35、信息中心通信与网络原型及迁移路径探索

信息中心通信与网络原型及迁移路径探索

1. 信息中心通信抽象的优势

信息中心通信抽象具有诸多显著优势，它能够实现内容向大量接收者的高效分发。其架构内置了内容缓存功能，无需拦截请求或在接收方进行特殊配置。同时，负载均衡的实现也不依赖于诸如 DNS 轮询之类的附加组件。

由于信息可以从最近的可用源获取，可靠性和性能都得到了提升。在存在通信中断、临时访问机会和多种访问选择的异构无线环境中，信息中心范式能够增强性能和可靠性。与使用端到端字节流相比，信息中心通信抽象在数据对象的传输方面提供了更大的灵活性。网络对应用程序的意图有更深入的了解，因此能够更智能地处理数据。网络可以通过多条路由、在可用路径上进行冗余处理以及中间存储来克服连接中断问题，即使在端到端路径不存在的极端情况下也能发挥作用。

此外，使用信息中心方法还能为非传播类应用带来好处，例如个人电子邮件。两台具有 WiFi 连接的笔记本电脑可以在不涉及基础设施的情况下直接进行邮件传递。同时，信息中心方法为防止拒绝服务（DoS）攻击提供了新的可能性。通过将控制权从发送方转移到接收方，未经接收方同意，任何人都无法强制网络流量流向接收方。这也是设计 NefInf 以替代当前用于端到端通信的 TCP/IP 的一个动机。

2. 4WARD 项目的原型开发

2.1 项目概述

4WARD 项目开发了多个原型，以展示在不同领域的可行性和概念验证。部分原型代码将作为开源软件发布，旨在创建一个可供他人实验和进一步开发相关概念的软件基础。

2.2 各原型介绍

2.2.1 节点架构守护进程原型

该原型包含一个简单的示例架构，在 2009 年的本地计算机网络会议上进行了演示，并获得了与会者投票选出的最佳演示奖。通过一个简单的视频应用，展示了如何减轻网络条件恶化导致的服务质量下降的影响。可以在应用程序或通信协议中采取措施来应对这种变化。通过使用 Netlet 编辑器重新设计和增强之前使用的简单 Netlet，并添加更多协议机制，而不是调整应用程序或引入复杂的自适应协议功能。增强后的 Netlet 部署在节点架构上，由于其提供了更可靠的数据传输，被选择使用。演示设置还增加了一个小型虚拟化测试平台，将视频流场景无缝转移到虚拟网络中。该虚拟化测试平台在多个项目范围内的活动中展示，说明了不同利益相关者的角色，并证明了虚拟网络资源预留和隔离的可行性。其关键特性如下：
- 利用图形设计工具快速创建组合协议（Netlets）
- 重用现有的协议构建块
- 根据应用程序需求和端节点的网络属性自动选择合适的 Netlet
- 隔离虚拟网络
- 在虚拟网络场景中分离角色

未来计划包括将终端系统连接到多个虚拟网络，并在移动自组织场景中测试该守护进程。部分方面将在德国的 G-Lab 测试平台上进一步开发。节点架构原型的代码在 GNU 通用公共许可证（GPLv2）的条件下发布，可在 此处 在线获取。

2.2.2 Vnet 管理环境原型

该原型能够根据网络虚拟化架构在多个网络服务提供商（InPs）之上提供和管理定制化的虚拟网络（VNets）。它还能为关键架构设计决策提供见解，例如信息披露与信息隐藏之间的权衡。尽管资源发现和分配的复杂性增加，但该原型表明可以在几秒钟内配置 VNets。实验研究未发现基础设施存在可扩展性问题，即使在有多个 InPs 的情况下也是如此。其主要构建块如节点虚拟化技术和用于虚拟链路设置的数据包封装/解封装技术目前都已具备。这表明进入运营商市场的门槛已经降低，通过新的商业模式可以轻松创建商业产品，向全网络虚拟化的转变在不久的将来是可行的。

2.2.3 应急原型

该原型的实时自适应功能通过分层架构的整体和系统方法展示了网络域的自组织和自部署。展示了需要能够应对网络运营复杂性的高级管理工具，包括与网络性能相关的技术方面和与运营商目标相关的非技术方面。INM 框架和用于监控和拥塞控制的算法提供了分布式域级拥塞检测，并具有可选的自愈功能，同时允许域所有者在业务目标层面管理其域。通过在域级别对不同网络架构进行分层封装实现 SLA 交换网络，突出了在域级别通过 SLA 协商实现互操作性。

2.2.4 NetInf 和 GP 原型

这两个原型证明了相关架构概念的好处。NetInf 原型展示了其特定优势，如提高资源利用率、固有负载均衡、高效数据传播和改进的安全功能，并深度集成到网络架构中。GP 原型表明摆脱严格的 ISO/OSI 分层提供了很大的灵活性，能够轻松实现目前难以实现的网络功能，如会话移动性和动态使用协作和编码技术，这些都需要大量的跨层信息。将两个原型集成后，显著提高了对两个概念如何相互作用以及如何相互受益的理解。例如，引导和会话移动性展示了 GP 的通用名称解析方案和构建提供 NetInf 特定传输的定制 GP 的潜力。未来可能包括支持透明网络内缓存的 GP。这两个原型的代码库已作为开源项目发布。

2.2.5 使用 INM 实现跨层 QoS 的 GP 原型

该原型适用于无法在拥塞网络中进行过度配置和/或重新路由的基础设施提供商，例如农村无线网络。未来计划通过在 MAC 子层之上实现网络编码（NC）来提高基于 GP 的性能，预计丢包率将降低到 1% 以下，并提高视频流分辨率。在可扩展性方面，当检测到网络中的拥塞链路时，可以激活六节点蝴蝶拓扑，并使用这里描述的协作网络范式。

2.3 原型开发总结

原型开发活动涵盖了多个不同方面，而不是专注于单个方面。其主要目标之一是在实现层面上结合互补概念。这些原型在不同场合（如会议和项目演示）成功展示，大多数实现将继续进行，并作为未来发展的平台。

以下是原型相关信息的表格总结：
| 原型名称 | 主要功能 | 关键特性 | 未来计划 |
| — | — | — | — |
| 节点架构守护进程原型 | 减轻网络条件恶化影响，增强数据传输可靠性 | 快速创建 Netlets、重用协议块、自动选择 Netlet、隔离虚拟网络、分离角色 | 连接多虚拟网络，移动自组织场景测试 |
| Vnet 管理环境原型 | 提供和管理定制化 VNets，提供架构设计见解 | 短时间配置 VNets，降低市场门槛 | 无 |
| 应急原型 | 展示网络域自组织和自部署，提供拥塞检测和管理 | 分布式域级拥塞检测，SLA 协商互操作性 | 无 |
| NetInf 和 GP 原型 | 证明架构概念好处，提高资源利用率和灵活性 | 集成展示相互作用潜力 | 支持透明网络内缓存 |
| 使用 INM 实现跨层 QoS 的 GP 原型 | 适用于拥塞网络，提高性能 | 降低丢包率，提高视频流分辨率 | 实现网络编码，激活蝴蝶拓扑 |

下面是原型开发流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[确定开发目标] --> B[设计原型架构]
    B --> C[实现原型功能]
    C --> D[进行测试和验证]
    D --> E{是否满足要求}
    E -- 是 --> F[发布原型代码]
    E -- 否 --> C

3. 从研究到现实：未来互联网的迁移路径

3.1 迁移的必要性与挑战

采用全新架构部署完整的新网络在经济上通常不可行。因此，需要探索如何将研究成果应用和迁移到现有网络，以推动其发展。

3.2 迁移的可选方案

3.2.1 技术扩展

可以通过技术手段扩展现有网络，例如利用自管理方面的研究成果，添加不特定于任何服务的监控算法来增强管理能力。GAP 算法就是一个提供监控功能的例子。

3.2.2 叠加/底层和控制功能添加

可以通过提供叠加层或底层以及控制功能来增加网络的功能。例如，Netinf 可以应用于现有的互联网之上；或者添加与现有网络正交的功能，如之前定义的设计流程可用于定制网络；还可以在现有的无线结构中应用网络编码作为底层功能。

3.2.3 网络虚拟化

网络虚拟化不仅可以用于共享网络资源，还可以作为向新网络架构迁移的途径，尤其适用于特定的企业网络等受限网段。目前，虚拟化在云计算等领域的应用趋势表明，用户可以从大规模使用和弹性带来的更线性的成本曲线中受益。网络虚拟化的经济优势在于优化所需资源，从而降低总体拥有成本（TCO）。不同类型的虚拟化还有其他额外优势，如服务器虚拟化中的许可证共享或电力消耗降低。每个虚拟网络可以根据不同的设计标准构建，并作为定制服务的网络运行，同时与其他各种虚拟网络在同一基础设施上共存。然而，迁移到虚拟化平台也存在挑战。虽然从理论上讲，客户可以从一个平台切换到另一个平台，运营商可以关闭旧平台，但在现实中，服务中断是客户的主要痛点，且在大规模网络中迁移需要大量时间和规划。此外，运营商也不愿意终止与客户的合同并重新签订。因此，迁移到已经具备虚拟化功能的平台会非常有益，因为服务实际上得以维持，无需更改任何合同。但从运营商的角度来看，除了安装新的（集成了虚拟化功能的）平台并将大多数客户及其当前使用的服务转移到新平台，似乎没有简单的迁移到虚拟化的方法，只有一小部分客户会主动迁移到最新的服务。

3.2.4 部署全新网络

可以基于研究架构框架部署一个独立的全新网络，并通过网关与现有网络连接，但这种方式商业适用性有限，仅适用于非常特殊的网络，如传感器网络。另外，大规模部署研究网络也是一种选择，例如美国的 GENI 计划，这样可以在不干扰“真实”网络的情况下测试协议和机制。

不同迁移方案的对比表格如下：
| 迁移方案 | 具体操作 | 优势 | 挑战 |
| — | — | — | — |
| 技术扩展 | 添加不特定于任何服务的监控算法 | 增强管理能力 | 无 |
| 叠加/底层和控制功能添加 | 应用 Netinf、添加正交功能、应用网络编码 | 增加网络功能 | 无 |
| 网络虚拟化 | 在现有基础设施上构建虚拟网络 | 优化资源，降低 TCO，服务维持 | 服务中断风险，迁移复杂 |
| 部署全新网络 | 部署独立网络并通过网关连接现有网络 | 可测试新协议 | 商业适用性有限 |

3.3 不同技术的迁移可能性

3.3.1 自管理或 INM 框架

从自管理或 INM 框架的角度来看，管理能力可以分为不同级别：
- 固有级别：与被管理实体紧密耦合，例如当今网络中的 TCP 流量控制机制，管理是协议的一部分。
- 集成级别：与被管理实体耦合，例如 LTE 中的 ANR（自动邻区关系）功能，用于检测和配置小区之间的关系，是小区管理的一部分。
- 分离级别：与被管理实体解耦，例如不特定于任何服务的监控算法，服务可以使用该算法。GAP 算法就是一个例子，它可以提供所需参数的监控。
- 外部级别：完全外部，更多是非 INM 管理，例如当今的 OSS 功能是网络外部的。域间管理可能仍需处于这个级别。

集成和分离方法都可以作为将研究成果应用于现有网络并使其向更自管理方向发展的可能性。

3.3.2 通用路径（Generic Path）

通用路径（GP）专注于 API，与当前网络协议容易兼容。甚至可以看到对 OpenFlow 方法进行增强的可能性，使其从 GP 概念中受益。

3.3.3 网络编码

网络编码可以应用于 MAC 层之上，以增加拥塞链路上的带宽。

3.3.4 Netinf 方法

Netinf 方法可以在 IPv4 或 IPv6 之上启动，不过在 GP 之上运行会更有优势。

3.4 迁移路径总结

许多研究中描述的方法将由新项目推进，可能会被提议进行标准化，或者以开源形式提供给其他人继续开发。

下面是迁移路径选择的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[确定迁移需求] --> B{选择迁移方案}
    B -- 技术扩展 --> C[添加监控算法]
    B -- 叠加/底层和控制功能添加 --> D[应用 Netinf 等]
    B -- 网络虚拟化 --> E[构建虚拟网络]
    B -- 部署全新网络 --> F[部署独立网络并连接]
    C --> G[评估效果]
    D --> G
    E --> G
    F --> G
    G{是否满足要求} -- 是 --> H[完成迁移]
    G -- 否 --> B

综上所述，信息中心通信抽象为网络通信带来了诸多优势，而通过多种原型的开发和不同的迁移路径探索，有望推动未来互联网朝着更高效、更智能、更灵活的方向发展。这些研究成果和实践经验将为网络技术的进一步发展提供重要的参考和基础。