未来网络创新的若干思考

未来网络创新的若干思考李国杰中国科学院计算技术研究所2011年11月11日2主要内容未来网络研究的必要性与紧迫性未来网络研究需要重视的四个问题–未来网络研究的思维模式–未来网络体系结构模型初探–可编程高效路由器–试验创新机制计算所在未来网络方面的研究工作31969年，美国国防部高级研究计划署ARPA资助建立了世界上第一个分组交换试验网ARPANET。ARPANET的建成开启了计算机网络发展的新纪元。互联网—回顾过去IP网络在大规模普及之前有20余年艰苦探索的历史。其成功的理念与设计原则值得学习与借鉴。IP网络设计之初具有用户少、设备昂贵、应用简单、流量小等特点，因此确立了简洁而清晰的网络结构。简单的IP网络如今已经取得了远远超出当初预想的巨大成功70年代末到80年代初,MILNET、USENET、BITNET等，在网络的规模和数量上都得到了很大的发展,1982年，ARPANET开始采用TCP/IP协议。1986年美国国家科学基金会NSF资助建成了基于TCP/IP技术的主干网NSFNET，世界上第一个互联网产生，迅速连接到世界各地。4RFC6438+！2011/11/2互联网—审视现在随着规模和业务类型的爆炸式增长，互联网由最初简单的网络架构逐渐演变为充满各种“补丁”的结构，正变得越来越臃肿，互联网已经从干净的层次架构变成了一个杂乱的复式结构互联网—展望未来新的计算模式和应用模式的出现对互联网带来巨大的冲击——Gartner公司预测未来十大IT发展趋势6大数据的存储与计算传输效率：海量数据传输(ZB级)、高清内容2014年网络流量预计是2009年的4.3倍（思科）2015年预计每秒钟将产生245TB的数据（思科）海量数据新的计算模式带来的问题和挑战网络逐渐增加信息处理、存储等功能，网络问题将变成一个计算机系统结构问题。角色转变7新的应用模式带来的冲击和挑战人机物随着物联网以及Twitter,Facebook,YouTube等社会网络新型应用的出现和发展，基于信息网络的社会群体呈爆炸式增长，网络将由过去的机、机互联发展到人、机、物互联，未来信息化的发展将以“人机物”三元融合为基础传统的机机网络模型无法融合网络节点的异构性特征，访问模式的急剧变化对现有网络架构也提出了新的挑战伴随着新的计算模式和应用模式的出现，现在的互联网在可扩展性、动态性、自适应性等方面面临非常严重的挑战。8现有互联网存在问题举例及原因分析9问题1：业务模型与网络传输模式的不匹配导致严重的流量可扩展性问题10可扩展性问题Zipf分布模型（来源：INFOCOM1999）（来源：思科视觉网络指数(VNI)）互联网主流业务流量服从Zipf-like分布模型•施乐研究中心的Breslau和斯坦福大学的Cao等在INFOCOM19991上提出，普通数据请求如web请求近似服从Zipf分布模型•Zipf-like分布的最大特点是数据访问热度集中传统互联网架构采用端到端设计原则，缺乏数据热度感知和智能调度业务请求模式与端到端的原则的不匹配导致大量重复数据产生，加剧互联网流量爆炸•思科视觉网络指数预测2015年全球流动数据量比2010年增长26倍互联网流量爆炸式增长1.WebcachingandZipf-likeDistributions:EvidenceandImplications,Infocom19992.TrafficModelingandProportionalPartialCachingforPeer-to-PeerSystems,IEEE/ACMTransactionsonNetworking,200811问题2：面向端到端的常连接模式不适应网络及其节点的动态性12移动终端流量占网络流量的比重日益增加据摩根士丹利预测，移动终端的访问流量已经远远超过PC，移动终端总数将于2012年超过PC物联网节点能力受限，加剧网络不稳定性P地址被赋予身份和位置双重功能，无法支持主机和IP地址的动态绑定，进而导致对移动性支持能力不强TCP/IP面向端到端的常连接，不能很好地适应网络的动态性，因而IEEEComputerSociety已经将支持延迟容忍的移动环境新一代传输协议列为未来网络的重要研究课题动态性（来源：摩根士丹利，MorganStanley）13问题3：网络体系结构自身缺乏进化能力，无法适应上层应用和底层传输技术的快速发展14自适应性问题P1：相对固定的网络体系结构如何适应无法预测的应用？Web1.0Web2.0Web3.0现有IP网络体系架构无法根据上层应用和底层传输技术的发展实现自动演进，网络面临可持续发展问题–ISP大约每6个月就要对网络进行人工升级，耗费大量资源–斯坦福大学的McKeown等人在SIGCOMM081上指出，网络设备平台对二次开发的支持以及接口的完全开放是新型网络架构及协议自动演进的基本需求，而这些需求现有IP网络无法满足应用和传输技术的快速更新增加了网络管理与控制的复杂性，设计具有自进化能力的网络体系结构有利于根据应用的不同需求和网络实时信息实现对底层网络资源的高效管控1.OpenFlow:enablinginnovationincampusnetworks,Sigcomm200815问题4：网络交换设备的高能耗使得互联网陷入能源危机路由器等网络核心设备均采用满载的设计原则，然而，思科分析报告显示，当今网络骨干链路的带宽利用率不足40%，大量路由设备负载较低测试表明路由器在低负载和满载情况下的能耗非常接近1，因此目前路由器大都工作在低负载、高能耗的模式下–据Cisco分析统计报告，高端CRS-1路由器能耗高达兆瓦级解决能耗问题的两种方案–设备级：使路由器能够根据负载状况自动实现部分模块或接口休眠–网络级：结合流量分布，使低负载路径上路由器等网络设备休眠。例如GreenTE高能耗问题（来源：Environ.Res.Letter）1.OntheImpactofMonitoringRouterEnergyConsumption2.forGreeningtheInternet,GRID2010国家有关部门高度重视未来互联网技术研究《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中指出下一代网络关键技术与服务----重点开发高性能的核心网络设备与传输设备、接入设备，以及在可扩展、安全、移动、服务质量、运营管理等方面的关键技术，建立可信的网络管理体系，开发智能终端和家庭网络等设备和系统，支持多媒体、网络计算等宽带、安全、泛在的多种新业务与应用。2012~2016面向服务的未来互联网体系结构与机制研究刘韵洁2011~2013物联网的技术理论与实践研究刘海涛2009~2013新一代互联网体系结构理论研究吴建平2007~2011可测可控可管的IP网的基础研究孟洛明2007~2011一体化可信网络与普适服务体系基础研究张宏科973项目中长期规划纲要基金重点项目2012~2016后IP网络体系结构及其机理探索谢高岗2012~2016移动网络用户智能主动服务理论与关键技术研究陈俊亮18主要内容未来网络研究的必要性与紧迫性未来网络研究需要重视的四个问题–未来网络研究的思维模式–未来网络体系结构模型初探–可编程高效路由器–试验创新机制计算所在未来网络方面的研究工作未来网络研究的思维模式1920研究未来网络需要打破思维定势人工系统与自然界的物理系统不同，自然系统是“上帝”造的，遵循自然界的客观规律，一般不能“打破”。人工系统是人自己造的，过一段时间就可以颠覆，根据新的需要创造新的人工系统。一旦一个人工系统被长期使用，就可能形成思维定势，认为现有系统难以撼动。所谓在“飞行中不能换飞机发动机、在行驶中不能换汽车轮子”就是这种思维定势。未来网络与现有的互联网要不要兼容，兼容什么，兼容多少主要不是技术问题而是市场问题。如果未来的网络服务市场比现在大一个数量级以上，而现有互联网有些根本问题（如可扩展性、移动互联等）解决不了，不可能满足未来巨大市场的需求，转移成本可接受的非IP新网络就一定会取代现在的互联网。21研究未来网络的科研目标是证明新网络的潜力不是改进性能国内科研人员的习惯是提出一个新算法或设计一个新系统，找一些典型应用来验证自己的方案比现有系统好，因此常常把新算法或新系统的性能或效率放在第一位。实际上性能和效率主要是工程问题，不应当是未来网络研究的主要科研目标。如果提出一个新方案比现在互联网好一点，但今后改进的余地已很小，这种方案不可能成为未来网络的选择。未来网络研究的动机是解决TCP/IP网络不能解决的问题，通过理论证明或有科学根据的验证预测，确信新的网络结构、原理和协议能做现在互联网做不到或做不好的事，也就是重点在证明新网络的潜力。即使新网络现在实现的性能还不理想，只要很多企业介入，性能就能迅速提高。22切忌“只见树木、不见森林”国外长期从事互联网研究的权威学者认为，我国许多关于未来网络的研究是“只见树木、不见森林”，习惯于对技术细节的改进而缺乏判断宏观市场和洞察未来的眼力。现在做后IP网络研究的学者遭到的责难与质疑，与当年做IP网络遭到电信界的质疑十分相似。“IP细腰”的巨大成功就在于它既能支持“everything”又能“overeverything”。现在的科研目标就是要根据新的应用需求找到类似“IP”的新的“细腰”。“端到端的通信”是IP网络的核心理念，而现在已经不是网络应用的主要需求。我们的内心深处仍被“端到端的通信”所笼罩，因此提出的新网络结构和原理总容易留下“端到端的通信”的痕迹。只有摆脱“通信网”的思想束缚，才能在未来网络研究中做出大的贡献。(能量传导与辐射的类比）对未来网络，我们需要做些什么？国外学者对中国未来网研究的评价1：（inChina）Longer-termresearchprojectsoninnovativearchitecturalresearcharestillinthecradlecomparedtothoseoftheUnitedStatesandEuropeanUnion.（中国长期创新网络体系结构研究还处在摇篮阶段）我们需要做三件事：第一是在统一的规划下从不同角度对未来网络开展基础前瞻研究2；第二是在集成独立研究成果基础上提出统一的架构和规则；第三是建立足够真实和规模的未来网络测试环境。在分析当前互联网不可能满足未来需求时，需要详尽的案例和数据；对新提出网络的潜力要有可信服的论证。——1“ASurveyoftheResearchonFutureInternetArchitectures”IEEECommunicationsMagazine•July2011——2美国的FIA计划同时开展数据命名、移动互联、云计算服务和安全机制研究23不要纠缠“革命”与“渐进”的争论一讨论未来网络，就会争论走革命性（cleanslate)道路还是渐进式演化道路，或者“演进式革命”。这种无聊的争论只会使我们永远走不出摇篮。“一步行动胜过十打纲领”，扎扎实实的基础性前瞻性研究一定会对互联网的演进有指导意义，后IP网络研究可以真正弄清楚现在IP网络那些地方必须改变，那些地方可以不改。即使目标是革命性的新网络体系结构，其实现也可以采取逐步演进的方式。现有的节点和应用不做改变就应该可以和新建的网络互相通信。IPv6推广如此艰难证明一条真理：要改变现有的网络去适应新的网络，这条路很难走通。而Ethernet通过向后兼容得以大规模推广的成功经验对研究和构建未来网络有借鉴意义。（城市交通发展地铁的启示）24科研模式的创新探索建国初期两弹一星的集中科研模式有许多成功的经验。上世纪50年代采取“先集中后分散”技术路线，来自全国的科研人员在中科院计算所共同努力研制第一代计算机的历史至今令人神往。近20年来，单位的名誉和利益成了科研人员精诚合作的障碍，同行不是怨家就是对手，竞争有余，合作不足。所谓课题合作往往都是联合申请经费，分完钱后就各干各的事。在