1112 计算 机 学报 2012年 从上述分析可以看出，缺乏安全可控的服务性 跳数，提高数据传输容量 能是互联网面临的另一个根本性问题，设计面向服 P4P方案有助于消除P2P覆盖网络与实际网 务的未来互联网体系结构，支持服务资源和物理网 络拓扑之间的失配，它的核心原则是在现有网络体 络的相互感知，构建面向服务和数据的安全与可信 系结构的基础上增加新的设备，基于用户数据请求 架构，从源头上限制网络攻击行为的发生，构建服务 特征，实现数据感知与资源调度，并且依赖于运营商 性能与网络服务能力、用户需求的定量模型，以服务 与服务提供商之间的协助.正是由于上述问题，人们 性能最大化为目标决定网络提供服务的方式，将为 期望从体系结构本身来解决流量增加问题， 未来互联网中安全可控性问题提供根本的解决 CCNC10]/NDNC1](Content Centric Network/Named 方案 Data Networking)是目前解决流量扩展性问题的革 综上所述，现有TCP/IP体系结构无法解决互 命性体系结构. 联网面临的可扩展性、动态性和安全可控性等根本 CCN/NDN旨在通过新体系结构的设计，实现 性问题，需要设计新的互联网体系结构并研究相关 以地址、位置为中心的网络向以数据为中心的网络 关键机理.对未来互联网的研究思路可以分为两种： 的转变，拟解决地址空间爆炸、动态性、地址可扩展 演进式或增量式(Incremental)和变革式(clean- 等问题，同时借助存储优化流量，避免拥塞，提升网 slate).演进式路线通过“打补丁”的方式对TCP/IP 络吞吐量.如图1(a)所示，CCN/NDN在体系结构 互联网进行修改和补充，其核心仍然是TCP/IP体 中引入命名数据作为协议栈的细腰，不再采用基于 系结构，并未从根本上解决TCP/IP体系结构面临 P地址的方式，允许应用按照需要独立选择命名方 的问题，不能或者不能很好地适应互联网接入方式 案；基于命名数据的设计可直接满足应用需求，无需 和数据交换的巨大变化.最近几年，国际上开始以变 中间件实现从P地址到所需内容的映射，简化网络 革式路线研究未来互联网体系结构，即“从零开始”， 架构设计；通过在中间路径上路由器中缓存命名数 不受现有互联网体系结构的约束，研究新的体系结 据，便于后续请求就近获取数据，达到避免拥塞、优 构，这种变革式思路已经成为设计未来互联网体系 化流量的目的.如图1(b)所示，CCN/NDN采用基 结构的共识.尽管如此，为推动新的互联网体系结构 于名字的路由和转发，通过定义标准接口将路由和 的部署和实施，在设计过程中也需要考虑与现有互 转发分离，有助于两者平行研究，特别是可在转发 联网的互通，支持现有互联网向新型互联网的演进 不变的前提下研究路由优化.CCN/NDN使得内容 式部署 分发变得更加自主，用户可自由选择最优链路 CCN/NDN模型与现有网络模型具有较好的兼容 3未来互联网体系结构(FIA)研究进展 性，可以运行于任何层次之上，同样任何层也可以运 行于CCN/NDN之上，对内容分发具有优势，并能 针对现有TCP/IP体系结构存在的可扩展性、 很好地支持流量的可扩展性， 动态性、安全可控性等问题，本节综合分析了现有解 CCN/NDN以数据为中心的思想能够很好地 决上述问题的研究进展 减少网络中传统数据密集型应用（如在线视频、文件 3.1面向可扩展性的体系结构 下载等)的流量.然而在未来互联网中，业务类型将 互联网可扩展性问题包括两个方面：流量可扩 更加多样化，许多新型应用如实时应用、交互式应用 展和路由可扩展.德国Ipoque的统计数据表明，目 等将日益流行，为了保持这些动态数据的连接， 前网络带宽“消费大户”是P2P文件共享，在北美和 CCN/NDN要求周期性地广播探测包从而带来大 东欧地区分别占据了43%和70%的网络带宽①.造 量的信令开销.此外，在未来互联网云计算模式下， 成上述问题的原因在于P2P的数据传输机制，P2P CCN/NDN仅仅缓存数据，而对数据的处理仍然需 过于强调“对等”，每个节点之间的数据交换完全是 要到远端的云计算平台上进行，这也一定程度上限 无序的，为解决这一问题，美国耶鲁大学的研究人员 制了该架构对网络流量优化的作用.从上述分析可 提出了P4P方案1)，与P2P随机挑选伙伴节点不 以看出，未来互联网仅仅以数据为中心是不够的，数 同，P4P方案充分利用网络运营商掌握的网络拓扑、 收费策略等控制信息，通过智能运算选择地域临近 D Schulze H.Mochalski K.Internet study 2008/2009.http: //www.ipoque.com/resources/internet-studies/internet- 的网络来进行数据交换，最大程度降低数据传输的 study-2008_2009,2011从上述分析可以看出，缺乏安全可控的服务性 能是互联网面临的另一个根本性问题．设计面向服 务的未来互联网体系结构，支持服务资源和物理网 络的相互感知，构建面向服务和数据的安全与可信 架构，从源头上限制网络攻击行为的发生，构建服务 性能与网络服务能力、用户需求的定量模型，以服务 性能最大化为目标决定网络提供服务的方式，将为 未来互联网中安全可控性问题提供根本的解决 方案．综上所述，现有ＴＣＰ／ＩＰ体系结构无法解决互 联网面临的可扩展性、动态性和安全可控性等根本 性问题，需要设计新的互联网体系结构并研究相关 关键机理．对未来互联网的研究思路可以分为两种： 演进式或增量式（Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ）和变革式（ｃｌｅａｎ ｓｌａｔｅ）．演进式路线通过“打补丁”的方式对ＴＣＰ／ＩＰ 互联网进行修改和补充，其核心仍然是ＴＣＰ／ＩＰ体 系结构，并未从根本上解决ＴＣＰ／ＩＰ体系结构面临 的问题，不能或者不能很好地适应互联网接入方式 和数据交换的巨大变化．最近几年，国际上开始以变 革式路线研究未来互联网体系结构，即“从零开始”， 不受现有互联网体系结构的约束，研究新的体系结 构，这种变革式思路已经成为设计未来互联网体系 结构的共识．尽管如此，为推动新的互联网体系结构 的部署和实施，在设计过程中也需要考虑与现有互 联网的互通，支持现有互联网向新型互联网的演进 式部署． ３未来互联网体系结构（犉犐犃）研究进展 针对现有ＴＣＰ／ＩＰ体系结构存在的可扩展性、 动态性、安全可控性等问题，本节综合分析了现有解 决上述问题的研究进展． ３．１面向可扩展性的体系结构 互联网可扩展性问题包括两个方面：流量可扩 展和路由可扩展．德国Ｉｐｏｑｕｅ的统计数据表明，目 前网络带宽“消费大户”是Ｐ２Ｐ文件共享，在北美和 东欧地区分别占据了４３％和７０％的网络带宽①．造 成上述问题的原因在于Ｐ２Ｐ的数据传输机制，Ｐ２Ｐ 过于强调“对等”，每个节点之间的数据交换完全是 无序的，为解决这一问题，美国耶鲁大学的研究人员 提出了Ｐ４Ｐ方案［１３］．与Ｐ２Ｐ随机挑选伙伴节点不 同，Ｐ４Ｐ方案充分利用网络运营商掌握的网络拓扑、 收费策略等控制信息，通过智能运算选择地域临近 的网络来进行数据交换，最大程度降低数据传输的 跳数，提高数据传输容量． Ｐ４Ｐ方案有助于消除Ｐ２Ｐ覆盖网络与实际网 络拓扑之间的失配，它的核心原则是在现有网络体 系结构的基础上增加新的设备，基于用户数据请求 特征，实现数据感知与资源调度，并且依赖于运营商 与服务提供商之间的协助．正是由于上述问题，人们 期望从体系结构本身来解决流量增加问题， ＣＣＮ［１０］／ＮＤＮ［１１］（ＣｏｎｔｅｎｔＣｅｎｔｒｉｃＮｅｔｗｏｒｋ／Ｎａｍｅｄ ＤａｔａＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）是目前解决流量扩展性问题的革 命性体系结构． ＣＣＮ／ＮＤＮ旨在通过新体系结构的设计，实现 以地址、位置为中心的网络向以数据为中心的网络 的转变，拟解决地址空间爆炸、动态性、地址可扩展 等问题，同时借助存储优化流量，避免拥塞，提升网 络吞吐量．如图１（ａ）所示，ＣＣＮ／ＮＤＮ在体系结构 中引入命名数据作为协议栈的细腰，不再采用基于 ＩＰ地址的方式，允许应用按照需要独立选择命名方 案；基于命名数据的设计可直接满足应用需求，无需 中间件实现从ＩＰ地址到所需内容的映射，简化网络 架构设计；通过在中间路径上路由器中缓存命名数 据，便于后续请求就近获取数据，达到避免拥塞、优 化流量的目的．如图１（ｂ）所示，ＣＣＮ／ＮＤＮ采用基 于名字的路由和转发，通过定义标准接口将路由和 转发分离，有助于两者平行研究，特别是可在转发 不变的前提下研究路由优化．ＣＣＮ／ＮＤＮ使得内容 分发变得更加自主，用户可自由选择最优链路． ＣＣＮ／ＮＤＮ模型与现有网络模型具有较好的兼容 性，可以运行于任何层次之上，同样任何层也可以运 行于ＣＣＮ／ＮＤＮ之上，对内容分发具有优势，并能 很好地支持流量的可扩展性． ＣＣＮ／ＮＤＮ以数据为中心的思想能够很好地 减少网络中传统数据密集型应用（如在线视频、文件 下载等）的流量．然而在未来互联网中，业务类型将 更加多样化，许多新型应用如实时应用、交互式应用 等将日益流行，为了保持这些动态数据的连接， ＣＣＮ／ＮＤＮ要求周期性地广播探测包从而带来大 量的信令开销．此外，在未来互联网云计算模式下， ＣＣＮ／ＮＤＮ仅仅缓存数据，而对数据的处理仍然需 要到远端的云计算平台上进行，这也一定程度上限 制了该架构对网络流量优化的作用．从上述分析可 以看出，未来互联网仅仅以数据为中心是不够的，数 １１１２ 计 算 机 学 报 ２０１２年 ①ＳｃｈｕｌｚｅＨ，ＭｏｃｈａｌｓｋｉＫ．Ｉｎｔｅｒｎｅｔｓｔｕｄｙ２００８／２００９．ｈｔｔｐ： ／／ｗｗｗ．ｉｐｏｑｕｅ．ｃｏｍ／ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ／ｉｎｔｅｒｎｅｔｓｔｕｄｉｅｓ／ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｓｔｕｄｙ２００８＿２００９，２０１１