新一代英特网及其相关技术.doc

新一代英特网协议与技术 【光英特网】 【量子英特网】 【语义网】 【全息网】 因特网在美国的发展速度最快,因此美国人最早感受到了第一代网 络设备及技术的种种不方便之处，下一代因特网的设想于是出炉。 1996 年 10 月，美国总统克林顿宣布启动下一代因特网研究计划， 目前，这一研发工作已经取得明显进展。下一代因特网开发包括三 个主要计划，即美国政府的下一代因特网研究计划、美国国家科学 基金会的超高带宽网络服务和美国 170 所大学联合进行的第二代因 特网研究计划。美国政府的下一代因特网计划，在美国国家科学和 技术委员会的框架内进行协调，高级战略由计划、信息和通信委员 会提出，大规模网络工作组提出实施战略。根据这一计划，到 2002 年，将由连接 10 个点的超高性能试验网进行高级应用试验。 美国国家科学基金会的超高带宽网络服务始于 1995 年 4 月，当 时连接了 5 个超级计算机中心。到 1997 年，该基金会已经拥有 14000 英里的 OC12 链路，1999 年底建立了 100 多个国内连接点 和 20 个国际连接点，今年，该网络的主干速率将升级到 OC48。 美国国家科学基金会的网络服务开始后，美国 170 所大学一致同意 在新一代网上共享网络资源，于是制定出第二代因特网研究计划。 这个计划将采用新一代网络技术，但是，它并不是要取代现有的因 特网，也不是为普通用户建立一个新的网络。参与研究的大学需预 先支付 50 万 美元将其 WAN 升级，每年向中央小组支付 25000 美元的协调 费。 目前，美国政府的下一代因特网计划、美国国家科学基金会的 网络服务、美国 170 所大学的第二代因特网计划三者之间相互联系， 国家科学基金会为第二代因特网计划提供主干网服务，两者又参与 美国政府的下一代因特网计划中关于教育领域的某些项目。实际上， 第二代因特网被认为是完成下一代因特网计划的第一个目标，即连 接 100 所一流大学，并开发下一代网络应用。 美国 1996 年启动下一代因特网：1998 年 4 月中国建立国内第 一个 IPV6 试验网；2000 年 9 月在清华大学建成中国第一个下一代 因特网交换中心 DRAGONTAP；2001 年 3 月，首次实现了与国际 下一代因特网 INTERNET2 的互连； 2004 年第一个 IPV6 全国主干 网 CERNET2 试验网开通。从协议角度看，下一代因特网是基于 IPV6 的因特网；从应用的角度看下一代因特网是互联网；从资源角 度看，下一代因特网是网格；从内容角度看，下一代万维网是语义 万维网或语义网；从带宽角度看，下一代因特网是宽带因特网或高 速因特网；从移动角度看，下一代因特网是宽带移动因特网。下一 代因特网将不仅仅是一个网站的集合，而是一个应用和信息发布的 全球性计算平台，家庭中的每一个物件都将可能分配一个 IP 地址， 一切都可以通过网络来调控，下一代因特网还是一类社会概念的因 特网，互联的不仅是终端（PC、手机等） ，而且是真实的社会需要。 从另一个角度来说，下一代因特网是一个“无所不在”的网络。 图：图： 新一代网络示意图新一代网络示意图 下一代因特网主要有以下特征： 更大。采用 IPV6 协议，非常大的地址空间。网络规模将更 大，接入网络的终端种类和数量更多，实现人与物、物与物的对话， 网络应用更广泛。 更快。一是速度更快， ；二是采用端到端的无障碍传输，节 点更少，效率更高。 更安全。可进行网络对象识别、身份认证和访问授权，具有 数据加密和完整性，保证对黑客、病毒攻击更有据可查。 更及时。 更方便。人们可以随时、随地、用任何一种方式高速上 网，任何可能的东西都会成为网络化生活的一部分。 更容易管理。 更有效 下一代因特网有以下典型应用。 计算网格、数据网格：大规模科学计算。 大规模点到点的视频通信。 无线/移动应用：智能交通。 大规模视频会议、高清晰度电视。 环境监测、地震监测。 远程仪器控制、虚拟实验室。 远程教育、数字图书馆。 远程医疗。 当今的新一代网络，主要依靠以下几个方面，也就是主要的当 今几个发展发面： 1. 光英特网 2. 量子英特网 3. 语义网 4. 全息网 光英特网光英特网 光因特网也称光 IP 网或 IP OVER DWDM。简而言之，直接在光上 运行的因特网就是光因特网。 其基本原理和工作方式是：在发送端，将不同波长的光信号组 合（复用）送入一根光纤中传输；在接收端，又将组合波长的光信 号分开（解复用） ，并做进一步的处理，恢复出原信号后送入不同的 终端。光英特网具有以下优点： 可以适应 IP 数据业务的不对称 性，不同波长上的数据速率可以不同。 充分利用光纤的带宽资源。 对传输码率、数据格式及调制方式透明。 与现有通信网络兼容，还可以支持未来的宽带业务网及网络 升级。 光纤环的两侧都能使用，使路由可获得全部带宽，也不会有 分组丢失。 不会引起抖动、时延或分组丢失。而其所具有的缺点就是： 目前，还没有实现波长标准化。一般取 193.1THZ 为参考频率， 间隔取 100GHZ。 WDM 系统的网络管理应与其传输信号的网管分离。 导致 WDM 系统的网络管理还不成熟。 光英特网所具有的这种结构具有： 靠 WDM 波长配置，光因特网 业务量工程设计可以与非对称的因特网业务量相匹配。 可利用光纤环保护光纤上的空闲带宽来吸收突发业务量。 光因特网可以在 IP 层上实现不同的恢复。 利用工作光纤和保护光纤可以配置直通波长或旁路波长。 量子英特网量子英特网 在传统因特网的基础上，科学家们提出建立了一种新奇的网络，它 能够传输宇宙间最奇特的物质，其传送速度无与伦比，其计算速度 是超乎寻常的，这种网络叫量子因特网，这种奇特的物质称为“缠结” 信息。 量子英特网的优势在于， （1）存储量大及并行计算 3 个量子比特 可以存储 8 个状态。 300 个量子比特可存储的状态是 2 的 300 次方，相当于整个宇宙 中的原子数。 （2）保密性强，已经观察到了光子的“隐形传输”。它可以用来开发 保密通信。解决量子信息奇特的脆弱性的测量问题。 解决量子的 消相干问题是取得突破的关键。经典信息论是 0 和 1 组成的序列， 通过改变导线上的电压可以实现这种序列编码。量子粒子（如光子） 在同一时间有两种或多种存在状态。 缠结将会给未来的网络通信带 来巨大的变化。量子隐形传送，目前发现量子因特网至少可将信道 容量提高一倍。研究人员开始研究粒子 3 重缠结和 4 重缠， 最近， 研究人员对量子缠结状态的脆弱性问题提出了完善的解决方案，其 解决方案是利用执行量子计算的软件保护量子信息，使量子信息不 会产生错误。1997 年奥地利的因斯布鲁克大学的研究人员提出了第 一个量子因特网计划，2000 年 3 月美国麻省理工学院和马萨诸塞州 林肯空军研究室的研究人员提出了更加接近实现量子因特网的设想。 麻省理工学院发布了建立量子因特网的详细计划，提出了许多基于 有序量子点，纳米结构或量子原胞机来实现量子网络或量子逻辑门 的方案。 语义网语义网 “语义”原意是指词语的意义，所谓“语义网”，通俗地说，是按照能 表达网页内容的“词语”链接起来的全球信息网，或者说是用机器很 容易理解和处理的方式链接起来的全球数据库。TIMBERNERS-LEE 认为， “语义网并非一个完全不同的万维网，而是现在万维网的一个 延伸，是将现行万维网上的信息加以明确的语义定义，更利于人机 之间的合作。 ” 简单地说，语义网是第三代 WEB，是一种能理解人类语言，根 据语义进行判断的智能网络，它提供诸如信息代理、搜索代理、信 息过滤、信息共享、再利用等智能服务。 在语义网上连接的每一部计算机不但能够理解词语和概念，而且还 能够理解它们之间的逻辑关系，可以做人所从事的工作，总之，语 义网是一种更丰富多彩、更个性化的网络。 它可以帮助你滤掉你不喜欢的内容，使 WEB 页面文件本身更 加数据化，使搜索软件与 WEB 页面之间的沟通更有效，从而使网 络更像是你自己的网络。万维网联盟（W3C，WORLD WIDE WEB CONSORTIUM）是语义网主要的推动者和标准制定者，HP、IBM 等开发出了 JENA、KAON、RACER、PELLET、PROTG 等一系 列语义网技术开发应用平台、基于语义网技术的信息集成以及查询、 推理和本体编辑系统。 在 2002 年，语义网技术就被国家“863 计划”列为重点支持项目， 清华大学的语义网辅助本体挖掘系统 SWARMS、上海交通大学的本 体工程开发平台 ORIENT 都代表了国内语义网的研发水平。语义网 的研究内容越来越广泛而深入，大致可分为以下 3 个层次。第二层 次是关于语义网及其关键技术对相关学科或研究领域的影响与启示。 第三个层次则是针对语义网及其关键技术所做的具体试验与应用。 语义网的体系结构共分七层，第一层，编码定位层。 数据格式采用 UNICODE，为语义网提供了统一的字符编码格 式，统一资源定位符（URI，UNIFORM RESOURCE IDENTIFIER） 用于标识、定位网络上的资源。第二层，XML 结构层。 用户可以 在 XML 中创建自己的标签、对网页进行注释，脚本（或程序）可 以利用这些标签来获得信息。第三层，资源描述层。资源描述框架 （RDF，RESOURCE DESCRIPTION FRAMEWORK）是一种描述 万维网上的信息资源的一种语言。 RDF 解决的是如何采用 XML 标 准语法无二义性地描述资源对象的问题，使得所描述的资源的元数 据信息成为机器可理解的信息。第四层，本体层。该层是在 RDF（S）基础上定义的概念及其关系的抽象描述。第五至七层，逻 辑层、证明层和信任层。逻辑层负责提供公理和推理规则，通过证 明层交换以及数字签名，建立一定的信任关系，从而证明语义网输 出的可靠性及其是否符合用户的要求。语义网的实现需要三大关键 技术的支持：XML、资源描述框架（RDF）和 ONTOLOGY。 XML 是一种类似于 HTML 的语言。它用来描述和显示数据的标记， 能使数据通过网络无障碍地进行传输，并显示在用户的浏览器上。 XML 也是自解释（SELF DESCRIBING）的语言，用来将数据保存 到文件或数据库中。它又是元标记语言，即定义了用于定义其他与 特定领域有关的、语义的、结构化，XML 定义了一套元句法，如果 一个应用程序可以理解这一元句法，那么它也就自动地能够理解所 有的由此元语言建立起来的语言有了 XML 用户可以创建自己需要 的标记 XML 可以让信息提供者根据需要，自行定义标记及属性名， 对网页或页面的部分文字进行注释，使 XML 文件的结构可以复杂 到任意程度。 全息网全息网 全息是因特网的终极社会目标。全息意味着信息节点之间最高效率、 最广范围、最深水平的联系。全息社会是以超链组织个人、生产、 信息和知识、价值的发展中的社会形态。信息节点以超链进行自组 织。节点通过超链实现的自组织达到 3 个目的：信息运动加强；人 类社会运动加强；人类与信息的相互作用加强。全息搜索面向人与 人之间、内容与内容之间和人与内容之间的关系进行搜索和分析。 其中对于人的搜索不仅仅包括人的个人信息，还包括一个人的文化、 学识、涵养、个性、行为、活动计划、发展方向、希望和梦想等很 多方面。 全息网是指以全息搜索为基础的因特网，其构成由“人”、 “内容”、 “全 息关系”、 “行为”和“目的、任务、状态”五大部分组成，以全息思维 设计、完善和改造因特网，具体任务包括分布式的分散安全结构、 个人功能的强化、变体运用逻辑之间的全息融合、信息知识资源和 人的价值之间的自由转换、观念意识与物质成就之间的互补融合、 产供销的电子一体化、现代组织的全息化嬗变、电子化社会教育革 命、社会性协调控制机制等。两者都试图对现有因特网进行提升， 两者都试图建立起一种全新的基于新一代因特网的。 两者都 致力于网络与现实更紧密的结合。 两者都不回避计算机智能和因 特网智能的必然出现。 两者都试图以全网的公共法搜索功能来与 统一而集中的商业搜索抗衡。 两者都是对于人类现有知识的空前 的历史性重构和挖掘 两者都具有面向逻辑关系研究的理论基础和 开发传统 两者都具有人类协同的社会属性。 更多个人化的对 象体系。 语义网专注于宏观的因特网环境的改造和技术端的改造， 忽视了对于个人与社会、人性与技术的联系以及个人端的改造。 全息网专注于整体的全息因特网环境的建设 多方向全方位的组织 实施方式。 网络和现实兼顾的目标 知识解决机制的前景 社 会价值，全息网思维起点从一开始就是社会性和人类性的。全息网 的主要表现形式，首先，全息网站是具有人性、智商、对话的窗口、 路径和环境，形成网站的虚拟人格，其次，全息网站入口由两部分 构成，一是登录；二是非个性化的普遍信息，第三，全息网站的简 单界面是以背后的强大后台为后盾的。第四，全息网站将网站的决 定权和选择权归还用户。第五，全息网站必须充当用户的咨询师、 顾问、朋友、引路人、心灵伙伴等角色，第六，全息网站可以根据 用户个性设计出整合的备选方案， 第七，全息网站背后的全息既包 括内容、信息、关系等，还包括派生的虚拟真实、虚拟交