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主要内容主要内容 未来网络研究的必要性与紧迫性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需要重视的四个问题 未来网络研究的思维模式未来网络研究的思维模式 未来网络体系结构模型未来网络体系结构模型 初探初探 可编程高效路由器可编程高效路由器 试验创新机制试验创新机制 计算所在未来网络方面的研究工作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。互联网互联网回顾过去回顾过去 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。4RFC 6438+！ 2011/11/2互联网互联网审视现在审视现在 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互联网展望未来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公司预测未来十大公司预测未来十大IT发展趋势发展趋势6大数据的存储与计算大数据的存储与计算传输效率：海量数据传传输效率：海量数据传输输(ZB级级)、高清内容、高清内容2014年网络流量预计是年网络流量预计是2009年的年的4.3倍（思科）倍（思科）2015年预计每秒钟将产生年预计每秒钟将产生245TB的数据（思科）的数据（思科）海量数据海量数据新的计算模式带来的问题和挑战新的计算模式带来的问题和挑战网络逐渐增加信息网络逐渐增加信息 处理、存储等功能，处理、存储等功能， 网络问题将变成一网络问题将变成一 个计算机系统结构个计算机系统结构 问题。问题。角色转变角色转变7新的应用模式带来的冲击和挑战新的应用模式带来的冲击和挑战人人机机物物 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，伴随着新的计算模式和应用模式的出现， 现在的互联网在现在的互联网在可扩展性、动态性、自适可扩展性、动态性、自适 应性等应性等方面面临非常严重的挑战。方面面临非常严重的挑战。8现有互联网存在问题举例现有互联网存在问题举例及原因分析及原因分析9问题问题1 1：业务模型与网络传输模式：业务模型与网络传输模式的不匹配导致严重的流量的不匹配导致严重的流量可扩展性可扩展性问题问题10可扩展性问题可扩展性问题Zipf分布模型（来源：INFOCOM 1999）（来源：思科视觉网络指数(VNI)）互联网主流业务流量服从互联网主流业务流量服从Zipf-like分布 模型 施乐研究中心的施乐研究中心的Breslau和斯坦福大学的和斯坦福大学的 Cao等在等在INFOCOM19991上提出，普通数上提出，普通数 据请求如据请求如web请求近似服从请求近似服从Zipf分布模型分布模型 Zipf-like分布的最大特点是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传统互联网架构采用端到端设计原则 ，缺乏，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，加剧互联导致大量重复数据产生，加剧互联 网流量爆炸网流量爆炸 思科视觉网络指数预测思科视觉网络指数预测2015年全球流动数年全球流动数 据量比据量比2010年增长年增长26倍倍互联网流量爆炸式增长1.Web caching and Zipf-like Distributions: Evidence and Implications, Infocom 1999 2.Traffic Modeling and Proportional Partial Caching for Peer-to-Peer Systems, IEEE/ACM Transactions on Networking, 200811问题问题2 2：面向端到端的常连接模式不：面向端到端的常连接模式不适应网络及其节点的动态性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，地址被赋予身份和位置双重功能， 无法支持主机和无法支持主机和IP地址的动态绑定地址的动态绑定， 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面向端到端的常连接，不能很 好地适应网络的动态性，因而IEEE Computer Society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动态性（来源：摩根士丹利，Morgan Stanley）13问题问题3 3：网络体系结构自身：网络体系结构自身缺乏进化缺乏进化能力能力，无法适应上层应用和，无法适应上层应用和底层传输技术的快速发展底层传输技术的快速发展14自适应性问题自适应性问题P1P1：相对固定的网络体系结构如何适应无法预测的应用？：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展实现自动演进，网络面临可持续发展问题 ISP大约每大约每6个月就要对网络进行人工升级，耗费大量资源个月就要对网络进行人工升级，耗费大量资源 斯坦福大学的斯坦福大学的McKeown等人在等人在SIGCOMM081上指出，网络设备平台上指出，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，而这些需求现有进的基本需求，而这些需求现有IP网络无法满足网络无法满足 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，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: enabling innovation in campus networks, Sigcomm 200815问题问题4 4：网络交换设备的高能耗使得：网络交换设备的高能耗使得互联网陷入能源危机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，当今网原则，然而，思科分析报告显示，当今网 络骨干链路的带宽络骨干链路的带宽利用率不足利用率不足40%40%，大量，大量 路由路由设备负载较低设备负载较低 测试表明路由器在低负载和满载情况下的测试表明路由器在低负载和满载情况下的 能耗非常接近能耗非常接近1 1，因此目前路由器大都工，因此目前路由器大都工 作在作在低负载、高能耗低负载、高能耗的模式下的模式下 据据Cisco分析统计报告，高端分析统计报告，高端CRS-1路由路由 器能耗高达器能耗高达兆瓦级兆瓦级 解决能耗问题的两种方案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。例如路由器等网络设备休眠。例如GreenTEGreenTE高能耗问题高能耗问题（来源：Environ. Res. Letter）1.On the Impact of Monitoring Router Energy Consumption 2.for Greening the Internet, GRID2010国家有关部门高度重视未来互联网技术研究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（国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）中指出中指出 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。20122016面向服务的未来互联网体系结构与机制研究面向服务的未来互联网体系结构与机制研究刘韵洁刘韵洁 20112013物联网的技术理论与实践研究物联网的技术理论与实践研究刘海涛刘海涛 20092013新一代互联网体系结构理论研究新一代互联网体系结构理论研究吴建平吴建平 20072011 可测可控可管的可测可控可管的IP网的基础研究网的基础研究孟洛明孟洛明 20072011 一体化可信网络与普适服务体系基础研究一体化可信网络与普适服务体系基础研究张宏科张宏科973973项目项目中长期规划纲要基金重点项目基金重点项目 20122016 后后IP网络体系结构及其机理探索网络体系结构及其机理探索谢高岗谢高岗 20122016 移动网络用户智能主动服务理论与关键技术研究移动网络用户智能主动服务理论与关键技术研究陈俊亮陈俊亮18主要内容主要内容 未来网络研究的必要性与紧迫性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需要重视的四个问题 未来网络研究的思维模式未来网络研究的思维模式 未来网络体系结构模型初探未来网络体系结构模型初探 可编程高效路由器可编程高效路由器 试验创新机制试验创新机制 计算所在未来网络方面的研究工作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研究未来网络的科研目标是