212年973项目标书面向服务的未来互联网体系结构与机制研究

1、工程名称：面向效劳的未来互联网体系结构与机制研究首席科学家：刘韵洁 中国科学院计算技术研究所起止年限：2021.1-2021.8依托部门：中国科学院、关键科学问题及研究内容现行互联网是基于TCP/IP体系结构建立的,具假设用户和终端是可信和智 能的,网络本身仅仅需要提供尽力而为的数据包转发效劳,这种理念符合最初以主机互联和资源共享为主要目标的互联网设计需求.随着应用及计算模式的日益 丰富及社会对互联网依赖程度的增强,互联网接入方式和网络功能定位发生了巨 大的改变,TCP/IP体系结构已经无法满足互联网持续开展的需求,在可扩展性、 动态性以及平安可控性等方面呈现出无法解决的问题.为了从根本上解决

2、上述问题,适应互联网未来持续开展的需求,需要设计新的互联网体系结构并研究相关 关键机理.本工程中,新的体系结构的设计主要考虑下面两个因素：一转变互联网设计理念：从传输通道到效劳池在互联网设计之初,用户主要关注与特定位置的其他用户实现互联,根据 该场景设计的TCP/IP体系结构能够很好地满足这种需求.而如今,互联网应用 范围已经远远超越了互联网设计初衷,成为当前信息社会的重要根底设施之一. 用户更关注的是效劳本身,例如信息搜索、内容分享、云计算效劳等,而不再特 别关注效劳提供者的位置.从这一设计理念来说未来的互联网有理由被看作是服 务池,而不是简单的数据传输通道.二硬件技术进步：新的互联网设计理

3、念的支撑技术硬件技术根据摩尔定律快速开展,计算和存储价格也以近乎直线的速度下降.研究报告指出过去25年每字节的存储价格以每周3%的速度下降.恰恰相反, 长距离传输的价格却几乎保持不变,而且高于存储的价格 38.这种变化促使我们考虑用存储和计算来换取带宽,即在网络中增加存储和计算功能,从而把纷繁 复杂的效劳推向距离用户更近的位置, 提升互联网效劳的性能,提升用户的效劳质量.综上,本工程旨在研究面向效劳的未来互联网体系结构, 效劳可以理解为“数 据和“处理的结合体,其中“处理包含对数据的计算和存储.该体系结构的根本 理念是以效劳驱动路由,增加网络侧的智能使得互联网成为集传输、存储和计算 为一体的效

4、劳池.新的体系结构遵循沙漏模型又称细腰模型,在细腰位置将TCP/IP结构中的IP地址替换成效劳标识图1.细腰模型使得面向效劳的未来 互联网体系结构具有更好的灵活性和可扩展性：为纷繁复杂的上层效劳提供支 持,同时也可以连接到各式各样的下层传输网络上.基于细腰模型的互联网体系 结构都需要解决三个问题：1细腰局部的作用；2细腰与上层的交互机理；3 细腰与下层的交互机理.由此,本工程需要解决以下三个关键科学问题：- 传输和效劳的动态复杂耦合问题细腰局部的作用.- 海量差异化效劳透明映射问题细腰与上层的交互机理.- 可扩展效劳路由与高效传输问题细腰与下层的交互机理.可扩展效劳路由与高效传输图1工程的科学

5、问题及其定位2.1关键科学问题(1)科学问题之一：传输和效劳的动态复杂耦合问题本科学问题旨在解决如何在网络中增加智能, 使之成为支持计算、存储和传 输功能的效劳池的问题,其中的关键问题包括：- 效劳命名和统一标识理论借鉴网络分层模型,探索位置无关的、层次化效劳命名体系和统一标识理论.- 设备的虚拟化智能化机理传输和效劳的耦合需要基于路由设备来实现, 包括路由设备如何存储效劳内 容,如何感知用户效劳需求,如何基于效劳内容进行路由决策等.- 效劳水平共享方法效劳水平共享解决效劳来源多样化的问题, 包括网络如何获取和治理效劳资 源,如何根据效劳性能最大化需求选择适宜的效劳提供方式满足用户需求,如何设

6、计基于协作的分布式效劳存储机制并实现效劳在不同节点之间的动态迁移等.(2)科学问题之二：海量差异化效劳透明映射问题本科学问题旨在解决三层模型中细腰层对上层的支持以及这两个层次之间的高效交互问题,其中的关键问题包括：- 效劳描述模型实现差异化效劳的统一透明映射,首先需要解决效劳描述问题,包括如何从 元建模的角度,研究统一的效劳属性描述元模型,如何界定效劳与具体应用之间 的关系,如何使得效劳属性模型具有可扩展性以适应未来业务创新的需求,如何 保证效劳的平安与可信-效劳标识统一映射方法在效劳属性模型细致刻画效劳的根底上,研究基于不确定信息的效劳属性模 型到效劳统一标识的透明映射理论和方法,包括效劳标

7、识的分层结构设计、属性 的标识映射方法等.(3)科学问题之三：可扩展效劳路由与高效传输问题本科学问题旨在解决三层模型中细腰层对下层的覆盖及这两个层次之间的高效交互问题,其中的关键问题包括：- 效劳路由机理与地址或者内容不同,效劳具有更加丰富的属性,而且属性是动态的,需要 根据效劳的多维属性,动态选择路由.研究效劳属性的感知机理,效劳属性标识 到效劳位置的映射方法以及自适应路由选择.- 网络高效互联与智能传输机理网络的高效互联与智能传输是提升海量用户效劳请求映射效率的重要举措, 包括如何利用节点的存储和计算水平提升网络的传输性能,如何设计符合数据中心网络特征和流量统计分布特性的流量限制策略.-

8、网络科学模型准确的网络科学模型是研究海量效劳高效传输的前提和根底, 包括未来复杂 网络环境下的用户行为模型、效劳行为模型、网络业务流量模型、网络拓扑模型 等.2.2研究内容针对以上三个关键科学问题,在未来互联网体系结构及相关机理研究方面,本工程拟开展五个方面的研究(研究内容和关键科学问题的关系见图2):-面向效劳的体系结构层次模型及理论、评估及验证方法- 效劳标识及迁移机理高效路由与智能传输机理- 平安与可信机理- 网络科学模型图2研究内容与关键科学问题之间的关系(1)体系结构层次模型及理论、评估与验证方法充分分析互联网现状、需求以及未来互联网的开展趋势,探索以效劳为中央 的未来互联网体系结构

9、,研究基于海量数据的大规模互联网生长机理, 研究效劳 驱动的路由机制,研究网络虚拟化和可编程关键技术, 设计支持可编程、虚拟化 的未来互联网路由节点模型.创立未来互联网实验环境,为体系结构及相关机理 的研究、设备原型研发提供评估和验证环境,研究未来互联网的性能评估方法, 设计性能评价指标体系,验证基于本工程成果建设的未来互联网的功能和性能.(2)效劳标识及迁移机理针对纷繁复杂的网络效劳,研究效劳的描述及统一标识理论,探索位置无关的、层次化的、可扩展的效劳命名体系；根据用户及网络行为,研究环境上下文 敏感的效劳动态迁移方法及大规模复杂效劳的本地化自适应运行机制；针对由于效劳迁移造成的多效劳副本分

10、散运行情况, 研究效劳的一致性治理和自动维护方 法；从效劳可靠性的角度,研究效劳隔离模型以及路由节点多效劳多租户的运行 方法.(3)高效路由与智能传输机理针对未来互联网面临的提供复杂效劳与传输海量信息等需求, 研究面向效劳 和信息的高效路由与智能传输机理,重点解决可扩展效劳路由协议、海量信息转 发与分布式存储、面向效劳的智能传输限制、效劳与网络环境的感知技术、以及 网络虚拟化技术等关键问题,实现对超大规模效劳及海量信息的高效支持,提升 网络路由和传输的性能和效率.(4)平安与可信机理针对以效劳为中央的未来互联网体系结构的平安与可信问题,从未来互联网平安架构、互联网访问限制机制、效劳平安性的自包

11、含验证机制、效劳定位的安 全保证机制、效劳迁移的平安保证机制、在线监控和网络恢复机制等多个方面开 展研究,在网络体系结构中内嵌效劳验证、访问限制、监控审计、隐私保护等基 础平安功能,为构建平安可信和可控可管的未来互联网奠定根底.(5)网络科学模型通过研究用户主体特征等根本要素, 挖掘用户的业务使用偏好,刻画未来互 联网用户行为模型.针对典型效劳,刻画网络效劳行为的静态和动态特征, 构建 未来互联网效劳行为模型.研究业务感知的流量建模及识别方法, 构建未来互联 网网络业务流量模型.通过对大规模网络的采样,刻画未来互联网网络拓扑模型.研究未来互联网组织治理与运行机制,建立组织鼓励及互动博弈模型并提

12、出可持 续性生态链开展机制.研究未来互联网对社会经济活动的影响.二、预期目标针对互联网面临的可扩展性、动态性、平安可控性等问题,围绕着传输与服 务的动态复杂耦合、海量差异化效劳的透明映射以及可扩展效劳路由与高效传输 等三个关键科学问题,研究未来互联网体系结构,在网络设计与运行机理层面取 得重大突破,形成一系列核心理论和机理方法.预期创新成果包括：- 提出适合未来计算模式的以效劳为中央的未来互联网体系结构层次模型.新的体系结构以网络效劳驱动路由,是一种支持演进式革命的未来互联网体系 结构.路由机制根据效劳属性及网络状态的变化,自适应地进行效劳与网络 资源最优映射.设计可编程、虚拟化的未来互联网节

13、点模型,支持新型体系 结构和效劳路由机制.- 提出面向未来互联网的性能评估体系和测试验证技术.针对未来互联网的关 键科学问题及其研究内容,研究面向未来互联网的性能指标体系,建立相应 的性能评估模型,提出一套测试评价方法,构建虚拟化、可编程的新型网络 实验环境,对本工程形成的未来互联网理论和关键技术进行原理性验证.- 提出海量效劳统一可扩展标识理论和环境敏感的效劳迁移及本地化自适应方法.针对新型体系结构下效劳的标识及迁移问题,提出统一的效劳描述元模 型,建立效劳标识的高效映射机制,形成环境敏感的效劳动态迁移及自适应 运行和治理机制.- 提出面向效劳和信息的网络高效路由与智能传输机理.网络结点设备

14、不但具 有通信功能,还具有计算和存储的功能,网络结点支持分布式存储及信息转发,实现“网络层P2P'和"就近效劳实现对大规模效劳及海量信息的高效网络支持- 提出面向效劳和数据内容的细粒度系统性平安机理.针对面向效劳的未来互 联网体系结构,通过建立未来互联网平安架构、开展互联网访问限制机制、 效劳平安性的自包含验证机制、效劳定位及迁移的平安保证机制、在线监控 和网络恢复机制等的研究,解决未来互联网面临的平安与可信问题.- 提出未来互联网网络科学模型.以需求特征和网络测量为根底,从用户行为、 效劳行为、网络流量、网络拓扑多方面给出未来互联网网络科学模型,提出 未来互联网组织治理和可

15、持续性生态链开展机制.通过本工程的实施,达成以下目标：1设计面向效劳的未来互联网体系结 构,形成一系列互联网根本理论和方法；2针对未来互联网效劳标识及迁移、 高效路由与传输以及平安与可信机理,提出原创性、系统性解决方案；3建设支持未来互联网持续创新的试验床,实现并验证体系结构和理论方法；4在ACM/IEEE等权威SCI学术刊物和顶级学术会议 NSDI、Sigcomm、Sigmetrics Infocom、CoNEXT、WWW、ICNP、DSN、IMC、ICDCS 等上发表高水平论 文100篇以上,申请国内外核心创造专利 50件以上,提交标准化草案/文不5件 以上未来互联网体系结构的研究目前还处

16、于探索阶段,在工程执行周期内使相关技术接纳为正式标准不太现实；5为国家培养一批从事未来互联网研究的 青年学术带头人和研究队伍.本工程的成果应用可从根本上改变互联网的效劳模式和通信模式, 全方位提 升用户的效劳体验,使互联网在人类生活和社会开展中发挥更大、 更重要的作用. 同时,本工程研发的关键技术和系统可以产生显著的社会效益和经济效益, 为未 来十年我国由网络大国向网络强国转变做出实质性的奉献.三、研究方案4.1 总体研究思路本工程拟研究面向效劳的未来互联网体系结构SOFIA (Service-OrientatedFuture Internet Architecture),并探索相关核心机理.

17、SOFIA的根本思想是以效劳 标识为核心进行路由,将互联网设计为集传输、存储和计算功能于一体的效劳池. 与基于TCP/IP体系结构的互联网相比,基于SOFIA体系结构的互联网具有更多 的智能,终端仅需要表达效劳需求,网络会自动完成效劳定位、传输及资源动态 调度等功能为用户提供效劳,这种设计理念适应了互联网终端异构化的现实需 求.SOFIA体系结构是一种革命型(Clean-slate体系结构设计思路,将充分借 鉴TCP/IP体系结构的优点和成功经验,以面向效劳为核心设计理念,在体系结 构和核心机理层面进行有针对性地研究,解决互联网面临的可扩展性、动态性、 平安可控性等问题.在SOFIA体系结构中

18、,以效劳标识作为沙漏模型的细腰,并以效劳标识驱 动路由和数据传输.效劳是由一组多维度属性标识,即Service = F(Pi, P2, P3,), 其中R是效劳的第i个属性.属性可以是静态的,如文件名、作者等,也可以是 动态可调整的,如效劳的优先级等.效劳标识是效劳的逻辑描述,与之对应的是 效劳的位置.效劳标识和地址的映射信息在效劳启动时注册到互联网上,注册信息由路由器分布式保存(如基于分布式哈希表).标识和位置别离的思想有助于 物理地址的聚合,解决互联网核心路由器路由表膨胀的问题, 也有助于对移动计 算的高效支持.在效劳在移动时,效劳位置将发生变化,但效劳标识并不会发生 改变,以效劳标识为驱

19、动的路由对上层屏蔽了地址的变化,保证了效劳的连续.效劳请求以效劳标识驱动,根据网络中保存的注册信息实现标识到地址的映 射,从而实现效劳的定位.映射和定位操作均由网络完成,减轻了终端的负载, 适应了终端异构化、弱智能化等趋势.如果效劳在本地网络,效劳请求也可由服 务标识直接定位,无需进行地址映射等操作.SOFIA互联网是集传输、存储和计算的效劳池.路由节点除具有传统的路 由查找、数据包转发等功能外,还具有存储和计算功能.路由节点缓存那些经常 被访问的静态数据效劳(如流行的音视频等),而计算功能使得效劳迁移到路由 节点成为可能.存储和计算功能增强了网络的智能, 解决了流量激增带来的互联 网扩展性问

20、题,提升了用户效劳质量.存储从另一方面提供了数据包的存储转发 功能,解决了 DTN (Delay Tolerant Network )网络、物联网等接入问题.路由 节点存储采用网络编码技术对存储空间和传输效率进行优化利用,而效劳迁移采用轻量级虚拟机技术在路由节点上实现效劳隔离和动态迁移.SOFIA网络提供网络虚拟化功能,利用组合优化根本理论形成虚拟网络到 物理网络的近似最优化映射.不同的虚拟网络拥有不同的资源,可根据需要承载 不同的效劳,满足效劳多样性的需求.SOFIA根据效劳的需求和网络状态,实时感知用户行为、效劳分布以及网络拓扑、网络流量等网络资源状态,动态调整 网络资源,实现效劳质量和网

21、络资源的可管控. 效劳的需求由效劳标识中的某些 属性表示,网络状态由路由节点中的性能监测功能提供.SOFIA体系结构提供内在的平安机制,采用认证鉴权机制保证只有合法的 效劳提供者和效劳请求者才可以访问网络,设计一系列平安机制保证效劳注册、效劳迁移、效劳查询、效劳获取等各个环节都处于平安可控的状态.SOFIA 从体系结构、路由、存储、计算、传输各个层面系统地提出未来网络平安性设计机 理,保证未来互联网传输通道、根底设施与应用的平安与可信.SOFIA体系结构将在由可编程虚拟化路由器搭建的试验床上验证和评估.可编程虚拟化路由器结合硬件高速处理和软件灵活编程的特性,具有可编程、虚 拟化和高性能特点.不

22、同的网络协议灵活实现,且可以互相独立的运行,为多种 协议、多种体系结构的并发运行和验证提供了根底.要素把握互联网拓扑模型效劳行为模型用户行为模型机理研究工,:效劳标识及迁移机理,高效路由与传输机理体系结构层次模型及理论平安与可信机理验证评估可编程虚拟化路由器试验床性能评估基于上述对SOFIA体系结构根本设计思路和技术特征的分析,本工程具体 的技术路线如图3所示,从要素把握出发,研究核心机理,最后通过试验床进行 验证.要素把握主要关注网络行为科学模型,而核心机理从体系结构、效劳标识 与迁移、互联与传输、平安与可信四个方面展开深入研究, 最后试验评估借助可 编程虚拟化路由器搭建试验床,开展性能评估

23、.图3工程总体技术路线图4.2 技术路线及可行性根据工程的总体技术路线和主要研究内容, 方案采取以下技术途径设计未来 互联网体系结构并研究相关机理.(1)体系结构层次模型及理论借鉴TCP/IP体系结构的成功经验,遵循沙漏分层模型,构建以效劳为中央的未来互联网体系结构模型,定义各层功能和上下层接口.应用系统论等根底理 论和方法,分析未来互联网体系结构模型的扩展性和生存性等性能.根据效劳局 性及网络状态的变化,自适应地进行效劳与网络资源最优映射, 形成效劳感知的 路由机制.基于并行多核及虚拟机技术,研究可编程及虚拟化方法,设计支持未 来互联网体系结构的节点模型,为未来互联网的实现和部署奠定根底.(

24、2)体系结构评估与验证方法利用可编程虚拟化路由器等网络设备构成未来互联网骨干实验网络,利用虚拟化技术实现物理网络的软硬件资源复用,提供支持不同网络协议的资源切片的 逻辑隔离.建立适应高速率、大规模网络环境的面向效劳与业务感知的网络动态 行为测量模型,研究性能评估算法与实现技术,依据用户行为和业务描述参数等 建立评价体系.设计典型业务模式验证本工程所形成的新型体系结构及相关机理 与传统互联网相比所具备的可扩展性、动态性及平安可控性特征.(3)效劳标识与迁移机理以效劳对网络的需求和网络对效劳的约束为出发点, 以网络与效劳融合运行 为主线,研究未来互联网效劳特征及效劳融合运行方法. 在效劳描述方面,

25、分析 未来互联网效劳的共性特征与个性化特征, 建立效劳描述元模型；并在效劳描述 元模型的根底上,应用信息编码和最优化理论设计可变长的统一效劳命名体系.在效劳迁移方面,采用上下文感知和基于事件的分布式效劳协同方法,实时反响 效劳系统的拓扑动态性、效劳事件的交互性与演化性,实现效劳与本地运行环境 的自适应.在效劳隔离方面,采用多层次多租户隔离方法,以及合作博弈模型, 建立基于Pi演算与时态逻辑的多隔离举措相互配合的机制.(4)高效路由与智能传输机理传统网络提供“通信资源传统计算机提供“计算和“存储资融于效劳和 信息的路由与传输将以效劳和信息为中央,统一 计算、存储和通信资源,提供 多源到多目的的通

26、信模型,将现有的面向地址的路由与传输转变为面向效劳和信 息的路由与传输,网络结点具有分布式信息缓存的功能, 采用网络编码技术对存 储空间和传输效率进行优化,全面实时感知用户行为、效劳分布以及网络拓扑、 网络流量等网络资源状态,为设计高效的路由和传输机制提供参考, 设计网络虚 拟化方案,满足虚拟机和效劳实时迁移的需求.(5)平安与可信机理针对以效劳为中央的未来互联网体系结构的平安与可信问题,从未来互联网平安架构、效劳的自包含验证、效劳治理及维护的平安保证、 效劳恢复和可生存 性等方面开展研究,综合采用接入认证、动态信任治理、效劳行为监控等技术, 使未来互联网具备内建平安特性,即平安机制与网络及效

27、劳的功能和其他属性完 全融合,在网络体系结构中内建效劳验证、访问限制、监控审计、隐私保护等基 础平安功能,提供效劳和数据内容级的平安与可信系统性解决方案.(6)网络科学模型基于复杂网络、社会计算等理论,利用业务流监测等方法分析用户行为, 构建未来互联网用户行为模型.通过对典型网络效劳流的连续监测和采样,采用数 据挖掘、神经网络等方法,构建未来互联网效劳行为模型.利用多核并行化技术, 结合可扩展业务流识别等方法,构建未来互联网网络业务流量模型. 通过对大规 模互联网拓扑进行采样,利用线性代数根本理论,基于图论方法构建未来互联网 网络拓扑模型.基于产业组织、产业生态系统、交易本钱、复杂系统动力学等

28、理 论,研究未来互联网组织治理与运行机制.基于系统论、经济学、复杂网络、制 度经济学等理论,运用复杂分析方法、 CGE模型、现代计量方法等工具,研究 未来互联网对社会经济系统的影响.从上述分析和说明可以看出,本工程研究目标明确,研究思路可行,研究条 件具备,研究队伍互补,研究空间较大,工程申请单位建立了良好的组织与协调 机制,具有广泛的国际合作根底,所取得的有关研究成果对本工程取得重大突破 具有很好的参考价值和借鉴作用,具备了圆满完成工程目标的根底和条件.4.3 创新点本工程在已有的工作根底上,结合国际上在未来互联网领域的研究成果, 研 究面向效劳的未来互联网体系结构及相关机理, 力图表达出自

29、己的研究特色和创 新,拟取得以下创新性研究结果：- 提出适合未来计算模式的以效劳为中央的未来互联网体系结构层次模型及路由机制,形成互联网生长模型和理论,设计未来互联网新型路由节点模型.- 提出面向未来互联网的性能指标体系,建立相应的性能评估模型,构建虚拟化、可编程的新型网络实验环境,对未来互联网理论和关键技术进行原理性验证.- 提出统一的效劳描述元模型,建立效劳标识的高效映射机制,提出海量效劳 统一可扩展标识理论和环境敏感的效劳迁移及本地化自适应方法.- 提出面向效劳和信息的网络高效路由与智能传输机理,网络节点集成计算、 存储和通信功能,支持分布式存储转发信息,实现对大规模效劳及海量信息 的高

30、效网络支持.- 提出面向效劳和数据内容的细粒度系统性平安与可信机制,建立未来互联网 平安架构,设计互联网访问限制机制、效劳平安性的自包含验证机制、效劳 定位的平安保证机制和效劳迁移的平安保证机制.- 在网络科学模型方面,从用户行为、效劳行为、网络流量、网络拓扑多方面 给出数学模型和理论根底,提出未来互联网组织治理和可持续性生态链开展 机制.4.4课题设置及与工程目标的关系本工程设六个课题：- 课题1:未来互联网体系结构模型- 课题2:未来互联网效劳标识及迁移机理- 课题3:未来互联网高效路由与智能传输机理- 课题4:未来互联网平安与可信机理- 课题5:未来互联网网络科学模型- 课题6:未来互联

31、网性能评估与实验验证课题设置的根本思路如下:课题1 未来互联网体系结构模型主要研究面向效劳的未来互联网体系结构,包括其分层模型及功能定义、效劳为驱动的路由机制、大规模互联网的生长 机理及未来互联网节点模型,形成未来互联网研究的核心指导思想和设计原那么.围绕着面向效劳的未来互联网体系结构,课题 2 未来互联网效劳标识及迁移机理、课题3 未来互联网高效路由与智能传输机理、课题4 未来互联网 平安与可信机理深入研究其核心机理.其中课题2主要研究效劳标识理论、服 务迁移和本地自适应机理以及效劳的一致性治理和效劳隔离机制,解决效劳与网络无缝融合和高效协同运行的问题,为高效路由和智能传输奠定根底；课题 3

32、主要研究基于效劳路由与高效传输机理,统一 计算、存储和通信资源,以存储换带宽,实现“网络层P2P'和"就近效劳课题4针对以效劳为中央的体系架构,从新型体系结构的平安模型、效劳维护过程中的平安限制、效劳行为监控和生存 等方面开展研究,奠定新型互联网体系结构的平安与可信根底.课题5 未来互联网网络科学模型主要研究网络用户行为模型、网络效劳行为模型、网络业务流量模型、网络拓扑模型,这些科学模型的构建是研究面向 效劳的未来互联网体系结构的前提和根底.止匕外,探索未来互联网组织治理与运 行机制及其对经济系统的影响,形成未来互联网运行的保证机制.课题6 未来互联网性能评估与实验验证研究面

33、向未来互联网体系架构的新型性能评估方法和编程接口,建设可控、可测、可感知、可重构的新型网络实验环境,对本工程其他课题形成的研究成果进行实验验证和应用示范.课题间的关系如图4所示.体系结构及核心机理2.效劳标识及迁移机理1.体系结构模型3.高效路由与智能传输机理5.网络科学模型图4课题之间的关系解决未来互联网本工程预期目标是设计新型网络体系结构,研究相关机理,传输和效劳动态复杂耦合、海量差异化效劳透明映射、可扩展路由与高效传输等关键科学问题,工程目标和六个课题之间的关系如图5所示.图5工程预期目标和课题设置的关系研究课题之一：未来互联网体系结构模型研究目标充分分析互联网的现状、需求和未来互联网的

34、开展趋势,重点设计面向效劳 的未来互联网体系结构,包括其分层模型及功能定义；研究以效劳为驱动的路由 机制,转变互联网以地址为驱动的路由机制； 基于海量测量数据,研究大规模互 联网的生长机理；设计支持可编程、虚拟化的未来互联网节点模型. 综合上述成 果形成未来互联网研究的核心指导思想和设计原那么.研究内容- 面向效劳的未来互联网体系结构分层模型：借鉴 TCP/IP互联网的分层模型,定义层次结构和各层的功能、向上层提供的效劳和与下层的接口,研究“细腰 结构中面向效劳的核心功能组成；研究面向效劳的命名标识机制、寻址与解 析体系；- 效劳感知的路由与转发机制：与地址或者内容不同,效劳具有更加丰富的属性

35、,而且属性是动态的.路由需要根据效劳的多维属性,动态选择路由.研究效劳属性的感知机理,效劳属性标识到效劳位置的映射方法以及自适应路由选择；研究面向效劳的转发策略,效劳质量及拥塞限制等相关问题；- 大规模互联网生长机理：互联网的生长机理是体系结构和路由机制研究的基础.基于对互联网拓扑的海量测量数据,刻画拓扑生长模型、流量生长模型,研究互联网动态延伸的极限,形成互联网生长根底理论；- 支持可编程、虚拟化的未来互联网节点模型：路由器是实现体系结构的载体,研究可编程和虚拟化技术,设计并实现内部数据结构、输入 /输入队列模型、可扩展路由协议、存储治理与缓存机制、效劳获取策略等.承当单位：中国科学院计算技

36、术研究所、北京邮电大学、清华大学课题负责人：刘韵洁经费比例：26%研究课题之二：未来互联网效劳标识及迁移机理研究目标针对面向效劳的未来互联网体系结构下效劳的标识及迁移问题,提出统一的效劳描述元模型,建立效劳标识的高效映射机制；形成环境敏感的效劳动态迁移 及自适应运行和治理机制；借助于多层次的效劳隔离手段,支持多效劳多租户的 效劳运行,从而有效支撑效劳的本地化问题.研究内容- 效劳描述与统一标识理论：研究基于不确定信息的效劳请求表达模型；研究多源同质效劳的高效融合机制；探索位置无关的、层次化效劳命名体系；从元建模的角度,研究统一的效劳描述元模型；建立效劳描述模型到统一标识 的高效映射机制.- 环

37、境上下文敏感的效劳动态迁移方法：以用户和网络行为模型,特别是效劳资源特征为根底,基于环境上下文感知、决策和自主调整的思路,研究效劳的动态迁移策略,包括效劳迁移的触发条件、效劳迁移的节点选择等.- 大规模复杂效劳的本地化自适应运行机理：研究效劳迁移到本地后的动态自适应运行机制.基于事件的效劳动态协同模型,研究基于事件或者状态的服务资源动态协同、聚合,使效劳具有环境感知和资源的动态调配水平,实现 效劳的本地化自适应运行.-效劳的一致性治理和维护方法：研究协作式效劳缓存与动态更新机理；针对 提供相同效劳的多源提供网元,探讨它们之间的状态一致性维护机制；基于 路由节点的处理水平、存储空间等因素,研究效

38、劳的动态替换策略.-效劳隔离模型及映射机制研究：研究效劳隔离需求的形式化表达及复杂效劳系统的隔离模型,以及基于隔离接口的动态策略语言；研究抽象的效劳隔离 模型转化为具体物理实现的映射机制,解决物理隔离方法的组合设计模式问 题,并建立映射过程的验证推理机制.承当单位：北京邮电大学、中国科学院计算技术研究所课题负责人：乔秀全经费比例：17%研究课题之三：未来互联网高效路由与智能传输机理研究目标针对未来互联网面临的复杂效劳提供与海量信息传输等需求,研究面向效劳和信息的网络高效路由与智能传输,重点解决可扩展效劳路由协议、海量信息转 发与分布式存储机制、面向效劳的智能传输限制、效劳与网络环境的感知技术、

39、 以及网络虚拟化技术等关键问题,实现对超大规模效劳及海量信息的高效网络支 持,提升网络路由和传输的性能和效率.研究内容可扩展的效劳路由协议：针对分布式效劳和效劳迁移的需求,研究以效劳为中央的高效路由技术；研究基于效劳的路由与基于地址的路由之间的关系； 研究效劳路由的可扩展机制,解决大规模效劳带来的路由膨胀问题.-海量信息转发与分布式存储机制：研究信息,特别是大规模流媒体信息的高 效分发模型；研究支持未来互联网海量信息转发的机制和编码技术；利用网 络结点的计算和存储水平提升网络的转发性能和效率,研究基于网络编码技 术的新型分布式存储机制.-面向效劳的智能传输限制：设计符合网络效劳特征和流量统计特

40、性的流量控 制策略,实现响应性好、公平的传输限制协议；设计恰当的流量工程策略, 将网络流量参照网络负载状态动态分配到多条冗余链路上,最大化带宽资源 利用率；利用网络拥有的计算、存储和环境感知资源,构建面向效劳的传输 模型和效劳质量保证机制,支持组播、就近效劳、多源多径并发传输等传输 模式；研究效劳迁移或终端移动过程中传输会话保护与无缝切换技术.-效劳与网络环境的感知技术：研究基于效劳的网络拓扑感知方法、资源发现 方法,网络流量及资源的测量模型、机制和方法,感知信息的标准化与发布 技术；研究实时感知大规模效劳的分布以及在运行环境中的动态属性；基于 效劳与网络环境感知的相关信息,分析效劳的传输模式

41、、资源需求和用户需 求,为高效路由和转发提供依据.-网络虚拟化技术：研究基于网络切片slice的网络虚拟化,解决切片粒度 问题和物理资源固定情况下的多切片网络性能最优化问题；研究网络虚拟化 后的治理问题,包括虚拟化网络性能监测、物理网络资源动态调整以及网络 切片的创立、删除等,为实现高效传输奠定根底.承当单位：清华大学、中国科学院计算机网络信息中央、重庆邮电大学、西安电 子科技大学课题负责人：夏树涛经费比例：17%研究课题之四：未来互联网平安与可信机理研究目标现有互联网平安通常采用打补丁、 堵漏洞的方法,这些方法虽然有效,但不 能解决平安的根本问题.未来互联网改变边界防御观念,采用从疑心到信任

42、的原 那么,采取全新的结构和技术,以解决信息根底设施更大规模下的不平安问题.通过建立未来互联网平安架构,开展互联网访问限制机制、效劳平安性的自包含验 证机制、效劳定位的平安保证机制、效劳迁移的平安保证机制、在线监控和网络 恢复机制等的研究,为构建平安可信和可管可控的未来网络奠定根底.研究内容-未来互联网平安架构：建立基于 平安协议的未来互联网平安架构,研究协 议治理和分配、效劳部署和装载、协议执行和执行监测模型,通过设计效劳 平安协议和网络平安协议,灵活的集成各种先进的平安技术,保证各种效劳 在未来互联网中的执行平安性.-未来互联网访问限制机制：研究访问限制框架结构、功能实体单元以及主要 接口

43、关系,对身份认证、授权和审计各个环节提供平安机制；设计可靠易用 的用户身份认证协议,提升网络的可治理性；研究应用无关的访问限制方法, 为上层应用按需实现访问限制提供根底；分析网络治理与行为审计的需求, 设计在保证用户网络行为与数据内容隐私性的情况下对网络使用行为审计的 方法,实现网络的可追踪可审计.- 效劳平安性的自包含验证机制：研究效劳平安性验证模型,分析效劳可能面 临的各种恶意攻击,设计效劳的远程平安性验证与本地平安性验证方法、服 务需要包含的平安属性数据以及各种平安属性的验证算法,解决效劳的正确 性、完整性和来源验证以及提供者识别.- 效劳定位的平安保证机制：分析效劳注册、效劳请求、效劳

44、获取等效劳定位 机制的平安性需求,研究定位过程的异常自治理和故障自恢复方法,设计服 务提供者评价方法,保证定位过程的可用性和抗毁性.- 效劳迁移的平安保证机制：用户移动是未来互联网的根本特征之一,用户移 动时,其作为效劳提供者所能够提供的效劳也随之发生迁移,研究效劳迁移 的平安保证机制,保证效劳请求者能够无缝、平安地继续获得效劳.- 在线监控和网络恢复机制：未来互联网仍旧可能遭受到外部“和内部攻击,设计在线监控和网络恢复机制,在不影响网络性能的情况下能对网络使用行 为进行检测,及时做出响应,从而提供对内部攻击、外部攻击和误操作的实 时保护.承当单位：中国科学院计算技术研究所、中国科学院软件研究

45、所、数据通信科学 技术研究所课题负责人：张玉军 经费比例：15% 研究课题之五：未来互联网网络科学模型 研究目标网络科学模型是研究可扩展效劳路由协议、效劳迁移和治理策略的科学基础.网络科学模型的刻画以需求特征和网络测量为根底,从用户行为、效劳行为、 网络流量、网络拓扑多方面给出数学模型和理论根底,从而深入把握互联网根本 要素.本课题还将深入探讨未来互联网的组织机理与运行机制及其对经济系统的 影响.研究内容- 未来互联网用户行为模型：从用户主体特征、网络属性、情景因素、用户访 问网络的行为、用户访问的业务类型及用户之间相互影响等根本要素出发, 挖掘用户的业务使用偏好,对不同偏好类型用户给出综合的

46、刻画模型.- 未来互联网效劳行为模型：基于用户行为模型,针对未来互联网典型效劳如 文件共享,流媒体、物联网、云计算等,刻画网络效劳行为的静态和动态 特征.静态特征指效劳的根本属性,动态特征指流行程度及其变化趋势.此 外,探索网络效劳之间的相互影响.基于特征分析结果,构建可预测效劳需 求变化的网络效劳行为科学模型.- 未来互联网网络业务流量模型： 基于可预测效劳需求变化的网络效劳行为模 型,研究业务感知的流量识别方法以及业务流量模型,静态和动态地刻画互 联网流量分布,从理论上分析效劳迁移以及各种效劳策略的带宽需求.- 未来互联网网络拓扑模型：网络拓扑模型既包括由路由节点组成的互联网拓 扑模型,也

47、包括在虚拟聚合层的资源治理拓扑模型.基于静态和动态业务流模型,通过对大规模图的采样,利用图论的根本分析方法刻画静态和动态互联网拓扑模型,包括节点的度、聚集系数虚拟映射方法、特征路径、中央性、 连接特性等.- 未来互联网组织治理与运行机制：研究未来互联网行业和企业如通信运营 商、设备商、效劳提供商等的产业组织形态与商业模式,建立未来互联网 背景下的组织鼓励及互动博弈模型；研究未来网络环境下各类实体及虚拟组 织成长、消亡规律,并提出可持续性生态链开展机制.- 未来互联网对经济系统的影响研究：基于未来互联网通过新型的网络效劳模 式对未来生产和需求活动重构,揭示未来互联网对经济系统的传导途径,剖 析未

48、来互联网影响经济的深层机理,构建未来互联网的经济系统模型群,研 究其对相关产业,及宏观经济运行带来的各类影响,提出相关政策建议.承当单位：北京邮电大学、湖南大学课题负责人：吕廷杰经费比例：11%研究课题之六：未来互联网性能评估与实验验证研究目标针对未来互联网的性能评估和验证需求, 通过创立未来互联网实验环境,为 未来网络体系和机制的研究、设备原型研发提供评估和验证环境,为创新型业务 应用提供示范平台.验证本工程课题 1-5的研究成果,包括所形成的理论模型、 关键技术和设备原型；研究未来互联网的性能评估方法,提出性能评价指标体系, 提供性能评价和测试手段；利用应用示范系统验证未来互联网的功能和性

49、能.研究内容- 可重构的新型网络实验环境：采用新型可编程、基于虚拟化、支持新协议/新算法的路由设备原型,构建可编程、能够生成相互隔离的网络切片、具有面 向应用统一编程接口的新型网络实验系统,为新型网络体系的研究成果提供 一个可控、可测、可感知的开放实验环境.- 面向未来网络应用的新型编程接口：研究在新型网络体系结构之上,互联网 应用能够加以利用的编程接口 API.该API应具有开放性：可提供应任何 网络应用；适配性：可兼容正在研究当中的新型网络体系结构；扩展性：能 够支持未来可能出现的新的应用需求.- 新型性能评价指标体系与方法：研究面向未来互联网的性能评估模型,定义 未来互联网的网络性能参数

50、,给出评价指标体系；研究性能评估方法,结合 主动测量与被动测量,提供评价和测试手段；研究快速网络故障感知机理.- 系统实验与验证.构建开放、可扩展、可动态按需配置的实验效劳体系,测 试验证本工程其他课题形成的未来互联网理论模型、关键技术以及设备原型 的功能与性能.- 应用示范：基于新型网络实验环境上部署三网融合及物联网相关应用系统, 验证新型网络体系支持典型应用的功能、性能及资源利用效率,比拟新型网 络体系/机制与传统互联网在支持业务应用上的差异.承当单位：中国联合网络通信、中国科学院计算技术研究所、中国人民 解放军理工大学、清华大学、重庆邮电大学 课题负责人：唐雄燕 经费比例：14%四、年度方案研究内容预期目标第一年分析比拟未来互联网体系结构的设计特征,研究效劳标识,刻画网络行 为特征,探索可编程和虚拟化技术.具体研究内