第1章 绪论
1.1 未来互联网概述
1.1.1 未来互联网定义
当前，互联网已经从一个学术网络、技术网络演变成一个大众商业平台，人们的社会生活和发展处处离不开互联网。然而，传统的网络架构在技术与非技术方面已经无法满足当前社会发展的需求，因此需要设计新的互联网体系架构。在技术方面，对于网络安全问题，复杂多变的网络攻击使得当前的互联网架构在发展上面临着巨大的挑战。此外，互联网协议（internet protocol，IP）网络的“窄腰”意味着核心架构很难修改，新功能必须通过在现有架构之上设计补丁来实现。因此，目前互联网是通过这种渐进的变化来满足对高安全性、高性能、高可靠性的要求，但是，社交内容分发、移动性等方面不断增长的需求将难以满足。从而，学术界建议采用革命性的架构设计范例来构建未来互联网。在非技术方面，商业用途的安全性不再依赖“基于边界”的执行[1]，而是必须提供多种粒度，如加密、认证、授权等。
文献[2]中讨论了当前互联网设计解决方案的几个相关问题。关于互联网的历史比较全面的介绍可参考Patterns in Network Architecture: A Return to Fundamentals （《网络架构模式：回归基础》）一书[3]。该书描述了当前互联网关键技术背后的潜在动机和机理，还详细描述了非技术因素对当前互联网架构的影响。
目前的互联网无法对其底层基础架构进行修改。若解决当前的小问题则会引入许多其他变化，因此，目前采用增量方法的观点将当前的设计进行扩展。互联网需要根据当前需求重新进行设计，同时确保其具有足够的灵活性以满足未来网络的发展需求[4]。此外，目前迫切需要将互联网从简单的“主机到主机”数据包交付模式转变为围绕数据的交付模式。所有上述挑战都促进了对未来互联网架构的持续深入研究。
国际和国内学术界和产业界关于“未来互联网”没有统一和明确的定义。但是，人们对未来互联网的需求和基本特征已经有了基本的共识，即更快捷、更简单、更便宜、更安全的下一代互联网，以用户为中心，让上网的感觉更好。
目前，互联网的发展面临诸多挑战，发展下一代互联网迫在眉睫。为了实现以上目标，正在进行一系列未来互联网的研究项目[1]。
（1）以内容或数据为导向。现在的互联网围绕IP的“窄腰”构建，导致难以改变IP层以适应未来的需求，因此需要将体系架构的“窄腰”从IP变为数据或内容分发。一些研究项目基于这一想法，引入了数据和内容的安全性、隐私性，命名和聚合的可扩展性、兼容性，以及与IP协同工作和新范例的效率等方面的研究内容。
（2）移动性和无处不在的网络访问。互联网正在经历从基于个人计算机（personal computer，PC）计算到移动计算的重大转变。移动性已成为未来互联网的关键驱动力。将移动性作为常态而不是体系结构的例外，可能会通过创新的场景和应用程序来确定未来互联网架构。学术界和工业界的许多合作研究项目都在研究这些课题。这些研究项目还面临诸如如何通过移动用户的可扩展性、安全性和隐私保护，移动终端资源使用优化等来权衡移动性的挑战。
（3）以云计算为中心的架构。将存储和计算迁移到“云”并创建“计算实用程序”是一种需要新的互联网服务和应用程序的趋势，数据中心是这种新架构的关键组件。创建安全、可靠、可扩展且强大的架构将数据中心的数据进行互联、控制和管理非常重要。云计算中一个主要技术挑战是如何在保证持续服务可用性的同时保证用户的可信度。
（4）安全性。安全性已成为未来互联网架构的重要设计目标，其研究涉及技术、经济和公共政策背景。从技术方面来说，它必须为任何潜在的用例提供加密、认证、授权等多种安全策略。从非技术方面来看，它应该确保提供参与者（用户、基础设施提供商和内容提供商）之间的可信赖接口。
（5）试验测试平台。如前所述，开发新的互联网架构需要大规模的测试平台。目前，测试平台研究包括具有不同虚拟化技术的多个测试平台的开发，以及这些测试平台之间的联合和协调。来自美国、欧盟和亚洲的研究组织已经启动了几个与大规模试验测试平台的研究和实施相关的计划。这些项目探讨了与大规模硬件、软件、分布式系统测试和维护，以及与安全性、鲁棒性、协调性、开放性和可扩展性相关的挑战。
1.1.2 未来互联网发展历程
原始的互联网主要支持在北美的用户，通过哑终端访问共享资源。如今，互联网有超过30亿的移动设备和桌面设备连接到各种应用程序，从简单的Web浏览到视频会议和内容分发。互联网应用的剧烈变化凸显了当前IP架构的局限性，推动了未来互联网络架构的研究[5]。
未来互联网研究工作可能会根据其技术和地理多样性进行分类。虽然有些项目针对的是单一主题，但其他项目通过在各个项目之间建立协作和协同关系来实现整体架构。目前已经在全球不同国家及地区建立了专门针对未来互联网设计的研究项目，包括美国、欧盟、日本和中国。美国国家自然科学基金会（National Science Foundation，NSF）资助的未来网络体系结构研究归纳为如下几个阶段：2000～2003年，NewArch项目；2005～2009年，未来互联网网络设计（Future Internet Network Design，FIND）计划；2010～2013年，未来互联网架构（Future Internet Architecture，FIA）计划；2013～2015年，未来互联网架构——下一阶段（Future Internet Architecture-Next Phase，FIA-NP）计划。
以下是未来互联网部分代表性项目的具体介绍。
（1）2005年，NSF启动了FIND计划和全球网络创新环境（Global Environment for Network Innovations，GENI）[6]计划。
（2）2007年，欧盟在第七研发框架（Framework Programme 7，FP7）中设立“未来互联网研究和试验”（Future Internet Research and Experimentation，FIRE）项目[7]。
（3）2010年，NSF推出了FIA计划[8]。*初，FIA是一个为期5年的计划，其目标是设计一套候选的下一代互联网架构。
（4）2015年，NSF通过后续的FIA-NP计划重申其承诺。FIA-NP不像FIA专注于架构研究，而是计划通过原型设计、测试平台开发、试验部署和不断的试验来重点强调评估方面的重要性。
很多发达国家对未来网络已开展研究，如美国的GENI项目、欧盟的FIRE项目、德国的G-LAB（Germany-LAB）项目、中国的下一代互联网示范工程（China Next Generation Internet，CNGI）项目、澳大利亚的国家信息与通信技术（National Information and Communication Technology of Australia，NICTA）项目、日本的千兆网络（Japan Giga-bit Network 2plus，JGN2plus）和韩国的全球网络创新环境（Korea- GENI，K-GENI）。
NSF的FIA计划建立在之前的FIND计划上。FIND计划资助了大约50个关于未来互联网设计方面的研究项目。FIA计划将这些想法整合到整体架构提案组中的下一个阶段。在这个计划下有四个协作架构小组，表1.1展示了美国未来互联网研究项目。
FIA计划*初包括四个研究项目：NEBULA[9，10]、命名数据网络（Named Data Network，NDN）[11]、移动性第一（MobilityFirst，MF）[12]和表现型互联网架构（eXpressive Internet Architecture，XIA）[13]。每个项目都侧重于具有清晰结构和设计原则的新互联网架构。NEBULA设想了一个高度可用且可扩展的核心网络，可以连接众多数据中心，从而实现分布式通信和计算。NDN专注于可扩展和高效的数据分发，通过命名数据而不是其位置来解决当前互联网以主机为中心的设计上的不足。MF专注于可扩展且无处不在的移动性和无线连接。XIA强调灵活性，并通过创建单个网络来满足不同通信模型的需求，该网络为各种主体（包括主机、内容和服务）之间的通信提供固有支持，同时保持对未来的可扩展性。在FIA-NP计划下，原来的四个FIA架构中只有三个被选中继续资助进行下一步的研究，它们是NDN、MF和XIA。
未来的互联网架构不是针对特定主题或单一目标改进的，针对特定主题的解决方案可能会假设架构的其他部分是固定不变的。因此，针对不同方面设计的平台解决方案可能不会产生新的互联网架构。相反，它必须是对整个架构的整体重新设计，将所有问题（安全性、移动性、可靠性等）纳入考虑范围，同时还需要具有可扩展性和灵活性，以适应未来的变化。通过协作并全面考虑之前获得的经验教训和研究成果来构建整体网络架构。
未来互联网架构研究的另一个重要方面是新架构的试验测试平台。当前的互联网由多个利益相关者拥有和控制，为规避风险，他们不愿意将他们的网络暴露给试验测试平台。因此，开发新的互联网架构需要探索开放的大规模测试平台，以保证不干预现有的服务正常运行。在测试平台上可以对新的架构进行不断改进以满足现实世界中的需求。总之，需要三个连续的步骤才能创新未来的互联网架构，即进行互联网各方面的创新、协作项目将多项创新融入整体网络架构、利用测试平台进行实际规模的试验。
众多国际标准化组织已经加入未来互联网的研究中，2011年成立的开放网络联盟（Open Network Foundation，ONF）已有会员超过1500位；2012年组建的网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）组织已有会员超过230位；2013年OpenDaylight开源网络操作系统已有会员超过154位；2014年开放网络功能虚拟化（Open Network Function Virtualization，OPNFV）组织已有会员超过55位。
未来互联网研究已经呈现出巨大的发展势头，这一领域的大量研究项目也证明了这一点。
1.2 未来互联网体系结构
1.2.1 渐进式演进
1.IPv6
IPv6是internet protocol version 6的缩写，是IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议[14]。
与IPv4相比，IPv6有着许多优势，如更多的地址空间、更小的路由表、更强的组播支持以及对流的控制。尤其是IPv6加入了对自动配置（auto configuration）的支持。这是对动态主机配置协议（dynamic host configuration protocol，DHCP）的改进和扩展，使得网络管理更加方便和快捷。
同时，IPv6具有更高的安全性。在IPv6网络中，用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，IPv6中的加密与鉴别选项能够确保分组的保密性与完整性，极大地增强了网络的安全性[15]。
1）IPv6地址
32比特的IPv4地址在理论上可以提供232个地址，约等于42.9亿个地址。但是，目前全球的总人口数已超过80亿，因此即使对地址空间完全利用，也无法为地球上的每个人分配一个IP地址。IPv6地址空间采用128比特地址，意味着将会有2128个地址，足够为地球上的每个人都分配一个IPv6地址[16]。
IPv6地址长度为128比特，以一串十六进制数字来表示。每4比特表示一个十六进制数，一共
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