4.2 未来网络体系结构
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
Computer Networking: A Top Down Approach
6th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012
未来网络体系结构
• 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 4.2-14
2.2 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

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、Mobile Ip、网络层组播 区分服务，集成服务
未来网络体系结构 4.2-4
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
Applications
TCP UDP IP 难以大规模部署 ，需要修改设备
NAT diffservIPSEC IP mcast mobile intserv Eth token PPP 802.11 radio, copper, fiber
Eth token PPP 802.11
radio, copper, fiber

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 4.2-8
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
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
4.2-18
2.3 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
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
提纲
1. 2. 3.
概述 TCP/IP体系结构存在的主要问题 国内外体系结构研究现状
1. 美国 2. 欧洲 3. 日本 4. 中国 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
4.
5.
6.
SDN 总结和趋势
未来网络体系结构 4.2-22
国外研究现状

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 4.2-7
TCP/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：IP Multicast、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

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T,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 4.2-5
Applications TCP IP “love handles” UDP
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
4.2-12
2.1 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）
未来网络体系结构 4.2-17
2.3 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
• 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
概述 TCP/IP体系结构存在的主要问题 国内外体系结构研究现状
1. 美国 2. 欧洲 3. 日本 4. 中国 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
4.
5.
6.
SDN 总结和趋势
未来网络 体系结构 4.2-3
互联网历史和一些体系结构上变化

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：mobile ip）
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
未来网络体系结构 4.2-13
2.1 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
1. 2. 3.
概述 TCP/IP体系结构存在的主要问题 国内外体系结构研究现状
1. 美国 2. 欧洲 3. 日本 4. 中国 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
4.
5.
6.
SDN 总结和趋势
未来网络体系结构 4.2-11
2.TCP/IP体系结构存在的主要问题
未来网络体系结构
4.2-19
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
未 来 互 联 网 基 础 研 究 未 来 互 联 网 试 验 设 施 美国
2014年 美国科学基金会 FIA-NP计划 （Future Internet ArchitectureNext Phase） 2010年 美国科学基金会FIA计划 （Future Internet Architecture）
4.2-20
提纲
1. 2. 3.
概述 TCP/IP体系结构存在的主要问题 国内外体系结构研究现状
1. 美国 2. 欧洲 3. 日本 4. 中国 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
4.
5.
6.
SDN 总结和趋势
未来网络体系结构 4.2-21

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
4.2-15
2.2 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Mobile IP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