36、未来网络相关概念与技术解析

未来网络相关概念与技术解析

1. 基础概念

在未来网络的构建中，有一系列关键的基础概念。
- 4WARD 相关 ：4WARD 有其主要目标，同时存在定义未来互联网可能架构的架构框架，以及明确新架构定义所需步骤的设计流程和定义未来互联网创建所需所有必要模块的系统模型。
- 商业模型相关 ：商业模型定义了技术和/或应用的商业环境，描述了业务所处的领域。其中涉及到多个角色，如使用运营商服务的客户、使商业模型得以创建的环境变量、不同提供商之间的互连等。迁移则是将现有网络升级到未来互联网理念所需采取的步骤。非技术要求是允许未来互联网发展必须遵循的准则。物理网络提供商从自身物理资源中提取部分或整个虚拟网络，并代表虚拟网络提供商绑定这些资源，供最终用户和服务提供商后续使用。隐私是指个人隐藏自己个人信息或不允许他人在其不知情的情况下公开这些信息的能力。场景是为评估新应用、技术和相关商业环境的发展而定义的假设情况。服务提供商在虚拟网络上部署服务或应用，服务则是提供给客户的应用和技术。用例是针对给定服务或应用的假设情况的完整商业模型，价值链是给定业务中必须完成的一系列活动。虚拟网络运营商负责运营、维护、控制和管理虚拟网络，虚拟网络提供商从各种基础设施提供商处请求虚拟资源，虚拟网络用户是通过虚拟网络访问应用的最终客户。

概念	定义
4WARD 目标	4WARD 要实现的主要目标
架构框架	定义未来互联网可能架构的框架
商业模型	技术和/或应用的商业环境定义
客户	使用运营商服务的角色
隐私	个人信息保护能力

2. 网络架构相关概念

• 组件化架构 ：将工程系统分解为具有明确定义接口的功能或逻辑块，用于组件间通信。组件是比对象更高层次的抽象，它们不共享状态，通过交换携带数据的消息进行通信。
• 合同 ：是互操作性的单位，代表附加到接口的元数据和规范，用于绑定该接口的客户端和提供者。
• 设计模式 ：为细化系统元素或它们之间的关系提供方案，描述了在特定上下文中解决一般设计问题的常见交互角色结构。
• 设计存储库 ：是 Stratum、Netlet 和基于组件的架构在整个过程中的焦点，存储概念和整体知识之间的联系，并且会根据过程执行中的反馈不断更新。
• 功能块 ：实现特定功能的指令序列，可用于构建协议和其他功能，通常是局部功能，通过与其他节点组件中的功能块通信组成分布式功能，也称为构建块，如循环冗余校验的计算就属于功能块。
• 水平层 ：为跨网络的通信和信息管理提供资源和能力。
• 接口 ：是签名列表，签名描述抽象功能，可能包括名称、返回类型、参数列表、可能抛出的异常、前置条件和后置条件等。
• Netlet 选择器 ：包含自动选择方法，为给定任务选择最佳 Netlet。
• Netlet ：是节点架构的组件，包含本地功能块集合，用于在特定网络架构中实现一组协议。
• 网络访问 ：为 Netlet 提供访问任何底层网络基础设施的接口。
• 节点架构 ：提出节点的内部结构以及如何并行选择、实例化和运行任意网络架构的不同 Netlet。
• 协议 ：描述组件间消息传递机制的语法、语义和功能行为。
• 层网关点 ：提供访问相同或相似类型的其他层的途径，是层之间必要时进行互操作的点，可进一步分解为一个或多个接口。
• 层服务点 ：提供访问层的能力和功能的途径，也可进一步分解为一个或多个接口。
• 层 ：是网络架构的结构元素，用于设计、实现和部署通信系统中的分布式功能。
• 基板链路 ：连接两个基板节点的物理链路（有线或无线），需区分由一个基础设施提供商独家控制的基板链路和不同基础设施提供商之间的基板链路。
• 基板节点 ：指基础设施提供商拥有并独家控制和管理的物理硬件，可分为可虚拟化和不可虚拟化的节点，不可虚拟化节点虽不能用于虚拟化服务，但可能是虚拟链路的一部分并需支持虚拟网络。
• 基板 ：由所有基板节点和基板链路组成。
• 垂直层 ：负责监听和管理其他层，了解网络情况以进行治理。
• 虚拟链路 ：可以是物理链路的预留份额，也可由多个物理链路组成，不同链路技术有支持虚拟化的现有机制来实现虚拟链路之间的分离和隔离。
• 虚拟网络切片 ：由属于虚拟网络的虚拟节点和虚拟链路的预留资源组成。
• 虚拟网络拓扑 ：在考虑最终用户时，用于明确不考虑非基础设施提供商管理的最终用户设备的虚拟网络。
• 虚拟网络 ：是虚拟网络切片的运行实例，包括已配置和激活的虚拟节点以及可能正在使用的虚拟链路。
• 虚拟节点切片 ：是在基板节点上预留的一组资源，尚未执行任何代码，是向活动虚拟网络过渡的中间形式。
• 虚拟节点 ：由虚拟节点切片通过安装和启动操作系统以及设置所需应用程序构建而成。

graph LR
    A[组件化架构] --> B[功能块]
    A --> C[接口]
    D[设计存储库] --> E[Stratum]
    D --> F[Netlet]
    D --> A
    G[节点架构] --> F
    H[虚拟网络] --> I[虚拟网络切片]
    I --> J[虚拟节点切片]
    J --> K[虚拟节点]

3. 地址与路由相关概念

• 地址绑定 ：两个实体之间的协议，即一个实体可通过另一个实体到达，且一个实体的名称用作另一个实体的地址，两个实体必须至少共享一个分区，通常是节点分区。
• 地址 ：实体 1 的地址是实体 2 的名称，前提是两个实体达成绑定协议，实体 1 可通过该地址和实体 2 的分区到达。
• 绑定表 ：节点分区可选择将名称/地址绑定信息收集在一个节点范围的表中，也可仅将这些绑定信息存储在相关实体中。
• 绑定 ：两个共享至少一个分区（通常是节点分区）的实体之间的关系，意味着它们不仅可以通信，而且其中一个实体同意代表另一个实体接收流量并传递给它。
• 分区 ：是功能完整的通信系统，受范围限制，提供通信服务并通常使用其他分区的通信服务，由一组实体、一个命名空间和分区内所有实体之间的相互可达性定义，分区内的实体必须理解分区的命名空间和协议集。
• 转发表 ：路由表的压缩版本，对于已知目的地，仅包含给定分区中的下一跳邻居以及如何到达该邻居的信息。
• 转发 ：查询路由表（或其压缩形式转发表）以确定在给定分区内将数据包（或电路）传递到的下一跳邻居的过程。
• 通用路径 ：是物理或虚拟网络中数据传输和/或数据转换的概括，可指整个架构、特定类型的数据传输/转换路径或此类路径的具体实例，通用路径存在于分区内的实体之间，实例不会离开分区，支持的通用路径类集是分区的定义属性之一。
• 名称解析配置表 ：包含一个分区的名称如何通过给定辅助分区进行解析的信息，在复杂的名称解析配置中，可能使用第三个分区来存储名称/地址绑定信息，该表内容可预先配置或在运行时通过分区内的路由和递归名称解析填充。
• 名称解析表 ：为每个实体包含其在分区内的所有邻居（截至目前已发现的）以及如何到达这些邻居的信息，还可提供成本信息。
• 名称解析 ：为给定名称找到一组地址（以及这些地址所在的分区）的过程，分区可以定义名称解析适用于单播、任播、多播或其他操作。
• 名称 ：命名空间的元素，实体获得名称后可用于识别该实体，但通常不要求唯一性，实体可以有零个、一个或多个来自给定命名空间的名称，也可属于多个命名空间。
• 命名空间 ：一组名称以及对名称的操作，至少要定义任意两个元素的“相等”操作，还可自由定义其他操作，如“子名称”和“聚合”。
• 邻居发现 ：为给定实体 E 和给定分区 C 找出 E 在 C 中的邻居以及 E 相对于其他分区 C’ 的邻居的过程，高度依赖于 C 和 C’，与在 C 中解析通配符名称密切相关，通过名称解析配置表进行配置。
• 邻居 ：是一个分区 C1 内两个实体 E1 和 E2 之间的关系，当 E1 和 E2 可以使用 C1 的原始手段直接通信或借助辅助分区 C2 进行通信时定义，前者称为 C1 邻居，后者需满足一定条件才称为 C1 邻居（相对于 C2）。
• 节点分区 ：由计算系统（物理或虚拟）的边界定义的特定分区，命名空间是进程/线程标识符集，通信协议是操作系统的进程间通信设施，在单个物理计算系统上运行的多个虚拟机形成多个节点分区。
• 路由表 ：包含给定实体分区内的目的地名称和邻居名称，以及通过给定邻居到达目的地的估计成本，邻居名称可因通过不同辅助分区可达而多次出现，此时到达该邻居的估计成本和后续路由可能不同。
• 路由 ：在分区的某些或所有实体处计算路由表的（通常是分布式）过程，基于邻居信息。
• 服务图 ：每个节点分区都存在，以实体为节点，若实体 E1 为 E2 提供有用服务，则 E1 和 E2 之间有边，通过节点分区内的邻居发现构建，在该服务图上进行路由是通过识别所需服务递归构建通信关系的一种方式。

概念	作用
地址绑定	建立实体间可达关系
转发表	辅助数据包转发
名称解析	查找实体地址
路由	计算路由表

4. 通信技术与安全相关概念

• 蓝牙 ：用于短距离数据交换的开放无线协议，但存在与实现相关的安全问题。
• 虚拟机管理程序 ：也称为虚拟机监控器，是允许多个操作系统同时隔离运行、保护敏感区域（如内存、应用程序接口）的软件或硬件。
• RFID ：射频识别技术，包括询问器（阅读器）和标签（标签），有有源、无源和电池辅助无源标签，虽被广泛使用，但存在严重的安全和隐私问题。
• SIM/USIM ：用户身份模块，是常嵌入智能卡中的逻辑实体，用于在移动电话设备和计算机上识别用户。在 GSM 设备中 SIM 卡是必需的，在 UMTS 中称为 USIM 或通用集成电路卡，运行 USIM 应用程序，USIM 与运营商交互时生成的二级密钥可作为其他互联网使用（如计算机和 OpenID）的安全锚点。
• Skype ：允许用户通过互联网进行语音通话的软件应用程序，使用专有协议（加密不可禁用且对用户不可见），是最大的国际语音运营商，但提供不受控制的用户注册系统，无需身份验证。
• WLAN ：无线局域网，常指 IEEE 802.11 标准（Wi-Fi）的版本，用于替代有线局域网进行本地联网，也可用于无基站的自组网，但无线电级别的安全要么缺失，要么基于已破解的 WEP，要么基于较新的 WPA 和 WPA2。
• Zigbee ：基于 IEEE 802.15.4 标准的一套新的高级通信协议，用于替代 WLAN 和蓝牙。

graph LR
    A[蓝牙] --> B[短距离数据交换]
    C[RFID] --> D[物品识别]
    E[Skype] --> F[互联网语音通话]
    G[WLAN] --> H[本地联网]
    I[Zigbee] --> J[通信协议]

5. 网络管理与性能相关概念

• 自治系统 ：具有单一管理权限并使用一致策略进行管理的 IP 网络。
• 域 ：基于共同技术的网络分区，可独立于网络的其他部分运行。
• 互通 ：交换数据的能力。
• 对等互连 ：两个域之间的互连。
• 体验质量 ：最终用户主观感知的应用或服务的整体可接受性，包括完整的端到端系统影响（客户端、终端、网络、服务基础设施等）。
• 服务质量 ：服务性能的综合效果，决定用户对服务的满意程度。
• 服务级别协议 ：两个或多个实体在协商活动后达成的正式协议，用于评估服务特性、各方责任和优先级，可能包括关于性能、计费、服务交付和补偿的声明，每次性能报告可能仅包括相应 SLA 中商定的 QoS 参数。
• 异常检测 ：分析偏离正常观察行为的测量值。
• 资本支出（CAPEX） ：获取或升级物理资产（如网络设备）的成本。
• 协同设计 ：将管理功能与服务功能结合设计的风格。
• 协作故障定位 ：将异常行为隔离到特定网络组件。
• FCAPS ：故障、配置、计费、性能和安全，是网络管理的模型和框架。
• GAP ：通用聚合协议，提供全局指标连续监测的分布式算法。
• 全局管理点 ：根据 INM 范式，从高层目标角度管理网络的高层入口点。
• INM 框架 ：支持 INM 算法和管理功能的一组架构元素和概念。
• INM ：网络内管理，在网络本身执行管理任务。
• 管理能力 ：由管理算法组成任何基本和更复杂管理功能的构建块。
• 管理域 ：对一组自管理实体的特定视图，无论是结构上还是功能上，仅提供对受限管理功能集的访问。
• NATO! ：一种统计方案和算法，用于精确估计受同一事件影响的一组节点的大小，无需每个节点的明确通知，从而避免反馈爆炸。
• 网络态势感知 ：对网络性能的监测和理解。
• 运营支出 ：运行网络等的持续成本。
• 自适应控制循环 ：管理能力内的算法或算法的一部分，为 INM 算法实现自适应功能。
• 自适应 ：网络自身采取的调整以适应变化条件的管理行动。
• 服务访问点 ：4WARD 网络管理框架内管理服务的高层入口点。

概念	所属类别	解释
自治系统	网络结构	有单一管理权限的 IP 网络
体验质量	性能评估	用户主观感知的服务可接受性
异常检测	网络管理	分析异常测量值
资本支出	成本相关	获取或升级资产成本

6. 信息中心网络相关概念

• 标识符 - 定位器 ：表示信息对象的标识符与有效负载（通常是位级对象副本）所在地址（定位器）之间的逻辑关联。
• 信息绑定 ：将信息对象连接到位级对象的动作。
• 信息中心范式 ：在通信历史中，是电路交换和分组交换之后的当前演进步骤，克服了 URI 寻址的语义过载，旨在创建基于信息内容而非信息地址的互联网空间。
• 信息对象 ：表示描述单个内容片段（存储为位级对象）的元数据集合、位级对象的定位器以及发布者提供的任何其他描述（如安全信息）。
• 元数据 ：与信息对象关联的单一描述片段。
• 名称解析系统 ：基于对象名称而非对象地址的解析系统的抽象。
• 命名方案 ：根据方案或预定义策略生成特定对象名称的过程。
• 信息网络 ：在 4WARD 中实现信息中心范式。
• 自我认证 ：信息对象基于元数据内容证明其来源和有效性的能力，无需独立认证机构。

7. 商业与网络运营相关概念

• 商业模式 ：描述组织如何创造、交付和获取经济、社会或其他形式的价值，在当前用于从 4WARD 创新中提取价值，连接技术专家及其技术输入与商业专家以产生经济产出。
• 商业用例 ：从外部增值角度描述业务流程，可能包括合作伙伴和供应商，旨在为业务利益相关者提供价值，有助于理解或改变业务流程。
• 激励措施 ：任何促使或激励特定行动的因素，是鼓励利益相关者以特定方式行事的期望。
• 信息对象 ：可在网络上传输的任何类型的数据。
• 接口 ：两个或多个硬件或软件实体之间的交互或通信点。
• 参与者 ：能够在商业模式中扮演特定角色的实体。
• 角色 ：在开发商业模式时可识别的交换有形或无形商品或货币的机会，每个角色可能有多个可行的参与者。
• 利益相关者 ：对组织有直接或间接利益的个人、团体或实体，因为他们可能受到组织行动、目标和政策的影响，通常包括客户、员工、所有者（股东）、各类供应商。
• 双赢模式 ：基于数学博弈论设计的商业模式，使所有参与者都能以某种方式从中获利。

8. 网络架构与管理的综合概念

• 基于组件的架构 ：基于 OSGi 的组件化协议栈架构。
• 通用路径 ：4WARD 提出的新网络传输架构。
• 治理层和知识层 ：层概念的管理和监控层面。
• 信息中心网络 ：主要处理对象或信息片段，独立于其实际位置。
• 基础设施提供商 ：运营和提供物理基础设施的角色。
• 网络内管理 ：4WARD 提出的未来网络自我管理方法。
• Netlets ：可动态加载到节点架构中的协议或协议栈容器。
• 网络架构师 ：设计网络架构并做出重要设计决策的个人或团体。
• 网络编码 ：在网络内对数据流进行动态（重新）编码，以更好地使实际传输的数据适应当前网络约束。
• 信息网络 ：4WARD 提出的以内容为中心的网络范式。
• 网络虚拟化 ：不同网络共享物理网络基础设施，同时这些网络相互隔离。
• 节点架构 ：一种可扩展的网络节点（终端系统和中间系统）架构，允许并行访问不同网络架构的多个网络，同时提供基于单一需求的应用程序接口，协议和协议栈作为 Netlets 加载。
• 层概念 ：提供网络功能和接口的一般抽象。
• 虚拟网络 ：在虚拟化资源上运行的网络。
• VNet 管理 ：描述配置和部署虚拟网络所需的任务和工具。
• VNet 运营商 ：与 VNet 提供商签订合同的虚拟网络运营商。
• VNet 提供商 ：向 VNet 运营商提供从多个基础设施提供商处获得的虚拟网络资源的利益相关者。

graph LR
    A[基于组件的架构] --> B[Netlets]
    C[信息中心网络] --> D[网络编码]
    E[网络虚拟化] --> F[虚拟网络]
    G[节点架构] --> B
    H[VNet 管理] --> F
    I[VNet 提供商] --> J[VNet 运营商]
    J --> F

通过对这些概念的深入理解，我们可以更好地把握未来网络的发展趋势和技术要点，为未来网络的构建和应用提供坚实的理论基础。

未来网络相关概念与技术解析（续）

9. 概念间的关联与应用

上述众多概念并非孤立存在，它们之间存在着紧密的关联，并且在未来网络的构建和运营中有着广泛的应用。

• 商业与技术的结合 ：商业模式需要依托各种网络技术来实现。例如，VNet 提供商通过基础设施提供商获取物理资源，利用网络虚拟化技术创建虚拟网络资源，再提供给 VNet 运营商。VNet 运营商基于这些虚拟网络资源，结合服务提供商提供的服务，为客户提供各种网络应用，从而实现商业价值的创造和传递。这一过程中涉及到的地址绑定、路由等技术，确保了数据在网络中的准确传输，保障了服务的正常运行。
  | 商业角色 | 关联技术 | 作用 |
  | — | — | — |
  | VNet 提供商 | 网络虚拟化、资源分配 | 获取和提供虚拟网络资源 |
  | VNet 运营商 | 服务部署、网络管理 | 运营虚拟网络，提供服务 |
  | 服务提供商 | 应用开发、协议配置 | 提供网络应用和服务 |

• 安全与隐私的保障 ：在各种通信技术和网络应用中，安全和隐私问题至关重要。蓝牙、RFID 等技术虽然方便了数据交换，但存在安全隐患。而 SIM/USIM 卡生成的二级密钥可以作为安全锚点，为其他互联网使用提供安全保障。同时，信息对象的自我认证能力，使得数据在传输和存储过程中能够证明自身的来源和有效性，减少了对独立认证机构的依赖，提高了数据的安全性和隐私性。

graph LR
    A[通信技术] --> B[安全隐患]
    C[SIM/USIM 密钥] --> D[安全保障]
    E[信息对象] --> F[自我认证]
    F --> D

• 网络管理与性能优化 ：网络内管理（INM）是未来网络自我管理的重要方法，它通过各种管理能力和算法，实现对网络的实时监控和自适应调整。异常检测可以及时发现网络中的异常行为，协作故障定位能够快速将问题隔离到特定组件，从而提高网络的可靠性和性能。同时，路由和转发机制的优化，能够提高数据传输的效率，降低延迟，提升用户的体验质量。

10. 未来网络发展的挑战与机遇

未来网络的发展既面临着诸多挑战，也蕴含着巨大的机遇。

• 挑战

  • 安全与隐私问题 ：随着网络技术的不断发展，各种新型的安全威胁也不断涌现。如 RFID 技术的广泛应用带来了严重的安全和隐私问题，如何在保障数据交换便捷性的同时，确保用户信息的安全和隐私，是未来网络发展需要解决的重要问题。
  • 标准与互操作性 ：网络中存在着众多的技术和协议，如不同版本的 WLAN 标准、各种通信协议等，如何实现这些技术和协议之间的互操作性，制定统一的标准，是推动未来网络发展的关键。
  • 网络管理的复杂性 ：未来网络规模不断扩大，结构日益复杂，网络管理的难度也随之增加。如何实现高效、智能的网络管理，确保网络的稳定运行，是网络管理者面临的巨大挑战。

• 机遇

  • 新兴技术的应用 ：如网络编码技术可以提高网络的传输效率和可靠性，信息中心网络范式可以更好地满足用户对信息内容的需求，这些新兴技术的应用将为未来网络的发展带来新的机遇。
  • 商业创新 ：新的商业模式和商业用例不断涌现，如双赢模式的应用，使得各方参与者都能在网络运营中获得利益，促进了网络产业的发展和创新。
  • 社会发展的需求 ：随着社会的发展，人们对网络的依赖程度越来越高，对网络的性能和服务质量也提出了更高的要求。这为未来网络的发展提供了广阔的市场空间和发展动力。

11. 对未来网络发展的展望

未来网络将朝着更加智能、高效、安全和个性化的方向发展。

• 智能化 ：网络将具备更强的自我管理和自适应能力，能够根据网络的实时状态和用户需求，自动调整网络参数和资源分配，实现智能优化。例如，通过机器学习和人工智能技术，网络可以预测用户的行为和需求，提前做好资源准备，提高服务的响应速度和质量。
• 高效化 ：网络传输速度将进一步提高，延迟将进一步降低。新的网络架构和传输技术将不断涌现，如通用路径的优化和网络编码的应用，将使得数据能够更加高效地在网络中传输。
• 安全化 ：安全和隐私将得到更加严格的保障。未来网络将采用更加先进的加密技术和认证机制，确保数据的完整性和保密性。同时，信息对象的自我认证和区块链技术的应用，将进一步提高网络的安全性。
• 个性化 ：网络服务将更加个性化，能够根据用户的偏好和需求，提供定制化的服务。网络将能够识别不同用户的身份和需求，为用户提供个性化的内容推荐和服务体验。

graph LR
    A[未来网络] --> B[智能化]
    A --> C[高效化]
    A --> D[安全化]
    A --> E[个性化]
    B --> F[自我管理]
    B --> G[自适应调整]
    C --> H[高速传输]
    C --> I[低延迟]
    D --> J[加密认证]
    D --> K[自我认证]
    E --> L[定制服务]
    E --> M[个性化推荐]

总之，未来网络的发展充满了挑战和机遇。我们需要深入理解各种网络概念和技术，不断探索和创新，以应对未来网络发展中的各种问题，推动未来网络朝着更加美好的方向发展。通过对这些概念和技术的研究和应用，我们有望构建一个更加智能、高效、安全和个性化的网络环境，为人们的生活和社会的发展带来更多的便利和价值。