第1章 智慧网络协同组织结构概述

1.1 新型网络体系的发展

计算机网络构建于链路速率为56 kbit/s的大型机时代，并逐渐演进为当前复杂的大规模基础设施。现有网络取得的巨大成功得益于其体系结构设计之初遵循的原则：网络提供核心的通信服务，终端系统提供丰富的业务功能。因此，网络核心层对业务透明，业务的扩展不会影响核心网络的结构。基于该体系，终端系统可以快速地扩展大量业务，网络核心层保持原来的功能和结构。经过半个世纪的演进，当前计算机网络包罗万象，既包括以大规模数据传输为特点的业务（如P2P、VoIP、在线游戏、视频会议、社交媒体等），也涵盖以大规模硬件租用和服务提供为特点的云计算和数据中心等新型运营网络。

历史经验表明：在当前互联网已经取得事实上巨大成功的前提下，下一代网络体系研究不太可能完全脱离现有计算机网络发展基础而重新建立一个全新网络。因此，需要对传统网络体系结构进行深入分析，认清传统网络体系结构的现状和利弊，进而为研究和建立满足下一代网络发展需求的新一代网络体系结构提供参考、借鉴和指导[1]。

1.1.1 网络体系发展历程

自英国第一次工业革命以来，每个世纪都有一种占据主导地位的新技术。18世纪是伟大的机械系统时代；19世纪是瓦特的蒸汽机时代；在20世纪的发展历程中，各种技术井喷式出现，关键技术是信息的传输和处理。与此同时，人类还经历了其他方面的发展和进步：遍布全球的电话网络、无限电广播和电视的发明，计算机工业的诞生及其摩尔定律式的增长速度，通信卫星发射升空，当然还有计算机网络。

计算机与通信的结合对计算机系统的组织方式产生了深远的影响。一台服务于整个组织内所有计算需求的老式服务模式已经被新的模式所取代——大量相互独立但彼此连接的计算机共同完成计算任务，该系统称为计算机网络（Computer Network）。如何设计并组织这些网络，并使其更加稳固、高效、便利、安全，就是网络体系（Network Architecture）的研究内容。

纵观计算机网络的发展历史，网络体系结构的演变过程体现在计算机网络的形成与发展中，可以大致概括为5个阶段：面向终端的计算机网络、计算机——计算机网络、开放式标准化计算机网络、以Internet为中心的高速化网络、多样化网络体系结构研究。各个阶段在时间上存在部分重叠。其中，第三、四阶段便是网络体系结构产生和发展的阶段。

（1）第一代计算机网络：面向终端的计算机网络（网络体系的孵化阶段）

1946年，世界上第一台数字计算机ENIAC在美国诞生，计算机和通信并没有什么关系。早期的计算机系统是高度集中的，所有设备安装在单独的大房间内。最初，一台计算机只能供一个用户使用。后来出现了批处理和分时系统，一台计算机虽然可以同时为多个用户服务，但若不和数据通信相结合，分时系统所连接的多个终端都必须紧挨着主计算机，用户必须到计算机中心的终端使用，显然是不方便的。1951年，美国麻省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计半自动化地面防空系统（Semi-Automatic Ground Environment, SAGE），该系统于1963年建成，被认为是计算机和通信技术结合的先驱。20世纪60年代初，美国借助公用电话网，建成了全国性航空飞机订票系统，用一台中央计算机连接2000多个遍布全国各地的终端，用户通过终端进行操作，如图1-1所示。

在这一时期，计算机网络的雏形出现，但仅面向终端，没有形成网络体系结构。

（2）第二代计算机网络：计算机——计算机网络（以通信子网为中心的网络体系结构初级阶段）

1957年10月，前苏联发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。这次成功发射大大震惊了美国朝野。美国政府遂决定在美国国防部领导下成立高级研究计划局（APRA）。鉴于军事的刺激，为了更好地满足计算机之间通信的需要，计算机网络的鼻祖ARPANet应运而生。最初的ARPANet基于主机——主机通信协议。它的产生并非偶然，正是外界军事（经济）的刺激，原有的通信方式无法满足需要，才有了ARPANet的产生。

同第一代网络相比，第二代网络联网的计算机没有了主从关系，每一台计算机都具有强大的计算、存储能力。多台计算机通过通信线路互连而成的网络，即计算机——计算机网络。

ARPANet是该网络系统的典型代表。运行用户应用程序的计算机被称为主机（Host），但主机之间并不是通过通信线路直接相连，而是通过接口报文处理机（Interface Message Processor, IMP）转接后互连，如图1-2所示。

第二阶段的计算机——计算机网络强调网络的整体性，用户不仅可以使用本地资源，还可以共享其他用户主机的资源，其工作模式一直延续到现在。但是，这种网络还存在一些弊端：不同厂商计算机不能接入同一网络；不同类型的计算机互连通信非常困难。

（3）第三代计算机网络：开放式标准化网络（网络体系结构——层次模型）

随着ARPANet的规模不断扩大，到20世纪70年代后期，网络节点超过60个，主机超过100台，地理范围跨越了美国东部和西部的许多大学和研究机构。

但是，这种计算机——计算机网络有不少弊病，不能适应信息社会日益发展的需要。随着不同网络的产生，如ARPANet、PRNet、SATNet等，它们有着各自的接口定义、分组长度、传输速率和通信协议，把不同的第二代计算机网络互连起来十分困难。网络的不断发展，不同的需求便产生了竞争。因此，一种更高级的、基于统一网络体系结构的网络便应运而生——开放式标准化网络，它具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化协议。标准化使得不同的计算机能方便地互连在一起。

世界上第一个网络体系结构是美国IBM公司于1974年提出的系统网络体系结构（System Network Architecture, SNA）。遵守SNA规定的设备都可以方便地进行互连。之后许多大计算机公司也纷纷提出自己的网络体系结构，如Digital公司的DNA、Honeywell公司的分布式系统结构（Distributed System Architecture, DSA）等。但是不同的体系结构互不兼容，采用不同体系结构的两个网络之间很难通信。要想使所有的网络都能互相连通，需要制订一个国际性的网络体系结构标准。

1977年国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）的TC97信息处理系统技术委员会SC16分技术委员会开始着手制订开放系统互连（Open System Interconnection, OSI）基本参考模型。作为国际标准，OSI规定了可以互连的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络产品都是所谓的开放系统。几乎所有的网络产品都声称自己的产品是开放系统，不遵从国际标准的产品逐渐失去了市场。这种统一的、标准化的产品互相竞争的市场又进一步促进了网络的发展。

OSI模型划分7个层次，模型和协议本身存在着缺陷，层次划分不太合理，相同的功能在多个层次中重复出现，并且OSI的协议实现过分复杂，运行效率比较低。而同时期产生的TCP/IP模型，基于传输层、应用层、互联网层和网络接口层4个层次，可以很方便地实现，并且提供了简单方便的编程接口，因此，TCP/IP模型结构在竞争中存活了下来。而OSI模型则仅停留在了理论阶段。

1983～1985年，TCP/IP进入稳固发展阶段。到1985年，Internet已相当完善。美国国家科学基金会（National Science Foundation, NSF）利用TCP/IP建立了用于科学研究和教育的骨干网络——NSFNet。1990年，NSFNet代替ARPANet成为国家骨干网，并且从大学和研究机构进入社会。

（4）第四代计算机网络：以Internet为中心的信息高速公路（网络体系结构多样化发展，下一代网络）

商业行为的介入，成为Internet进一步发展最重要的推动力。网上的电子邮件、文件下载和信息传输越来越受到人们的欢迎并被广泛使用。1992年，Internet学会成立，该学会把Internet定义为“组织松散的、独立的国际合作互联网络，通过自主遵守计算协议和过程支持主机的通信”。1993年，美国伊利诺斯大学国家超级计算中心成功开发了网上浏览工具Mosaic（后来发展成Netscape），使得各种信息都可以方便地在网上交流。浏览工具的实现引发了Internet发展和普及的高潮。上网不再是网络操作人员和科学研究人员的专利，而成为一般人进行远程通信和交流的工具。在这种形势下，美国总统克林顿于1993年宣布正式实施信息基础设施（National Information Infrastructure, NII）计划，从此在世界范围内展开了争夺信息化社会领导权和制高点的竞争。与此同时，NSF不再向Internet投入资金，使其完全进入商业化运作。20世纪90年代后期，Internet以惊人的速度发展，网上的主机数量、上网的人数、网络的信息流量每年都在成倍地增长。网络覆盖的地理范围向全球延伸，并逐步深入每个单位、每个办公室以至每个家庭。有人描述未来通信和网络的目标是实现“5W”的个人通信，即任何人（Whoever）在任何时间（Whenever）、任何地方（Wherever）都可以和任何另一个人（Whomever）通过网络进行通信，以传送任何信息（Whatever）。

20世纪90年代末至今的第四代计算机网络，由于局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术、多媒体网络、智能网络，整个网络从一个对用户透明的大计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。此时，人们逐渐认识到现有网络体系结构参考模型TCP/IP在可扩展性、安全性、移动性、服务质量、可管可控和可信性等方面存在诸多缺陷，因此，对于下一代网络体系结构的研究开始出现了多样化的局面。

从计算机网络的发展过程看，人与网络的关系由传统的“网络在人之上”（Network on Human）、“网络在人之中”（Network in Human）到“网络与人”（Network with Human）相融合。也就是说，网络从远离人的一般应用到网络应用大大便利了人们的生活，人机关系日益紧密，最终必然向着网络与人更加友好的结合方向发展，达到一种随心所欲的境界。为了实现这一理想，要求应该更多地从人们应用的方便化和网络服务的灵活性、主动性角度寻找答案，使得今后的网络服务和网络应用可以根据人的个性需求而定制。这种美好憧憬进一步推动了网络体系结构的演化。

（5）下一代计算机网络：多样化网络体系结构研究（网络体系结构多样化研究）

现行网络体系结构基本上沿袭了传统网络体系结构的旧制，在今天看来已经明显滞后于新的历史条件和需求背景下计算机网络发展的要求。因此，现今的互联网必须在新的网络体系结构指导下向下一代网络演进。近年来，一系列与下一代网络相关的研究已相继展开，如GENI、FIND、NetSE、FP7、FIRE、4WARD、AKARI和CNGI等。

美国于2005年启动了FIND（Future Internet Design，未来网络设计）项目[3]，提出了交换式和递归式网络体系结构、用户可控路由机制和网络虚拟化等若干解决方案，并在网络安全性、可用性、信息传播、位置管理、身份管理等方面进行了深入研究。与此同时，欧盟通过FP7计划开展了Challenge One项目，其子项目4WARD[4]和AutoI（Autonomic Internet，自动互联网）[5]分别就具有可伸缩虚拟网服务提供能力的互联网体系结构和基于业务感知的资源优化管理来克服网络僵化问题，提出了解决方案。接着，欧盟于2008年启动了FIRE（Future Internet Research and Experimentation，未来网络研究和实验）计划。此外，日本开展了AKARI项目[6]，通过网络虚拟化手段来支持多样化数据接入和网络功能扩展，对未来网络体系结构、关键技术以及网络演进路径进行研究。国内方面，北京交通大学提出了支持普适服务的一体化网络，基于两层模型实现对泛在互连和普适服务的有效支撑[7][8]。清华大学从规模、性能、安全、功能、服务等5个方面提出了一种多维可扩展网络体系结构[9]，并在此基础上，进一步就互联网演进性、海量数据高效传输等问题展开研究。

任何对未来网络体系架构的理论研究成果和设想都需要在实验平台上进行广泛和深入的验证。美国于2005年启动的GENI（Global Environment for Network Innovations，网络创新的全球环境）计划[10]，其目的是构建创新的互联网实验环境，为大规模和长期的互联网实验提供一个共享性、专用性和基础性的实验平台。普林斯顿大学开展的PlanetLab[11]项目提供了一个覆盖网络的实验平台，可通过使用PlanetLab切片来真实地运行各种大规模的服务实验，包括文件共享、嵌入式网络存储、路由和多播、QoS覆盖网等。目前全球有超过600多个实验项目在PlanetLab上运行。斯坦福大学于2008年提出OpenFlow[12]，为信息通信网络创新性协议等提供了标准化的实验环境。

多样化新型网络体系结构研究繁荣发展的背后是当前网络体系结构面临的问题：至今仍然没有完全建立起一个能够对当前计算机网络发展方向提供指导的、满足下一代网络发展需求的、正确反映整个网络发展趋势的新一代网络体系结构模型。下一节将从网络体系结构第3个阶段形成的两个典型网络参考模型出发，探究当前网络体系结构面临的问题及破解问题的思路。

1.1.2 破解当前网络体系困局的主要思路

计算机网络体系曾经历过百家争鸣的时代，不同机构、不同组织纷纷提出自己的体系模型，如IBM公司所提出的SNA、DEC公司所提出的DNA、国际标准化组织所提出的OSI以及互联网所采用的TCP/IP参考模型等。在所有这些不同的网络体系结构参考模型中，层次化结构和协议制订被称为核心工作。

为了降低网络设计的复杂性，绝大多数网络都组织成一个层次栈（Stack of Layer）。每一层都建立在其下一层的基础上，层的数量、层的名字、内容及功能不尽相同。每一层的目的是向上一层提供特定的服务，而如何实现这些服务的细节则对上一层加以屏蔽。从某种角度讲，每一层都是一种虚拟机，它向上一层提供特定的服务。机器A的第n层与机器B的第n层进行对话，该对话使用的规则和约定统称为第n层协议。所谓协议，是指通信双方就如何进行通信的一种约定。狭义来讲，计算机学家认为层次和协议的集合称为网络体系。本节以OSI参考模型和TCP/IP参考模型为例论述网络体系结构设计。

1. OSI参考模型

OSI参考模型基于国际标准化组织的提案，作为各层协议迈向国际标准化的第一步，并于1995年进行了修订。这个模型称为OSI参考模型，如图1-3所示。

OSI最大的特点是采用分层的思想分解和阐明计算机之间通信应解决的所有问题，它把计算机网络体系结构分成7个层次。适用于七层的基本原则简要概括如下。

① 应该在需要一个不同抽象体的地方创建一个层。

② 每个层都应该执行一个明确定义的功能。

③ 每一层功能的选择应该向国际标准化协议的目标看齐。

④ 层与层边界的选择应该使跨越接口的信息流最小。

⑤ 层数应该足够多，保证不同的功能不会被混杂在同一层中，但同时层数又不能太多，以免体系变得过于庞大。

OSI模型由下至上依次是物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）和应用层（Application Layer），并且还定义了计算机网络各个层次所应具有的功能、所提供的服务以及为实现这些功能而在各层次之间（对等层和相邻层）交换的信息格式和时序等。

· OSI明确地使用了分层的网络体系结构模型，分层有助于描述复杂的计算机网络系统，便于将复杂的网络问题分解成许多较小的、界线比较清晰而又相对简单的部分来处理。

· OSI专门为解决各种网络系统的互连问题制订了开放系统互连的相应规范和标准，这些规范和标准为分析、比较和评价各种不同网络系统提供了一个公共的参照框架。

· OSI实质上完全按照从需求目标（即解决异构自封闭网络系统难以互连问题）到体系结构设计原则（即与网络体系结构分层相关的一系列原则），再到具体的网络系统实现（即以ISO 7498等规范为代表的一整套标准及其相应实现）的路线，来研究和建立计算机网络体系结构，从认识论和方法论的意义上讲是比较合理的研究途径。

· OSI非常系统而规范地定义了一整套关于网络系统描述的标准术语，而且它还首先明确地定义了在物理层、数据链路层、网络层和应用层进行网络互连的概念和方法，并完整地提出了包括局域网在内的各种网络互连方案。

OSI标准的最初目标就是要成为一个全世界都遵循的、关于计算机网络的统一标准，这个领域中的大多数专家都觉得OSI模型及其协议将统领整个网络世界，所有其他的技术和标准都会出局。然而20多年过去了，现实情况却并非如此。究其原因，Tanenbaum A S教授曾将OSI模型和协议的失败归结为4点[2]。

（1）糟糕的时机

MIT的David Clark教授有一个关于标准的理论，被称为“两头大象”的启示。当新主题首次被发现后，会出现大量各种形式的研究活动，比如讨论、论文等。过段时间之后，这种活动趋于平稳，企业发现了该主题，于是数以亿计的投资热潮开始了。关键的一点在于在标准的制定必须在“研究大象”与“投资大象”的中间进行。标准制定得太早，该主题仍未成熟，其结果将是一个失败的标准；如果标准制定得太晚，则许多公司可能已经通过各种不同的方式投入了大量资金，标准就会被忽视。当OSI出现时，与之竞争的TCP/IP协议已经被广泛地应用于大学和科研机构。虽然投资热潮尚未开始，但学术市场足够大，使得许多厂商开始提供TCP/IP产品，OSI协议并未得到厂商的积极回应，因此，OSI没有得到初始的投入。

（2）糟糕的技术

OSI模型和协议存在缺陷。第七层的出现是处于政策考量而非技术。会话层和表示层几乎是空的，而数据链路层和网络层又包含了太多的内容。OSI模型及相关的服务和协议都极其复杂，难以实现，且操作起来也很低效。另一个重大缺陷是层与层的功能重复。例如，每一层都出现了编址、流量控制和差错控制等功能。

（3）糟糕的实现

由于OSI模型和协议过于复杂，最初的实现不仅规模庞大，而且很笨拙，效率也很低。尽管后来相应的产品质量有了改进，但是人们已经将OSI与糟糕的质量联系在了一起。

（4）糟糕的策略

由于TCP/IP最初的实现绑定在UNIX系统中，而UNIX在20世纪80年代的学术圈盛极一时。相反，OSI则被认为是欧洲电信部门、欧洲共同体以及美国政府的产物。尽管这种观点部分正确，但是政府官僚试图把技术不足的标准强加给那些实际开发计算机网络的研究人员和程序员。

总而言之，OSI是国际上第一个对网络体系结构进行严格定义的开放系统互连参考模型，它也是最早在网络体系结构研究中积极倡导和切实推行形式化理论和技术的网络体系结构参考模型。另外，尽管OSI在现实中并不是非常成功，但系统开放、结构分层、对等层通信等概念普遍而且深入地影响着每一位计算机网络研究人员，这可能是OSI对于传统计算机网络体系结构研究的最重要贡献之一。因此，可以说，OSI作为一种支持网络系统开放互连的标准，在计算机网络的建设和发展过程中，曾起到了非常重要的指导作用；而作为一种完整、严密、周详的网络体系结构参考模型，在今后相当长的一段时间内，对于计算机网络技术朝着标准化、规范化的方向发展仍然具有积极的指导意义和参考价值。

2. TCP/IP模型

TCP/IP参考模型不仅被所有广域计算机网络的鼻祖ARPANet所采用，而且被其继任者Internet所使用。ARPANet是由美国国防部（Department of Defense, DoD）资助的一个研究型网络。它通过租用的电话线，将几百所大学和政府部门的计算机设备连接起来。之后当卫星和无线网络也要加入时，发现原来的协议在与它们互连时遇到了很大的麻烦，因而需要一种新的参考体系结构。因此，无缝连接多个网络是模型设计的主要目标之一。这个体系结构后来被称为TCP/IP参考模型。

由于美国国防部担心其一些贵重的主机、路由器和互联网的网关可能会在很短的时间内被前苏联攻击而突然崩溃，所以另一个主要的设计目标是即使在损失了子网硬件的情况下，网络还能继续工作，原有的会话不能被打断。也就是，在源主机和目标主机中间一些设备或线路突然不能工作的情况下，只要源/目的主机还在工作，那么它们之间的连接就要维持不变。这就是端到端设计思路的初衷。另外，由于设想应用程序对网络的需求差别很大，从文件传输到实时的话音传输，所以迫切需要一种灵活的网络体系结构。

TCP/IP参考模型的分层结构如图1-4所示。由下向上包括链路层、互联网层、传输层及应用层。人们将该模型形象地称为沙漏结构，因为从协议、功能的结构来看，上层和底层具有独立的扩展性，经过发展形成了庞大的协议群。而位于腰部的互联网层因为实现全网的寻址和路由功能，功能则较单一。整个协议模型就像一个沙漏。互联网取得成功的最主要原因之一就是采用了沙漏结构的TCP/IP参考模型，处于沙漏腰部的IP事实上实现了独立于具体技术并覆盖全球的虚拟分组网络，从而能够有效地为上层网络屏蔽下层承载网络的异构性，为全球采用各种不同协议的计算机网络和主机的互连奠定了基础。而且，沙漏式的TCP/IP参考模型还使互联网体系结构具有广泛的包容性和开放性，并具有良好的可扩展性，允许各种不同的协议和技术相对比较容易地加入互联网体系结构中，从而形成了一个庞大而实用的TCP/IP模型。

TCP/IP模型和协议存在以下问题。

第一，该模型并未明确区分服务、接口和协议的概念。对于实际实现过程中哪些是规范及哪些是实现，TCP/IP模型并未显著划分。这一点OSI模型做到了。因此，当使用新技术来设计新网络时，TCP/IP模型并不能给出很好的参考。

第二，TCP/IP模型不是一个通用的模型。它不适合用于描述TCP/IP之外的任何规范或协议栈。例如，试图使用TCP/IP模型描述蓝牙并不可取。

第三，在分层协议中，链路层并不是通常意义上的一层。它是一个接口，位于网络层和数据链路层之间。而接口和层的区别非常重要，TCP/IP模型没有划分清楚。

第四，TCP/IP模型没有区分数据链路层和物理层。物理层主要考虑传输媒介，例如铜线、光纤和无线通信等的传输特征；数据链路层则是确定帧的开始和结束，并按照所需要的可靠程度把帧从一边发送到另一边。正确的模型应该使两层独立，两者区别非常明显，而TCP/IP模型没有做出区分。

第五，尽管IP和TCP协议进行了仔细设计，并且被高效地实现，但是其他一些协议则更偏向于自主形成。它们被开发出来后免费发布，并得到了广泛应用。但是随着时间的推移，这些自主“野蛮式”生长的协议变成了一种屏障。例如，Telnet最初是为每秒10个字符的机械电传打字终端设计的，它无法识别图形用户界面和鼠标，然而多年以后的今天它仍然在广泛使用。

经过半个世纪的发展，终端系统扩展了大量业务，这些业务模式已远远超出互联网设计之初的情况。以大规模数据传输为特点的新型业务（如P2P、VoIP、在线游戏、视频会议、社交媒体等）不断涌现和以大规模硬件租用和服务提供为特点的云计算和数据中心等新型运营网络的广泛建立，传统基础网络体系结构中掩藏的TCP/IP设计缺陷逐渐暴露，难以应对新业务不适配、管理复杂、运维昂贵等问题。从基础网络体系和机制的角度看，目前的信息网络不能从根本上满足提供泛在的信息服务、互连多样化的异构网络、支持多样化和全方位的网络业务、实施有效的管理控制等迫切需求。TCP/IP作为当今信息网络共同的基础承载机制，其功能过于简单，使网络基础能力与上层应用要求之间存在一条巨大鸿沟。这种核心薄弱的体系架构造成信息网络的基础能力低下，无法从根本上保证泛在、互连、质量、融合、异构、可信、可管、可扩等高等级需求。

对当前网络体系结构中的问题，我们概括为8个字：僵化有余，智能不足。当前信息网络体系结构核心层的封闭性导致其缺乏灵活的功能演进和扩展能力，即互联网面临着严峻的网络僵化和智能缺位，主要表现为以下几个方面。

· 服务扩展：网络难以根据需要向网络核心添加相应的功能和服务，一个典型的例子是多播路由和QoS的引入。即使业界广泛接受这些功能的需求，并且围绕协议开发和研究做了大量工作，但是多播路由和QoS并未按预期在互联网上大规模推广。

· 服务粒度：互联网仅能向上层业务应用提供IP、UDP、TCP等粗粒度的服务，不能根据应用需求的变化动态地建立细粒度的协议栈。

· 服务层次划分：当前互联网层次结构严格，层与层间交互被阻断，难以实现跨层交互，这也导致了大量1/2层协议的出现。

· 网络感知：作为网络控制和管理的基础，网络状态不能实时、动态地被感知。

· 管理粗放：由于缺乏精细的网络智能感知和管理模式，当前的网络资源共享和利用采用了粗放式管理。

为破解当前互联网面临的困局，实现具有适应性的新型网络体系，研究人员进行了大量理论研究和探索实践。具体地，这些思路和目标可以概括如下[1]。

（1）全方位开放性

新型网络体系结构必须具有更全面的开放性，不但对技术、服务、应用开放，而且对全球网络用户、网络运营商、服务提供者等全方位开放，保证对投资、研究、建设、访问、使用、技术更新、服务增值、新应用开发等的公平开放性。

（2）促进多网融合

新型网络体系结构必须能够从总体结构上纳现存各种代表性网络系统于一体，从应用类型和服务功能上集现存各种代表性网络系统的成型特色应用与服务于一体，并能够支持以渐进式演进的方式，渐次实现多种网络系统的逐步融合。

（3）多维度可扩展

新型网络体系结构必须具有多个维度上良好的可扩展性，在网络规模上应保证容量、协议、算法、命名、编址等方面的可扩展性，在网络功能上应保证传输、控制、管理、安全等方面的可扩展性，在网络性能上应保证在各种差异环境中系统具有优雅的升/降级（Graceful Upgradation /Degradation）特性。

（4）动态适应能力

新型网络体系结构必须具有能依据不同情况及需求进行适应性调整的动态适应能力，这种动态适应能力不仅反映在对于不同的网络技术、异构的运行环境的适应性上，而且反映在对于用户个性化服务定制需求的适应性上。

（5）服务无处不在

新型网络体系结构必须能够提供无处不在的服务，支持通用移动性和普及计算，确保多样化的互联网终端更易于连接入网和访问服务，所提供的网络服务具有更广阔的服务范围、更丰富的服务类型和更灵活的服务形式。

（6）可靠、坚固、可控

新型网络体系结构必须可靠、坚固和可控制，既能较好地抵御、消减和弥补人为破坏、自然灾害、环境干扰、软/硬件故障等因素所带来的各种影响，又能对用户的行为、各种资源的分配与使用、网络演进中的复杂性增长等有较好的控制能力，从而提高下一代网络系统的抗毁性、生存性、有效性、顽健性和稳定性。

（7）高性能、高可用

新型网络体系结构必须具有高性能和高可用特性，前者指网络能提供高速网络传输、高效协议处理和高品质网络服务，以支持大量具有各种不同服务质量要求的应用；后者指网络能高效整合各种资源，为授权用户提供便捷易用的服务和丰富多样的应用，并能在网络部分受损或出现故障时以降级方式继续保证网络的可用性。

（8）安全、可信、可管

新型网络体系结构必须安全、可信和可管理，保证网络系统的运行以及信息的保密、传播和使用等方面的安全性，能够较好地建立、维护和约束用户之间、用户与网络系统之间的信任关系，提供更加全面、高效的用户管理、资源管理、系统管理和运营管理。

（9）成本——效益较高

新型网络体系结构必须具有较高的成本——效益，不但要减少协议、服务、应用等的处理开销和优化其性能，而且支持采取成本较低、代价较小、具有长期效益的技术路线或过渡方案，推进网络的渐进式演进，实现网络的持续、稳妥、良性发展。

（10）适合商业运营

新型网络体系结构必须支持网络的商业化运营，必须具有合理的盈利模型、完善的商业运营管理、有效的计费手段和积极的投资/融资措施，从而促进公平竞争、鼓励私有投资和不断促使技术创新。

1.1.3 国内外相关研究现状

新型体系结构的计算机网络是在未来人类信息社会中存在，并占据主导地位的、可靠的、可信的、安全的、坚固的、高性能的、高可用的、无处不在的、无缝集成的并具有商业运营能力的全球开放信息基础设施。各国纷纷针对当前网络体系的困局制定了研究计划，投入了大量资金，从不同角度设计并提出了不同的体系结构原型。这些原型部分地实现了1.1.2节中的思路。

1．国外代表性研究

（1）RBA

RBA（Role-Based Architecture，基于角色结构）[20][21]可认为是一种无层体系结构的抽象方法。RBA以标准化的网络服务形式有机结合在一起，并称这些服务为角色（Role）。每个角色有其唯一的标识roleID，代表其具体功能。初始的概念集里仅有少量的角色。单个节点可能有多个角色，一个角色也可能分布在多个节点上。RBA主要强调的是网络体系结构不应该以静态的分层结构组织。因此，RBA在报文头部的角色首部引入了标识角色的动态顺序。RSH（Role Specific Header，角色特定头文件）是RBA角色完成交互和组合的主要机制。RSH从语义上定义为一个角色的输入和输出。它们通过roleID@nodeID的形式标识特定节点上的角色；对于分布式的角色，roleID@*定义为沿着路径上每个节点中roleID标识的角色都会处理报文。因此，RBA采用带内信号机制。沿着路径，报文RSH可以被读取、修改、添加或删除。一个角色可能包含内部的状态，并可通过其他角色的RSH修改，也可以根据报文中的RSH集修改其活动。

尽管RBA网络在引入角色的概念后实现了网络的动态性和功能的扩展性，然而其并未明确说明角色的抽象粒度，在实际操作中缺乏指导。

（2）网络服务框架

网络服务架构（Network Service Architecture）[13]提出了自动网络服务组合方法和实现。文献[13]首次提出了一种网络服务架构。服务控制器管理大量网络服务节点，动态装配每个连接请求的服务过程序列（Service Processing Sequence），传输服务节点之间每条流（Flow）的数据。然后，请求传输给邻近的服务控制器，依次直到目的地。因此，连接可以被深度配置。网络服务架构的控制信令采用带外信号传输。这表明每条流可以采用固定路由器，也就是面向连接的报文交换。每个服务节点需要保持每条流的状态，且流中的每个分组被公平地处理。服务控制器接收用户请求并通过映射算法解析信息。映射算法从每个服务节点获得服务和资源信息（可达服务、内存、功率、带宽），并将用户的请求映射到服务节点中。

（3）ANA

ANA（Autonomic Network Architecture，自动网络结构）[22]首次实现了一种无层的体系结构。在ANA中，功能被分解为网络服务，这里称为功能单元（Functional Block, FB）。功能单元可以是任意粒度：一个小实体或者整个网络协议栈的大小均可。功能单元可通过多个信息分发点（Information Dispatch Point, IDP）被访问。数据报文一般发送给特定IDP，而不是功能单元本身。不同IDP执行同一个功能单元时，其可能执行不同的功能或表现为不同的状态。例如，当IDP A访问功能单元时，就转发到地址A；而当IDP B访问功能单元时，就转发到地址B。ANA的首个运行实例可作为单个用户空间应用或作为一个Linux内核模块使用。但是，ANA并不是为提高性能而设计的，而是为了验证一些概念。

（4）NetSerV

NetSerV项目[23]致力于在网络核心（Network Core）层开发有效的、具有扩展性的服务体系架构以打破僵化现状。它试图分解网络服务的功能，以使独立的构建单元（Building Block）构造网络服务。每个构建单元是网络资源和功能的集合，例如链路监控数据或者路由表，这些都应该被上层服务组合使用。这种结构可以部署在任何诸如路由器或一些专用服务器等网络节点上，而且网络服务可以运行于一个或多个节点的虚拟服务框架，组成一组独立操作的构建单元。其思想是：开放网络核心层的功能接口，使得上层应用可以访问底层资源，同时，将应用层的部分功能添加到核心层中，最终提出一种可扩展核心网络服务的体系结构。但NetSerV并未对传输服务进行细粒度化，且其将应用层的一些功能下沉到网络核心层的做法可能会导致网络核心层的功能臃肿。

（5）SILO

SILO（Service Integration, control and Optimization，服务综合、控制与优化）[24]提出一种面向未来网络的服务综合、控制与优化架构，将网络功能划分为细粒度的构建单元。这里的网络功能包括传统TCP/IP架构上链路层、网络层和传统层等提供的功能。构建单元构成可扩展的服务（Service）和方法（Method）。根据不同业务请求，基于这些基本功能单元，通过控制主体的综合、优化和组合成不同的协议栈，完成复杂可配置的通信任务。这些并行的虚拟协议栈是实现对外部需求精确匹配的基础。服务是构建单元的抽象描述，其相应的方法是服务的实例化，一个服务可能有多个方法实现。然而，这种设计与当前互联网机构迥异，其性能和可行性不容易得到验证。在如何定义和识别合适的服务构造单元、优化跨层设计和控制功能等方面，SILO还需要进行更多的研究。

（6）以服务为中心的端到端抽象

针对传统端到端互联网的设计将所有的服务智能放到端系统或服务器中，而网络仅执行逐跳（Hop-by-Hop）转发分组，且分组转发的网络功能对所有的端到端服务流仅提供尽力而为的单一服务，不能适应端到端的服务请求问题，文献[25]提出了一种面向未来体系结构的、以服务为中心的端到端抽象。其思想是围绕信息（Information）传输开发通信抽象而不是数据（Data）传输。信息是比数据更高层的抽象，网络的基本任务不是传输数据报文（Data Packet），而是传输信息。报文仅是信息的一种表现形式。这种新的抽象思想称为信息传输与数据服务（Information Transfer and Data Service, ITDS）。但是该服务架构的核心是服务映射问题。映射需求几乎分布在系统的每一层，例如端到端层、路由层或者端口处理器层。然而，这个映射问题是公认的NP完全问题。

（7）SLA@SOI

SLA@SOI（Service Level Agreements within a Service-Oriented Infrastructure，面向服务架构中的服务级别协议）[26]由美国FIND（Future Internet Design，未来互联网计划）[27]支持。与其他FIND中关于服务架构的研究不同，SLA@SOI集中在网络协议栈的修改，建立服务协议和实现从商业层次到基础架构的服务整合。SLA@SOI的预期目标是提出一致的、多层的开放SLA管理框架，并设计出基于SLA的动态服务架构。它能识别用户的需求，提供了易于理解的框架，减少了冲突，并简化了繁杂的过程，是客户与服务提供者之间提供信赖和协商的纽带。这种架构试图填补商业利益和技术架构之间的鸿沟，虽然考虑到了各个商业团体的利益，但是这么多团体是否会愿意接受还是一个未知数。另外，SLA@SOI的服务级别协议也需要更详细的技术支持。

（8）SOA4All

SOA4All（Service Oriented Architectures for All，面向服务的架构）由NESSI[28]（Networked European Software and Services Initialtive，网络欧洲软件和服务主动性）提出。SOA4All旨在提供一种将SOA、上下文管理、Web原理以及Web2.0和语义等4类互补的技术组合为一致且域独立的服务传递平台。SOA4All架构包括SOA4All工厂、分布式服务总线、SOA4All平台服务和商业服务（第三方Web服务）。SOA4All试图综合所有先进的技术，以在网络基础设施中提供有效的Web服务。但是该架构从Web服务的角度出发，并未考虑其他上层应用。

（9）AutoI

AutoI [29]是由欧盟计划支持的项目，其目标是构建一个自组织管理的通信资源覆盖网，实现服务的安全、可靠、质量保证以及快速传递。为了实现这一目标，AutoI设计并研究了一套（可靠）服务组合和执行的开源框架。它实现了网络资源的虚拟化和基于策略的管理技术来定义、描述并控制服务的内部逻辑。该结构是覆盖网的一种应用形式，主要面向上层网络功能，并未涉及网络核心层功能的开放问题。

（10）Self-Net

Self-Net[30]是欧盟资助的另一项目。Self-Net研究网络协议栈的自动管理。功能被分解为功能单元（Functional Block），也称为网络元素，这些功能单元可以动态组合。网络元素的编排以及网络车厢的选择由网络元素认知管理器实现的认知环获得。该认知管理器根据测量当前的网络状况对网络进行优化和自组织管理。Self-Net的有效动态组合依赖于网络状况认知的准确性。然而，网络的高度动态性使得网络行为难以精确地被测量。

（11）RNA

RNA（Recursive Network Architecture，递归网络结构）[31]通过引入元层（Meta-Layer）作为提供基本服务的通用协议层。每个协议栈由必要的任意数量的元层组合而成，并实例化。这种机制可任意向协议栈中添加更多的功能，提高网络的扩展性。这种通用层提供了一种任何层之间信息交互的途径。RNA的无层结构实现了功能的跨层交互，但是关于元层的抽象并未明确。

上述项目以传统网络的重新抽象为基础提出了不同的新型体系结构，部分设想已经开发出了原型系统。但是由于缺乏实际商业网络的运营验证，难以应用。随着基于控制与转发分离为基础的软件定义网络的提出，在实际网络中验证新型网络原型系统成为可能。

（12）SDN

目前，导致互联网核心层功能扩展困难的主要原因是网络设备内部控制和转发的紧耦合。而设备提供商封闭网络设备编程接口进一步阻断了网络功能的扩展。因此，以控制与转发分离的思想为基础，ForCES（Forwarding and Control Element Separation，转发和控制单元分离）[32]、SDN（Software-Defined Networking，软件定义网络）等网络体系因其对互联网的快速创新能力、敏捷可编程特性以及天然的可管理性等优点而备受瞩目。其中，尤以SDN技术发展迅速，并逐渐用于生产网络中，例如数据中心网络。

SDN思想是将完成决策功能的控制平面从网络设备中迁移到独立的主机或商业服务器中形成控制器，而网络设备仅完成分组转发。SDN避免了网络设备的复杂性，开放了网络控制逻辑，使得网络变得更具扩展和演进特性。因此，学术界和工业界都对SDN能够解决当前互联网面临的诸多问题寄予厚望。

（13）NFV

NFV（Network Funciton Virtualization，网络功能虚拟化）[39]的目标是在通用的硬件设备上运行网络功能，从而通过大范围的部署，降低投资成本（Capital Expenditures, CAPEX）。虚拟化使得网络功能可以按需地部署及更新，且极大地方便远程管理及维护，可降低运营成本（Operating Expense, OPEX）。NFV为设计、部署和管理网络服务提供了一种全新的方法。NFV将网络地址翻译、防火墙、入侵检测、域名解析以及缓存等网络功能从私有、封闭的硬件设备中分离出来，并采用软件方式实现。它综合了基于虚拟化技术的网络组件，包括虚拟服务器、存储器以及其他相关网络。它利用标准的IT虚拟化技术，将网络服务实例运行于高性能服务器、交换机以及存储设备上，实现网络功能的虚拟化。它可以应用各种网络（有线或无线）中的数据平面处理单元或者控制平面功能。

2．国内代表性研究

我国历来重视对未来信息网络体系结构和关键理论及技术的研究。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》将发展下一代网络关键技术与服务作为今后我国的网络发展目标。国家“十二五”规划中明确提出“加快建设宽带、融合、安全、泛在的下一代国家信息基础设施”，将对信息网络技术领域进行重点支持。

多年来，国家“973”计划先后启动了“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”“可测可控可管的IP网的基础研究”“新一代互联网体系结构和协议基础研究”“面向服务的未来互联网体系结构与机制研究”和“可重构信息通信基础网络体系研究”等项目。国家“863”计划先后启动了“身份与位置分离的新型路由关键技术与实验系统”“三网融合演进技术与系统研究”等项目。国家自然科学基金委先后启动了“未来互联网体系理论及关键技术研究”“后IP网络体系结构及其机理探索”“未来网络体系结构与关键技术”等重点项目。

（1）一体化网络与普适服务体系结构

由北京交通大学等国内多家科研机构根据新的一体化网络设计模式，联合提出了一个两层体系结构的新型模型——一体化可信网络与普适服务新型体系结构模型。该模型包括网通层和服务层两个层次，如图1-5所示。网通层完成网络一体化，服务层实现服务普适化，两层模型相结合，构成了一体化网络与普适服务体系的基础理论框架。与OSI的七层体系结构相比，网通层在功能上对应七层模型中的底下三层，服务层对应上面四层；与TCP/IP的四层模型相比较，网通层在功能上对应底下两层，而服务层对应其上面两层。

网通层包括虚拟接入子层、虚拟骨干子层及接入标识解析映射。该层建立可信一体化网络理论模型，并解决接纳控制、调度、交换路由、状态控制、可信评估等基础理论与关键技术问题，为多元化的接入网络提供可信的接入和广义交换路由功能，即完成网络一体化。

服务层包括虚拟服务子层、虚拟连接子层以及服务标识解析映射、连接标识解析映射。服务层的普适服务理论模型，可以解决一体化网络下服务的映射、匹配/选择、组合/分解、执行过程等一系列问题，为个性化用户提供多元化服务，即实现服务普适化。

网通层为数据、话音等业务提供可信的一体化网络通信平台。各种业务在网通层中以统一的特定分组方式进行传输。网通层采用间接通信模式：虚拟接入子层采用接入标识转发数据，在虚拟骨干子层采用内部的交换路由标识替代接入标识转发，到达通信对端的广义交换路由器后，数据分组的交换路由标识被置换回原来的接入标识；虚拟接入子层负责通信终端的接入，虚拟骨干子层解决位置管理和交换路由理论，以在网通层实现用户的隐私性、网络的安全性、可控可管性和移动性。

服务层负责各种业务的会话、控制和管理，这些业务包括由运营商或第三方增值服务商提供的各种网络业务，主要是话音、数据、流媒体等，不同的业务用同一个服务层承载。各种业务、网络资源和用户都采用唯一标识符识别，各个应用都要绑定于服务标识符，并且进行从服务标识符到连接标识符、从连接标识符到交换路由标识符的解析，从而建立普适服务的服务标识和连接标识解析映射理论。运营商或第三方增值服务商将通过一体化网络个性化服务模型向用户提供有保障的个性化服务。服务层还包括多种服务功能组件，其中有媒体转换、媒体分发、计费和位置服务、虚拟归属环境等服务组件和会话管理、资源管理、移动性管理、可信性管理、服务质量管理等管理组件。

由上述可知，一体化可信网络与普适服务体系是一种不同于OSI七层网络体系和互联网四层网络体系的新型网络体系结构。一体化可信网络与普适服务体系将用户、业务和网络资源三者有机地统一为一个整体，方便实现网络一体化，并为用户提供普适服务。

（2）面向服务的未来互联网体系结构

面向服务的未来互联网体系结构（Service-Oriented Future Internet Architecture, SOFIA）的基本思想是以服务标识为核心进行路由，将互联网设计为集传输、存储和计算功能于一体的服务池。与基于TCP/IP体系结构的互联网相比，基于SOFIA的互联网具有更多的智能，终端仅需要表达服务需求，网络会自动完成服务定位、传输及资源动态调度等功能为用户提供服务，这种设计理念适应了互联网终端异构化的现实需求。SOFIA体系结构是一种革命型（Clean-Slate）体系结构设计思路，将充分借鉴TCP/IP体系结构的优点和成功经验，以面向服务为核心设计理念，在体系结构和核心机理层面进行有针对性的研究，解决互联网面临的可扩展性、动态性、安全可控性等问题。在SOFIA体系结构中，以服务标识作为沙漏模型的“细腰”，并以服务标识驱动路由和数据传输。服务是由一组多维度属性标识组成，即Service F(p1,p 2,p 3, …,pi)，其中，pi是服务的第i个属性。属性可以是静态的，如文件名、作者等；也可以是动态可调整的，如服务的优先级等。服务标识是服务的逻辑描述，与之对应的是服务的位置。服务标识和地址的映射信息在服务启动时注册到互联网上，注册信息由路由器分布式保存（如基于分布式散列表）。标识和位置分离的思想有助于物理地址的聚合，解决互联网核心路由器路由表膨胀的问题，也有助于对移动计算进行高效支持。服务在移动时，服务位置将发生变化，但服务标识并不会发生改变，以服务标识为驱动的路由对上层屏蔽了地址的变化，保障了服务的连续。服务请求以服务标识驱动，根据网络中保存的注册信息实现标识到地址的映射，从而实现服务的定位。映射和定位操作均由网络完成，减轻了终端的负载，适应了终端异构化、弱智能化等趋势。如果服务在本地网络，服务请求也可由服务标识直接定位，无需进行地址映射等操作。

SOFIA互联网是集传输、存储和计算的服务池。路由节点除具有传统的路由查找、数据分组转发等功能外，还具有存储和计算功能。路由节点缓存那些经常被访问的静态数据服务（如流行的音/视频等），而计算功能使得服务迁移到路由节点成为可能。存储和计算功能增强了网络的智能，解决了流量激增带来的互联网扩展性问题，提高了用户服务质量。存储从另一方面提供了数据分组的存储转发功能，解决了时延容忍网络（Delay Tolerant Network, DTN）物联网等接入问题。路由节点存储采用网络编码技术对存储空间和传输效率进行优化利用，而服务迁移采用轻量级虚拟机技术在路由节点上实现服务隔离和动态迁移。

SOFIA网络提供网络虚拟化功能，利用组合优化基本理论形成虚拟网络到物理网络的近似最优化映射。不同的虚拟网络拥有不同的资源，可根据需要承载不同的服务，满足服务多样性的需求。SOFIA根据服务的需求和网络状态，实时感知用户行为、服务分布以及网络拓扑、网络流量等网络资源状态，动态调整网络资源，实现服务质量和网络资源的可管控。服务的需求由服务标识中的某些属性表示，网络状态由路由节点中的性能检测功能提供。

SOFIA体系结构提供内在的安全机制，采用认证鉴权机制确保只有合法的服务提供者和服务请求者才可以访问网络，设计一系列安全机制确保服务注册、服务迁移、服务查询、服务获取等各个环节都处于安全可控的状态。SOFIA从体系结构、路由、存储、计算、传输各个层面系统地提出未来网络安全性设计机理，保证未来互联网传输通道、基础设施与应用的安全与可信。

（3）可重构信息通信基础网络体系研究

在经历了40余年的迅猛发展后发现，当今互联网单一、不变的基础互连传输能力虽然具有功能意义的普遍适应性，但其致命缺陷却不具备对多样、庞大、复杂和演进的网络需求及应用在性能意义的针对性。互联网上多样、庞大、复杂和不断演进的网络应用需求与互联网单一而简单的基础互连传输能力之间形成了鲜明和巨大的反差，正是这种反差构成制约整个互联网网络总体功能的结构性瓶颈。换言之，网络的内在能力与结构缺乏对多样、多变应用需求的固有适应性，是导致网络对融合、泛在、质量、安全、扩展、移动、可管可控等支持能力低下的一个根本的结构性原因。

信息工程大学牵头并联合香港中文大学等单位承担的国家“973”计划项目“可重构信息通信基础网络体系研究”一改“以不变应万变”的理念与结构，确立了“以变应变”的未来网络或下一代互联网设计理念和体系结构，在充分借鉴、吸收并发展国内外已有研究成果的基础上，以“强化基础互连传输能力”为突破口，从信息网络内在核心能力这一根本性的制约因素入手，突破网络体系基础理论的局限性，创立全新的“能力复合”作为可重构基础网络体系结构设计的基本理论，提出可重构信息通信基础网络体系，构建可根据动态变化的特征要求和运行状态自主调整网络内在结构的关键机理和机制。

该项目重点解决的4个关键问题分别是：提供可扩展的、业务普适的、可定制的、多样化的基础网络服务，实现对多样、多变网络业务支持的强针对性；具备强化的基础互连传输能力，解决IP网络层功能单一、服务质量难以保证、安全可信性差、可管可控可扩能力不足、移动泛在支持困难等瓶颈性问题；实现网络层面的结构可重构、资源自配置和状态自调整，解决网络自主重构其内在结构的核心机理机制问题；实现网络的安全可管可控，解决在网络空间确保国家安全利益的迫切现实问题。

1.1.4 小结

国内外学者从不同角度提出了各自具有应用前景的新型网络体系结构。我们认为，虽然当前网络体系结构表现出的主要问题是僵化有余（参考1.1.2小节），但其核心问题是智慧不足。而上述不同网络体系结构派别均试图将智能融入计算机网络中，或者为融入智能提供支撑。

人工智能技术在传统计算机基础上进一步模拟人脑的思维活动能力，包括对信息进行分析、归纳、推理、学习等更高级的信息处理能力，所以也是一种更高层次的信息技术。智能计算机使计算机具有更接近人类思维能力的高级智能，是计算机技术的必然发展。但在现代社会信息化进程中，由于计算机网络技术的飞速发展，计算机及其技术已越来越多地被融入计算机网络这个大系统中，与其他信息技术一起在全球社会信息网络这个大分布环境中发挥作用。因此，人工智能技术、智能计算机与计算机网络技术的结合与融合，形成具有更多思维能力的智能计算机网络，不仅是人工智能技术和智能计算机发展的必然趋势，也是计算机网络综合信息技术的必然发展趋势。

当前，基于计算机网络系统的分布式智能决策系统、分布专家系统、分布知识库系统、分布智能代理技术、分布智能控制系统及智能网络管理技术等的发展，也都明显地体现了这种智能计算机网络的发展趋向。未来网络系统将是人工智能技术和计算机网络技术更进一步结合和融合的网络，将使社会信息网络不仅更有序化，而且将更智能化、协同化、智慧化。