒. 新时代办院政策的思考[R]. 2002年中国科学院2002年工作会议报告
[4]。 的——[M]。 ，（2000 年 12 月）
[5]。 ----问题与新[M]． ，（2000 年 11 月）
[6] R，A L. of 。 [J], 2002, 74(1) 48~97
下一个
李
（CAS，）
[]本文的下一篇和下一篇是 。 结果表明，我们必须从 UNI 到 NNI 进行端到端的处理。 ，基本的，比如，也放了。
[关键词] ; ; ; 大学； NNI；
2002年《中国工程科学》
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