无所不在的下一代互联网

    目前的网络发展趋势是：公共互联网和运营商的可管理的IP网并存，并分别向NGN和NGI演化。如何看待这种并存的局面？是否存在进一步融合的可能？是业界关心的问题。

    地址数目不足，服务质量(QoS)难以保证，可管理性、盈利模型和生态系统以及安全性缺位是制约互联网发展的主要因素。1998年电信业开始了IP化的进程，但是没有接受互联网分布自治的理念和运营模式。电信运营商按照传统的电信运营模式和要求改造IP网，建立中央控制系统，使之成为可管理、能运营的IP网，并且进一步向NGN演化。NGN集中管理的概念削弱或丧失了互联网无所不在的能力，这种可管理的IP网络是运营商的专网，只能称之为局部网，尽管这些网络的覆盖面积可能很大，但是和Internet的公共互联网的概念是绝不相同的。

    近年来互联网性能提高，网站开始盈利，互联网生态系统正在形成。互联网公司开始能够提供可以和NGN竞争的业务并挤压其生存空间。互联网基本服务免费(个性化)、增值服务收费的模式符合以人为本的思想，代表了未来的发展方向。目前，已经形成无所不在的全球互联网(NGI)和局部的可管理的IP网(NGN)并存的局面。

    互联网进一步发展演化的方向主要是在保持互联网自治的前提下解决一些存在的问题。IPv6是互联网向下一代演化的第一步，IPv6在解决地址问题之外，还给出QoS保证、移动IPv6和IPsec安全性解决机制。NGI仅发展IPv6还不够，还应该更着力于进一步发挥分布、自治和无所不在的优势，发展、开拓新的应用。对等连接(P2P)应用最能发挥互联网分布和自治的优势，在文件共享下载、瘦客户机分布网络存储、通信和协同计算等各个方面将获得广泛应用。关键问题是如何在保持分布、自治的前提下解决容量、服务质量、可靠性、安全以及可接入性等问题。在现有互联网上建立智能结点重叠网是解决这个问题的重要方法。智能结点重叠网也是P2P的分层检索系统，在网络拓扑探测和病毒防护中将发挥重要作用。

1 CNGI：全球最大的IPv6网
    IPv6商用化进程所面临的主要挑战是：应用与业务的创新、网络的平滑过渡。单纯依靠研究机构和企业的个体能力来完成庞大的IPv4网向IPv6的过渡是非常困难的。为了促进这一过渡中国正在实施中国下一代互联网示范工程(CNGI)。CNGI是由国家发改委牵头，信息产业部、科技部等8个部委联合发起并经国务院批准启动的工程。到2005年，在政府支持下，中国5大电信运营商、教育网(CERNET)和科技网(CASNET)将建设成6个IPv6骨干网络(覆盖中国20个城市39个重要结点)，通过北京和上海两个交换中心(IX)实现互连互通并且连接国际出口，进一步还将建设300个宽带IPv6接入网。

2 NGI需要进一步发挥其优势
    公共互联网的优点是具有分布、开放和自治性，能够在全球广泛普及、无所不在。目前对NGI的讨论主要集中在对IPv6的讨论。其实，NGI仅发展IPv6还不够，还应该更着力于进一步发挥分布、自治和无所不在的优势发展、开拓新的应用。

    无所不在有两种含意，一是指地域上时间上的无所不在，即无处不在；另外一个是指在应用领域无所不为。前者就是任意时间、地点可以上网，后者则包括三网融合以及与各种电器、传感器和执行器连网。

    利用互联网无所不在的优势可以进一步发挥人的潜力，帮助加强人与信息、设备和人之间的交互，来进一步提高发展速度。这将导致建立解决问题和学习的新方法，提高优质系数，提高、放大和发挥人智能的有效性。例如个人信息管理和网络存储、协同计算和网格以及以公共事业方式提供各种P2P应用服务等。P2P应用符合互联网分布自治的本性，最能够发挥互联网无所不在的优势，将得到迅速发展，成为互联网应用的主流模式。

    互联网要进一步发挥其无所不在的优势还必须克服目前互联网存在的一些局限性，主要表现在容量、服务质量和可靠性、安全以及可接入性4个方面。解决这些问题的方法是在互联网上架构智能结点重叠网。此外随着网络规模的扩大还涉及发展设计、建造和管理超大规模网络的新理论和新方法等问题。

3 P2P应用可充分发挥互联网的优势

3.1  P2P工作原理和技术演进
    计算机网络发展演化在集中和分布之间摆动。早期的计算机使用模式是众多用户共享大型计算机，以后发展了个人计算机，从集中走向分布。在互联网上存在类似情况，开始时采用客户机/服务器方式，使用网站上集中的服务器；进一步发展将走向分布式，集中的服务器将变成分布的，每一个用户终端既是客户机又是服务器，这就是P2P模式。

    近年来互联网上P2P业务发展迅速，已经成为宽带互联网业务的主流。P2P技术将许多用户互相结合于一个网络，共享其中的带宽，共同处理其中的信息。与传统的客户机/服务器模式不同，P2P工作方式中，每一个客户终端既是客户机又是服务器。以共享下载文件为例，下载同一个文件的众多用户中的每一个用户终端只需要下载文件的一个片段，然后互相交换，最终每个用户都得到完整的文件。

    第一代P2P网络采用中央控制网络体系结构。由于采用快速搜索算法，排队响应时间短，使用简单的协议就能够提供高性能，缺点是容易中断服务。

    第二代P2P采用分散分布网络体系结构。不再使用中央服务器，消除了中央服务器带来的不利因素。由于没有中央控制点，不会因为一点故障就导致瘫痪，是真正的分布式网络。

    第三代P2P采用混合网络体系结构。这种模式综合了第一代和第二代的优点，用分布的超级结点取代中央检索服务器。采用分层次的快速搜索改进了搜索性能，缩短了排队响应时间，每次排队产生的流量低于第二代分布网络。超级智能结点的布设有利于提供高性能和弹性。没有中央控制点则不会因局部故障导致全局瘫痪。

    第四代P2P目前尚在发展之中。主要发展技术有动态口选择和双向下载。动态口选择：目前P2P使用固定口，但是一些公司已经开始引入协议可以动态选择传输口，一般说传输口的数目在1 024～4 096之间。甚至P2P流可以用原来用于HTTP(SMTP)的口80(25)来传输。这将使得识别跨运营商网络的P2P流，掌握P2P流量变得更困难。双向下载：eD和BT等公司引入了双向流下载，可以多路并行下载和上载一个文件和/或多路并行下载一个文件的一部分，将大大加快文件分发速度，而目前传统的体系结构要求目标在完全下载后才能开始上载。

    以上演化的4代P2P系统都属于无组织的P2P重叠网，在互联网得到快速发展。目前宽带用户流量中一半以上是这种P2P流。

    学术界目前在研究有组织的P2P重叠网，包括Tapestry、Chord、Pastry和CAN等。正在研究的新一代P2P应用包括多播、网络存储等都运行在这种有组织P2P重叠网上。

3.2  P2P应用
    目前P2P应用主要有三大类：P2P内容共享、P2P通信协作、P2P协同计算（见图１）。

(1)P2P内容共享
    P2P内容共享包括共享文件下载、搜索和检索、内容分发、网络存储和对等广播等。P2P内容共享方法，如Codeen，通过鲁棒的资源调度建立安全可靠的网络。当大量用户同时访问一个网络时会造成拥塞，采用P2P方法，通过智能结点监视对网站访问的请求，一旦出现超常快速增长，自动将页面分发到附加的结点，采用请求再定向形成鲁棒的内容分发网(CDN)。P2P网络加密的文件被分解成为互相重叠的片断存储在全球各地，即使本地的结点损坏，也可以通过一组片断恢复原始的文件。系统为每一个片断分配标识(ID)码，当用户需要取文件时，他的计算机告诉结点寻找最近的所需要片断，将其组装，恢复文件。网络存储可以像水、电一样，作为公用事业基础设施来发展。用户只要付月租就可以在网上存储数据。网络存储可以充分发挥互联网无所不在的优势，移动电话、PDA、笔记本电脑、台式机、电视机、家电和传感器等可以通过各种有线或无线接入网络取得服务。

(2)P2P通信协作
    P2P通信协作包括协同工作、互联网电话、即时通信和移动通信。如Skype系统使用“快速追踪”(FastTrack)第三代混合P2P技术，即全球索引(Global Index)技术，建立超级结点重叠网络，构成全球分布式用户数据库，通过结点对接交换资料。不使用服务器等中央控制设备不仅可减少搜索时间，还可以降低成本。由于这种P2P网络使用终端本身电脑的处理能力，整个网络的处理能力随着终端数目增加而增加。

    P2P即时通信系统(IM)采用对等连接模式，消息格式使用可扩展标识语言(XML)，具有有效的报到管理，可以提供异步、并行、可靠和近似实时通信。支持移动报到管理和移动即时通信。系统使用IETF标准保证互通互用。

(3)P2P协同计算
    P2P协同计算包括协作计算、网格(Grid)和数据内容网格。网络从服务器为中心转向分布式的P2P方式。

    P2P协同计算的一个典型的例子是韩国的Korea@Home系统。系统使用志愿者计算机资源的分布式计算软件平台发展新应用，如用于新药设计、金融投资全球风险管理、3D影像透视图等。采用混合平等对接P2P体系结构，基于公钥基础设施(PKI)的安全和数字签名，有简单对象访问协议(SOAP)消息的Web服务。

    网格和P2P协作的基本概念非常相似都是资源共享，但是使用技术不同。网格的目的是利用网络资源进行大规模高性能计算，其利用的网络资源包括超级计算机、专门设备、大规模数据库等。网格需要制订组织级的协议用于资源共享，安全和性能是关键问题。网格采用基于PKI+X.509证书的鉴权和可编程中间件来进行高性能计算。而P2P协作利用的网络资源是个人计算机存储的数字内容，对资源进行分散控制，允许匿名接入。

    P2P和Grid融合产生数据内容网格，用P2P技术建立数据网格是最有吸引力和实际的方法。综合P2P技术建立内容网格，在网格中数据、内容是自动分布的，用户可以接入最近的数据。传感器网络是P2P理论和技术最好的实验床。

    P2P将开创网络媒体新时代。电视视频节目除现场直播以外，都是事先录制好存储在服务器中的。点播是一种工作模式，但是它占用网络资源太多。P2P为网络电视媒体提供了一个新的工作模式，用户可以先用P2P方式下载内容存储在自己的计算机中，再回放观看。这种方法对网络要求低，最适合互联网应用。2004年6月互联网上P2P视频流量首次超过音频流量，这表明巨大的无形的P2P文件共享网络正在被用来分发电视节目和电影信息。有人称之为是互联网历史上的分水岭，表明互联网宽带对等广播(Peercasting)将兴起，无线电电视广播将走向衰亡。它对视听媒体的影响就像互联网网站对印刷媒体的影响一样。

    2004年6月英国BBC开始进行柔性电视(Flexible TV)有限范围的公共试验。参加试验用户可以下载BBC互联网媒体播放器，用播放器用户可以下载收看前一周和后一周的BBC的节目。在柔性电视系统中BBC没有设置向用户分发节目的中央服务器，而是采用P2P的对等广播技术。每一个播放器使用对等连接文件共享软件实现向用户分发内容。节目文件被分解为很多小的片段，每个用户下载存储若干片段，再互相对接交换，最后每个用户都得到完整的拷贝。这种方法时，同时下载用户越多，下载速度就会越快。

3.3  P2P需要IPv6支持
    目前的IPv4互联网由于IP地址不够，大量采用专有地址和网络地址变换器(NAT)，其结果是隐藏了谁是信息的发送者的信息。P2P要求能够识别发送者，因为使用实名制才能建立诚信安全的网络社会。IPv6能够做到这点。建立IPv6网将为发展P2P应用提供安全，可靠和廉价的网络运行环境。
在IPv6网上运行P2P不需要NAT就能够实现功能和逻辑控制，可以简化网络设计。对于运营商而言不再需要考虑NAT及其软件之间的兼容性，在远端也不需要服务器，可以降低运营负担。运行成本与使用IPv4和NAT时相比要低。

3.4  P2P业务带来的挑战
    P2P已经成为宽带的杀手级应用。围绕IP音频和视频文件共享，P2P应用正快速发展。目前P2P应用的流量占宽带流量60%(白天)到90%(晚上)，企业40%的用户应用P2P。但如何识别和控制P2P流，如何实行版权保护和制止色情内容流通，现在成为企业网络管理员和接入运营商的烦恼。

4 智能结点重叠网络和互联网的分布式管理
    下一代互联网需要解决互联网在容量、服务质量、可靠性、安全以及可接入性4个方面存在的问题。由于现在互联网的规模已经非常庞大，又分别为不同机构拥有和管理，要想同步改变体系结构几乎是不可能的，而逐步改变不同机构的各个子网又太慢。解决这些问题的方法是：保持现在互联网继续工作的同时实现无缝的演进。目前正在研究的一种方法是在互联网上架构智能结点重叠网。与电信业发展具有集中控制的下一代网的思路不同，这是一种分布式的控制，保持了互联网分布自治的特性。

    智能结点重叠网架构在已有互联网基础设施的顶部，以无缝且持续的方式构建，不但可以提供分布式控制，还可以支持P2P等各种全新应用。这将使互联网有能力摆脱了20世纪70年代提出的网络体系结构的局限性，并将新一代互联网带入21世纪。

    智能结点重叠网是一个可以支持多服务商组成的价值链的开放的标准化的服务平台。服务可以分为两类：第一类服务是以互联网本身为对象的服务，该类服务将监控并解决诸如容量、可靠性和安全性等问题，即分布控制；第二类是用户服务，如网络存储、内容分配、P2P检索、对等广播等。

4.1  智能结点重叠网络
    智能结点重叠网络采用分布管理模式，在网络关键部位设置智能结点，用来监视周围网络上的资源分布和带宽利用率、传输延时、路由走向、流量模式和分布、中断和故障以及病毒感染流行情况等。智能结点之间交换这些信息，进一步实现监视和控制，即时响应。如提供路由探测选择、病毒发现消灭以及内容的检索、分类和管理。

    与互联网静态地将应用和数据分配到指定位置的具体设备中不同，智能结点重叠网可以动态分配计算能力并根据需要将其储存在需要的地方。这样就可以按照用户的需要将其放置在最佳地理位置上。

    智能结点的另外一个用途是作为混合型P2P网络的超级结点提供分层检索能力，支持各种P2P应用。此外支持有组织的P2P重叠网也是非常有效的。

4.2  智能结点的布设和运营模式
    由于向网络核心注入了大量计算资源，智能结点拥有较强的计算能力。智能结点的计算设备分布安装于多个不同站点，由许多不同的服务提供商进行维护并提供给用户。拥有并操作这些设备的组织联盟将是一个拥有并管理互联网现有基础设施的类似于联盟的实体。

    智能结点互相连接在互联网上构成一个重叠网，执行单个、联合以及开放服务提供平台功能的标准。这些标准将包括虚拟机器接口，以提供借以编写服务的应用编程接口(API)。虚拟机器接口将为每种应用业务提供自己的虚拟机器，使业务计算资源被组织成为“片断”，不同的应用业务运行在不同的“片段”上。每个“片断”都由分布在多个分散物理机器中的计算、内存和储存组成。重叠网的资源必须可以按照需要以经济高效的方式灵活使用。客户(可以包括用户或服务提供商)只需按照使用量支付费用，如同使用水、电等公用设施服务一样。这将形成一种新的生态系统。

4.3  PlanetLab计划
    目前国际上已经在开展一些智能结点重叠网的实验，其中最著名的是PlanetLab计划。这个计划是一个全球性的民间研究计划，该计划准备建立一个分布于全球的实验床，连接各处的智能结点，建立Tapestry DOLR网络(一种有组织P2P重叠网)，实现类似Linux开放源代码的开放合作。PlanetLab在全球互联网发达地区设置智能结点(初期1 000个)，连接骨干网，构成分布的虚拟计算环境。这些结点可以实现异常检测、鲁棒选路、储存内容分发(尽量接近数据源)、数据融合，提供分散在多个独立域的高生存性存储。连接这些智能结点的重叠网重叠在现在的互联网上，便于扩展演化。PlanetLab拥有智能结点重叠网，包括全球分布的互联网核心要点上的计算机。

    PlanetLab的目标是供应实验床，以便全球研究团体可以开始探索并规划互联网的未来。PlanetLab团体不仅成功地构建了未来的工作原型，而且还构建了上百种可以在该平台上运行的全新服务。这些服务可以分为上述两种类型：一类是基础设施服务，即一些分布控制功能，包括分布式哈希表、事件处理、网络映射、网络故障映射、改进DNS服务的目标位置以及互联网蠕虫探测等；另一类是用户服务，主要是P2P业务，如内容分配、长期储存和存档、动态网络广播、可扩充媒体广播、高性能文件传送、大型多玩家游戏以及全球可扩充协作服务。

    PlanetLab团体成功地测试并评估了智能结点重叠网发展远景的多种重要的元素：运营、维护和操作网络的合作结构，运转的虚拟机器接口以及用于高效率资源分配的全新结算收费机制。PlanetLab的成果提供了一个极具说服力的验证，证明重叠网计算服务是可行的，并且确实可以提供预期的能力和优势。

    目前PlanetLab已经开展的项目有：

• Netbait，在全球范围内检测和跟踪蠕虫等病毒。
• Oceanstore，在整个互联网范围内分布存储，为用户安全地存储程序和数据。
• ScriptRoute，这是一种分布式轻型主动网络测量环境和工具，用户利用它可以从远方的有利位置进行网络测量。
• CoDeeN，类似CDN P2P功能，防止网站因过度访问而堵塞。
• 可恢复的计算，提供高可用性保证。
• 互联网弹性基础设施(IRIS)，保证一个服务器受到攻击时，服务器中的信息可以自动转到另外一个结点，保障工作继续进行。

4.4  分布自治的体系结构下QoS问题的解决
    在分布自治的体系结构下解决QoS的问题，应该从开源和节流两方面来考虑。目前的电信网解决QoS问题的方案主要是按照服务水平协定(SLA)统一合理分配网络资源，这属于节流的方法。开源的方法是发展更适合互联网的业务模式。互联网上需要QoS保证的主要是视、音频等流媒体业务，其中视、音频电话(会议)对传输时延有严格限制，而视、音频广播和点播对时延并没有要求。随着存储器价格不断下降，在终端中设置缓冲存储器或下载内容后再播放将大大降低对传输QoS的要求。

    当众多用户同时登录同一个网站下载内容时将给服务器和传输网络产生巨大压力，无法保证QoS。解决这问题的方法是采用内容分发网络(CDN)这类技术，将内容转存到距离用户近的结点，设置镜像服务器，开拓更多传输通道分发内容，以保证QoS。

    在保证端到端传输QoS方面，一种开源的方法是：同时使用多个不同因特网业务提供商(ISP)提供的无QoS保证的公共互联网连接来获取QoS保证和可靠的连接。由于在公共互联网上没有专门的QoS保证，每一个运营商提供的连接质量没有保证，但尽管某一个运营商在某一时刻的传输质量可能有问题，但是综合利用多个运营商的传输网络进行切换或同时使用不同网络可以保证QoS。目前互联网电话业务在一天中可能短时间会出现通话中断，用上述方法可以解决QoS问题。实践表明可以将互联网虚拟专用网(VPN)的可用性从99.203%提高到99.907%，接近帧中继(99.966%)的水平。

    一般来说“轻载”是在互联网上提高QoS的最简单有效的方法，目前互联网电话的成功也是基于互联网的“轻载”状态。由于光纤波分复用技术的发展，网络带宽成本不断降低，使“轻载”成为解决QoS问题的重要手段。

    对于有专门QoS需求的业务，在运营商控制域内，采用可管理的IP网，按照用户需求，根据SLA网络资源提供QoS保证是最有效的方法。

5 结束语
    互联网的优点是其分布、开放和自治性。能够在全球广泛普及无处不在。而其基本服务免费、增值服务收费的模式符合以人为本的思想，代表未来发展方向。

    采用IPv6是下一代互联网的重要特征，取消NAT可以大大改善网络性能，为网络实行实名制和使用大量传感器上网提供环境。

    NGI要进一步发挥无所不在的优势，还需要发展新的应用模式。P2P应用最符合NGI无所不在的分布优势，有着广阔的发展前景。智能结点重叠网络是发挥NGI无所不在优势的重要手段。智能结点重叠网可在保持无所不在的前提下解决QoS、网络的测量和安全性等问题。智能结点弹性重叠网也是实现P2P的基础设施。

    未来网络基础设施将保持互联网分布自治的基本形态以具有无处不在的渗透能力，而且将同时具有目前NGN定义的集中控制QoS能力，满足特殊需求。电信业务运营收费模式和互联网的融合，将使电信及其增值业务可以延伸到互联网覆盖的每一个角落，电信运营商将面临一个更广阔的发展天地。

收稿日期：2004-11-18
 

[摘要] 在新的一年来临之际，我刊特邀中国电信界知名专家侯自强先生为本刊撰写卷首特稿，请他就下一代互联网的未来发展发表高见。
侯自强先生指出公共互联网的优点在于分布、开放和自治性，这使其能够在全球广泛普及、无所不在。互联网在向下一代演化时除采用IPv6解决地址问题外，更应着力于进一步发挥分布、自治和无所不在的优势，发展、开拓新的应用，并在保持分布、自治的前提下改进QoS，实现安全和可管理性。在现有互联网上重叠智能结点网是解决上述问题的重要方法。而对等连接(P2P)应用最能发挥互联网分布和自治的优势，其在文件共享下载、瘦客户机分布网络存储、通信和协同计算等各个方面将获得广泛应用。
侯自强先生认为未来网络基础设施将保持互联网分布自治的基本形态，具有无处不在的渗透能力，而同时又具有目前NGN定义的集中控制QoS能力，可满足特殊需求。电信业务运营收费模式和互联网的融合，将使电信及其增值业务可以延伸到互联网覆盖的每一个角落，电信运营商将面临一个更广阔的发展天地。