1.1 互联网发展现状

1.1.1 互联网发展趋势与挑战

互联网已成为现代社会最重要的基础设施之一，被广泛应用于社会经济、文化、政治、军事和生活的各个领域，是推动经济发展和社会进步的重要因素，互联网产业已成为我国国民经济重要的新兴产业。如图1-1所示，由中国互联网络信息中心（CNNIC）发布的第41次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2017年12月，我国网民规模达到7.72亿，普及率达到55.8%，超过全球平均水平（51.7%）4.1个百分点，超过亚洲平均水平（46.7%）9.1个百分点。

互联网的蓬勃发展使其已经深入渗透到全球经济社会的各个领域，成为经济发展和社会运行的基本要素。然而，随着互联网用户规模和业务规模的不断增长，以及4K/8K高清视频、虚拟现实/增强现实（AR/VR）、工业互联网、物联网、社交网络等新应用模式的出现，最初基于TCP/IP的为满足单一数据通信需求而设计、遵循“核心简单，边缘智能”设计原则的传统互联网体系结构逐渐暴露出一些固有的问题和局限，在可扩展性、可管可控性、安全性、移动性以及绿色节能等方面难以适应网络规模的急剧扩张。

（1）可扩展性：据Cisco公司2017年发布的VNI报告显示，预计2021年全球IP网络数据总流量将达到3.3 ZB，相比2016年将增长3倍，连接到网络的设备数量也将达到人口数量的3倍。随着用户数量和应用需求不断增加，网络流量的增长速度已经打破摩尔定律，远超路由器性能提升的速度，这导致运营商不断进行被动扩容，并为之付出大量成本。另外，骨干路由器的路由表急剧膨胀，目前全球路由表条目已经超过3384万条，其中，活跃路由表条目已经超过74万条，而且正在以每两年1.25倍的速度增长，预计到2020年整个路由表条目将达到4000万条。路由表条目的快速增长大大降低了路由查找性能，增加了路由器的系统开销，而在现有互联网体系结构中，只能通过不断地增加硬件设备性能来缓解该问题，尚未找到根本性的解决方案。

（2）可管可控性：TCP/IP网络采用分布式架构，由端系统负责复杂的网络功能，即遵循将服务连接的维护管理工作交由终端完成的设计原则，缺乏对网络资源的全局控制与管理。工业互联网、物联网、车联网等新兴应用的出现对互联网在可管可控性方面提出了更高的需求，这对于传统互联网无疑是一个巨大的挑战。

（3）安全性：随着互联网应用的飞速发展与大规模普及，网络安全成为一个不容忽视的重要挑战，存在着恶意软件、分布式拒绝服务（DDoS）攻击、钓鱼软件、应用程序漏洞等安全威胁。由于互联网最初设计的主要目标是实现顽健性互联和资源共享，并未充分考虑到网络的安全需求，虽然通过“打补丁”的方式在互联网中部署防火墙或陆续提出采用IPSec、SSL/TLS、DNSSec、RADIUS等技术以加强网络安全性，但整个互联网的安全保障仍处于被动应对的状态。随着应用增多，漏洞也不断增多，由垃圾/钓鱼电子邮件引发的网络入侵事故逐年增加，造成严重的用户身份信息泄露。同时，网络中引入的新技术也会带来新的安全漏洞，如网络功能虚拟化（Networking Function Virtualization, NFV）要求多个密码，就是一种潜在的威胁，需要利用其他安全技术保护。总之，始终缺乏系统化、内生化的网络安全体系。

（4）移动性：早期互联网主要为以计算机为代表的、具有一定处理能力的固定终端提供数据交换服务。目前，随着便携式移动设备和物联网、车联网的出现，互联网的终端形态发生了很大变化，突出表现为终端的移动性显著增加，数据传输路径频繁变换，传统TCP/IP网络身份地址双重语义的设计规则不利于频繁地切换服务，无法满足低时延、不丢包的会话场景需求，尤其是对于高速移动的车辆等服务对象，严重破坏了上层应用服务的连续性，甚至难以保证传统意义上的端到端传输。如何高效地实现网络对移动性的支持成为亟待解决的重要问题。

（5）绿色节能：网络通信行业不仅是个高科技行业也是一个高耗能行业。互联网设备芯片容量与速度的提升，意味着更高的工作频率和更复杂的加工工艺，直接导致芯片耗电量增大，从而增加了设备的功耗，为此需要购买更大容量的供电系统和冷却系统。据估计，全球互联网数据中心的用电功率可达300亿瓦特，相当于30个核电站的供电功率，节能降耗已经成为网络运营商必须面对和亟待解决的技术难题。

为了应对当前互联网发展带来的前所未有的挑战，美国、欧盟、亚洲等国家和地区纷纷在未来网络体系架构及未来网络关键技术等方面展开了研究，主要包括“演进型”与“革命型”技术路线。“演进型”技术路线的研究人员主张在现有互联网网络体系下进行“补丁式”的修补，对网络设备或拓扑进行改造，使其适应新的发展需求。其主要解决思路是基于现有的互联网体系结构（TCP/IP协议栈），提出一些新的协议或对一些原有协议和机制进行完善和更新。一般来说，这些协议仅仅关注互联网体系结构中的某个或某几个问题，如路由的可扩展性、端到端原则、网络的安全性和可信性，以及网络的自治特性等。“革命型”技术路线认为任何技术体系都有它的生命周期，经过若干年就可能发生较大的革新，IP网络体系结构也不例外。由于IP网络体系结构在设计的时候并没有充分考虑到当前网络应用的复杂性，因此主张采取“从头再来（Clean-Slate）”的策略，即在不受现有互联网约束的基础上探讨新的网络体系结构，并将其定义为未来互联网（Future Internet），目标是为了从根本上克服传统互联网体系结构在可扩展性、可管可控性、安全性、移动性以及绿色节能等方面的问题，以适应未来发展的需要，实现网络的可持续发展。

现有的互联网是沙漏结构，以IP为其细腰，这意味着添加新的功能只能通过打补丁的方式在其他层实现，而网络核心体系难以修改，因此造成网络节点臃肿和可扩展性差。“演进型”路线虽然具有比较强的可操作性与延续性，短期内可以取得很好的成果，但是长期来看，补丁式的演进可能会降低整个网络架构的灵活性、可靠性和可管理性，不能从根本上解决当前互联网所面临的各种问题。因此，构建一个全新的网络体系结构，即“从头再来”的革命型网络设计思路成为各国研究的热点。

1.1.2 未来网络研究进展

针对“革命型”的网络设计思路，世界各国纷纷启动了未来网络研究项目，从国家战略层面上对未来网络架构创新及部署实施方面高度重视。美国、欧盟、中国、日本等国家和地区在政策、资金、人才培养等方面纷纷加大投入，通过支持未来网络相关领域的科研项目进行未来网络核心技术的研究与创新，推进技术的实验和验证，并都在争当相关标准的制定者和领跑者。

（1）美国

自2005年起，美国国家科学基金会（National Science Foundation, NSF）已投入超过3亿美元，联合100多家单位，共同建设国家级的网络试验床原型——全球网络创新环境（Global Environment for Network Innovation, GENI），并进一步转化为建设真实可用的试验网络，促进全球未来互联网革命性的创新。并且，NSF设立了包括命名数据网络（Named-Data Networking, NDN）、MobilityFirst、NEBULA、XIA（eXpressive Internet Architecture）、机会网络（Network Innovation through Choice, Choicenet）在内的5个未来互联网体系结构研究项目，促进未来网络各项相关关键技术研究的革新。2017年9月，NSF继续发布了计算机与网络系统（CNS）核心项目指南，重点支持计算机系统研究（CSR）和网络技术与系统（NeTS）两大核心计划。其中，网络技术与系统聚焦对网络基础科学和技术进步的变革性研究以及引领未来新一代高性能网络和未来互联网架构发展的系统研究。

（2）欧盟

欧盟第七框架计划（European Community's Seventh Framework Programme, FP7）从2007年开始陆续资助了上百项未来网络研究项目，包括FIRE、SAIL、CHANGE、PSIRP等，并取得了重要成果。此后，欧盟于2014年投入800亿欧元启动了为期7年的Horizon2020计划（即FP8计划），该计划目前支持ICT征集发布的第一个工作计划（ICT2014/2015年）中关于未来网络研究的10个方向，包括智能网络及新型网络架构、智能光无线网络技术、先进的云基础设施和服务及未来网络中先进的5G网络设施等研究方向。ICT工作计划指出，互联网架构领域的下一波研究浪潮应该解决现行网络架构中存在的问题，并将着手部署最有发展潜力的网络架构。其中，在智能网络及新型网络架构领域中，POINT、UMOBILE、RIFE等项目利用信息中心网络（Information Centric Networking, ICN）、时延容忍网络（Delay-Tolerant Networking, DTN）的优点，继续对未来网络的构建和发展进行持续研究。2017年，欧盟宣布将在2018～2020年间启动第二阶段的研究计划，将投入1.49亿欧元支持以5G网络、B5G网络为代表的未来网络技术研究工作。

（3）日本

日本国家信息通信技术研究院（NICT）于2006年启动了AKARI研究计划。AKARI计划首次提出了新一代网络（New-Generation Network, NWGN）的概念，以区别于传统的下一代网络（Next Generation Network, NGN），并提出了未来网络架构设计需要遵循的简单、真实连接、可持续演进3大原则。2010年，NICT整合了AKARI、JGN-X、Network Virtualization等多个未来网络领域的相关研究项目，形成了新一代网络研究与发展计划（New-Generation Network R&D Project）。该计划目标是覆盖新一代网络研究的各个领域，通过有效合作探讨未来网络相关领域的核心技术成果，使未来网络可以满足大规模、多终端情景下的高层次用户需求，解决未来网络的可持续发展问题，并创造新的社会价值。2011年，日本启动了JGN-X项目，旨在建立新一代网络，并根据技术趋势提高网络功能和性能。通过试验台的运作，日本推动广泛的研发活动、各种应用的展示和尖端网络技术的发展。目前，日本新一代网络及其扩展的中心主要是JGN-X试验台网络。JGN-X网络组成的设备包括二层交换机和三层路由器，并在全日本拥有22个接入点。连接骨干节点的骨干网由10～40 Gbit/s的网络组成。其他接入点通过带宽连接，如1 Gbit/s。当前，JGN-X被研究人员和研究机构广泛应用于研究项目和项目示范等活动中。

（4）中国

面对互联网的主要技术挑战和下一代互联网的重大需求，我国在《“十三五”国家科技创新规划》中，明确将天地一体化信息网络、大数据、智能制造和机器人等列入科技创新2030重大工程中。国务院在《“十三五”国家信息化规划》中也明确提出超前布局未来网络，加快工业互联网、能源互联网、空间互联网等新型网络设施建设，推动未来网络与现有网络兼容发展。同时，2016年年底，国家发展和改革委员会正式启动了国家重大基础设施“未来网络试验设施”的建设。这期间，科学技术部、国家自然科学基金委员会等也都在积极设立新型网络、未来互联网等相关研究计划，关于软件定义网络、互联网可信模型、移动性、可管可控等未来网络相关方向的国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家科技重大专项等科研项目也陆续启动，以试图建立一套完整的未来网络架构及关键技术研究体系。

未来互联网的研究将是一个长期的过程，各国之间展开了激烈的竞争，关于未来网络关键技术的研究也取得了长足发展。其中，以信息为中心的网络架构是各国关注未来互联网研究活动而提出的重要设计理念，信息中心网络在众多革命式网络体系结构方案中成为重要候选技术之一，被业界视为能较好地满足当前网络信息传递需求的重要解决方案，引起了广泛的关注，并成为当前研究热点。