1.1 互聯網發展現狀

1.1.1 互聯網發展趨勢與挑戰

互聯網已成為現代社會最重要的基礎設施之一，被廣泛應用于社會經濟、文化、政治、軍事和生活的各個領域，是推動經濟發展和社會進步的重要因素，互聯網產業已成為我國國民經濟重要的新興產業。如圖1-1所示，由中國互聯網絡信息中心（CNNIC）發布的第41次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2017年12月，我國網民規模達到7.72億，普及率達到55.8%，超過全球平均水平（51.7%）4.1個百分點，超過亞洲平均水平（46.7%）9.1個百分點。

互聯網的蓬勃發展使其已經深入滲透到全球經濟社會的各個領域，成為經濟發展和社會運行的基本要素。然而，隨著互聯網用戶規模和業務規模的不斷增長，以及4K/8K高清視頻、虛擬現實/增強現實（AR/VR）、工業互聯網、物聯網、社交網絡等新應用模式的出現，最初基于TCP/IP的為滿足單一數據通信需求而設計、遵循“核心簡單，邊緣智能”設計原則的傳統互聯網體系結構逐漸暴露出一些固有的問題和局限，在可擴展性、可管可控性、安全性、移動性以及綠色節能等方面難以適應網絡規模的急劇擴張。

（1）可擴展性：據Cisco公司2017年發布的VNI報告顯示，預計2021年全球IP網絡數據總流量將達到3.3 ZB，相比2016年將增長3倍，連接到網絡的設備數量也將達到人口數量的3倍。隨著用戶數量和應用需求不斷增加，網絡流量的增長速度已經打破摩爾定律，遠超路由器性能提升的速度，這導致運營商不斷進行被動擴容，并為之付出大量成本。另外，骨干路由器的路由表急劇膨脹，目前全球路由表條目已經超過3384萬條，其中，活躍路由表條目已經超過74萬條，而且正在以每兩年1.25倍的速度增長，預計到2020年整個路由表條目將達到4000萬條。路由表條目的快速增長大大降低了路由查找性能，增加了路由器的系統開銷，而在現有互聯網體系結構中，只能通過不斷地增加硬件設備性能來緩解該問題，尚未找到根本性的解決方案。

（2）可管可控性：TCP/IP網絡采用分布式架構，由端系統負責復雜的網絡功能，即遵循將服務連接的維護管理工作交由終端完成的設計原則，缺乏對網絡資源的全局控制與管理。工業互聯網、物聯網、車聯網等新興應用的出現對互聯網在可管可控性方面提出了更高的需求，這對于傳統互聯網無疑是一個巨大的挑戰。

（3）安全性：隨著互聯網應用的飛速發展與大規模普及，網絡安全成為一個不容忽視的重要挑戰，存在著惡意軟件、分布式拒絕服務（DDoS）攻擊、釣魚軟件、應用程序漏洞等安全威脅。由于互聯網最初設計的主要目標是實現頑健性互聯和資源共享，并未充分考慮到網絡的安全需求，雖然通過“打補丁”的方式在互聯網中部署防火墻或陸續提出采用IPSec、SSL/TLS、DNSSec、RADIUS等技術以加強網絡安全性，但整個互聯網的安全保障仍處于被動應對的狀態。隨著應用增多，漏洞也不斷增多，由垃圾/釣魚電子郵件引發的網絡入侵事故逐年增加，造成嚴重的用戶身份信息泄露。同時，網絡中引入的新技術也會帶來新的安全漏洞，如網絡功能虛擬化（Networking Function Virtualization, NFV）要求多個密碼，就是一種潛在的威脅，需要利用其他安全技術保護。總之，始終缺乏系統化、內生化的網絡安全體系。

（4）移動性：早期互聯網主要為以計算機為代表的、具有一定處理能力的固定終端提供數據交換服務。目前，隨著便攜式移動設備和物聯網、車聯網的出現，互聯網的終端形態發生了很大變化，突出表現為終端的移動性顯著增加，數據傳輸路徑頻繁變換，傳統TCP/IP網絡身份地址雙重語義的設計規則不利于頻繁地切換服務，無法滿足低時延、不丟包的會話場景需求，尤其是對于高速移動的車輛等服務對象，嚴重破壞了上層應用服務的連續性，甚至難以保證傳統意義上的端到端傳輸。如何高效地實現網絡對移動性的支持成為亟待解決的重要問題。

（5）綠色節能：網絡通信行業不僅是個高科技行業也是一個高耗能行業。互聯網設備芯片容量與速度的提升，意味著更高的工作頻率和更復雜的加工工藝，直接導致芯片耗電量增大，從而增加了設備的功耗，為此需要購買更大容量的供電系統和冷卻系統。據估計，全球互聯網數據中心的用電功率可達300億瓦特，相當于30個核電站的供電功率，節能降耗已經成為網絡運營商必須面對和亟待解決的技術難題。

為了應對當前互聯網發展帶來的前所未有的挑戰，美國、歐盟、亞洲等國家和地區紛紛在未來網絡體系架構及未來網絡關鍵技術等方面展開了研究，主要包括“演進型”與“革命型”技術路線。“演進型”技術路線的研究人員主張在現有互聯網網絡體系下進行“補丁式”的修補，對網絡設備或拓撲進行改造，使其適應新的發展需求。其主要解決思路是基于現有的互聯網體系結構（TCP/IP協議棧），提出一些新的協議或對一些原有協議和機制進行完善和更新。一般來說，這些協議僅僅關注互聯網體系結構中的某個或某幾個問題，如路由的可擴展性、端到端原則、網絡的安全性和可信性，以及網絡的自治特性等。“革命型”技術路線認為任何技術體系都有它的生命周期，經過若干年就可能發生較大的革新，IP網絡體系結構也不例外。由于IP網絡體系結構在設計的時候并沒有充分考慮到當前網絡應用的復雜性，因此主張采取“從頭再來（Clean-Slate）”的策略，即在不受現有互聯網約束的基礎上探討新的網絡體系結構，并將其定義為未來互聯網（Future Internet），目標是為了從根本上克服傳統互聯網體系結構在可擴展性、可管可控性、安全性、移動性以及綠色節能等方面的問題，以適應未來發展的需要，實現網絡的可持續發展。

現有的互聯網是沙漏結構，以IP為其細腰，這意味著添加新的功能只能通過打補丁的方式在其他層實現，而網絡核心體系難以修改，因此造成網絡節點臃腫和可擴展性差。“演進型”路線雖然具有比較強的可操作性與延續性，短期內可以取得很好的成果，但是長期來看，補丁式的演進可能會降低整個網絡架構的靈活性、可靠性和可管理性，不能從根本上解決當前互聯網所面臨的各種問題。因此，構建一個全新的網絡體系結構，即“從頭再來”的革命型網絡設計思路成為各國研究的熱點。

1.1.2 未來網絡研究進展

針對“革命型”的網絡設計思路，世界各國紛紛啟動了未來網絡研究項目，從國家戰略層面上對未來網絡架構創新及部署實施方面高度重視。美國、歐盟、中國、日本等國家和地區在政策、資金、人才培養等方面紛紛加大投入，通過支持未來網絡相關領域的科研項目進行未來網絡核心技術的研究與創新，推進技術的實驗和驗證，并都在爭當相關標準的制定者和領跑者。

（1）美國

自2005年起，美國國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）已投入超過3億美元，聯合100多家單位，共同建設國家級的網絡試驗床原型——全球網絡創新環境（Global Environment for Network Innovation, GENI），并進一步轉化為建設真實可用的試驗網絡，促進全球未來互聯網革命性的創新。并且，NSF設立了包括命名數據網絡（Named-Data Networking, NDN）、MobilityFirst、NEBULA、XIA（eXpressive Internet Architecture）、機會網絡（Network Innovation through Choice, Choicenet）在內的5個未來互聯網體系結構研究項目，促進未來網絡各項相關關鍵技術研究的革新。2017年9月，NSF繼續發布了計算機與網絡系統（CNS）核心項目指南，重點支持計算機系統研究（CSR）和網絡技術與系統（NeTS）兩大核心計劃。其中，網絡技術與系統聚焦對網絡基礎科學和技術進步的變革性研究以及引領未來新一代高性能網絡和未來互聯網架構發展的系統研究。

（2）歐盟

歐盟第七框架計劃（European Community's Seventh Framework Programme, FP7）從2007年開始陸續資助了上百項未來網絡研究項目，包括FIRE、SAIL、CHANGE、PSIRP等，并取得了重要成果。此后，歐盟于2014年投入800億歐元啟動了為期7年的Horizon2020計劃（即FP8計劃），該計劃目前支持ICT征集發布的第一個工作計劃（ICT2014/2015年）中關于未來網絡研究的10個方向，包括智能網絡及新型網絡架構、智能光無線網絡技術、先進的云基礎設施和服務及未來網絡中先進的5G網絡設施等研究方向。ICT工作計劃指出，互聯網架構領域的下一波研究浪潮應該解決現行網絡架構中存在的問題，并將著手部署最有發展潛力的網絡架構。其中，在智能網絡及新型網絡架構領域中，POINT、UMOBILE、RIFE等項目利用信息中心網絡（Information Centric Networking, ICN）、時延容忍網絡（Delay-Tolerant Networking, DTN）的優點，繼續對未來網絡的構建和發展進行持續研究。2017年，歐盟宣布將在2018～2020年間啟動第二階段的研究計劃，將投入1.49億歐元支持以5G網絡、B5G網絡為代表的未來網絡技術研究工作。

（3）日本

日本國家信息通信技術研究院（NICT）于2006年啟動了AKARI研究計劃。AKARI計劃首次提出了新一代網絡（New-Generation Network, NWGN）的概念，以區別于傳統的下一代網絡（Next Generation Network, NGN），并提出了未來網絡架構設計需要遵循的簡單、真實連接、可持續演進3大原則。2010年，NICT整合了AKARI、JGN-X、Network Virtualization等多個未來網絡領域的相關研究項目，形成了新一代網絡研究與發展計劃（New-Generation Network R&D Project）。該計劃目標是覆蓋新一代網絡研究的各個領域，通過有效合作探討未來網絡相關領域的核心技術成果，使未來網絡可以滿足大規模、多終端情景下的高層次用戶需求，解決未來網絡的可持續發展問題，并創造新的社會價值。2011年，日本啟動了JGN-X項目，旨在建立新一代網絡，并根據技術趨勢提高網絡功能和性能。通過試驗臺的運作，日本推動廣泛的研發活動、各種應用的展示和尖端網絡技術的發展。目前，日本新一代網絡及其擴展的中心主要是JGN-X試驗臺網絡。JGN-X網絡組成的設備包括二層交換機和三層路由器，并在全日本擁有22個接入點。連接骨干節點的骨干網由10～40 Gbit/s的網絡組成。其他接入點通過帶寬連接，如1 Gbit/s。當前，JGN-X被研究人員和研究機構廣泛應用于研究項目和項目示范等活動中。

（4）中國

面對互聯網的主要技術挑戰和下一代互聯網的重大需求，我國在《“十三五”國家科技創新規劃》中，明確將天地一體化信息網絡、大數據、智能制造和機器人等列入科技創新2030重大工程中。國務院在《“十三五”國家信息化規劃》中也明確提出超前布局未來網絡，加快工業互聯網、能源互聯網、空間互聯網等新型網絡設施建設，推動未來網絡與現有網絡兼容發展。同時，2016年年底，國家發展和改革委員會正式啟動了國家重大基礎設施“未來網絡試驗設施”的建設。這期間，科學技術部、國家自然科學基金委員會等也都在積極設立新型網絡、未來互聯網等相關研究計劃，關于軟件定義網絡、互聯網可信模型、移動性、可管可控等未來網絡相關方向的國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、國家高技術研究發展計劃（863計劃）、國家科技重大專項等科研項目也陸續啟動，以試圖建立一套完整的未來網絡架構及關鍵技術研究體系。

未來互聯網的研究將是一個長期的過程，各國之間展開了激烈的競爭，關于未來網絡關鍵技術的研究也取得了長足發展。其中，以信息為中心的網絡架構是各國關注未來互聯網研究活動而提出的重要設計理念，信息中心網絡在眾多革命式網絡體系結構方案中成為重要候選技術之一，被業界視為能較好地滿足當前網絡信息傳遞需求的重要解決方案，引起了廣泛的關注，并成為當前研究熱點。