国家自然基金标书-面向服务的未来互联网体系结构与机制研究

项目名称：面向服务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：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院一、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，其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服务，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发展的需求，在可扩展性、动态性以及安全可控性等方面呈现出无法解决的问题。为了从根本上解决上述问题，适应互联网未来持续发展的需求，需要设计新的互联网体系结构并研究相关关键机理。本项目中，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：从传输通道到服务池 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，按照该场景设计的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基础设施之一。用户更关注的是服务本身，例如信息搜索、内容分享、云计算服务等，而不再特别关注服务提供者的位置。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：新的互联网设计理念的支撑技术 硬件技术按照摩尔定律快速发展，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，从而把纷繁复杂的服务推向距离用户更近的位置，提升互联网服务的性能，提高用户的服务质量。综上，本项目旨在研究面向服务的未来互联网体系结构，服务可以理解为“数据”和“处理”的结合体，其中“处理”包含对数据的计算和存储。该体系结构的基本理念是以服务驱动路由，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服务池。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地址替换成服务标识（图1）。细腰模型使得面向服务的未来互联网体系结构具有更好的灵活性和可扩展性：为纷繁复杂的上层服务提供支持，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）细腰部分的作用；2）细腰与上层的交互机理；3）细腰与下层的交互机理。由此，本项目需要解决以下三个关键科学问题：- 传输和服务的动态复杂耦合问题（细腰部分的作用）。- 海量差异化服务透明映射问题（细腰与上层的交互机理）。- 可扩展服务路由与高效传输问题（细腰与下层的交互机理）。图1 项目的科学问题及其定位2.1 关键科学问题（1）科学问题之一：传输和服务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、存储和传输功能的服务池的问题，其中的关键问题包括： 服务命名和统一标识理论借鉴网络分层模型，探索位置无关的、层次化服务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服务的耦合需要基于路由设备来实现，包括路由设备如何存储服务内容，如何感知用户服务需求，如何基于服务内容进行路由决策等。 服务能力共享方法服务能力共享解决服务来源多样化的问题，包括网络如何获取和管理服务资源，如何根据服务性能最大化需求选择合适的服务提供方式满足用户需求，如何设计基于协作的分布式服务存储机制并实现服务在不同节点之间的动态迁移等。（2）科学问题之二：海量差异化服务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： 服务描述模型实现差异化服务的统一透明映射，首先需要解决服务描述问题，包括如何从元建模的角度，研究统一的服务属性描述元模型，如何界定服务与具体应用之间的关系，如何使得服务属性模型具有可扩展性以适应未来业务创新的需求，如何确保服务的安全与可信。 服务标识统一映射方法在服务属性模型细致刻画服务的基础上，研究基于不确定信息的服务属性模型到服务统一标识的透明映射理论和方法，包括服务标识的分层结构设计、属性的标识映射方法等。（3）科学问题之三：可扩展服务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： 服务路由机理与地址或者内容不同，服务具有更加丰富的属性，而且属性是动态的，需要根据服务的多维属性，动态选择路由。研究服务属性的感知机理，服务属性标识到服务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服务请求映射效率的重要措施，包括如何利用节点的存储和计算能力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控制策略。 网络科学模型准确的网络科学模型是研究海量服务高效传输的前提和基础，包括未来复杂网络环境下的用户行为模型、服务行为模型、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，本项目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）：面向服务的体系结构层次模型及理论、评估及验证方法服务标识及迁移机理高效路由与智能传输机理安全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发展趋势，探索以服务为中心的未来互联网体系结构，研究基于海量数据的大规模互联网生长机理，研究服务驱动的路由机制，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。创建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，验证基于本项目成果建设的未来互联网的功能和性能。（2）服务标识及迁移机理针对纷繁复杂的网络服务，研究服务的描述及统一标识理论，探索位置无关的、层次化的、可扩展的服务命名体系；根据用户及网络行为，研究环境上下文敏感的服务动态迁移方法及大规模复杂服务的本地化自适应运行机制；针对由于服务迁移造成的多服务副本分散运行情况，研究服务的一致性管理和自动维护方法；从服务可靠性的角度，研究服务隔离模型以及路由节点多服务多租户的运行方法。（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服务与传输海量信息等需求，研究面向服务和信息的高效路由与智能传输机理，重点解决可扩展服务路由协议、海量信息转发与分布式存储、面向服务的智能传输控制、服务与网络环境的感知技术、以及网络虚拟化技术等关键问题，实现对超大规模服务及海量信息的高效支持，提高网络路由和传输的性能和效率。（4）安全与可信机理针对以服务为中心的未来互联网体系结构的安全与可信问题，从未来互联网安全架构、互联网访问控制机制、服务安全性的自包含验证机制、服务定位的安全保障机制、服务迁移的安全保障机制、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服务验证、访问控制、监控审计、隐私保护等基础安全功能，为构建安全可信和可控可管的未来互联网奠定基础。（5）网络科学模型通过研究用户主体特征等基本要素，挖掘用户的业务使用偏好，刻画未来互联网用户行为模型。针对典型服务，刻画网络服务行为的静态和动态特征，构建未来互联网服务行为模型。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，建立组织激励及互动博弈模型并提出可持续性生态链发展机制。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、安全可控性等问题，围绕着传输与服务的动态复杂耦合、海量差异化服务的透明映射以及可扩展服务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服务为中心的未来互联网体系结构层次模型。新的体系结构以网络服务驱动路由，是一种支持演进式革命的未来互联网体系结构。路由机制根据服务属性及网络状态的变化，自适应地进行服务与网络资源最优映射。设计可编程、虚拟化的未来互联网节点模型，支持新型体系结构和服务路由机制。- 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，对本项目形成的未来互联网理论和关键技术进行原理性验证。- 提出海量服务统一可扩展标识理论和环境敏感的服务迁移及本地化自适应方法。针对新型体系结构下服务的标识及迁移问题，提出统一的服务描述元模型，建立服务标识的高效映射机制，形成环境敏感的服务动态迁移及自适应运行和管理机制。- 提出面向服务和信息的网络高效路由与智能传输机理。网络结点设备不但具有通信功能，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“就近服务”，实现对大规模服务及海量信息的高效网络支持。- 提出面向服务和数据内容的细粒度系统性安全机理。针对面向服务的未来互联网体系结构，通过建立未来互联网安全架构、开展互联网访问控制机制、服务安全性的自包含验证机制、服务定位及迁移的安全保障机制、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安全与可信问题。- 提出未来互联网网络科学模型。以需求特征和网络测量为基础，从用户行为、服务行为、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持续性生态链发展机制。通过本项目的实施，达成以下目标：（1）设计面向服务的未来互联网体系结构，形成一系列互联网基本理论和方法；（2）针对未来互联网服务标识及迁移、高效路由与传输以及安全与可信机理，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，申请国内外核心发明专利50件以上，提交标准化草案/文稿5件以上（未来互联网体系结构的研究目前还处于探索阶段，在项目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。本项目的成果应用可从根本上改变互联网的服务模式和通信模式，全方位提升用户的服务体验，使互联网在人类生活和社会发展中发挥更大、更重要的作用。同时，本项目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贡献。三、研究方案4.1 总体研究思路本项目拟研究面向服务的未来互联网体系结构SOFIA（Service-Orientated Future Internet Architecture），并探索相关核心机理。SOFIA的基本思想是以服务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服务池。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