4.2 未来网络研究体系架构(2017)v1

未来网络体系结构4.2-14.2未来网络体系结构ComputerNetworking:ATopDownApproach6theditionJimKurose,KeithRossAddison-WesleyMarch2012中国科学技术大学自动化系郑烇摘自：吴建平、黄滔、谢高岗等综述性论文未来网络体系结构4.2-2提纲1.概述2.TCP/IP体系结构存在的主要问题3.国内外体系结构研究现状①美国②欧洲③日本④中国4.体系结构代表性成果①信息中心网络②面向动态性的体系架构③其它体系结构：云网络、可选网络5.SDN6.总结和趋势提纲1.概述2.TCP/IP体系结构存在的主要问题3.国内外体系结构研究现状1.美国2.欧洲3.日本4.中国4.体系结构代表性成果1.信息中心网络2.面向动态性的体系架构3.其它体系结构：云网络、可选网络5.SDN6.总结和趋势4.2-3未来网络体系结构未来网络体系结构4.2-4互联网历史和一些体系结构上变化经过40多年的发展，互联网已经成为人类社会重要的信息基础设施分组交换的实验网络、异构网络互连•验证分组交换的有效性，解决大型机器远程登录军用网-民用网终端、用户数量激增，全球最大的网络应用：telnet，ftp，email到多媒体应用、电子商务、游戏、社交网络计算模式：C/S、P2P、云计算模式为了适应业务的多样性和用户、终端数量的激增，互联网体系结构上打了很多补丁以满足需要CIDR、NAT、RSVP、TLS、IPSec、CDN、MobileIp、网络层组播区分服务，集成服务未来网络体系结构4.2-5体系结构并没有得到根本的变化体系结构：原来的IP为细腰的沙漏结构改变方向1：在应用层增加功能、变成了大头网络边缘主机上实现网络核心功能，效率低下CDN,P2P改变方向2：网络层变化、变成了臃肿的粗腰需要改变网络设备、难以全网部署CIDR,NAT,MPLS,IPSEC……但这些补丁没有从根本上改变互联网的体系结构目前体系结构复杂，管理困难未来网络体系结构4.2-6IPTCPUDPApplicationstokenradio,copper,fiber802.11PPPEth原有TCP/IP体系结构IPTCPUDPApplicationstokenradio,copper,fiber802.11PPPEthdiffservintservmcastmobileIP“lovehandles”NATIPSEC难以大规模部署，需要修改设备IPTCPUDPoverlayservicestokenradio,copper,fiber802.11PPPEthclientserverappsapplicationoverlays网络边缘实现核心功能，效率低未来网络体系结构4.2-7近年来发生的根本变化和体系结构面临的困境近些年来互联网发生一些根本变化接入方式的变化：•原因：移动接入、物联网、DTN网络成为主要接入方式•结果：以IP为核心的体系在支持移动性方面存在较大的问题（虽然打了补丁：mobileip）网络的角色定位•原因：云计算模式成为主流计算模式、新型网络应用普及：多媒体内容分享、社交网络•角色定位：从信息传输的通道=集信息采集、传输、存储和处理为一体的信息平台这些根本变化导致的问题：以IP地址为核心、以传输为主要目的、按照端到端原理设计的TCP/IP体系结构存在问题，难以满足要求未来网络体系结构4.2-8TCP/IP体系结构存在的问题和出路路由可扩展性、动态性、安全性、可控可管、可靠性、Qos以及能耗问题（续）对互联网补丁式提升,如：IPMulticast、集成服务、区分服务缺少大规模部署，也难以根本上解决问题技术原因：难以根本上解决问题经济原因：ISP投资收益不合算、缺少部署动力现象：IPv6的部署十余年了，部署程度难以令人满意出路：接着打补丁对TCP/IP体系结构做革命式变革，重新来过未来网络体系结构4.2-9路线图和视角分析TCP/IP体系结构存在的根本问题TCP/IP体系结构如果不做革命性的变化很难支撑新型应用、数量更多的用户、种类更多的移动终端、满足Qos、能耗、可管理安全等多方面的更高要求分析国内外未来网络体系结构研究的现状介绍支撑性技术SDN和创新实验环境的进展总结和分析未来网发展趋势进展中的问题，百家争鸣，争论很多视角各不相同、观点值得商榷未来网络体系结构4.2-10提纲1.概述2.TCP/IP体系结构存在的主要问题3.国内外体系结构研究现状1.美国2.欧洲3.日本4.中国4.体系结构代表性成果1.信息中心网络2.面向动态性的体系架构3.其它体系结构：云网络、可选网络5.SDN6.总结和趋势未来网络体系结构4.2-11提纲1.概述2.TCP/IP体系结构存在的主要问题3.国内外体系结构研究现状1.美国2.欧洲3.日本4.中国4.体系结构代表性成果1.信息中心网络2.面向动态性的体系架构3.其它体系结构：云网络、可选网络5.SDN6.总结和趋势未来网络体系结构4.2-122.TCP/IP体系结构存在的主要问题可扩展问题、动态性问题、安全可控问题讨论方式是什么问题为什么是TCP/IP体系结构很难支撑，从而是个根本问题未来网络体系结构4.2-132.1可扩展问题可扩展性概念随着用户或者终端数量的增长，网络流量的增长网络设备是不是能够做出很好的支撑，而且性能没有得到非常大的下降（线性的、合理的而不是崩溃性的）•就是增加到了10亿-100亿，流量增加再多，TCP/IP体系下的路由系统是不是查表以及路由更新都还很快互联网可扩展性的现状：互联网流量的增加已经超过了摩尔定律网络数量达到35多万个常用网络•高层核心网络的路由器必须要知道这些网络如何走最核心路由器需要处理的速率非常快最快的路由设备即使采用了TCAM这样的硬件也已经达到了极限，设备复杂、查找速度慢、能耗超高物联网设备普及+移动设备的增多，更加雪上加霜未来网络体系结构4.2-142.1可扩展问题流量增加的原因：新型应用和计算模式的出现数据密集型计算和文件分发业务：视频（杀手级应用）云计算模式使得数据被提升到网络上加以存储和处理物联网形成了与互联网共生的网络，产生数据量大数据增长超过摩尔定律互联网支撑业务数据增长不好的原因TCP/IP网络：端到端的通信模式（即使有很多相同数据，当成不同）数据流量从接入网到核心网不断汇聚，核心流量大IP地址分配不均衡，多宿主，地址碎片，流量工程等使得路由汇聚不高效，每年增加1.3倍，核心网络路由器达到35万条之多CDN技术部署昂贵，针对签约用户的特定数据优化，无法服务全局网络用户现有架构下只有通过不断增加硬件投资来缓解规模性问题•即使运营商不断投入，也很难满足互联网流量的增加•业务收益都被ott业务吸入未来网络体系结构4.2-152.2动态性问题早期终端都是固定接入的，不存在动态性问题动态性问题引入移动终端设备成为一个非常重要的终端形式，其产生的网络流量已经超过固定设备物联网使得低智能终端设备激增，其处理能力受限、休眠模式、自组织和按需路由使得动态性增加动态性带来的问题数据传输路径频繁变化，破坏了应用服务的连续性影响了服务质量未来网络体系结构4.2-162.2动态性问题原因：IP地址：二重表达性，即代表身份又代表了位置地址不能够很好地支持移动性一些补丁如MobileIP使得协议栈冗余、效率低；端到端的通信模式需要端系统维护连接状态，对于物联网的低智能终端来说是个负担出路增加网络的智能，减少终端的负担设计身份和地址分离的体系结构将移动管理和路由统一考虑，节点在移动过程中有着唯一和统一的标示•将移动性当成是终端的天然形式未来网络体系结构4.2-172.3安全可控问题互联网设计之初，网络适用范围在封闭和可控范围之内，安全需求小，也不存在安全威胁现状：技术和应用的发展使得网络成为一个开放和不可控的复杂环境•安全需求大：电子商务，个人隐私等•安全威胁大：攻击、病毒、泄密现有的安全方案(TLS,IPSec）使得协议栈臃肿，效率低安全设备（防火墙和IDS）难以协调发挥综合防护效果现有的安全措施：被动防御性质，端到端的通信模式使得只能提供端到端的安全通道，无法实现针对服务和内容的安全服务未来网络体系结构4.2-182.3安全可控问题路由器的行为模式是僵化的，无法定义和改变网络的行为，包括资源分配和使用的方式网络的使用者无法控制资源的分配和使用表现为：尽力而为的服务模型不能保障应用的服务质量，网络行为不可控目前，提出了很多资源保障措施，用于增强尽力而为的服务，但仅能保证单跳链路的性能应用性能的可控取决于路径的传输性能，更重要的还取决于传输和数据资源的全局优化P2P系统，应用无法感知Peer节点的物理位置，仍然从远处的“邻居”请求数据未来网络体系结构4.2-192.3安全可控问题出路：设计面向服务的体系结构支持服务和网络的相互感知，构建安全和可信的架构支持定义和控制网络的行为，灵活可控构建服务性能和网络服务能力、用户需求的定量模型以服务最大化为目标决定网络提供服务的方式未来网络体系结构4.2-20三大问题的根本原因TCP/IP架构无法解决这些问题设计新的网络架构和研究相关机理解决方法演进式补丁：仍然以TCP/IP架构为核心，接着打补丁变革式路线：从零开始，不受现有体系结构的束缚•要充分考虑和现有互联网的互联互通问题•支持演进式部署未来网络体系结构4.2-21提纲1.概述2.TCP/IP体系结构存在的主要问题3.国内外体系结构研究现状1.美国2.欧洲3.日本4.中国4.体系结构代表性成果1.信息中心网络2.面向动态性的体系架构3.其它体系结构：云网络、可选网络5.SDN6.总结和趋势未来网络体系结构4.2-22提纲1.概述2.TCP/IP体系结构存在的主要问题3.国内外体系结构研究现状1.美国2.欧洲3.日本4.中国4.体系结构代表性成果1.信息中心网络2.面向动态性的体系架构3.其它体系结构：云网络、可选网络5.SDN6.总结和趋势国外研究现状2005年美国科学基金会FIND计划（FutureInternetDesign）2010年美国科学基金会FIA计划（FutureInternetArchitecture）2008年第七框架/Horizon2020FIRE计划（FutureInternetResearchandExperiment)FIBREFIRE计划与巴西合作ECIAOFIRE计划与中国合作未来互联网基础研究德国G-LAB欧盟FIRE美国GENI韩国ETRI日本JGN2plus澳大利亚NICTA中国CENI提供网络实验环境奠定理论技术基础2014年美国科学基金会FIA-NP计划（FutureInternetArchitecture-NextPhase）未来互联网试验设施美国欧盟未来网络体系结构4.2-24提纲1.概述2.TCP/IP体系结构存在的主要问题3.国内外体系结构研究现状1.美国2.欧洲3.日本4.中国4.体系结构代表性成果1.信息中心网络2.面向动态性的体系架构3.其它体系结构：云网络、可选网络5.SDN6.总结和趋势未来网络体系结构4.2-253.1未来网体系结构研究进展-美国主要由美国NSF支持2005年，未来互联网设计（FIND）支持了50多个研究项目涉及：新型体系结构、路由机制、网络虚拟化、内容分发网络、网络管理、感知和测量、安全和无线移动网络不受现有互联网限制的敞开式研究，从中择优2010年，未来互联网架构（FIA）支持：NDN,MobilityFirst,Nebula,XIA,ChoiceNet内容中心网络，移动网络，云网络架构，网络安全可信机制、经济模型等方面对关键机理进行探索未来网络体系结构4.2-26现有FIA研究的综合对比未来网络体系结构4.2-273.2未来网络体系结构研究现状