下一代信息网络技术发展的现状与未来

基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)课题(2007CB307100)；国家科技支撑计划(2008BAH37B03)

    信息网络的原始设计思想是一种网络支撑一种主要服务的模式，例如，电信网针对语音服务，互联网针对数据服务，广电网针对广播服务。在此基础上演进和发展起来的现有信息网络，尽管规模已经十分庞大，但是仍然难以突破原始设计思想的局限，无法满足网络及服务多样化的需求。为此，近几年来世界各国都积极开展了下一代信息网络的研究工作。中国在“十一五”规划建设中明确提出了未来5年对信息网络技术领域的重点支持，中国国家中长期发展规划中也将“下一代网络关键技术与服务”作为未来十几年的网络发展目标。

1 下一代信息网络技术国际研究现状
    国际电信联盟(ITU)认为下一代信息网络以下一代网络(NGN)为代表，并组建4个工作组对下一代信息网络框架和关键技术展开研究：ITU-T SG13工作组完成NGN体系框架、演进、融合等课题，具体包括框架和体系结构、信令要求、项目管理协调和计划颁布、实施方案和应用模型、网络和业务能力、互操作性、移动性和固定/移动融合、公共数据安全等；ITU-T SG11工作组主要研究信令和信令控制架构；ITU-T SG15工作组主要研究NGN接入技术和传输技术；ITU-T SG16工作组主要研究多媒体业务和普适应用等。

    互联网工作组(IETF)认为下一代信息网络就是下一代互联网(NGI)。NGI对物理层和数据链路层没有特殊要求，研究重点在业务承载层和业务层。在业务承载层，NGI主要采用IPv6协议；在业务层，NGI主要采用基于智能终端的端到端控制方式。NGI的主要目标包括：高性能网络架构和先进的网络技术。高性能网络架构具有两个特性：高性能连接性，超高速交换和传输性。成功实现该目标的主要因素是互联网的数量以及端到端的性能。NGI需要开发和演示的网络服务的主要领域和相关协议包括：服务质量；安全和可靠性；网络管理，包括服务体系架构、服务因素、统计、测量、分析等的定义和工具；路由、交换、组播。可靠传输、安全、移动等相关新协议；计算机操作系统；分布式应用环境。

    互联网研究任务组(IRTF)认为下一代信息网络中核心的问题是数据端到端的传输，无论是加密、认证、可靠性，还是转发等，路由都是重点关注的问题。根据数据分析，目前的路由表条目为30万条，而到2050年可能达到1 000万条，因此路由问题非常复杂。另外，在现有的互联网体系结构中，服务提供商和用户之间存在严重的矛盾：服务提供商提倡网络尽量简单稳定，而用户则认为要更好地控制网络。这一矛盾加剧了路由问题的严重性。因此，IRTF目前致力于解决相关的路由问题，包括路由的健壮性、可扩展性等。

    近年来，国际上相关政府和研究机构纷纷启动了下一代信息网络及关键技术的研究工作。

    2005年，美国自然科学基金委员提出全球网络研究环境(GENI)项目。该项目投资3亿美元，拟从根本上重新设计互联网，以解决现有的各种问题，打造一个更适合未来计算机环境的下一代互联网。GENI主要包括一个研究计划和搭建一个测试环境。GENI的研究重点是网络安全，手机、无线和传感器网络共同组成的普适计算环境，重要的基础设施控制，以及处理新型服务的能力。该项目首次从基础理论上为下一代网络的发展提出明确的建议和指导方向。目前，该项目分为4个工作组：管理架构工作组负责项目资源管理、项目之间的协调、资源应用的政策制定、与外部的联系等；实验流程和服务工作组负责实验分析、的计划、调度、运行和故障排除，长期实验床的规划，数据归档等；操作、管理、集成和安全组负责制定GENI计划的操作、管理、安全的要求等；测试仪器和测量工作组负责讨论、发展和建设可用于GENI体系中的测试仪器和测量基础设施。

    2006年，美国自然科学委员会提出未来互联网设计(FIND)项目，该项目投资2 000万美元，拟从根本上重新设计互联网，以解决现有互联网所存在的问题，打造一个适合未来15年计算环境的下一代网络，包括网络体系结构、原理、机制等。该项目重点考虑安全、可靠、可信性，研究新网络技术，新计算模式，新应用，经济利益等。

    2007年，欧盟提出未来互联网研究和实验(FIRE)计划。该项目投资4 000万欧元，拟重新设计未来互联网的概念、协议、体系结构，包括网络技术、工业和社会经济因素等；设计未来互联网模式，提出不受兼容性限制的设计观念、协议、体系结构，包括网络技术、工业和社会经济因素等；设计未来互联网模式，提出兼容性限制的设计观念；设计具有自律特性的通信方式，考虑技术、经济、社会等方面的因素；在安全、义务、隐私三者之间进行平衡。具体研究内容包括：普遍存在的、具有极高容量、高度灵活、能适应多种商业模式的下一代普适网络基础设施；克服目前受限商业模式的未来互联网体系及关键技术；具有允许服务可以动态配置、可靠、可依赖、易于解决底层网络的复杂性，并且包容Ad-Hoc方式连接的资源等特性的下一代软件和服务关键技术；允许各个组织结构、企业等共同使用（互操作）的体系结构和解决方案；安全、可信任的网络和服务平台；端对端、个性化的媒体分发和协同利用技术；完全由用户控制的、具有严格用户隐私保护措施的个人数据和数字身份技术。

2 下一代信息网络技术中国研究现状
    中国非常重视对下一代信息网络体系及关键技术的研究，启动了一系列与下一代信息网络息息相关的科研工作，包括国家重点基础研究发展规划(“973”计划)、国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划(“863”计划)、发展和改革委员会的CNGI等项目。

    国家发展和改革委员会于2003年底宣布实施中国下一代互联网示范工程（CNGI）的下一代互联网计划。该项目计划在2005年底以前投资14亿元构筑连接中国各地主要城市的IPv6商用骨干网，使之成为产、学、研、用相结合的平台以及中外合作开发的开放平台。CNGI的总体目标为：改进和提高现有网络和大力推广应用；实施中国下一代互联网示范工程，攻克下一代互联网及其重大应用的关键技术，实现下一代互联网的产业化；在技术上通过科学研究和技术开放，掌握下一代互联网及其应用的关键技术；在专利与标准方面申请一批专利，并争取在关于下一代互联网的重要国际标准中有中国的一席之地；建设一个科学实验、技术验证和业务示范的公共平台；在产品方面形成有自主知识产权的软、硬技术和产品；促进中国电信运营业的新业务和应用的开发，带动中国民族信息产业的发展。

    “973”计划也资助了下一代信息网络体系及关键技术方面的相关项目。2003年，“973”计划资助了重大研究项目“新一代互联网体系结构理论研究”，重点研究以IPv6为核心的下一代互联网体系结构及关键技术。项目取得了很多研究成果。

    在基础理论方面，提出了下一代互联网体系结构的多维可扩展模型和分析验证理论；提出了互联网动态行为模型和控制理论；研究了互联网的脆弱性模型，并建立了可信性模型理论；提出了互联网的服务模型和服务管理模型；提出了系统的互联网科学实验理论框架和多维网络行为观察模型。

    在网络体系结构设计和实现方面，设计了下一代互联网多维可扩展的、可信任的、可管理的和安全的体系结构和服务总体框架，设计其中主要的协议机制、关键算法，并实现了可运行验证的原型系统。

    在实验平台建设和实验方面，提出了互联网基础研究的综合实验验证理论框架，为基础研究成果的实验验证提供了理论支持；依托CNGI和NSFCNET，建设了一个下一代互联网技术的实验、验证和演示平台，为基础研究成果的实验验证提供了实验环境。

    目前该项目已经进入滚动程序，计划针对“下一代互联网体系结构与协议基础”继续深入开展研究。拟解决支持跨域大规模路由海量数据传送的下一代互联网体系的可扩展性、可信性、高效性、实时性和可管理性等5个科学问题：下一代互联网体系结构可扩展性和演进性研究、大规模网络的编址和路由研究、大规模流媒体高效网络传送机制研究、异构接入的非连接网络实时服务质量保证研究、复杂自治网络的网络管理与安全研究。

    2007年，“863”计划项目组启动了“新一代高可信网络”重大项目。该项目围绕国家重大工程、重大行业应用等关键技术，构建一个柔性可重构的、实现“三网融合”的、跨区域的国家示范网络，引领和支撑电信网络、广电网络和互联网络向下一代高可信互联网方向演进，成为国际互联网技术主流发展方向之一。项目重点研究创新的网络体制和创新的业务体系，包括国家实验床、新型的路由、光传送以及低成本接入设备4个部分。

    2007年，“973”计划资助了重大研究项目“可测可控可管的IP网络的基础研究”。该项目以可测、可管、可控的IP网中的可测性的基本方法、可管理的通用性质、可控性的实现机理等3个科学问题为主要目标，主要研究内容包括：IP网可测可控可管的结构、模型与实验验证，面向业务感知的网络测量理论与方法，IP网的网络管理模型、机制与算法，IP网的信任管理体系和理论，智能光互联网的资源优化与控制，IP网生存性的通用机理和调控方法。

    2007，“973”计划资助了重大研究项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”。该项目提出具有两层逻辑参考模型的下一代信息网络——一体化网络与普适服务体系，目前已经取得重要的突破性、阶段性进展。一体化网络与普适服务体系结构实际上是一个“标识分组网络”（以标识进行管理，以分组进行传输），包括交换路由层和普适服务层两大部分。交换路由层的研究目标是在一个可信（安全、可靠、可控、可管）的一体化网络平台上提供多元化的网络和终端接入，保证信息交互的可信性和移动性，并支持普适服务的能力。普适服务层负责各种业务的绘画、控制和管理，这些业务包括由运营商或第三方增值服务商提供的各种网络业务，主要是语音、数据、流媒体等，不同的业务用同一个普适服务层承载。

    2008年，“973”计划资助了重大研究项目“认知无线网络基础理论与关键技术研究”。该项目重点研究通过认知的手段提高无线网络容量的基础理论和关键技术，拟提出一种全新的认知无线网络体系结构模型。项目通过引入与用户平面、控制平面相分离的认知平面，来更好地协调和支持网络内的推理、预测、网间学习、融合和决策等认知行为，并实现认知流与控制流和业务流之间的合理分离与有机协调。主要研究内容包括：无线网络认知基础理论与方法研究，智能的动态网络资源管理模型与控制机制研究，基于认知的无线网络传输机制研究，端到端重构机理研究。

3 国内外下一代信息网络的研究项目对比
    目前国内外对下一代信息网络的研究项目大致可以分为两大类：第1类主要是基于现有信息网络的演进和完善机制，如CNGI项目、“863”计划重大项目“新一代高可信网络”、“973”计划项目“新一代互联网体系结构理论研究”以及“973”计划项目“可测可控可管的IP网络的基础研究”；第2类主要在力求设计全新的信息网络体系及关键技术，如美国的GENI和FIND项目、欧盟的FIRE项目、“973”计划项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”以及“973”计划项目“认知无线网络基础理论与关键技术研究”等。

    当前国内外关于下一代信息网络的研究才刚刚开始，存在巨大的拓展空间，具有良好的发展机遇。对下一代信息网络自身关键技术的全面系统研究正是当前网络发展所迫切需要和亟需解决的问题。因此，迫切需要研究下一代信息网体系及关键技术，展开下一代信息网络的全面系统研究工作。希望中国在研究中取得全面的创新性成果和突破性进展，占领信息领域的制高点，形成自主知识产权的重大创新，使中国在知识产权问题上不再受制约。这对于提高中国国际竞争力，创建创新型社会具有重要的意义。

4 下一代信息网络的研究项目未来研究重点
    下一代信息网络技术的重点研究目标是解决现有信息网在安全、服务质量、服务模式等方面存在的问题。对下一代信息网络体系及关键技术的研究可以从以下两个方面展开研究。

4.1 基于现有信息网络的演进和完善机制
    （1）基于测量和管理的网络行为建模与方法
    基于测量和管理的网络行为建模与方法以解决网络行为、构造可以预测网络行为为模型等问题为主要目标。主要研究内容包括：面向网络行为感知的网络测量模型及方法，面向网络行为感知的网络管理模型及方法，面向网络行为感知的测量/管理采样网络参考模型及拓扑结构，基于网络行为原始数据的网络行为建模，网络行为模型验证。

    （2）超大容量光波网络交换与路由
    新型光交换模式与基础理论包括高效可管控的新型光交换理论及支撑技术、物理层和控制层的协同机制、可提升网络安全性的新型光交换机制、端对端路由连接、有信令系统的光路交换系统的核心机理。
高性能光波路由系统的理论与实现机理包括面向多粒度、大容量、高效率、低耗能的光波路由系统理论与技术，满足多帕比特每秒容量要求的高性能可扩展光子节点结构，支持能耗管理的高容纳、低延迟光波路由矩阵及组网方式。

    （3）超高速光传输理论与方法
    超高速光传输理论与方法围绕下一代超高速光传输系统展开研究，为实现超高速光传输提供理论基础与技术支撑。主要研究内容包括：具有高谱效率、高色散容限、高噪声容纳等特征的新型光调制/解调理论，光收发机制和色散管理方法，光纤媒质的非线性传输通道模型、多种效应的相互作用机制和信道性能监测方法等。

4.2 全新信息网络体系及关键技术
    （1）支持普适服务的智慧互联网体系及关键技术
    智慧互联网络具有感知和学习当前网络状态，并用以正确规划、判决和处理网络中的各种行为，达到支持普适服务，并保障网络的安全、可控、可管的能力。主要研究内容包括：以支持普适服务为主要目标的智慧互联网络体系架构问题，智慧互联网络体系中的认知基础理论与方法，智慧互联网络体系中的智能路由交换理论、机理与关键技术，智慧互联网络自主管理与控制理论、机理与算法等。

    （2）智能服务基础理论及关键技术
    智能服务基础理论及关键技术以解决融合网络环境系复杂服务需求建模、泛在融合网络服务的按需聚合和协同/感知问题等问题为目标。主要研究内容包括：融合网络环境下服务需求的智能化建模理论和方法研究，泛在融合网络服务的按需聚合和智能化协同、感知问题研究，智能服务的质量保证及测试技术研究，智能服务平台及关键技术研究。

    （3）移动互联网体系及关键技术
    移动互联网是下一代互联网中的重要和关键组成部分。目的是解决传统互联网体系及理论难以解决的由移动性所带来的高速切换、安全、可控和可管等问题，因此对移动互联网体系与理论的基础研究具有非常重要的战略意义。主要研究内容包括：移动互联网体系架构下的机理、理论与模型研究，支持快速移动和安全接入的认知网络的交换路由机理、理论与关键技术，移动互联网中异构网络切换、管理、安全的机制、理论与关键技术，支持普适服务的移动互联网机理、机制及理论。

5 结束语
    目前，国际上对下一代信息网络的研究才刚刚起步，还没有形成较为完整的体系。中国具有很好的发展机遇。突破传统研究思路，认识和研究下一代信息网络，更好地满足国家和社会需求，已经成为中国科技工作者的紧迫任务。中国信息网络发展迅速，相关的关键网络理论技术也已经初露倪端。下一代信息网络技术的基础研究为中国科技工作者取得网络信息领域的跨越式发展和实质性突破提供了一次重要机遇，对提高中国国际竞争力、创建创新性社会具有重要的意义。

收稿日期：2010-05-05

[摘要] 使用一种网络传输以前多种网络业务的需求日益强烈。随着网络的管理和运营变得非常复杂，带宽“瓶颈”、网络安全、移动性支持等问题越来越突出。下一代信息网络技术的重点研究目标是解决现有信息网在安全、服务质量、服务模式等方面存在的问题。可以从现有信息网络的演进和完善、全新信息网络体系建立两个方面展开研究。

[关键词] 下一代；信息技术；网络技术

[Abstract] Demand is strong for a network that can transmit multiple network services. As network management and operation becomes more complex, bandwidth bottlenecks, network security, and support for mobility become more prominent issues. Next Generation network technology must therefore sole the problems of network security, Quality of Service (QoS), and service pattern. This paper introduces next generation information network technology from two perspectives: the evolution and improvement of the current network, and establishing an entirely new information network system.

[Keywords] next generation; information technology; network technology