NSF未来互联网架构项目

特约通讯员 梁晓欢

随着互联网的出现，知识已经可以在任意的人类活动中进行传播。它从一个小型的网络，逐渐发展成为我们生活必不可缺的一部分。现代社会中的任何一个重要领域，少了互联网都无法进行正常运作。然而，随着网络安全的日益复杂化，互联网服务的可靠性则越来越难以保证，因此互联网这些年所取得的持续成功开始受到越来越多的威胁。正因为我们对一个高度独立且安全的信息技术架构的依赖程度越来越高，所以当前互联网发展的进程是否可以满足未来人类社会中新兴的需求，已经无法得到保证。

正是由于认识到现代社会对一个高度独立且安全的信息技术架构的强烈需求，在美国国家科学基金会（NSF）对互联网科学与工程的持续投资的基础上，计算机信息科学工程（CISE）的董事会就成立了NSF未来互联网架构(FIA)这一个项目，来鼓励并推动创新性的研究，以此来探索、设计并评估未来互联网架构的可靠性。希望通过该项目的实施，能以协作的、持久的、改革性的思维方式参与研究社群，从而脱离当前互联网的束缚。同时也要总结过去的经验教训，积极开拓有发展前景的新研究思路，并要考虑到互联网和人类社会的相互影响所带来的更大的社会问题、经济问题、法律问题，设计并试验新的互联网架构和网络概念。

在2010年夏，NSF成立了未来互联网架构的5个子项目。在下文，会依次介绍这些子项目的详细情况。

一、“命名数据网络”架构项目（NDN）

尽管互联网的发展速度已经超出了人们的预期，但是仍有一些地方与当初的假设不太符合，在运作的过程中经常会产生冲突纷争，对互联网潜在的通信模型构成了挑战。无论是互联网的使用者，还是应用程序，都是以内容为导向进行操作的，这就使得互联网很难依照IP地址的请求——通过发现和定位主机地址来进行信息传递。为了能够让互联网更加未来化，我们需要一个概念上比较简单的转换架构，将研究焦点从当前的主机地址的解析，转移到用户和程序所真正关注的内容。

“命名数据网络”架构项目（NDN）成立于2010年9月，其致力于开发一个全新的互联网体系架构。为了能够更自然地适应通信的新模式，新架构会充分利用当前互联网基于主机的、点对点的通信体系架构的优点，并尽量修正它的缺点。通过命名数据，而不是命名主机地址，NDN可以将数据转换成一个完整的实体。当前的互联网是为了保护数据容器，而NDN架构则是为了保护数据的内容。这实际上是一个设计上的选择，把数据从主机中分离出来，使得如自动缓存等其它多个完全可扩展的通信机制可以一起优化带宽。NDN是一个研究技术挑战的项目，必须证明作为一个未来化的互联网架构，他的通信模式是可信任的，能够保证网络安全，保护数据内容和隐私，具有可扩展性、快速转发等优点。该项目利用端到端的测试平台、模拟实验以及理论分析方法来评估新的体系架构，并正在开发NDN协议及其应用程序的规格参数和模型实现系统。

二、“移动优先”网络架构项目（Mobility First）

“移动优先”项目启动于2010年9月，它成立的前提是，互联网正在接近一个历史性的转折点，移动平台和移动应用程序从诞生以来，就一直准备取代固定服务器的地位，从而主导整个互联网。这个可预测的，同样也是根本性的转变，为设计一个新一代的互联网提供了一个独特的机会。此外，移动设备、移动终端，以及在服务、可靠性、管理上随之产生的变化，会成为这个互联网新架构的主要驱动因素。我们所提出的新架构在设计上的主要目标是：在符合动态主机和网络的规范的基础上提高移动性；在考虑无线媒体的内在特性的基础上保证稳健性；通过加强移动网络和有线基础设施的隐私安全性来保证可靠性；具有如支持灵活的上下文感知的移动网络服务、可发展的网络服务等易用性特征；具有可管理性和经济可行性。此外，该项目的设计也要考虑如无线频谱资源的稀缺性等技术性因素，利用摩尔定律来继续改进移动和传感设备在计算和能源约束上存在的问题。

“移动优先”互联网架构主要由八大关键要素组成：第一，命名和寻址的分离，通过一个快速的全球动态名称解析服务得到实现；第二，高度的安全性，该架构的认证公钥网络地址支持高效的身份验证；第三，延时容忍网络；第四，扁平标志的互联网络；第五，跳跃点到跳跃点的传输协议；第六，一个独立的网络管理平面；第七，可选择的隐私保护功能；第八，一个集成的计算和存储层。整个互联网架构在设计时，虽然具有一定的复杂性，但是也保证了可实施性，此外也具有一定的可扩展性。

三、“星云”网络架构项目（NEBULA）

现在，无论是迁移存储，还是计算处理，抑或是应用程序，都越来越偏向“云”化的模式，这为开发一个全球性的、以互联网为中心的计算体系架构创造了一个空前的机会，使得我们可以运用新的方法来进行快速资源供应、公用定价，以及进行连续且简单的管理。在“星云”架构（其英语单词nebula，是源于拉丁语里对云的称呼）里，云计算数据中心是数据主要的存储库，同时也是计算的主要轨迹。在这个未来模型里，和数据中心连接的是一个高速运行且极为可靠安全的中枢网络。该项目的研究重点是开发新的可信赖的数据控制方法 来支持新兴的云计算模型，通过创建一个以云计算为中心的网络架构来解决当前技术上的困难。

简单来说，“星云”未来互联网项目研究的是如何为云计算提供网络支持，特别侧重于开发可靠性高的应用，如基于云的医疗保健服务，这一服务不仅整合了医疗传感器、病人的信息数据，还潜在链接了用于药物输注的设备。

四、“表现式”网络架构项目（XIA）

“表现式”互联网架构项目（简称为“XIA项目”）专门针对日益多样化的网络使用模式，致力于解决当前对可靠度高的通信的需求。此外，随着提供互联网服务的利益相关者变得越来越多，XIA项目也需要协调这些利益相关者的活动，从而来保证服务的质量。

为了能够达到上述这些目标，XIA项目需要解决很多技术上的难题，创建一个单一的网络，该网络在容纳未知的未来实体的同时，还能够为主机、内容和服务等通信主体间的信息传递提供内在的支持。在保证通信的完整性和真实性的基础上，“表现式”互联网架构还提供内在安全功能。在该架构里，所有上下文相关的机制都可以灵活地发挥作用，从而在各个通信主体间建立信任，在人和标识符之间搭起桥梁。

总的来说，XIA项目包括了用户使用实验（通过实验来评估和改善用户与网络间的接口），以及技术设计决策，经济激励和公共政策之间的关系的研究。

五、ChoiceNet项目

计算机网络，特别是因特网，代表了商业、政府、军事和个人通信等领域最为关键的基础设施。然而，最近互联网技术上一些新的趋势，使得人们对互联网的功能要求越来越高，而这些要求已经超过了当前配置的基础设施所能提供的功能范围。

ChoiceNet项目利用经济学原理，开发了一个全新的架构设计方案，使得互联网能够在不久的将来可以代表即将出现的改革性的转变，依旧能够保持在网络核心领域内的创新力。这一个新的互联网架构的核心理念是就是支持以体系结构为核心的各项抉择。建立在这些原则上的一个互联网络将是能适应新兴解决方案的，能够应对当前，以及未来的各种挑战。

在该项目里，设计出的互联网架构希望可以达到以下三个目标：第一，鼓励开发各种替代产品，允许用户可以在一系列服务里进行选择；第二，让用户可以以支付的方式进行投票，奖励那些优质且创新的服务；第三，为用户提供相关的机制，让用户可以随时了解可用的替代产品，以及这些产品的性能。该项目试图从不同的方向入手，提供多样的解决方案。这也反应了该项目团队里的工作人员在计算机网络学、网络系统学、管理科学、网络经济学等多种学科上的专业知识。

结语

参与NSF未来互联网架构项目（FIA）的员工强调，FIA项目只是迈向未来先进的互联网的第一步，FIA的项目总监，达林.费希尔说：“尽管我们的最终目标是要设计并发展一个可以为这个社会的所有需求提供服务的互联网，但我们也意识到这些子项目仅仅是创建完整的未来互联网架构的一个开端而已。我们真切的期待本次研究的成果可以推动未来互联网的发展。”