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解讀下一代信息網絡技術發(fā)展的現狀與未來

2011/01/24

　　使用一種網絡傳輸以前多種網絡業(yè)務的需求日益強烈。隨著網絡的管理和運營變得非常復雜，帶寬“瓶頸”、網絡安全、移動性支持等問題越來越突出。下一代信息網絡技術的重點研究目標是解決現有信息網在安全、服務質量、服務模式等方面存在的問題。可以從現有信息網絡的演進和完善、全新信息網絡體系建立兩個方面展開研究。

　　信息網絡的原始設計思想是一種網絡支撐一種主要服務的模式，例如，電信網針對語音服務，互聯(lián)網針對數據服務，廣電網針對廣播服務。在此基礎上演進和發(fā)展起來的現有信息網絡，盡管規(guī)模已經十分龐大，但是仍然難以突破原始設計思想的局限，無法滿足網絡及服務多樣化的需求。為此，近幾年來世界各國都積極開展了下一代信息網絡的研究工作。中國在“十一五”規(guī)劃建設中明確提出了未來5年對信息網絡技術領域的重點支持，中國國家中長期發(fā)展規(guī)劃中也將“下一代網絡關鍵技術與服務”作為未來十幾年的網絡發(fā)展目標。

一、下一代信息網絡技術國際研究現狀

　　國際電信聯(lián)盟(ITU)認為下一代信息網絡以下一代網絡(NGN)為代表，并組建4個工作組對下一代信息網絡框架和關鍵技術展開研究：

　　ITU-T SGl3工作組完成NGN體系框架、演進、融合等課題，具體包括框架和體系結構、信令要求、項目管理協(xié)調和計劃頒布、實施方案和應用模型、網絡和業(yè)務能力、互操作性、移動性和固定/移動融合、公共數據安全等；

　　ITU—TSGll工作組主要研究信令和信令控制架構；

　　ITU—TSGl5工作組主要研究NGN接入技術和傳輸技術；

　　ITU—TSGl6工作組主要研究多媒體業(yè)務和普適應用等。

　　互聯(lián)網工作組(IETF)認為下一代信息網絡就足下一代互聯(lián)網(NGI)。NGI對物理層和數據鏈路層沒有特殊要求，研究重點在業(yè)務承載層和業(yè)務層。在業(yè)務承載層，NGI主要采用IPv6協(xié)議；在業(yè)務層，NGI主要采用基于智能終端的端到端控制方式。

　　NGI的主要目標包括：高性能網絡架構和先進的網絡技術。

　　高性能網絡架構具有兩個特性：高性能連接性，超高速交換和傳輸性。

　　成功實現該目標的主要因素是互聯(lián)網的數量以及端到端的性能。NGI需要開發(fā)和演示的網絡服務的主要領域和相關協(xié)議包括：服務質量；安全和可靠性；網絡管理，包括服務體系架構、服務因素、統(tǒng)計、測量、分析等的定義和工具；路由、交換、組播�？煽總鬏敗踩�、移動等相關新協(xié)議；計算機操作系統(tǒng)；分布式應用環(huán)境。

　　互聯(lián)網研究任務組(IRTF)認為下一代信息網絡中核心的問題是數據端到端的傳輸，無論是加密、認證、可靠性，還是轉發(fā)等，路由都是重點關注的問題。根據數據分析，目前的路由表條目為30萬條，而到2050年可能達到1000萬條，因此路由問題非常復雜。另外，在現有的互聯(lián)網體系結構中，服務提供商和用戶之間存在嚴重的矛盾：服務提供商提倡網絡盡量簡單穩(wěn)定，而用戶則認為要更好地控制網絡。這一矛盾加劇了路由問題的嚴重性。因此，IRTF目前致力于解決相關的路由問題，包括路由的健壯性、可擴展性等。

　　近年來，國際上相關政府和研究機構紛紛啟動了下一代信息網絡及關鍵技術的研究工作。2005年，美國自然科學基金委員提出全球網絡研究環(huán)境(GENI)項目。該項目投資3億美元，擬從根本上重新設計互聯(lián)網，以解決現有的各種問題，打造一個更適合未來計算機環(huán)境的下一代互聯(lián)網。GENI主要包括一個研究計劃和搭建一個測試環(huán)境。GENI的研究重點是網絡安全，手機、無線和傳感器網絡共同組成的普適計算環(huán)境，重要的基礎設施控制，以及處理新型服務的能力。該項目首次從基礎理論上為下一代網絡的發(fā)展提出明確的建議和指導方向。

　　目前，該項目分為4個工作組：管理架構工作組負責項目資源管理、項目之間的協(xié)調、資源應用的政策制定、與外部的聯(lián)系等；實驗流程和服務工作組負責實驗分析的計劃、調度、運行和故障排除，長期實驗床的規(guī)劃，數據歸檔等；操作、管理、集成和安全組負責制定GENI計劃的操作、管理、安全的要求等；測試儀器和測量工作組負責討論、發(fā)展和建設可用于GENI體系中的測試儀器和測量基礎設施。

　　2006年，美國自然科學委員會提出未來互聯(lián)網設計(FIND)項目，該項目投資2000萬美元，要從根本上重新設計互聯(lián)網，以解決現有互聯(lián)網所存在的問題，打造一個適合未來15年計算環(huán)境的下一代網絡，包括網絡體系結構、原理、機制等。該項目重點考慮安全、可靠、可信性，研究新網絡技術，新計算模式，新應用，經濟利益等。

　　2007年，歐盟提出未來互聯(lián)網研究和實驗(FIRE)計劃。該項目投資4000萬歐元，擬重新設計未來7巨聯(lián)網的概念、協(xié)議、體系結構，包括網絡技術、工業(yè)和社會經濟因素等；設計未來互聯(lián)網模式，提出不受兼容性限制的設計觀念、協(xié)議、體系結構，包括網絡技術、工業(yè)和社會經濟因素等；設計未來互聯(lián)網模式，提出兼容性限制的設計觀念；設計具有自律特性的通信方式，考慮技術、經濟、社會等方面的因素；在安全、義務、隱私三者之間進行平衡。

　　具體研究內容包括：普遍存在的、具有極高容量、高度靈活、能適應多種商業(yè)模式的下一代普適網絡基礎設施；克服目前受限商業(yè)模式的未來巨聯(lián)網體系及關鍵技術；具有允許服務可以動態(tài)配置、可靠、可依賴、易于解決底層網絡的復雜性，并且包容Ad—Hoc方式連接的資源等特性的下一代軟件和服務關鍵技術；允許各個組織結構、企業(yè)等共同使用(互操作)的體系結構和解決方案；安全、可信任的網絡和服務平臺；端對端、個性化的媒體分發(fā)和協(xié)同利用技術；完全由用戶控制的、具有嚴格用戶隱私保護措施的個人數據和數字身份技術。

二、下一代信息網絡技術中國研究現狀

　　中國非常重視對下一代信息網絡體系及關鍵技術的研究，啟動了一系列與下一代信息網絡息息相關的科研工作，包括國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計劃)、國家自然科學基金、國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)、發(fā)展和改革委員會的CNGI等項目。

　　國家發(fā)展和改革委員會于2003年底宣布實施中國下一代互聯(lián)網示范工程(CNGI)的下一代互聯(lián)網計劃。該項目計劃在2005年底以前投資14億元構筑連接中國各地主要城市的IPv6商用骨干網，使之成為產、學、研、用相結合的平臺以及中外合作開發(fā)的開放平臺。

　　CNGI的總體目標為：改進和提高現有網絡和大力推廣應用；實施中國下一代互聯(lián)網示范工程，攻克下一代互聯(lián)網及其重大應用的關鍵技術，實現下一代互聯(lián)網的產業(yè)化；在技術上通過科學研究和技術開放，掌握下一代互聯(lián)網及其應用的關鍵技術；在專利與標準方面申請一批專利，并爭取在關于下一代互聯(lián)網的重要國際標準中有中國的一席之地；建設一個科學實驗、技術驗證和業(yè)務示范的公共平臺；在產品方面形成有自主知識產權的軟、硬技術和產品；促進中國電信運營業(yè)的新業(yè)務和應用的開發(fā)，帶動中國民族信息產業(yè)的發(fā)展。

　　“973”計劃也資助了下一代信息網絡體系及關鍵技術方面的相關項目。2003年，“973”計劃資助了重大研究項目“新一代互聯(lián)網體系結構理論研究”，重點研究以IPv6為核心的下一代互聯(lián)網體系結構及關鍵技術。項目取得了很多研究成果。

　　在基礎理論方面，提出了下一代互聯(lián)網體系結構的多維可擴展模型和分析驗證理論；提出了互聯(lián)網動態(tài)行為模型和控制理論；研究了互聯(lián)網的脆弱性模型，并建立了可信性模型理論；提出了互聯(lián)網的服務模型和服務管理模型；提出了系統(tǒng)的互聯(lián)網科學實驗理論框架和多維網絡行為觀察模型。

　　在網絡體系結構設計和實現方面，設計了下一代互聯(lián)網多維可擴展的、可信任的，可管理的和安全的體系結構和服務總體框架。設計其中主要的協(xié)議機制、關鍵算法，并實現了可運行驗證的原型系統(tǒng)。

　　在實驗平臺建設和實驗方面，提出了互聯(lián)網基礎研究的綜合實驗驗證理論框架，為基礎研究成果的實驗驗證提供了理論支持；依托CNGI和NSFCNET，建設了一個下一代互聯(lián)網技術的實驗、驗證和演示平臺，為基礎研究成果的實驗驗證提供了實驗環(huán)境。

　　目前該項目已經進入滾動程序，計劃針對“下一代互聯(lián)網體系結構與協(xié)議基礎”繼續(xù)深入開展研究。擬解決支持跨域大規(guī)模路由海量數據傳送的下一代互聯(lián)網體系的可擴展性、可信性、高效性、實時性和可管理性等5個科學問題：下一代互聯(lián)網體系結構可擴展性和演進性研究、大規(guī)模網絡的編址和路由研究、大規(guī)模流媒體高效網絡傳送機制研究、異構接入的非連接網絡實時服務質量保證研究、復雜自治網絡的網絡管理與安全研究。

　　2007年，“863”計劃項目組啟動了“新一代高可信網絡”重大項目。該項目圍繞國家重大工程、重大行業(yè)應用等關鍵技術，構建一個柔性可重構的、實現“三網融合”的、跨區(qū)域的國家示范網絡，引領和支撐電信網絡、廣電網絡和互聯(lián)網絡向下一代高可信互聯(lián)網方向演進，成為國際互聯(lián)網技術主流發(fā)展方向之一。項目重點研究創(chuàng)新的網絡體制和創(chuàng)新的業(yè)務體系，包括國家實驗床、新型的路由、光傳送以及低成本接入設備4個部分。

　　2007年，“973”計劃資助了重大研究項目“可測可控可管的IP網絡的基礎研究”。該項目以可測、可管、可控的IP網中的可測性的基本方法、可管理的通用性質、可控性的實現機理等3個科學問題為主要目標，主要研究內容包括：IP網可測可控可管的結構、模型與實驗驗證，面向業(yè)務感知的網絡測量理論與方法，IP網的網絡管理模型、機制與算法，IP網的信任管理體系和理論，智能光互聯(lián)網的資源優(yōu)化與控制，IP網生存性的通用機理和調控方法。

　　2007，“973”計劃資助了重大研究項目“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”。該項目提出具有兩層邏輯參考模型的下一代信息網絡—一體化網絡與普適服務體系，目前已經取得重要的突破性、階段性進展。一體化網絡與普適服務體系結構實際上是一個“標識分組網絡”(以標識進行管理，以分組進行傳輸)，包括交換路由層和普適服務層兩大部分。交換路由層的研究目標是在一個可信(安全、可靠、可控、可管)的一體化網絡平臺上提供多元化的網絡和終端接入，保證信息交互的可信性和移動性，并支持普適服務的能力。普適服務層負責各種業(yè)務的繪畫、控制和管理。這些業(yè)務包括由運營商或第三方增值服務商提供的各種網絡業(yè)務，主要是語音、數據、流媒體等，不同的業(yè)務用同一個普適服務層承載。

　　2008年，“973”計劃資助了重大研究項目“認知無線網絡基礎理論與關鍵技術研究”。該項目重點研究通過認知的手段提高無線網絡容量的基礎理論和關鍵技術，提出一種全新的認知無線網絡體系結構模型。項目通過引入與用戶平面、控制平面相分離的認知平面，來更好地協(xié)調和支持網絡內的推理、預測、網間學習、融合和決策等認知行為，并實現認知流與控制流和業(yè)務流之間的合理分離與有機協(xié)調。主要研究內容包括：無線網絡認知基礎理論與方法研究，智能的動態(tài)網絡資源管理模型與控制機制研究，基于認知的無線網絡傳輸機制研究，端到端重構機理研究。

三、國內外下一代信息網絡的研究項目對比

　　目前國內外對下一代信息網絡的研究項目大致可以分為兩大類：

　　第1類主要是基于現有信息網絡的演進和完善機制，如CNGI項目、“863”計劃重大項目“新一代高可信網絡”、“973”計劃項目“新一代互聯(lián)網體系結構理論研究”以及“973”計劃項目“可測可控可管的IP網絡的基礎研究”；

　　第2類主要在力求設計全新的信息網絡體系及關鍵技術，如美國的GENI和FIND項目、歐盟的FIRE項目、“973”計劃項目“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”以及“973”計劃項目“認知無線網絡基礎理論與關鍵技術研究”等。

　　當前國內外關于下一代信息網絡的研究才剛剛開始，存在巨大的拓展空問，具有良好的發(fā)展機遇。對下一代信息網絡自身關鍵技術的全面系統(tǒng)研究正是當前網絡發(fā)展所迫切需要和亟需解決的問題。因此，迫切需要研究下一代信息網體系及關鍵技術，展開下一代信息網絡的全面系統(tǒng)研究工作。希望中國在研究中取得全面的創(chuàng)新性成果和突破性進展，占領信息領域的制高點，形成自主知識產權的重大創(chuàng)新，使中國在知識產權問題上不再受制約。這對于提高中國國際競爭力，創(chuàng)建創(chuàng)新型社會具有重要的意義。

四、下一代信息網絡的研究項目未來研究重點

　　下一代信息網絡技術的重點研究目標是解決現有信息網在安全、服務質量、服務模式等方面存在的問題。對下一代信息網絡體系及關鍵技術的研究可以從以下兩個方面展開研究。

　　4.1 基于現有信息網絡的演進和完善機制

　　4.1.1 基于測量和管理的網絡行為建模與方法

　　基于測量和管理的網絡行為建模與方法以解決網絡行為、構造可以預測網絡行為為模型等問題為主要目標。主要研究內容包括：面向網絡行為感知的網絡測量模型及方法，面向網絡行為感知的網絡管理模型及方法，面向網絡行為感知的測量/管理采樣網絡參考模型及拓撲結構，基于網絡行為原始數據的網絡行為建模，網絡行為模型驗證。

　　4.1.2 超大容量光波網絡交換與路由

　　新型光交換模式與基礎理論包括高效可管控的新型光交換理論及支撐技術、物理層和控制層的協(xié)同機制、可提升網絡安全性的新型光交換機制、端對端路由連接、有信令系統(tǒng)的光路交換系統(tǒng)的核心機理。高性能光波路由系統(tǒng)的理論與實現機理包括面向多粒度、大容量、高效率、低耗能的光波路由系統(tǒng)理論與技術，滿足多帕比特每秒容量要求的高性能可擴展光子節(jié)點結構，支持能耗管理的高容納、低延遲光波路由矩陣及組網方式。

　　4.1.3 超高速光傳輸理論與方法

　　超高速光傳輸理論與方法圍繞下一代超高速光傳輸系統(tǒng)展開研究，為實現超高速光傳輸提供理論基礎與技術支撐。主要研究內容包括：具有高譜效率、高色散容限、高噪聲容納等特征的新型光調制，解調理論，光收發(fā)機制和色散管理方法，光纖媒質的非線性傳輸通道模型、多種效應的相互作用機制和信道性能監(jiān)測方法等。

　　4.2 全新信息網絡體系及關鍵技術

　　4.2.1 支持普適服務的智慧互聯(lián)網體系及關鍵技術

　　智慧互聯(lián)網絡具有感知和學習當前網絡狀態(tài)，并用以正確規(guī)劃、判決和處理網絡中的各種行為，達到支持普適服務，并保障網絡的安全、可控、可管的能力。主要研究內容包括：以支持普適服務為主要目標的智慧互聯(lián)網絡體系架構問題，智慧互聯(lián)網絡體系中的認知基礎理論與方法，智慧互聯(lián)網絡體系中的智能路由交換理論、機理與關鍵技術，智慧互聯(lián)網絡自主管理與控制理論、機理與算法等。

　　4.2.2 智能服務基礎理論及關鍵技術

　　智能服務基礎理論及關鍵技術以解決融合網絡環(huán)境系復雜服務需求建模、泛在融合網絡服務的按需聚合和協(xié)同，感知問題等問題為目標。主要研究內容包括：融合網絡環(huán)境下服務需求的智能化建模理論和方法研究，泛在融合網絡服務的按需聚合和智能化協(xié)同、感知問題研究，智能服務的質量保證及測試技術研究，智能服務平臺及關鍵技術研究。

　　4.2.3 移動互聯(lián)網體系及關鍵技術

　　移動互聯(lián)網是下一代互聯(lián)網中的重要和關鍵組成部分。目的是解決傳統(tǒng)互聯(lián)網體系及理論難以解決的由移動性所帶來的高速切換、安全、可控和可管等問題，因此對移動互聯(lián)網體系與理論的基礎研究具有非常重要的戰(zhàn)略意義。主要研究內容包括：移動互聯(lián)網體系架構下的機理、理論與模型研究，支持快速移動和安全接入的認知網絡的交換路由機理、理論與關鍵技術，移動互聯(lián)網中異構網絡切換、管理、安全的機制、理論與關鍵技術，支持普適服務的移動互聯(lián)網機理、機制及理論。

五、結束語

　　目前，國際上對下一代信息網絡的研究才剛剛起步，還沒有形成較為完整的體系。中國具有很好的發(fā)展機遇。突破傳統(tǒng)研究思路，認識和研究下一代信息網絡，更好地滿足國家和社會需求，已經成為中國科技工作者的緊迫任務。中國信息網絡發(fā)展迅速，相關的關鍵網絡理論技術也已經初露倪端。下一代信息網絡技術的基礎研究為中國科技工作者取得網絡信息領域的跨越式發(fā)展和實質性突破提供了一次重要機遇，對提高中國國際競爭力、創(chuàng)建創(chuàng)新性社會具有重要的意義。

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